seiten aus hochspannungsmesstechnik

5/16/2018 Seiten aus Hochspannungsmesstechnik - slidepdf.com

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Inhaltsverzeichnis

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

2

2.12.1.1

2.1.2

2.1.32.1.4

2.1.5

2.1.6

2.2

2.2.1

2.2.2

2.2.2.12.2.2.22.2.2.3

2.2.2.4

2.32.3.1

2.3.22.3.32.3.4

2.3.5

2.4

2.5

Oszilloskopmeßtechnik für schnell veränderliche hohe Spannungenund Ströme

Elektronenstrahloszilloskope . . . . . . . . . . . .

Speicheroszilloskope und photographische Aufzeichnung.

Digitale Speichersysteme . . . . .

Meßkabel .

Elektromagnetische Verträglichkeit.

Messungen mit Differenzverstärkern

Messung hoher Stoßspannungen mit Spannungsteiler undElektronenstrahloszilloskop . . . . . . . . . . . . . .

Der Meßkreis und seine ÜbertragungseigenschaftenErmittlung der Übertragungseigenschaften durch Messung des

Frequenzgangs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Ermittlung der Übertragungseigenschaften durch Messung der SprungantwortImpulsgeneratoren zur Messung der Sprungantwort .Anstiegszeit und Antwortzeit . . . . . . . . . . . . . . . .

Fehlerermittlung bei der Messung des Scheitelwerts in der Stirnabgeschnittener Stoßspannungen .

Rückwirkung eines Spannungsteilers auf den Hochspannungskreis

Ohmsche Spannungsteiler. . . . . . . . . . . . . . . . . .

Der zweistufige kompensierte Spannungsteiler ohne Berücksichtigung derInduktivitäten und der verteilten Erdkapazitäten . . . . . . . .Der ohmsche Spannungsteiler unter Berücksichtigung der verteilten

Erdkapazitäten . . . . . . . . . . . . . . .

Die verteilten Erdkapazitäten . . . . . . . . .Der ohmsch-kapazitiv gemischte Spannungsteiler.Der gesteuerte ohmsche SpannungsteilerNiederohmige Spannungsteiler .

Kapazitive Spannungsteiler .

Der kapazitive Spannungsteiler und seine Zuleitungen

Kapazitive Spannungsteiler mit konzentrierter HochspannungskapazitätKapazitive Spannungsteiler mit verteilter HochspannungskapazitätNiederspannungsteile kapazitiver Spannungsteiler . . . . . . . . . .

Anpassungsverhältnisse am Niederspannungsteil kapazitiver Spannungsteiler

Das Kettenleiterersatzschaltbild

Leitungsspannungsteiler

116

9

12

17

27

29

30

32

3436

42

46

49

52

52

55

5558

61

63

66

66

68

73

78

80

82

84



VIII

3

3.1

3.1.1

3.1.2

3.2

3.2.1

3.2.2

3.2.3

3.3

3.4

3.4.1

3.4.2

3.4.3

3.5

3.6

3.7

3.7.1

3.7.2

3.7.3

3.7.4

4

4.1

4.2

4.3

[)

5.1

5.2

5.35.3.1

5.3.2

5.4

Inhaltsverzeichnis

Einrichtungen ZUl' l'fessung hoher GIeich- und Stoßspannungen sowie desSeheitel- und Rffekti"werts hoher Weehselspannungen. . . . 87

Messung hoher Gleichspannungen und des Effektivwerts hoherWechselspannungen. 87

Hochohmige Widerstände und Spannungsteiler 87

Elektrostatische Spannungsmesser . . . . . . 94-

1essung des Effektivwerts hoher Wechselspannungen. 98

Kapazitiver Vorwiderstand und kapazitiver Spannungsteiler 98

Kapazitive Spannungswandler . . . . . . . 99

Induktive Spannungswandler, Bestimmung der Hochspannung aus dem

übersetznngsverhältnis des Hochspannungsprüftransformators . . . . 103

Me sung hoher Gleichspannungen, Stoßspannungen und des Scheitelwertshoher Wechselspannungen mit de r Kugelfunkenstrecke . . . . 107

Messung des Scheitelwerts hoher \Vechsel- und Stoßspannungen 117

Scheitelspannungsmessung nach Chubb und Fortescue . 119

Scheitelspannungsmeßeinrichtungen mit Spannungsteiler 121

Stoßspannungsmeßeinrichtungen mit Spannungsteiler 128

Messung hoher Gleichspannungen sowie des Scheitelwerts und beliebiger

Zwischenwerte hohcr Wechselspannungen mit Hochspannungsmessern nachdem Generatorprinzip . . . . . . . 134

Absolute Spannungsmessung 139

Messung elektrostatischer Aufladungen 142

Messung des Potentials . . . . . . 144

Messung der Ladung . . 145

Messung der elektrischen Feldstärke 148

1eßgeräte zur Messung elektrostatischer Aufladungen 14-8

lessung hoher, schneIl"eränderlicher Ströme mit demElektronenstrahloszilloskop . . 153

Niederohmige Meßwiderstände 153

Magnetische Spannungsmesser (Rogowski-Spulen) 168

Hall-Generatoren . . . . . . . . . . . 173

NichtkollYentionelie l\lessung hoher Spannungen und Ströme 176

Optische Effekte 177

Intensitätsmodulation . . . . . . 181

Nichtkonventionelle Strommessung 184Aktive Systeme . . . . . . . 185

Passive Systeme. . . . . . . . . 186

Nichtkonventionelle Spannungsmessung . 188

6

6.1

6.2

6.2.1

6.2.2

6.2.3

6.2.4

6.2.5

6.3

Dielektrische JUessungen . . . . . . .

Serien- und Parallelersatzschaltbild verlustbehafteter Kondensatoren

Brückenschaltungen zum Messen von Kapazi tä ten und Verlustfaktoren

Verlustfaktormeßbrücke nach Schering

Schering-Brücke für hohe LadeströmeSchering-Brücke für hohe VerlustfaktorenUniversal-Q·tan Q-Meßbrücke . . . . . .

Verlustfaktormeßbrücke mit Stromkomparator

Allgemeine Betrachtungen über Empfindlichkeit. Abschirmung undBrückenelemente . . . . . . .

191

191

193193

195

196

197

198

201



Inhaltsverzeichnis IX

6.3.1 Empfindlichkeit......... 201

6.3.2 Vergleichskondensator . . . . . . 202

6.3.3 Streukapazitäten und Abschirmung 204

6.3.4 Nullindikatoren . . . . . . . . . 208

6.4 Messung der Kapazität und des Verlustfaktors geerdetet· Prüflinge 211

6.4.1 Messung geerdeter Prüflinge mit der Schering-Brücke . . . . . 2116.4.2 M-Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

6.4.3 Verlustfaktormessung mit dem Verfahren der gedämpften Schwingung 213

7 Teilentladungsmeßtechnik . . . . . . 215

7.1 Teilentladungsimpulse in Hohlräumen 216

7.2 Teilentiadungsmeßschal tungen 220

7.3 Prüflinge mit verteilten Parametern . 224

7.4 Meßgeräte zur Erfassung von Teilentladungen . 227

7.5 Aussagekraft der am Ankopplungsvierpol gemessenen Größen in bezug auf die

Größe der tatsächlichen Teilentladungen . . . . . . . . . . . . . . . . 231

7.6 Äquivalenz von Teilentladungsmeßergebnissen in Picocoulomb und Mikrovolt 234

7.7 Abschließende Bemerkungen zur Teilentladungsmeßtechnik 237

Literaturverzeichnis

Sachverzeichnis

240

273



20 1 Oszilloskopmeßtechnik für schnellveränderliche hohe Spannungen

Je kleiner der Kopplungswiderstand eines Koaxialkabels ist, desto besser is t

seine Schirmwirkung und desto kleiner die erzeugte Störspannung. Mitunter

benützt man zur Verringerung des Kopplungswiderstands doppelt oder dreifachgeschirmte Leitungen oder Flexwellkabel, deren Außenleiter aus einem gewellten,

nahtlos verschweißten Metallmantel besteht.

Bild 16. Zur Definition des Kopplungs-widerstands R K eines Koaxialkabels.

Bild 17 zeigt den typischen Verlauf des Kopplungswiderstands von Flexwell-

kabeln und gewöhnlichen Koaxialkabeln mit Geflechtschirm. Die Ursache fürdas unterschiedliche Verhalten beider Schirmarten bei hohen Frequenzen wurde

bereits in 1.5 erläutert.

I ~ I1 , 0 t - - - - ~

Geflechlschirm

0,5

0,2

0,1 '-------------'------Bild 17. Kopplungswiderstand RK(f) vonFlexwellkabeln und gewöhnlichen Koaxialkabeln.

In gleicher Weise wie an den Kopplungswiderständen vonKabeln bewirken dieKabelmantelströme auch an den Übergangswiderständen lösbarer koaxialerSteckverbindungen sowie an Gehäusetrennfugen und Chassisteilen (Gehäuse-ströme) zusätzliche Störspannungen.

Ein Kabelmantelstrom, der durch den mit Masse verbundenen Kragen der

Eingangsbuchse eines Oszilloskops in das Gehäuse eintritt und dieses durch dieErdkapazität und den Schutzleiter wieder verläßt, e rzeugt längs des ChassisSpannungsabfälle, die galvanisch dem Nutzsignal UM(t) überlagert werden, teil-weise aber auch durch kapazitive Kopplung auf den Abschwächer und das Gitter

der Eingangsröhre gelangen (Bild 18).

+

Bild 18. Zur Erklärung des Kopp-lungswiderstands eines Verstärker-chassis.



1.5 Elektromagnetische Verträglichkeit 21

Bei Kabellängen von wenigen Metern überwiegt der Kopplungswiderstand desOszilloskops im allgemeinen den K o p p l u n g ~ w i d e r s t a n d des Meßkabels. Um den

Kopplungswiderstand eines Oszilloskops und damit dessen Störspannungsemp-

findlichkeit abschätzen zu können, wird in den Mantel eines am Eingang kurz-

geschlossenen Meßkabels ein Stromsprung eingespeist, Bild 19, [674, 675].

Bild 19. Ermittlung der Störspannungs-empfindlichkeit eines Elektronenstrahl-

oszilloskops gegen Gehäuseströme.

Als Stromquelle dient ein Impulsgenerator mit Quecksilberschalter. Das Oszillo-gramm in Bild 20 zeigt repräsentativ für eine Vielzahl von Messungen das auf

dem Bildschirm beohachtete Signal.

Bild 20.Störspannung hervorgerufen durcheinen Gehäusestrom von 1 A. Zwischen den

Abschwächerstellungen 1 mV/cm bis 20 V/cm

ändert sich die Wiedergabe nur unwesentlich.

Die maximale Störspannungsamplitude ändert sich nur unwesentlich beimÖffnen des Kurzschlusses am Kabeleingang bzw. bei direkter Einspeisung auf

die Erdbuchse des Elektronenstrahloszilloskops. Desgleichen verändern sichdie hochfrequenten Anteile der Störspannung praktisch nicht, wenn eines der

beiden Geräte ohne Schutzkontakt bctrieben wird, da für hohe Frequenzen die

Gehäuse über ihre Erdstreukapazität geerdet bleiben.Der bizarre Verlauf der Störspannung rührt einmal vom resonanzartigen Cha-

raktcr des Oszilloskopkopplungswiderstands, zum anderen von Wanderwellen-schwingungen auf dem Kabelmantel her. Bei tatsächlichen Stoßversuchen wirdder zeitl iche Verlauf der Ausgleichsströme und Potentialanhebungen durch

Mehrfachreflexionen und Wanderwellenschwingungen im gesamten Erdungs-

system bestimmt, wodurch der Störspannungsverlauf noch komplexer wird.Im folgenden werden nun die elektromotorischen Kräfte für das Entstehen

der Kabelmantelströme ergründet und daraus geeignete Gegenmaßnahmen

abgeleitet.

a) Spannungsabfälle lüngs des Schutzleiters

Aus Gründen der Betriebssicherheit sind die Gehäuse elektrischer Geräte imallgemeinen mit dem Nulleiter desMehrphasensystems oderauch einem gesonderten



116 3 Einrichtungen zur Messung hoher Gleich· und Stoßspannungen

Bei einer anderen relativen J ~ u f t d i c h t e als d = 1 ist die Tab. 1 wie folgt zu

gebrauchen:

a) Die Durchschlagspannung zu

einer bestimmten Schlagweite

S wird gesucht:

b) Die zum Durchschlag bei einer

bestimmten Spannung erforderlicheSchlagweite S wird gesucht:

Der Tabelle wird die zu S gehörende Durchschlag.

spannung entnommen und mit k (im Bereich

0,95 ;;;; d ;;;; 1,05 mit d) multipliziert.

Die betreffende Spannung wird durch k (im

Bereich 0,95 ;;;; d ;;;; 1,05 durch d) dividiert, undzu dieser auf d = 1 umgerechneten Durchschlag.spannung wird der Tabelle die zugehörige Schlag.

weite entnommen.

Einfluß der Luftfeuchte: Die Feuchte der Luft ha t im Rahmen der angestreb

ten Genauigkeiten praktisch keinen Einflu ß auf die Durchschlagspannung.

Zum Abschluß zeigt Bild 128 diemoderne Ausführung einer Kugelfunkenstrecke

für Spannungen bis 540 kV.Wie aus den anfänglich angestellten Betrachtungen hervorgeht, ist die Kugel

funkenstrecke ziemlich empfindlich gegen den Durchgriff von Fremdfeldern und

gegen benachbarte auf Erdpotential befindliche Gegenstände. Nach theoretischen

und experimentellen Untersuchungen von Binns und Randall [218, 219] weist

Bild 129. Kugel.Halbkugelfunkenstrecke

Bild 128. Kugelfunkenstrecke für Spannungen bis

540 kV. Kugeldurchmesser D = 50 cm (Haefely) .

die Anordnung nach Bild 129 eine weit geringere Abhängigkeit gegenüber be

nachbarten geerdeten Wänden und Geräten auf . Sie besitzt daher einen kleineren

Schutzraumbedarf. Die Durchschlagspannung der Kugel-Halbkugelfunkenstrecke liegt etwa 5% unter den Werten einer normalen Kugelfunkenstrecke,

wenn die Schlagweite gleich dem Kugelradius ist. Für kleinere Schlagweiten

werden die Abweichungen geringer. Die Verfasser geben einen Korrekturfaktor



3.4 Messung des Scheitelwerts hoher Wechsel- und Stoßspannungen 117

an , mit dem die Durchschlagspannungen der Kugel-Halbkugelfunkenstrecke

aus den Standardwerten der Normalkugelfunkenstrecke berechnet werden

können (s. a. [761]).

Funkenstrecken mit gekreuzten Zylinderelektroden sind ebenfalls vergleichs

weise unempfindlich gegen den Durchgriff äußerer Felder [220]. Gleichzeitigbesi tzen sie noch den Vorzug, daß die Elektroden mit geringem Aufwand sehr

genau hergestellt werden können. Nachteilig bei hohen Spannungen i st aller

dings der große Platzbedarf, da die Länge der Zylinder etwa das Fiinffache der

Schlagweite bet,ragen soll.

3.4 ß'Iessung des Scheitelwerts hoher Wechsel- und Stoßspannungeo

Die Bestimmungen für die Messung und Anwendung hoher Wechselprüfspan

nungen sehen allgemein die Angabe des Scheitelwertsu geteilt durch Y2 als Kriterium für die elektrische Festigkeit von Betriebsmitteln vor. Der Scheitelwert

einer Wechselprüfspannung is t maßgebend für die Festigkeit von Luftstrecken

und alle kurzzeitigen Beanspruchungen (elektrischer Durchschlag). Der Effektiv

wert kennzeichnet die Festigkeit von Isolieranordnungen mit festem Dielektrikum

bei Dauerbeanspruchung (thermischer Durchschlag).

Es erscheint zunächst naheliegend, in bekannter Weise den Effek tivwer t

auf der Jiederspannungsseite der Transformatoren zu messen und anschließend

mittels des Übersetzungsverhältnisses den Effektivwert auf der Hochspannungs

seite zu bestimmen, gegebenenfalls durch Multiplikation mit Y2 auch noch den

Scheitelwert zu berechnen. Leider is t jedoch das Übersetzungsverhältnis ins

besondere bei den Priiftransformatoren der Hochspannungstechnik stark be

lastungsabhängig und außerdem die Kurvenform sowohl auf der Hochspannungs

seite als auch auf der Niederspannungsseite in der Mehrzahl der Fälle nicht

sinusförmig und voneinander verschieden. Das heißt, Ober- und Unterspannung

besitzen unterschiedliche Scheitelfaktoren. Hochspannungspriiftransformatoren

werden häufig von einem Drehstromumformersatz gespeist, der nur einphasig

belastet wird. Die unsymmetrische Belastung führt zu einer ausgeprägten dritten

Oberschwingung der Klemmenspannung des Generators, Im Ständer entsteht

beiSchieflast

ein Wechselfeld,das

in zwei gegenläufigeDrehfelder

zerlegt werdenkann. Das mitlaufende Drehfeld läuft synchron mit dem Läufer um, das gegen

läufige Drehfeld bewegt sich mit doppelter Frequenz gegen die Läuferdrehung.

Das gegenläufige Wechselfeld induziert im Rotor einen Strom doppelter

Frequenz, der seinerseits wieder auf den Ständer zurückwirkt, dort eine

Spannung dreifacher Frequenz induziert und damit die ausgeprägte dritte

Oberschwingung verursacht. Normalerweise wird diese dritte Oberschwingung

durch spezielle Dämpferwicklungen in den Läuferpolschuhen abgeschwächt.

Selbst bei anfängl ich rein sinusförmiger Klemmenspannung des Generators

verursachen die Oberschwingungen des Magnetisierungsstl'OllIs der Prüft rans

formatoren rückwirkend eine Verzerrung der Kurvenform der Unterspannung.Bekanntlich besitzt der Magnetisierungsstrom von Einphasentransformatoren

einen nicht sinusförmigen zeitlichen Verlauf. Der Magnetisierungsstrom durch

fließt die Blind- und Wirkwiderstände der Speisespannungsquelle und ihre



118 3 Einrichtungen zur Messung hoher Gleich- und Stoßspannungen

Zuleitungen ZUIll Transformator (Bild 130). Die dabei auftretenden Spannungs

abfälle werden der sinusförl1lig angenommenen EMK des Generators überlagert

und verursachen so eine Verzerrung der ursprünglich sinusförmigen Klemmen

spannung. Obwohl die Amplituden der Oberschwingungen klein sind gegen die

Amplitude der Grundschwingung des Magnetisierungsstroms und obwohl dieserselbst vergleichsweise klein ist, vermögen sie auf Grund ihrer höheren Frequenzen

an den frequenzabhängigen Impedanzen der Quelle und ihrer Verbindungsleitung

Wi l l Transformator beträchtliche Spannungsabfälle hervorzurufen. Zusätzlich

können Oberschwingungen das schwingungsfähige Gebilde, bestehend aus Ge

neratorinduktivität, Transformatorinduktivität und der Summe aus der Kapazität

des Prüflings und der Oberspannungswicklung, zu erzwungenen Schwingungen

anregen und somit eine Verstärkung der Verzerrungen bewirken [287].

Bild 130. Vereinfachtes Ersatzschaltbild der Niederspann.ungsseite einer Einrichtung zur

Erzeugung hoher Wechselspannungen. ZG Generatorimpedanz, ZL Impedanz der Zu

leitungen vom Generator zum Prüftransformator, 11Magnetisierungsstrom.

Die Kurvenforl1l der Hochspannung wird im allgemeinen mit Elektronen

strahloszilloskopen und Spannungsteilern oder -wandlern iiberprüft [288]. Spezielle Oberschwingungsmeßgeräte erlauben die quantitative Bestimmung des

Anteils der einzelnen Oberschwingungen (Suchtonverfahren, Resonanzverfahren)

[289, 764]. Bei der Scheitelfaktormeßbrücke von Warnecke läßt sich der Scheitel

faktor unmittelbar an einer Skala ablesen [290]. Schließlich kann die Kurvenform

auch punktweise mit Spannungsmessern nach dem Generatorprinzip [240] oder

synchron umlaufenden Kontaktgleichrichtern aufgenommen werden [291, 336].

Da in der Mehrzahl der Fälle der Scheitelfaktor von V2 verschiedene Werte be

sitzt - es sei hier bemerkt, daß auch bei Kurven mit stark nichtsinusförl1ligem

Verlaufder Scheitelfaktor denWertV2

annehmen kann-, ist man also gezwungen,

die Scheitelspannung direkt auf der Hochspannungsseite der Prüftransformatoren

zu messen. Die hierfür geeigneten Schaltungen beruhen entweder auf der Messung

des gleichgerichteten Verschiebungsstroms eines Kondensators oder der un

mittelbaren Messung des Scheitelwerts der durch einen Spannungsteiler reduzier

ten Wechselspannung mittels GleichrichterschaItung und Speicherkondensator.

Das erste Verfahren eignet sich nur für die Messung der Scheitelwerte periodischer

Wechselspannungen, das zweite ermöglicht je nach Auslegung die Messung der

Scheitelwerte sowohl periodischer als auch einmaliger Vorgänge (Stoßspannungs

meßeinrichtungen). Man unterscheidet zweckmäßig noch zwischen Schaltungen

mit ausschließlich passiven und solchen mit aktiven und passiven Bauelementenim Speicherkreis. Letztere benötigen einen Netzanschluß und weisen ohne be

sondere Vorkehrungen eine geringere elektromagnetische Verträglichkeit auf.

Speziell fü r die Verwendung in Hochspannungslaboratorien konzipierte Scheitel-



Literaturverzeichnis 243

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