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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
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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
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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
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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.
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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
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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
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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
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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-
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Literaturverzeichnis 243
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