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5/16/2018 Seiten aus Hochspannungsmesstechnik - slidepdf.com
Der zweistufige kompensierte Spannungsteiler ohne Berücksichtigung derInduktivitäten und der verteilten Erdkapazitäten . . . . . . . .Der ohmsche Spannungsteiler unter Berücksichtigung der verteilten
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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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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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
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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