DD233765A3 - Schaltungsanordnung zur verlustfaktormessung von kondensatoren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit der, unter Verzicht auf die bisher als Normale ueblichen gasgefuellten Hochspannungskondensatoren, die Verlustfaktoren von Kondensatoren oder kondensatoraehnlichen Anordnungen bei Hochspannung gemessen werden koennen. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass der durch Pruefspannung und Prueflingskapazitaet gepraegte Pruefstrom ueber den niederohmigen Eingang eines Stromspannungsverstaerkers und die zugeordnete Wicklung eines Stromkomparators gefuehrt wird, in dem er eine von der Windungszahl abhaengige magnetische Spannung erzeugt. Auf der Normalseite des Stromkomparators wird diese Spannung in ihrer Amplitude und Phasenlage durch zwei voneinander unabhaengige, gegenseitig um neunzig Grad verschobene magnetische Spannungen messbar nachgebildet. Diese beiden Spannungen werden mit Hilfe der gegen den Pruefstrom um neunzig Grad verschobenen Ausgangsspannung des Verstaerkers und einer Schaltungsanordnung, bestehend aus einem induktiven Spannungsteiler, einem Niederspannungskondensator und zwei ohmschen Widerstaenden, ueber drei weitere Stromkomparatorwicklungen erzeugt. Bei geeigneter Auslegung kann der Verlustfaktor des Prueflings durch Veraendern des Spannungsteilungsverhaeltnisses am induktiven Spannungsteiler sowie des Komparatorwindungsverhaeltnissesgemessen werden. Fig. 2

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur [Messung] Verlustfaktor [-] von Kondensatoren und kondensatorähnlichen Anordnungen, mit der, unter Verzicht auf die sonst als Verlustfaktornormal üblichen Hochspannungskondensatoren sicher, schnell und genau gemessen werden kann.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Kapazitäten und Verlustfaktoren von Kondensatoren und kondensatorähnlichen Anordnungen können entsprechend ihrem meßtechnischen Parameter mit unterschiedlichen Meßmethoden bestimmt werden. In den letzten Jahren wurden Meßbrücken entwickelt, die nach dem Prinzip der veränderbaren Spannungs- oder Stromverhältnisse beziehungsweise einer Kombination beider arbeiten.

Bei einem bekannten modernen Verfahren zur Kapazitäts- und Verlustfaktormessung werden die von derselben Prüfspannung und der Prüflings- bzw. Normalkapazität geprägten Ströme über zwei Stromwandler und deren sekundäre Bürdenwiderstände in zwei proportionale Spannungen umgesetzt und mittels eines komplexen Kompensators durch Vergleich der beiden Spannungen die Kapazität und der Verlustfaktor des Prüflings ermittelt (Zinn, E;, Braun, A; Köhler, M — Kapazitäts- und Verlustfaktormeßeinrichtung mit selbsttätiger Abgleichung—ATM I 924—5 1977 M. 2, S.67-73). Für höhere Meßspannungen haben sich auch Schaltungsanordnungen bewährt, bei denen Stromverhältnisse auf Windungsverhältnisse zurückgeführt werden.

Bei diesen Schaltungsanordnungen liegen die zu vergleichenden Impedanzen oder Admittanzen an der gleichen Spannung und das von der Prüflings- bzw. Normalkapazität geprägte Stromverhältnis wird mit Hilfe eines Stromkomparators durch Amperewindungskompensation bestimmt. Stromkomparatoren sind Dreiwicklungstransformatoren, be"i denen zwei Wicklungen so von den zu vergleichenden Strömen durchflossen werden, daß sich ihre von der Stromstärke und Windungszahl abhängigen magnetischen Spannungen aufheben. Die dritte Wicklung dient zur Anzeige des Amperewindungsgleichgewichts (Schmidt, H.- Über Stromkomparatoren, ihre Eigenschaften und ihre Anwendungen in der Niederfrequenztechnik — Z. elektrische Inform.- und Energietechnik — Leipzig 2 —1972,3, S. 121-132).

In modernen Schaltungsanordnungen zur Kapazitäts- und Verlustfaktormessung, die nach dem Prinzip des Amperewindungsvergleichs arbeiten, geschieht der Stromvergleich durch Verändern des Windungszahlverhältnisses der Wicklungen, wobei die im Komparatorkern wirkenden magnetischen Spannungen in ihrer Amplitude einander angeglichen werden. Zur Erzeugung der zum Phasenabgleich notwendigen Spannung werden rückgekoppelte Strom-Spannungs-Wandler eingesetzt (Peterson, Ο.; Anderson, W.E. — A Wide-Range High-Voltage Capacitance Bridge with one PPM Accuracy — Eine Großbereichs-Hochspannungskapazitäts-Meßbrücke mit einer Genauigkeit von einem Millionstel — IEEE Trans.-Instrum. Meas. — Vol. IM-24, No.4 Dez. 1975).

Bei dieser Schaltungsanordnung durchläuft der durch Maßspannung und Kapazität des Normalkondensators geprägte Strom außer der ihm zugeordneten Wicklung des Stromkomparators zusätzlich den Eingang eines Strom-Spannungs-Wandlers. Dieser gibt eine dem Strom proportionale und mit der Meßspannung annähernd phasengleiche Spannung ab, die über einen ohmschen Widerstand und eine zusätzliche Komparatorwicklung zur Erzeugung der zum Phasenabgleich erforderlichen magnetischen Spannung dient.

Allen bekannten und den vorstehend angegebenen Schaltungsanordnungen zur Verlustfaktormessung von Kondensatoren oder kondensatorähnlichen Anordnungen bei Hochspannung ist zu eigen, daß als Bezugsnormal ein für die gewünschte Meßspannung geeigneter Hochspannungskondensator mit bekanntem Verlustfaktor benötigt wird. Er ist gewöhnlich als Preßgaskondensator ausgebildet und bei höheren Nennspannungen auf Grund seiner Abmessungen und Masse praktisch nur für stationäre Verlustfaktormeßeinrichtungen geeignet.

Die beschriebenen Schaltungsanordnungen sind zur Kapazitäts- und Verlustfaktormessung geeignet. Es sind aber auch Anwendungsgebiete bekannt, bei denen allein der Verlustfaktor als Maß für den Zustand der Isolation bzw. als direktes Maß für deren dielektrische Erwärmung und damit ihrer Verlustleistung bedeutsam ist. Dies trifft besonders für die Kabelindustrie zu, die durch die erhöhten Qualitätsforderungen, die international an moderne Leistungskabel gestellt werden, auf eine schnelle und präzise Verlustfaktormessung angewiesen ist.

^erlustfaktormessungen werden auch zur Feststellung und zur Verhinderung der Ausweitung kleiner Isolationsschäden, die im Zuge der Herstellung oder Endprüfung spezieller Geräte entstanden sind, durchgeführt. Auch bei der rechtzeitigen Erfassung /on Alterungserscheinungen, zum Beispiel in den Isolationssystemen von Meßwandlern und Leistungstransformatoren, wie sie in den Erzeugungs-und Verteilungsanlagen der Energieversorgungsbetriebe eingesetzt sind, hat sich die Verlustfaktormessung bewährt.

Bei den bekannten, nach dem Stromvergleichsprinzip arbeitenden Verlustfaktormeßeinrichtungen liegen die zu vergleichenden Kapazitäten an der gleichen Spannung. Werden diese Kapazitäten an unterschiedliche Spannungen gelegt, so ist die Genauigkeit des Kapazitätsvergleichs unter anderem zusätzlich vom Amplitudenverhältnis und der Phasendifferenz beider Spannungen abhängig.

Ist das Amplitudenverhältnis groß und unbekannt und bleibt die Phasendifferenz vemachlässigbar klein, so kann eine Schaltungsanordnung aufgebaut werden, mit der, unter Verzicht auf den sonst als Normal der Kapazität und des Verlustfaktors t/erwendeten Hochspannung- Preßgaskondensators, die Verlustfaktoren von Kondensatoren oder kondensatorähnlichen Anordnungen bei Hochspannung gemessen werden können.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung bezweckt, den Aufwand bei der Messung von Verlustfaktoren zu verringern, indem eine nach dem Ladenstromvergleichsprinzip arbeitende transportable Verlustfaktormeßeinrichtung geschaffen wird, mit der, unter Verzicht auf die bisher als Verlustfaktornormale verwendeten Hochspannungskondensatoren, die Verlustfaktoren von Kondensatoren oder kondensatorähnlichen Anordnungen bei Hochspannung schnell, sicher und mit hoher Genauigkeit gemessen werden können.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufwand bei der Messung der Verlustfaktoren von Kondensatoren oder kondensatorähnlichen Anordnungen zu verringern. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, die Verlustfaktormeßeinrichtung so auszubilden, daß sie auf Grund ihrer Genauigkeit, ihrer Transportfähigkeit und unter Verzicht auf die sonst bei bekannten Verlustfaktormeßeinrichtungen als Normal verwendeten Hochspannungspreßgaskondensatoren auch zur Überprüfung der Meßgenauigkeit anderer, vorzugsweise stationärer Verlustfaktormeßeinrichtungen verwendet werden kann.

Eine Schaltungsanordnung zur Verlustfaktormessung von Kondensatoren bzw. Dielektrika bei kondensatorähnlichen Anordnungen mit Hochspannung läßt sich verwirklichen unter Verwendung eines Niederspannungskondensators und eines Stromkomparators. In dieser Schaltungsanordnung wird der Prüfling, der einseitig auf Hochspannungspotential liegt, an eine in ihrer effektiven Windungszahl veränderbare Wicklung des Stromkomparators angeschlossen. Ein erster Niederspannungsstromkreis besteht aus einer Reihenschaltung des Niederspannungskondensators mit einem ersten ohmschen Widerstand, wobei dieser den Wirkwiderstandsanteil des Stromkreises verkörpert, und einer ersten unveränderlichen Wicklung des Stromkomparators, deren magnetische Spannung der der veränderbaren Wicklung entgegen gerichtet ist.

Ein zweiter Niederspannungsstromkreis besteht aus einer Reihenschaltung eines zweiten ohmschen Widerstandes und einer zweiten unveränderlichen Wicklung des Stromkomparators, wobei die Richtung der magnetischen Spannung der der veränderbaren Wicklung entspricht.

Ein dritter Niederspannungsstromkreis ist über einen induktiven Spannungsteiler an die gleiche Niederspannung angeschlossen, wobei sein veränderbarer Abgriff über einen dritten ohmschen Widerstand mit einer dritten unveränderbaren Wicklung des Stromkomparators so verbunden ist, daß die Richtung der magnetischen Spannung dieser Wicklung der der ersten unveränderbaren Wicklung entspricht.

Bei Einsatz eines Prüfspannungstransformators ist parallel zu dessen Primärwicklung ein Phasenschieber angeordnet, an dessen Ausgang die Niederspannungsstromkreise angeschlossen sind.

Unabhängigkeit vom Prüfspannungstransformator wird erreicht, indem zwischen Bezugspotential und der Ausgangsklemme der veränderbaren Wicklung des Stromkomparators der Eingang eines Strom-Spannungs-Wandlers liegt, an dessen Ausgang die Niederspannungsstromkreise angeschlossen sind.

Ausführungsbeispiel

Erfindungsgemäß soll die vorstehend beschriebene Schaltungsanordnung verwirklicht werden, indem der von der Prüfspannung und der Prüflingskapazität geprägte Prüfstrom über die zugeordnete Wicklung eines Stromkomparators geleitet wird, in dem er eine von der Windungszahl dieser Wicklung abhängige magnetische Spannung erzeugt, die in ihrer Amplitude und Phasenlage auf der Normalseite des Stromkomparators durch zwei voneinander unabhängige und gegeneinander um neunzig Grad verschobene magnetische Spannungen meßbar nachgebildet wird (Fig. 1).

Dies soll verwirklicht werden, indem eine Spannung, die vorzugsweise dem Netzstromkreis entnommen wird, der den zur Prüfspannungserzeugung verwendeten Hochspannungstransformator primärseitig speist, einem mehrdekadischen induktiven Spannungsteiler unter Zwischenschaltung eines geeigneten Phasenschiebers als Eingangsspannung zugeführt wird. Aufgabe des Phasenschiebers ist es, die Phasendifferenz zwischen der Prüfspannung und der Eingangsspannung des Spannungsteilers so zu verringern, daß sie in ihrem Einfluß auf die Genauigkeit der Verlustfaktormessung vernachlässigt werden kann.

Diese Eingangsspannung des Spannungsteilers wird auch einer Reihenschaltung, die aus einem geeigneten Niederspannungskondensator und einer speziellen Komparatorwicklung mit fester Windungszahl besteht, so zugeführt, daß im Komparator eine, von dieser Eingangsspannung, dem komplexen Widerstand des Niederspannungskondensators, der Windungszahl und dem ohmschen Widerstand dieser Komparatorwicklung — einschließlich der notwendigen Verbindungsleitungen — geprägte magnetische Spannung erzeugt wird.

Um den Einfluß des realen Anteils dieser magnetischen Spannung in seiner Wirkung auf die Genauigkeit der Verlustfaktormessung vernachlässigbar klein zu machen, wird im Komparator eine zweite magnetische Spannung erzeugt, die gegen die Eingangsspannung des Spannungsteilers um hundertachtzig Grad verschoben ist und in ihrer Amplitude von eben dieser Spannung, einem ohmschen Widerstand und der festen Windungszahl einer weiteren zugeordneten Komparatorwicklung bestimmt wird.

Infolge der geometrischen Addition dieser beiden magnetischen Spannungen ergibt sich bei geeigneter Bemessung des ohmschen Widerstandes und der Komparatorwicklungen auf der Normalseite des Stromkomparators eine bei der Verlustfaktormessung wirksame magnetische Spannung, deren Amplitude von der, um den Spannungsabfall am realen Anteil des komplexen Widerstandes verminderten Eingangsspannung des Spannungsteilers, der Kapazität des Niederspannungskondensators und der festen Windungszahl der zugeordneten Komparatorwicklung abhängig ist. Dieser magnetischen Spannung, die der Eingangsspannung des Spannungsteilers um neunzig Grad voreilt, wird eine dritte, mit derEingangsspannung phasengleiche und veränderbare magnetische Spannung additiv hinzugeführt. Diese dritte magnetische Spannung wird in ihrer Amplitude von der veränderbaren Teilspannung des Spannungsteilers, der festen Windungszahl der zugeordneten Komparatorwicklung und einem ohmschen Widerstand bestimmt, dessen tatsächlicher Widerstandswert gegenüber seinem Nennwert so verändert ist, daß der Einfluß der Spannungsdifferenz zwischen der Eingangsspannung des Spannungsteilers und der am Blindwiderstand des Niederspannungskondensators liegenden Spannung in seiner Wirkung auf die Genauigkeit der Verlustfaktormessung vernachlässigt werden kann.

Bei vernachlässigbarer Phasendifferenz zwischen der Prüfspannung und der Eingangsspannung des Spannungsteilers kann durch wechselseitiges Verändern der Komparatorwindungszahl auf der Prüflingsseite und des Verhältnisses zwischen der Eingangsspannung des Spannungsteilers und seiner Teilspannung der Verlustfaktor des Prüflings auf der Normalseite des Stromkomparators als Verhältnis der magnetischen Spannungen meßbar nachgebildet werden. Erfindungsgemäß wird zur weiteren Vereinfachung der beschriebenen Schaltungsanordnung die aus dem primären Netzstromkreis des Hochspannungstransformators entnommene Eingangsspannung für den induktiven Spannungsteiler durch die Ausgangsspannung eines Strom-Spannungs-Wandlers ersetzt (Fig. 2).

Dies soll verwirklicht werden, indem der durch die Prüfspannung und die Prüflingskapazität geprägte Prüfstrom ganz oder teilweise außer der zugeordneten Komparatorwicklung auch den niederohmigen Eingang eines geeigneten Strom-Spannungs-Wandlers durchfließt. Durch geeignete, an sich bekannte Mittel wird gesichert, daß die Ausgangsspannung des Strom-Spannungs-Wandlers gegen den Prüfstrom um neunzig Grad phasenverschoben und proportional ist. Da die Phasenlage des Prüfstromes gegenüber der Prüfspannung und damit auch die der Ausgangsspannung des Strom-Spannungs-Wandlers vom Verlustfaktor des Prüflings abhängig ist, wird in der beschriebenen Schaltungsanordnung jeweils der doppelte Wert des Verlustfaktors des Prüflings gemessen.

Die Bestimmung des Kapazitätsverhältnisses ist in der angegebenen Schaltungsanordnung nur mit der Genauigkeit möglich, mit der das Amplitudenverhältnis der Prüfspannung und der am induktiven Spannungsteiler liegenden Spannung bekannt ist. Zur Erläuterung der Erfindung sind in den Fig. 1 bis 3 Ausführungtbeispiele der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Verlustfaktormessung bei Hochspannung dargestellt.

Die Fig. 1 zeigt den schaltungstechnischen Aufbau der Verlustfaktormeßeinrichtung unter Verwendung eines Phasenschiebers zwecks Vernachlässigung der Phasenverschiebung zwischen Prüfspannung und Eingangsspannung des induktiven Spannungsteilers.

Fig. 2 zeigt den schaltungstechnischen Aufbau der Verlustfaktormeßeinrichtung unter Verwendung eines Strom-Spannungs-Wandlers zur Erzeugung der Eingangsspannung für den induktiven Spannungsteiler.

Fig. 3 zeigt den schaltungstechnischen Aufbau der Verlustfaktormeßeinrichtung nach Fig. 2, ausgeführt für höhere Ströme. In den Fig. 1 bis 3 bedeuten:

1 — Stromkomparator

2 — Indikatorwicklung mit Nullindikator

3 — In der Windungszahl veränderbare Komparatorwicklung, die vom Prüfstrom durchflossen wird

3.1 bis 3.5 — In der Windungszahl veränderbare gleichartige Komparatorwicklungen, wobei jeweils die nächstfolgende nur vom zehnten Teil des Stromes der vorhergehenden durchflossen wird

4 — Komparatorwicklung mit fester Windungszahl zur Erzeugung einer magnetischen Spannung, die durch die

Eingangsspannung des induktiven Spannungsteilers und den komplexen Widerstand des Stromkreises geprägt ist

5 — Komparatorwicklung mit fester Windungszahl zur Erzeugung einer gegen die Eingangsspannung des Spannungsteilers

um 180 Grad verschobenen magnetischen Spannung zwecks Ausschaltung des realen Anteils der magnetischen Spannung auf das Meßergebnis im Niederspannungskondensator-Stromkreis

6 — Komparatorwicklung mit fester Windungszahl zur Erzeugung einer mit derEingangsspannung des Spannungsteilers

phasengleichen magnetischen Spannung zum Zweck der geometrischen Addition mit dem imaginären Anteil der magnetischen Spannung der Kompartatorwicklung unter vier

7 — Mehrdekadischer induktiver Spannungsteiler mit veränderbarem Teilungsverhältnis und hohem Auflösungsvermögen

8 — Phasenschieber, um die Phasendifferenz zwischen der Prüfspannung und der Eingangsspannung des Spannungsteilers

so zu verringern, daß sie in bezug auf das Meßergebnis bei der Verlustfaktormessung vernachlässigt werden kann

9 — Kondensator oder kondensatorähnliche Anordnung, dessen Verlustfaktor bestimmt werden soll

10 — Ohnri3cher Widerstand. Er verkörpert den gesamten realen Widerstandsanteil dieses Stromkreises einschließlich der

Ko:nparatorwicklung und Verbindungsleitungen.

11 — Niederspannungskondensator mit bekannter Kapazität und hoher Kapazitätskonstanz

12 — Ohmscher Widerstand. Er verkörpert den gesamten realen Widerstandsanteil dieses Stromkreises einschließlich der

Komparatorwicklung und Verbindungsleitungen

13 — Ohmscher Widerstand. Sein Widerstandswert wird einmal zur Ausschaltung des Einflusses der realen Komponente der

magnetischen Spannung des Niederspannungskondensator-Stromkreises auf die Verlustfaktormessung fest eingestellt.

14 — Ohmscher Widerstand. Sein tatsächlicher Widerstandswert differiert gegen seinen Nennwert so, daß der

Spannungsabfall am realen Widerstandsanteil des Niederspannungskondensator-Stromkreises bei der Verhältnisbildung der magnetischen Spannungen ausgeglichen wird

15 — Teilspannung des induktiven Spannungsteilers

16 — Prüfspannungstransformator

17 — Strom-Spannungs-Wandler. Sein niederohmiger Eingang wird vom Prüfstrom oder einem definierten Teil desselben durchflossen. Seine Ausgangsspannung ist gegen den Prüfstrom um neunzig Grad verschoben und ihm proportional

18.1 bis 18.4— Induktive Stromteiler. Sie teilen den die Komparatorwicklung 3.1 durchfließenden Strom mehrmals so auf, daß jeweils nur der zehnte Teil die nächstfolgende Komparatorwicklung durchfließt.

19 — Induktiver Stromteiler zur Aufteilung des Prüfstromes in zwei Teilströme, von denen nur der kleinere die Komparatorwicklung und den Strom-Spannungs-Wandler durchfließt

20.1 und 20.2 — Induktive Stromteiler zur Erleichterung der meßtechnischen Auslegung dieser Stromkreise

Claims (3)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Schaltungsanordnung zur Verlustfaktormessung von Kondensatoren beziehungsweise von Dielektrika bei kondensatorähnlichen Anordnungen mit Hochspannung unter Verwendung eines Niederspannungskondensators und eines Stromkomparators, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfling, der einseitig auf Hochspannungspotential liegt, an eine in ihrer effektiven Windungszahl veränderbare Wicklung (3) des Stromkomparators (1) angeschlossen ist, daß ein erster Niederspannungsstromkreis aus der Reihenschaltung des Niederspannungskondensators (11) und eines ersten ohmschen Widerstandes (12), der den Wirkwiderstandsanteil des Stromkreises verkörpert, mit einer ersten unveränderlichen Wicklung (4) des Stromkomparators (1), deren magnetische Spannung der der veränderbaren Wicklung (3) entgegengerichtet ist, besteht, daß ein zweiter Niederspannungsstromkreis aus der Reihenschaltung eines zweiten ohmschen Widerstandes (13) und einer zweiten unveränderlichen Wicklung (5) des Stromkomparators (1) besteht, wobei die Richtung der magnetischen Spannung der der veränderbaren Wicklung (3) entspricht, und daß ein dritter Niederspannungsstromkreis über einen induktiven Spannungsteiler (7) an die gleiche Niederspannung angeschlossen ist, dessen veränderbarer Abgriff (15) über einen dritten ohmschen Widerstand (14) mit einer dritten unveränderbaren Wicklung (6) des Stromkomparators (1) so verbunden ist, daß die Richtung der magnetischen Spannung dieser Wicklung (6) der der ersten unveränderbaren Wicklung (4) entspricht.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Punkt 1,dadurch gekennzeichnet,daß bei Einsatzeines Prüfspannungstransformators (16) parallel zur Primärwicklung ein Phasenschieber (8) angeordnet ist, an dessen Ausgang die Niederspannungsstromkreise angeschlossen sind.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Bezugspotential und der Ausgangsklemme der veränderbaren Wicklung (3) des Stromkomparators (1) der Eingang eines Strom-Spannungs-Wandlers (17) liegt, an dessen Ausgang die Niederspannungsstromkreise angeschlossen sind.

   Hierzu 3 Seiten Zeichnungen