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Anordnung zum Messen hoher Spannungen. Eine an sich vorzügliche Meßanordnung
für -hohe Spannungen besteht aus einem »abgeschirmten« Vorschaltkondensator und
einem elektrostatischen Meßinstrument in Metallschutzgehäuse. Leider sind die Abmessungen
einer solchen Meßanordnung, da das ganze Spannungsgefälle von einem Vorschaltkondensator
aufgenommen werden muß, bei Spannungen von ioo kV und darüber schon ziemlich unhandlich.
Ein weiterer Nachteil ist die erforderliche Fernablesung, da in elektrischen Anlagen
insgemein eine vom Erdpotential nicht allzu verschiedene Meßinstrumentenspannung
gefordet wird. Ferner stellt das Instrumentenschutzgehäuse zufolge seiner Kapazität
gegen Erde für Hochspannungsquellen von begrenzter Leistung eine für manche Messungen
unbequeme unsymmetrische Belastung dar. Diese Nachteile vermeidet die vorgeschlagene
Anordnung wie folgt: Es wird eine passende Teilspannung aus dem elektrostatischen
Felde zwischen den Hochspannungspolen herausgegriffen. Das in einem Metallgehäuse
M eingekapselte Meßinstrument (Fig. i und 2) befindet sich dabei im neutralen Feldbezirk.
Von diesem aus wird ein Metallhohlkörper A gewissermaßen als elektrostatische
Sonde den Hochspannungspolen entgegengeführt. Indem dieser das normale Hochspannungsfeld
stört, vereinigt er auf jedem Quadratzentimeter seiner Oberfläche die Fußpunkte
einer Anzahl der von den Polen verschiedenen Vorzeichens herkommenden elektrostatischen
Verschiebungslinien. Schneidet man aus der Sondenoberfläche Teilstücke F heraus,
die man gegen den Sondenkörper A isoliert, so tritt zwischen diesen und dem
Sondenkörper oder auch zwischen den Teilstücken untereinander eine Teilspannung
auf, die in gewissen Grenzen proportional der Gesamtspannung ist und zur Anzeige
sowie zur Messung der letzteren herangezogen werden kann.
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Ist der Sondenkörper A nebst dem anschließenden metallisch
gekapselten Meßsystem vollständig symmetrisch gebaut und in die Nullpotentialebene
zwischen den Hochspannungspolen verlegt, so kann er, annähernd gleiches Potential
der Hochspannungspole gegen Erde vorausgesetzt, geerdet werden. Die--Spannung der
»wirksamen« Flächen F in den mit diesen verbundenen Instrumenten polen *ist dann
nur um die halbe Meßspannung vom Nullpotential verschieden.
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Der bisher beschriebenen einfachen Form der Anordnung haften als Nachteile
an: Aie im Hinblick auf Funkenüberschläge bei hohen Spannungen benötigten großen
Abmessungen, die Empfindlichkeit gegenüber dem Einfluß von Fremdfeldern, etwa herrührend
von den Hochspannungszuleitungen, sowie eine mangelnde Proportionalität der gemessenen
Teilspannung mit der Hauptspannung. Diese Fehler werden behoben durch Übergang von
den »offenen« Außenfeldern zu gewissermaßen zwangläufig »geschlossenen« elektrostatischen
Kraftlinienfeldern. Bei der in diesem Sinne verbesserten Ausführung werden der etwa
ellip#oidischen, kugeligen oder zylindri-schen Sondenoberfläche parallele, konzentrische
oder koachsiale, an din Rändern nach außen abgewölbte Polstücke gegenübergestellt
(Fig. 3,
und 4). In der Nähe der wirksamen Flächen F tritt
dann ein störungsfreies, verdichtetes, praktisch homogenes Feld auf, das aus den
geometn-schen Abmessungen berechenbar ist. Wird noch das Verhältnis der Krümmungshalbmesser
in einem günstigsten Wert, entsprechend den Durchschlagsspannungen, gewählt, so
kann die Anordnung auf die kleinmöglichste Form gebracht werden. Ein derartig von
den Polansatzstücken P »elektrisch umfaßtes« Sonden- bzw. Meßsystem wird bezüglich
seines Potentials praktisch von dem Spannungsgefälle zwischen den Polen beherrscht,
wenn es in entsprechender Entfernung von Erde isoliert aufgestellt wird. Es zeigt
die Spannung richtig an, auch wenn das Potential der Hochspannungspole gegen Erde
stark verschieden ist.
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Die beste elektrische Umfassung des Sondenkörpers und der spannungssicherste
gedrungenste Aufbau wird erzielt, wenn der Sondenkörper zugleich den Spannungszeiger
(mit oder ohne Überbrückungskondensator) nebst- Verbindungsleitungen enthält. Dem
Gehäuse gibt man dann am besten die Form einer Kugel oder eine -aus mehreren Kugeloberflächen
zusammengesetzte Form (Fig.6).
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Werden statt Luft von Atmosphärendruck Preßgase oder Gase höchster
Verdünnung, die gleichfalls- einen Strornübergang nicht gestatten, verwendet, oder
wird die Anordnung in flüssige, feste oder kombinierte Dielektrika eingebaut, so
lassen sich die Abmessungen noch weiter verringern und die Meßgenauigkeit sowie
die Unabhängigkeit von Fremdfeldern noch weiter vervollkommnen. Im allgemeinen werden
andere als gasförmige Zwischenmittel verschiedene Dielektrizitäthkonstanten -und
veränderliche Eigenschaften aufweisen. Somit würde sich von Stoff zu Stoff die ursprüngliche
Eichung nach Maßgabe der Dielektrizitätskonstante verschieben. Die Sondenanordnung
der beschriebenen Form könnte geradezu zum Vergleichen und Messen der Dielektrizitätskonstanten
ausgebildet werden. Unangenehm könnte sich diese Eigenart beispielsweise bei einer
in einen Hochspannungsöltransformator eingebauten Anordnung bemerkbar machen, wenn
das Öl im Gefäß von Zeit zu Zeit gewechselt werden muß. In diesem Falle soll
dem statischen Niederspannungszeiger E ein gegen dessen Eigenkapazität großer
Kondensator C parallel geschaltet werden (Fig. 5), der dasselbe Dielektrikura
als Zwischenmittel benutzt. Dieser wird zweckmäßig in die Höhlung der Sonde mit
eingebaut, die von dem Zwischenmittel gleichfalls durchspült wird. Ändert sich dann
irgendwie - das Isollermittel im äußeren Kreise, so treten dieselben Veränderungen
zwischen den Platten des Parallelkondensators C auf. Hierdurch ist die
Mög-
lichkeit gegeben, die ursprün-gliche Eichung mit praktischer Genauigkeit
beizubehalten.
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Die Verwendung der Materialien mit höheren Dielektrizitätskonstanten
und höherer Durchschlagsfestigkeit gestattet endlich, die Sonde ohne übermäßige
Vergrößerung der Abmessungen für höhere Stromentnahme einzurichten, so daß namentlich
bei höheren Frequenzen an Stelle der elektrostatischen Spannungszeiger solche mit
höherem Stromverbrauch (Hitzd#ahtsystem) Anwendung finden können.
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Zur Erweiterung des Meßbereiches können die Abstände der -Sondenkörper
bzw. . der wirksamen Flächen gegen die Polstücke oder die Entfernung der
Polstücke-- untereinander regelbar verschieblich oder um ihre Achse drehbar angeordnet
werden. Die Polstücke werden zweckmäßig gegenläufig gekoppelt derart bewegt, daß
der Sondenkörper im Nullpotential verbleibt. jeder Stellung entspricht eine besondere
Eichung. Maßgebend für die Grenzen- des Meßbereichs ist die Spannungssicherheit
einerseits und die gewünschte Meßgenauigkeit bzw. Störungsfreiheit anderseits.
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Anordnungen der beschriebenen Art. sind in den Fig. i bis
7 dargestellt. In den Figuren bedeutet A den Sondenkörper, Pl, P2
die Polstücke, E das Meßinstrument, M das Meßinstrumentschutzgehäuse,
S das metallene, die Verbindungsleitungen enthaltende Schutzrohr,
welches das Meßinstrumentgehäuse mit dem Sondenkörper A verbindet, F, F2
sind die wirksamen, aus der Sondenoberfläche herausgeschnittenen und mit dem Meßinstrument
verbundenen Teilflächen. C ist der dem Meßinstrument nötigenfalls parallel
geschaltete Kondensator. Fig. i stellt eine Spannungsanieigevorrichtung dar mit
einer dem Pol Pl entgegenragenden beweglichen Sonde A, an deren Stirnseite
eine »wirksame« Teilfläche F heraüsgeschnitten ist. Diese Teilfläche ist mit der
einen klemme des gekapselten statischen Niederspannungszeigers E verbunden,
dessen andere Klemme an das Gehäuse angeschlossen ist. Fig. 2, stellt eine T#leßeinrichtung
dar mit einer Sonde, die zwei herausgeschnittene »wirksame« Teilflächen F,
F2
besitzt, die mit den beiden Klemmen eines gekapselten Niederspannungszeigers
verbunden sind. Das ganze Meßsystem liegt in der Neutralebene zwischen den beiden
Hochspannungsleitungen L', L2 und kann geerdet werden, sofern das Potential der
Hochspannungsleitungen gegen Erde annähernd dasselbe ist. Fig. 3 und 4 stellt
ein von den hohlkugeligen Polstücken.Pl, -P2 konzentrisch, umfaßtes kugelförmiges
Metallschutzgehäuse 1
als Sonde dar, welches das Meßinstrument und eventuell
einen parallel-geschalteten Kondensator
enthält. In Fig.
3 ist innerbalb de#; verdichteten homogenen Feldes ein wirksaines Flächenstück
vorhanden, in Fig. 4 deren zwei. Fig. 5 stellt die Meßanordnung in Verbindung
mit einem Hochspannungs-61transformator dar. Die Hochspannungsdurchführungen des
Oltransformators sind unter Öl mit Ansätzen Pl, P2 versehen. Zwischen diesen
befindet sich der Sondenkörper A, aus dem zwei wirksame Flächenstücke
F', F2 herausge-zchnitten sind. Von diesen führen innerhalb eines isoliert
durch den Gehäusedeckel nach außen ragenden Metallrohres S zwei Leitungen
zu einem im Gehäuse lW gekapselten Niederspannungszeiger E. Innerhalb des
hohlen Sondenkörpers befindet sich noch der Plattenkondensator C,
welcher
mit demselben 01 als Dielektrikum arbeitet als die Außenfelder. Der Sondenkörper
A erhält zu diesem Zwecke kleine Kommunikationsöffnungen o. Ein Wechseln
des Öles gegen eine andere Sorte mit anderer Dielektrizitätskonstante kann somit
an der Eichung nichts Wesentliches -ändern. Fig. 6
zeigt eine Anordnung, bei
der die beiden von Meßisolatoren getragenen kugeligen Hochspannungspole Pl, P2 mittels
Rechts- und Linksgewinde der Schraubenspindel D auf Schlitten gegenläufig
bewegt werden können, wodurch eine Änderung des Meßbereiches bzw. des. Reduktionsfaktors
der Anordnung erzielt wird. Fig. 7 zeigt die Meßanordnung, bestehend aus
Polstücken Pl, P2 und Sonde A
nebst Stiel S in ein hochevakuiertes
Glasgehäuse,G eingebaut. Üle beiden zu den »wirksamen« Flächen F' ' F2 führenden
Leitungen sind aus dem Inifern des Glasgehäuses durch Einschmelzstellen herausgeführt.
Auch vom SondenstielS aus ist eine Verbindungsleitung zum äußeren Armaturteil R
hergestellt, so daß diesem das Potential des Sondenkörpers A mitgeteilt wird.
Das Armaturteil R verbindet das Vakuumgefäß mit 'der Metallkapsel des Meßinstrumentes
E.