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Verfahren und Anordnung zur Prüfung von spannungsabhängigen Widerständen
Zur
Prüfung von Uberspannungsableitern mit spannungsabhängigem Widerstand und Löschfunkenstrecke
wird in den verschiedenen Prüfvorschriften eine sogenannte Arbeitsprüfung vorgeschrieben.
Bei dieser wird der Uberspannungsableiter an die I,05- bis I,ISfache höchste zulässige
Betriebsspannung von 50 Hz angelegt. Zusätzlich zu dieser Betriebswechselspannung
wird dann noch eine Stoß spannung gegeben, dadurch die zuerst ein Hochstromstoß
auf den Ableiter erfolgt mit einem anschließenden Dauerstrom, bis die Halbwelle,
in der der Stoß erfolgte, ihren Nulldurchgang hat und dadurch eine Löschung des
Lichtbogens innerhalb des Überspannungsableiters eintritt.
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Ein Hochstromstoß besitzt beispielsweise eine Rückenhalbwertszeit
von 20 /sec, während der zweite Stromstoß entsprechend der restlichen Halbwelle
eine Dauer von I000 bis zu einigen tausend Mikrosekunden aufweist und daher auch
als Langzeitstoß bezeichnet wird. Der während dieser Zeit auftretende Strom kann
zwischen 50 und einigen hundert Ampere betragen. Wie aus den Vorschriften hervorgeht,
muß aber bei diesen verhältnismäßig hohen Strömen die Spannung während des Langzeitstoßes
konstant zwischen dem I,05-bis I,Isfachen der höchsten zulässigen Betriebsspannung
liegen. Aus dieser Forderung ist leicht zu ersehen, daß als erste Bedingung ein
leistungs-
fähiges Netz oder ein leistungsfähiger Generator mit
entsprechenden Abmessungen zur Verfügung stehen muß. Aus den geforderten Spannungen
und Strömen läßt sich auch leicht die Leistung des hierzu erforderlichen Netzanschlußtr,ansformators
errechnen. Auf Grund der hierbei auftretenden Ströme müssen entsprechende Hochstromsicherungen
vorgesehen sein. Dies sind Sicherheitsmaßnahmen in elektrischer Hinsicht. Weiter
ist es aber aus Sicherheitsgründen für das Personal erforderlich, daß die Prüfung
nur stattfindet, wenn sich keine Personen innerhalb des Prüfraumes befinden Es sind
aus diesem Grunde mehrere Sicherheitsvorkehrungen zu treffen, so unter anderem auch
die Durchführung der Prüfung von einem Vorraum aus.
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Bei diesem Aufwand handelt es sich lediglich um die gleichzeitige
Prüfung von etwa drei Widerstandsscheiben, wobei die einzelne Prüfung etwa 1/2 Stunde
in Anspruch nimmt.
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Eine auf diese Weise durchgeführte Arbeitsprüfung gibt einen sehr
guten Aufschluß über das Verhalten der Ableiter im Betrieb und damit auch über das
Verhalten der spannungsabhängigen Widerstände im Betrieb. Außerordentlich erwünscht
wäre nun, alle für solche Überspannungsableiter bestimmten Widerstände entsprechend
der eben geschilderten Arbeitsprüfung zu untersuchen.
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Wollte man dies in einer Weise durchführen, wie oben bei der Arbeitsprüfung
beschrieben, würde ein außerordentlich großer Aufwand für die Prüfung jeder einzelnen
Widerstandsscheibe notwendig sein; außerdem würde auch der Zeitaufwand sehr groß
werden, da - wie angegeben -die Wechselspannungsquelle sehr ergiebig sein muß und
daher umfangreiche, den hohen Leistungen angepaßte Sicherheitseinrichtungen erforderlich
sind.
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Eine derartige Prüfung, welche aber die eben geschilderten Nachteile
vermeidet, wird dadurch erzielt, daß erfindungsgemäß neben einem Hochstromprüfstoß
relativ kurzer Dauer ein zweiter Prüfstromstoß relativ langer Dauer gleichzeitig
auf den Prüfling gegeben wird, wobei beide Stromstöße durch Kondensatoren erzeugt
werden.
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Während der Hochstromstoß der Amplitude und der Rückenbalbwertszeit
entsprechend so zu wählen ist, wie es dem Nennableitvermögen des spannungsabhängigen
Widerstandes entspricht, wird man den zweiten Prüfstromstoß etwa dem aus dem Netz
allenfalls nachfließenden Strom sowohl der Höhe als auch der Zeitdauer nach angleichen.
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Zweckmäßig weist der zweite Prüfstromstoß, verglichen mit dem ersten
Prüfstromstoß, eine relativ niedrige Amplitude auf.
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Der Hochstrom- oder Kurzzeitstoß weist im allgemeinen etwa Sinusform
auf, was durch eine in den Hochstromkreis eingeschaltete Induktivität erreicht wird,
und wirkt so praktisch nur mit einer Halbwelle auf den Prüfling. Für den Langzeitstoß
dagegen wird die Form einer Rechteckwelle konstanter Stromhöhe gewählt. Zur Erzeugung
eines solchen Rechteckstoßes dient eine Laufzeitkette, gebildet aus Längsinduktivitäten
und Querkapazitäten, die nach entsprechender Aufladung bei der Prüfung auf den spannungsabhängigen
Widerstand entladen wird. Ganz allgemein kann also gesagt werden, daß in Serie mit
den Kondensatoren Drosselspulen zur Erzielung eines bestimmten Verlaufes der Prüfstromstöße
eingeschaltet werden.
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Die Kondensatoren sind durch Funkenstrecken von dem zu prüfenden Widerstand
und der Meßeinrichtung getrennt. Die Prüfschaltung selbst wird man so ausbilden,
daß die Prüfung entweder durch einen Hochstromstoß relativ kurzer Dauer eingeleitet
und der zweite Prüfstromstoß durch den ersten ausgelöst wird, oder umgekehrt.
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Zur Bestimmung der Kenngrößen des spannungsabhängigen Widerstandes
werden Meßgeräte verwendet, die die auftretenden Strom- und Spannungsspitzenwerte
sowohl für den Hochstromstoß als auch den Langzeitstrom getrennt anzeigen.
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Diese Maßnahme gestattet gegenüber der bisher allein üblichen Verwendung
von Kathodenstrahloszillographen bzw; Schleifenoszillographen die unmittelbare sehr
genaue Bestimmung der für den spannungsabhängigen Widerstand charakteristischen
Daten und damit den Aufbau von überspannungsableitern sehr geringer elektrischer
Toleranzen hinsichtlich der bei einem Ableitvorgang auftretenden Restspannung und
hinsichtlich des aus dem Netz nachfolgenden Stromes.
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Die eben angedeutete getrennte Messung der beim Kurzzeit- und beim
Langzeitstoß auftretenden elektrischen Werte läßt sich dann besonders einfach durchführen,
wenn der erste Hochstromstoß und der zweite Langzeitstoß entgegengesetzte Polung
aufweisen und zur Messung der Spannung und Ströme des Prüflings direkt zeigende
Meßgeräte dienen. Als direkt zeigende Meßgeräte können Spitzenspannungsmesser mit
Diode und elektrostatischem Spannungsmesser verwendet werden, von denen ein Satz
für die Erfassung des kurzzeitigen Hochstromstoßes und ein Satz für die Erfassung
des Langzeitstoßes zur Bestimmung der jeweiligen Spannung und des jeweiligen Stromes
am Prüfling dient. Die beiden Sätze Spitzenspannungsmesser sind dann beim Anschluß
so gepolt, daß sie nur auf die für sie in Frage kommenden Stoßwerte ansprechen,
andernfalls aber die Anzeige sperren. Zweckmäßig werden die Meßeinrichzungen so
durchgebildet, daß die Spitzenwerte von Strom und Spannung stationär angezeigt werden.
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Bei der oben beschriebenen Schaltanordnung läßt es sich nicht vermeiden,
daß beim Beginn des Langzeitstromstoßes sich auch noch der Hochstromkurzzeitstoß
an dem Prüfling abklingend auswirkt. Die hierbei auftretenden elektrischen Werte
sind uninteressant für das Verhalten des Prüflings bei Langzeitstoß, bei dem nur
die quasistationären Werte von Interesse sind. Durch einen Kunstgriff läßt es sich
erreichen, daß die t2bergangswerte nicht gemessen werden, und zwar dadurch, daß
die Spitzenspannungsmesser zur Messung des Langzeitstromes so eingerichtet sind,
daß sie gegenüber dem Kurzzeitstoßstrom eine sehr
große, gegenüber
dem Langzeitstoßstrom eine kleine Zeitkonstante aufweisen. Da die Halbwertszeit
des Hochstromstoßes im allgemeinen 20 1sec betragen wird, der Langzeitstoß aber
meist mehr als I000 ,sec, ist diese Maßnahme ohne Schwierigkeit zu realisieren.
Außerdem wird zur Messung des Stromes des Kurzzeitstoßes ein kleiner, zur Messung
des Stromes des Langzeitstoßes ein mit dem ersteren in Serie geschalteter großer
Meßwiderstand verwendet. Diese Maßnahme läßt sich ohne Schwierigkeit, wie aus der
weiter unten beschriebenen Schaltung ersichtlich ist, ebenfalls verwirklichen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch
dargestellt. Mit I ist der Prüfling, ein spannungsabhängiger Widerstand, bezeichnet,
mit 2 der Kondensator, der als Energiequelle für den Hochstromstoß dient. 3 ist
eine Drossel spule zur Einstellung der Höhe und des Verlaufs des Hochstromstoßes,
4 eine Vorfunkenstrecke mit geerdeter Mittenelektrode, über die der aufgeladene
Kondensator 2 auf den Prüfling I geschaltet wird, 5 eine zweite Vorfunkenstrecke
und 6 der Meßwiderstand zur Bestimmung der Höhe des Hochstromstoßes. Der Hochstromkondensator
2 wird mittels des Hochspannungstransformators 7 über das Gleichrichterventil 8
und die beiden Schutzwiderstände 9 aufgeladen. Die Messung der beim Hochstromstoß
an dem Prüfling I auftretenden -Spannungsspitzen erfolgt über einen Spitzenspannungsmesser,
bestehend aus der sehr gut isolierenden Hochvakuumdiode I0, einem Meßkondensator
11 und dem elektrostatischen Spannungsmesser 12.
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Die Amplitude des Stromstoßes wird, wie schon erwähnt, als Spannungsabfall
am Meßwiderstand 6 mit Hilfe eines weiteren Spitzenspannungsmessers ermittelt, der
aus der sehr gut isolierenden Hochvakuumdiode I3, dem Meßkondensator 14 und dem
elektrostatischen Spannungsmesser I5 besteht. Die Verbindungsleitung zwischen dem
Prüfling I und dem Meßwiderstand 6 ist an der Stelle I6 geerdet.
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Zur Erzeugung des Langzeitstromstoßes dient eine Laufzeitkette, bestehend
aus den Längsinduktivitäten 25, 26 usw. und aus den Querkapazitäten 27, 28 usw.
Diese Laufzeitkette bzw. deren Kondensatoren werden mittels des Hochspannungstransformators
30 über das Ventil 3I und die beiden Dämpfungswiderstände 32 aufgeladen.
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Zweckmäßig erfolgt der Anschluß der Laufzeitkette an die Prüfschaltung
über eine Längsinduktivität. Hier ist zu diesem Zweck eine Drosselspule 25 vorgesehen.
Zweckmäßigerweise macht man außerdem den Wanderwellenwiderstand der Laufzeitkette
groß gegen die Höhe des zu prüfenden Widerstandes beim Langzeitstoß, damit auch
bei kleinen Unterschieden des Prüflingswiderstandes der Prüfstrom etwa konstant
bleibt. Die beim Langzeitstoß am Prüfling quasistationär auftretende Spannung wird
mittels eines Spitzenspannungsmessers bestimmt, der aus dem sehr gut isolierenden
Hochvakuumventil I7, dem Meßkondensator I8 und dem elektrostatischen Spannungsmesser
19 besteht. Zur Verlängerung der Eigenzeitkonstante des Spitzenspannungsmessers
ist der Widerstand 20 vorgesehen. Die Messung des quasistationären Langzeitstromes
erfolgt als Spannungsabfall über den beiden in Serie geschalteten Meßwiderständen
6 und 24, wobei der Widerstand 24 etwa zehnmal so groß ist wie der Widerstand 6.
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Der zur Strommessung vorgesehene Spitzenspannungsmesser besteht aus
dem Verzögerungswiderstand 33, dem sehr gut isolierenden Hochvakuumventil 2I, dem
Meßkondensator 22 und dem elektrostatischen Spannungsmesser 23.
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Aus diesem Schaltungsaufban ergibt sich dann folgende Wirkungsweise:
Die Prüfung wird so durchgeführt, daß sowohl der Kondensator 2 als auch die Kondensatoren
der Laufzeitkette 27, 28 usw. auf einen entsprechenden Wert aufgeladen werden, wobei
die Funkenstrecke 5 so eingestellt ist, daß sie unter der Ladespannung der Kondensatoren
der Laufzeitkette nicht anspricht, während die Funkenstrecke 4 so eingestellt wird,
daß sie anspricht, sobald der Kondensator 2 die vorgesehene Spannung erreioht hat.
Spricht 4 an, wird auch die Funkenstrecket 5 durchschlagen, und damit läuft einmal
der Hochstromstoß ab, und gleichzeitig läuft der Langzeitstoß an. Bei zweckentsprechender
Durchbildung der Funkenstrecke 4 erlöscht diese Funkenstrecke - unter Umständen
empfiehlt sich ihre künstliche Beblasung-, sobald der eigentliche Hochstromstoß
abgeklungen ist, während der Langzeitstrom über die Funkenstrecke 5 weiterfließt.
Die beim Stromstoß am Prüfling aufgetretene relativ hohe Spannung und der sehr hohe
Strom werden durch die elektrostatischen Spannungsmesser 12 und 15 gemessen, während
die Spannungsmesser 19 und 23 und die Meßkondensatoren I8 und 22 während des Fließens
des Hochstromstoß es nicht aufgeladen werden, da die Ventile 17 und 21 für die hierbei
auftretenden Polungen der elektrischen Werte sperren. Ist der Hochstromstoß abgeklungen,
fließt voraussetzungsgemäß der Langzeitstrom in entgegengesetzter Richtung nach.
Nun polen sich die Spannungen am Prüfling I und an den Meßwiderständen 6 und 24
um, so daß jetzt an den elektrostatischen Voltmetern 19 und 23 die Spitzenwerte
des Langzeitstoßes abgelesen werden können.
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Wie schon erwähnt, sind die Spitzenspannungsmesser so ausgeführt,
daß sie auch nach Abklingen der an dem Prüfling auftretenden Ströme und Spannungen
die Meßwerte mit genügender Genauigkeit über längere Zeit anzeigen. Vor der Untersuchung
eines neuen Prüflings müssen diese Instrumente dann durch Kurzschließen der Meßkondensatoren
gelöscht werden.
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Bei der Erfindung handelt es sich also praktisch um zwei Stoßkreise,
von denen der eine den Hochstromstoß und der andere den Langzeitstoß liefert.
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Aus diesem Grund ist es auch möglich, die hierzu erforderliche Energie
in Kondensatoren zu speichern, also die Kondensatoren während längerer Zeit mit
einfachsten Mitteln aufzuladen. Gleichzeitig wird dabei eine Unabhängigkeit vom
Netz
erreicht, so daß die Forderungen nach einem leistungsfähigen
Netz oder einem leistungsfähigen Generator in Wegfall kommen.
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Rein abmessungsmäßig îst es einschließlich der Sicherheitseinrichtungen
möglich, die vorgeschlagene Anordnung auf einem Raum von 2 X 3 m unterzubringen.
Im Gegensatz zu den bekannten Einrichtungen sind weiter keine so umfangreichen Sicherheitsvorkehrungen
zu treffen, da nach erfolgter Entladung der Kondensatoren keine weiteren Energien
mehr nachströmen können. Da also der Prüfende im selben Raum verbleiben kann und
der ganze Aufbau wesentlich einfacher ist, ist es möglich, eine einzelne Scheibe
innerhalb von Sekunden zu prüfen. Aus dieser kurzen Prüfzeit ergibt sich aber, daß
trotz der Prüfung jeder ein, zelnen Scheibe eine wesentliche Zeitersparnis gegenüber
der bekannten Anordnung eintritt.
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Außerdem werden bei diesem Verfahren sämtliche Scheiben in genau
gleicher Weise beansprucht.
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Während es beispielsweise bei den bekannten Anordnungen möglich ist,
daß der Hochstromstoß einmal an einem beliebigen Punkt der positiven Halbwelle,
ein andermal an einem beliebigen Punkt der negativen Halbwelle erfolgen kann, wodurch
sich, wie die Erfahrung gezeigt hat, verschiedene Beanspruchungen ergeben, gewährleistet
die Anordnung gemäß der Erfindung immer eine gleiche Beanspruchung der einzelnen
Scheiben.