DE1120583B

DE1120583B - Hochspannungsmesswiderstand

Info

Publication number: DE1120583B
Application number: DES62221A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Lutz Seguin
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1959-03-20
Filing date: 1959-03-20
Publication date: 1961-12-28
Also published as: CH381318A

Description

Hochspannungsmeßwiderstand Man hat schon oft versucht, die klassischen induktiven und kapazitiven Spannungswandler durch Hochspannungsmeßwiderstände zu ersetzen, beispielsweise indem als stromleitender Widerstand eine Flüssigkeitssäule mit hohem spezifischem Widerstand oder auch sogenannten Drahtkordeln verwendet wurden, bei denen über einer schnurartigen Isolierseele ein dünner Widerstandsdraht schraubenlinienförmig in eng aufeinander liegenden Windungen aufgebracht war. Zur Kühlung wurden derartige Widerstände in einem Isolierbehälter mit Ölfüllung untergebracht.
Flüssigkeitswiderstände haben den Nachteil, daß sich ihr Widerstandswert sowohl im Laufe der Zeit als auch mit der Temperatur verändert. Kordelwiderstände sind infolge des dünnen Drahtquerschnittes sehr empfindlich. Die Ölkühlung bedingt einen großen Aufwand und kann zudem zu Bränden und Explosionen führen.
Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochspannungsmeßwiderstand, dessen wendelförmig ausgebildeter Widerstand im Innern eines abgeschlossenen Isolierkörpers untergebracht ist. Derartige Widerstände sind in der Form bekannt, daß eine wendelförmige Widerstandsschicht auf der Innenfläche eines Isolierkörpers aufgebracht ist. Eine derartige Konstruktion bietet herstellungsmäßige Schwierigkeiten, denn insbesondere bei langen Isolierkörpern läßt sich die Widerstandsschicht auf die Innenfläche dieses Körpers nur schwierig und mit zusätzlichen Einrichtungen aufbringen. Diese Schwierigkeiten vermeidet in vorteilhafter Weise ein Hochspannungsmeßwiderstand, bei dem erfindungsgemäß zwei mit geringem Zwischenraum konzentrisch ineinander angeordnete Hohlzylinder aus Isolierstoff vorgesehen sind, deren innerer auf seiner Außenwand den wendelförmigen Widerstand trägt, und bei dem der verbleibende Zwischenraum gegebenenfalls mit einer wärmeleitenden Isoliermasse, deren Wärmeleitfähigkeit mindestens 0,3 Wlm° C beträgt, ausgefüllt ist.
Ein derartiger bequem herzustellender Meßwiderstand vereinigt, wie umfangreiche Versuche ergeben haben, folgende Vorteile in sich: Das eigentliche Widerstandsgebilde ist in einem vollständig abgeschlossenen Isoliergehäuse, z. B. einem stützerartigen Porzellankörper, untergebracht und damit jeglicher Einwirkung der umgebenden Atmosphäre entzogen. Die Wärmeabgabe erfolgt vorwiegend durch Wärmeleitung von Widerstandsgebilde nach der Außenoberfläche des Isolierkörpers, wobei sich bei Verwendung von isolierenden Werkstoffen mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 0,3 W/mO C ein Temperaturabfall durch den Zwischenraum zwischen den beiden Isolierzylindern und durch den äußeren Isolierkörper hindurch von nur wenigen Grad erzielen läßt. Es kann somit die gesamte anfallende Wärme in einfacher Weise und ohne Verwendung von Kühlmitteln, wie Ö1 od. dgl., abgeführt werden.
Die vorgeschlagene Bauweise eignet sich insbesondere für Hochspannungsmeßwiderstände, bei denen das stromführende Widerstandsgebilde als dünne leitende Schicht auf der Außenoberfläche des inneren Isolierkörpers aufgebracht ist. Als Werkstoff für die Schicht können mit Vorteil reine Metalle, Metalllegierungen, Metalloxyde, jedoch auch Halbleiter, wie beispielsweise Indium-Antimonid u. dgl., zur Anwendung gelangen, während Kohleschichtwiderstände im allgemeinen nicht die erforderliche Konstanz ihres Ohmwertes aufweisen. Aus der Theorie der dünnen stromleitenden Schichten ist bekannt, daß sehr dünne Schichten von etwa 10 bis 50 Å Halbleitereigenschaften aufweisen und daher einen negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes besitzen, während dickere Schichten vorwiegend metallische Eigenschaften haben und dementsprechend einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen. Für jeden der genannten Werkstoffe gibt es im allgemeinen eine optimale Schichtdicke, bei der der Temperaturkoeffizient mindestens angenähert Null ist. Um den geforderten Ohmwert des stromleitenden Widerstandsgebildes zu erreichen und zugleich der Forderung nach der günstigsten Schichtdicke zu genügen, ist die Schicht schraubenlinienförmig ausgebildet.
Aus konstruktiven Gründen kann es sich dabei als zweckmäßig erweisen, den inneren Isolierzylinder aus einzelnen, kleineren Trägerkörpern aufzubauen, die jeder einzeln mit der Widerstandsschicht versehen sind und miteinander z. B. durch Klemmenverbindungen leitend verbunden werden. Diese Ausführungsformen haben verschiedene Vorteile: Zunächst einmal ist es fertigungstechnisch wesentlich einfacher, Isolierkörper kleinerer Abmessungen mit einer Widerstandsschicht zu versehen als Isolierkörper von der Größe des ganzen inneren Zylinders. Ferner kann durch passende Auswahl von Trägerkörpern mit voneinander verschiedenen positiven und negativen Temperaturkoeffizienten ihrer Schicht ein resultierender Temperaturkoeffizient von annähernd Null erreicht werden.
Der Isolierzylinder wird dann konzentrisch in den Isolierkörper eingebracht und der verbleibende Zwischenraum gegebenenfalls mit einer wärmeleitenden Isoliermasse, deren Wärmeleitfähigkeit mindestens 0,3 WYm C beträgt, ausgefüllt.
In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform eines Hochspannungsmeßwiderstandes nach der Erfindung dargestellt. Es bedeutet 1 den abgeschlossenen Isolierkörper, z. B. in Form eines Freiluftisolators aus Porzellan mit einer Mindestwärmeleitfähigkeit von 0,3 Wim C. 2 ist die obere Abschlußkappe, die mit einem Dichtungsring 3 auf den Isolierkörper 1 aufgekittet ist und einen Bolzen 4 zum Anschluß der Hochspannungsleitung aufweist. Der Isolierzylinder 15 trägt auf seinem Außenmantel die wendelförmige Widerstandsschicht 5, deren oberes Ende über die Leitung 6 mit dem Anschluß4 verbunden ist. Das untere Ende 7 der Widerstandsschicht 5 ist über die Primärwicklung8 des Stromwandlers 9 mit dem geerdeten Gehäuse 10 verbunden.
Die Sekundärwicklung 11 des Stromwandlers 9 ist mit den Anschlüssen 12 und 13 verbunden; 14 ist die Erdungsschraube.
Durch den über den Widerstand 5 fließenden Strom wird der Stromwandler 9 erregt. Schließt man an die Klemmen 12 und 13 beispielsweise einen Strommesser an, so entspricht sein Ausschlag der an dem Meßwiderstand liegenden Spannung. Man erhält so einen Sekundärkreis mit eingeprägtem Strom, wodurch eine größere Meßleistung zur Verfügung steht, als wenn man den Widerstand als Spannungsteiler benutzen würde.
Auf der unteren Seite ist der Zwischenraum zwischen dem äußeren und inneren Isolierzylinder durch Dichtungsringe und das Gehäuse 10 abgeschlossen.
Der Zwischenraum kann somit mit einer gut wärmeleitenden Isoliermasse 19 (Wärmeleitfähigkeit mindestens 0,3 Wim C) gefüllt werden, wodurch die Wärmeabfuhr über den äußeren Isolierzylinder an die Umgebung ohne zu großes Temperaturgefälle sichergestellt wird.
Zur Erhöhung der inneren Isolierfestigkeit kann der Isolator 1 luftdicht abgeschlossen und mit einem inerten Gas unter Überdruck oder auch einem elektronegativen Gas bei Normal- oder Überdruck, wie beispielsweise Freon oder Sehwefelhexafiuorid, gefüllt werden.
Man erkennt, daß ein derartiger Hochspannungsmeßwiderstand einen sehr einfachen, raumsparenden Aufbau aufweist und gegen jede äußere Einwirkung durch den gasdichten Abschluß geschützt ist, wobei die entstehende Wärme zunächst durch Wärmeleitung an die Oberfläche des äußeren Isolators 1 und dann durch Strahlung und Konvektion an die Umgebung abgeführt wird. Im allgemeinen ist jedoch die auf der Sekundärseite verfügbare Leistung verhältnismäßig klein. Sofern ein derartiger Meßwiderstand mit eingeprägtem Strom betrieben wird, wie dies beispielsweise die Zeichnung zeigt, kann trotzdem eine große Zahl von Instrumenten angeschlossen werden. Für besondere Zwecke, z. B. zur Speisung von Selektivschutzrelais u. dgl., ist es möglich, zusätzlich z. B. einen Transistorverstärker vorzusehen, der dann die erforderliche Leistung an den Spannungspfad des Selektivschutzrelais abgibt. Man kann aber auch im Zusammenwirken mit einem Stromwandler zunächst leistungsarm die gewünschte Rechenoperation, z. B. die Bildung des Quotienten von Spannung und Strom. durchführen und das Meßresultat in geeigneter Form, Form, z. B. als Auslöseimpuls, weitergeben.
Bei der Anordnung nach der Erfindung wird die in dem Widerstand erzeugte Wärme unmittelbar durch Wärmeleitung an die Außenoberfläche des Isolators 1 abgegeben. Versuche haben ergeben, daß mit derartigen Hochspannungsmeßwiderständen im normalen Betrieb, d. h. bei Phasenspannung, die durch einen Strom von 5 mA erzeugte Wärme ohne Schwierigkeiten abgeführt werden kann. Der Widerstand verträgt zudem dauernd eine Belastung mit der verketteten Spannung. Gegenüber der Ausführung mit Ölfüllung oder künstlich erzeugter Luftkühlung weisen die beschriebenen Hochspannungsmeßwiderstände den Vorteil größerer Betriebssicherheit und einfacherer Konstruktion auf.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Hochspannungsmeßwiderstand, dessen wendelförmig ausgebildeter Widerstand im Innern eines abgeschlossenen Isolierkörpers untergebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei mit geringem Zwischenraum konzentrisch ineinander angeordnete Hohlzylinder aus Isolierstoff vorgesehen sind, deren innerer auf seiner Außenwand den wendelförmigen Widerstand trägt, und daß der verbleibende Zwischenraum gegebenenfalls mit einer wärmeleitenden Isoliermasse, deren Wärmeleitfähigkeit mindestens 0,3 W/mO C beträgt, ausgefüllt ist.
2. Hochspannungsmeßwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper aus einem wärmeleitenden Material, dessen Wärmeleitfähigkeit mindestens 0,3WlmC beträgt, besteht.
3. Hochspannungsmeßwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierzylinder sich aus mit einer Widerstandsschicht versehenen einzelnen Trägerkörpern zusammensetzt, wobei die einzelnen wendelförmigen Widerstandsschichten unter sich elektrisch leitend verbunden sind.
4. Hochspannungsmeßwiderstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Trägerkörper mit positivem und negativem Temperaturkoeffizienten ihrer Schicht so miteinander kombiniert sind, daß der resultierende Temperaturkoeffizient mindestens angenähert Null ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 843 863, 365 375, 328 643; britische Patentschrift Nr. 611 250.