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XFMR Transformator

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Abmessungen, Zeichnungen

Anwendungshinweise

Auch wenn der Hochspannungsbaukasten äußerst flexibel ist, so treten doch manchmal Probleme auf, wenn es in die Randbereiche geht. Eines dieser Probleme ist die Erzeugung von geringen Hochspannungen von z.B. maximal 5 kV RMS. Denn üblicherweise sind die Komponenten auf den Bereich von 10…100% der Nennspannung spezifiziert. Die Probleme sind dann aber nicht schädigend, sondern nur störend. Denn im Bereich <10% ist vor allem das Problem der Auflösegenauigkeit des Stelltransformators. Je nach Stelltransformator ergeben sich in Verbindung mit dem 220V/100kV Transformator Spannungssprünge im Bereich von 0,5kV. Damit lassen sich keine kleinen Hochspannungen erzeugen.

Um dies aber dennoch tun zu können, kann sowohl die Parallelschaltung der Primärwicklung des Hochspannungstransformators TEO100 auf eine Reihenschaltung geändert werden. Das bringt aber nur Faktor 2. Mit einem weiteren Step-Down-Transformator zwischen Stelltransformator und Hochspannungstransformator kann das Verhalten deutlich verbessert werden.

Wir nutzen hier einen 2 kVA Spartransformator mit Anzapfungen von 100V, 220V, 380V. Damit lässt sich das Übersetzungsverhältnis in mehreren Stufen von 1:3.8 bis 3.8:1 ändern. Da üblicherweise nur eine kleine Spannung am Hochspannungstransformator TEO100 anliegt, ist der Strom des Hochspannungstransformators die leistungsbegrenzende Größe. Bei 10% der Nennspannung muss daher der Trenntransformator nur auf 10% der Scheinleistung ausgelegt werden.

Dieser Transformator ist ein Standard-Bauteil, welches sich bei jedem Trafo-Hersteller für weniger als 200€ erstehen lässt.

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DMM Multimeter und Logger

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Abmessungen, Zeichnungen

Anwendungshinweise

Wenn man in der Hochspannungstechnik misst, kann es sein, dass man ab und zu Messungen auf Potential durchführen möchte, z.B. um die gleichmäßige Spannungsverteilung einer Transformator-Kaskade zu überprüfen, den Einfluss der Erdkapazitäten in Abhängigkeit des Teilerverhältnisses sehen möchte und vieles mehr.

Dafür nutzen wir das Bluetooth-Multimeter „Mooshimeter“ von Mooshim. Es ist ein Zweikanal-Multimeter, welches über Bluetooth verbunden wird. Damit lassen sich dann auch Messungen auf Potential durchführen.

Zudem bietet das Multimeter bereits eine interne Logging-Funktion, so dass man hier die Messungen direkt auf SD-Karte schreiben und somit später zur Auswertung nutzen kann.

Der Vorteil dieses Multimeters ist der geringe Preis (<150€ ) bei einer Funktionalität, die konventionelle Multimeter selbst in einer deutlich höheren Preisklasse nicht bieten.

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SCOPE USB Oszillosop

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Abmessungen, Zeichnungen

Anwendungshinweise

Oszilloskope sind mittlerweile der Standard in Laboren. Und so wird auch der Hochspannungsbaukasten up to date gehalten. Der Vorteil an Oszilloskopen ist die direkt integrierte und teilweise adaptierbare Messauswertung. So lassen sich alle notwendigen Messungen direkt über die Oszilloskop-Mathe-Funktionen parametrieren und anzeigen.

Wir nutzen das USB Oszilloskop Picoscope von Picotech. Die Vorteile dieses Oszilloskops gegenüber anderen ist der günstige Preis gepaart mit einer sehr offenen Bibliothek zur Erweiterung und einer exzellenten Dokumentation.

Modifikationen

Wichtig für den Schutz des Oszilloskops ist ein Überspannungsschutz direkt am Eingang des Oszilloskops. Wir haben den mit einer TVS-Diode realisiert, die gegen den Schirm des Oszilloskops geschaltet ist.

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SEK Sekundäreinheiten

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Abmessungen, Zeichnungen

Anwendungshinweise

Die Sekundäreinheiten SEK oder die Niederspannungs-Teilereinheiten sind wohl die ersten Teile, die an einem normalen Hochspannungsbaukasten modifiziert werden. Denn mit der Zeit wird wohl kaum noch jemand die internen analogen Messgeräte verwenden, die in den MWB Steuerpulten verbaut waren, sondern auf Oszilloskope oder andere Messgeräte übergehen.

Modifikationen

Es bietet sich an, bei der Sekundäreinheit auf BNC überzugehen, da BNC mittlerweile der Standard in der Kabeltechnik für Signalverarbeitung ist. Durch den Bajonett-Verschluss sind die Messleitungen deutlich schneller zu montieren und im Falle eines Defekts zu ersetzen.

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NANO VNA vector network analyzer

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Abmessungen, Zeichnungen

Anwendungshinweise

Der Nano VNA vector network analyzer ist ein zusätzliches Messgerät, welches es im Online-Handel bereits für weniger als 50 € gibt. Es eignet sich hervorragend, um den Frequenzgang der Messteiler und auch anderer Bauteile aufzunehmen, damit das parasitäre Verhalten betrachtet und für die jeweilige Messanwendung qualifiziert werden kann. Gerade für die Vermessung von Eigenbau-Messteilern empfiehlt sich die Messung, da meist die parasitären Effekte entweder vernachlässigt oder zu gering bewertet werden. Für DC und AC Aufbauten ist dies weniger interessant. Sehr interessant wird es jedoch, wenn impulsförmige Spannungen gemessen werden sollen. Gleiches gilt auch für den Messkoppler des Teilentladungs-Messgeräts.

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EL Elektroden

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EL Elektrode
EL Elektrode, Sebastian Theisen, 2020
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Anwendungshinweise

Die Elektroden EL sind ebenfalls multfunktional einsetzbar. Üblicherweise sind diese als Kontaktblock für den Erdungsschalter eingesetzt. Zudem werden diese Elektroden EL gerne eingesetzt, um bei Teilentladungsmessungen die Knotenpunkte K feldtechnisch zu entlasten.

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Als kostengünstige Elektode zur Feldentlastung eignet sich auch der Eigenbau. Eine leere Rolle von einem 3D Druck Filament umwickelt mit einem Trocknerschlauch aus dem Hausbedarf. Für die elektrische Feldsteuerung ist das gut genug und soar bis 200kV teilentladungsfrei.

EL ELektrode
EL Elektrode, Sebastian Theisen, 2020
EL Elektode
EL Elektrode, Sebastian Theisen, 2020

Eine andere Alternative ist das Einbringen eines Schlauchs von einem Autoreifen (inner tube). Für Transformatoren kann hier der Schlauch eines Autoreifens genutzt werden, für die Knotenpunkte des Hochspannungsbaukastens empfiehlt sich hier eher die Verwendung von Schläuchen aus Sackkarrenreifen oder Schubkarrenreifen.

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Z Zapfen

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Zeichnungen, Abmessungen

Anwendungshinweise

Obwohl unscheinbar, sind die Anschlusszapfen Z eine wichtige Komponente. Ohne die Zapfen Z können die Komponenten nicht in die Knotenstücke K eingehangen oder eingesteckt werden. Dank der Zapfen Z ist ein vollständig werkzeugloser Aufbau möglich.

Es empfiehlt sich, die Zapfen selbst oder durch einen Mechaniker nachfertigen zu lassen, denn dies sind die Ansatzstücke für eine sinnvolle und anwendungsnahe Erweiterung des Hochspannungsbaukastents. Die Zeichnung folgt als 3D File und als Maßzeichung später hier zum Download.

Modifikationen

Die Zapfen Z wurden so modifiziert, dass sie alle Erweiterungen mitmachen. Ob das M40x1 Gewinde, was nachträglich aufgeschnitten werden kann, um z.B. defekte Zapfen aus Bauteilen zu ersetzen oder M12 Gewindestangen einzusetzen, das alles ist möglich.

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K Knotenpunkt

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K Knoten
K Knoten, Sebastian Theisen, 2020

Abmessungen, Zeichnungen

Anwendungshinweise

Der Knotenpunkt K ist DAS zentrale Element im Hochspannungsbaukasten. Er macht die Verbindung der unterschiedlichen Komponenten erst möglich. Dabei sind die Verbindungen hier immer um 90° versetzt – oben, unten, links, rechts, vorne hinten. Der Knotenpunkt wird oftmals auch als Kopfteil bezeichnet und besteht aus einem Aluminium-Guss.

Modifikationen

Ein großes Problem bei der Verbindung von Elementen mit dem Knotenpunkt ist der sichere elektrische Kontakt. Gerade bei Teilentladungsmessungen können Kontaktprobleme von den Knotenstücken hier herrühren. Daher lassen sich diese Kontaktprobleme auf mehrfache Art und Weise elegant und im Selbstbau lösen.

  1. Einbau von federnden Druckstücken in die Knotenstücke durch Aufbohren der 4mm Bohrlöcher
  2. Nachträglicher Einsatz von federnden V-Klammern zwischen Knotenpunkt K und dem jeweiligen Bauteil
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SF Schmetterlingsflügel

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SF Schmetterlingsflügel
SF Schmetterlingsflügel, Sebastian Theisen, 2020

Abmessungen, Zeichnungen

Anwendungshinweise

Die Schmetterlingsflügel SF werden genutzt, wenn trotz kompakten Aufbaus des Hochspannungsbaukastens noch zu wenig Platz ist. Dies kann beispielsweise so erfolgen, dass der Erdschalter ES direkt neben dem Stoßkondensator CS sitzen muss, weil sonst im Aufbau kein Platz mehr ist. Oder die direkte Parallelschaltung von zwei Stoßkondensatoren Cs.

Der Schmetterlingsflügel ist ein Eigenbau und besteht aus einer 2mm dicken Kupfer- oder Aluminiumplatte, die zwei Bohrlöcher hat.

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BI Sperrdrossel

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BI Sperrimpedanz
BI Sperrdrossel, Sebastian Theisen, 2020

Abmessungen, Zeichnungen

Anwendungshinweise

Die Sperrdrossel BI ist ein Eigenbau. Sie wird vorzugsweise als Teil eines Filters verwendet, um auf der Hochspannungsseite einen Tiefpass zweiter Ordnung aufzubauen, damit der Prüfkreis bei Teilentladungsmessungen durch netzseitige Störungen weniger beeinflusst wird.

Wesentliches Designkriterium für die Sperrimpedanz BI ist nicht eine hohe Induktivität, wie man vielleicht meinen möge. Nein. Wesentlich ist hier eine möglichst geringe parasitäre Sperrkapazität, die zur Reduktion der netzseitigen Störimpulse hilft. Daher wurde hier Wert auf einen großen Durchmesser bei nur einer Lagenwicklung gelegt. Durch den Durchmesser wird die Induktivität erhöht und die Randfeldstärke auf der Oberfläche wird reduziert. Durch die nur einlagige Wicklung wird die parasitäre Kapazität minimiert. Gemeinsam mit dem Hochspannungsteiler CM oder CZ, wird dann ein C-L-Filter ausgehend vom Transformator in Richtung Prüfling aufgebaut. Dabei ist es wichtig, dass die Kapazität transformatornah und nicht prüflingsnah ist.

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