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Messen von Hochspannungen

Definition von Hochspannung

Normalerweise spricht man von Hochspannung bei Spannungen von >= 750 V AC oder >= 1000 V DC. Leider wird dies in der Industrie und Energietechnik teilweise nicht so definiert. In der Energietechnik werden normalerweise Spannungen zwischen 1 kV und 72 kV (im deutschsprachigen Raum zumindest) als "Mittelspannungen" bezeichnet. Als "Hochspannung" gelten dann Spannungen zwischen 72 kV und 110 kV. Bei Spannungen darüber spricht man schliesslich von "Höchstspannung".

Damit Übertragungsverluste möglichst klein gehalten werden können, funktioniert die Energieverteilung auf unterschiedlichen Spannungsebenen, für weite Strecken werden Höchstspannungen im Bereich bis max. ca. 420 kV (in Europa) verwendet, während für die Verteilung (kurze regionale Strecken) Spannungen von 6 kV bis ca. 50 kV zum Einsatz kommen. Für die Haushalte wird die Netzspannung weiter auf 400 V (3-phasig) bzw. 230 V (einphasig) herunter transformiert. Grössere Industriezweige verfügen teilweise über Anschlüsse direkt ins Mittelspannungsnetz, beispielsweise 16 kV. Durch die höhere Spannung kann dann natürlich bei gleich bleibendem Strom (und damit gleichbleibendem Leiterquerschnitt!) eine wesentlich höhere Leistung bezogen werden.

Abschätzen der Spannung durch Funkenschlagweite

Die Höhe einer Hochspannung kann grob durch die Funkenlänge bestimmt werden. Grundsätzlich beträgt die Funkenlänge in Luft ca. 1 mm  pro 1000 V Spannung. Leider ist diese Art der "Spannungsmessung" etwas ungenau, da die Funkenlänge von diversen Parametern bestimmt wird, wie Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, Luftzusammensetzung, Geometrie der Elektroden, Frequenz der Hochspannung und allenfalls auch noch geringfügig von Druck und Temperaturverhältnissen. Ausserdem verhält sich die Funkenlänge nicht hundertprozentig linear zur Spannung. Bei sehr grossen Spannungen (> 100 kV) wird eine verhältnismässig grössere Distanz überwunden vom Funken, da durch Teilionisation der Luft bereits ein Teil der Funkenstrecke leitend wird. Ausserdem ist nicht jede Hochspannungsquelle so ohne weiteres kurzschlussfest, und ein Funke bzw. Lichtbogen bedeutet annähernd einen Kurzschluss.

Bestimmung mit Hilfe eines Messwandlers

Ein Messwandler ist ein Transformator, dessen Windungsverhältnis genau bekannt ist. Die Hochspannung wird auf einen gut messbaren Wert heruntergesetzt, häufig ist dies 100 V (z.B. 16000 V / 100 V oder 45000 V / 100 V, etc.). Auf diese Weise ist der Messkreis galvanisch getrennt von der (meistens) erdgebundenen Quelle.

Hier einige Beispiele von Giessharz-Spannungswandlern ( im Englischen auch "potential transformers" bzw. "instrument transformers" genannt):

           

Diese HV-Transformatoren eignen sich nicht nur hervorragend für die originalen Messzwecke, sondern auch als hochwertige, fast unzerstörbare Hochspannungsquellen für Hochspannungs-Experimente aller Art!  => Mehr Informationen zu Messwandlern findet man hier.

 

Messung mit Hochspannungssonde

       

Fluke und Tektronix Hochspannungstastköpfe

Die oben links abgebildete Hochspannungssonde eignet sich gut zum Messen von Hochspannung mittlerer Amplitude (bis 40 kV DC oder 28 kV AC 50Hz). Sie arbeitet als normaler Spannungsteiler mit Widerständen. Wenn die Sonde an einem Multimeter mit einem Innenwiderstand von 10 MOhm angeschlossen ist, wirkt sie genau wie ein 1000:1 Teiler, das heisst, das Ergebnis auf der Anzeige des Multimeters in Volt entspricht in Wirklichkeit der Hochspannung in kV. Wichtig: Die Erdungsklemme muss unbedingt immer angeschlossen sein, sonst "sieht" das Multimeter die volle Hochspannung am Eingang und kann dadurch zerstört werden. Ausserdem besteht keine galvanische Trennung zwischen Messgerät und HV-Quelle. Grundsätzlich sollten weder Teile des Messaufbaus noch die Hochspannungssonde selber berührt werden während die Quelle eingeschaltet ist! Auf dem mittleren Bild und rechts ist meine Tektronix-Sonde (P6015) zu sehen, mit welcher hochfrequente Hochspannungen gemessen werden können. Diese eignet sich besonders zum Experimentieren mit SSTC's.

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