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Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Isolation von elektrischen Netzen gegen Erde
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Erdisolation von elektrischen Wechselstromnetzen mit isoliertem Nulleiter.
Es sind Vorrichtungen zum Schutz von elektrischen Wechselstromnetzen gegen Erdschlüsse bekannt, bei denen im Falle eines Fehlers zwischen einer oder mehreren Phasen und Erde ein gerichteter Strom in einer einsinnig durchlässigen elektrischen Verbindungsleitung zwischen den Netzphasen und Erde erscheint. Dieser gerichtete Strom wird bestimmt, um die Isolation des Netzes bezüglich Erde zu messen und eventuell eine Alarm- oder Abschaltvorrichtung für das Netz zu betätigen, wenn die Isolierung unzureichend ist.
Derartige Systeme bieten einen beträchtlichen Nachteil, der darin besteht, dass die Anzeigen der Isolation und die Auslöse- und Alarmschwellen eine Funktion der Stärke des Stromes sind, welcher die Verbindung zwischen dem gemeinsamen Punkt und Erde durchfliesst. Da dieser Strom bei einem gegebenen Fehlerwert proportional der Netzspannung ist, bringt eine Spannungsänderung eine Änderung in der Anzeige des Isolationswertes mit sich. In bestimmten Fällen ist die Änderung so gross, dass die durch das Gerät gegebenen Anzeigen des Isolationswertes beträchtlich geändert werden.
Ziel der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung. welche es gestatten, ein Mass für die Isolation und eine getreue Fernübertragung dieses Masses unabhängig von den Netzspannungsänderungen zu erhalten. Ausserdem soll die Messung unabhängig von den Eigenschaften der für die Übertragung verwendeten Leitung sein.
Das Verfahren gemäss der Erfindung besteht darin, dass an der einsinnig durchlässigen Verbindungsleitung zwischen den Netzphasen und Erde eine Spannung abgenommen wird, die proportional dem in der Verbindungsleitung fliessenden Strom ist, dass die Spannung dazu verwendet wird, die End-Entladungsspannung eines Kondensators festzulegen, dessen Ladung durch eine Spannung bewirkt wird, die proportional der Netzspannung ist, und dass die Entladungszeiten des Kondensators als Funktion des Isolationswiderstandes des Netzes gemessen werden.
Gemäss einer abgewandelten Ausführungsform ist bei dem Verfahren vorgesehen, dass der Kondensator in einen Relaxationskreis eingeschaltet ist und dass die Relaxationsfrequenz des Kreises als Funktion des Isolationswiderstandes des Netzes gemessen wird.
Die Vorrichtung zur-Durchführung des Messverfahrens gemäss der Erfindung umfasst einen elektronischen Kreis, in den ein Kondensator eingeschaltet ist, der abwechselnd mit einem Kreis, welcher eine der Netzspannung proportionale Spannung liefert und einem Kreis, der eine dem in einer zwischen den Netzphasen und Erde liegenden, einsinnig durchlässigen Verbindungsleitung fliessenden Strom proportionale Spannung liefert, verbindbar ist und mit einem Widerstand verbunden wird, der in Reihe in die gerichtete elektrische Verbindung zwischen den Netzphasen und Erde eingeschaltet ist.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht derelektronische Kreis aus einem Multivibrator, dessen beide nacheinander aufgeladene und entladene Kondensa- toren in der Weise angeordnet sind, dass sie sich abwechselnd auf eine polarisierte, der Netzspannung proportionale Spannung aufladen und sich dann bis auf eine Spannung entladen, die proportionaldem Strom ist, der in der einsinnig durchlässigen elektrischen Verbindungsleitung zwischen den Netzphasen
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und Erde fliesst.
Gemäss weiteren Merkmalen der Erfindung ist der Multivibrator mit Halbleitern bestückt und das Frequenzsignal des Multivibrators wirkt auf die Primärwicklung eines Transformators ein, dessen Sekundärwicklung an den Klemmen einer Übertragungsleitung anliegt, wobei am Ausgang der Übertragungsleitung Messeinrichtungen für die Frequenz als Funktion des Isolationswiderstandes des Netzes vorgesehen sind. Die Erfindung bietet unter anderem folgende Vorteile :
Für eine gegebene Netzspannung sind die Entladungszeiten des Kondensators oder die durch denKreis abgegebene Relaxationsfrequenz eine Funktion der Stromstärke, welche in der gerichteten Verbindung zwischen den Netzphasen und Erde fliesst. Dieser Strom ist in an sich bekannter Weise eine Funktion des Isolationszustandes des Netzes.
Wie weiter unten erläutert wird, ändern die Netzspannungsänderungen nicht die Entladungszeiten des Kondensators oder die durch den Relaxationskreis abgegebene Frequenz bei einem gegebenen Isolationswert.
Schliesslich sind die Entladungszeiten des Kondensators oder die durch den Relaxationskreis abgegebene Frequenz eine Funktion des Isolationszustandes des Netzes unabhängig von der Spannung.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der abgewandelten Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass man ein Mass für die Isolation in Form eines Frequenzsignals erhält. Ein derartiges Signal ist genau und sicher sehr leicht an Ort und Stelle oder von ferne zu messen.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen die in der Zeichnung dargestellt sind. näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 das Grundschema des erfindungsgemässen Verfahrens zur Messung der Isolation von elektrischen Netzen gegen Erde, Fig. 2 eine mögliche Schaltung des elektronischen Kreises einer Isolationsmessvorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens und Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung.
In Fig. 1 ist ein Leistungstransformator l dargestellt, welcher ein elektrisches Netz 2 speist, das hier ein dreiphasigesNetz mit isoliertemNulIeiter ist und dessenisolationswert bezüglich Erde gemessen werden soll.
Die Isolations- Mess- oder -überwachungsvorrichtung umfasst im'wesentlichen eine elektrische Verbindung zwischen den Phasenleitern des Netzes 2 und Erde. Diese allgemein mit 3 bezeichnete elektrische Verbindung wird durch einen dreiarmigen Stern 4 gebildet, welcher die drei Netzphasen mit einem gemeinsamen Punkt 5 verbindet. Jeder der Arme des Sternes enthält ein Halbleiterelement 6, 7 bzw. 8.
Um die Stärke des gerichteten Stromes zu begrenzen, welcher im Falle eines Isolationsfehlers in die Verbindung 3 fliesst, ist in diese ein Widerstand mit hohem Wert eingeschaltet. Dieser Widerstand kann
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derständen in den Armen des Sternes 4, d. h. vor dem gemeinsamen Punkt S vorgesehen sein.
Die elektrische Verbindung 3 umfasst einen Widerstand 10, an'dessen Klemmen A, B eine Spannung UD herrscht, welche proportional der Stärke des Stromes ist, welcher im Falle eines Isolationsfehlers fliesst.
Wie weiter unten näher erläutert wird, wird diese Spannung UD gemäss der Erfindung verwendet, um die End-Entladungsspannung eines Kondensators 11 festzulegen, dessen eine Klemme C mit Erde und dessen andere Klemme D mit einem mechanischen, elektronischen od. ähnl. Schalter 12 verbunden ist.
Die Ladung des Kondensators 11 wird durch eine Spannung Uc gewährleistet, welche der Spannung des Netzes 2 proportional ist.
Diese Spannung U, wird z. B. mittels eines Transformators 13 erhalten, dessen Primärwicklung 13p zwischen zwei Phasen des Netzes 2 geschaltet ist und dessen Sekundärwicklung 13s eine der Diagonalen einer Gleichrichterbrticke 14 speist. Die andere Diagonale der Brücke ist zum einen mit der Klemme C des Kondensators 11, zum andern rrit der Klemme E des Schalters 12 verbunden.
Wenn das Netz 2 unter Spannung steht, entsteht in der Verbindung 3 zwischen dem gemeinsamen Punkt 5 und Erde ein Strom.
Dieser Strom ist die Summe der Ströme. welche die Halbleiterelemente 6, 7, 8 und eventuell gemäss Fig. 2 die Widerstände 9 A. 9B und 9C durchfliessen.
Der Kreis dieser Ströme schliesst sich über die Isolationswiderstände der drei Phasen des Netzes 2, welche schematisch durch drei punktiert eingezeichnete Widerstände 15,16, 17 zwischen den Phasen und Erde dargestellt sind. Der Fehlerstrom verändert sich umgekehrt wie der Wert dieser Isolationswiderstände.
Der Grundgedanke des Isolations-, Mess-oder Überwachungsverfahrens gemäss der Erfindung ist gemäss Fig. 1 der folgende : -
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In einer ersten Phase wird der Schalter 12 in die Schliessstellung D-E gebracht, wodurch der Konden- sator 11 auf eine Spannung Uc aufgeladen wird, die proportional der Spannung des Netzes 2 ist.
In einer zweiten Phase wird der Schalter 12 in die Schliessstellung D-F gebracht, wodurch der Kon densator 11 über den Widerstand 10 entladen wird. bis eine Spannung UD erreicht ist, die proportional der Fehlerstromstärke ist. Die Entladungszeit hängt also nur von dem Verhältnis UD/Uc ab. Da der Fehlerstrom sich selbst proportional der Netzspannung ändert, wird das Verhältnis UD/Uc unabhängig von der
Ladespannung Uc und hängt nur von dem Fehlerwiderstand ab.
Mit andern Worten ist die Entladungszeit des Kondensators 11, welche die Messgrösse bildet, eine
Funktion des zwischen den drei Netzphasen und Erde fliessenden Stromes ; sie ist unabhängig von Spannungsschwankungen im Netz.
Diese Entladungszeit, welche eine Funktion des Isolationswiderstandes des Netzes ist, kann gemäss der Erfindung entweder direkt abgelesen oder zur bequemeren Messung oder übertragung in eine andere
Grösse mittels geeigneter Geräte, z. B. in eine Frequenz, Spannung usw., umgeformt werden.
In diesem Fall wird der Kondensator 11 in einen Relaxationskreis eingeschaltet und die Relaxationsfrequenz des Kreises wird als Funktion des Isolationswiderstandes des Netzes gemessen.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 2 wird ein elektronischer Kreis verwendet. welcher aus einem Multivibrator besteht, dessen beide Kondensatoren in der Weise angeordnet sind, dass sie sich wie-im Fall der Fig. 1 abwechselnd auf eine gerichtete Spannung aufladen, die proportional der Spannung des Netzes ist und dass sie sich bis auf eine Spannung entladen, die proportional dem Strom ist, welcher in der elektrischen polarisierten Verbindung zwischen den Phasen des Netzes und Erde fliesst.
Um die Beschreibung nicht unnötig zu überlasten, werden diejenigen elektrischen Schaltelemente, welche mit denen der Fig. 1 identisch sind, nicht von neuem beschrieben. In Fig. 2 sind die gleichen Elemente mit den gleichen Bezugszahlen wie in Fig. 1 bezeichnet.
Der allgemein mit 18 bezeichnete Multivibrator umfasst wie üblich zwei Zweige 18A und 18ss1 wel-
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der Gleichrichterbrücke 14 über ein Widerstandskapazitätsfilter 20-21 gespeist. Der Verbindungspunkt zwischen der Kapazität 21 und dem Widerstand 20 ist mit Erde verbunden. Der Widerstand 10C und der Widerstand 10 bilden einen Spannungsteiler, welcher die Vorspannung der Transistorbasen bestimmt. Die Kapazität 11C bewirkt die Filterung der Spannung, welche im Falle eines Fehlers zwischen A und B er-" scheint. Anderseits sind die Widerstände 10 und lOB2 in Reihe in dem Kollektorkreis der Transisto- ren 19. bzw. 19 geschaltet.
Die Entladunwiderstände 10A1 und 10B1 gewährleisten die Verbindung zwischen der Basis der Transistoren 19 und 19n mit der Klemme A des Widerstandes 10, welcher in Rei- he in die Verbindung 3 Phase-Erde geschaltet ist. An den Klemmen A-B dieses Widerstandes erscheint die Spannung UD, welche proportional der Fehlerstromstärke ist und dazu dient, die End-Entladungsspan- nung der Kapazitäten 11 A und 11B festzulegen.
Der Multivibrator liefert an seine Ausgangsklemmen G. H eine Rechteckspannung, welche durch aufeinanderfolgende Öffnungen und schliesszungen seiner beiden Transistoren 19 A und 19B erzeugt wird. Die Wiederholungsfrequenz dieser Zustandsänderungen wird durch die Ladungs-oder Entladungsdauer der beiden Kapazitäten 11A und 11B bestimmt. Diese Kapazitäten werden nacheinander auf die Speisespan- nung Uc der Schaltung aufgeladen, welche der Spannung des Netzes 2 proportional ist.
In jeder Halbperiode entlädt sich eine der Kapazitäten in dem Augenblick, wo der entsprechende Transistor leitend wird. so dass die Potentialdifferenz an ihren ! Klemmen gleich der Spannung UD wird, welche an den Klemmen A, B des Widerstandes 10 herrscht. Diese Spannung wird selbst proportional dem Fehlerstrom, d. h. dem Isolationswert des Netzes. Wenn diese Spannung UD wächst, sinkt also die Zeit, welche erforderlich ist, um die Öffnungsspannung des betreffenden Transistors zu erreichen, und die Frequenz der Rechtecksignale steigt ebenfalls.
In Fig. 3 ist die allgemeine Gestalt der Kurve der Änderung der Frequenz der Rechtecksignale am Ausgang des Multivibrators als Funktion der Änderung des Fehlerstroms in den Widerstand 10 dargestellt. Versuche haben gezeigt, dass nur der Anfang Cl dieser Kurve ziemlich flach ist, was jedoch ohne Bedeutung ist, da dieser Teil der Kurve den normalen Isolationswiderständen entspricht. Der Teil C2 der gleichen Kurve, welcher den weniger guten und schlechten Isolationswiderständen entspricht, ist dagegen sehr steil.
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Ein weiterer sehr wichtiger Vorteil dieser Ausführungsform der Erfindung. besteht darin, dass man ein Mass für die Netzisolation in Form eines Frequenzsignals erhält, welches an Ort und Stelle oder von ferne genau und sicher sehr leicht gemessen werden kann.
Wenn man das Frequenzsignal fernmessen will, genügt es, an den Ausgangsklemmen G, HdesMulti vibrators 18 die Primärwicklung 22p eines Transformators 22 abzuzweigen, dessen Sekundärwicklung 22s an einer Übertragungsleitung 23 anliegt. Bei dieser Leitung kann es sich um eine in dieser Anlage bereits vorhandene Leitung handeln. Ein Filter 24 ist an den Klemmen der Sekundärwicklung 22s des Transformators 22 angelegt.
Man kann somit insbesondere als Übertragungsleitung Telephonkabel verwenden. wobeidie einzige Beschränkung in diesem Fall darin besteht. dass eine Ultraschallfrequenz verwendet werden muss.
Anderseits haben Versuche gezeigt, dass die von dem Multivibrator gelieferte Frequenz praktisch nur von dem Isolationswert des Netzes abhängt und relativ unempfindlich gegenüber Schwankungen der Netz spannung ist.
Es hat sich gezeigt, dass bei sehr guten Isolierungen eine Frequenzänderung von 21o bei einer Änderung der Netzspannung von 20% auftrat, während bei schlechten Isolierungen die Frequenzänderung bei einer Änderung der Netzspannung von 201o 0, 5% nicht überschritt.
Die Erfindung lässt sich ebensogut auf die Überwachung einphasiger Netze wie auf die dreiphasiger Netze gemäss den Fig. 1 und 2 anwenden. Der einzige Unterschied besteht darin, dass im Falle eines einphasigen Netzes die Verbindung Netz-Erde doppelt anstatt dreifach ist.
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