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Einpoliger Spannungsprüfer
Die Erfindung betrifft einen einpoligen Spannungsprüfer mit einem mit dem Leiter, dessen Span- nungszustand nachgewiesen werden soll, in Berührung zu bringenden Kontaktstück, einem eine kapazi- tive Wirkung mit der Erde bildenden, leitenden Körper und einem eine Stromquelle und einen Signal- geber aufweisenden Meldestromkreis.
Es sind einpolige Spannungsprüfer für elektrische Netze und Installationen bekannt, welche die kapa- zitive Wirkung zwischen einem leitenden Körper und der Erde benutzen. Derartige Spannungsprüfer set- zen sich im wesentlichen aus einem Kontaktstück, welches mit dem zu prüfenden Leiter in Berührung gebracht wird, einer empfindlichen Anzeigeeinrichtung für die Spannung und einem leitenden Körper zusammen, der gegenüber Erde eine bestimmte Kapazität aufweist, so dass beim Berühren des Leiters mit dem Kontaktstück ein kapazitiver Strom vom leitenden Körper zur Erde und damit durch die Anzeigeein- richtung fliesst.
In manchen bekannten Spannungsprüfern ist die empfindliche Anzeigeeinrichtung beispielsweise eine Neon-Glimmlampe, die beim Durchgang eines Stromes zündet und Licht aussendet. Solche Span- nungsprüfer sind sehr einfach. Zudem ist der Spannungsbereich, in welchem sie benutzt werden können, nur durch das Isolationsvermögen des Isolierstabs begrenzt, an dessen einem Ende der Spannungsprüfer befestigt ist und der dazu dient, den Spannungsprüfer in Kontakt mit dem unter Spannung stehenden Leiter zu bringen. Nachteilig bei derartigen Spannungsprüfern ist aber, dass sie eine nur geringe Empfindlichkeit aufweisen. Zudem ist ihre Lichtstärke sehr schwach, so dass es bei Sonnenbestrahlung oft unmöglich ist, zu entscheiden, ob die Glimmlampe leuchtet oder dunkel ist.
Aus diesen Gründen sind auch andere Spannungsprüfer bekanntgeworden, bei welchen die Anzeige bzw. Meldeeinrichtungeinenelektronischen Verstärker aufweist. Diese bekannten Spannungsprüfer besitzen eine eigene Energiequelle, so dass sie im wesentlichen ein Signal beliebig hoher Energie erzeugen können. Zudem kann ihre Empfindlichkeit durch entsprechende Ausbildung des Verstärkers beliebig gesteigert werden, so dass auch niedrige Spannungen gemessen werden können.
Die genannten Spannungsprüfer weisen jedoch den Nachteil auf, dass der erfassbare Spannungsbereich wegen der Überlastungsgefahr der elektronischen Kreise verhältnismässig eng ist. Diesem Nachteil kann zwar durch Einführen einer Verstärkungsregelung teilweise begegnet werden, die aber zu Störungen Anlass geben kann. Zudem sind die Verstärkerkreise verhältnismässig komplex und aufwendig, insbesondere wenn sie eine Stabilisierung gegen die Einwirkungen von Temperaturschwankungen aufweisen.
Schliesslich fehlt den bekannten Spannungsprüfern mit elektronischen Verstärkern eine selektive Empfindlichkeit. Wenn beispielsweise ein Spannungsprüfer, dessen Ansprechschwelle auf 2000 V eingestellt ist, in einem Netz benutzt wird, dessen Spannung wesentlich höher ist und beispielsweise 30 bis 60 kV beträgt, ist es durchaus möglich, dass ein Signal erzeugt wird, bevor der Spannungsprüfer mit der zu prüfenden Leitung in Berührung kommt. Wenn mehrere Leiter nahe beeinander angeordnet sind, ist es dann unmöglich, genau festzustellen, ob jeder dieser Leiter unter Spannung steht oder nicht.
Die angeführten bekannten Spannungsprüfer stehen alle kontinuierlich im Betriebszustand, solange eine Spannung an ihrem Kontaktstück liegt. Dies bedeutet, dass ein derartiger, mit einer unter Spannung ste-
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henden Leitung in Kontakt gebrachten Spannungsprüfer nur so lange eine Anzeige liefert, als die Span- nung aufrecht erhalten wird, und keine Anzeige mehr abgibt, sobald die Spannung ausgeschaltet wird.
Ziel der Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden und einen besonders einfach aufgebauten Spannungsprüfer zu schaffen, der eine grosse Empfindlichkeit aufweist und über einen wei- ! ten Spannungsbereich anwendbar ist.
Dieses Ziel wird bei einem Spannungsprüfer der eingangs genannten Art erfindungsgemäss in erster
Linie dadurch erreicht, dass ein elektronisches Kipprelais vorgesehen ist, dessen Eingang an den von der
Impedanz zwischen Kontaktstück und leitendem Körper sowie der Kapazität zwischen leitendem Körper und Erde gebildeten Schwingkreis und dessen Ausgang an den Medelstromkreis angeschlossen ist, wobei der Schwingkreis derart abgestimmt ist, dass ausschliesslich die in ihm im Moment der Berührung zwi- sehen Kontaktstück und dem Leiter entstehende Schwingung die Auslösung des Kipprelais und damit die
Einschaltung des Meldestromkreises bewirkt, welche unabhängig von der Berührung des Kontaktstückes mit dem Leiter bestehen bleibt.
Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen Fig. l schema- tisch den prinzipiellen Aufbau eines Spannungsprüfers gemäss der Erfindung, Fig. 2 ein Diagramm der am Spannungsprüfer von Fig. l liegenden Spannung in Abhängigkeit von der Zeit bei der Benutzung des
Spannungsprüfers, Fig. 3 das Schaltungsschema einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Spannungs- prüfers mit einem Thyristor, Fig. 4 ein Schaltungsschema einer weiteren Ausführungsform des erfin- dungsgemässen Spannungsprüfers, Fig. 5 ein Schaltungsschema einer Ausführungsform des erfindungsge- mässen Spannungsprüfers mit einem Summer und zwei Prüfeinrichtungen, Fig. 6 das Schaltungsschema einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem Verstärker, Fig.
7 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemässen Spannungsprüfer dessen Schaltung in Übereinstimmung mit Fig. 5 aufgebaut ist, Fig. 8 einen horizontalen Schnitt längs der Linie VIII-VIII von Fig. 7, Fig. 9 einen Längsschnitt und eine Ansicht eines Teiles eines erfindungsgemässen Spannungsprüfers zum Nachweisen niedriger Span- nungen.
Gemäss Fig. 1 ist ein Widerstand --3- mit einer seiner Klemmen an ein Kontaktstück-2-ange- schlossen, das in elektrische Verbindung mit einem Leiter-l-gebracht werden kann. Die andere
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parallelgeschaltet (nicht dargestellt), dessen sehr hoher Wert die Summe der Widerstände der Isolierstangerund des Körpers der die Stange haltenden Person ist. Wenn also das Kontaktstück-2-- mit dem eine Spannung gegenüber der Erde --6-- aufweisenden Leiter --1-- in leitende Berührung gebracht wird, fliesst ein Strom durch den Widerstand-3-, der von der Spannung des Leiters-l-und den Widerstands-und Kapazitätswerten der genannten Kombination abhängt.
An Hand der Fig. 2 wird nun erläutert, welche Vorgänge sich bei der Benutzung des Spannungsprü-
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auftretende Spannung aufgetragen.
Der Zeitabschnitt --T1-- stellt das Zeitintervall dar, während welchem das Kontaktstück-2- (Fig. l) von einer die Isolierstange --5-- haltenden Person in die Nähe des Leiters --1-- gebracht wird.
Zu Beginn des Zeitabschnittes -T1-- befinden sich der Widerstand --3-- und der leitende Körper4 auf Erdpotential. Beim Annähern des KontaktsIückes --2- an den unter Spannung stehenden Leiter - macht sich infolge des den Leiter umgebenden elektrischen Feldes ein sehr geringer kapazitiver Strom bemerkbar, der, wie aus dem weiteren Verlauf der Spannung im Zeitabschnitt-T1-- ersichtlich, Anlass zu einer geringfügigen Spannungserhöhung am Widerstand -3-- gibt, wobei sich diese Spannung im Takte der Wechselspannung des Leiters --1-- ändert.
Im Moment der leitenden Verbindung des Kontaktstückes-2-- mit dem Leiter-l-, der in Fig. 2
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ist,i densator-C-gebildeten Zeitgliedes ist. Der Widerstand der Isolierstange-5-und des Körpers der die Stange haltenden Person spielt hiebei, da wesentlich grösser, keine Rolle. Während des Beginnsdes Zeit- abschnittes --T2-- wird demnach der Widerstand --3-- vom Ladestrom des Kondensators-C-durch- flossen, so dass zwischen den Klemmen des Widerstandes eine beträchtliche Potentialdifferenz entsteht.
Im weiteren Verlauf des Zeitabschnittes --T2-- nimmt nach Erreichen des ersten Maximums der Ladestrom des Kondensators-C-und damit die Spannung am Widerstand-3-rasch ab und oszil- liert mit der Eigenfrequenz des durch den Widerstand-3-, den Kondensator-C-sowie die in Fig. 1 nicht gesondert dargestellten, zwischen Kontaktstück und leitendem Körper befindlichen Leitungsinduk- tivitäten gebildeten Schwingkreises mit sich ständig vermindernden Amplituden. In Fig. 2 ist der Zeit- abschnitt-T2-- mit stark gedehnter Zeitachse dargestellt.
Im Zeitabschnitt -- T3-- folgt, falls das Kontaktstück-2-- in leitender Verbindung mit dem Lei- ter-l-bleibt, das Potential des leitenden Körpers --4-- über den Widerstand bzw. die Impedanz - dem Wechselpotential der Leitung --1--. Es entsteht deshalb ein kapazitiver Strom zwischen dem leitenden Körper --4-- und der Erde, der an den Klemmen des Widerstandes --3-- eine entspre- chende Wechselspannung erzeugt. Die Amplitude--Us-dieser Wechselspannung ist hiebei beträcht- lich kleiner als die momentan beim Erstellen des Kontaktes mit dem Leiter-l-zu Beginn des Zeit- abschnittes-T2-- auftretende Spannungsspitze.
Es kann also festgestellt werden, dass der von der Impedanz zwischen Kontaktstück --2- und lei- tendem Körper -4-- sowie der Kapazität --C-- zwischen leitendem Körper-4-und Erdb-6- gebildete Schwingkreis derart bemessen bzw. abgestimmt ist, dass ausschliesslich die in ihm im Moment der Berührung zwischen Kontaktstück --2-- und Leiter --1-- entstehende Schwingung die Auslösung des elektronischen Kipprelais-8-und damit die Einschaltung des Meldestromkreises bzw. des Signal ge - bers --9-- bewirkt. Es wird also die im Moment der Berührung des Kontaktstückes mit dem Leiter ent- stehende Schwingung zur Betätigung des elektronischen Kipprelais aufgefangen.
Der erwähnte Schwing- kreis ist demnach so dimensioniert, dass die erwähnte Schwingung eine Amplitude und eine Zeitdauer aufweist, die ausreichen, um das elektronische Kipprelais ansprechen zu lassen.
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an den Widerstand angeschlossene elektronische Kipprelais --8-- anspricht. Wie ersichtlich. ist, kann dieser Schwellwert --S-- wesentlich grösser als die Amplitude der im Zeitabschnitt --T3- am Widerstand --3-- auftretenden Wechselspannung sein. Die Empfindlichkeit der Meldevorrichtung zum Nachweis der Spannung auf dem Leiter-l-kann also bedeutend kleiner sein.
Der wesentliche Unterschied des hier beschriebenen erfindungsgemässen Spannungsprüfers gegen- über den bekannten Spannungsprüfern besteht also darin, dass beim Erfindungsgegenstand die im Augenblick der Berührung des Kontaktstückes mit dem Leiter infolge eines erstmaligen hohen Ladestroms momentan auftretende Spannungsspitze zum Auslösen einer Meldevorrichtung ausgenutzt wird (Anfang des
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Auslösung der Meldevorrichtung dient. Wenn bei den bekannten Spannungsprüfern bei gleichem Schwellwert-S-eine Auslösung der Meldevorrichtung erfolgen soll, muss die Amplitude der Wechselspannung entsprechend gross sein und den Wert-Uc--annehmen.
Dies bedeutet, dass ein bekannter Spannungsprüfer sich entweder nur zum Nachweise sehr hoher Leiterspannungen eignet, da die Amplitude der Wechselspannung im stationären Zustand (Zeitabschnitt --T3--) proportional der Leiterspannung gegenüber der Erde ist, oder aber dass die effektiv am Widerstand vorliegende Spannung der Amplitude -Us-- beträchtlich verstärkt werden muss. Durch den erfindungsgemässen Spannungsprüfer wird also eine Steigerung der Ansprechempfindlichkeit im Verhältnis - Uc/Us-erzielt, was in praxi einen Faktor von etwa 30 bis 80 bedeutet. Dadurch ist es möglich. in vielen Fällen auf eine Verstärkung der am Widerstand auftretenden Potentialdifferenz zu verzichten.
Des Fernern wird mit der beschriebenen Vorrichtung der Vorteil erzielt, dass der Nachweis der Leiterspannung selektiv erfolgt. Da eine hohe Spannungsspitze nur im Moment des Berühren des Kontakt- stückes-2-mit dem Leiter --1-- erzeugt wird und der Schwellwert --5-- der Meldevorrichtung bzw. des Kipprelais entsprechend hoch gelegt werden kann, ist es nicht möglich, dass eine Auslösung bereits beim Annähern des Kontaktstückes an den Leiter erfolgt. Der erfindungsgemässe Spannungsprüfer ist dem-
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Kapazität des Kondensators-C-ist 20 bis 50 pF und für die genannte Zeitkonstante etwa 1 uses. Es ist also ohne weiteres möglich, ein elektronisches Kipprelais-8-mit einer kleineren Ansprechzeit vorzusehen.
In Fig. 3 ist das Schema eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Spannungsprüfers mit einem Thyristor --10-- dargestellt. Der Widerstand --3-- ist wieder mit seiner einen Klemme an ein Kontaktstück --2-- zur leitenden Verbindung mit dem unter Spannung stehenden Leiter-l-und mit seiner andern Klemme an den leitenden Körper --4-- angeschlossen. Die Isolierstange-5-und die
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-6- von Fig. 1--9-- fliesst. Dieser Strom fliesst unabhängig davon. ob das Kontaktstück --2- mit der Leitung-l- in Verbindung bleibt. Der Strom kann nur durch Öffnen des Schalters --12-- unterbrochen werden, wodurch auch der Thyristor-10-in seinen gelöschten Anfangszustand zurückversetzt wird.
In Fig. 4 ist das Schaltschema eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Span- nungsprüfers dargestellt, das demjenigen von Fig. 3 im wesentlichen entspricht, bei welchem aber der Widerstand-3-von Fig. 3 als separates Bauelement weggelassen ist. Als Widerstand, an welchem die durch den Ladestrom erzeugte momentane Potentialdifferenz auftritt, welche den Thyristor-10steuert. dient hier der innere Widerstand der zwischen der Steuerelektrode und der Kathode liegenden Sperrschicht des Thyristors-10-.
Unter der Annahme, dass der leitende Körper --4-- eine Oberfläche von 0, 1 bis 1 dnr aufweist
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stellten Vorrichtungen in Dreiphasennetzen mit geerdetem Nulleiter Spannungen von etwa 1 bis 2 kV an nachweisen.
In Fig. 5 ist das Schaltschema eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Spannungsprü-
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- 11-und einem akustischen Signalgeber oder Summer --13-- geschaltet ist. Die Steuerelektrode des Thyristors-10-ist an einen leitenden Körper --4- angeschlossen. der mit der Erde-6-einen Kondensator-C-bildet. Die Kathode des Thyristors-10-ist an das Gehäuse des Summers-13-
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thode des Thyristors-10-verbunden ist.
Es ist ohne weiteres ersichtlich. dass der Aufbau dieser Schaltungsteile und damit ihre Funktionsweise der in Fig. 4 dargestellten Schaltungsanordnung entspricht. indem der Widerstand, an welchem die momentane Potentialdifferenz auftritt, durch den Widerstand der Sperrschicht zwischen der Steuerelektrode und der Kathode des Thyristors --10- ge-
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bildet ist.
Die Schaltungsanordnung gemäss Fig. 5 weist zudem Teile auf, die zur Aufrechterhaltung des Betriebszustandes des Summers -13-- dienen. Ohne besondere Schaltungsmassnahmen wird nämlich der Thyristor --10- nach dem Zünden beim erstmaligen Öffnen des Unterbrechers-15-wieder löschen, so dass der Summer nicht in Funktion treten kann. Um dieses zu verhindern, ist parallel zum Summer - die Serienschaltung eines Kondensators --16-- mit hoher Kapazität (z. B. 250 p F) und eines Widerstandes --17-- angeordnet, dessen Wert so gewählt ist, dass der Ladestrom des Kondensators-16grösser als der zur Aufrechterhaltung des gezündeten Zustandes notwendige Strom des Thyristors-10- (Wert des Widerstandes -17-zwischen 1500 und höchstens 100000).
Der durch den Widerstand-17fliessende Ladestrom des Kondensators -16-- verhindert ein Löschen des Thyristors-10-. Von einem bestimmten Ladezustand des Kondensators-16-an sinkt der Strom unter den für das Aufrechterhalten
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bleibt. In Wirklichkeit überlagert sich dem Ladestrom des Kondensators noch eine Wechselstromkompo- nente, die im Summer entsteht.
Die Prüfeinrichtungen zur Kontrolle der Betriebsbereitschaft des Spannungsprüfers weisen einen
Schalter --18-- auf, der an den positiven Pol der Batterie11-- und damit gleichzeitig an die Anode des Thyristors --19-- angeschlossen ist. In Serie zum Schalter ist ferner eine Glühlampe --20- an- geordnet. Der eine Prüfkreis wird durch einen Kondensator --19-. den Steuerelektrodenanschluss des
Thyristors --10-- und den Summer --13--, und der andere Prüfkreis durch eine Zenerdiode -21- und den negativen Pol der Batterie --11- geschlossen.
Wenn nun vor der Benutzung des Spannungsprüfers der Schalter --18-- geschlossen wird, lädt sich der Kondensator --19-- auf. Der über die zwischen der Steuerelektrode und der Kathode des Thyristors - liegende Sperrschicht und den Summer --13-- fliessende Ladestrom zündet den Thyristor-10und löst den Summer --13-- aus, worauf geschlossen werden kann, dass die Vorrichtung betriebsbereit ist. Zum Schliessen des Schalters --18-- fliesst gleichzeitig ein Strom über die Glühlampe --20-- und die Zenerdiode --21--, falls die Spannung der Batterie-11-nicht unterhalb eines Minimalwertes liegt, der einen Stromfluss durch die Zenerdiode --21-- gerade noch gestattet.
Das Aufleuchten der Glühlampe --20-- zeigt also an, dass der Ladezustand der Batterie -11-- den notwendigen Wert aufweist.
Das in Fig. 6 dargestellte Schaltschema einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Spannungsprüfers entspricht im wesentlichen ebenfalls dem Schaltschema nach Fig. 4, wobei aber zusätzlich zwischen dem Kontaktstück -2-- bzw. dem leitenden Körper --4-- und dem im Meldekreis der Stromquelle --11--, des Signalgebers --9-- und des Schalters -12-liegenden Thyristor -10-- ein Verstärker angeordnet ist. Der Verstärker weist einen pnp-Transistor --22-- auf, dessen Basis am Kontaktstück --2--, dessen Emitter am positiven Pol der Stromquelle -11-- und dessen Kollektor über einen Lastwiderstand --23-- am negativen Pol der Stromquelle --11-- angeschlossen sind.
Ein Potentiometer --24-- und ein Basiswiderstand --25--sind dazu vorgesehen, zwischen Basis und Emitter des Transistors --22-- eine Vorspannung zu erzeugen. Ihre Widerstandswerte sind ausreichend gross gewählt, um das Ableiten eines nennenswerten Teiles des vom Kontaktstück --2-- beim erstmaligen Berühren einer Leitung entstehenden Ladestrom zu verhindern. Als Widerstand zur Erzeugung der momentanen Potentialdifferenz dient in Analogie zum Schema der Fig. 4 der zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors --22-- liegende Sperrschichtwiderstand.
Die in Fig. 6 dargestellte Schaltungsanordnung mit einem Verstärker eignet sich insbesondere zum Nachweis niedriger Leitungsspannungen, z. B. in Haushalt- oder Gewerbenetzen.
In den Fig. 7 und 8 ist ein konstruktives Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Spannungsprü- fers dargestellt. deren Schaltung gemäss dem Schema der Fig. 5 aufgebaut ist. Der Spannungsprüfer weist ein aus einem Isoliermaterial bestehendes Gehäuse auf, das aus den Teilen --26 und 27-- zusammengesetzt ist, die mittels eines Gewindes-28-miteinander verschraubt sind. Der Gehäuseteil --27-- ist an seinem unteren Ende mit einem Schraubbolzen-29-versehen, der es gestattet, das Gehäuse auf einer nicht dargestellten Isolierstange zu befestigen.
Der Gehäuseteil-26-trägt an seinem oberen Ende ein Metallgehäuse-30-, das den akustischen Signalgeber bildet und das durch eine dünne Me- : allmembran-31-abgeschlossen ist. Eine Metallhaube-32-ist oberhalb der Membran-31-angeordnet. Die Haube -32-- ist perforiert oder mit einem eingesetzten Metallnetz versehen. An der Haube ist ferner ein Kontaktstück --33- leitend befestigt und erlaubt die Herstellung des Kontaktes mit
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