Verfahren zur Erdschlussüberwachung einer erdfrei betriebenen, gleichspannungsgespeisten elektrischen Anlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Brdschluss- überwachung einer erdfrei betriebenen, gleichspannungsgespeisten elektrischen Anlage, insbesondere einer Stellwerksanlage im Eisenbahnsicherungswesen, in der beim Unterschreiten eines vorgegebenen unteren Grenzwertes für den Isolationswiderstand zwischen einem Pol der Speisespannungsquelle und Erde eine Störungsmeldung ausgelöst wird.
Aus sicherungstechnischen Gründen werden Stellwerksanlagen - im Gegensatz zu reinen Starkstromanlagen - erdfrei betrieben. Ein innerhalb der Anlage auftretender Isolationsfehler muss sofort erkannt und behoben werden, bevor ein zweiter Isolationsfehler hinzukommt, der unkontrollierbare, nicht beabsichtigte Strombahnen schaffen kann. Es ist daher erforderlich, sämtliche Teile der Anlage ständig auf ihren Isolationszustand zu überwachen.
In reinen Wechselstromanlagen kann die Überwachung des Isolationszustandes über eine gesonderte Hilfsspannungsquelle erfolgen, deren einer Pol ständig an Erde liegt und deren anderer Pol über einen Strominduktor an das zu überwachende Netz angeschlossen ist. Der durch den Indikator fliessende Strom stellt dann ein Mass für den Isolationswiderstand des Netzes gegen Erde dar. Zur Isolationsüberwachung eignen sich jedoch nur Gleichströme, weil Wechselströme neben den rein ohmschen Isolationswiderständen auch die Reaktanzen der Anlage berücksichtigen würde.
In Anlagen, in denen neben Wechselspannungsquellen auch Gleichspannungsquellen verwendet werden und in reinen Gleichspannungsanlagen muss die Überwachung des Isolationswiderstandes auf andere Art und Weise erfolgen, weil bei einem Schaltungsaufbau der zuvor genannten Art nicht nur von der Hilfsspannungsquelle, sondern auch von der Speisespannungsquelle ständig ein Strom über einen Teil der Isolationswiderstände fliessen würde. Dieser Strom, dessen Grösse abhängig ist von der Lage des Erdschlusses innerhalb der Anlage, würde als unbekannte Grösse in das Messergebnis eingehen und dieses verfälschen.
In bekannten gleichspannungsgespeisten Anlagen verwendet man daher zur Isolationsüberwachung Erdschlussmelder, die ohne Hilfsspannungsquelle arbeiten und statt dessen die vorhandene Gleichspannungsspeisequelle zur Isolationsüberwachung benutzen. Bei ihnen ist die eine Eingangsklemme einer Messeinrichtung ständig an Erde angeschlossen. während die andere über einen Vorschaltwiderstand abwechselnd mit dem einen oder anderen Pol der Speisespannungsquelle verbunden wird. Auf diese Weise kann der Isolationswiderstand zwischen dem einen Pol der Speisespannungsquelle und Erde aber nur dann hinreichend genau bestimmt werden, wenn der Isolationswiderstand des anderen, über die Messeinrichtung geerdeten Poles um Grössenordnungen über dem Eingangswiderstand der Messeinrichtung liegt.
Da dies vielfach jedoch nicht der Fall ist, liegt bei jeder Messung ein nicht mehr vernachlässigbarer endlicher Widerstand parallel zur Messeinrichtung, wodurch dann zu geringe Ströme gemessen und damit zu hohe Isolationswerte vorgetäuscht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, das diese Fehler vermeidet und es erlaubt, definierte Aussagen über die zu bestimmenden Isolationswiderstände zu machen.
Erfindungsgemäss wird daher vorgeschlagen. dass eine zwischen einen Pol der Speisespannungsquelle und Erde geschaltete Messeinrichtung einen ersten Messwert und eine zwischen eine Anzapfung eines die Pole der Speisespannungsquelle verbindenden Spannungsteilers und Erde geschaltete Messeinrichtung einen zweiten Messwert ermittelt, dass mindestens einer dieser Messwerte mit einer multiplikativen Konstanten beaufschlagt wird. deren Wert von der Grösse eines vorgegebenen unteren Grenzwertes für den zulässigen Isolationswiderstand abhängig ist, und dass eine Störungsmeldung nur dann ausgelöst wird, wenn der erste Messwert den zweiten Messwert unter Berücksichtigung der multiplikativen Konstanten um einen Betrag überschreitet, der grösser ist als eine vom Anlagenaufbau abhängige Konstante.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.
Fig. 1 zeigt einen bekannten Erdschlussmelder ohne Hilfsspannungsquelle wie er in seiner Wirkungsweise in der Beschreibungseinleitung erläutert ist. Die Isolationswiderstände der beiden Pole der Speisespannungsquelle U und der daran angeschlossenen Anlagenteile der Schaltanlage S gegen Erde sind, als konzentriert angenommen, an den Anschlussklemmen + und - der Speisespannungsquelle anliegende Widerstände Rm und Rp gestrichelt dargestellt. Über den Schalter pl ist der eine Pol einer Messeinrichtung M1 mit dem Pluspol der Speisespannungsquelle verbunden, während der andere Pol der Messeinrichtung über einen Vorwiderstand R an Erde liegt, Der hierbei von der Messeinrichtung ermittelte, der Bestimmung des Isolationswiderstandes Rm dienende Messstrom Jml ergibt sich aus nachfolgender Gleichung al zu:
U 1 Jml=#
R Rm Rm
1+ +
Rp R
Soll dagegen die Grösse des Isolationswiderstandes Rp zwischen dem Pluspol der Speisespannungsquelle und Erde bestimmt werden, so wird der Schalter pl in die andere Lage gebracht und die Messeinrichtung M1 mit dem Minuspol der Speisespannungsquelle verbunden.
Diese ermittelt dann einen Messstrom Jpl, für den die nachfolgend angegebene Gleichung a2 gilt:
EMI2.1
Beide Gleichungen enthalten neben den zu bestinlmen- den Isolationswiderständen Rm und Rp auch das Verhältnis dieser Widerstände zueinander, das beliebige Werte annehmen kann und die Bestimmung von Rm und Rp mit genügender Genauigkeit bisher unmöglich machte.
Es wird daher vorgeschlagen, eine weitere Messung durchzuführen, mit deren Hilfe es möglich ist, die Messer
Rm Rp gebnisse vom Einfluss der Grössen und unab
Rp Rm hängig zu machen.
Hierzu dient die in Fig. 2 dargestellte Schaltungsanordnung. Sie zeigt eine aus den Isolationswiderständen Rm und Rp und den vorzugsweise gleichgrossen Spannungsteilerwiderständen R1 und R2 gebildete, aus der Stellwerksbatterie U gespeiste Brückenschaltung, in deren Querzweig eine Messeinrichtung M2 und ein Vorwiderstand R geschaltet sind.
Unter der Voraussetzung R > R1 = R2 gelten für den von der Messeinrichtung M2 ermittelten Strom Jm2 bzw. Jp2 die Gleichungen bl und b2:
EMI2.2
EMI2.3
Vergleicht man diese Gleichungen mit der entsprechenden Gleichung al bzw. a2, so stellt man fest, dass sie sich jeweils nur durch eine additive und eine multiplikative Grösse voneinander unterscheiden. Führt man diese Grössen beispielsweise in die Gleichungen bl und b2 ein, so ergeben sich die Gleichungen cl und c2:
Jml = (Jm2 + K).Kl Jpi = (Jp2 +K).K2
Rm Rp
Durch Einsetzen fester Werte für bzw.
Rp Rm lassen sich hieraus die Grössen K, K1 und K2 ermitteln zu:
U 2R 2R K= Ki = K2 = ----
2R 2R + Rm 2R + Rp Hierin stellen K eine Konstante und K1 und K2 eine nach Massgabe von Rm bzw. Rp variable Grösse dar.
Behandelt man jedoch auch Kl und K2 wie konstante Grössen, indem man anstelle eines variablen Rm bzw.
Rp ein konstantes Rm* bzw. Rp einführt, so ergeben sich aus den Gleichungen bl und b2 die Gleichungen dl und d2 :
Jm* = (Jm2 + K) K1*
Jp* = (Jp2 + K) . K2* Diese Gleichungen erfüllen die Gleichheitsbedingung der Gleichungen cl bzw. c2 nur in einem Punkte, nämlich im Punkte Rm* = Rm bzw. Rp* = Rp. Alle übrigen von einer Schaltungsanordnung nach Fig. 2 ermittelten und gemäss Gleichung dl bzw. d2 mit den Konstanten K und K1 bzw. K2* beaufschlagten Messwerte Jm2 bzw. Jp2 unterscheiden sich von den von einer Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ermittelten Messwerten Jml bzw. Jpl um Beträge, deren Grösse sich nach der jeweiligen Differenz zwischen Rm und Rm* bzw. Rp und Rp* richtet.
Die in Fig. 3 in Abhängigkeit von Rm gezeigte graphische Darstellung der Gleichungen al und dl bestätigt diese Zusammenhänge: Immer schneiden sich die beiden Kurven gleichen Parameters in einem Punkt, nämlich bei Rm = Rm*. Ferner zeigt sich, dass in allen Fällen, in denen der zu messende Isolationswiderstand Rm unterhalb des vorgegebenen Isolationswiderstandes Rm* liegt, der von einer Schaltungsanordnung nach Fig. 2 ermittelte, nach Gleichung dl mit den Konstanten K und Kl * beaufschlagte Messwert Jm2 unterhalb des nach Fig. 1 ermittelten Messwertes Jml liegt.
Ist dagegen Rm grösser als Rm*, so liegt der nach Fig. 2 ermittelte, mit den Konstanten K und K1* beaufschlagte Messwert Jm2 oberhalb des von einem Schaltungsaufbau nach Fig. 1 ermittelten Messwertes Jml.
Durch Vergleich beider Ströme lässt sich somit sicher erkennen, ob der zu bestimmende Isolationswiderstand Rm kleiner als der vorgegebene Grenzwert Rm* ist und damit, ob eine Störungsmeldung ausgelöst werden soll oder nicht.
Entsprechendes gilt für den am Pluspol der Speisespannungsquelle anliegenden Isolationswiderstand Rp.
Fig. 4 zeigt das Blockschaltbild einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, bei dem innerhalb von vier aufeinanderfolgenden Taktphasen ermittelt wird, welcher der beiden Isolationswiderstände Rm und Rp der kleinere ist und ob dieser oberhalb oder unterhalb des durch Rm* bzw. Rp* vorgegebenen Grenzwertes liegt.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt mittels der aus den Gleichungen al und dl bzw. a2 und d2 abgeleiteten Lösungsgleichung el bzw. e2, wonach eine Stö rungsmeldung nur dann ausgelöst wird, wenn der von einer Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ermittelte Messwert den von einer Schaltungsanordnung nach Fig. 2 ermittelten, mit den zugeordneten Konstanten beaufschlagten Wert um einen Betrag überschreitet, der grösser ist als die vom Analagenaufbau abhängig Konstante K:
1 Jml#-Jm2#K
Kl*
1
Jp1#-Jp2#K
K2*
Zunächst ermittelt die in Fig. 4 gezeigte Einrichtung, welcher der beiden Pole der Speisespannungsquelle den kleineren und damit gefährlicheren Isolationswert gegen Erde besitzt.
Hierzu schalten während der ersten Taktphase des Überwachungsvorganges die Kontakte 11 und 12 einer nicht dargestellten Steuereinrichtung eine Einrichtung P, beispielsweise ein polarisiertes Relais, wirksam. Die Einrichtung P ermittelt die Richtung des im Widerstand Ral fliessenden resultierenden Stromes, der sich aus den über die Spannungsteiler- und Isolationswiderstände R1 und Rp bzw. R2 und Rm fliessenden Isolationsströmen ergibt. Ihre Kontakte p2 und p3 verbinden vorbereitend in Abhängigkeit von der Stromrichtung für die während der zweiten Taktphase durchzuführende Ermittlung eines ersten Messwertes Jml bzw.
Jpl denjenigen Pol der Speisespannungsquelle mit der Messeinrichtung M1, der den höheren Isolationswert gegen Erde besitzt.
Während der nun folgenden zweiten Taktphase öffnen die Kontakte 11 und 12; gleichzeitig schliessen die Kontakte 21 und 22 der Steuereinrichtung. Hierbei ermittelt die Messeinrichtung M1 eine Spannung, die dem im Widerstand Ra fliessenden Strom Jml bzw. Jpl direkt proportional ist und nach Massgabe der Einstellung des Ab
1 1 griffs mit einer multiplikativen Konstanten -- bzw.
Kl* K2* beaufschlagt ist.
Während der dritten Taktphase werden die Kontakte 21, 22 geöffnet und die Kontakte 31 bis 34 geschlossen.
Die Messeinrichtung M2 ermittelt dann über die Kontakte 32 und 33 eine Spannung, die dem im Widerstand Ra2 fliessenden Strom direkt proportional ist. Dieser Strom ist abhängig vom Verhältnis der über die Kontakte und Widerstände 32,Ra2,31,Ral < Rl,34Rp
R2, Rm fliessenden Isolationsströme. Die Teilwiderstände Ral und Ra2 sind so bemessen, dass ihre Reihenschaltung einen Widerstand ergibt, dessen Grösse gleich dem Widerstand Ra ist. Die Spannungsteilwiderstände R1 und R2 sind gleich gross, aber sehr viel kleiner als die Reihenschaltung aus Ral und Ra2.
Während der vierten und letzten Taktphase wechseln die Kontakte 31 bis 34 wieder in die dargestellte Lage.
Gleichzeitig schaltet der Kontakt 41 den in der Messeinrichtung M2 gespeicherten, dem Messstrom Jm2 bzw.
Jp2 aus Gleichung bl bzw. b2 direkt proportionalen Spannungswert auf den einen Eingang einer Auswerteeinrichtung A. Auf den anderen Eingang gelangt über den Kontakt 42 der in der Messeinrichtung M1 gespeicherte Spannungswert, der dem Messstrom Jml bzw. Jpl nach Gleichung al bzw. a2, multipliziert mit der Konstanten 1/K1* bzw. 1/ K2*, proportional ist. Übersteigt der von der Messeinrichtung M1 ermittelte Spannungswert den von der Messeinrichtung M2 ermittelten Wert um einen Betrag, der grösser ist als die vom Anlagenaufbau abhängige Konstante K, die in der Auswerteeinrichtung als Schwellwert eingestellt ist, so erfolgt eine Störungsanzeige.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Beispiel beschränkt, insbesondere nicht auf ein Uberwachungs- verfahren, in welchem die einzelnen Messwerte nacheinander ermittelt werden. Vielmehr kann es in bestimmten Fällen vorteilhaft sein, die notwendigen Messungen gleichzeitig durchzuführen. In diesem Falle kann man dann auf Speichereinrichtungen für die ermittelten Messwerte verzichten und die Messgrössen direkt auf die Eingänge der Auswerteeinrichtung geben.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass die zur Ermittlung des zweiten Messwertes Jm2 bzw. Jp2 verwendete Messeinrichtung M2 nicht unbedingt an die Mittelanzapfung eines die beiden Pole der Speisespannungsquelle verbindenden Spannungsteilers geschaltet sein muss. Vielmehr kann sie an eine beliebige Anzapfung dieses Spannungsteilers angeklemmt sein. Hierbei ist dann jedoch zu berücksichtigen, dass die Grössen K, K1 und K2 Werte einnehmen, die von den in der Beschreibung aufgezeigten verschieden sind.