DD256925B5

DD256925B5 - Schaltungsanordnung zur Ueberwachung des Isolationszustandes von Stromkreisen

Info

Publication number: DD256925B5
Application number: DD29897886A
Authority: DD
Inventors: Dietmar Kaesch; Joerg Dipl-Ing Schulz
Original assignee: Kaesch; Joerg Dipl-Ing Schulz
Priority date: 1986-12-31
Filing date: 1986-12-31
Publication date: 1996-09-05
Also published as: DD256925A1

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Überwachung des Isolationszustandes von isoliert gegen ein neutrales Potential betriebenen Wechsel- oder Gleichstromkreisen, insbesondere isoliert gegen Erde betriebenen WS- oder GS-Netzen.

Allgemein bekannt ist, bei isolierten Fahrleitungsnetzen zur Kontrolle des Isolationszustandes einen Spannungsmesser zwischen Erde und jeden spannungsführenden Leiter zu schalten. Bei gleichem Isolationswiderstand sind die Spannungen auch gleich. Nach diesem Verfahren läßt sich nur das Widerstandsverhältnis ermitteln. Der Isolationswiderstand kann nicht gemessen werden.

Der größte Teil der Meßprinzipien zur Ermittlung des Isolationswiderstandes von Netzen beruht auf der Auswertung der eintretenden Stromänderung.

Aus der DE-OS 3 035 985 (G01R27/18) ist eine Schaltungsanordnung nach dem Brückenprinzip bekannt. Isolationsfehler werden nur dann erfaßt, wenn eine genügend hohe Brückenverstimmung vorliegt. Es ist keine Aussage über die absolute Höhe des erfaßten Erdschlusses möglich. Symmetrische Isolationsfehler, d. h. bei denen beide Außenleiter bzw. Pole gegen ein neutrales Potential gleiche, aber unzulässig niedrige Isolationswerte aufweisen, werden nicht erfaßt. Die Ansprechempfindlichkeit ist außerdem abhängig von den Toleranzen der Hauptspannung.

Aus der ETZ Band 29, 1977, Heft 4 ist eine Anordnung nach dem Taktverfahren bekannt. Dabei wird das zu überwachende Netz über Ankopplungswiderstände wechselseitig mit dem Erdpotential verbunden. Der Strom über die Ankopplungswiderstände ist ein Maß für die Isolationsgüte des Netzes. Symmetrische Erdschlüsse werden nicht erfaßt. Die Ansprechempfindlichkeit ist abhängig von den Toleranzen der Hauptspannung. Um ausreichende Genauigkeit zu erreichen, müssen die Ankoppelwiderstände niederohmig sein.

Ebenfalls bekannt ist aus der ETZ Band 29, 1977, Heft 4 eine nach dem Überlagerungsverfahren arbeitende Anordnung, bei der dem zu überwachenden Netz eine systemfremde Meßspannung überlagert wird. Damit wird die Ansprechempfindlichkeit unabhängig von der Hauptspannung. Eine Abhängigkeit von den Toleranzen der Meßspannung besteht jedoch weiter. Die Isolationsüberwachung kann auch bei abgeschalteter Hauptspannung erfolgen. Symmetrische Erdschlüsse werden nicht erfaßt. Der erfaßbare Isolationswiderstand resultiert aus der Parallelschaltung der Isolationswiderstände alle Netzpunkte gegen Erde.

Aus der DE-OS 2 908 374 ist eine Anordnung zur Differenzstromerfassung bekannt. In dieser Schaltungsanordnung werden die Ströme des Hin- und Rückleiters miteinander verglichen. Bei Erdschlüssen treten Differenzen der Ströme auf. Es werden ebenfalls keine symmetrischen Erdschlüsse erfaßt.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Schaltungsanordnung zur Überwachung des Isolationszustandes von Stromkreisen, die geringen Aufwand erfordert, eine hohe Betriebssicherheit aufweist,alle möglichen Erdschlußfälle erkennt und Gefährdungen für Menschen durch zu hohe Berührungs- oder Schrittspannungen abbaut.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Überwachung des Isolationswiderstandes von isoliert gegen ein neutrales Potential betriebenen Wechsel- oder Gleichstromkreisen, insbesondere isoliert gegen Erde betriebenen WS-GS-Netzen vorzuschlagen, die eine eindeutige Erfassung der Art und der Größe des Isolationsfehlers ermöglicht, die auch unabhängig vom Betriebszustand des Netzes eingesetzt werden kann, keine Abhängigkeit des Meßwertes von Spannungstoleranzen aufweist, die eine Fehlerortung, ein selektives Abschalten und Prüfen in verzweigten Netzen ermöglicht und für den Einsatz mit einem Mikrorechner geeignet ist.

Nach der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird der Isolationswiderstand von isoliert gegen ein neutrales Potential betriebener Wechsel- oder Gleichstromkreise überwacht, wobei jeder spannungsführende Leiter eine hochohmige Spannungserfassungseinrichtung gegen das neutrale Potential aufweist. Erfindungsgemäß wird zyklisch ein Widerstand zwischen das neutrale Potential und einen spannungsführenden Leiter oder bei höheren Anforderungen an die Genauigkeit alternierend zwischen das neutrale Potential und die spannungsführenden Leiter geschaltet. Die Spannungen zwischen den spannungsführenden Leitern und dem neutralen Potential werden mit und ohne den zugeschalteten Widerstand gemessen.

Aus diesen Spannungsverhältnissen sowie der Größe des zugeschalteten Widerstandes wird nach den für einen Fachmann ableitbaren und im Ausführungsbeispiel näher erläuterten Formeln der Isolationswiderstand ermittelt. Die technische Aufgabe wird mit einer Schaltungsanordnung realisiert, bei der über einen definierten Widerstand und einen Schalter das neutrale Potential mit dem ersten oder dem zweiten Leiter verbunden ist. An die Spannungserfassungseinrichtung sind A/D-Wandler angeschlossen, deren Ausgänge mit einem Rechner verbunden sind. Der Rechner führt die Berechnung der Isolationswiderstände aus und steuert den Meßvorgang sowie das Auslöseschaltglied. Werden geringere Anforderungen an die Meßgenauigkeit gestellt, erfolgt keine Umschaltung des definierten Widerstandes, sondern nur eine zyklische Ein-/Ausschaltung.

In Ausgestaltung der Erfindung ist zur Ausschaltung des Blindstromeinflusses zwischen Spannungserfassungseinrichtung und A/D-Wandler ein Filter zur Beseitigung der Oberwellen geschaltet.

Um den Einfluß der Netzkapazitäten auf das Meßergebnis zu minimieren, wird eine entsprechende Taktfrequenz gewählt, die durch Messungen ermittelt werden kann.

Soll bei fehlender Hauptspannung der Isolationswiderstand gemessen werden, so wird an die Leiter eine externe Prüfspannung angelegt.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1: Ersatzschaltung zur 1. Variante der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung Fig. 2: Ersatzschaltung zur 2. Variante der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung Fig. 3: Prinzipschaltung einer Anordnung zur Überwachung des Isolationszustandes

Mittels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann der Isolationszustand von isoliert gegen ein neutrales Potential betriebenen Wechsel- oder Gleichstromkreisen überwacht bzw. der Isolationswiderstand ermittelt werden. Ausgehend vom Verhalten der Teilspannungen, die sich entsprechend der Größe der vorhandenen Isolationswiderstände zwischen den Netzpunkten des zu überwachenden Netzes und dem neutralen Potential einstellen, gestattet die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung eine eindeutige Erfassung von jeglichen Isolationsfehlern im zu überwachenden Netz. Je nach Anforderung an die Genauigkeit der ermittelten Meßwerte sind nach der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zwei Varianten möglich. Die erste Variante nach Fig. 1 ist für geringe Anforderungen an die Meßgenauigkeit geeignet und erfordert zu ihrer Realisierung einen niedrigen Aufwand, während die zweite Variante nach Fig. 2 mit entsprechend höherem Aufwand auch eine höhere Genauigkeit ermöglicht. Bei der ersten Variante der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird in WS-Kreisen ein Außenleiter a oder b, bei GS-Kreisen ein Pol a oder b, über einen definierten Widerstand R_def zyklisch über einen Schalter S mit dem neutralen Potential, z. B. dem Erdpotential verbunden. Die sich aufgrund der bestehenden unbekannten Isolationsgüte des zu überwachenden Netzes gegen dieses neutrale Potential einstellenden Teilspannungen U₁; U₂ an der Spannungserfassungseinrichtung für den Zustand, daß der definierte Widerstand R_def nicht mit dem neutralen Potential verbunden ist und den Zustand, bei dem der Außenleiter a oder Pol a über den definierten Widerstand R_def mit dem neutralen Potential verbunden ist, sind ein Maß für die Größe der Isolationswiderstände aller Netzpunkte des zu überwachenden Netzes zum neutralen Potential. Die zur Berechnung der Isolationswiderstände erforderlichen Formeln werden aus der Ersatzschaltung gemäß Fig. 1 abgeleitet

Es bedeuten:

R₁ Isolationswiderstand vom Außenleiter a bzw. Pol a zum neutralen Potential

R₂ Isolationswiderstand vom Außenleiter b bzw. Pol b zum neutralen Potential

R_de, definierter Widerstand, der zyklisch mit dem Netzpotential verbunden wird

Index 1 Schalter S offen

Index 2 Schalter S geschlossen

Damit ergeben sich folgende Berechnungsformeln

^U2J_ 11

^R2= ^R1 · у

Nach der zweiten Variante der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung werden in WS-Kreisen beide Außenleiter a; b, bei Anwendung in GS-Kreisen beide Pole a; b über jeweils einen definierten Widerstand R_def alternierend mit dem neutralen Potential, z. B. dem Erdpotential verbunden. Es ist selbstverständlich auch möglich, nur einen gemeinsamen definierten Widerstand R_def zu verwendender mit dem Erdpotential verbunden ist und alternierend über Schalter S₁; S₂ mit je einem Außenleiter bzw. Pol a; b verbunden wird. Die sich aufgrund der unbekannten Isolationsgüte des zu überwachenden Netzes gegen das neutrale Potential einstellenden Teilspannungen für den Zustand, daß der Außenleiter a bzw. Pol a über den zugehörigen Widerstand R_def mit dem neutralen Potential verbunden ist und dem Zustand, daß der Außenleiter b bzw. Pol b über den zügehörigen definierten Widerstand R_def mit dem neutralen Potential verbunden ist, sind ein Maß für die Größe des Isolationswiderstandes aller Netzpunkte des zu überwachenden Netzes zum neutralen Potential. Die zur Berechnung der Isolationswiderstande erforderlichen Formeln werden aus der Ersatzschaltung gemäß Fig. 2 abgeleitet. Es bedeuten:

R₁ Isolationswiderstand vom Außenleiter a bzw. Pol a zum neutralen Potential

R₂ Isolationswiderstand vom Außenleiter b bzw. Pol b zum neutralen Potential

R_def definierter Widerstand, der zyklisch alternierend mit dem einen oder anderen Netzpotential verbunden wird

Index 1 Schalter S1 geschlossen, Schalter S2 offen Index 2 Schalter S1 offen, Schalter S2 geschlossen Damit ergeben sich folgende Berechnungsformeln

₁ _ JJu

U₂₁ U₁

J- Q

Jn₊ U₁

U₂₁ U₂₁ U₁₂

R₁ =

U₁₂ \R_def F.

Die Verarbeitung der Meßwerte und der erforderlichen Zwischenergebnisse erfolgt mit elektronischen Einrichtungen, vorzugsweise mit einem elektronischen Rechner.

Bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist abzuwägen, welche der beiden Varianten für den jeweiligen Zweck am besten geeignet ist. Variante 2 weist gegenüber Variante 1 eine höhere technisch zu realisierende Genauigkeit mit entsprechend höherem Aufwand auf.

Die erfindungsgemäße Lösung kann durch verschiedene Schaltungsanordnungen realisiert werden, sowohl analoge als auch digitale und gemischte Schaltungen. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird an einem Ausführungsbeispiel für isoliert gegen Erde betriebene Trolleybusnetze gemäß Fig. 3 näher beschrieben, wobei die 1. Variante der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung realisiert wird. Die realisierte Überwachungsanordnung besteht aus zwei Hauptfunktionsgruppen, einem Potentialteil und einem sich auf Hilfsnetzpotential befindlichem Auswerteteil mit dem Rechner 5 und den nachgeschalteten Schaltgliedern. Die Meßwertübertragung vom Potentialteil zum Rechner 5 und die Aufbereitung der Meßwerte erfolgt über einen A/D-Umsetzer, der ebenfalls die geforderte Potentialtrennung realisieren muß. Grundelemente des Potentialteils sind die beiden hochohmigen Spannungserfassungseinrichtungen 1; 2, die durch einen Spannungsteiler realisiert werden, der zwischen die beiden Pole des GS-Netzes geschaltet ist und dessen Mittelpunkt starr mit dem Erdpolpotential E verbunden ist und ein von der geforderten Isolationsgüte (Ohm/Volt) des Netzes abhängiger definierter Widerstand 7, der mittels über den Rechner 5 gesteuerten Schaltgliedes 8 entsprechend der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung eine zusätzliche Verbindung jeweils eines Poles 12; 13 mit Erde E realisiert.

Die Meßwerte U₁₁; U₂₁ bzw. U₁₂; U₂₂ werden in bekannter Weise abgegriffen und in den A/D-Wandlern 3; 4 in potentialgetrennte digitale Signale umgewandelt, die die Eingangsgrößen des Rechners 5 bilden. Durch die Konfiguration des Rechners 5 erfolgt die Ermittlung der resultierenden Isolationswiderstände R₁₁; R₁₂ anhand der geltenden Beziehungen zwischen Spannung und Isolationswiderstand im Echt-Zeit-Betrieb. Bei Unterschreitung der für die Isolationswiderstände zulässigen Werte erfolgt eine Signalisation bei Einfacherdschluß und Abschaltung des Fahrleitungsnetzes mittels Auslöseschaltglied 6 bei Doppelerdschluß. Danach erfolgt mit schaltungstechnisch bekannten Maßnahmen die Fehlerortung und wenn notwendig Dauerabschaltung des schadhaften Netzes. Bei Netzen, deren Netzabschnitte unabhängig voneinander geschaltet werden können, ist es zweckmäßig, mittels Erfindung den fehlerbehafteten Netzabschnitt zu ermitteln und bei Gefahr selektiv vom Netz zu trennen.

Im Falle einer fehlenden Hauptspannung kann eine Prüfung auf Isolationsfehler erfolgen, indem die Einspeisung des zu überwachenden Netzes durch eine externe Prüfspannungsquelle realisiert wird.

Der Einfluß der Netzkapazität auf das Prüfergebnis wird dadurch minimiert, daß die Taktfrequenz /_rso gewählt wird, daß Einschwingvorgänge bei Spannungsabsenkungen bzw. bei Wiederzuschalten der Spannung das Meßergebnis nicht verfälschen.

Der Einfluß von kapazitiven und induktiven Blindströmen über die Isolation zwischen dem zu überwachenden Netz und dem neutralen Potential aufgrund netzseitiger Oberwellen auf das Prüfergebnis wird dadurch minimiert, daß nach den Spannungserfassungseinrichtungen 1; 2 Siebglieder bzw. Filter 10, 11 geschaltet werden, die nur den relevanten Frequenzbereich des Meßwertes zum A/D-Wandler 3; 4 passieren lassen.

Die Erfindung findet Anwendung bei isoliert gegen ein neutrales Potential betriebenen Wechselstrom- oder Gleichstromkreisen zur Überwachung von Isolationsfehlern bzw. Potentialverschleppungen. Unter neutralem Potential sollen alle jene Punkte in der Umgebung des zu überwachenden Stromkreises verstanden werden, die aufgrund konstruktiver (Isolation) oder elektrischer Maßnahmen keine elektrisch leitende Verbindung zu mindestens einem Punkt des zu

überwachenden Stromkreises haben sollen. Die Erfindung ist besonders für den Einsatz in isoliert gegen Erde betriebenen WS- oder GS-Netzen geeignet, deren Netzpunkte örtlich voneinander getrennt und unabhängig voneinander geschaltet werden können, galvanisch aber miteinander verbunden sind, um Erdschlußfehler zu erkennen.

Spezielle Anwendungsbeispiele können dabei Trolleybusnetze, Elektroenergieversorgungssysteme für technologische Anlagen, deren Apparaturen z. B. Elektrolysebäder, Antriebsmaschinen aus o. g. Netzen gespeist werden oder auch zu überwachende Kabel und Leitungen sein.

Durch die Erfindung wurde ein wesentlicher Beitrag zur Erhöhung der Betriebssicherheit geleistet, indem alle gefährlichen Isolationsfehler erkannt werden und daher zielgerichtet Maßnahmen ergriffen werden können, um die erforderliche Personensicherheit zu gewährleisten und um die Verfügbarkeit der Anlagen weitestgehend aufrecht zu erhalten. Gefährdungen für den Menschen oder für Nutztiere werden abgebaut.

Mit der Anwendung der Erfindung besteht erstmals die Möglichkeit, fehlerbehaftete Netzabschnitte zu erkennen und selektiv abzuschalten, da durch Anwendung von dem Stand der Technik entsprechenden Schaltungsmaßnahmen innerhalb des zu überwachenden Netzes in Verbindung mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung Fehlerart und Fehlerort lokal bestimmt werden können. Die Erfindung ermöglicht eine eindeutige Erfassung der Art und der Größe des Isolationsfehlers. So kann zwischen Einfach- und Doppelschluß, hoch- oder niederohmig und symmetrisch oder asymmetrisch unterschieden werden. Die Erfassung der Isolationsfehler ist unabhängig vom Betriebszustand des Netzes, da die Möglichkeit des Prüfens mit einer separaten Hilfsspannung besteht. Die Meßwerte sind unabhängig von Spannungstoleranzen der Hauptspannung bzw. Hilfsspannung. Die Erfindung ist besonders geeignet für Netze, bei denen eine Überwachung und Steuerung mittels Mikrorechnern erfolgt.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Überwachung des Isolationszustandes von isoliert gegen ein neutrales Potential betriebenen Wechsel- oder Gleichstromkreisen, wobei jeder spannungsführende Leiter eine hochohmige Spannungserfassungseinrichtung gegen ein neutrales Potential aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zeitlich begrenzte, definierte Änderungen des Isolationswiderstandes eines oder mehrerer spannungsführender Leiter gegen ein neutrales Potential der zu überwachenden Kreise durch zusätzliche Widerstandsbeschaltung herbeigeführt werden, um aus den sich dabei dann einstellenden Spannungsverhältnissen innerhalb der zu überwachenden Kreise im Vergleich mit den ursprünglichen Spannungsverhältnissen und in Verbindung mit den gewählten Widerstandbeschaltungen den ursprünglichen Isolationswiderständ der Kreise ermitteln zu können.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über einen Widerstand (7) und einen Schalter (8) das neutrale Potential (E) mit dem ersten Leiter (12) oder dem zweiten Leiter (13) verbunden ist, an die Spannungserfassungseinrichtung (1; 2) A/D-Wandler (3; 4) angeschlossen sind, deren Ausgänge mit einem Rechner (5) verbunden sind, der den Meßvorgang steuert und mit einem Auslöseschaltglied (6) in Verbindung steht.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausschaltung eines Blindstromeinflusses zwischen Spannungserfassungseinrichtung (1; 2) und A/D-Wandler (3; 4) ein Filter (10; 11) geschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfluß der Netzkapazitäten auf das Meßergebnis durch Wahl der Taktfrequenz (/ _T) minimiert ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei fehlender Hauptspannung an die Leiter (12; 13) eine externe Prüfspannung (9) angeschlossen ist.