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Die
Erfindung betrifft einen Online-Analysator zur Lokalisierung von
periodisch und aperiodisch auftretenden Erdschlüssen in allen elektrotechnischen
Bereichen, denen erdsymmetrisch elektrische Hilfsenergie zugeführt wird,
wobei dieselbe sowohl in Wechselspannungs- als auch in Gleichspannungsversorgungssystemen
Anwendung finden kann. Die Erdschlusslokalisierung erfolgt bei gleichzeitiger Fortführung der
jeweiligen Versorgungsaufgabe, so dass eine Abschaltung des zu analysierenden
Anlagenteils nicht erforderlich ist.
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Es
sind bereits Schaltungsanordnungen und Messverfahren bekannt, die
der Signalisierung und Protokollierung von kurzzeitigen Erdschlüssen dienen,
ohne dabei spezifiziert eine Ortung in der jeweiligen Anlagentopografie
vorzunehmen. Die Generierung der Erdschlussmeldung erfolgt dabei
durch Differentialverstärker
(u.a.
DE 2 059 101 )
oder mit Hilfe von Differentialtransformatoren (u.a.
DE 1 513 295 ).
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Bei
einer anderen bekannten Erdschluss-Analytik findet über Spannungswandler
an R, S, T die Auswertung von Umlade-Blindströmen statt, wobei das Messergebnis
in einer nachgeschalteten Signal-Aufbereitungs-Schaltung angezeigt
bzw. protokolliert wird (u.a.
DE
2 159 193 ).
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Darüber hinaus
wurde bereits beschrieben und praktiziert, dem Versorgungsnetz eine
pulsierende Dreieckspannung aufzuprägen und aus einem Referenzstrom
ein Erdschusskriterium zu gewinnen (u.a.
DE 2 325 306 ).
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Allen
bekannten Varianten zur Erdschlusslokalisierung haftet der Nachteil
an, dass diese bei aperiodisch und periodisch auftretenden Erdschlüssen im
Millisekunden- bis Sekundenbereich keine plausiblen Ergebnisse liefern.
Unter Annahme einer kurzzeitigen Erdschlusssituation im Sekunden-Bereich besteht
praktisch keine Möglichkeit
der Eingrenzung. Es ist vielmehr erforderlich, mit herkömmlichen
Feldmessverfahren die Fehlerquelle einzugrenzen. Hierzu sind mit
erheblichem personellen Aufwand Anlagenkomponenten elektrisch frei
zuschalten und häufig
auch Produktionsbereiche abzuschalten.
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Die
bereits bekannten Anordnungen zur Erdschlussmessung sind in der
Regel in den Stromversorgungsanlagen fest installiert und können auf Grund
ihrer fehlenden operativen Flexibilität verändert auftretenden Erdschlusssituationen
nicht bzw. nur mit erheblichem technischen Aufwand angepasst werden.
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Grundsätzlich dienen
also alle dieserhalb bekannten Schaltungsanordnungen und Verfahren
einer passiven Erdschlussanalyse, gegebenenfalls werden die betroffenen
Anlagenteile bei Erdschluss automatisch vom Versorgungsareal getrennt
bzw. gezielt gekoppelt (u.a.
DE
3 106 895 ).
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Der
im Patentanspruch angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde,
in allen elektrischen Bereichen, denen erdsymmetrisch elektrische Hilfsenergie
zugeführt
wird, periodisch und aperiodisch auftretende Erd- oder Fehlströme zu lokalisieren
und in bestimmten Fällen
zu eliminieren. Dabei ist eine Abschaltung des zu analysierenden
Anlagenteils nicht erforderlich, so dass gleichzeitig die anstehende
Versorgungsaufgabe, der jeweilige Produktionszyklus oder eine beliebige
Steuerungssequenz fortgeführt
werden kann. Die Erfindung ist in Wechselspannungs- und in Gleichspannungsversorgungssystemen
gleichermaßen
anwendbar.
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Das
Problem wird mit einem Online-Analysator gelöst, der nachfolgende erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
sowie Anschaltung aufweist.
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Zur
Analyse eines in einem mit elektrischer Hilfsenergie erdsymmetrisch
versorgten elektrischen Bereiches periodisch oder aperiodisch auftretenden Erdschlusses
ist eine an sich bekannte Control-Unit angeordnet. An diese ist
ein Messverstärker
angeschaltet, der zum Zweck der Erdschlussinformation die Spannung
zwischen der erdschlussgefährdeten Stromversorgungs-Schiene
und dem Erdpotential misst. Die Control-Unit ist des weiteren über einen Optokoppler
mit einem Thyristor oder auch Triac verbunden, der zum Zweck der
Impulserzeugung mit einem Kondensator und dessen Hilfsspannungsquelle verbunden
ist.
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Zur
Rückinformation über einen
auftretenden Erdschluss sind der Control-Unit mindestens zwei induktive
Liniensensoren mit jeweils einem Impulsverstärker und einem getasteten Eingangstor
mit nachfolgender Impulsformer-Stufe aufgeschaltet. Die Anzahl der
Liniensensoren ist dabei abhängig
von der Anzahl der zu versorgenden Abgangslinien der Stromversorgungsanlage.
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Der
vorzugsweise als transportable Compacteinheit aufgebaute Online-Analysator
ist mit einem Anschlusspunkt galvanisch mit der erdschlussgefährdeten
Spannungsschiene der Stromversorgungsanlage und mit seinem zweiten
Anschlusspunkt mit dem Erdpotential verbunden.
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Auf
die selektiven Stromversorgungspfade der Stromversorgungsanlage
werden zum Zweck der Erdschlusslokalisierung Sensoren in Form von
Ferrit-Ring-Übertragern
zur Impuls-Spannungsspitzenerfassung
indirekt aufgeschalten.
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Die
induktiven Sensoren sind elektrisch mit den Auswerteeingängen des
Online-Analysators verbunden. Diese Auswerteeingänge werden durch die Impulsverstärker und
die getasteten Eingangstore bzw. die Impulsformer-Stufen des erfindungsgemäßen Online-Analysators
gebildet. Über
die Rückmelde-Liniensensoren
wird protokolliert und angezeigt, wann ein Erdschlussereignis an
welchem Sensor stattgefunden hat.
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Mittels
dem erfindungsgemäßen Online-Analysator
wird eine technische Lösung
mit aktivem Verhalten gegenüber
auftretenden Erdschlüssen
erreicht, die veränderten
Fehlerzuständen
flexibel Rechnung trägt.
Sie ist vorzugsweise dort einzusetzen, wo Erdschlüsse von
nur wenigen Millisekunden auftreten.
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Dabei
wird an einer galvanischen Anlagenschnittstelle ein Prüfimpuls
eingespeist und durch beliebig viele Liniensensoren und deren nachfolgenden getasteten
Eingangskanälen
eine Impulslokalisation herbeigeführt.
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Die
Messimpulsaussendung sowie die Freigabe der Eingangskanäle mittels
einer bekannten Torschaltung erfolgen zeitgleich beim Auftreten
des Erdschlusses.
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Bezüglich der
Fehlereliminierung besteht die Möglichkeit,
dass durch Impulsbrand der Erdschluss automatisch beseitigt wird
oder durch Impulshaftung der kurzzeitige Fehler in einen permanenten überführt wird.
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung wird erreicht,
dass kurzzeitige Erdschlussstörungen
während
eines regulären
Produktionsprozesses lokalisiert bzw. eliminiert werden können.
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Im
Ergebnis dessen entfallen personell aufwendige Feldmessungen zur
Fehlerlokalisation. Fehlerquellen können extrem kurzzeitig lokalisiert
und eliminiert werden.
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Unter
dem Aspekt der Anlagenverfügbarkeit treten
keine Einschränkungen
auf.
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Die
Erfindung soll in zwei Ausführungsbeispielen
anhand der 1 und 2 näher erläutert werden.
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Beide
Schaltbilder veranschaulichen den erfindungsgemäßen Schaltungsaufbau sowie
den Anschluss des Online-Analysators an eine bestehende Gleichstromversorgungsanlage
sowie die Wirkungsweise der Analyseschaltung im Moment eines Erdschlusses.
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Der
Aufbau des erfindungsgemäßen Online-Analysators
ist dabei mit interner Verschaltung der Komponenten
Impulsverstärker IVS
1...3
Messverstärker
MVS
Eingangstorschaltungen Tor 1...3
Impulsformer-Stufen
F1...3
Protokollierungs- und Visiualisierungsmedium Control-Unit
Optokoppler
OK
Thyristor T
Kondensator C
Widerstand R3
Hilfsspannungsquelle
Uz
dargestellt.
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Wie
aus der Praxis bekannt, wird die korrespondierende Spannungsquelle
U im Erdschlussfall stets partiell geerdet, d.h., die fehlerhafte
Verbindung entsteht virtuell zwischen Punkt X oder Y und Erde.
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Findet
eine Gleichspannungsversorgung entsprechend 1 statt, so
entspricht die virtuelle Verbindung X und Erde einem positiven Erdschluss.
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Die
in 2 dargestellte Gleichspannungsversorgung weist
einen negativen Erdschluss auf, d.h. die virtuelle Fehlverbindung
baut sich zwischen Punkt Y und Erde auf.
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a) Erdschluss entsprechend 1
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Die
Spannungsquelle U ist anlagenseitig mit den Widerständen R1
und R2 in Form einer bekannten symmetrischen Brückenschaltung geerdet.
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R1
und R2 sind gleich groß und
um ein Vielfaches größer gegenüber dem
Innenwiderstand der Spannungsquelle U.
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Die
entstehenden Teilspannungen Ux bzw. Uy beinhalten identische Beträge.
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Während Anschlusspunkt
A des Online-Analysators erfindungsgemäß mit Anlagenpunkt X verbunden
ist, befindet sich erfindungsgemäß Anschlusspunkt
B auf Erdpotential.
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Verbraucher 1 generiert
durch Fehlverbindung zwischen dem Relais-Anschlusspunkt C und PE
einen positiven Erdschluss.
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Dadurch
verringert sich die Teilspannung Ux in Abhängigkeit des fehlerhaften Übergangs
bzw. wird im Extremfall zu Null.
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Erfindungsgemäß erfolgt
durch die Auswertung dieser Teilspannung Ux mittels eines bekannten Messverstärkers MVS
eine Erdschlussregistrierung im Online-Analysator.
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D.h.,
am Ausgang von MVS entsteht ein definiertes Steuersignal, welches
in einer Control-Unit als
Erdschluss-Status-Signal erkannt wird.
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Als
Control-Unit kommt eine bekannte, freiprogrammierbare SPS zur Anwendung.
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Die
Control-Unit zündet
mittels Optokoppler OK Thyristor T, infolge dessen wird der Kondensator C
extrem schnell entladen, wodurch ein Prüfimpuls Ipe in Richtung Stromversorgungsanlage
gesendet wird.
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Auf
Grund der identischen Charakteristik kann zur Kondensator-Entladung
auch ein Triac verwendet werden.
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Zur
Impuls-Generierung wird eine konventionelle Anordnung, bestehend
aus Kondensator C, Widerstand R3 und Hilfsspannungsquelle Uz verwendet.
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Die
Dimensionierung von R3 muss bekanntermaßen so gewählt werden, dass nach Kondensatorentladung
der verbleibende Kondensatorladestrom über R3 zur Hilfsspannungsquelle
Uz unterhalb des Thyristor- bzw. Triac-Haltestroms liegt.
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Des
weiteren sendet die Control-Unit einen Freigabe-Befehl an die Torschaltungen
1 bis 3. Erfindungsgemäß erfolgt
die Freischaltung der Eingangstore 1 bis 3 bzw. die Zündung von
T zeitgleich. Dies wird erreicht, indem der Steuerbefehl von der
Control-Unit hardwaremäßig an die
Eingangstore 1 bis 3 als auch an den Eingang des Optokopplers OK
verteilt wird. Dabei fungiert der Optokoppler OK als galvanische
Trennstelle zwischen Steuerkreis der Control-Unit und Impuls-Leistungsstromkreis.
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Ipe
durchläuft
die in 1 dargestellte Impulsstrecke, d.h. Online-Analysator
Anschlusspunkt A nach Anlagenpunkt X, weiter zu Verbraucher-Anschlusspunkt
C, über
Fehlstelle am Verbraucher 1 über dessen Schutzleiter-Anschluss
zum Erdpotential.
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Da
erfindungsgemäß der Online-Analysator Anschlusspunkt
B mit Erdpotential verbunden ist, wird auf Grund dessen der Impulskreis
geschlossen.
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Den
Stromversorgungslinien der Stromversorgungsanlage sind induktive
Sensoren S1 bis S3 zugeordnet.
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Die
im Ausführungsbeispiel
verwendete bekannte Variante eines Ferrit-Ring-Übertragers ist in der erweiterten
Darstellung von S1...3 veranschaulicht.
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Durchläuft der
Impuls auf Grund des vorliegenden Erdschlusses am Verbraucher 1 den
Sensor 3, wird induktiv ein durch IVS 3 verstärktes Signal an das zugeordnete
Tor 3 geleitet. Erfindungsgemäß ist Tor
3 zu diesem Zeitpunkt freigeschaltet, die Information passiert F3
und wird als selektive Ereignismeldung in der Control-Unit erfasst,
selektiv gezählt
bzw. der neu entstandene Zählerstand
gespeichert.
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Erfindungsgemäß dienen
die Impulsformer-Stufen F1...3 zur Impulsdehnung der extrem kurzen,
induktiven Spannungsimpulse, um sie zur weiteren digitalen Eingangsverarbeitung
in der Control-Unit quasi zeitlich zu verlängern.
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Die
Impulsformer-Stufen F1...3 sind mittels einer bekannten Impuls-Hold-Schaltung,
bestehend aus Dioden-RC-Verkettung, realisiert.
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Durch
die erfindungsgemäß extrem
kurze Aussendung des Püfimpulses
bei gleichzeitiger Auftastung der Eingangstore Tor 1...3 können anderweitige
Störsignale,
die in der Stromversorgungsanlage generell auftreten, hinsichtlich
ihrer zeitlichen Wahrscheinlichkeit ausgefiltert werden.
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Im
Fall der dargestellten Erdschlusssituation kann auf Grund der erfindungsgemäßen Anordnung von
Sensor S3 bei zeitversetzter Auswertung von selektiv gespeicherten
Einträgen
in der Control-Unit der am Verbraucher 1 aufgetretene Erdschluss
lokalisiert werden.
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b) Erdschluss entsprechend 2
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Die
dargestellte Anlagenkonfiguration entspricht einem negativen Erdschluss-Ereignis,
hervorgerufen durch eine fehlerhafte Erdverbindung am Verbraucher 3.
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Durch
den Fehlkontakt zwischen Anschlusspunkt D und PE von Verbraucher 3 verringert
sich der Betrag von Uy bzw. wird im Extremfall zu Null.
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Grundsätzlich gelten
die gleichen technischen Funktionalitäten und Abläufe, wie sie unter a) beschrieben
wurden.
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Im
Unterschied zur positiven Erdschluss-Situation gemäß 1 werden
hier Online-Analysator Anschlusspunkt
A mit Erdpotential und Anschlusspunkt B mit dem Anlagenkoppelpunkt
Y verbunden.
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Der
dargestellte negative Erdschluss generiert gegenüber dem positiven einen invertierten
Impulsverlauf im Bereich der Anlagen-Spannungs-Versorgung.
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Der
veränderte
Impulsverlauf ist durch Ipe richtungsabhängig dargestellt.
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In
Grenzwertversuchen konnten folgende technische Parameter ermittelt
werden, bei deren Einhaltung die Funktionsfähigkeit der Schaltung gewährleistet
ist.
Impulszeit (95% Kondensatorentladung) < 800μs
Strommaximum
(während
Impulszeit) > 20A
Sensor-Induktivität > 100μH
Freigabezeit
für Eingangs-Tore < 5ms
(Identisch
mit Optokoppler-Signal)