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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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Stand der Technik
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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 A ) oder mit Hilfe von Differentialtransformatoren (u. a.
DE 1 513 295 A ).
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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 A ).
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Darüber hinaus wurde bereits beschrieben und praktiziert, dem Versorgungsnetz eine pulsierende Dreieckspannung aufzuprägen und aus einem Referenzstrom ein Erdschlusskriterium zu gewinnen (u. a.
DE 2 325 306 A ).
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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.
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Es ist vielmehr erforderlich, mit herkömmlichen Feldmessverfahren die Fehlerquelle einzugrenzen. Hierzu sind mit erheblichem personellen Aufwand Anlagenkomponenten elektrisch frei zu schalten und häufig auch Produktionsbereiche abzuschalten.
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Andere bekannte Erdschlussanalyseschaltungen, wie z. B. in der
US 4 739 274 A beschrieben, verwenden beispielsweise analoge Meßverfahren, die insbesondere einen einzelnen Erdschluss von wenigen Millisekunden nicht detektieren würden. Im Fall der US 4 739 274 A sendet ein Pulser im Erdschlussfall 1 Hz-Prüfimpulse aus. Diese Prüfimpulse werden durch analog arbeitende Auswerte-Einheiten, die durch eine analoge Frequenzaufbereitung (DC amplifier), (low pass filter) gekennzeichnet sind, detektiert.
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Nachteil dieses Verfahrens ist allerdings die Tatsache, dass bei einer Prüf-Impulsfolge im Niederfrequenz-Bereich die Erdschlussdauer, überschlägig betrachtet, mindestens mehrere Sekunden betragen muß. Die analogen Frequenzfilter würden einzelne Erdschluss-Peaks im Millisekunden-Bereich nicht detektieren.
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Desweiteren haftet allen bekannten Varianten zur automatischen Erdschlusslokalisation der Nachteil an, dass die Trennung der eigentlichen Erdschluss-Information von grundsätzlich vorhandenen, anlagenspezifisch vorhandenen Störsignalen sehr aufwendig durch Aufbau spezieller, analoger Frequenznetzwerke realisiert werden muß.
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Die bereits bekannten Anordnungen zur Erdschlussmessung sind in der Regel in den Stromverteilungsanlagen 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 Erdschlussanalyse beim Auftreten des Ereignisses von mindestens 1 s, gegebenenfalls werden die betroffenen Anlagenteile bei Erdschluss automatisch vom Versorgungsareal getrennt bzw. gezielt gekoppelt (u. a.
DE 3 106 895 A1 ).
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Aufgabenstellung
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Der im Patentanspruch angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, in allen elektrischen Bereichen, denen erdsymetrisch 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 erdsymetrisch 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 Erdschlussinfomation die Spannung zwischen der erdschlussgefährdeten Schiene und dem Erdpotential misst. Die Control-Unit ist des weiteren elektrisch verbunden mit einem Thyristor oder auch Triac, 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 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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Ausführungsbeispiel
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Die Erfindung soll in zwei Ausführungsbeispielen anhand der und 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 IVS1...3
Messverstärker MVS
Gestastete Eingangstore Tor1...3
Impulsformer-Stufen F1...3
Microprozessor zur Ablaufsteuerung, Visualisierung, Ereignisspeicherung und -auswertung Control-Unit
Optokoppler OK
Thyristor T
Kondensator C
Widerstand R3
Hilfsspannungsquelle Uz
Liniensensoren S1...3
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 statt, so entspricht die virtuelle Verbindung X und Erde einem positiven Erdschluss.
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Die in 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 Abb. 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 bekannter, freiprogrammierbarer Microprozessor zur Anwendung.
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Die Control-Unit zündet mittels Optokoppler OK Thristor 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.
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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 sowohl 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. Ipe durchläuft die in 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 Feit-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 IVS3 verstärktes Signal an das zugeordnete Tor3 geleitet. Erfindungsgemäß ist Tor3 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 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 Prüfimpulses bei gleichzeitiger Auftastung der Eingangstore Tor1...3 können anderweitige Störsignale, die in der Stromversorgungsanlage generell auftreten, hinsichtlich ihrer zeitlichen Wahrscheinlichkeit heraus gefiltert werden.
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Im Fall der dargestellten Erdschlusssituation kann auf Grund der erfindungsgemaßen 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 Abb. 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 Endschluss-Situation gemäß 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% Kondensatorenentladung) | < 800 μs |
| Strommaximum (während Impulszeit) | > 20 A |
| Sensor-Induktivität | > 100 μH |
| Freigabezeit für Eingangs-Tore | < 5 ms |
| (Identisch mit Optokoppler-Signal) | |
