DE102006006350A1

DE102006006350A1 - Verfahren und Einrichtung zur Erdschlusserfassung in einem Versorgungskabel

Info

Publication number: DE102006006350A1
Application number: DE102006006350A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Hoffmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-02-07
Filing date: 2006-02-07
Publication date: 2007-08-16
Also published as: CN101371149A; WO2007090791A3; EP1982200A2; US20090167314A1; WO2007090791A2; JP2009526203A

Abstract

Um ein Verfahren zum Ermitteln eines Erdschlusses eines mehrsträngigen wechselstromführenden Energieversorgungskabels (3), bei dem ein Mittenpotenzial des Energieversorgungskabels bestimmt wird, eine aus dem Mittenpotenzial abgeleitete Größe oder das Mittenpotenzial selbst einer Auswerteeinheit (7) zugeführt wird und die Auswerteeinheit (7) das Mittenpotenzial oder die von dem Mittenpotenzial abgeleitete Größe mit einem Schwellenwert vergleicht, bereitzustellen, das zuverlässig und kostengünstig Erdschlüsse erfasst, wird vorgeschlagen, dass bei Unterschreiten des Schwellenwertes auf einen Erdschluss geschlossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Erdschlusses eines mehrsträngigen wechselstromführenden Energieversorgungskabel, bei dem ein Mittenpotenzial des Energieversorgungskabels bestimmt wird, eine aus dem Mittenpotenzial abgeleitete Größe oder das Mittenpotenzial selbst einer Auswerteeinheit zugeführt wird und die Auswerteeinheit das Mittenpotenzial oder die von dem Mittenpotenzial abgeleitete Größe mit einem Schwellenwert vergleicht.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Energieversorgung einer Last mit einem energiespeisenden Wechselrichter, der über ein mehrsträngiges Energieversorgungskabel mit der Last verbunden ist, und Mittel zum Bestimmen eines Mittenpotenzials des Energieversorgungskabels, die mit einer Auswerteeinheit verbunden sind.

Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus dem landläufigen Stand der Technik bereits bekannt. So ist es beispielsweise im Bereich der Hochspannungsableiter üblich geworden, den über die jeweilige Phase einer mehrgliedrigen Energieversorgungsleitung fließenden Strom zu erfassen und die einzelnen Phasenströme zu einem Summenstrom aufzuaddieren. Im störungsfreien Zustand ist der auf diese Weise berechnete Summenstrom gleich null. Im Fehlerfall hingegen fließt ein Teil des Stromes über Erde ab, so dass sich die einzelnen Phasenströme nicht mehr zu null addieren. Übersteigt daher der Summenstrom einen vorgegebenen Schwellenwert, löst eine Auswerteeinheit, welche den Fehlerfall detektiert, notwendige Schutzmaßnahmen aus.

Aus dem Sonderdruck von ZEVrail Glaser's Annalen; Sonderheft „Transrapid 2003" mit dem Titel „Antrieb und Energieversorgung des Transrapid" von Blank, Engel, Hellinger, Hoke und Nothaft ist auf Seite 17, Bild 23 ein Verfahren offenbart, bei dem die Spannung eines mehrsträngigen wechselstromführenden Energieversorgungskabel gemessen wird, wobei das Nullspannungskriterium zum Nachweis eines Erdschlusses eingesetzt wird.

Beim Transrapid müssen Erdschlussfehler insbesondere in den Zuleitungskabeln der Motorabschnitte des Stators aber auch in den Motorwicklungen selbst zuverlässig erfasst werden. Dabei müssen die Erdschlussfehler innerhalb eines vorgeschriebenen Zeitfensters abgeschaltet werden, so dass eine mögliche Ausweitung zu einem Kurzschluss oder eine Personengefährdung durch überhöhte Schrittspannungen oder Spannungsüberlastungen der Energieübertragungssysteme vermieden sind. Eine Ausweitung des Erdschlusses auf einen zweipoligen Erdschluss kann einen Kurzschluss hervorrufen, wodurch das Fahrzeug kurzzeitig seinen Schwebezustand verlieren kann.

Problematisch bei der Erdschlusserfassung in den Motorabschnitten des Transrapid ist die Erfassung eines Erdfehlers in der Nähe des Systemsternpunktes. Diesem Bereich wird jedoch eine erhöhte Bedeutung beigemessen. Nachteilig bei der Erdschlusserfassung ist ferner, dass durch Energie einspeisende Umrichter ein breites und variierendes Spektrum an Störspannungsfrequenzen erzeugt wird. Die Störspannungsfrequenzen behindern jedoch die zuverlässige Erdschlusserfassung.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem Erdschlüsse zuverlässig und kostengünstig erfasst werden können.

Die Erfindung löst diese Aufgabe ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren dadurch, dass bei Unterschreiten des Schwellenwertes auf einen Erdschluss geschlossen wird.

Die Erfindung löst diese Aufgabe ausgehend von der eingangs genannten Vorrichtung dadurch, dass die Auswerteeinheit zum Erkennen eines Erdschlusses in Abhängigkeit einer Gleichspannungsverschiebung eingerichtet ist.

Erfindungsgemäß wird ein angelegtes oder ohnehin vorhandenes Mittenpotenzial ausgenutzt, um sicher auf einen Erdschluss zu schließen. Dabei wird darauf abgestellt, dass ein solches Mittenpotenzial bei einem Erdschluss aufgehoben wird. Erfindungsgemäß wird somit nicht wie bei vorbekannten Verfahren und Vorrichtung die symmetrische Belastung einer mehrphasigen Energieversorgungsleitung überwacht. Vielmehr wird bei der erfindungsgemäßen Fehlererkennung auf den direkt oder indirekt erfassten Wegfall des Mittenpotenzials abgestellt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung wird das Mittenpotenzial über einen symmetrischen Sternpunktbildner bestimmt. Ein Sternpunktbildner besteht beispielsweise aus drei Widerständen, die an einer Seite jeweils mit einer der Phasen des Energieversorgungskabels verbunden sind, wobei die Widerstände an ihrer vom Energieversorgungskabel abgewandten Seite galvanisch miteinander verbunden sind, so dass sich dort ein Sternpunkt bildet.

Gemäß einer diesbezüglichen Weiterentwicklung wird eine Spannung, die an einer zwischen dem Sternpunkt des Sternpunkt bildners und dem Erdpotenzial geschalteten Last abfällt unter Gewinnung von Spannungswerten erfasst und die Spannungswerte an die Auswerteeinheit übertragen werden. Auf diese Weise wird das Mittenpotenzial als solches, also das Mittenpotenzial unmittelbar, zum Nachweis eines Erdschlusses verwendet. Unterschreitet das Mittenpotenzial, also die an dem besagten Widerstand abfallende Spannung, einen zuvor in der Auswerteeinheit festgelegten beispielsweise als Parameter gespeicherten Schwellenwert, wird auf das Vorliegen eines Erdschlusses geschlossen.

Gemäß einer hiervon abweichenden Ausgestaltung wird ein Strom, der zwischen dem Sternpunkt des Sternpunktbildners und dem Erdpotenzial fließt, unter Gewinnung von Stromwerten erfasst und die Stromwerte werden an die Auswerteeinheit übertragen. Die Stromerfassung am Sternpunkt erfolgt beispielsweise mittels eines kalibrierten Stromwandlers. Liegt ein Mittenpotenzial vor, kann zwischen dem Sternpunkt und der Erde ein Stromfluss nachgewiesen werden. Dies ist im Normalbetrieb der Fall. Im Erdschlussfall bricht das Mittenpotenzial ein, der vom Mittenpotenzial getriebene Stromfluss strebt dann gegen Null. Unterschreitet der Stromfluss einen in der Auswerteeinheit eingestellten Schwellenwert, kann daher auf einen Erdschluss geschlossen werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Wechselrichter über einen Transformator mit dem Energieversorgungskabel verbunden, wobei Zusatzmittel zum Erzeugen einer Gleichspannungsverschiebung in dem Energieversorgungskabel vorgesehen sind. Durch die Anbindung des Wechselrichters eines Energieversorgungskabels über einen Transformator geht die durch den Wechselrichter verursachte Gleichspannungsverschiebung verloren. Aus diesem Grunde sind Zusatzmittel erforderlich, die eine solche Gleich spannungsverschiebung erzeugen. Die Zusatzmittel zur Gleichspannungsverschiebung können grundsätzlich beliebig ausgestaltet sein.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung umfassen die Zusatzmittel zum Erzeugen einer Gleichspannungsverschiebung jedoch eine unsymmetrische passive Gleichrichterschaltung am Sternpunkt des Transformators. Eine solche passive Gleichrichterschaltung ist beispielsweise eine Reihenschaltung aus einer Zehnerdiode und einem Widerstand, wobei die besagte Reihenschaltung zwischen dem Erdpotenzial und dem Sternpunkt der Sekundärwicklungen des Transformators angeordnet ist.

Gemäß einer hiervon abweichenden Variante der Erfindung umfassen die Zusatzmittel zum Erzeugen einer Gleichspannungsverschiebung eine unsymmetrische aktive Gleichrichterschaltung. Eine solche aktive Gleichrichterschaltung weist beispielsweise eine beliebige Gleichspannungsquelle auf. Die Gleichspannungsquelle kann von einem Wechselstromnetz gespeist oder als Energiespeicher realisiert sein. Auch Solarzellen können in diesem Zusammenhang zum Einsatz gelangen. Weitere Möglichkeiten umfassen Brennstoffzellen, wideraufladbare Batterieeinheiten oder dergleichen als Energiespeicher.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleichwirkende Bauteile verweisen, und wobei
1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung,
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung,
3 ein Ausführungsbeispiel eines Zusatzmittels zum Erzeugen eines Mittenpotenzials zur Erfassung einer Gleichspannungsverschiebung,
4 zwei weitere Ausführungsbeispiel eines Zusatzmittels zum Erzeugen eines Mittenpotenzials zur Erfassung zur Erfassung einer Gleichspannungsverschiebung,
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Zusatzmittels und zum Erzeugen eines Mittenpotenzials zur Erfassung einer Gleichspannungsverschiebung und
6 ein weiteres Zusatzmittel zum Erzeugen einer Gleichspannungsverschiebung sowie einen Sternpunktbildner zeigen.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in einer schematischen Darstellung. Die gezeigte Vorrichtung 1 umfasst einen Wechselrichter 2, der über ein mehrphasiges Energieversorgungskabel 3 mit einer Last 4 verbunden ist. Das Energieversorgungskabel 3 weist eine kapazitive Erdimpedanz auf, die mittels des Kondensators 5 schematisch dargestellt ist. Die Koppelimpedanz 2a des Wechselrichters 2 ist durch einen geerdeten Kondensator sowie einen parallel dazu geschalteten Widerstand schematisch verdeutlicht. Die Lastimpedanz 4a ist entsprechend dargestellt. Bei den Koppelimpedanzen 2a des Wechselrichters 2 handelt es sich um nicht verlierbare Koppelimpedanzen. Sie basieren auf der sys tematischen Struktur der Schaltung des Umrichters, der vom Minuspol zum Pluspol gerichtete Freilaufdioden aufweist. Die nicht verlierbaren Koppelimpedanzen des Umrichters sind daher unsymmetrisch gegen Erde belastet. Auf diese Weise wird die kapazitive Erdimpedanz, die durch den Kondensator 5 verdeutlicht ist, im Mittel auf eine negative Gleichspannung vorgeladen. Die Gleichspannungsaufladung erfolgt wegen der Koppelimpedanzen 2a hochohmig und ist unabhängig vom Pulsmuster des Wechselrichters 2. Das auf diese Weise entstandene Mittenpotenzial wird von einer Erfassungseinheit 6 als Mittel zum Bestimmen eines Mittenpotenzials erfasst und an eine Auswerteeinheit 7 übertragen, welche, wenn das Mittenpotenzial einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet, eine Fehlermeldung auslöst, wodurch nicht eingezeichnete Schalter und Schalteinheiten ausgelöst werden.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Die in 2 gezeigte Vorrichtung 1 unterscheidet sich von Vorrichtung 1 gemäß 1 dadurch, dass der Wechselrichter 2 über einen Transformator 8 mit dem Energieversorgungskabel 3 verbunden ist. Aus diesem Grunde tritt keine vom Wechselrichter 2 bewirkte Gleichspannungsverschiebung auf. Daher sind Zusatzmittel 9 zur Erzeugung eines Mittenpotenzials vorgesehen, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen Potenzialbildner 10 und eine Ladeeinrichtung 11 zur Gleichspannungsverschiebung des Mittenpotenzials umfassen.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Erfassungseinheit 6. Die Erfassungseinheit 6 weist einen Sternpunktbildner 12 auf, der aus drei Widerständen 13 besteht, die eingangsseitig mit jeweils einer Phase des Energieversorgungskabels 3 verbunden sind. An der vom Energieversorgungskabel 3 abgewandten Seite sind die Widerstände 13 miteinander verbunden, so dass ein Sternpunkt 14 ausgebildet ist. Der Sternpunkt 14 ist über einen Messwiderstand 15 mit dem Erdpotenzial verbunden, so dass bei einer Gleichspannungsverschiebung das Mittenpotenzial über dem Messwiderstand 15 abgegriffen werden kann. Dies erfolgt auf übliche dem Fachmann bekannte Weise. Das so erfasste Mittenpotenzial wird anschließend zur Auswerteeinheit 7 übertragen, die das empfangene Mittenpotenzial mit einem Schwellenwert vergleicht und bei Unterschreiten des Schwellenwertes eine Fehlermeldung erzeugt.
4 zeigt gleichzeitig zwei weitere Ausführungsbeispiele der Erfassungseinheit 6. Im linken Teil der 4 sind wieder drei ohmsche Widerstände 13 dargestellt, die eingangsseitig mit jeweils einer Phase des Energieversorgungskabels verbunden sind. An der vom Energieversorgungskabel 3 angewandten Seite sind die Widerstände 13 galvanisch miteinander verbunden, so dass ein Sternpunkt 14 ausgebildet ist. Im Gegensatz zu dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist jedoch kein Messwiderstand vorgesehen. Stattdessen dient ein kalibrierter Stromwandler 17 zur Erfassung des vom Mittenpotenzial getriebenen Stromes. Bei einem Erdschluss bricht das Mittenpotenzial und somit die treibende Kraft für den zur Erde fließenden Strom zusammen, so dass bei Unterschreiten eines Schwellenwertes die Auswerteeinheit 7 eine Fehlermeldung erzeugt.
4 zeigt in ihrem rechten Teil eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung eines Mittenpotenzials. Hier sind drei Spannungsmesser 18 vorgesehen, die jeweils die zwischen einer Phase und dem Erdpotenzial abfallende Spannung messen und den Messwert an die Auswerteeinheit 7 übertragen. Die Auswerteeinheit 7 berechnet aus den ihr übermittelten Spannungswerten das Mittenpotenzial. Fällt das Mittenpotenzial unter einen Schwellenwert ab, wird wieder eine Fehlerprozedur gestartet.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Zusatzmittel 9 zur Gleichspannungsverschiebung, bei dem der Potenzialbildner 10 als ohmscher Widerstand realisiert ist, der mit dem Sternpunkt der Sekundärwicklungen 19 des Transformators 8 verbunden ist. Die Ladeeinrichtung 11 zur Gleichspannungsverschiebung ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch eine einfache Zehnerdiode 20, die zwischen dem ohmschen Widerstand 13 als Potenzialbildner 10 und dem Erdpotenzial geschaltet ist. Aufgrund dieser Anordnung ist eine Gleichspannungsverschiebung realisiert. Im Normalbetrieb erfasst die Erfassungseinheit 6 daher einen permanenten Gleichstrom.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Zusatzmittel 9 zur Erzeugung einer Gleichspannungsverschiebung, wobei der Potenzialbildner 10 durch drei Widerstände 13 realisiert ist, die jeweils mit einer Phase des Energieversorgungskabels 3 verbunden sind. An ihrer vom Energieversorgungskabel 3 abgewandten Seite sind die Widerstände 13 unter Bildung eines Sternpunktes 14 miteinander verbunden, wobei der Sternpunkt 14 über die Ladeeinrichtung 11 zur Gleichspannungsverschiebung mit dem Erdpotenzial verbunden ist. Die Ladeeinrichtung 11 besteht hier aus einer Zehnerdiode 20 und einer parallel zur Zehnerdiode 20 angeordneten aktiven Spannungseinheit 21, beispielsweise aus einer Solarzelleneinheit, einer Batterieeinheit oder dergleichen. Mit anderen Worten ist eine aktive Gleichrichterschaltung bereitgestellt.

Claims

Verfahren zum Ermitteln eines Erdschlusses eines mehrsträngigen wechselstromführenden Energieversorgungskabels (3), bei dem ein Mittenpotenzial des Energieversorgungskabels bestimmt wird, eine aus dem Mittenpotenzial abgeleitete Größe oder das Mittenpotenzial selbst einer Auswerteeinheit (7) zugeführt wird und die Auswerteeinheit (7) das Mittenpotenzial oder die von dem Mittenpotenzial abgeleitete Größe mit einem Schwellenwert vergleicht, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten des Schwellenwertes auf einen Erdschluss geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittenpotenzial über einen symmetrischen Sternpunktbildner (6) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannung, die an einer zwischen dem Sternpunkt des Sternpunktbildners (6) und dem Erdpotenzial geschaltete Last (15) abfällt, unter Gewinnung von Spannungswerten erfasst und die Spannungswerte an die Auswerteeinheit (7) übertragen werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strom, der zwischen dem Sternpunkt des Sternpunktbildners (6) und dem Erdpotenzial fließt, unter Gewinnung von Stromwerten erfasst und die Stromwerte an die Auswerteeinheit (7) übertragen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einzelpotenzial jedes Stranges des Energieversorgungskabels unter Gewinnung von Einzelpotenzialwerten gemessen wird, die Einzelpotenzialwerte jedes Stranges an die Auswerteeinheit (7) übertragen werden und die Auswerteeinheit (7) auf der Grundlage aller Einzelpotenziale ein Mittenpotenzial berechnet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Energieversorgungskabel (3) ein Gleichspannungsanteil aufgeprägt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das der Gleichspannungsanteil mittels einer unsymmetrischen aktiven Gleichrichterschaltung aufgeprägt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieversorgungskabel über einen Wechselrichter mit Energie gespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter über einen Transformator mit dem Energieversorgungskabel verbunden ist und am Sternpunkt des Transformators ein Gleichspannungsanteil durch eine unsymmetrische passive Gleichrichterschaltung (10, 20) aufgeprägt wird.
Vorrichtung (1) zur Energieversorgung einer Last (4) mit einem energiespeisenden Wechselrichter (2), der über ein mehrsträngiges Energieversorgungskabel (3) mit der Last (4) verbunden ist, und Mittel (6) zum Bestimmen eines Mittenpotenzials des Energieversorgungskabels, die mit einer Auswerteeinheit (7) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (7) zum Erkennen eines Erdschlusses in Abhängigkeit einer Gleichspannungsverschiebung eingerichtet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (4) über einen Transformator (8) mit dem Energieversorgungskabel (3) verbunden ist, wobei Zusatzmittel (9) zum Erzeugen einer Gleichspannungsverschiebung in dem Energieversorgungskabel (3) vorgesehen sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzmittel (9) zum Erzeugen einer Gleichspannungsverschiebung eine unsymmetrische passive Gleichrichterschaltung (10, 20) am Sternpunkt des Transformators (8) umfassen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzmittel (9) zum Erzeugen einer Gleichspannungsverschiebung eine unsymmetrische aktive Gleichrichterschaltung (10, 20, 21) umfassen.