DE1026862B

DE1026862B - Device for monitoring the insulation status of non-earthed AC and three-phase networks

Info

Publication number: DE1026862B
Application number: DE1955P0014973
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Johannes Posern
Original assignee: JOHANNES POSERN DR ING
Current assignee: JOHANNES POSERN DR ING
Priority date: 1955-10-14
Filing date: 1955-10-14
Publication date: 1958-03-27

Description

Einrichtung zur Ub erwachung des Isolationszustandes von nicht geerdeten Wechsel- und Drehstromnetzen Als Schutz gegen zu hohe elektrische Berührungsspannungen wird in Netzen bis 1000 Volt ohne geerdeten Netzpunkt das Schutzteitungssystem nach VDE 0140 § 15 angewendet, da blei einem auftretenden Erdschluß einmal noch keine Abschaltung und damit Betriebsstörung entsteht, gegen die z. B. chemische Fabriken, Papierfabriken u. dgl. recht empfindlich sind, und zum anderen eine starke Lichtbogenbildung bei Erdschlüssen, wie sie bei der Nullung und meist auch bei der Erdung auftritt, nicht entstehen kann was für explosionsgefährdete Betriebe und schlagwettergefährdete Gruben sehr wichtig ist. Device for monitoring the isolation state of ungrounded AC and three-phase networks As protection against excessively high electrical contact voltages In networks up to 1000 volts without an earthed network point, the protective cable system is used VDE 0140 § 15 applied, as there is no lead to an earth fault Shutdown and thus malfunction occurs, against which z. B. chemical factories, Paper mills and the like are quite sensitive, and on the other hand, strong arcing in the event of earth faults, as occurs with zeroing and usually also with earthing, What can not arise for companies at risk of explosion and those at risk of firedamp Pits is very important.

Das Scbutzleitungssystem erfordert zu seiner Durchführung die laufende Isolationsüberwachung des Netzes.The protective line system requires the current one for its implementation Isolation monitoring of the network.

Erwähnt sei, daß in dem neuen Entwurf zu VDE 0118 das Schutzleitungssystem fast ausschließlich vorgeschrieben wurde. Es sind darin auch folgende Bedingungen für die Isolationsüberwachung festgelegt: 1. Die Isolation des Stern- oder Mittelpunktes ist mit zu erfassen. It should be mentioned that in the new draft for VDE 0118 the protective line system was almost exclusively prescribed. There are also the following conditions therein defined for the insulation monitoring: 1. The insulation of the star or center point is to be recorded.

2. Der Isolationswert ist ständig anzuzeigen. 2. The insulation value must be displayed continuously.

3. Bei einem einstellbaren Wert des Isolationswiderstandes ist eine akustische Meldung herbeizuführen. 3. With an adjustable value of the insulation resistance, a bring about an acoustic message.

4. Das Isolationsmeßverfahren muß mit seinen Meßgeräten den Isolationswert von 100000 Ohm mit einer Genauigkeit von + 10 °/o anzeigen. 4. The insulation measuring method must measure the insulation value with its measuring instruments of 100000 Ohm with an accuracy of + 10 ° / o.

Bisher erfolgte die laufende Isolationsüberwachung überwiegend mittels der 3-Voltmeter-Methode, der 2-Voltmeter-Meilode oder durch Meßverfahren, bei denen in gleicher Weise die Verschilebung des Erdpotentials gegen das Potential des Sternpunktes des zu überwachenden Netzes zur Anzeige der Größe des Isolationswiderstandes benutzt wird. Ihnen allen haftet der große Nachteil an, daß gleich große Widerstände zwischen den einzelnen Leitern und Erde gar nicht angezeigt werden und daß die Anzeige von einphasigen Erdschlüssen bei gleichzeitig vorhandenen gleich großen Erdschlüssen in den einzelnen Phasen mehr oder weniger falsch angezeigt werden. Dabei können die gleich großen Widerstände auch kapazitive Widerstände sein, d. h. daß die erwähnten Methoden in Kahelnetzen falsche Werte liefern. Den oben angeführten Bedingungen für die Isolationsüberwachung entsprechen sie nicht. So far, the ongoing insulation monitoring has mainly been carried out by means of the 3-voltmeter method, the 2-voltmeter meilode or by measuring methods in which in the same way the interconnection of the earth potential against the potential of the star point of the network to be monitored is used to display the size of the insulation resistance will. All of them have the great disadvantage that there is equally great resistance between the individual conductors and earth are not displayed at all and that the display of single-phase earth faults with simultaneous earth faults of the same size are displayed more or less incorrectly in the individual phases. Here you can the resistances of the same size can also be capacitive resistances, d. H. that the mentioned Methods in bald networks deliver incorrect values. The above conditions they do not correspond to insulation monitoring.

Die geschilderten Fehler werden in bekannter Weise vermieden, wenn man einen Pol einer Gleichstrommeßspannung über einen Vorschaltwiderstand mit einem Punkt dles zu überwachenden Wechsel- oder Drehstromnetzes (bei letzterem zweckmäßig mit dem Sternpunkt) verbindet und den anderen Pol an Erde legt. Da damit sämtliche Leiter des zu überwachenden Netzes die gleiche Gleichspannung gegen Erde annehmen, kommt ein leicht meßbarer Gleichstrom zum Fließen, dessen Stärke in einem klaren, festen Verhältnis zur gesuchten Größe des Gesamtisolationswiderstandes steht (Bild 1). Bei ungleichen Isolationswiderständen der einzelnen Leiter gegen Erde nimmt der Einspeisepunkt MP neben der Gleichspannung auch noch eine Wechselspannung UME gegen Erde an, die im dargestellten Fall bis -zur Sternspannung, bei Zuspeisung der Gleichspannung in einen Außenleiter bis zur verketteten Spannung ansteigen kann. Diese störende Wechsel spannung UME treibt durch den Meßzweig neben dem Meßgleichstrom zusätzlich einen Wechselstrom. Ist z. B. die Gleichstrommeßspannung UGI = 100 Volt, der Vorwiderstand VW 40 kOhm, so ist der Erdschlußstrom I=2,S mA bei vollem Erdschluß z. B. im Leiter R. In einem Drehstromnetz von 3 500 Volt wird dabei UME = 300 Volt, der zusätzliche Wechselstrom somit Iw=7,5mA. The errors described are avoided in a known manner if one pole of a DC measuring voltage via a series resistor with a Point of the alternating or three-phase network to be monitored (useful for the latter with the star point) and connects the other pole to earth. Since with it all Conductor of the network to be monitored has the same DC voltage to earth accept, an easily measurable direct current begins to flow, its strength in a clear, there is a fixed relationship to the desired size of the total insulation resistance (Fig 1). If the insulation resistance of the individual conductors to earth is unequal the feed point MP, in addition to the direct voltage, also has an alternating voltage UME against earth, which in the case shown up to star voltage, with feed the DC voltage in an outer conductor can rise to the line voltage. This interfering AC voltage UME drives through the measuring branch in addition to the measuring direct current additionally an alternating current. Is z. B. the DC measuring voltage UGI = 100 volts, the series resistor VW 40 kOhm, the earth fault current is I = 2, S mA with a full earth fault z. B. in conductor R. In a three-phase network of 3,500 volts, UME = 300 volts, the additional alternating current is Iw = 7.5mA.

Dient als Meßspannungsquelle eine Batterie. deren Widerstand in beiden Stromrichtungen gleich ist, so ist es nur erforderlich, das Milliamperemeter durch geeignete Vor- und Parallelwiderstände gegen zu hohen Wechselstromdurchgang zu schützen. Die richtige Anzeige des Meßgleichstromes ist nicht in Frage gestellt.A battery is used as the measurement voltage source. their resistance in both Current directions is the same, so it is only necessary to run the milliammeter through To protect suitable series and parallel resistors against excessive alternating current passage. The correct display of the measuring direct current is not in question.

Da nach den VDE-Bestimmungen die Gleichstrommeßspannung mindestens 100 Volt betragen muß, ist die Anwendung einer Batterie unzweckmäßig. Man muß daher, was ebenfalls bekannt ist, die Gleichstrommeßspannung über einen Meßumspanner und einen Gleichrichter aus einem Wechselstromnetz beziehen. Es ist dabei nicht angängigt die Batterie einfach durch einen Meßgleichrichter TG mit einem Meßumspanner MU zu ersetzen (Bild 2), denn der von UME herrührende Wechselstrom würde auch mit gléichgerichtet und dann zu einer falschen Anzeige des Milliamperemeters führen. Im vorgenannten Beispiel würden statt 2,5 6,25 mA angezeigt. Since according to the VDE regulations the direct current measuring voltage is at least Must be 100 volts, the use of a battery is inexpedient. One must therefore which is also known, the DC measuring voltage via a measuring transformer and obtain a rectifier from an AC network. It is the battery is not started simply by a measuring rectifier TG with a To replace measuring transformer MU (Fig. 2), because the alternating current originating from UME would also be rectified and then to a misreading of the milliameter to lead. In the above example, 6.25 mA would be displayed instead of 2.5.

Der geschilderte Nachteil wird bei einer Schaltung nach Bild 3 zum Teil beseitigt. Danach wird in ebenfalls bekannter Weise die Spannung UME durch Hintereinanderschaltung eines hochohmigen Wilderstandes VW von z. B. 40 kOhm mit einem größeren Kondensator C von z. B. l0 FF, entsprechend etwa 320 Ohm bei 50 Hz, unterteilt, Die am Kondensaotr C und damit am Gleichrichter anliegende Teilspannung von UME wird dabei so gering, daß sie unter der Schwellspannung des Gleichrichters lilegt, die mindestens 0,2 Volt je Gleichrichterzelle in Durchgangsrichtung beträgt. Die in die Durchgangsrichtung des Gleichrichters TG fallende Halbwelle der Wechselspannung UME kann somit keinen Strom durch den Gleichrichter treiben, solange dieser nicht bereits durch die Hilfswechselspannung des Meßumspanners MU geöffnet ist, was aber, wie später erklärt wird, nur ganz kurzzeitig erfolgt. Mittels einer Hilfswechselspannung von etwa 80 Volt wird am Kondensator C eine Gleichspannung von 100 Volt erzeugt, die bei konstant vorausgesetzter Hilfswechselspannung - völlig konstant bleibt, solange der Isolationswiderstand des zu überwachenden Netzes unendlich groß ist, somit keine Entladung von C erfolgen kann. The described disadvantage becomes with a circuit according to Figure 3 to Part eliminated. Then the voltage UME is increased in a known manner Series connection of a high-impedance poaching VW from z. B. 40 kOhm with a larger capacitor C of e.g. B. l0 FF, corresponding to about 320 ohms at 50 Hz, divided, The partial voltage applied to the capacitor C and thus to the rectifier of UME is so low that it is below the threshold voltage of the rectifier which is at least 0.2 volts per rectifier cell in the forward direction. The half-wave of the alternating voltage falling in the direction of passage of the rectifier TG UME cannot drive any current through the rectifier as long as it does not is already opened by the auxiliary AC voltage of the measuring transformer MU, but what as will be explained later, only happened for a very short time. By means of an auxiliary alternating voltage of about 80 volts, a direct voltage of 100 volts is generated at the capacitor C, which, if the auxiliary AC voltage is assumed to be constant, - remains completely constant, as long as the insulation resistance of the network to be monitored is infinitely high, thus no discharge of C can take place.

Beträgt der Gesamtisolationswiderstand des Netzes 100 kOhm, dann entlädt sich der Kondensator C über diesen und den in Reihe geschalteten Vorschaltwiderstand VW von 40 kOhm. Die Zeitkonstante für den Entladevorgang beträgt bei C = 10 µF 1,4 s, ist also derart groß, daß die Spannung am Kondensator praktisch nicht absinkt. Auch bei sattem Erdschluß ist noch der Vorschaltwiderstand VW von 40 kOhm im Entladekreis vorhanden, so daß sich auch dann noch die große Zeitkonstante von 0,4 s ergibt. Die praktisch konstante Spannung am Kondensator ist also die Gleichstromspannungsquelle, die den MeßgleichstromJol durch den Isolationswiderstand W des Netzes treibt, nach der eindeutigen Beziehung: UGl IG: = VW + W Das Milliamperemeter mißt zwar nicht den gesuchten Entladestrom des Kondensators C, sondern seinen Ladestrom. Es ist aber leicht nachweisbar, daß während einer Periode die Ladeamperesekunden denen bei der Entladung gleich sind, womit auch der arithmethìsche Mittelwert des Entladestromes gleich dem des Ladestromes wird.If the total insulation resistance of the network is 100 kOhm, then it is discharging the capacitor C via this and the series-connected series resistor VW from 40 kOhm. The time constant for the discharge process is 1.4 at C = 10 µF s, is so large that the voltage across the capacitor practically does not drop. Even with a full earth fault, the series resistor VW of 40 kOhm is still in the discharge circuit present, so that the large time constant of 0.4 s results. The practically constant voltage on the capacitor is therefore the direct current voltage source, which drives the measuring direct current Jol through the insulation resistance W of the network the unambiguous relationship: UGl IG: = VW + W The milliammeter does not measure the sought discharge current of the capacitor C, but its charging current. It is but easily verifiable that during a period the load ampere seconds are the same during discharge, which is also the arithmetic mean value of the discharge current becomes equal to that of the charging current.

Die Wahl einer möglichst hohen Zeitkonstante für die Entladung hat die Vorteile: a) Durch die sich dadurch ergebende, praktisch konstante Meßspannung können sich kapazitive Erdschluß widerstände, die parallel zu den ohmschein liegen können (z. B. in Kabelnfetzen) nicht störend auf das Meßergebnis auswirken. b) Da die Spannung am Kondensator nur ganz wenig absinkt, kann die Wiederaufladung durch den Gleichrichter nur ganz kurzzeitig sein. Während dieser kurzen Ladezeit ist nun allerdings der Gleichrichter seitens der Hilfswechselspannung geöffnet, und der anliegende Teil der Störwechselspannung UME kann somit. kurzzeitig einen zusätz- lichen, störenden Stromstoß durch den Gleichrichter und somit durch das Milliamperemeter schicken. Da UME nicht nur der Größe, sondern auch der Phasenlage nach ganz verschieden sein kann, ist die Beeinflussung des Meßergebnisses verschieden. Has the choice of the highest possible time constant for the discharge The advantages: a) Due to the practically constant measuring voltage that results there can be capacitive earth fault resistances that are parallel to the ohms cannot have a disruptive effect on the measurement result (e.g. in scraps of cable). b) There If the voltage at the capacitor drops only a little, the recharging can go through the rectifier only be for a very short time. During this short charging time is now However, the rectifier opened on the part of the auxiliary AC voltage, and the The part of the interfering AC voltage UME that is present can thus. briefly an additional lichen, disturbing current surge through the rectifier and thus through the milliammeter send. Because UME not only differs in size, but also in phase position can be, the influence on the measurement result is different.

Der Vorteil der kurzzeitigen Aufladung des Kondensators C ergibt allerdings auch den Nachteil, daß die Ladestromstärke sehr hoch wird. Ihr geometrischer Mittelwert wird das Mehrfache des arithmetischen Mittelwertes. Dies erträgt auf die Dauer das Milliamperemeter nicht. The advantage of the short-term charging of the capacitor C results however, it also has the disadvantage that the charging current becomes very high. Your geometric Mean becomes a multiple of the arithmetic mean. This bears on the duration of the milliammeter is not.

Dieser Nachteil wird bei einem Netzprüfgerät zur Überwachung des Isolationswiderstandes von nicht geerdeten Wechsel oder Drehstromnetzen mit Hilfe einer dem zu überwachenden Netz gegen Erde überlagerten Gleichstrommeßspannung, die aus einem Wechsélstromnetz über einen Gleichrichter geliefert und in das zu überwachende Netz parallel zu einem Kondensator und in Reihe zu einem Vorwiderstand eingespeist wird, dessen Impedanz groß ist im Verhältnis zu der des Kondensators, erfindungsgemäß dadurch behoben, daß zwischen den Vorwiderstand und Erde ein zumindest annähernd auf die Frequenz des zu überwachenden Netzes abgestimmter Reihe resonanzkreis eingeschaltet und ferner das Anzeigeinstrument im Entladekreis des Kondensators in die von diesem Kondensator zum Verbindungspunkt des Vorwiderstandes mit dem Reihenresonanzkreis führende Leitung gelegt wird. This disadvantage is in a network tester for monitoring the Insulation resistance of non-earthed AC or three-phase networks with the help a DC measuring voltage superimposed to earth on the network to be monitored, which is supplied from an alternating current network via a rectifier and into the too monitoring network in parallel with a capacitor and in series with a series resistor is fed in, the impedance of which is large in relation to that of the capacitor, remedied according to the invention in that between the series resistor and earth at least one Series resonance circuit that is approximately matched to the frequency of the network to be monitored switched on and also the display instrument in the discharge circuit of the capacitor into that of this capacitor to the connection point of the series resistor with the series resonant circuit leading line is laid.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes zeigt Bild 4. An exemplary embodiment of the subject matter of the invention is shown in Figure 4.

Zwischen die EinspeisepunkteA und B des Meßgleichstromes ist ein kleiner Kondensator C' von etwa 0,5 µF in Reihe mit einer Selbstinduktion L' gelegt, wobei L'und C' bei der Netzfrequenz praktisch auf Spannungs-resonanz abgestimmt sind. Diese Resonanzstrecke zwischen A und B bietet somit für die störende Wechselspannung nur noch den kleinen ohmschen Widerstand von L'. Um nun wieder eine konstante Meßgleichspannung zu erhalten, wird ein Kondensator von etwa 10 ijF an den Gleichrichter derart gelegt, daß das Milliamperemeter nicht mehr von den hohen Ladestromstößen, sondern von dem konstanten Entladestrom des Kondensators C durchflossen wird. Between the feed points A and B of the measuring direct current there is a small capacitor C 'of about 0.5 µF placed in series with a self-induction L', where L'and C 'are practically matched to voltage resonance at the mains frequency are. This resonance path between A and B thus provides for the interfering alternating voltage only the small ohmic resistance of L '. To now a constant DC measuring voltage again to obtain a capacitor of about 10 ijF is placed on the rectifier in such a way that that the milliammeter is no longer affected by the high charging current surges, but by that constant discharge current of the capacitor C is flowed through.

Bild 4 zeigt außerdem einige vorteilhafte Weiterbildungsmaßnahmen des Erfindungsgegenstandes. Figure 4 also shows some advantageous further training measures of the subject matter of the invention.

Die aus einem Wechselstromnetz über einen Gleichrichter gelieferte Gleichstrommeßspannung ist nicht völlig konstant, sondern schwankt zwischen den üblichen Grenzen von etwa +Sile. Im gleichen Verhältnis würde somit das Gesamtmeßergebnis ungenau werden. Um derartige Meßfehler auszuschalten, ist der Meßumspanner MU als Regelumspanner ausgebildet, se daß entweder, wie dargestellt von Hand, konstante Gleichstrommeßspannung eingestellt werden kann, oder sie sich selbsttätig konstant hält. The one supplied from an alternating current network via a rectifier DC measuring voltage is not completely constant, but fluctuates between the usual limits of about + sile. The overall measurement result would therefore be in the same ratio become imprecise. In order to eliminate such measuring errors, the measuring transformer MU is as Regulatory Umspanner designed that either, as shown by hand, constant DC measuring voltage can be set, or it is automatically constant holds.

Zur Eichkontrolle des gesamten Netzpnifgerlites ist ein Umschalter PS1 eingebaut, mittels dessen das Gerät von der Einspeisestelle des zu überwachenden Netzes abgeschaltet und an Erde gelegt wird und somit in sich selbst kurzgeschlossen wird. Ferner wird man Mittel vorsehen, um das Anzeigeinstrument auf einen vorgegebenen Skalenwert, entsprechend Null (3hm Isolationswiderstand des Netzes, einzustellen, so daß das Anzeigeinstrument bei richtig eingestellter Gleichstrommeßspannung N'u-ll Ohm anzeigt. A changeover switch is used to check the calibration of the entire network detector PS1 built in, by means of which the device can be removed from the feed point of the Network is switched off and connected to earth and thus short-circuited in itself will. Furthermore, one will provide means to set the display instrument to a predetermined one Scale value to be set according to zero (3hm insulation resistance of the network, so that the display instrument with correctly set direct current measuring voltage N'u-ll Ohms.

Zeigt das Netzprüfgerät in Betriebsschaltung Null Ohm an, so kann entweder ein völliger Erdschluß in einem Außenleiter vorliegen oder die Durchschlagssicherung DSi kann durchgeschlagen sein. Mittels des vorgesehenen Prüfschalters PS2. wird ein Spannung anzeigegerät, z. B. eine Glimmlampe, parallel zu den Einspeisepunkten der Gleichstrommeßspannung gelegt. Zeigt dieses Spannung an, so liegt der Schluß in einem Außenleiter. Die sonst nötige Kontrolle, die das Herausschrauben der Durchschlagssicherungen bei abgeschaltetem Netz nötig macht, fällt dadurch weg. Wird keine Spannung angezeigt, ist die Durchschalgssicherung durchgeschalgen. If the network tester shows zero ohms in operating mode, then either a complete earth fault in an external conductor or the breakdown fuse DSi may have blown. By means of the provided Test switch PS2. is a voltage indicator, e.g. B. a neon lamp, in parallel to the feed points of the direct current measuring voltage. Shows this tension on, the end is in an outer conductor. The otherwise necessary control that Makes it necessary to unscrew the breakdown fuses when the mains is switched off, thus disappears. If no voltage is displayed, the blow-through protection is in place knocked through.

PETENTANSPRÜCHE 1. Einrichtung zur Überwachung des Isolationswiderstandes von nicht geerdeten Wechsel- oder Drehstromnetzen mit Hilfe einer dem zu überwachenden Netz gegen Erde überlagerten Gleichstrommeßspannung, die aus einem Wechseelstromnetz vermittels eines Gleichrichters geliefert und in das zu überwachende Netz parallel zu einem Kondensator und in Reihe zu einem Vorwiderstand eingespeist wird, dessen Impedanz groß ist im Verhältnis zur Impedanz des Kondensators, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Vorwiderstand und Erde ein zumindest annähernd auf die Frequenz des zu überwachenden Netzes abgestimmter Reihenresonanzkreis geschaltet ist und daß das Anzeigeinstrument im Entladekreis des Kondensators in die von diesem zum Verbindungspunkt des Vorwiderstandes mit dem Reihenresonanzkreis führende Leitung gelegt ist. PETENTANSPRÜCHE 1. Device for monitoring the insulation resistance of non-earthed AC or three-phase networks with the help of one of the to be monitored Mains against earth superimposed direct current measuring voltage, which comes from an alternating current network supplied by means of a rectifier and in parallel in the network to be monitored is fed to a capacitor and in series to a series resistor, its Impedance is large in relation to the impedance of the capacitor, characterized by that between the series resistor and earth an at least approximately to the frequency of the network to be monitored is connected to a matched series resonance circuit and that the display instrument is in the discharge circuit of the capacitor in the from this to Connection point of the series resistor with the line leading to the series resonance circuit is laid.

Claims

2. Device according to claim 1, wherein the DC measuring voltage supplying rectifier is fed by a measuring transformer, characterized in that that the measuring transformer as a regulating transformer in the sense of generating one of fluctuations of the AC network independent voltage is formed.

3. Device according to claim 2, characterized in that a for Calibration control serving switch is provided through which the leading to the network The connection end of the series resistor can be disconnected from the mains and connected to earth, and that means are provided to set the display instrument to a predetermined Set the scale value corresponding to the zero ohm insulation resistance of the network.

4. Device according to claim 1, 2 or 3, characterized in that that to control a between the feed points of the DC measuring voltage lying breakdown fuse an auxiliary measuring circuit, which consists of a switch and a so that there is a display device lying in series, parallel to the feed points the DC measuring voltage is provided.

Publications considered: Swiss patent specification No. 219 285.