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Einrichtung und Verfahren zur Prüfung und Uberwachung von Isolationswiderständen
einer zweipoligen, erdfreien Fahrdrahtanlage mit ihren Fahrzeugen Bei elektrisch
angetriebenen Fahrzeugen (Oberleitungsomnibussen) besteht die Schwierigkeit, den
Isolationszustand der Oberleitungsanlage (Fahrdrähte) und der einzelnen Fahrzeuge
zu iiberwachen. Es ist l?ekannt, daß die Fahrzeugkarosserien bei Isolationsfehlern
in der elektrischen Ausrüstung Spannungen gegen die Erde (Bürgersteig, Fahrdamm)
annehmen, die lebensgefährlich hoch werden können.
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Um diese Spannungserhöhung zu verhindern, zu erkennen oder aber deren
schädigende Wirkung auf den Fahrgast zu verhüten, werden folgende Mittel angewandt:
Durch elektrisch leitende Graphitgummischleifer, die an derFahrzeugkarosserie befestigt
sind und einen dauernden Schleifkontakt mit der Fahrbahn herstellen, soll der Ubergangswiderstand
der Fahrzeugreifen iiberbrückt werden, so daß die durch Isolationsfehler auftretenden
Fehlerströme keine gefährlichen Spannungsabfälle zwischen der Fahrzeugkarosserie
und dem Erdreich entstehen lassen. Als Mangel zeigt sich, daß kleinetSbergang;s,widerstände
nicht zu verhindern sind, weiI geringer Kontaktdruck und unsaubere Nontaktstellen
auftreten.
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Es sind Anzeigevorrichtungen entwickelt worden (deutsche Patentschrift
961363), die in das einzelne Fahrzeug eingebaut werden und über Widerstandskombinationen
und Röhrenverstärkung mit polarisierten Relais den Isolationswiderstand des Fahrzeuges
messen. Ferner wurde bisher versucht, durch besondere Schleifkontakte (nachstellbare
Stahldrahtlesen) bzw. mit einer durch RC-Glieder verzögerten .Anzeigevorrichtung
eine Gefahrenmeldung zu erhalten.
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Diese Anzeigeverfahren haben den Nachteil, daß die Widerstandsmessung
zwischen + -Leitung und Fahrzeugkarosse in keinem Fall etwas über die gefährlochen
Spannungserhöhungen zwischen der Fahrzeugkarosse und dem Erdreich aus;sagt. Es ist
auch eine Meßanordnung bekannt (vgl. das Gebrauchsmuster 1 696 737), bei der eine
Fehlanzeige erfolgen kann, da die Spannungsmaxima nicht angezeigt werden. Außerdem
haftet diesen Meßanordnungen der Mangel an, daß sie erst eine Anzeige bringen, wenn
der gefährliche Zustand bereits eingetreten ist.
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Als unfallverhütende Maßnahmen haben sich in der Praxis die sorgfältige
Isolierung der Einsteighaltegriffe und der Tritthretter besonders bewährt.
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Um eine Betriebsüberwachung dieser öffentlichen Verkehrsmittel mit
einer den Tatsachen entsprechenden Warnung vor dem Eintritt von Betriebsstörungfien
bzw. lebensgefährlichen Zuständen für den Verkehrsteilnehmer zu erhalten, sind folgende
Aufgaben zu lösen: Eine Warnmeldung muß vor dem Eintritt von gefährlichen Zuständen
rfolgen. Sie darf zu keiner un-
mittelbaren Betriebsunterbrechung führen (Publikumspanik).
Auch soll dem Omnibus führer keine Mehrbelastung durch Übernahme der Verantwortung
für den Zustand der elektrischen Einrichtungen seines Fahrzeuges, der Oberleitungsanlage
und der einspeisenden Stationen zugemutet werden. Betriebsmäßige Veränderungen (Regen,
Schnee, Matsch), die keine Gefahren zur Folge haben, dürfen keine Warnmeldungen
auslösen.
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Aus Betrieb,ssicherheitsgründen darf die Meßanordnung keine Eigenstromversorgung
besitzen und keinen Eingriff in die hochspannungsführende Fahrzeugelektrik zur Folge
haben.
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Die Kurzschluß- und Übersp annungss chutzeinrichtungen einspeisender
Stationen bzw. der Oberleitungsanlage dürfen in ihrer Funktion nicht beeinträchtigt
werden.
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Nach dem derzeitigen Stand der Technik ist keine Meßeinrichtung bekanntgeworden,
die auch nur einen Punkt der vorstehenden Aufgabenstellung konsequent löst.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Prüfung und Überwachung
von Isolationswiderständen einer zweipoligen, erdfreien Fahrdrahtanlage mit ihren
Fahrzeugen, bei der durch einen an der Fahrleitung liegenden symmetrischen Widerstandsspannungsteiler
ein künstlicher Erdpunkt gebildet ist, dessen Potentialunterschied gegen die Anlagenerde
als Mellkriterium dient. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß der künstliche Erdpunkt
über einen Strommesser
mit einem Umschalter verbunden ist. der eine
leitende Verbindung mit der Anlagenerde oder mit einer von dem zu prüfenden Fahrzeug
überfahrbaren, durch einen mit der Fahrzeugkarosse werbundenen Altastkontakt abgreifbaren
Kontaktplatte wahlweise herstellt, die ihrerseits etwa Fahrzeuglänge besitzt und
in einem Isolationsbelag einer Fahrbahnmeßstrecke von etwa doppelter Länge eingelassen
ist.
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Unter Zugrundelegung der Einrichtung nach der Erfindung besteht das
Verfahren zur Prüfung und Überwachung von Isolationswiderständen einer zweipoligen,
erdfreien Fahrdrahtanlage mit ihren Fahrzeugen in weiterer Ausgestaltung der Erfindung
darin. daß zunächst der Isolationszustand der Gesamtanlage mit Fahrzeugen durch
Aufstellung des zu prüfenden Fahrzeuges außerhalb des Isolationsbelags bei der Schalterstellung
auf Stationserde, daß sodann der Isolationszust.andfder Kontaktplatte allein durch
die gleiche Aufstellung des zu prüfenden Fahrzeuges bei umgeschaltetem Schalter
und daß schließlich der Isor lationszustand des zu prüfenden Fahrzeuges allein durch
Aufstellung desselben auf der Kontaktplatte bei unveränderter Schalterstellung festgestellt
wird.
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Eine Weiterbildung der Einrichtung nach der Erfindung besteht darin,
daß die Kontaktplatte zur Verringerung des Abgriffübergangssviderstandes beläßt
wird.
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Durch die erfindungsgemäße Maß anordnung und durch das erfindungsgemäße
Meßverfahren ergeben sich folgende technische Fortschritte: Überwachung der Isolationswiderstände
von elektrisch betriebenen Fahrzeugen durch elektrisch erdsymmetrische Versorgungsleitungen,
der Art, daß selbst beim Auftreten von einem Isolationsfehler in der gesamten Anlage
(Omnibussen, Oberleitungen, Speisestationen) zwar eine Meldung erfolgt, jedoch die
Anlage ohne Störungen in Betrieb bleiben kann, ohne daß gefährliche Spannungen gegen
Erde auftreten, solange kein zweiter Isolationsfehler eintritt.
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Kontrolle des Isolationswiderstandes jedes Fahrzeuges einzeln im
vollen Betriebszustand ohne Beeinflussung des Betriebsablaufes.
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Betriebsmäßige Veränderungen des Isolationswiderstandes, die als
gleichmäßige Veränderungen auftreten, wie solche durch Nässe und Matsch, haben keineFehlmeldung
zur Folge, solange keine Gefahrenpunkte in der »Anlage« entstehen.
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Die Meßanordnung bedarf keiner Eigenstromversorgung und keines Eingriffes
in die Fahrzeugelektrik; sie ist von Spannungsschwankungen der Betriebsspannung
unabhängig.
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Die Kurzschluß- und tSberspannungsschutzeinrichtungen der gesamten
Obusanlag) werden in ihrer Funktion in keiner Weise beeinträchtigt, jedoch wird
auch ihr Isolationszustand dauernd überwacht.
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Aufbau und Wirkungsweise der Meßeinrichtung und des Maß verfahrens
nach der Erfindung ist an Hand der Abb. 1 bis 8 näher erläutert.
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Die im Normalzustand erdfreie Oberleitungsanlage. einschließlich
der Fahrzeuge (Oberleitungsonmibusse) und der Speisestationen, ist über zwei gleich
große hochohmige Widerstände (Abb. 1: 1 und 2) mit einem Nullinstrument 3 über einen
Einstellwiderstand 4 verhunden. Der zweite Pol des Nullinstrumentes kann durch Umschalter
5 an die Betriebserde 6 (Erdreich) oder an eine Kontaktplatte 7 gelegt werden. Die
Kontaktplatte 7 ist gegen den Fahrdamm 8 und die Betriebserde 6 isoliert angebracht.
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Es wird behauptet, daß die Anzeige des Nullinstrumentes ein Maß für
das Verhalten der Isolationswiderstände der gesamten Anlage gegen Erde ist, unabhängig
von der Größe der Betriebsspannung, was an Hand der Abb. 2 erläutert wird: R1= Symmetriewiderstand
der +-Leitung.
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R2 = Symmetriewiderstand der - -Leitung.
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R = Innenwiderstand des Nullinstrumentes 3.
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R4 = Einstellwiderstand.
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R5 = Isolationswiderstand (+ gegen Erde).
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R6 = Isolationswiderstand gegen Erde).
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U13 = Betriebsspannung, Ji - Isolationsstrom.
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J3= 1M = Meßstrom.
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Durch die gleich großen Widerstände Rl und R2 der Gabelschaltung
wird dem Punkt 2 in der Schaltung ein ideelles halbiertes Potential zwischen dem
+-Punkt 1 und dem Punkt 3 zugeordnet, und der Meßstrom JMJ als Brückenstrom in der
Schaltung nach Wheatstone, ist in Richtung und Größe ein Maß für die Größe der Widerstände
R5 und R6 und ihr Verhältnis zueinander.
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Wird nun diese Schaltung in das Brückenbild nach Wheatstone (Abb.
3) umgezeichnet und R1, = R2 gemacht, dami ist zu erkennen, daß das Potentialverhalten
des Punktes 2E abhängig von der Proportion der Widerstände R5 ist und der Strom
JM im Meß-Rfi zweig zwischen Punkt 2 und 2E als Richtung dac Größenverhältnis ergibt
(R0> R5 entspricht Punkt 2E + Potential gegen Punkt 2; 6 R6< R5 entspricht
Punkt 2. - Potential gegen Punkt 2).
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R5 R2R1- R6 U13 (R1+ R2) {R5. R6+ R4 (R5 + R6)} + R1.R2 zu R, (R5
+ R6) 12 im Gleichgewicht oder JM = J3 = R1 ~ R2 R5 - R6 und wenn R1 = R2 ist, ergibt
sich 1 ~ 1 5 R2 - R6 Es ist zu erkennen, daß Spannungsschwankungen der Betriebsspannung
U13 ohne Einfluß auf die Anzeige des Nullinstrumentes sind. Ferner zeigt sich, daß
im Meßzweig in keinem Fall der Isolationsstrom J bzw. im Fehlerfall des Isolationszustandes
der »Fehlerstrom« JF fließt und gemessen wird. Sicher ist, daß
durch die genannte
Maß anordnung die Spannungsabfälle des Isolationsstromes oder des Fehlerstromes
verglichen werden.
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Dies hat zur Folge, daß allgemeine, gleichmäßige Isolationswiderstandsverringerungen
durch Nässe, Schnee und Matsch keine Warnmeidungen auslösen, weil eine gleichmäßige
Änderung von R5 und R, ohne Einfluß auf die Anzeige des Nullinstrumentes 3 ist.
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Benutzt man eine erdfreie elektrische Anlage, wie zuvor beschrieben
(Abb. 1), und nimmt man über eine Widerstandskombination R, und R2 einen hochohmigen,
symmetrischen Abgriff mit einem Nullinstrument 3 vor, dann werden die elektrisch
aktiven Teile bei gleichen Ableitwiderständen der Anlage, die halbe Betriebsspannung
gegen das neutrale Erdreich
(Er,de) annehmen. Tritt jetzt an irgendeiner
Stelle der Anlage ein Isolationsfehler auf, dann fließt, wenn der kurzzeitige Ladungsaustauschstrom
und der geringe Ableitstrom über die gesunde Isolation vernachlässigt werden, nur
der Meßstrom über die hochohmige Widerstandskombination. Dadurch entsteht an dem
Kontakt der Fehlerstelle die Kontalçtspannung von Ue= = JM Rü, wobei diese Spannung
durch die Auslegung der Widerstandskombination kleiner als 65 V bleibt.
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RV = Übergangswiderstand an der Isolationsfehlers teIle.
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= = Strom iiber das Nullinstrument 3.
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Jedcch können jetzt, je nach Ort des Isolationsfehlers, verschiedene
elektrische Anlagenteile die volle Betriebsspannung gegen Erde annehmen. Diese Potentialverschiebung
wird angezeigt.
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Hieraus ist zu erkennen, daß ein, Fehlerstelle der Isolation in der
gesamten Anlage angezeigt wird, ohne daß sich eine unmittelbare Gefahr für den Betrieb
im allgemeinen oder den einzelnen Teilnehmer ergibt.
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Bei den vorstehend gemachten Ausführungen wird eine Anlage vorausgesetzt,
deren Fahrzeuge immer gleich guten Kontakt mit dem Erdreich haben. Die Anzeige des
Null instrumentes ergibt dann das Isolationswiderstandsverhalten der gesamten Anlage.
In der Praxis sind jedoch die elektrischen Verbindungen zwischen Fahrzeugkarosserie
und Erdreich sehr unterschiedlich je nach Isolationssymmetrie und Erdkontakt der
einzelnen Fahrzeuge, so daß die beschriebene a>Gesamt-Anzeige« um einen Isolationswert
der festen Anlage schwankt Stellt man sich vor, daß man die Karosserie des voll
im Betriebszustand befindlichen fahrenden Oberleitungsomnibusses erdfrei macht (isolierende
Wirkung der Reifen, Hochnehmen der Schleiferder) und diese Karosse anstatt der Betriebs
erde 6 an die Meßanordnung anschließt, so erhält man die gleiche Schaltung, wie
in Abb. 2 dargestellt, jedoch nur für das einzelne Fahrzeug der Art, daß an Stelle
des Anlagenisolationswiderstandes R5 (zwischen -F und Erde) der Fahrzeugisolationswiderstand
R7 (zwischen + und Karosse) und an Stelle von R6 analog R8 treten kann (Abb. 4).
So werden nur die Isolationswiderstände des betreffenden Fahrzeuges miteinander
verglichen, unabhängig von dem Erdpotential der Fahrdrähte bzw. der »Gesamt-Anlage«.
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Diese Messung kann durch die Anordnung nach Abb. 1 in der Praxis
erreicht werden, indem der Umschalter 5 in die Stellung »Nullinstrument 3 an Kontaktplatte
7« gebracht wird. Die Kontaktplatte 7 liegt elektrisch isoliert mitten in der Meßstrecke
C und diese in der Fahrbahn 8. Die Kontaktplatte wird zur besseren Kontaktverbindung
zu den Schleiferdern des Fahrzeuges naß gehalten.
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Das elektrische Isolationsvermögen der Meßstrecke C und auch der
Teilstrecken C1 und C2 soll einwandfrei sein, und als Teilstreckenlänge soll etwa
eine Fahrzeuglänge verwendet werden.
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Überfährt ein zu untersuchendes Fahrzeug diese Meßstrecke, dann sind
nacheinander vier Messungen durchzuführen, deren Ergebnisse eine klare Beurteilung
des Fahrzeugisolationszustandes zulassen.
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Messung 1 (Abb.. 5): Das Fahrzeug befindet sich vor der Meßstrecke
C, der Umschalter 5 verbindet das Nullinstrument 3 mit der Betriebserde 6.
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Messung II (Abb.. 6): Das Fahrzeug befindet sich auf der von der Erde
isolierten Teilstrecke Ct (Sicherheitsstrecke) der Meßstrecke C. Der Umschalter
5 verbindet das Nullinstrument 3 mit der Betriebs erde 6.
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Messung III (Abb. 7): Das Fahrzeug befindet sich auf der von der Erde
isolierten Teilstrecke C1 (Sicherheitsstrecke) der Meßstrecke C. Der Umschalter
5 verbindet das Nullinstrument 3 mit der Kontaktplatte 7.
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Messung IV (Abb. 8): Das Fahrzeug befindet sich auf der Teilstrecke
C2 der Meßstrecke C. Die erdfreie Fahrzeugkarosse hat Kontakt mit der Kontaktplatte7.
Der Umschalter 5 verbindet das Nullinstrument 3 mit der Kontaktplatte 7.
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Um die einfache Möglichkeit der Beurteilung der Meßwerte zu verdeutlichen,
werden die Anzeigen des Nullinstrumentes für drei Fälle in Stichworten angegeben:
Normalzustand Die Isolationswiderstände R5 und R6 sind genügend groß (Stromverlauf
ist strichliniert gezeichnet).
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Fehlerfall I Der Isolationswiderstand R5 zwischen der +-Leitung und
der Erde ist klein (tberspannungsschutz durchgeschlagen oder Isolator gebrochen)
- (Stromverlauf durch einen Pfeil gezeichnet).
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Fehlerfall II Der Isolationswiderstand R7 zwischen der +-Leitung und
der Fahrzeugkarosserie ist klein (Bürstenschluß, Isolator im Fahiwiderstand gebrochen)
- (Stromverlauf mit zwei Pfeilen gezeichnet).
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Messung 1 (Abb. 5): Normalzustand Die Summe der Ströme durch die Widerstände
R6 und R8 entspricht dem Summenstrom in den Widerständen R6 und R7. Ausgleichsströme
von geringer Größe in der Erde sind möglich. Das Nullinstrument zeigt keinen Ausschlag.
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Fehlerfall I Ausgleichsströme über das Nullinstrument. Das Nullinstrument
zeigt Plus; es ist Erdschluß vorhanden.
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Fehlerfall II Es fließt ein Ausgleichssstrom über die Karosse, Schleiferder
und Nullinstrument. Das Nullinstrument zeigt Plus; es ist Erdschluß vorhanden.
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Messung II (Abb. 6): Normalzustand Der Strom durch den Widerstand
R6 entspricht dem durch den Widerstand R5. Der Strom durch den Widerstand R8 entspricht
dem durch den Widerstand R7. Ausgleichsströme über die Erde sind nicht möglich.
Das Nullinstrument zeigt keinen Ausschlag.
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Fehlerfall I Es fließt ein Ausgleichsstrom über das Nullinstrument
Das Nullinstrument zeigt Plus; es liegt Erdschluß vor.
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Fehlerfall II Ein Ausgleichsstrom über Schleiferder und Nullinstrument
ist nicht möglich. Das Nullinstrument zeigt keinen Ausschlag.
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Messung III (Abb. 7): Normalzustand Siehe wie zu Messung II (Abb.
6).
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Fehlerfall I Im Umschaltmoment von Umschalter 5 geht die Erdschlußanzeige
von »Plus hat Erdschluß« auf »kein Erdschluß« zurück.
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Fehlerfall II Im Umschaltmoment ist keine Anzeige vorhanden.
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Bemerkung: Nach dem Umschalten des Nullinstrumentes auf die Kontaktplatte
7 darf keine Null abweichung angezeigt werden (Kontrolle, daß die Kontaktplatte
7 gut gegen die Erde 6 isoliert ist), denn es hat sich gezeigt, daß die Anlagensymmetrie
kleine Abweichungen immer hat und selten Null ist.
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Messung IV (Abb.. 8): Normalzustand Der Strom durch den WiderstandRS
ist gleich dem durch den Widerstand R6. Der Strom durch den Widerstand R7 ist gleich
dem durch den Widerstand R8. Das Nullinstrument zeigt keinen Ausschlag. Es fließen
keine Ausgleichsströme in der Erde.
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Fehlerfall I Das Nullinstrument zeigt keinen Ausschlag, weil eine
Potentialverschiebung nur zwischen +-Leitung und Erde auftritt und das Nullinstrument
nur an den Widerstand R7 und den Widerstand R8 über die Kontaktplatte und den Schleiferder
liegt.
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Fehlerfall II Das Nullinstrument zeigt an, daß die +-Leitung im Fahrzeug
Karosserieschluß hat. Es fließt ein Ausgleichsstrom über Karosse, Schleiferder,
Umschalter und Nullinstrument.
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Die Ergebnisse der Messungen I bis IV lassen das Isolationsverhalten
der gesamten Oberleitungsanlage mit den in Betrieb befindlichen Fahrzeugen, einschließlich
der Speisestationen mit den Schutzeinrichtungen erkennen. Sie geben ferner Auskunft
über den Isolationszustand der einzelnen Fahrzeuge in vollem Betriebszustand und
zeigen den Ort eines Isolations-
fehlers an, ohne daß besondere Gefahrenpunkte entstehen.
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Vorteile der Erfindung sind: Anzeige einer Isolationsstörung, bevor
»gefährliche Zustände« auftreten.
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Überwachung des Isolationszustandes der gesamten Anlage zu jeder Zeit.
Überwachung des Isolationszustandes des einzelnen Fahrzeuges in vollem Betriebszustand
ohne Beeinflussung des Betriebsablaufes. Betriebsmäßige Isolationsminderungen (Nässe,
Matsch) ohne Gefahren werden nicht angezeigt. Keine Eigenstromversorgung, keine
Abhängigkeit von den Schwankungen der Betriebsspannung, kein Eingriff in die Fahrzeugelektrik.
Alle Schutzeinrichtungen der Anlage werden nicht beeinflußt, jedoch wird ihr Isolationszustand
laufend überwacht.
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PATENTANSPRttCHE 1. Einrichtung zur Prüfung und Überwachung von Isolationswiderständen
einer zweipoligen, erdfreien Fahrdrahtanlage mit ihren Fahrzeugen, bei der durch
einen an der Fahrleitung liegenden symmetrischen Widerstandsspannungsteiler ein
künstlicher Erdpunkt gebildet ist, dessen Potentialunterschied gegen die Anlagenerde
als Meßkriterium dient, dadurch gekennzeichnet, daß der künstliche Erdpunkt über
einen Strommesser mit einem Umschalter verbunden ist, der eine leitende Verbindung
mit der Anlagenerde oder mit einer von dem zu prüfenden Fahrzeug überfahrbaren,
durch einen mit der Fahrzeugkarosse verbundenen Abtastkontakt abgreifbaren Kontaktplatte
wahlweise herstellt, die ihrerseits etwa Fahrzeuglänge besitzt und in einem Isolationsbelag
einer FahrbahnmeM-strecke von etwa doppelter Länge eingelassen ist.
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2. Verfahren zur Prüfung und Überwachung von Isolationswiderständen
einer zweipoligen, erdfreien Fahrdrahtanlage mit ihren Fahrzeugen unter Verwendung
einer Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst der Isolationszustand
der Gesamtanlage mit Fahrzeugen durch Aufstellung des zu prüfenden Fahrzeuges außerhalb
des Isolationsbelages bei der Schalterstellung auf Stationserde, daß sodann der
Isolationszustand der Gesamtanlage mit Fahrzeugen ohne das zu prüfende Fahrzeug
durch Aufstellung desselben auf dem Isolationsbelag bei gleicher Schalterstellung,
daß sodann der Isolationszustand der Kontaktplatte allein durch die gleiche Aufstellung
des zu prüfenden Fahrzeuges bei umgeschaltetem Schalter und daß schließlich der
Isolationszustand des zu prüfenden Fahrzeuges allein durch Aufstellung desselben
auf der Kontaktplatte bei unveränderter Schalterstellung festgestellt wird.