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Schaltungsanordnung zur Messung und Speicherung des zu einem bestimmbaren
Zeitpunkt vorliegenden Wertes des Quotienten zweier Gleichspannungen Die Erfindung
betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung und Speicherung des zu einem bestimmbaren
Zeitpunkt vorliegenden Wertes des Quotienten zweier Gleichspannungen, bestehend
aus einem von der einen der beiden Spannungen gespeisten Widerstandsspannungsteiler
mit einer Vielzahl von Teilspannungsabgriffen und aus einer Schalteinrichtung, über
die nacheinander automatisch die verschiedenen Teilspannungen des Widerstandsspannungsteilers
zum Vergleich mit der anderen der beiden Gleichspannungen an einen Komparator geschaltet
werden, der den Vorgang der Ausschaltung von Teilspannungen unterbricht, wenn die
beiden miteinander verglichenen Spannungen gleich groß sind.
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Diese Einrichtung soll insbesondere für die Fehlerentfernungsanzeige
(Fehlerortung) verwendet werden, um nach Eintritt eines Fehlers die Impedanz der
Leitung zwischen Meßort und Fehlerort feststellen zu können. Sie soll vor allem
für längere Freileitungen verwendet werden und kann mit dem zugehörigen Distanzsschutz
zusammengebaut sein.
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Fehlerortungen sind an sich bekanntgeworden.
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Man hat hierfür Quotienteamesser verwendet, welche auf elektromechanischem
Wege den Quotienten von Spannung und Strom und damit die Impedanz messen. Hierfür
sind Kreuzspulinstrumente, Induktions-, Ferrarismeßwerke sowie Hallgeneratoren verwendet
worden. Die Schwierigkeit ist bei allen diesen Systemen, den einmal gemessenen Wert
festzuhalten, um ihn auch nach Verschwinden des Fehlers ablesen zu können. Beim
Auftreten des Fehlers ist eine bestimmte Spannung an der Meßstelle vorhanden, und
es fließt ein bestimmter Strom (Kurzschlußstrom).
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Die fehlerhafte Leitung wird dabei so schnell wie möglich vom zugehörigen
Netz abgetrennt. Damit verschwinden die Meßgrößen wieder. Man will aber die Entfernung
nach der Abschaltung des Fehlers möglichst rasch feststellen. Eine Direktanzeige,
wie bei den obengenannten Instrumenten, kann diesen Zweck nicht erfüllen. Es muß
die Anzeige auch nach Verschwinden der Meßgröße stehenbleiben. Mechanisch hat man
dies mit Hilfe von Schleppzeigern zu erreichen versucht, welche zusätzlich an den
Anzeigeinstrumenten angebracht werden. Diese Instrumente besitzen eine gewisse Trägheit,
welche bei den heute üblichen sehr kurzen Abschaltungen eine genauere Anzeige nicht
gewährleisten. Es sind daher elektronische Mittel notwendig, um die erwähnte Aufgabe
erfüllen zu können.
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Es ist nun ferner aus der deutschen - Patentschrift 923 859 bekanntgeworden,
zur schnellen Bestimmung des Fehlerortes in elektrischen Leitungen die Auf-
ladung
von Kondensatoren dazu zu verwenden, die vorhandene Spannung und eine durch den
Kurzschlußstrom erzeugte Spannung zu speichern und die so entstandenen beiden Ladespannungen
über Röhrenvoltmeter getrennt zu messen. Die Kondensatoren werden nach Beseitigung
des Fehlers von der Anlage abgetrennt, so daß die Ladung längere Zeit bestehenbleiben
kann. Diese Anordnung hat aber noch den Nachteil, daß Spannung und Strom getrennt
angezeigt werden und aus diesen Angaben erst die Impedanz sowie die Fehlerentfernung
errechnet werden muß.
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Aus der USA.-Patentschrift 2 937 811 ist ferner bekanntgeworden,
zur Messung von Spannungsverhältnissen Potentiometer zu verwenden, welche an die
beiden zu messenden Spannungen angeschlossen sind. Ihre Abgriffe sind über eine
Schalteinrichtung zusammengeschaltet, wobei diese Schalteinrichtung so lange ein
Zählwerk betätigt, bis die Differenzspannungen zwischen den beiden Potentiometerabgriffen
verschwunden sind. Die Differenzspannung erzeugt über eine Impulseinrichtung einen
Impuls, welcher an das Zählwerk gegeben ist, das zugleich den Potentiometerabgriff
des einen Potentiometers verstellt. Dies geht dann so lange, bis die Differenzspannung
null geworden ist. Diese Anordnung kann aber nicht den einmal gemessenen Wert über
die Dauer seines Bestehens hinaus festhalten. Ferner
werden die
Potentiometer mechanisch verstellt. Dies hat aber wiederum den Nachteil, daß bei
sehr kurzer Dauer der Meßwerte die Zeit nicht ausreicht, um die endgültige Stellung,
bei der die Differenzspannung null wird, zu erreichen. In diesem Fall arbeitet die
Anordnung also falsch.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Anordnung zu finden, bei der
auch nach dem Verschwinden der Meßgrößen die Anzeige erhalten bleibt und auch bei
nur kurzer Dauer der Meßgröße die Anzeige zuverlässig ist, wobei diese Anzeige unmittelbar
die Fehlerentfernung bzw. das Verhältnis der beiden Meßgrößen angibt.
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Dies wird dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß die den Widerstandsspannungsteiler
und die den Komparator direkt speisenden Gleichspannungen an Kondensatoren abgegriffen
sind, die in an sich bekannter Weise von den beiden Meßgleichspannungen aufgeladen
und zu dem bestimmbaren Zeitpunkt von ihren Ladespannungsquellen abgetrennt werden,
daß die Schalteinrichtung aus einer der Anzahl der Spannungsteilerstufen entsprechenden
Anzahl von Schalttransistoren besteht, die durch eine Einrichtung gesteuert werden,
die, durch ein Startsignal ausgelöst, zur Abgabe von Steuer- und Zählimpulsen angeregt
wird, deren Abgabe durch ein Signal angehalten wird, das der Komparator bei Gleichheit
seiner Eingangsspannungen erzeugt, und daß die Anzahl der Schaltschritte der Schalteinrichtung
als Maß für den Quotienten der beiden Meßgleichspannungen mittels eines Zählwerkes
bekannter Bauart zur Anzeige gebracht wird.
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Der Erfindung liegt folgende Überlegung zugrunde: Nimmt man an, daß
die Spannung Uz, also der Zähler des Quotienten, der Fehlerspannung entspricht und
die Spannung UN, also der Nenner des Quotienten, dem Kurzschlußstrom, und wird die
den Nenner bildende Spannung auf einen Spannungsteilerwiderstand mit n Teilen gegeben,
so muß man so viel Teile (m) des Spannungsteilers zuschalten, bis die beiden Meßgrößen
gleich groß sind. Dann muß also sein: Uz= m Uv. n Der zu messende Quotient ist dann:
Uz m Uv n Da n konstant ist, ist m also ein Maß für den Quotienten selbst. Die Anzahl
m kann nun in einem Zählwerk gezählt werden, welches die Anzeige so lange aufrechthält,
bis es wieder von Hand gelöscht wird.
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Ein Beispiel dieser Anordnung ist in der Figur dargestellt. Die dem
Zähler entsprechende Spannung Uz wird dem Übertrager 1, die dem Nenner entsprechende
Spannung UN dem Übertrager 2 zugeführt. Hierbei kann Uz die Spannung an der Meßstelle,
welche in bekannter Weise über Spannungswandler gewonnen wird, und UN der Strom
sein, welcher in bekannter Weise über Stromwandler gewonnen wird. Die an den Übertragern
1 und 2 auf der Sekundärseite entstehenden Spannungen werden durch die Gleichrichtergruppen
3 und 4 gleichgerichtet. Die so entstandenen Gleichspannungen werden an die Kondensatoren
5 und 6 gegeben und laden diese auf. Die Kondensatoren halten eine be-
stimmte Zeit
die Spannung aufrecht, auch wenn die Meßwerte selbst bereits verschwunden sind.
Die an dem Kondensator 5 liegende Spannung Uz' wird auf den Widerstand 7 gegeben,
welcher zur Vermeidung einer raschen Entladung des Kondensators hochohmig sein muß.
Die an dem Kondensator 6 liegende Spannung UN' liegt an dem Spannungsteiler8, welcher
mehrere (n) Stufen besitzt. Jede Stufe ist mit der Schaltvorrichtung 9 verbunden,
die so viel Schalttransistoren besitzt, wie Stufen vorhanden sind. Die Transistoren
werden nun durch Impulse geöffnet und wieder geschlossen. Sie verbinden daher kurzzeitig
nacheinander die Stufen des Spannungsteilers mit der Meßeinrichtung 10. In dieser
wird die Spannung der betreffenden Stufe mit der konstant bleibenden, am Widerstand
7 liegenden Spannung verglichen. Diese Meßeinrichtung besteht aus einer Kippschaltung,
welche dann kippt und ein Signal gibt, wenn die von beiden Seiten zugeführten Spannungen
gleich sind.
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Das Signal stoppt das Schaltwerk 11, so daß keine weiteren Stufen
mehr geschaltet werden. Dieses Schaltwerk erzeugt die Schaltimpulse für die Umschaltung
der Stufen. Dies kann in bekannter Weise beispielsweise durch Mittelfrequenzgeneratoren
geschehen, deren Schwingungen durch Differenzierglieder in Impulse verwandelt werden.
Diese Impulse gelangen also im Takte der Mittelfrequenz an die Schaltvorrichtung
9. Die Anzahl der erzeugten Impulse muß nun festgestellt werden, damit man die Zahl
der Stufen und dadurch den Wert des Quotienten erhält. Hierzu dient das Zählwerk
12, welches in bekannter Weise aus einer Zählröhre mit mehreren Anoden bestehen
kann. Die Einschaltung des Stufenschaltwerkes 11 erfolgt durch die Meßspannung selbst.
Tritt ein hoher Kurzschlußstrom auf, so wird der Kondensator 6 stärker als normal
aufgeladen und die an ihm entstehende Spannung der Anwurfeinrichtung 13 zugeführt.
Auch diese kann eine Kippeinrichtung mit Transistoren sein, welche von einer bestimmten
Spannungshöhe an ein Signal erzeugt, das an das Stufenschaltwerk 11 geführt wird
und dieses in Betrieb setzt.
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Das Zählwerk und die Stufenschalteinnehtung können auch dekadisch
aufgebaut sein. Sollen beispielsweise 99 Stufen schaltbar sein, so wird eine Stufenschalteinriditung
für die Einer und eine für die Zehner vorgesehen. Erst laufen die Stufen von Eins
bis Neun ab, dann wird eine Stufe des Zehnerschaltwerkes betätigt, dann wieder neun
Stufen des Einerschaitwerkes, welche den Stufen Elf bis Neunzehn entsprechen usw.
Man kann auf diese Weise sehr fein unterteilen und trotzdem die Stufen in kürzester
Zeit, nämlich in einigen Millisekunden durchlaufen lassen. Länger braucht die Spannung
an den Kondensatoren nicht aufrechterhalten zu bleiben. Die Anzeige der Stufen ist
dann proportional dem zu messenden Quotienten, welcher die Entfernung bis zur Fehlerstelle
angibt. Die Stufenanzeige selbst bleibt so lange bestehen, bis das Zählwerk wieder
auf Null zurückgestellt wird.
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Mit Hilfe dieser Einrichtung kann man in kürzester Zeit mit rein
elektronischen Mitteln während oder kurz nach Fehlereintritt die Entfernung bis
zur Fehlerstelle messen, wobei die Anzeige bestehenbleibt. Man erhält auf diese
Weise eine sichere und genaue Fehleranzeige, welche mit den bisher bekannten mechanischen
Mitteln nicht erreicht werden konnte.