-
Schaltung zur Messung der Netz-Innenimpedanz Die Erfindung betrifft
eine Schaltung zur Messung der Netz-Innenimpedanz an einer Stelle eines Wechselstromnetzes,
Die Größe der Netz-Innenimpedanz gibt Aufschluß über den an der betreffenden Netzstelle
zu erwartenden Kurzschlußstrom, der wiederum zur Wahl der erforderlichen Sicherungen
oder als Funktionskriterium für die angewandte Berührungsschutzmaßnahme dient. Weiter
dient die Größe der Netz-Innenimpedanz als Kriterium für die Anschlußfähigkeit vonVerbrauchsgeräten,
insbesondere von leistungsstarken oder solchen mit starker Impulsbelastung.
-
Da das Versorgungsnetz ständig unter Spannung ist und wegen einer
Messung mit Rücksicht auf die angeschlossenen Verbrauchsgeräte nicht abgeschaltet
werden kann, ist hier die übliche Widerstandsmessung nicht möglich. Es muß daher
ein Meßverfahren angewandt werden, bei dem der gesuchte Widerstand unter - Netzspannung
ermittelt werden kann. Ein weiteres Erschwernis ist die Tatsache, daß die Netz-Innenimpedanz
aus zwei Leitungsteilen besteht, meist aus dem Netznulleiter und einem Netzaußenleiter.
Von beiden Teilen stehen nicht alle vier Anschlüsse, sondern nur zwei zur Verfügung.
Es ist nämlich in der Praxis nicht möglich, die zwei beim Netztransformator befindlichen
Anschlüsse zugänglich zu machen.
-
Das allgemein angewandte Meßverfahren, das trotz dieser ungünstigen
Umstände die Ermittlung der Netz-Innenimpedanz gestattet, besteht darin, daß zuerst
die Höhe der Netzspannung im unbelasteten Zustand gemessen und anschließend ein
bekannter Belastungswiderstand hinzugeschaltet wird (Vollwellenbelastung).
-
Die dadurch bewirkte Spannungsabsenkung wird gemessen und dient als
Maß für die gesuchten Netz-Innenimpedanz.
-
Die bekannten Schaltungen zur Ausführung dieses Meßverfahrens haben
jedoch verschiedene Nachteile.
-
Um die besonders interessierenden Widerstandswerte, die Bruchteile
von Ohm betragen, auf der Meßskala ausreichend unterscheiden zu können, muß der
Wert des Belastungswiderstandes RB möglichst klein sein.
-
Je kleiner dieser aber ist, um so größer wird die in ihm während
des Meßvorganges erzeugte Wärmemenge und um so größer und schwerer muß das Meßgerät
ausgelegt werden, was für die Meßpraxis ein großer Nachteil ist. Ein weiterer Nachteil
ist die Tatsache, dal3 als Meßergebnis nicht der gesuchte komplexe Widerstand (Scheinwiderstand
oder Impedanz) Z. M, sondern ein Wert ermittelt wird, der zwischen demselben und
seinem Wirkanteil RNr liegt.
-
Es wird also ein zu kleiner Wert und damit bezüglich der oben erwähnten
Kriterien ein Wert in Richtung größere Sicherheit vorgetäuscht, Der Meßfehler tritt
deshalb auf, weil nicht die geometrische, sondern nur die arithmetische Differenz
beider Spannungen (Uo und UB [s. F i g. 3]) gemessen wird. Dieser Meßfehler ist
nicht unbedeutend, insbesondere bei Freileitungsnetzen. Er beträgt z. B. 24°/oa
wenn eine 500 m lange Freileitungsstrecke, die einen Leitungsquerschnitt von 50
qmm Cu besitzt, mit einem Belastungswiderstand von RB = 22 Ohm gemessen wird. Bei
diesem Belastungswiderstand muß das Meßgerät so ausgelegt werden, daß es bei 220-V-Anlagen
eine Wärmeleistung von 2, 2 kW vertragen kann.
-
Der bekannte Meßvorgang wird in F i g. 1 und 2 im Prinzip wiedergegeben.
Ein Versorgungstransformator T speist über die Zuleitungen die Anschlußstelle.
-
Der Zuleitungswiderstand, der hier gleich der Netz-Innenimpedanz ZXI
ist, besteht aus einem Wirkanteil (RNI) und einem induktiven Anteil (XNI). ZJU-nächst
wird die unbelastete Netzspannung Uo (F i g. 1) und dann, nach der Hinzuschaltung
des Belastungswiderstandes RB, die zurückgegangene Netzspannung UB gemessen (F i
g. 2).
-
Das Zeigerdiagramm ist in F i g. 3 wiedergegeben.
-
Die Transformatorklemmspannung Uo teilt sich in UB (= Spannung am
Belastungswiderstand) und UZI Spannung an der Netz-Innenimpedanz) auf. Uni setzt
sich wiederum zusammen aus URI (= Wirkanteil) und UX. (= induktiver Anteil).
-
Der gemessene Wert Uo wird der Transformatorklemmenspannung gleichgesetzt,
wobei zu berücksichtigen ist, daß diese Gleichheit nur gegeben ist, wenn das Netz
völlig unbelastet ist. Bei den bekannten Meßverfahren wird nun, da der Phasenwinkel
zwischen den beiden gemessenen Spannungen (pu nicht gemessen werden kann, nicht
die geometrische Differenz dieser beiden Spannungen U0 und UB gebildet, sondern
nur
die arithmetische und auf diese Weise mit Hilfe der Formel (U0-UB)
ZNI'=RB ( ) UB die gesuchte Netz-Innenimpedanz ermittelt (der beigefügte Strich
bei ZNI soll andeuten, daß der auf diese Weise ermittelte Wert vom tatsächlichen
Wert abweicht, wenn XNI > 0 ist).
-
Allgemein betrachtet kommt der durch die Messung erhaltene Wert dem
tatsächlichen Wert von ZNI um so näher, je kleiner der Wert des Belastungswiderstandes
gewählt wird. Der Wahl des Belastungswiderstandes sind aber-nicht nur wegen der
bereits erwähnten Wärmeleistung, sondern auch aus betrieblichen Gründen (die vorgeschaltete
Sicherung soll während des Meßvorganges nicht abschalten) und aus Gründen der Sicherheit
für andere Anlagenbenutzer (Gefahr der Spannungsverschleppung durch den Schutzleiter)
bestimmte Grenzen gesetzt.
-
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die während des Meßvorganges
auftretenden und durch andere Verbrauchsgeräte verursachten Netzspannungsschwankungen
das Meßergebnis zusätzlich verfälschen können.
-
Es ist auch ein Meßverfahren bekannt, bei dem während des ganzen
Meßvorganges mit Hilfe eines Gleichrichters die Spannungshalbwellen nur einer Stromrichtung
belastet werden, während die Spannungshalbwellen der entgegengesetzten Stromrichtung
unbelastet bleiben--f Halbwellenbelastung). Die Differenz beider Spannungswerte
wird zur Anzeige gebracht. Durch dieses Meßverfahren wird zwar der Einfluß der Netzspannungsschwankungen
weitgehend ausgeschaltet, auch wird die beim Meßvorgang auftretende Wärmeleistung
um die Hälfte verringert, doch der induktive Anteil der Netz-Innenimpedanz wird
auch hier nicht im notwendigen Maße miterfaßt.
-
Weiter wird das Meßergebnis durch eine eventuell in der Netzspannung
befindliche Gleichspannungskomponente (als Folge= von Gleichrichter-Verbrauchsgeräten,
wie z. B. Feinsehempfangsgeräten) verfälscht, wenn nicht durch besondere Schaltungs-und
Bedienungsmaßnahmen dieser Einfluß ausgeschaltet wird.
-
Werden für die Spannungsdifferenzmessung die arithmetischen Mittelwerte
verwendet, so kommen noch weitere Nachteile hinzu. Das Meßergebnis wird dann außerordentlich
stark in Richtung größere Sicherheit verfälscht, wenn im-Netz, insbesondere in der
nächsten Umgebung der Meßstelle, induktive oder kapazitive Verbrauchsgeräte in Betrieb
sind.
-
Es ist ferner eine-Schaltung bekannt, bei der sich der Belastungswiderstand
aus einem Wirkanteil und einem induktiven Anteil zusammensetzt. Beide Widerstandsanteile
sind in ihrer Größe einstellbar. Durch Aufsuchen der Stelle, die den größten Spannungsrückgang
zur Folge hat, wird, bei konstantem Gesamtwert des Belastungswiderstandes, das Verhältnis
des Wirkanteiles zum induktiven Anteil genauso groß wie dasjenige der Netz-Innenimpedanz.
Bei diesem Meßverfahren ist die beim Meßinstrument angezeigte arithmetische Spannungsdifferenz
gleich der geometrischen, weshalb kein Meßfehler auftreten kann. Der Erfindung liegt
demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine hinsichtlich der Vermeidung eines Meßfehlers
ebenso günstige Messung der Netz-Innenimpedanz zu ermöglichen, jedoch sollen dazu
ein wesentlich geringerer Geräteaufwand und eine einfachere Bedienung der Meßschaltung
nötig sein.
-
Die Erfindung geht aus von einer Schaltung, bei der die durch eine
zusätzliche Netzbelastung bewirkte Spannungsabsenkung als Maß für die gesuchte Größe
dient und bei der nur die in einer Stromrichtung auftretende Spannung belastet wird,
und ist dadurch gekennzeichnet, daß als Meßwerte für die Spannungsabsenkung die
bei den verschiedenen Belastungen beim selben Winkel der Netzspannung (Meßwinkel
tM), gerechnet vom Zeitpunkt der Belastung, gebildeten Augenblickswerte, arithmetische
Mittelwerte oder Effektivwerte der Netzspannung dienen und daß der Meßwinkel nach
Maßgabe der Art des Prüflings sowie der Größe der zusätzlichen Belastung, z. B.
bei einem Freileitungsnetz im Bereich zwischen 70 und 90°, so gewählt ist, daß der
durch den Winkel der Netz-Innenimpedanz verursachte Meßfehler möglichst ausgeglichen
wird.
-
Zur Erläuterung wird auf nachstehende Zusammenhänge hingewiesen :
Beim bekannten Meßverfahren, d. h. bei der Vollwellen-oder Halbwellenbelastung mittels
eines ohmschen Belastungswiderstandes ist die gemessene Netz-Innenimpedanz gegenüber
dem tatsächlichen Wert um so kleiner (d. h. der negative Meßfehler um so gober),
je größer der induktive Anteil XNI zum Wirkanteil RNr ist, je größer also RAl ist.
Wird der Belastungswiderstand im Bereich zwischen Spannungsnulldurchgang und Stromnulldurchgang
hinzugeschaltet, so tritt ein Einschwingvorgang auf. Dieser Einschwingvorgang ist
am ausgeprägtesten, wenn die Zuschaltung beim Spannungsnulldurchgang erfolgt. Bei
periodischer Zuschaltung tritt dieser Einschwingvorgang jedesmal auf, weil während
der Belastungspausen die in der Zuleitungsinduktivität (XNI) aufgespeicherte magnetische
Energie wieder abgebaut wird, Die mit der Netzfrequenz periodische Zuschaltung des
Belastungswiderstandes beim Spannungsnulldurchgang kann z. B. mit Hilfe eines Einweggleichrichters
erfolgen.
-
Je größer XRNI ist, um so stärker ist derEinschwingvorgang ausgeprägt,
d. h. um so mehr weicht die Form der am Belastungswiderstand auftretenden Spannungshalbwelle
von der Spannungshalbwelle im eingeschwungenen Zustand ab. (Da der Belastungswiderstand
nach jeder Einschwinghalbwelle wieder abgeschaltet wird, tritt beim Meßvorgang keine
eingeschwungeneHalbwelle auf.) Je größer RNI ist, um so weniger steil ist der Kurvenanstieg
der Einschwinghalbwelle, um so größer ist der Scheitelwert, um so größer ist der
Winkel, bei dem der Scheitelwert liegt, und um so größer ist der Spannungswinkel
pu, der dem Winkel 99. in F i g. 3 entspricht.
-
Die Erfindung nutzt den geringeren Kurvenanstieg, d. h. den geringeren
Wert von ddt aus. DiePolge des kleineren ddt ist, daßbei jedemWinkel im Bereich
von 0° bis mindestens 90° bei der Einschwingwelle ein kleinerer Spannungsaugenblickswert
auftritt, als bei der eingeschwungenen Welle auftreten würde, und daß dieser Unterschied
um so größer ist, je kleiner der in Betracht gezogene Winkel ist. Auf diese Weise
kann durch Berechnung für jeden vorgegebenen Wert von XNI ein Winkel angegeben werden,
bei dem die Differenz der Spannungsaugenblickswerte der unbelasteten (sumo) und
der belasteten Halbwelle (UMB)
ein exaktes Maß für die Netz-Innenimpedanz
darstellt.
-
Der gesuchte Widerstand ergibt sich dann mit der im Prinzip bekannten
Formel Wvro-WVrs ZA=/<B---------.
-
UMB Nachdem bei dieser Formel nunmehr die arithmetischen Spannungsdifferenz
richtige Ergebnisse liefert und auch das Meßinstrument die arithmetische Spannungsdifferenz
zur Anzeige bringt, wird durch dieses Meßverfahren die Netz-Innenimpendanz fehlerfrei
gemessen.
-
Um den Einnuß einer eventuell in der Netzspannung befindlichen Gleichspannungskomponente
zu beseitigen, werden nur Spannungen gleicher Stromrichtung gemessen.
-
In F i g. 4 werden die Verhältnisse im Prinzip erläutert. Die linke
positive Halbwelle stellt die Netzspannung im unbelasteten Zustand dar. Die darauffolgende
positive Halbwelle gibt die am Belastungswiderstand RB auftretende Einschwinghalbwelle
wider. Die Zuschaltung von RB erfolgt mit Hilfe eines Einweggleichrichters beim
Spannungsnulldurchgang. Zur Verdeutlichung ist auch der Verlauf der Transformatorklemmenspannung
Ua (durch Striche) angegeben. Der Spannungswinkel mu ist gleich dem in F i g. 3
angegebenen Winkel q, der die zwischen Uo und UB gegebene Phasenverschiebung darstellt.
-
In diesem Beispiel werden die Spannungsaugenblickswerte bei tM =
70° gemessen. Die arithmetische Differenz beider Spannungen Mo-MB wird beim Meßinstrument
angezeigt und entspricht der tatsächlichen Netz-Innenimpedanz. Im Gegensatz dazu
wird bei der bekannten Vollwellenbelastung und auch bei der bekannten Halbwellenbelastung
eine zu geringe Netz-Innenimpedanz angezeigt, weil die diesbezügliche Spannungsdifferenz,
hier (F i g. 4) die Differenz der Scheitelspannungen UsOUSB, einen zu geringen Wert
besitzt.
-
Der zur Festlegung des Meßwinkels tm erforderliche Wert XIV, kann
durch Berechnung oder durch Messung ermittelt werden. In der Praxis ist die Ermittlung
von xlVI jedoch nicht immer möglich bzw. ist der zur Messung notwendige Aufwand
nicht für jede Meßgeräteart vertretbar. Deshalb wird in der weiteren Ausgestaltung
der Erfindung ein für alle Meßfälle fest eingestellter Meßwinkel gewählt, der vorzugsweise
im Bereich zwischen 70 und 90° liegt.
-
Der genaue Wert dieses Meßwinkels wird so gewählt, daß der bei den
üblichen Meßfällen auftretende Meßfehler innerhalb kleinstmöglicher Grenzen liegt.
-
Die Messung der im unbelasteten Zustand dem Winkel tm zugeordneten
Spannung kann auf verschiedene Weise erfolgen. Beispielsweise kann der Spannungsaugenblickswert
auf dem Umwege über einen Spannungsteiler wie folgt gemessen werden : Die volle
Netzspannung liegt an der Reihenschaltung zweier Widerstände RL und Rm (F i g. 5).
Parallel zu Rnz liegt ein Kondensator 18, der sich auf den Scheitelwert der am Rm
liegenden Spannung auflädt. Setzt man sinusförmige Spannung voraus und vernachlässigt
man den über das Meßinstrument und sonstige Verlustwiderstände fliebenden Strom,
so ergibt sich
für diesen Spannungsteiler folgendes Widerstandsverhältnis : RM UMO
Uo sin tm sin tm RL ULO USOUSO sin tM 1 sin t,/ UMO und ULO sind die an den Widerständen
RM und RL auftretenden Scheitelspannungen, unso ist gleichzeitig der dem Meßwinkel
taf zugeordnete Netzspannungsaugenblickswert. Uso ist der Scheitelwert der unbelasteten
Netzspannung.
-
Die Messung der im belasteten Zustand dem Winkel tm zugeordneten
Spannung kann nicht auf dieselbe Weise erfolgen, da die Einschwinghalbwelle nicht
sinusförmig ist. Diese Messung kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß beim Winkel
tM der Belastungswiderstand RB oder der Meßzweig abgeschaltet oder der Meßzweig
kurzgeschlossen wird.
-
Durch die vorzeitige Abschaltung des Belastungswiderstandes wird die
auftretende Wärmeleistung zusätzlich verringert.
-
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Hinzuschaltung
des Belastungswiderstandes mit einem Bruchteil der Netzfrequenz, beispielsweise
bei jeder zehnten Netzspannungsperiode (Impulsbelastung). Auf diese Weise kann die
auftretende Wärmeleistung zusätzlich in erheblichem Maße verringert werden. Der
Belastungswiderstand kann dann bezüglich seiner Raummaße erheblich kleiner ausgelegt
werden. Ein weiterer Vorteil dieser Impulsbelastung ergibt sich dadurch, daß im
Falle einer Spannungsverschleppung am Schutzleiter (durch Schutzleiterunterbrechung
oder zu hohem Erdungswiderstand) eine Gefahr für andere Anlagenbenutzer nicht besteht.
Aus diesem Grunde ist die bei den bekannten Meßgeräten notwendige Vorprüfung hier
nicht erforderlich. Die periodische Hinzuschaltung des Belastungswiderstandes beim
Spannungsnulldurchgang erfolgt beispielsweise mit Hilfe eines steuerbaren Gleichrichters.
-
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung ist in F
i g. 5 wiedergegeben. 1 und 2 stellen die Anschlußstellen (z. B. Steckdose) der
Meßschaltung dar. Die Netzspannung lädt über Widerstände 3 und 4 sowie über Gleichrichter
5 und 6 einen Kondensator 7 auf. Dieser Schaltungsteil hat die Aufgabe, den Belastungswiderstand
RB mit dem Bruchteil der Netzfrequenz (z. B. bei jeder zehnten Netzspannungsperiode)
beim Spannungsnulldurchgang an das Netz zu schalten. Die Widerstände 3 und 4 sowie
der Kondensator 7 sind so bemessen, dal3 der Kondensator 7 nach Ablauf der gewünschten
Periodenzeit die Höhe der Schaltspannung einer Vierschichtdiode 8 erreicht. In diesem
Augenblick entlädt sich der Kondensator 7 über die Vierschichtdiode 8 und einen
Widerstand 9 auf das Gitter eines steuerbaren Gleichrichters 10. Da der Kondensator
7 von den negativen Netzhalbwellen aufgeladen wird, liegt der Entladezeitpunkt stets
in der Zeitspanne, in der eine negative Netzspannungshalbwelle anliegt. Der Widerstand
9 ist so bemessen, daß die Entladezeit mindestens die Dauer einer Halbwelle beträgt.
Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die Zündung des steuerbaren Gleichrichters
10 und damit die Zuschaltung des Belastungswiderstandes RB nur zum Zeitpunkt eines
Spannungsnulldurchganges erfolgen kann.
-
Die am Belastungswiderstand RB auftretende Spannung lädt über einen
Widerstand 11 und einen
Gleichrichter 12 einen Kondensator 13 auf.
Beim Meßwinkel tm wird durch die an sich bekannte Schaltung aus Transformator 14,
Kondensator 15 und Widerstand 16 ein steuerbarer Gleichrichter 17 gezündet und damit
die Kurzschließung des Meßzweiges bewirkt. Auf diese Weise lädt sich der Kondensator
13 nur bis zum Zeitpunkt tM und damit nur bis zur Spannung MMB auf. Der Gleichrichter
12 verhindert eine Entladung des Kondensators 13 über den steuerbaren Gleichrichter
17 oder den Widerstand 11. Der den Meßzweig kurzschließende steuerbare Gleichrichter
17 kann auch entfallen, wenn an Stelle des steuerbaren Gleichrichters 10 ein gitterabschaltbarer
Thyristor verwendet wird, der den Belastungswiderstand RB beim Winkel tm abschaltet.
-
Der Kondensator 18 wird in der bereits erwähnten Weise mit Hilfe der
Widerstände RL und Rm auf die Spannung UMOX d. h. auf die dem Winkel tNr zugeordnete
unbelastete Netzspannung aufgeladen. Ein Gleichrichter 19 verbindert eine Entladung
des Kondensators 18 über die Widerstände RL und RM, Widerstände 20 und 21 dienen
zum Ausgleich der Ladungsunterschiede, die bei den Kondensatoren 13 und 18 als Folge
der unterschiedlichen Ladefrequenz auftreten. Ein Meßinstrument 22 bringt die arithmetische
Spannungsdifferenz uM0-uMB, die der gesuchten Netz-Innenimpedanz ZNI entspricht,
zur Anzeige.