DE19648230C2 - Kapazitiver Wechselspannungsteiler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Wechsel­ spannungsteiler mit den im Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1 angegebenen Merkmalen, wie er aus der DE 35 02 638 A1 bereits bekannt ist.

Weitere kapazitive Spannungsteiler und Verfahren zur Kom­ pensation der Gleichspannungskomponente sind aus der DE 28 46 285 C2 und der DT 26 34 595 bekannt.

Die beschriebenen Verfahren und Schaltungen benutzen eine geschaltete Entladungsstrecke zur zeitgesteuerten Entla­ dung des Niederspannungskondensators zu bestimmten Zeit­ punkten oder Integratoren zur Ermittlung und Kompensation der Gleichspannungskomponente.

So sind in der DE 35 02 638 A1 zwei verschiedene Verfah­ ren zur Beseitigung der Gleichspannungskomponente eines kapazitiven Wechselspannungsteilers beschrieben. Bei die­ sen beiden Verfahren wird jeweils der Gleichspannungs­ anteil der Meßwechselspannung ermittelt und von der Meß­ wechselspannung, der der Gleichspannungsanteil überlagert ist, subtrahiert, um eine von Gleichspannungsanteilen be­ freite Meßwechselspannung zur Verfügung zu stellen. Beim ersten dieser Verfahren erfolgt eine fortlaufende Inte­ gration der Meßwechselspannung über eine vollständige Pe­ riode der Meßwechselspannung. Beim zweiten bekannten Ver­ fahren erfolgt zur Ermittlung des Gleichspannungsanteils ein Vergleich von Spannungsmittelwerten, die eine halbe Periodendauer der Meßwechelspannung auseinanderliegen.

Weiterhin ist aus der DE 29 43 403 C2 ein kapazitiver Spannungsteiler bekannt, welcher eine Schaltungsanordnung aufweist, in der die Gleichspannungskomponente des Meß­ signals extrahiert wird. Das Meßsignal und die extra­ hierte Gleichspannungskomponente werden einer Kompensa­ tionsschaltung zugeführt, welche die im Meßsignal vorhan­ dene Gleichspannungskomponente kompensiert. Dieser be­ kannte kapazitive Spannungsteiler arbeitet mit einer Rückkopplung, wobei die genannte Kompensation in einem Verstärker V₁ erfolgt, dessen invertierendem Eingang die an einem Kompensationskondensator C₃ anliegende, von der extrahierten Gleichspannungskomponente abhängige Spannung zugeführt wird.

Ein aktiver kapazitiver Spannungsteiler mit Maßnahmen zur Begrenzung von Überspannungen ist aus DE 30 09 997 be­ kannt. Ein derartiger aktiver Spannungsteiler arbeitet mit einem virtuellen Nullpunkt am Eingang, der vom Ver­ stärker immer identisch Null gehalten wird, und inte­ griert den durch den Oberspannungskondensator fließenden Strom direkt im Rückführungskondensator. Eine Kompensa­ tionsschaltung zur Eliminierung von Gleichspannungskompo­ nenten ist nicht vorgesehen.

In DIN IEC 38(Sec)122 (VDE 0414 Teil 206) sind die Anfor­ derungen an elektronische Spannungswandler (ESW) für den Einsatz mit elektrischen Meß- und Schutzvorrichtungen bei Frequenzen von 15 bis 100 Hz definiert.

Die Einhaltung der dort festgelegten Fehlergrenzen für stationäre und transiente Bedingungen mit möglichst ein­ fachen Verfahren und Schaltungsmaßnahmen ist Hauptziel der vorliegenden Anmeldung.

Aufgrund von Netzstörungen können die Primärspannung Up und die Frequenz f von ihren Bemessungswerten beträcht­ lich abweichen. Ein für Meßzwecke verwendeter ESW muß diese Situationen ohne Beschädigung aushalten. Ein für Schutzzwecke verwendeter ESW ist zum ordnungsgemäßen übertragen des Signals bei bestimmungsgemäßen und unge­ wöhnlichen Bedingungen ausgelegt, um das Schutzrelais über jede kritische Änderung im Netzzustand zu informie­ ren.

Die wichtigsten in einem Hochspannungsnetz auftretenden Netzerscheinungen sind ständige Netzüberspannungen, ein­ poliger Erdschluß, atmosphärische Entladungen an Hoch­ spannungsfreileitungen und Schaltvorgänge.

Eine Reihe unterschiedlicher transienter Zustände beruhen auf Überspannungen und Schaltvorgängen und müssen von ei­ nem ESW beherrscht werden. Hierzu zählen plötzliche Pri­ märspannungsänderungen infolge eines Kurzschlusses in der gemessenen Phase oder durch einen Erdschluß in einer an­ deren Phase und angelagerte Ladungen, die während des Ab­ schaltens einer Leitung oder eines Kabels abhängig vom Abschaltaugenblick zurückbleiben und beim Wiedereinschal­ ten zu transienten Ausgleichsvorgängen in Form von trans­ ienten Gleichspannungsgliedern führen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen kapaziti­ ven Wechselspannungsteiler mit den im Oberbegriff des An­ spruchs 1 angegebenen Merkmalen derart weiterzubilden, daß eine schnellere Kompensation der vorstehend beschrie­ benen Gleichspannungsglieder erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen kapazitiven Wechselspan­ nungsteiler mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen angegeben.

Der beschriebene kapazitive Wechselspannungsteiler ist ein ESW im Sinne der oben genannten Norm, wobei der Pri­ märteil den Oberspannungskondensator CH beinhaltet, der Niederspannungsteil die Elemente CN und B beinhaltet und der Verstärkerteil im wesentlichen die Elemente V1 und K beinhaltet.

Der Niederspannungsteil wird aus Sicherheitsgründen vor­ zugsweise direkt an den Primärteil angeschlossen. Der An­ schluß des Verstärkerteils an den Niederspannungsteil er­ folgt in ausgedehnten Schaltwarten üblicherweise mit Hilfe einer Meßleitung M.

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist in das Über­ setzungsverhältnis des ESW neben CH und CN die Kapazität der Meßleitung M einzukalibrieren, was bei unterschiedli­ chen Leitungslängen in einer Schaltwarte umständlich und teuer ist.

Dieses Problem wird durch einen Ladungsverstärker mit Offsetregelung nach Fig. 2 gelöst. Die durch den zeitli­ chen Verlauf der Primärspannung UP (Fig. 7, obere Kurve) bedingten differentiellen Ladungsverschiebungen der Größe dUP . CH in CH verursachen einen Stromfluß i1, der zunächst als Stromfluß i3 zu einer gleich großen Ladungsverschie­ bung in CN führt (Fig. 7, mittlere Kurve). Als Folge hieraus erzeugt der Ladungsverstärker V1 mit einer ge­ ringfügigen Zeitverzögerung aufgrund seiner begrenzten Bandbreite einen Strom i4, der solange zu einer Ladungs­ verschiebung in CR und unter Vernachlässigung des Ein­ gangsstromes der Verstärkerstufe V1 mit i2 = i4 zu einer gleichgroßen Ladungsverschiebung in CN führt, bis die in CN befindliche Ladung der Größe dUP . CH gleich Null gewor­ den ist. Die am Ausgang des Ladungsverstärkers V1 ent­ standene Spannung (Fig. 7, untere Kurve) beträgt demnach dU2 = dUP . CH/CR, woraus sich das Übersetzungsverhältnis des ESW zu ü = U2/UP = CH/CR ergibt. Es ist erkennbar, daß die Kapazität der Meßleitung M hierauf ohne Einfluß ist.

Der Eingangsstrom des Verstärkers V1 in Fig. 1 und Fig. 2 als auch transiente Signalverläufe der Primärspannung UP können zu unerwünschten Gleichspannungsanteilen in der Spannung U2 durch Aufladung der Kapazitäten CN und/oder CR führen. Die Ausregelung dieser Gleichspannungsanteile erfolgt vorzugsweise mit einem bekannten, analog arbei­ tenden Regler RR mit i5 als Stellgröße und mit einer an die Regelstrecke V1 mit CN und/oder CR angepaßten PIT2- Regelcharakteristik und einer gegenüber der Periodendauer T der Meßwechselspannung vielfach größeren Regelzeitkon­ stanten von beispielsweise zwei Sekunden. Hierdurch wer­ den im Normalbetrieb Amplituden- und Phasenfehler des ESW klein gehalten.

Die Anforderungen an das transiente Verhalten des ESW bei primärseitigem Kurzschluß, bei Kurzunterbrechung KU durch den Leistungsschalter und bei Wiedereinschalten auf eine ladungsbehaftete Leitung werden erfindungsgemäß mit Hilfe eines Kompensationsverfahrens zur Eliminierung von Gleichspannungsanteilen nach Fig. 3 realisiert.

Die Ermittlung der Gleichspannungskomponente einer peri­ odischen Wechselspannung erfolgt hierbei nach der Glei­ chung U0(t) = 0,5 . [U2(t) + U2(t - T0)]. Die Laufzeit T0 wird durch das Laufzeitglied LZ dargestellt, wobei T0 = T/2 der halben Periodendauer der Meßwechselspannung UP entspricht.

Die Elimination der Gleichspannungskomponente in der Meß­ wechselspannung erfolgt durch Subtraktion der so ermit­ telten Gleichspannungskomponente U0(t) vom gleichspan­ nungsbehafteten Signalverlauf U2(t) und man erhält den gleichspannungsfreien zeitlichen Signalverlauf U3(t) nach der Gleichung U3(t) = U2(t) - U0(t). Dieses Verfahren liefert zum physikalisch frühestmöglichen Zeitpunkt, nämlich nach einer halben Periodendauer der Meßwechsel­ spannung UP den genauen Wert der Gleichspannungskompo­ nente und kann deshalb genauer und schneller als die bis­ her bekannten Lösungen, die auf Integration über einen gewissen Zeitbereich oder nur ereignisgesteuert mit ver­ änderbaren Impedanzen arbeiten, eine Gleichspannungskom­ ponente kompensieren.

Eine Ausführungsform einer Kompensationsschaltung nach diesem Verfahren zeigt Fig. 4. Die gleichspannungsbehaf­ tete Spannung U2 am Eingang von K wird zur Reduzierung höherfrequenter Signalanteile über einen Tiefpaß oder Bandpaß TP einem A/D-Wandler zugeführt und mit einer vor­ gegebenen Taktfrequenz f0 mit einer Auflösung von n Bit digitalisiert. Die digitalisierten Daten werden in einem Zwischenspeicher ZS mit f0 für eine Taktperiode zwischen­ gespeichert. Diese Daten werden mit f0 in ein Laufzeit­ glied, das als digitales Schieberegister SR mit n Bit Signalbreite und mit der Speichertiefe m ausgeführt ist, kontinuierlich eingeschrieben, wobei sie nach m Takten am Ausgang des SR entsprechend einer Laufzeit von T0 = m/f0 wieder für eine Taktperiode anliegen. Bei einem reali­ sierten Ausführungsbeispiel wurde beispielsweise n = 12 Bit und m = 128 gewählt.

Die am Ausgang von ZS anliegende Folge von Daten wird an einen D/A-Wandler W2 angelegt und ergibt an dessen Aus­ gang den taktsynchronen analogen Signalverlauf U2(t). Die am Ausgang von SR anliegende Folge von Daten wird an einen D/A-Wandler W1 angelegt und ergibt an dessen Aus­ gang den taktsynchronen analogen Signalverlauf U2(t - T0).

Diese beiden Signalverläufe werden an einen Rechenver­ stärker V2 gegeben, an dessen Ausgang der Signalverlauf U0(t) = 0,5 . [U2(t) + U2(t - T0)] abgegriffen werden kann.

Der berechnete Signalverlauf U0(t) wird zur Reduzierung von höherfrequenten Rauschanteilen mit Hilfe eines Wider­ standes R1 und eines Kondensators C1 geglättet und zusam­ men mit der gleichspannungsbehafteten Spannung U2 am Ein­ gang von K an einen weiteren Rechenverstärker V3 gegeben, an dessen Ausgang die gleichspannungsfreie Spannung U3 abgegriffen werden kann.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird zur Verbesserung der Abbildung in den ersten 10 ms nach Ein­ treten eines Primärkurzschlusses der Signalverlauf U0(t) über ein Differenzierglied aus C2 und R2 geführt. Bei Auftreten einer sprunghaften Änderung in U2 infolge eines Primärkurzschlusses oder anderer transienter Schaltvor­ gänge ändert sich auch U0 sprunghaft, wodurch eine Zeitablaufsteuerung Z1 einen zwischen R1 und C1 angeord­ neten Schalter S1 für ein vorgebbares Zeitintervall T1 öffnet und so die Kompensationswirkung für dieses Zeit­ intervall T1 aufgehoben ist. Das Zeitintervall T1 wird vorzugsweise gleich T0 entsprechend der Verzögerungszeit des Laufzeitgliedes LZ gewählt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird zur Verbesserung der Klassengenauigkeit des ESW für Meßzwecke die Kompensation in den normalen Betriebszeiten ausge­ schaltet. Hierfür wird eine weitere Zeitablaufsteuerung 22 vorgesehen, die nach Ablauf von Z1 gestartet wird und nach einem einstellbaren Zeitintervall T2 den Schalter S1 öffnet und somit die Ausgangsspannung U3 gleich der Ein­ gangsspannung U2 ist. Das Zeitintervall T2 wird vorzugs­ weise so groß gewählt, daß durch transiente Vorgänge ver­ ursachte Gleichspannungsanteile in der Spannung U2 vom Regler RR ausgeregelt sind und beispielsweise zu T2 = 2 Sekunden entsprechend der gewählten Regelzeitkonstanten gewählt wird.

Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele der Er­ findung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläu­ tert.

Fig. 1 zeigt eine kapazitive Teilerschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung als Ladungsverstärker zur Kompensation der Meßleitungskapazi­ tät.

Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform des Kompensa­ tionsverfahrens.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Kompensa­ tionsverfahrens nach Fig. 3.

Fig. 5 zeigt den Signalverlauf der Primärspannung bei Primärkurzschluß auf 1% der Nennspannung oben und den Signalverlauf der entsprechenden Ausgangsspannung U3 un­ ten. Es ist erkennbar, daß der Spannungsverlauf sowohl in den ersten ms des Zusammenbruches hinsichtlich der Kurz­ schlußspannung von 1% als auch beim Wiederzuschalten wirklichkeitsgetreu und unverzögert abgebildet wird.

Fig. 6 zeigt den Signalverlauf der Primärspannung bei Kurzunterbrechung durch den Leistungsschalter und Wieder­ zuschalten mit angelagerten Ladungen oben und den Signal­ verlauf der entsprechenden Ausgangsspannung U3 unten. Es ist erkennbar, daß der Spannungsverlauf U3 bei Öffnen des Leistungsschalters trotz der verbleibenden Restladungen am kapazitiven Teiler nach 10 ms auf Null kompensiert wird. Beim Wiederzuschalten mit angelagerten Ladungen auf entgegengesetzte Polarität der Wechselspannung als dem kritischsten Fall wird die Sinusform in den ersten 20 ms mit einem kleinen Restfehler und danach wirklichkeits­ getreu abgebildet. Sättigungserscheinungen nachgeschalte­ ter Wandler oder Schutzeinrichtungen sind somit auszu­ schließen und für den Schutz stehen schnellstmöglich genaue Spannungswerte zur Verfügung.

Fig. 7 zeigt als obere Kurve den Signalverlauf der Pri­ märspannung bei Primärkurzschluß, als mittlere Kurve den Signalverlauf am Niederspannungskondensator CN und als untere Kurve den zeitverzögerten Signalverlauf der Aus­ gangsspannung U2 des Ladungsverstärkers.

Claims (9)

1. Kapazitiver Wechselspannungsteiler zur breitbandigen Überwachung und Messung mittlerer bis hoher Wechselspan­ nungen, mit

• 1. einer zwischen einem Primärspannungsanschluß und einem Bezugsspannungsanschluß angeordneten Reihenschal­ tung aus mindestens einem Oberspannungskondensator und einem Niederspannungskondensator,
• 2. einem zwischen dem Oberspannungskondensator und dem Niederspannungskondensator vorgesehenen Abgriffpunkt für ein Meßsignal,
• 3. einer im Signalweg des Meßsignals angeordneten Ver­ stärkerstufe mit fester Verstärkung, und
• 4. einer mit dem Ausgang der Verstärkerstufe verbunde­ nen Kompensationsschaltung zur Erzeugung einer gleich­ spannungsfreien, der Primärspannung proportionalen Aus­ gangsspannung,

dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. ein Laufzeitglied (LZ) zur Verzögerung des Ausgangs­ signals der Verstärkerstufe (V1) um eine Zeitdauer (T0) entsprechend der halben Periodendauer der Meßwechselspan­ nung (U₂(t)),
• 2. ein erster Rechenverstärker (V2), dem eingangsseitig das Ausgangssignal (U₂(t)) der Verstärkerstufe (V1) und das Ausgangssignal (U₂(t - T0)) des Laufzeitgliedes (LZ) zugeführt sind, und der an seinem Ausgang einen der Gleichspannungskomponente des Ausgangssignals der Ver­ stärkerstufe (V1) entsprechenden Gleichspannungssignal­ verlauf zur Verfügung stellt, wobei die Beziehung des er­ sten Rechenverstärkers (V2) zur Ermittlung des zeitlichen Verlaufes der Gleichspannungskomponente U0(t) = 0,5 . [U2(t) + U2(t - T0)], mit T0 = die halbe Periodendauer der Meßwechselspannung (U₂(t)), lautet, und
• 3. ein zweiter Rechenverstärker (V3), dem eingangssei­ tig das Ausgangssignal (U₂(t)) der Verstärkerstufe (V1) und das am Ausgang des ersten Rechenverstärkers (V2) vor­ liegende Gleichspannungssignal (U0(t))zugeführt sind, und der an seinem Ausgang die gleichspannungsfreie, der Pri­ märspannung proportionale Ausgangsspannung (U3(t)) nach der Beziehung U₃(t) = U₂(t) - U₀(t) zur Verfügung stellt,

vorgesehen sind.

2. Kapazitiver Spannungsteiler nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ab­ griffpunkt für das Meßsignal und der Verstärkerstufe(V1) eine Meßleitung (M) vorgesehen ist.

3. Kapazitiver Spannungsteiler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz gegen Überspannungen parallel zum Niederspannungskondensator (CN) oder zwischen dem Eingang (E) der Verstärkerstufe (V1) und dem Bezugsspannungsanschluß Begrenzungselemente (B), wie z. B. Schutzfunkenstrecken, Überspannungsableiter oder Halbleiter-Begrenzungselemente, vorgesehen sind.

4. Kapazitiver Spannungsteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ stärkerstufe (V1) mit einer auf ihren Eingang wirkenden Regelrückführung (RR) vorzugsweise mit PIT2-Regelverhal­ ten mit großer Zeitkonstante versehen ist, die zur Ausre­ gelung von Gleichspannungsanteilen in der Ausgangsspan­ nung (U2) der Verstärkerstufe (V1) vorgesehen ist.

5. Kapazitiver Spannungsteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ stärkerstufe (V1) mit einer kapazitiven Rückkopplung (CR) zur Kompensation der Kapazität der Meßleitung (M) verse­ hen ist.

6. Kapazitiver Spannungsteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kom­ pensationsschaltung (K) am Eingang ein Tiefpaßfilter (TP) aufweist, daß das Laufzeitglied zur Erzeugung des Signal­ verlaufes U2(t - T0) aus einem A/D-Wandler, einem Zwischen­ speicher (ZS), einem digitalen Schieberegister (SR) mit einer Speicherlänge m und einem D/A-Wandler (W1) besteht, daß der A/D-Wandler, der Zwischenspeicher, das digitale Schieberegister und der D/A-Wandler von einem gemeinsamen Taktgenerator mit der Taktfrequenz f0 = m/T0 gesteuert sind, daß die Kompensationsschaltung zur Erzeugung eines taktsynchronen Signalverlaufes U2(t) einen an den Ausgang des Zwischenspeichers (ZS) angeschlossenen weiteren D/A- Wandler (W2) aufweist, und daß die am Ausgang des ersten Rechenverstärkers (V2) vorliegende Gleichspannungskompo­ nente über ein Tiefpaßfilter (R1, C1) zur Glättung höher­ frequenter Signal- und Rauschfrequenzen an den zweiten Rechenverstärker (V3) geführt ist.

7. Kapazitiver Spannungsteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des ersten Rechenverstärkers (V2) und dem zweiten Rechenverstärker (V3) ein Schaltelement (S1) vor­ gesehen ist, und der Ausgang des ersten Rechenverstärkers (V2) weiterhin über ein Differenzierglied (C2, R2) mit einer das Schaltelement (S1) steuernden Zeitablaufsteue­ rung (Z1) verbunden ist, die bei sprunghaften Änderungen des Gleichspannungssignals das Schaltelement (S1) für ein vorgebbares Zeitintervall (T1) öffnet.

8. Kapazitiver Spannungsteiler nach Anspruch 7, da­ durch gekennzeichnet, daß das vorgebbare Zeitintervall (T1) der Laufzeit des Laufzeitgliedes (LZ) entspricht.

9. Kapazitiver Spannungsteiler nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß er eine weitere Zeitablaufsteuerung (Z2) aufweist, die nach Ablauf des vorgebbaren Zeitintervalles für ein weiteres vorgebbares Zeitintervall (T2) das Schaltelement (S1) schließt und danach wieder öffnet.