DE19831769C1

DE19831769C1 - Vorrichtung zur Überwachung eines Stromnetzes

Info

Publication number: DE19831769C1
Application number: DE1998131769
Authority: DE
Inventors: Norbert Holscher; Stefan Thiele
Original assignee: Heinrich Kopp GmbH and Co KG
Current assignee: Heinrich Kopp GmbH and Co KG
Priority date: 1998-07-15
Filing date: 1998-07-15
Publication date: 1999-10-07
Anticipated expiration: 2018-07-16

Abstract

Eine Vorrichtung zur Überwachung eines Stromnetzes mit Phasenleitern, einem Neutralleiter und einem Erdleiter mit einem durch Zusammenschalten der Phasenleiter gebildeten künstlichen Nullpunkt. Mit mindestens zwei Potentialvergleichseinrichtungen die eingangsseitig jeweils eine Potentialdifferenz zwischen Neutralleiter, Erdleiter und dem künstlichen Nullpunkt erfassen und bei Überschreiten eines Schwellenspannungswertes ausgangsseitig jeweils ein Erfassungsignal an eine logische Steuerschaltung abgeben. Die Steuerschaltung steuert einen Schaltmechanismus derart, daß die Phasenleiter, der Neutralleiter und der Erdleiter bei Überschreiten der Schwellenspannung unterbrochen werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung eines Stromnetzes, insbesondere eines dreiphasigen Stromnetzes mit Neutral- und Erdleiter.

Bei einem mehrphasigen Netz können verschiedenste Fehler auf treten. Beispielsweise kann der Erdleiter oder der Neutrallei ter nicht angeschlossen sein. Darüberhinaus besteht in den ver schiedensten Kombinationen die Möglichkeit, daß einer der Pha senleiter mit dem Erdleiter kurzgeschlossen ist oder daß einer der Phasenleiter mit dem Neutralleiter kurzgeschlossen ist. Darüberhinaus kann noch eine der Phasen ausfallen. Eine Über wachung aller Potentiale ist schaltungstechnisch jedoch aufwen dig und selbst fehleranfällig.

Aus der GB-1262358 ist es bekannt, zur Überwachung eines Strom netzes unterschiedliche Potentialdifferenzen zu bilden und die se untereinander zu vergleichen. Werden dadurch unzulässige Betriebszustände ermittelt, wird das Stromnetz abgetrennt.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Überwachung eines Stromnetzes zu schaffen, welche die verschie densten Fehler erkennen kann bei gleichzeitig einfachem techni schen Aufbau.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den im Patentan spruch 1 bis 3 angegebenen Merkmalen jeweils gelöst.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden werden erfindungswesentliche Merkmale der Erfin dung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrie ben.

Es zeigen:

Fig. 1 das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Vorrich tung;

Fig. 2 eine erste Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 eine dritte Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 ist das Funktionsprinzip der Erfindung dargestellt. Bei dem durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zu überwachenden mehrphasigen Netz, insbesondere einem dreiphasigen Netz, werden die verschiedenen Phasenleiter sternförmig zu einem künstlichen Nullpunkt (KN) zusammengeschaltet. An dem künstlichen Nullpunkt (KN) liegt im fehlerfreien Idealfall keine Spannung an. Die Potentiale des künstlichen Nullpunktes (KN), des Neutralleiters (N-Leiter) (N) und des Erdleiters (PE-Leiter) (PE) werden mit einander verglichen.

Zur Überwachung von n Potentialen ist es nicht unbedingt not wendig, diese jeweils einzeln zu messen, d. h. n Messungen durchzuführen, sondern es reicht vielmehr aus, jeweils die n - 1 Differenzspannungen zwischen den Potentialpunkten zu messen.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Funktionsprinzip mit dem künstlichen Nullpunkt (KN), dem Neutralleiter N und dem Erdlei ter PE sind also zur Überwachung der Potentiale lediglich zwei Messungen erforderlich, nämlich die Erfassung der Differenz spannung, gemessen von einem Potentialpunkt zu den jeweils bei den übrigen Potentialpunkten. Die an sich überflüssige dritte Differenzspannungsmessung zwischen den beiden übrigen Potenti alpunkten kann allerdings als Kontrollmessung beibehalten wer den, was z. B. sinnvoll bei einer Elektronik mit Fail-Safe-Be trieb ist.

Die Fig. 2 bis 4 zeigen jeweils bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung eines drei phasigen Stromnetzes.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung eines Stromnetzes, bei dem die Po tentialdifferenz zwischen dem Neutralleiter 4 und zwei Poten tialpunkten, nämlich dem künstlichen Nullpunkt 9 und dem Erd leiter 5 gemessen bzw. überwacht wird.

Das dreiphasige zu überwachende Stromnetz besteht aus drei Pha senleitern 1, 2, 3, dem Neutralleiter 4 und dem Erdleiter 5. Durch sternförmiges Zusammenschalten der Phasenleiter 1, 2, 3 über Sternleitungen 6, 7, 8 wird der künstliche Nullpunkt 9 gebildet, der über eine weitere Sternleitung 10 mit einer er sten Potentialvergleichseinrichtung 11 verbunden ist. In die Sternleitungen 6, 7, 8 sind rein Ohmsche oder vorzugsweise identische hochohmige komplexe Widerstände 12, 13, 14 geschal tet.

Die erste Potentialvergleichseinrichtung 11 ist eingangsseitig zwischen dem künstlichen Nullpunkt 9 und über Leitungen 15, 16, 17 an den Neutralleiter 4 geschaltet. Eine zweite Potentialver gleichseinrichtung 18 ist eingangsseitig über eine Leitung 19 an den Erdleiter 5 und über Leitungen 17, 16, 20 an den Neu tralleiter 4 geschaltet. Die erste Potentialvergleichseinrich tung 11 ist über eine Ausgangsleitung 21, und die zweite Poten tialvergleichseinrichtung 18 ist über eine zweite Ausgangslei tung 22 mit einer logischen Steuerschaltung 23 verbunden, die über eine Steuerleitung 24 einen Schaltmechanismus 25 steuert. Der Schaltmechanismus 25 ist mechanisch mit Schaltern 26, 27, 28, 29, 30 verbunden, die in Abhängigkeit von dem von der logi schen Steuerschaltung 23 abgegebenen Steuersignal die Phasen leiter 1, 2, 3 sowie den Neutral- und Erdleiter 4, 5 auftren nen/unterbrechen.

Die erste Potentialvergleichseinrichtung 11 mißt die Differenz spannung zwischen dem künstlichen Nullpunkt 9 und dem Neutral leiter 4. Die zweite Potentialvergleichseinrichtung 18 mißt die Differenzspannung zwischen dem Neutralleiter 4 und dem Erdlei ter 5. Im fehlerfreien Idealfall sind die durch die beiden Po tentialvergleichseinrichtungen 11, 18 gemessenen Differenzspan nungen identisch jeweils Null. Bei Auftreten von Fehlern treten Differenzspannungen eingangsseitig an den beiden Potentialver gleichseinrichtungen 11, 18 auf, die bei Überschreiten einer einstellbaren Schwellenspannung ein Steuersignal zur Erfassung eines Fehlers über die Ausgangsleitungen 21, 22 an die logische Steuerschaltung 23 abgeben. Bei der logischen Steuerschaltung 23 handelt es sich vorzugsweise um ein logisches ODER-Gatter, das die eingangsseitig anliegenden Erfassungssignale der beiden Potentialvergleichseinrichtungen 11, 18 logisch ODER-verknüpft zur Abgabe eines Steuersignals über die Steuerleitung 24 an den Schaltmechanismus 25. Überschreitet eine der gemessenen Diffe renzspannungen den einstellbaren Schwellenspannungswert, gibt die logische Steuerschaltung 23 ein Steuersignal an den Schalt mechanismus 25 zur Öffnung der Schalter 26, 27, 28, 29, 30 ab. Der Schaltmechanismus 25 ist vorzugsweise ein Ruhestromauslö ser.

Wie in Fig. 2 gezeigt, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung des Stromnetzes vorzugsweise zusätzlich Er kennungseinrichtungen 31, 32 auf, die bei fehlendem Erdleiter 5 und Neutralleiter 4 eine durch die Potentialvergleichsein richtung 11, 18 erfaßbare Spannungsdifferenz erzeugen, wodurch Erfassungssignale zur Erfassung des fehlerhaft angeschlossenen Erdleiters 5 an die logische Steuerschaltung 23 zur Betätigung des Schaltmechanismus 25 abgegeben werden. Die Neutralleiter erkennungseinrichtung 31 und die Erdleitererkennungseinrichtung 32 können beispielsweise durch Zusammenschalten der drei Pha senleiter 1, 2, 3 über Leitungen 33, 34, 35 bzw. 36, 37, 38 sowie über jeweils einen in Reihe geschalteten komplexen Wider stand und eine Diode auf einen gemeinsamen Knoten (Sternknoten) geschaltet sein, der einen Prüfstrom in den PE-bzw. N-Leiter einprägt, der wiederum bei nicht beschalteten PE-bzw. N-Leiter eine Spannung an dem jeweiligen Leiter (PE- oder N-Leiter) ent stehen läßt. Ein Fehler wird über die Potentialvergleichsein richtung 11, 18 erkannt.

Zur Erfassung von Fehlerströmen kann die erfindungsgemäße Vor richtung zur Überwachung des Stromnetzes vorzugsweise zusätz lich eine Differenzstrommeßeinrichtung 39 aufweisen, die bei Erfassung von Fehlerströmen über eine Ausgangsleitung 41 über einen an die Phasenleiter 1, 2, 3 und den Nulleiter 4 geschal teten Summenstromwandler 40 ein Erfassungssignal an die logi sche Steuerschaltung 23 abgibt.

Die an den Potentialvergleichseinrichtungen 11, 18 einstellbare Schwellenspannung beträgt bei idealen Verhältnissen 0 Volt. Allerdings können durch geringe Potentialdifferenzen, bei spielsweise durch einen Spannungsabfall an dem Neutralleiter 4, bei hoher Last oder durch einen verschobenen künstlichen Nullpunkt aufgrund einer unsymmetrischen Last zulässige Poten tialdifferenzen entstehen, die noch nicht zu einer Auslösung/ Öffnung der Schalter/Schaltkontakte 26, 27, 28, 29, 30 führen sollen. Die Schwellenspannung an den Potentialvergleichsein richtungen 11, 18 wird daher auf eine noch als zulässig erach tete Schwellenspannung von beispielsweise 35 Volt eingestellt.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform wird die Po tentialdifferenz zwischen dem Neutralleiter 4 und den beiden übrigen Potentialen, nämlich dem Potential des künstlichen Nullpunkts 9 und dem Potential des Erdleiters 5 gemessen.

Die in Fig. 3 dargestellte zweite Ausführungsform der Erfin dung unterscheidet sich von der in Verbindung mit Fig. 2 be schriebenen Ausführungsform lediglich dadurch, daß die Po tentialvergleichseinrichtungen 11, 18 die Differenzspannungen zwischen dem künstlichen Nullpunkt 9 und dem Neutralleiter 4 einerseits und zwischen dem künstlichen Nullpunkt 9 und dem Erdleiter 5 andererseits erfassen.

Gegenüber Fig. 2 gleiche Teile sind in Fig. 3 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Wie sich aus Fig. 3 ergibt, ist die erste Potentialvergleichseinrichtung 11, die bei der Ausführungsform nach Fig. 2 zwischen den Leitungen 10 und 15 angeordnet ist und über eine Verbindungsleitung 21 mit der logischen Steuer schaltung 23 verbunden ist, bei der Ausführungsform nach Fig. 3 jedoch zwischen die Leitung 17 und die zweite Potentialvergleichs einrichtung 18 geschaltet, während der künstliche Nullpunkt 9 bei der Ausführungsform nach Fig. 3 über die Leitung 10 sowohl mit der ersten Potentialvergleichseinrichtung 11 als auch mit der zweiten Potentialvergleichseinrichtung 18 verbunden ist.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform wird die Po tentialdifferenz zwischen dem künstlichen Nullpunkt 9 und den beiden übrigen Potentialpunkten, nämlich dem Neutralleiter 4 und dem Erdleiter 5 gemessen.

Bei der in Fig. 4 dargestellten dritten Ausführungsform gemäß der Erfindung erfassen die Potentialvergleichseinrichtungen 18, 11 die Differenzspannungen zwischen dem Erdleiter 5 und dem künstlichen Nullpunkt 9 einerseits und zwischen dem Erdleiter 5 und dem Neutralleiter 4 andererseits.

In der in Fig. 4 gezeigten Schaltung sind gegenüber Fig. 2 und 3 gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen, wes halb auf die vorangehende Beschreibung verwiesen wird. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, liegt die erste Potentialvergleichseinrich tung 11 entsprechend Fig. 3 mit einem Anschluß an der Leitung 17 bzw. am Ausgang der Neutralleitererkennungseinrichtung 31 an, während der andere Anschluß der ersten Potentialvergleichs einrichtung 11 mit der zweiten Potentialvergleichseinrichtung 18 sowie mit der Erdleitererkennungseinrichtung 32 verbunden ist. Über die Leitung 21 ist die erste Potentialvergleichsein richtung 11 wie bei den vorangehenden Ausführungsformen mit der Steuerschaltung 23 verbunden. Die zweite Potentialvergleichs einrichtung 18 ist mit ihrem zweiten Anschluß über die Leitung 10 mit dem künstlichen Nullpunkt 9 verbunden. Die Erdleiterer kennungseinrichtung 32 ist hingegen mit ihren zu den Leitungen 36, 37, 38 abgewandten Anschluß, der mit der Leitung 19 verbun den ist, zusätzlich an einen Verknüpfungspunkt 42 zwischen den Potentialvergleichseinrichtungen 11 und 18 angeschlossen. Im übrigen entspricht der Aufbau der vorstehenden Beschreibung.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform wird die Po tentialdifferenz zwischen dem Erdleiter 5 und den beiden übri gen Potentialpunkten, nämlich dem künstlichen Nullpunkt 9 und dem Neutralleiter 4 gemessen.

Die in den Fig. 2 bis 4 dargestellte erfindungsgemäße Vor richtung zur Überwachung eines Stromnetzes erkennt den direkten Anschluß eines Erdleiters 5 sowie eine auf dem Erdleiter 5 an liegende Fremdspannung. Darüberhinaus wird eine Spannung bzw. Spannungsverschleppung auf dem Neutralleiter 4 erkannt. Mittels der Differenzstrommeßeinrichtung 39 wird außerdem ein auf den Phasenleitern 1, 2, 3 sowie dem Neutralleiter 4 auftretender Fehlerstrom als Fehler erkannt.

Bei Auftreten eines Fehlers werden von den beiden Potentialver gleichseinrichtungen 11, 18 bzw. der Differenzstrommeßeinrich tung 39 Erfassungsignale an die logische Steuerschaltung 23 abgegeben, die den mechanischen Schaltmechanismus 25 zur Öff nung der Schalter 26, 27, 28, 29, 30 veranlaßt. Vorzugsweise erfolgt die Abschaltung eines an dem Netz angeschlossenen Ver brauchers durch eine Unterspannungsauslösung.

Claims

1. Vorrichtung zur Überwachung eines Stromnetzes

1. mit Phasenleitern (1, 2, 3), einem Neutralleiter (4) und einem Erdleiter (5)
2. mit einem künstlichen Nullpunkt (9), der durch Zusammen schalten der Phasenleiter (1, 2, 3) über identische hoch ohmige komplexe Widerstände (12, 13, 14) gebildet wird,
3. mit mindestens zwei Potentialvergleichseinrichtungen (11, 18),
4. wobei die erste Potentialvergleichseinrichtung (11) eingangsseitig eine Potentialdifferenz zwischen dem künst lichen Nullpunkt (9) und dem Neutralleiter (4) erfaßt,
5. wobei die zweite Potentialvergleichseinrichtung (18) ein gangsseitig eine Potentialdifferenz zwischen dem Neutral leiter (4) und dem Erdleiter (5) erfaßt,
6. wobei die Potentialvergleichseinrichtungen (11, 18), wenn die erfaßten Potentialdifferenzen eine Schwellenspannung überschreiten, jeweils ausgangsseitig ein Erfassungssignal an eine logische Steuerschaltung (23) abgeben, und
7. wobei die logische Steuerschaltung (23) durch ein Steuer signal einen Schaltmechanismus (25) derart steuert, daß die Phasenleiter (1, 2, 3), der Neutralleiter (4) und der Erdleiter (5) bei Überschreiten der Schwellenspannung un terbrochen werden (Fig. 2).

2. Vorrichtung zur Überwachung eines Stromnetzes

1. mit Phasenleitern (1, 2, 3), einem Neutralleiter (4) und einem Erdleiter (5)
2. mit einem künstlichen Nullpunkt (9), der durch Zusammen schalten der Phasenleiter (1, 2, 3) über identische hoch ohmige komplexe Widerstände (12, 13, 14) gebildet wird,
3. mit mindestens zwei Potentialvergleichseinrichtungen (11, 18),
4. wobei die erste Potentialvergleichseinrichtung (11) eingangsseitig eine Potentialdifferenz zwischen dem künst lichen Nullpunkt (9) und dem Neutralleiter (4) erfaßt,
5. wobei die zweite Potentialvergleichseinrichtung (18) ein gangsseitig eine Potentialdifferenz zwischen dem künstli chen Nullpunkt (9) und dem Erdleiter (5) erfaßt,
6. wobei die Potentialvergleichseinrichtungen (11, 18), wenn die erfaßten Potentialdifferenzen eine Schwellenspannung überschreiten, jeweils ausgangsseitig ein Erfassungssignal an eine logische Steuerschaltung (23) abgeben, und
7. wobei die logische Steuerschaltung (23) durch ein Steuer signal einen Schaltmechanismus (25) derart steuert, daß die Phasenleiter (1, 2, 3), der Neutralleiter (4) und der Erdleiter (5) bei Überschreiten der Schwellenspannung un terbrochen werden (Fig. 3).

3. Vorrichtung zur Überwachung eines Stromnetzes

1. mit Phasenleitern (1, 2, 3), einem Neutralleiter (4) und einem Erdleiter (5)
2. mit einem künstlichen Nullpunkt (9), der durch Zusammen schalten der Phasenleiter (1, 2, 3) über identische hoch ohmige komplexe Widerstände (12, 13, 14) gebildet wird,
3. mit mindestens zwei Potentialvergleichseinrichtungen (11, 18),
4. wobei die erste Potentialvergleichseinrichtung (11) eingangsseitig eine Potentialdifferenz zwischen dem Neu tralleiter (4) und dem Erdleiter (5) erfaßt,
5. wobei die zweite Potentialvergleichseinrichtung (18) ein gangsseitig eine Potentialdifferenz zwischen dem künstli chen Nullpunkt (9) und dem Erdleiter (5) erfaßt,
6. wobei die Potentialvergleichseinrichtungen (11, 18), wenn die erfaßten Potentialdifferenzen eine Schwellenspannung überschreiten, jeweils ausgangsseitig ein Erfassungssignal an eine logische Steuerschaltung (23) abgeben, und
7. wobei die logische Steuerschaltung (23) durch ein Steuer signal einen Schaltmechanismus (25) derart steuert, daß die Phasenleiter (1, 2, 3), der Neutralleiter (4) und der Erdleiter (5) bei Überschreiten der Schwellenspannung un terbrochen werden (Fig. 4).

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltmechanismus (25) vorzugsweise einen Ruhe stromauslöser aufweist, der mechanisch mit Schaltkontakten (26, 27, 28, 29, 30) verbunden ist, welche in den Phasen leitern (1, 2, 3), dem Neutralleiter (4) und dem Erdleiter (5) vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Phasenleitern (1, 2, 3) und dem Erdleiter (5) eine Erdleitererkennungseinrichtung (32) und zwischen den Phasenleitern (1, 2, 3) und dem Neutralleiter (4) eine Neutralleitererkennungseinrichtung (31) geschaltet sind, die bei fehlendem oder eine Fremdspannung führendem Erd leiter (5) bzw. Neutralleiter (4) ein Erfassungssignal an die logische Steuerschaltung (23) abgibt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Neutralleiter- und Erdleitererkennungseinrichtun gen (31, 32) jeweils durch Zusammenschalten der Phasenlei ter (1, 2, 3) über jeweils einen in Reihe geschalteten komplexen Widerstand und eine Diode auf einen gemeinsamen Sternknoten geschaltet wird, wobei an dem jeweiligen Sternknoten bei korrektem Anschluß des Erdleiters (5) bzw. des Neutralleiters (4) keine Spannung anliegt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Differenzstrommeßeinrichtung (39), die über einen an die Phasenleiter (1, 2, 3) und den Neutralleiter (4) geschalteten Summenstromwandler (40) ein Erfassungssignal an die logische Steuerschaltung (23) ab gibt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die logische Steuerschaltung (23) die eingangsseitig anliegenden Erfassungssignale logisch "Oder"-verknüpft zur Abgabe des Steuersignals an den Schaltmechanismus (25).

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß drei Phasenleiter (1, 2, 3) vorgesehen sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellenspannung der beiden Potentialvergleichs einrichtungen (11, 18) einstellbar ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellenspannung der beiden Potentialvergleichs einrichtungen (11, 18) auf ca. 35 Volt eingestellt ist.