DE2325306A1

DE2325306A1 - Schaltungsanordnung zur ueberwachung eines erdfreien niederspannungs-gleichstromnetzes

Info

Publication number: DE2325306A1
Application number: DE19732325306
Authority: DE
Inventors: Werner Meier; Rudolf Dipl Ing Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-05-18
Filing date: 1973-05-18
Publication date: 1974-11-21
Also published as: JPS5020235A; DE2325306B2; FR2230104B1; FR2230104A1; DE2325306C3

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, den? ' ^! ' '^:'''-' Berlin und München Werner-von^Siemens-Str.

Unser Zeichens VPA 73/3098 Gu/Or

Schaltungsanordnung zur überwachung eines erdfreien Miederspannungs-Gleichstromnetzes

JSTiederspannungs-Gleichstromnetze für elektronische Steuerungs- und Regelungsanlagen werden in zunehmendem Maße erdfrei betrieben, d.h. das Massepotential des Hiederspannungsnetzes ist nicht mit Erde verbunden» Der erdfreie Betrieb bietet eine erhöhte Sicherheit gegen Störbeeinflussung durch Schlüsse gegen Erde oder gegen erdgebundene Fremäspannungsquellen, beispielsweise ein Wechselstrom= oder Drehstrom-Hochspannungsnetz. Während bei einem erdgebundenen Fiederspannungs-Gl ei chs tromne t ζ bereits ein erster Schluß der Systemspannung gegen Erde zur Zerstörung von Halbleiterbauelementen oder zu Fehlsignalen in der Anlage führen kann₉ erlaubt eine erdfrei betriebene Anlage auch bei einer solchen Störung eine Weiterführung des ordnungsgemäßen Betriebes, Der erste Schluß gegen Erde oder ein anderes SpannungssTTstem muß allerdings räseh erfaßt und beseitigt werden. Kommt nämlich ein zweiter Erdschluß hinzu_s so kann dies entweder zu einer Betriefosbehinderung oder zu einer Fehlsteuerung führen_o Ein Schluß gegen ein fremdes Hochspannungssystem kann zu einer hohen Berührungsspannung und damit zu einer Gefährdung von|Personen führen, die mit der ffiederspannungsanlage in Berührung kommen.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindungj, eine Schaltungsanordnung zur Überwachung eines erdfreien Hie&erspannungs-Gleichstromnetzes zu schaffen» die das zu. überwachende Hetz ständig auf Brdschlüsse prüft» Die Überwachungsschaltung darf durch ihre Funktion keine Fehlsignale in der überdachten Anlage auslösen»

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Erfindungsgemäß wird hierzu vorgeschlagen, daß ein aus dem überwachten letz gespeister Taktgenerator eine pulsierende Meßspannung erzeugt, die über eine hochohmige Meßleitung an Erde gelegt ist. Der Meßleitung ist eine differentielle Stromerfassung zugeordnet, deren Ausgangssignal einen Grenzwertmelder zur Erzeugung eines Meldesignals ansteuert.

Mit Hilfe dieser Schaltungsanordnung kann das Betriebspersonal einen Erdschluß nach seiner Meldung mit einem geeigneten Suchgerät rasch auffinden und beseitigen, bevor ein zweiter Erdschluß zu Schaden oder Fehlsignalen führen kann«

Die erfindungsgemäße Überwachungsschaltung benutzt als treibende Spannung für den Suchstrom keine statische Spannung, sondern eine pulsierende Spannung mit vorzugsweise dreieckförmlgem Verlauf. Bei Verwendung einer statischen Meßspannung würde ein Erdschluß nicht gemeldet werden, der von einem Punkt ausgeht, der zufällig die gleiche Spannung wie die statische Meßspannung aufweist. Um auch in diesem lall ein Meldesignal zu bekommen, wird erfindungsgemäß eine pulsierende Meßspannung benutzt. Die Frequenz der pulsierenden Meßspanmang wird vorzugsweise im Bereich von 0,01 Hz bis 0,1 Hz liegen, da eine höherfrequente Meßspannung infolge der Kapazität des Systems gegen Erde ständig einen Erdschluß vortäuschen würde.

Bei einem Erdschluß fließt ein Suchstrom auf der Meßleitung, dessen treibende Spannung die Schlußspannung mit der überlagerten Meßspannung darstellt. Die different!eile Erfassung des Suchstromes erzeugt positive und negative Impulse, die einem Grenzwertmelder zugeführt werden. Die Höhe dieser Impulse Ist nur vom Differentialquotienten des Suchstromes abhängige nickt aber von dessen Absolutwerten bzw. den Werten der Schlußspannung. Durch eine einstellbare Ansprech— schwelle des Grenzwertmelders kann der Wert des Erdschluß-

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Widerstandes festgelegt werden, bei dessen Unterschreiten ein Meldesignal abgegeben wird. Die Meldung ist von der Größe der Schlußspannung unabhängig.

Die hochohmige Meßleitung gegen Erde verhindert Fehlschaltungen in der überwachten Anlage im Erdschlußfall. Weiterhin wird durch diese hochohmige Erdverbindung sichergestellt, daß das überwachte erdfreie Niederspannungsnetz nicht völlig frei "schwimmen" und über statische Aufladungen eine hohe Spannung gegen Erde annehmen kann.

Der Taktgenerator zur Erzeugung einer dreieckförmigen Meßspannung kann vorzugsweise aus einem Kippverstärker mit zwei gegeneinander geschalteten Zenerdioden in der Gegenkopplung und aus einem nachgeschalteten Integrierverstärker aufgebaut sein, dessen Ausgang mit dem nichtinvertierenden Eingang des Kippverstärkers verbunden ist. Wichtig ist, daß die Versorgungsspannungen und die Bezugsspannung für die beiden Verstärker aus dem überwachten Netz abgeleitet sind.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht zur differentiellen Stromerfassung e inen Meßwiderstand in der Meßleitung vor, dessen Spannungsabfall über ein Differenzierglied und einen Betragsbildner dem Grenzwertmelder zur Erzeugung des Meldesignals zugeführt ist. Diese Ausführungsform ist schaltungstechnisch besonders einfach zu realisieren. Es ist zu beachten, daß die Bauelemente nicht geerdet sein dürfen, sondern mit dem Massepotential des überwachten Niederspannungs-Gleichstromnetzes verbunden sind.

Das vom Erdschluß betroffene Fptential kann nach einer Ausgestaltung der Erfindung durch einen vom Spannungsabfall am Meßwiderstand beeinflußten Mittelpunkts-Spannungsmesser angezeigt werden. Der Zeiger des Mittelpunkt-Spannungsmessers wird bei einem Erdschluß des positiven Potentials

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im positiven Bereich und bei einem Erdschluß des negativen Potentials im negativen Bereich der Skala pendeln. Bei einem Erdschluß des Massepotentials des überwachten Netzes wird der Zeiger um den Nullpunkt pendeln.

Eine für die Sicherheit der in der überwachten Anlage arbeitenden Personen besonders wichtige Weiterbildung der Erfindung sieht ein die Spannung zwischen Erde und dem überwachten Netz erfassendes Schwellwertglied zur Erzeugung eines Alarmsignals bei einem Schluß mit einer erdgebundenen Fremdspannungsquelle vor. Dieses Alarmsignal entsteht, sobald die Spannung zwischen Erde und dem überwachten Netz den Schwellwert des Schwellwertgliedes übersteigt. Wichtig ist hierbei, daß die erfindungsgemäße Überwachungsschaltung auch dann nicht beschädigt werden kann, wenn ein solcher Schluß gegen eine erdgebundene Fremdspannungsquelle über längere Zeit ansteht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 2 den Aufbau eines Taktgenerators zur Erzeugung einer pulsierenden dreieckförmigen Meßspannung,

Fig. 3 die Spannungsverläufe am Meßwiderstand bei Erdschlüssen der verschiedenen Potentiale,

Fig. 4 das Ausgangssignal der differentiellen Stromerfassung.

Das überwachte Niederspannungsnetz besteht aus dem positiven Potential P, dem negativen Potential N und dem Massepotential M. Der Taktgenerator 1 erhält seine Versorgungsspannung aus dem übe-wachten Netz. Er erzeugt an seiner Ausgangsklemme 13 eine pulsierende dreieckförmige Meßspannung, die über die Meßleitung 2 mit dem hochohmigen Vorwiderstand 3 und dem Meßwiderstand 4 an Erde 5 gelegt ist. Solange kein Erdschluß

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auftritt? sind die Erdschlußwiderstände R^₉ IL, und Rp unendlich groß. Im Falle eines Erdschlusses verkleinert sich einer dieser Erdschlußwiderstände und es kann ein Suchstrom vom Taktgenerator 1 über die Meßleitung 2_S die Erde5, den betreffenden Erdschlußwiderstand und das überwachte Netz zurück zum Taktgenerator 1 fließen, da dessen Stromversorgung aus dem überwachten Netz erfolgt. Der Suchstrom verursacht im Meßwiderstand 4 einen entsprechenden proportionalen Spannungsabfall, der einem Differenzierglied 6 mit einem eingangsseitigen aktiven Tiefpaßfilter zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Differenziergliedes S wird im Betragsbildner 7 gleichgerichtet und einem Grenzwertmelder 8 zur Erzeugung eines Meldesignals am Ausgang A1 zugeführt<> Der Spannungsabfall am Meßwiderstand 4 wird einem Mittelpunkts-Spannungsmesser 9 zugeführt, der die Polarität des gestörten Potentials anzeigt« Für den Fall eines Schlusses mit einer erdgebundenen Fremdspannungsquelle ist die Meßleitung 2 über den Vorwiderstand 10 mit dem Betragsbildner 11 verbunden, der ein Schwellwertglied 12 zur Erzeugung eines Alarmsignals am Ausgang A2 ansteuert.

Bei einem Erdschluß des M-Potentials ist die Erdschlußspannung U™ praktisch vernachlässigbar. Der Suchstrom i^ wird daher von der Meßspannung U₁ des Taktgenerators 1 getrieben. Der Suchstrom i™ folgt der Meßspannung U₁ gemäß Gleichung (i)s

4 - ^U1 M

Im Meßwiderstand 4 entsteht ein proportionaler Spannungsabfall TJ._M, der in Mg. 3 dargestellt ist» Die Spitzenwerte des Suchstromes i« und damit auch des Spannungsabfalls tL·™ sind ausschließlich von der Größe des ErdschlußwiderStandes B™ abhängig. Folglich sind auch die Steigungen im zeitliehen Verlauf des Suchstromes i_M bzw. des Spannungsabfalls U,_M eine Funktion des Erdschlußwiderstandes Β-,οDurch Differentiation

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von Gleichung (1) bzw. des proportionalen Spannungsabfalls υ.« entsteht die in Fig. 4 dargestellte Ausgangsspannung Ug des Differenziergliedes 6. Die Höhe ihrer positiven und negativen Impulse ist ein Maß für die Größe des Erdschlußwiderstandes IL,. Die Ausgangs spannung Ug des Differenziergliedes wird im Betragsbildner 7 gleichgerichtet und dem Grenzwertmelder 8 zugeführt. Je nach der Größe des Erdschlußwiderstandes IL. findet über das Differenzierglied 6 und den Betragsbildner 7 ein mehr oder weniger großer Spannungsübertrag auf den einstellbaren Grenzwertmelder 8 statt. Unterschreitet der Erdschlußwiderstand IL- einen bestimmten Wert,spricht der Grenzwertmelder 8 an und gibt am Ausgang A1 ein leistungsstarkes Meldesignal ob.

Bei einem Erdschluß äes P-Potentials ist die treibende Spannung für den Suchstrom i die Schlußspannung Up mit der überlagert
Gleichung (2):

der überlagerten Meßspannung. Pur den Suchstrom i gilt

Ut> 4- U₁

Im Meßwiderstand 4 entsteht der in Fig. 3 eingezeichnete proportionale Spannungsabfall U.p. Die Differentiation des Verlaufs des Suchstromes i bzw. des Spannungsabfalls U,p ergibt wiederum den Spannungsverlauf Ug nach Fig. 4 am Ausgang des Differenziergliedes 6. Der Spannungsverlauf Ug ist somit unabhängig von der Schlußspannung Up.

Die Erfassung eines Erdschlusses des N-Potentials entspricht der eines P-Schlusses, jedoch ist die Stromflußrichtung des Suchstromes i« nach Gleichung (3) i

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entsprechend der Schlußspannung U« umgekehrt. Am Meß~ widerstand 4 entsteht der proportionale Spannungsabfall U

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in Pig. 3, der wiederum eine Aus gangs spannung U_fi (I¹Ig. 4) des Differenziergliedes 6 hervorruft,

υ β

Bei der Darstellung der Spannungsverläufe TJ/ps TJ._M und TJ.„ in Pig. 3 wurden gleiche Werte der Erdschlußwiderstände Rp, IL. und Rjj zugrunde gelegt. Die Spannungsverläufe weisen daher gleiche Steigungen auf, woraus jeweils der gleiche Spannungsverlauf TJg in Figur 4 resultiert= Bei anderen Werten der Erdschlußwiderstände ändern sich die.Spitzenwerte der Spannungen TJi und damit auch die Steigungen in den Spannungsverläufen« Entsprechend ändert sich auch die Höhe der Impulse der Ausgangsspannung TJg des Differenziergliedes 6.

Durch die Wahl einer dreieckförmigen pulsierenden Meßspannung erzielt man nach Gleichrichtung der Ausgangsspannung TJg des Differenziergliedes 6 ein annähernd konstantes Eingangssignal für den Grenzwertmelder 8. Es ist jedoch auch die Verwendung einer pulsierenden Meßspannung mit anderem Spannungsverlauf möglich.

Ein Schluß zwischen dem überwachten erdfreien Niedergpannungs-Gleichstromnetz MNP mit einer erdgebund-enen Fremdspannungsquelle - beispielsweise einer Phase eines geerdeten Drehstromsystems - bewirkt ein Ansprechen des Schwellwertgliedes 12, sobald die Spannung zwischen Erde 5 und einem Punkt des überwachten Niederspannungsnetzes M IT P dessen Schwellwert übersteigt. Das Schwellwertglied 12 gibt dann am Ausgang A2 ein Alarmsignal aus, das gegebenenfalls verstärkt wird und als leistungsstarkes Gefahrensignal zur Verfügung steht. Zur Erzeugung dieses Alarmsignals ist es gleichgültig, ob es sich um einen Schluß eines fremden Dreh- oder Gleichstromsystems gegen das überwachte Niederspannungsnetz handelt. Voraussetzung ist nur, daß die Spannung zwischen Erde und dem überwachten Netz den Schwellwert des Schwellwertgliedes 12 übersteigt. Dieser Schwellwert wird vorzugsweise einstellbar ausgeführt werden.

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Pig. 2 zeigt die Innenschaltung des Taktgenerators 1 in Fig. ' Einem Kippverstärker 14 mit zwei gegeneinander geschalteten Zenerdioden 15, 16 in der Gegenkopplung ist ein Integrierverstärker 18 mit einem Kondensator 19 in der Gegenkopplung nachgeschaltet. Der Ausgang 13 des Integrierverstärkers 18 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang des Kippverstärkers 14 verbunden.

Der Kippverstärker 14 liegt "beispielsweise zunächst an seinem unteren Anschlag und liefert daher ein konstantes negatives Signal. Ein am Potentiometer 17 einstellbarer Teil dieser Spannung steht am invertierenden Eingang des Integrierverstärkers 18 an. Dieser läuft entspreohend der Aufladung des Kondensators 19 hoch, bis seine Ausgangsspannung den Kipp-Punkt des Kippverstärkers 14 erreicht. Dieser kippt an seinen oberen Anschlag und legt eine konstante positive Spannung an den invertierenden Eingang des Integrierverstärkers 18. Seine Ausganges spannung fällt linear, bis der untere Kipp-Punkt des Kippverstärkers 14 erreicht wird. An der Ausgangsskiemme 13 erscheint die Meßspannung mit dreieckförmigem Verlauf, deren steigende und fallende Planken gleiche Steigungen aufweisen.

Es ist wesentlich, daß die Versorgungsspannungen und die Bezugsspannung für die beiden Verstärker 14 und 18 aus dem überwachten Netz MNP abgeleitet sind.

6 Ansprüche
4 Figuren

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Claims

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- 9 Patentansprüche

Schaltungsanordnung zur Überwachung eines erdfreien Niederspannungs-Gleichstromnetzes, gekennzeichnet durch einen aus dem überwachten Netz gespeisten Taktgenerator zur Erzeugung einer pulsierenden Meßspannungp die über eine hochohmige Meßleitung an Erde gelegt ist₉ und durch eine der Meßleitung zugeordnete differentielle Stromerfassung, deren Ausgangssignal einen Grenzwertmelder zur Erzeugung eines Meldesignals ansteuert»

2„Schaltungsanordnung nach Anspruch 1„ dadurch gekennzeichnet, daß die pulsierende Meßspannung einen dreieckförmigen Verlauf aufweist»

3» Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktgenerator (1) zur Erzeugung der dreieckförmigen Meß spannung aus einem Kippverstärker (14) Mit 2 gegenein-= ander geschalteten Zeaerdioden (15_S 16) in der Gegenkopplung und aus einem nacMgeschalteten Integrierverstärker (18 _t 19) aufgebaut ist_P dessen Ausgang (.13) mit dem nichtinvertierenden Eingang des Kippverstärkers (14) verbunden ist«

ο Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Meßwiderstand (4) in der Meßleitung (2) ₉ dessen Spannungsabfall über ein Differenzierglied (6) und einen Betragsbildner (7) dem Grenzwertmelder (8) zur Erzeugung des Meldesignals zugeführt ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4» gekennzeichnet durch einen vom Spannungsabfall am Meßwiderstand (4) beeinflußten Mittelpunkts-Spannungsmesser (9) zur Anzeige des gestörten Potentials (M, N₉P)I

β ο Schaltungsanordnung nach Anspruch i_t gekennzeichnet durch ein die Spannung zwischen Erde und dem überwachten Netz erfassendes Schwellwertglied (12) zur Erzeugung eines Alarmsignals bei einem Schluß mit einer erdgebundenen 3Fremdspannungsquelle„

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