DE2325306C3 - Schaltungsanordnung zur ErdschlußÜberwachung eines erdfreien Niederspannungs-Gleichstromnetzes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Erdschlußüberwachung eines erdfreien Niederspannungs-Gleichstromnetzes !pit Hilfe einer pulsierenden Meßspannung

Niederspannungs-Gleichstromnetzi: für dcMion· sehe Steuerungs- und Regelungsaniagen weilen in zunehmendem Maße erdfrei betrieHn -i h das Massepotential des Niederspann!ing.-,n;w'Ajs ι si mehl mit. Erde verbunden. Der erdfreie Betrieb bietet eine erhöhte Sicherheit gegen Störbeeinflussung durch Schlüsse gegen Erde oder gegen erdgebundene Fremdspannungsquellen, beispielsweiv.' gegen ein Wechselstrom- oder Drehstrom-Hochspannungsnetz.

Während bei einem erdgebundenen Niederspannungs-Gleichstromnetz bereits ein erster Schluß der Systemspannung gegen Erde zur Zerstörung von Haibleiter-οαυείειηεηΐεη oder zu Fehlsignalen in der Anlage führen kann, erlaubt eine erdfreie betriebene Anlage auch bei einer solchen Störung eine Weiterführung des ordnungsgemäßen Betriebes. Der erste Schluß gegen Erde oder ein anderes Spannungssystem muß allerdings rasch erfaßt und beseitigt werden. Kommt nämlich ein zweiter Erdschluß hinzu, so kann dies entweder zu einer Betriebsbehinderung oder zu einer Fehlsteuerung führen. Ein Schluß gegen ein fremdes Hochspannungssystem kann zu einer hohen Berührungsspannung und damit zu einer Gefährdung von Personen führen, die mit der Niederspannungsanlage in Berührung kommen.

Aus der DD-PS 27 113 ist eine Schaltungsanordnung zur Überwachung des Isolationswiderstan'des von Gleichstromnetzen bekannt, bei der dem überwachten Netz eine sich periodisch ändernde Meßspannung überlagert wird. Während der Messung des Verhältnisses der Meßspannung zu einem Spannungsabfall an einem Vorwiderstand wird so lange eine Zusatzspannung zur Meßspannung hinzugefügt, bis die zwischen den Einspeisepunkten der Meßspannung vorhandene, aus dem überwachten Netz kommende Spannung kompensiert ist und das gemessene Verhältnis trotz sich ändernder Meßspannung konstant bleibt. Die Meßspannung wird zwischen Erdpotential und einem durch Reihenschaltung zweier Vorschaltwiderstände zwischen Pluspol und Minuspol des zu überwachenden Netzes festgelegten Potential eingespeist und somit ein Punkt der Meßspannung gegen den Pluspol bzw. den Minuspol auch bei sich ändernder Meßspannung nicht verändert. Die bekannte Schaltungsanordnung beruht auf einer Widerstandsmessung mit Hilfe einer Meßbrükke. Der Snom in einer Brückendiagonale ist ein Maß für ein Widerstandsverhältnis. Der Abgleich der Meßbrükke nimmt eine gewisse Zeit in Anspruch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Erdschlußüberwachung eines erdfreien Niederspannungs-Gleichstromnetzes zu schaffen, die das zu überwachende Netz ständig auf Erdschlüsse prüft und gegebenenfalls einen Erdschluß rasch anzeigt Die Überwachungsschaltung soll derart aufgebaut sein, daß durch ihre Funktion keine Fehlsignale in der überwachten Anlage ausgelöst werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst daß

a) ein die pulsierende Meßspannung erzeugender Taktgenerator vorgesehen ist, dessen Versorgungsspannungsanschlüsse mit dem überwachten Netz verbunden sind, daß

b) der die pulsierende Meßspannung führende Ausgang des Taktgenerators über eine hochohmige Meßleitung an Erde gelegt ist und daß

c) der hochohmigen Meßleitung eine differentielle Stromerfassung zugeordnet ist, deren Ausgangssignal ein Maß für die Größe des Lrdschlußwiderstandes darstellt.

Das Ausgangssigna! der differentiellen Stromerfassung kann über einen Grenzwertmelder geführt werden, dessen Ausgangssignal ein Meldesignal darstellt. Das Betriebspersonal kann 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 eine pulsierende Spannung mit vorzugsweise dreieckförmigem Verlauf. Die Frequenz der pulsierender! Meßspannung wird vorzugsweise im Bereich von 0,01 Hz bis 0,1 Hz liegen, da eine höherfrequentt Meßspannung infolge der Kapazität des Systems gegen Erde ständig einen Erdschluß vortäuschen würde. Die Verwendung einer dreieckförmigen Meßspannung ist aus der US-PS 37 32 463 an sich bekannt, die eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung eines Erdschlusses auf einem Wechselspannungsnetz beschreibt.

Bei einem Erdschluß fließt ein Suchstrom auf der Meßleitung, dessen treibende Spannung die Schlußspannung mit der überlagerten Meßspannung darstellt. Die differentielle Erfassung des Suchstromes erzeugt positive und negative Impulse, die einem Grenzwertmelder zugeführt werden. Die Höhe dieser Impulse ist nur vom Differentialquotienten des Suchstror..es abhängig, nicht aber von dessen Absolutwerten bzw. den Werten der Schlußspannung. Durch eine einstellbare Ansprechschwelle des Grenzwertmelders kann der Wert des Erdschlußwiderstandes 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.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Taktgenerator zur Erzeugung der dreieckförmigen Meßspannung aus einem Kippverstärker mit zwei gegeneinander geschalteten Zenerdioden in der Gegenkopplung und aus einem nachgeschalteten Integrierverstärker aufgebaut, dessen Ausgang mit dem nichtinvertierenden Eingang des Kippverstärkers verbunden ist, wobei die Versorgungsspannung des Kippverstärkers und des Integrit:;n_: stärkers aus dem überwachten Netz entnommen ist.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht zur differentiellen Stromerfassung einen 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 ve'bunden sind.

Das vom Erdschluß betroffene Potential kann nach einer Ausgestaltung der Erfindung durch einen vom Spannungsabfall am Meßwiderstand beeinflußten Mittelpunkts-Spannungsmesser angezeigt we.den. Der Zeiger des Mittelpunkt-Spannungsmessers wird bei einem Erdschluß des positiven Potentials im positiven Bereich und bei einem Erdschluß des negativen Potentials im negativen Bereich der Skala pendeln. Bei einem Erdschluß des Massepolentials 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 einen! Schluß mit einer erdgebundenen Fremdsp^nnungsquti-Ie vor. Dieses Alarmsignal entsteht, sobald die Spannung zwischen Erde und dem überwachten Net/ den S^hwellwert des Schwellwertgliedes übersteigt. Wichtig ist hierbei, daß die erfindungsgemäße Überv,a chungsschaltung auch dann nicht beschädigt werden kann, wenn ein solcher Schluß gegen eine e.dgebundene Fremdspannungsquelle über längere Zeit ansteht.

to Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ir; der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

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

Fig. 3 die Spannungsverläufe am Meßwertwiderstand bei Erdschlüssen der verschiedenen Potentiale.

.'o F i g. 4 das Ausgangssignal der dif'feremielien Stromerfassung.

Das überwachte Niederspannungsnetz besteht aus dem positiven Potential P, dem negativen Potential N und dem Massepotential M. Der Taktgenerator 1 erhält

2j seine Versorgungsspannung aus dem überwachten Netz. Er erzeugt an seiner Ausgangsklemme 13 eine pulsierende dreieckförmige Meßspannung, die über eine Mißleitung 2 mit einem hochohmigen Vorwiderstand 3 und einem Meßwiderstand 4 an Erde 5 gelegt ist.

ίο Solange kein Erdschluß auftritt, sind die Erdschlußwiderstände /?\, Rm und Rp unendlich groß. Im Falle eines Erdschlusses verkleinert sich einer j.^er Erdschlußwiderstände, und es kann ein Suchstrom vom Taktgenerator 1 über die Meßleitung 2. die Erde 5, den

r> betreffenden Erdschlußwiderstand und d^i 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

4Ii einem Differenzierglied 6 mit einem eingangsseitigen aktiven Tiefpaßfilter zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Differenziergliedes 6 wird in einem Betragsbildner 7 gleichgericr tei und einem Grenzwertmelder 8 zur Erzeugung eines Meldesignals am Ausgang

4> A \ 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 erdgebir,denen Fremdspannungsquelle ist die Meßleitung 2 über einer

ίο Vorwiderstand 10 mit einem Betragsbildner 11 verbunden, der ein Schwellwertglied 12 zur Erzeugung eine¹ Alarmsignals am Ausgang A 2 ansteuert

Bei einem Erdschluß des M-Potentiais ist die Erdschlußspannung Um praktisch vernachiassigbiir. Der

Vi Suchstrom /λ; wird daher von der Meßsp;· nung u de-Taktgenerators 1 getrieben. Der Suchstrom ;\₍ folgt der Meßspannung u. gemäß Gleichung (1):

t"> '" ~ K,t K₄ + R ■-'

Im Meöwiderstand 4 entsteht ein r'^pomr naler Spannungsabfall LV- <ier in Fig. ί ά_Λ· _b. '<-■.'. ·.. Die Spitzenwerte des Suchstron.es /·,- ¹JP'' . .. ■. iui·.r: ei-.·- ns Spannungsabfalls (Absind ausschließ^¹ .■■<■" eier Cr_,;',_ des Erdschlußwiderstandes K_M abhängig. FgIsj!^:.-'< ^^;nr auch die Steigungen im /p'Hiche^ Veiiaui .J-" Suchstromes i'm bzw des Spannungsabfalls LLm eine

Funktion des Erdschlußwiderstandes Rm- Durch Differentiation von Gleichung (1) bzw. des proportionalen Spannungsabfalls Ua μ entsteht die in F i g. 4 dargestellte Ausgangsspannung L 't des Differcn/.iergliedes 6. Die Höhe ih^rer nosinven und negativen Impulse ist ein iviaß ■> für «Hie Größe des hrdschlußwiderstandes Rm- Die Ausgang. par.:.uii.k? Ll. des Differenzierglicües6 win! im Rciiagsbildner 7 gleichgerichtet und dem Grenzwertmelder 8 zugeführt ]e nach der Größe des Erdschlußwiderslandes Rm find'-t über das Diffeix-nzierglied 6 und i" ■ lon Betragsbildner 7 ein mehr oder weniger großer Spannungsübertrag auf den einstellbaren Grenzwertneider 8 statt. Unterschreitet der Erdschlußwiderstand Rm einen vorbestimmten Wert, spricht der Grenzwertmelder 8 an und gibt am Ausgang A 1 ein leistungsstar- r> kes Meldesignal ah.

Bei einem Erdschluß des P-Potentials ist die treibende Spannung für den Suchstrom i_p die Schlußspannung Ur mit der überlagerten Meßspannung. Für den Suchstrom /pgiltGleichung(2): 2"

U₁. + U₁

D ι t> ι D

AJT i\4 T t\f

(2)

Im Meßwiderstand 4 entsteht der in F i g. 3 eingezeichneie proportionale Spannungsabfall Uap- Die Differentiation des Verlaufs des Suchstromes i_p bzw. des Spannungsabfalls Uap ergibt wiederum den Spannungsverlauf Ub nach F i g. 4 am Ausgang des Differenzier- m gliedes 6. Der Spannungsverlauf ίΛ ist somit unabhängig von der Schlußspannung Up.

Die Erfassung eines Erdschlusses des /V-Potentials entspricht der eines P-Schlusses, jedoch ist die Stromflußrichtung des Suchstromes i'n nach Gleichung r> (3):

U_s + u, R₃ + K₄ + K_v

(3)

entsprechend der Schlußspannung Uy umgekehrt. Am Meßwiderstand 4 entsteht der proportionale Spannungsabfall LAk in F i g. 3, der wiederum eine Ausgangsspannung Ub (F i g. 4) des Differenziergliedes 6 hervorruft.

Bei der Darstellung der Spannungsverläufe Uap, Uam und Uan in F i g. 3 wurden gleiche Werte der Erdschiußwiderstände Rp, Rm und Rn zugrunde gelegt. Die Spannungsverläufe weisen daher gleiche Steigungen auf, woraus jeweils der gleiche Spannungsverlauf Ub in Fig.4 resultiert. Bei anderen Werten der Erdschlußwiderstände ändern sich die Spitzenwerte der Spannungen Us, und damit auch die Steigungen in den Spannungsverläufen. Entsprechend ändert sich auch die Höhe der Impulse der Aussari^soannung f./,, de: DiiiiTcnziergliedcs 6.

D'.'Th die Wahl eine;· Jreieckförmigen pulsierend:.-: Meßspannung er/iclt man :.<ι·."Η Gleichrichtung dci Ausgangsspannung Lk des Differen/.icrglicdcs 6 ein annähernd konstantes Eingangssignal für den Grenzwertmelder 8. Fs ist jedoch auch die Verwendung einer pulsierenden McUspannung mit <i »lerem Spannungs verlauf möglich.

Hin Schluß zwischen dem überwachten erdfreien Niede'-spannungs-Gleichslromnetz MNP mit einer erdpehundenen Frcmdspannungsquclle — beispielsweise einer Phase eines geerdeten Drehstromsyslems — bewirk¹ ein Anspinnen des Schwellwertgliedes 12 sobald die Spannung zwischen Erde 5 und einem Punkt des überwachten Niederspannungsnetzes M N Pdessen Schwellwert übersteigt. Das Schwellwertglied 12 gib dann am Ausgang A 2 ein Alarmsignal aus, da? gegebenenfalls verstärkt wird und als leistungsstarke Gefahrensignal zur Verfugung steht. Zur Erzeugung dieses Alarmsignals ist es gleichgültig, ob es sich um einen Schluß eines fremden Dreh- oder Gleichstromsy stems gegen das überwachte Niederspannungsnetz handelt. Voraussetzung ist nur, daß die Spannung zwischen Erde und dem überwachten Netz der Schwellwert des Schwellwer»gliedcs 12 übersteigt Dieser Schwellwert wird vorzugsweise einstellbat ausgeführt werden.

F i g. 2 zeigt die Innenschaltung des Taktgenerators 1 in Fig. 1. 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 fntegrierverstärkers 18 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang des Kippverstärkers 14 verbunden.

Der Kippverstärker 14 liegt beispielsweise zunächst an seinem unteren Anschlag und liefen daher ein konstantes negatives Signal. Ein an einem Potentiometer 17 einstellbarer Teil dieser Spannung steht am invertierenden Eingang des Integrierverstärkers 18 an Dieser läuft entsprechend 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 Ausgangsspannung fällt linear, bis der untere Kipp-Punkt des Kippverstärkers 14 erreicht wird. An der Ausgangskiemme 13 erscheint die Meßspannung mit dreieckförmigem Verlauf, deren steigende und fallende Flanken gleiche Steigungen aufweisen.

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

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Erdschlußüberwachung eines erdfreien Niederspannungs-Gleichstromnetzes mit Hilfe einer pulsierenden Meßspannung, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein die pulsierende Meßspannung erzeugender Taktgenerator (1) vorgesehen ist, dessen Versorgungsspannungsanschlüsse mit dem überwachten Netz verbunden sind, daß

b) der die pulsierende Meßspannung tührende Ausgang des Taktgenerators (1) über eine hochohmige Meßleitung (2) an Erde gelegt ist und daß

c) der hochohmigen Meßleitung (2) eine differentielle Stromerfassung (6) zugeordnet ist, deren Ausgangssignal ein Maß für die Größe des Erdschlußwiderstandes darstellt.

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 dreiekförmigen Meßspannung aus einem Kippverstärker (14) mit zwei gegeneinander geschalteten Zenerdioden (15, 16) in der Gegenkopplung und aus einem nachgeschalteten Integrierverstärker (18 mit Kondensator 19) aufgebaut ist, dessen Ausgang (13) mit dem nichtinvertierenden Eingang des Kippverstärkers (14) verbunden ist, wobei die Versorgungsspannung des Kippverstärkers und des Integrierverstärkers aus dem überwachten Netz entnommen ist (F i g. 2).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Meßwiderstand (4) in der Meßleitung (2), dessen Spannungsabfall über ein Differenzierglied (6) und einen Betragsbildner (7) einem Grenzwertmelder (8) zur Erzeugung eines 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 des überwachten Netzes.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein die Spannung zwischen Erde umi dem überwachten Netz erfassendes Schwellwertglied (12) zur Erzeugung eines Alarmsignals bei einem Schluß mit einer erdgebundenen Fremdspan nungsquelle.