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Erdschluss-Ueberwachungseinrichtung Die Erfindung betrifft eine Erdschluss-Ueberwachungseinrichtung
für galvanisch vom Netz getrennte Wechsel- oder Drehstromsysteme, insbesondere für
Wicklungen von Wechsel- oder Drehstrommaschinen, bei der zwischen einem Null- bzw.
Sternpunkt des zu überwachenden Systems und Erde eine Zusatzspannungsquelle mit
mindestens einer von der Netzfrequenz verschiedenen Frequenz eingeschaltet ist.
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Am Sternpunkt eines erdschlussfreien Wechselstromsystems tritt im
Fall der Symmetrikeine Spannung gegen Erde auf, während bei Erdschluss im Abstand
vom Sternpunkt zwischen diesem und Erde eine Verlagerungsspannung auftritt, von
der grundsätzlich
ein Erdschluss-Kennzeichnungssignal abgeleitet
werden kann.
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Diese Anordnung versagt jedoch bei Erdschluss unmittelbar am Sternpunkt,
wobei trotz Fehler keine Verlagerungsspannung zur Verfügung steht, und auch im Fall
von stärkeren Unsymmetrien im zu überwachenden System, die bei einwandfreier Anlage
einen Erdschluss vortäuschen können. Man hat deshalb bereits zwischen dem Sternpunkt
des zu überwachenden Systems und Erde eine Zusatzspannungsquelle eingeschaltet,
deren Stromfluss im Erdschlussfall als Fehlerkennzeichen verwendbar ist, Eine Erdschluss-Ueberwachungseinrichtung
der eingangs genannten Art mit netzfrequenzfremder Zusatzspannung, die von einem
entsprechend gesteuerten Wechselrichter geliefert wird, ist aus der DT-PS 1 463
574 bekannt. Diese Anordnung setzt eine Gleichstromquelle sowie eine hinreichend
genaue und stabile Frequenzsteuerung für den Wechselrichter mit entsprechenden aktiven
Schaltungselementen und vergleichsweise hohem Aufwand voraus.
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Ausserdem erfolgt die Fehl erdetekt ion bei dieser bekannten Anordnung
auf der Gleichstromseite des Wechselrichters, so dass durch das Auftreten von Leckströmen
oder ähnlichen Fehlern innerhalb des Wechselrichters selbst eine Fehlerfall vorgetäuscht
werden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Erdschluss-Ueberwachungseinrichtung,
die sich durch geringen Schaltungsaufwand
und vergleichsweise einfachen
Aufbau sowie entsprechende Robustheit und Betriebssicherheit auszeichnet. Die erfindungsgemässe
Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet stich bei einer Ueberwachungseinrichtung der
eingangs genannten Art dadurch, dass die Zusatzspannungsquelle eine netzfrequente
Wechselspannungsquelle in Verbindung mit einem Uebertragungsglied mit nichtlinearer
Strom-Spannungskennlinie aufweist, dassn diese Zusatzspannungsquelle zwei Vergleichsstromzweige
angeschlossen sind, deren erster die Impedanz wenigstens eines Stromzweiges des
zu überwachenden Systems umfasst und deren zweiter auf ein vorgegebenes Impedanzverhältnis
zu dem ersten Vergleichsstromkreis im erdschlussfreien Zustand abgeglichen ist,
und dass die beiden Vergleichsstromzweige mit eine auf wenigstens eine nichtnetzfrequente
Signalkomponente ansprechenden Differenz-Detektor verbunden sind.
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Diese Schaltungsanordnung ermöglicht es, mit einer einfachen Wechselspannungsquelle,
vorzugsweise mit einer durch geringen Aufwand von der Netzspannung entnommenen Wechselspannung,
und mit einfachen passiven, nicht,linearen Uebertragunselementen, beispielsweise
mit nur einer Diode als Einweggleichrichter, eine nichtnetzfrequente Zusatzspannung
oder eine Zusatzspannung mit einer Mehrzahl von netzfrequenzfremden Frequenzkomponenten
zu erzeugen und somit denIRpedanzvergleich zwischen den Vergleichsstromzweigen von
netzfrequenten Störspannungen unabhängig zu machen. Gleichzeitig ist die Ueberwachung
unabhängig von der
Lage eines auftretenden Erdschlusses innerhalb
des zu überwachenden Systems, d.h. frei von einer toten Zone und insbesondere auch
bei Erdschluss im Sternpunkt des zu überwachenden Systems voll wirksam.
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Grundsätzlich ist es möglich, die beiden Vergleichsstromzweige in
Serienschaltung oder auch in Parallelschaltung anzuordnen und demgemäss einen Spannungsvergleich
bzw. einen Stromvergleich für die beiden Zweige zur Feststellung einer Abweichung
vom Abgleichzustand durchzuführen. Vorzugsweise wird jedoch eine Parallelschaltung
mit Stromvergleich angewendet, wobei dieser Stromvergleich beispielsweise mittels
eines Differenzübertragers oder eines Differenzverstärkers vorteilhaft einfach durchführbar
ist und die Schaltungsteile ausserdem im Erdschlussfall auf niedrigeren Spannungen
gehalten werden könren.
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Weiterhin ist es grundsätzlich möglich, alle Frequenzkomponenten der
durch das nichtlinerare Uebertragunsglied erzeugten Zusatzspannung oder doch einen
wesentlichen Teil dieser Frequenzkomponenten,gegebenenfalls auch einschliesslich
einer netzfrequenten Komponente, für den Strom- bzw. Spannungsvergleich heranzuziehen,
weil im allgemeinen ein ausreichender Anteil an netzfrequenzfremden Komponenten
sichergestellt werden kann.
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Bevorzugt empfiehlt es sich jedoch, die netzfrequente Komponente auszufiltern
und insbesondere einen Bandpass mit Ubernetzfrequentem Durchlassbereich in Verbindung
mit dem Differenz-Detektor
vorzusehen. Die netzfrequenten Störspannungen,
und zwar sowohl diejenigen infolge netzfrequenter Verlagerungsspannung innerhalb
des zu überwachenden Systems wie auch unsymmetrische Spannungskomponenten aus dem
Netz, können dann im wesentlichen ausser Betracht bleiben.
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Die Erfindung wird weiter anhand der in den Zeichnungen schematisch
dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Hierin zeigt Fig. 1 das Prinzipschaltbild
einer Drehstrommaschine als zu überwachendes System in Verbindung mit einer ersten
Ausführung der erfindungsgemässen Ueberwachungseinrichtung und Fig. 2 eine zweite
Ausführung der erfindungsgemässen Ueberwachungseinrichtung ohne das zu überwachende
System.
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Fig. 1 zeigt eine Synchronmaschine 1 mit Rotorwicklung 2 und Statorwicklung
3, letztere über einen Transformator 4 mit einem Drehstromnetz verbunden. Die Statorwicklung
3 der Synchronmaschine und die damit verbundene Wicklung 4a des Transformators stellen
im Beispielsfall das zu überwachende System dar. Die parasitären Erdkapazitäten
des Systems sind vereinfacht als strichlierte Kondensator-Sternschaltung 5 angedeutet.
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An den Sternpunkt 6 des zu überwachenden Systems ist über einen Widerstand
7 und eine Frimärwicklung 8a eines Differenzübertragers 8 sowie eine Diode 9 als
Einweggleichrichter die Sekundärwicklung lOa eines Uebertragers 10 gegen Erde angeschlossen.
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Der Widerstand 7 zusammen mit einem der Impedanzeinstellung auf bequeme
Werte dienenden Parallel-Erdwiderstand 7a und mit der am Sternpunkt 6 gemessenen
Erdimpedanz des zu überwachenden Systems bilden einen ersten Vergleichsstromzweig,
der durch den Uebertrager 10 in Verbindung mit Diode 9 als Zusatzspannungsquelle
mit einem Detektionsstrom gespeist wird.Die Grösse dieses Detektionsstromes wird
wesentlich durch die Erdimpedanz des zu überwachenden Systems bestimmt, worin die
Wicklungswiderstände und die parasitären Kapazitäten 5 eingehen (die Wicklungsinduktivitäten
sind im Beispielsfall im Vergleich zu den ohmschen Widerständen als vernachlässigbar
angenommen).
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Parallel zu dem ersten Vergleichsstromzweig ist an die durch Ueber
trager 10 und Diode 9 gebildete Zusatzspannungsquelle ein zweiter Vergleichsstromzweig
mit einer zweiten Primärwicklung 8b des Differenzübertragers 8 und einem einstellbaren
ohmschen Widerstand 12 sowie einem ebenfalls einstellbaren Kondensator 13 angeschlossen.
Die Primärwicklung lOb des Uebertragers 10 wird vom zu überwachenden System über
einen Zwischenübertrager 11 mit netzfrequenter Wechselspannung gespeist. Die Sekundärwicklung
8c des Differenzübertragers 8 führt jeweils eine Ausgangsspannung,
die
der Differenz der in den beiden Vergleichsstromzweigen fliessenden Ströme entspricht
und deren Spektrum durch die untere und obere Grenzfrequenz des Differenzübertragers
begrenzt ist. Die durch Diode 9 bedingte Gleichstromkomponente auf der Primärseite
des Differenzübertragers entfällt somit auf der Sekundärseite, während die obere
Grenzfrequenz des Differenzübertragers jedenfalls so bemessen ist, dass wesentliche
Frequenzkomponenten oberhalb der Netzfrequenz durchgelassen werden, beispielsweise
mindestens 100 Hz.
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Aus dem Ausgangssignal des Differenzübertragers 8 wird mittels eines
übernetzfrequenten Bandpasses 14, dessen Durchlassbereich beispielsweise bei 100
Hz liegt, eine für die Ueberwachung geeignete Frequenzkomponente ausgefiltert und
einem Schwellenwertschalter 15 mit nachgeschaltetem Relais 16 zugeführt.
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Letzteres kann eine nicht näher dargestellte Anzeige- oder Alarmeinrichtung,
gegebenenfalls auch eine Abschalteinrichtung oder eine ähnliche Schutzeinrichtung
aktivieren. Diese Schutzeinrichtungen gehören nicht zum Gegenstand der Erfindung
und bedürfen daher keiner Darstellung.
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Im erdschlussfreien Zustand des zu überwachenden Systems, wobei also
dieses ausser durch den ersten Vergleichsstromzweig mit dem Erdanschluss zwischen
den Widerständen 7a und 12 nur über die parasitären Kapazitäten 5 mit Erde verbunden
ist, werden die Ströme in den beiden Vergleichsstromzweigen durch entsprechende
Justierung
des Widerstandes 12 und des Kondensators 13 auf eine Differenz eingestellt, die
mit ausreichendem Sicherheitsabstand unterhalb der Ansprechschwelle des Schwellenwert
schalters 15 liegt. Wenn nun, wie in Fig. 1 durch Pfeil an einem Strang der Statorwicklung
3 angedeutet, innerhalb des zu überwachenden Systems ein Erdschluss auftritt, so
nimmt die Erdimpedanz des Systems im Sternpunkt 6 und damit die Gesamtimpedanz des
ersten Vergleichsstromzweiges in jedem Fall stark ab, so dass ein entsprechend starkes
Differenzsignal an der Sekundärwicklung 8c des Differenzübertragers 8 auftritt und
mit seiner vom Bandpass 14 durchgelassenen Frequenzkomponente den Schwellenwert
schalter 15 zum Ansprechen bringt. Die netzfrequente Verschiebungsspannung aus dem
zu überwachenden System und Störspannungen sowie Spannungsunsymmetrien aus dem Netz
bleiben infolge der Ausfilterung im Bandpass 14 ohne Einfluss auf die Erdschlussüberwachung.
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Insbesondere bleibt auch eine Auslöschung durch etwa auftretende Gegenphasigkeit
der netzfrequenten Verschiebungsspannung mit den netzfrequenten Komponente der Zusatzspannung
ohne Einfluss, so dass die Ueberwachungseinrichtung keine tote Zone hinsichtlich
der Erschlusslage im zu überwachenden System aufweist.
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Die Ausführung nach Fig. 2 stimmt hinsichtlich des beispielsweise
angenommenen, zu überwachenden Systems und hinsichtlich des durch den Differenzübertrager
mit Bandpass gebildeten Differenz-Detektors sowie nachgeschaltetem Schwellenwert
schalter und Relais mit der Ausführung nach Fig. 1 Uberein. Für die entsprechenden
Schaltungsteile
sind daher die gleichen Bezugszeichen eingetragen. Abweichend ist bei der Ausführung
nach Fig.
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2 eine Serienschaltung zweier Vergleichsstromzweige vorgesehen.
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Der erste Vergleichsstromzweig wird hier allein durch die in Sternpunkt
6 des zu überwachenden Systems gemessene Erdimpedanz gebildet, die unmittelbar an
die Verbindung zwischen den beiden Primärwicklungen 8a und 8b des Differenzübertragers
8 angeschlossen ist und in Serie zu einem zweiten Vergleichsstromzweig aus einstellbarem
Kondensator 17, einstellbarem Widerstand 18 und ebenfalls einstellbarer Induktivität
19 besteht. Letztere ist beispielsweise angenommen, um nicht vernachlässigbare Induktivitäten
innerhalb deg zu überwachenden Systems zu berücksichtigen.
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Beide Vergleichsstromzweige werden in Serie durch eine Zusatzspannungsquelle
gespeist, die in Uebereinstimmung mit Fig. 1-aus Diode 9 und - hier unmittelbar
vom zu überwachenden System gespeister - Uebertrager 10 besteht. Die Gesamtimpedanz
des zweiten Vergleichsstromzweiges wird so eingestellt, dass im erdschlussfreien
Abgleichzustand an den beiden Primärwicklungen des Differenzübertragers 8 gleiche
Spannungen liegen und in diesen Wicklungen gleiche, sich aufhebende Ströme fliessen.
Bei Erdschluss im zu überwachenden System tritt wieder eine starke Veränderung der
Erdimpedanz dieses Systems mit entsprechender Ungleichheit der Spannungen an den
Primärwicklungen 8a und 8b sowie ein Differenzsignal auf, welches wie bei der Ausführung
nach Fig. 1 die Erdschluss-Detektion bewirkt.
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Die beiden Vergleichsstromzweige können gegebenenfalls auch zu einer
vollständigen Brückenschaltung ausgestaltet werden, wie dies in Fig.l durch die
strichliert eingetragenen, zusätzlichen Impedanzen 8c und 8d und einen in der Brückendiagonalen
angeordneten Nulldetektor 20 veranschaulicht ist. Letzterer tritt bei dieser Abwandlung
an die Stelle des Differenzübertragers 8 mit nachfolgendem Bandpass 14 und entspricht
funktionell dem in jedem Fall erforderlichen Differenzdetektor. Die Wirkungsweise
ist insgesamt die gleiche wie bei der Ausführung nach Fig.l, jedoch ermöglicht die
Brückenschaltung gegebenenfalls in besonders einfacher Weise die Verwendung rein
elektronischer Detektorschaltungen anstelle vergleichsweise aufwendiger Differenzübertrager.