DE2458530C2

DE2458530C2 - Erdschluß-Überwachungseinrichtung

Info

Publication number: DE2458530C2
Application number: DE19742458530
Authority: DE
Inventors: Majda Dipl.-Ing. Neuenhof Ilar geb. Kramar; Franz Fislisbach Ritter
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1974-11-14
Filing date: 1974-12-11
Publication date: 1986-11-06
Also published as: FR2291633A1; FR2291633B1; NL7513203A; CH579840A5; DE2458530A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Erdschluß-Überwachungseinrichtung für galvanisch vom Netz getrennte Wechsel- oder Drehstromsysteme, insbesondere für Wicklungen von Wechsel- oder Drehstrommaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs I.

Am Sternpunkt eines erdschlußfreien Wechselstromnetzes tritt im Fall der Symmetrie keine 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. Diese Anordnung versagt jedoch bei Erdschluß unmittelbar am Sternpunkt wobei trotz Fehler keine Verlagerungsspannung zur Verfügung steht und auch im Fall ίο 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 Erdschlubfall als Fehlerkennzeichen verwendbar ist

Eine Erdschluß-Überwachungseinrichtung der eingangs genannten Art mit netzfrequenzfremder Zusatzspannung, die von einem entsprechend gesteuerten Wechselrichter geliefert wird, ist aus der DE-PS 14 63 574 bekannt Diese Anordnung setzt eine Gleichstromquelle sowie eine hinreichend genaue and stabile Frequenzsteuerung für den Wechselrichter voraus. Die Fehlerdetektion erfolgt dabei auf der Gleichstromseite des Wechselrichters mittels eines Gleichstromrelais, so daß durch das Auftreten von Leckströmen oder ähnlichen Fehlern innerhalb des Wechselrichters selbst ein Fehlerfall vorgetäuscht werden kann. Darüber hinaus mangelt es bekannten Anordnungen der genannten Art an der Flexibilität bezüglich Anpassung an die jeweiligen zu überwachenden Systeme. Bei deren Inbetriebnahme lassen sich in den seltensten Fällen diejenigen Frequenzen vorherbestimmen oder abschätzen, die in dem System auftreten und die Frequenz des Wechselrichters festlegen. Eine nachträgliche Möglichkeit zur Änderung der Frequenz des Wechselrichters ist somit unumgänglich, was wiederum aufwendig ist. Doch selbst bei geeigneter Anpassung diese·.· Frequenz ist die bekannte Anordnung immer noch anfällig gegenüber Störeinflüssen aus dem Netz.

Bei einer Erdschluß-Überwachungseinrichtung für Niederspannungsgleichstromsysteme ist es bekannt (Siemens-Zeitschrift, 47 [1973], Heft 11, S. 814—816), den Ausgangsstrom eines ein niederfrequentes Dreiecksignal erzeugenden Signalgenerators mittels eines differenzierenden Verfahrens zu erfassen. Eine derartige Überwachungseinrichtung ist jedoch empfindlich gegen transiente oder vom Netz erzeugte netz- oder höherfrequente Störungen und eignet sich daher kaum für Wechsel- oder Drehstromsysteme.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine .Erdschluß-Überwachungseinrichtung zu schaffen, welche die genannten Mangel nicht aufweist, selbst unter ungünstigen Bedingungen Erdschlüsse in dem zu überwachenden System einwandfrei zu detektieren gestattet und unempfindlich gegen Störungen ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind vor allem darin zu sehen, daß die erfindungsgemäße Einrichtung aufgrund des bei der Erfassung des Signalgenerator-Ausgangsstroms angewandten integrierten Verfahrens wesentlichen unempfindlicher gegen transiente oder vom Netz herrührende Störungen, wie Ein-Schwingvorgänge und insbesondere das Netzsignal selber und dessen Oberschwingungen ist. Sie paßt sich zudem jeweils selbsttätig an die gegebene Situation an, so daß eine Abstimmung auf die besonderen Verhältnis-

se einer gegebenen Anwendung nicht erforderlich ist und auch etwa bei Schwankungen der Netzfrequenz die besonderen Vorteile der gewählten Signalverarbeitungsmethode erhalten bleiben.

In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist das die Verlagerungsspannung erzeugende Signal eine Wechselspannung mit einer Frequenz fo, die der Hälfte oder einem Viertel der Netzfrequenz entspricht; der durch die Verlagerungsspannung hervorgerufene Strom wird du.ch einen Integrator, dessen Integrations- ίο zeit einer ungeradzahligen Vielzahl von Halbperioden des Signals entspricht, zwischen zwei Nulldurchgängen des Signals aufintegriert. Auf diese Weise lassen sich sämtliche netzfrequenten und höheren Komponenten eliminieren, im Falle fo=fn/4 sogar die 1. Subharmonisehe der Netzfrequenz fo.

Eine zweite Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Signalgenerator-Ausgangsspannung einen intermittierenden Signaiverlauf aufweist, derart, daß während eines ersten Zeitabschnittes, der Meßzeit, die Signalamplitude einen periodischen Funktionsverlauf besitzt, während eines zweiten Zeitabschnittes, der Prüfzeit, die Signalamplitude Null ist In jedem der beiden Zeitabschnitte wird in der Vergleichseinrichtung der Signalgenerator-Ausgangsstrom oder eine von diesem abgeleitete Größe getrennt integriert und miteinander verglichen. Im Erdschlußfall weisen beide Integrationsergebnisse charakteristische Abweichungen voneinander auf.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Erdschluß-Überwachungseinrichtung nach der Erfindung,

F i g. 2 das zugehörige Impuls-Zeit-Diagramm.

In F i g. 1 ist ein Begrenzungswiderstand in Reihe mit einem Transformator 2 zwischen den Sternpunkt eines Generators 3 und Erde geschaltet. Parallel zum Widerstand 1 liegt, angekoppelt über einen Wandler 4, ein Erschlußrelais 5 üblicher Bauart, das den sogenannten »80%-Schutz« übernimmt.

Der Transformator 2 wird gespeist von einem Verstärker 6 mit sehr niedrigem Innenwiderstand. Auf diese Weise ist dessen Ausgangsstrom nur abhängig von den Impedanzen in seinem Ausgangskreis. Über einen mit Netzspannung gespeisten Wandler 7 wird ein astabiler Multivibrator 8 synchronisiert, dem ein Frequenzteiler 9 nachgeschaltet ist. Ein 4-Bit-Zähler 10 erzeugt zusammen mit einem Dekodierer 11 ein Taktraster zur Steuerung des Signalgenerators 12 und der gesamten Meßwertverarbeitung (vgl. Fig. 2 Kurven Ao, ..^ Ae). Ein an die Ausgänge Ao, Ai und A2 angeschlossenes NOR-Glied 13 steuert zusammen mit einem UND-Glied 14 den Signal-Generator 12, einen Rechteck-Sinus-Wandler, der seinerseits an den Verstärker 6 angeschlossen ist. Die Ausgangsspannung des Signalgenerators 12 ist während eines ersten Zeitabschnitts T_n, eine Sinus-Spannung mit der Frequenz /"O = Z_nM, während eines zweiten Zeitabschnitts T_p ist sie Null (vgl. Kurve uo in F i g. 2). Diese Spannung wird im weiteren Verlauf mit »codiertes Signal« bezeichnet.

Der Ausgangsstrom des Verstärkers 6 wird mittels eines Wandlers 15 in eine Spannung u₅ umgeformt. Diese gelangt in ein Tiefpaßfilter 16 mit einer oberen Grenzfrequenz Zi₆ = Zb. Das Filter 16 ist über einen Schalter 17 mit einem Integrator 18 verbunden, der neben seinem Signaieirgang einen Reset-Eingang Er aufweist. An diesen Integrator schließt sich über einen weiteren Schalter 19 ein Komparator 20 an, dessen Triggerschwelle einstellbar ist Der Ausgang des Komparator 20 ist über ein NAND-Glied 21 bzw. ein UND-Glied mit einem invertierenden Eingang und einem nichtinverrerenclen Eingang mit zwei resetierbaren Speichern 23 bzw. 24 verbunden; letztere sind beispielsweise sogenannte Set-Reset-Flipftops. Die beiden Speicherausgänge sind an ein weiteres UND-Glied 25 geführt. Ein Schaltschütz 26 ist über eine Impulsverbreiterungsstufe 27, JL B. einen monostabilen Multivibrator, an den Ausgang des genannten UND-Gliedes 25 angeschlossen. Zur Blockierung der gesamten Einrichtung dient ein weiteres, zwischen UND-Glied 25 und Impulsverbreiterungsstufe 27 geschaltetes UND-Giied 28.

Die Betätigung des Schalters 17, dessen Schließzeit die Integrationszeit des Integrators 18 bestimmt, erfolgt über ein ODER-Glied 29, und zwar in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Frequenzteilers 9 bzw. in logischer Verknüpfung dieser Spannung mit den Ausgangsspannungen Ao, Au A2 und Az des Taktrastergebers T über das ODER-Glied 13 und UND-Glied 30 bzw, UND-Glied 31, das einen inver _;yrenden und einen nichcinvertierenden Eingang aufweist

Der Schalter 19, der die Meßzeit des Komparators 20 bestimmt, wird über das ODER-Glied 32 und einen nach geschalteten monostabilen Multivibrator 33 aktivier).

Die Resetierung des Integrators 18 erfolgt durch ein weiteres ODER-Glied 34, das einen invertierenden Ausgang aufweist, durch ODER-Verknüpfung der Ausgangsspannung 1/33 des monostabilen Multivibrators 33 und der Ausgangsspannung des ODER-Gliedes 29.

Die Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung wird nachstehend unter Zuhilfenahme des Impuls-Zeit-Diagramms der Fig.7 erläutert Für Fig.2 gilt dabei das folgende Beze.ichnungsschema:

Uv Ausgangsspannung des Frequenzteilers S

üo codiertes Signal

ao,. - -, ae Ausgangsspannungen der Ausgänge Ao,

...,Af₁ des Taktrastergebers T
si 7 Schließzeit des Schalters 17

wie Ausgangsspannung des Integrators 18
£/34 Resetiersignal für den Integrator 18

S|9 Schließzeit des Schalters 19

U20 Ausgangsspannung des Komparators 20

t/23 im Speicher 23 gespeicherter logischer

Pegel
t/24 im Speicher 24 gespeicherter logischer

Pegel
t/25 Ausgangsspannung des UND-Gliedes 25

= Auilöseimpuls

Ein Erschluß in dem za überwachenden System, z. B. im G ."üKTator 3, hat eine Erhöhung des Ausgangsstroms des Verstärkers 6 zur Folge. Im Wandler 15 wird diese Stromerhöhung in eine entsprechende Spannung umgewandelt. Das Tiefpaßfilter 16 befreit diese von höherfrequeniten Komponenten. Zu diesem Zweck liegt die (obere) Eckfrequenz des Filters bei ca. f„/4, die Dämpfung bei Netzfrequenz soll dabei mindestens 30 bis 4OdB betr&gen, Innerhalb einer Halbperiode der Ausgangsspannung Ug des Frequenzteilers 9 wird des todierte Signal im Integrator 18 aufintegriert. Die Steuerung der Integrationszeit erfolgt dabei über den Schalter 17, dessen Schließzeit Si? aus t/9, a\ und ai durch logische Verknüpfung dieser Spannungen abgeleitet wird. Während einer vollen Periode T„,+ T_p des codierten Signals erfolgt dieser Vorgang jeweils innerhalb der Meßzeit T_n,

und innerhalb der Prüfzeit T_p einmal. Noch bevor der Integrator 18 durch die Ausgangsspannung des ODER-Gliedes 34 resetiert wird, schließt Schalter 19. Im Komparator 20 wird nun der Momentanwert der Integrator-Ausgangsspannung Uig mit einem einstellbaren Grenz- wert verglichen. Ist dieser Momentanwert größer als dieser Grenzwert, ändert der Komporatorausgang seinen logischen Pegel von 0 in L Dieser Wert wird, sofern am UND-Glied 22 die UND-Bedingung vorliegt, d. h. a\ = 0 ist, im Speicher 24 gespeichert. Letzteres kann nur ιυ innerhalb der Meßzeit T_m der Fall sein.

Liegt außer dem Erdschluß im System keine weitere Störung vor, so wird das codierte Signal infolge der Filterwirkung sowohl vom Filter 16 als auch vom Integrator 18 keine Änderung des logischen Pegels am Aus- is gang des (Comparators 20 innerhalb der Prüfzeit T_p bewirken. Über das NAND-Glied 21 wird daher im Speicher 23 ebenfalls der logische Pegel L gespeichert. Dann ist aber die UND-Bedingung am Eingang des UND-Gliedes 25 erfüiit, und das Schaitschütz 26 wird aktiviert.

Anders liegen die Verhältnisse, wenn neben dem codierten Signal Signalkomponenten auch während der Prüfzeit 7}, den Integrator 18 derart beaufschlagen, daß seine Ausgangsspannung über den Schwellwert des !Comparators 20 ansteigt. Dann ändert sich auch innerhalb der Prüfzeit T,,der logische Pegel des !Comparators derart, daß via UND-Glied 22 und Speicher 24 zwar am einen Eingang des UND-Gliedes 25 der logische Pegel L anliegt, doch die Ausgangsspannung des Speichers 23 Null ist Ein (Fehl-)Alarm kann demnach nicht ausgelöst werden.

Wie aus dem Impuls-Zeit-Diagramm ersichtlich ist, erfolgt die Integration des codierten Signals nicht sofort mit Beginn der Meßzeit T_n, sondern es wird zunächst eine volie Periode abgewartet, um den möglichen störenden Einflüssen von Einschwingvorgängen u. dgl. zu begegnen.

Durch eine andere Dirrserssicnierung des Takirastcrgebers T ist es weiterhin möglich, die Integrationszeit tm'—tm innerhalb der Meßzeit T_n, bzw. die Integrationszeit tp'— tp innerhalb der Prüfzeit T_p zu verlängern, z. B. auf eine ungeradzahlige Anzahl von Halbperioden des codierten Signals.

Die Speisung der gesamten Erdschluß-Überwachungseinrichtung ist wegen ihres vergleichsweise ge- ringen Strombedarfs aus einer Batterie möglich. Auf diese Weise läßt sich das System auch beim Stillstand des Generators überwachen.

Die vorgeschlagene Überwachungseinrichtung läßt sich sowohl für den Statorkreis als auch für den Rotorkreis von elektrischen Maschinen einsetzen. Selbstverständlich müssen dann zwei getrennte Einrichtungen vorgesehen sein, die jedoch beide auf dem gleichen Prinzip basieren, wobei die Ankopplung des codierten Signals an den Rotorkreis auf kapazitivem Wege erfolgt

Der beschriebene Erdschluß-Schutz bringt gegenüber bisherigen Lösungen eine wesentliche Verbesserung der Sicherheit im Erkennen von Erdschlüssen. Es ist nicht mehr nötig, die Kapazität der Wicklungen des Generators, oder allgemein der elektrischen Anlage, gegen Erde zu berücksichtigen oder zu berechnen, da deren Einfluß vollständig ausgeschaltet ist Kippschwingungen, Resonanzerscheinungen und sonstige Störeinflüsse aus dem Netz werden eliminiert, ohne die An- sprechcuipfindlichkeii des Schutzes zu erniedrigen.

Die erzielbare Selektivität macht die Anwendung der vorgeschlagenen Erdschluß-Schutzeinrichtung insbesondere für Läufer mit Thyristor-Erregung, die in der Regel mit zusätzlichen Schutzkondensatoren ausgerüstet sind, interessant.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Erdschluß-Überwachungseinrichtung für galvanisch vom Netz getrennte Wechsel- oder Drehstromsysteme, insbesondere für Wicklungen von Wechsel- oder Drehstrommaschinen, bei denen zwischen das zu überwachende System und Erde ein Signalgenerator geschaltet ist, welcher eine Wechselspannung, deren Frequenz kleiner als die Netzfrequenz ist, erzeugt' und der eine den durch den Signalgenerator erzeugten Ausgangsstrom erfassende Vergleichseinrichtung zur Unterscheidung zwischen erdschlußfreiem Zustand und Erdschlußfall zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgenerator (6) vom Netzsignal gesteuert ist und seine Ausgangsspannung (u₀) eine Periodendauer (To) aufweist welche ein geradzahliges Vielfaches der Periodendauer (T₁₁) des Netzsignals ist und die Vergleichseinrichtung Mittel zur Integration des Ausgangsiuoms des Signalgenerators (6) oder einer von diesem Strom abgeleiteten Größe aufweist, wobei die Integration zwischen zwei Nulldurchgängen der Signalgenerator-Ausgangsspannung (U₀) erfolgt und die Integrationszeit (t_m'—t_m) eine ungeradzahlige Anzahl von Halbperioden dieser Spannung beträgt.

2. Erdschluß-Überwachungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalgenerator-Ausgangsspannung (uo) in regelmäßigen Abständen für gleich lange Zeitabschnitte (T_n,) aussetzt und d?3 die Vergleichseinrichtung Mittel (17, 18,23,24) zur Integration des durch die Signalgenerator-Ausgangsspannung (u₀) erzeugten Stroms im zu überwachenden System während mindestens Teilabschnitten der genannten Zeitabschnitte (T_n,) sowie während mindestens Teilabschnitten der dazu kompiementären Zeitabschnitte (T_p) aufweist

3. Erdschluß-Überwachungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Taktrastergeber (T) vorgesehen ist zur abschnittsweisen Steuerung von Integration und Speicherung.

4. Erdschluß-Überwachungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Zeitabschnitt (T_n,) mindestens 6, vorzugsweise mindestens 12 Periodendauern (T_n) der Netzspannung beträgt, der zweite Zeitabschnitt (T_p) gleich lang wie der erste ist.

5. Erdschluß-Überwachungseinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur zeitlichen Steuerung der Integration innerhalb der genannten beiden Zeitabschnitte vorgesehen sind, welche deratige Kenndaten aufweisen, daß Beginn und Ende der Integrationszeit (t_m'—t_m; t_P'—t_p) jeweils mindestens 2, vorzugsweise 4 Periodendauern (T_n) der Netzfrequenz nach Beginn bzw. Ende des jeweiligen Zeitabschnitts (T_n, bzw. fliegen.