DE2515121C3 - Schaltungsanordnung zur Überwachung der Isolation ungeerdeter Wechselstromnetze und aus diesen gespeister Gleichstromkreise - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einer Schaltungsanord nung zur Überwachung der Isolation ungeerdeter ein- oder mehrphasiger Wechselstromnetze und aus diesen gespeister Gleichstromkreise, bei der zwischen die Leiter des Netzes und einen Schutzleiter eine Gleichspannungsquelle sowie in Reihe mit dieser ein Meßinstrument geschaltet ist und die einen Meßwider- siaiiii enihäii, der eine Steuergröße zur Beeinflussung eines elektronischen Schaltkreises liefert, der ein Relais

betätigt.

Eine bekannte Schaltungsanordnung der genannten Art (Technische Mitteilungen AEG-Telefunken, 61 Π97Il 5, Seiten 267 bis 271) ermöglicht eine Anzeige, ob ein Fehler in dem Wechselstromnetz oder in einem aus dem Wechselstromnetz über steuerbare oder nichtsteuerbare Halbleiter gespeisten Gleichstromkreis vorliegt. Die Unterscheidung wird durch einen Umschalter ermöglicht, bei dessen Betätigung das Meßinstrument jeweils den gleichen Ausschlag zeigt, wenn der Fehler in dem Wechselstromnetz vorhanden ist, und einen verschiedenen Ausschlag ergibt, wenn der Fehler in dem an das Wechselstromnetz angeschlossenen Gleichstromnetz entstanden ist. Dabei ist jedoch nicht

ersichtlich, ob der Fehler an dem positiven oder dem negativen F'ol des Gleichstromnetzes besteht.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine direkte Anzeige zu vermitteln, in welchem Teil der Anlage der Fehler aufgetreten ist, und darüber hinaus kenntlich zu machen, ob der positive oder negative Pol des Gleichstromnetzes betroffen ist.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der Meßwiderstand parallel zu der Reihenschaltung aus Gleichspannungsquelle und Meßinstrument geschaltet

ist, wobei parallel zu dem Meßinstrument und zu dem Meßwiderstand Begrenzungselemente geschaltet sind. Bei dieser Schaltungsanordnung fließt über das Meßinstrument und den Meßwiderstand auch dann ein Strom, wenn die Isolation des Netzes und der

angeschlossenen Verbraucher einwandfrei ist und somit der Isolationswiderstand praktisch unendlich hoch ist. Damit steht für den elektronischen Schaltkreis eine definierte Steuergröße bereit. Die erwähnten Begrenzungselemente sorgen dafür, daß sowohl die an dem

Meßinstrument als auch die an dem Meßwiderstand auftretenden Spannungen auf vorbestimmte Höchstwerte begrenzt bleiben. Damit werden Überlastungen der Schaltungsanordnung durch Erdschlüsse in einem an das Wechselstromnetz angeschlossenen Gleichstromkreis vermieden.

Als Begrenzungselemente für das Meßinstrument eignen sich zwei antiparallel geschaltete Gleichrichterdioden, während parallel zu dem Meßwiderstand zwei in Reihe, jedoch einander entgegengerichtete Z-Dioden geschaltet sind.

Wie bereits erwähnt, fließt bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung auch bei einwandfreier Isolation ein definierter Strom über das Meßinstrument Der Zeiger dieses Meßinstrumentes nimmt infolgedessen im Normalzustand nicht seine Endlage ein, sondern befindet sich an einer Stelle, die durch die Bemessung der in den parallelen Zweigen der Schaltungsanordnung befindlichen Widerstände bestimmt ist In Weiterbildung der Erfindung kann die Skale des Meßinstrumentes mit einem Bereich zur Anzeige des Isolationswiderstandes in dem Wechselstromnetz und beidseitig anschließend mit je einem Bereich zur Anzeige eines Erdschlusses im Bereich des negativen bzw. positiven Pols eines Gleichstromkreises versehen sein. Die vorkommendem Fehlerfälle werden damit übersichtlich angezeigt: Liegt ein Erdschluß in dem Wechselstromnetz vor, so befindet sich der Zeiger des Meßinstrumentes in dem mittleren Bereich, der Markierungen entsprechend den Werten des Isolationswiderstandes besitzt Tritt ein Erdschluß an einem Pol des Gleichstromkreises auf, so verläßt der Zeiger des 'yießinstnirnentes den mittlerer. Bereich und wandert in einen der beidseitig anschließenden Bereiche. Beispiels-

weise kann der linke Bereich einem Erdschluß an dem negativen Pol und der rechte Bereich einem Erdschluß im Bereich des positiven Pols eines Gleichstromkreises zugeordnet sein.

Die an dem Meßwiderstand abfallende Spannung s kann einem Vergleichskreis zugeführt werden, der den elektronischen Schaltkreis sowie das Relais und ein zusätzliches optisches Anzeigeelement enthält. Zur Stromversorgung des Vergleichskreises kann eine gesonderte Gleichspannungsquelle vorgesehen sein. ι ο

Der Vergleichskreis kann einen weiteren, bei einem Erdschluß in einem Gleichstromkreis ansprechenden elektronischen Schaltkreis enthalten, der ebenfalls ein Relais und ein optisches Anzeigeelement betätigt. Auf diese Weise können die unterschiedlichen Erdschlüsse nicht nur an der Skale des Meßinstrumentes, sondern auch anhand des Aufleuchtens der optischen Anzeigeelemente erkannt werden.

Erdschlüsse in einem Gleichstromkreis können nicht nur das Meßinstrument und die elektronischen Schaltkreise überlasten oder zerstören, sondern können auch diejenigen Schaltungsteile übermäßig beanspruchen, über die dem Netz die zur Überwachung dienende Gleichspannung aufgedrückt wird. Zwar besteht die Möglichkeit, diese Bauelemente, insbesondere die vorgesehene Drosselspule, so zu bemessen, daß sie der Überlastung eine gewisse Zeit lang standhalten, jedoch werden die Bauelemente dadurch in unerwünschter Weise groß und kostspielig. In Weiterbildung der Erfindung können diese Nachteile dadurch vermieden werden, daß in Reihe mit der Drosselspule ein Schutzwiderstand geschaltet ist, der im normalen Betrieb der Schaltungsanordnung durch einen Kontakt des bei Erdschlüssen in einem Gleichstromkreis ansprechenden Relais überbrückt ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die

F i g. 1 zeigt schematisch ein dreiphasiges Wechselstromnetz mit einem hieraus über Gleichrichter gespeisten Gleichstromkreis und die hierbei möglichen Arten von Erdschlüssen; in

Fig.2 ist eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung dargestellt; die

F i g. 3 zeigt einen Ausschnitt der Skale des bei der Schaltungsanordnung gemäß der F i g. 2 vorgesehenen Meßinstrumentes.

In F i g. 1 ist dargestellt, daß ein dreiphasiges Wechselstromnetz RST über einen Transformator Tr gespeist wird. Aus den Leitern RST wird über Gleichrichter ein Gleichstromkreis mit den Leitern P+ und P- gespeist. Als Beispiele für an dieser Anordnung zu betreibende Verbraucher sind ein einphasiger Wechselstromverbraucher Vl₁ ζ. Β. eine Beleuchtungsanlage, ein dreiphasiger Wechselstromverbraucher V 2, z. B. ein Drehstrommotor, und ferner ein Gleichstromverbraucher V3, z. B. ein regelbarer Gleichstrommotor, gezeigt Das Netz ist in seiner ganzen Ausdehnung von einem Schutzleiter S/begleitet, der geerdet ist.

Zwischen allen genannten Leitern und dem Schutzleiter, aber auch im Inneren der Verbraucher Vt, V 2 und V3 können leitende Verbindungen durch eine Beschädigung der Isolation entstehen. Als Beispiele sind Erdschlüsse a, b und c zwischen den Leitern R, S und T des Wechselstromnetzes und dem Schutzleiter Sl sowie ein Erdschluß d zwischen dem positiven Leiter P+ des Gleichstromkreise« und ein Erdschluß e zwischen dem negativen Leiter P- und dem Schutzleiter gezeigt.

Zur Erfassung aller erwähnten Erdschlüsse dient die in F i g. 2 dargestellte Schaltungsanordnung. Diese umfaßt einen zwische:. das Net?, und den Schutzleiter Sl geschalteten Meßkreis .Mund einen hierdurch gesteuerten Vergleichskreis V. Der Meßkreis M enthält eine Gleichspannungsquelle Sp 1, die z. B. durch einen Transformator und eine Gleichrichterbrückenschaitung gebildet sein kann. Zur Glättung und Stabilisierung der Gleichspannung dienen ein Kondensator CX sowie ein Widerstand R 1 und eine Zenerdiode ZX. Der positive Pol der Spannungsquelle Sp X ist über einen weiteren Widerstand R 2, einen Schutzwiderstand Rs sowie eine Drosselspule Ds an den Leiter Tdes Wechselstromnetzes gelegt. Über die Wicklungen des Transformators Tr (Fig. 1) gelangt die Gleichspannung auch an die Leiter R und S. Der negative Pol der Spannungsquelle Sp 1 ist über ein Meßinstrument /und einen Widerstand A3 an den Schutzleiter 5/ angeschlossen. Die an der Reihenschaltung des Meßinstrumentes / und dem Widerstand R 3 liegende Spannung ist durch zwei antiparallel geschaltete Dioden Dl und D 2 auf einen für das Meßinstrument /zuträglichen Höchstwert begrenzt.

Parallel zu der Reihenschaltung, welche die Spannungsquelle Sp 1, das Meßinstrument / sowie die Widerstände R 1, R 2, R 3 und den im normalen Betrieb durch einen Kontakt k 2 eines Relais K 2 überbrückten Schutzwiderstand Rs enthält, ist in Reihe mit einem Widerstand /?4 ein Meßwiderstand Rm geschaltet. Kondensatoren C2 und C3 bilden einen Kurzschluß für die Wechselspannung des Netzes R, S, T. Die an dem Meßwiderstand Rm abfallende Meßspannung wird durch zwei parallel zu dem Meßwiderstand miteinander in Reihe, jedoch einander entgegengerichtete Zenerdioden Z 2 und Z 3 auf einen dem Vergleichskreis V zuträglichen Höchstwert begrenzt.

Die begrenzte Meßspannung wird dem Vergleichskreis V zugeführt. Dieser enthält drei elektronische Sch well wertschaltkreise AX, A 2 und A 3 sowie ein auf bestimmte Sollwerte einstellbares Potentiometer P. Die Schaltkreise A 1, A 2 und A 3 betätigen zwei Relais K X und K 2 sowie zwei optische Anzeigeelemente O X und O2, bei denen es sich z. B. um Leuchtdioden handeln kann. Zur Stromversorgung des Vergleichskreises V dient eine weitere Gleichspannungsquelle Sp 2. Die Gleichspannungsquellen Sp 1 und Sp 2 können durch getrennte Wicklungen eines Transformators mit nachgeschalteten Gleichrichterbrückenschaltungen gebildet sein.

Die in der F i g. 2 dargestellte Schaltungsanordnung wirkt folgendermaßen: Im normalen, fehlerfreien Betrieb hat der Isolationswiderstand des Netzes den Wert Unendlich (00), so daß über die Drosselspule Ds kein Strom fließen kann. Jedoch fließt ein Strom über das Meßinstrument / und den Meßwiderstand Rm, da ein geschlossener Stromkreis vorhanden ist, der die Spannungsquelle Sp t, das Meßinstrument / und die Widerstände Al, R2, A4, Rm und R3 enthält. Beispielsweise können die Widerstände so bemessen sein, daß an dem Meßwiderstand Rm eine Meßspannung von etwa 7 V auftritt Durch diese dem Vergleichskreis V zugeführte Meßspannung werden die Schaltkreise Al, A 2 und Λ 3 so beeinflußt, daß die Relais K1 und K abgefallen und die Anzeigeelemente OX und O2 Φ-inkel sind. Der Zeiger Z des Meßinstrumentt s ^f{r i g. 3) steht auf der Markierung 00.

Es sei nun angenommen, daß einer der in Fig. 1 eingezeichneten Erdschlüsse a, b oder c auftritt. Je nach der Größe des Erdschlüßwiderstar.dcs P.ieBt nun ein

kleinerer oder größerer Strom über die Drosselspule Ds, wodurch der über das Meßinstrument / und den Meßwiderstand Rm fließende Strom vergrößert wird. Der Zeiger Z des Meßinstrumentes (F i g. 3) zeigt nun unmittelbar den Wert des Isolationswiderstandes an. Sinkt der Wert des Isolationswiderstandes unter einen an dem Potentiometer P eingestellten Grenzwert, so spricht der Schaltkreis A 1 an, der das Relais K1 betätigt und das Anzeigeelement 01 zum Aufleuchten bringt. Mittels des Relais K1 kann z. B. eine weitere Warneinrichtung, z. B. ein Blinklicht oder eine Hupe, betätigt werden.

Bei einem satten Erdschluß im Wechselstromnetz ÄSTkann die Meßspannung etwa 0,7 V betragen, wobei über die Drosselspule Ds ein Strom von höchstens 1 mA fließt.

Tritt ein Erdschluß zwischen dem Leiter P+ und dem Schutzleiter SI des Gleichstromkreises auf, so überlagert sich der Gleichspannung der Gleichspannungsquelle Sp 1 je nach der Größe des Erdschlußwiderstandes ganz oder teilweise die Gleichspannung des Gleichstromkreises. Die Schaltungsanordnung kann hierdurch mit einem Vielfachen der Spannung der Spannungsquelle 5p 1 beaufschlagt werden, wenn man annimmt, daß die zur Überwachung des Netzes dienende Gleichspannung der Gleichspannungsquelle Sp 1 z. B. 24 V und die in dem Stromkreis des Gleichstromverbrauchers V3 herrschende Spannung 600 V beträgt. Bei dem angenommenen Fehler (d in F i g. 1) addieren sich die Spannung des Gleichstromkreises und die der Spannungsquelle Sp 1. Mit abnehmender Größe des Isolationswiderstandes wird zunächst die Ansprechschwelle des Schaltkreises A 1 erreicht, so daß wie in dem zuvor erörterten Beispiel das Relais K1 zum Ansprechen und das Anzeigeelement Oi zum Aufleuchten gebracht werden. Verringert sich der Isolationswiderstand noch weiter, so spricht auch der Schaltkreis A 2 an und betätigt das Relais K 2 und das Anzeigeelement O 2. Die Stelle, bei der der Schaltkreis Λ 2 anspricht, kann zweckmäßig durch einen festeingestellten Spannungsteiler vorgegeben sein.

Die erwähnte hohe Spannung kann an dem Vergleichskreis V keinen Schaden hervorrufen, da sie durch die Reihenschaltung der Zenerdioden Z 2 und Z 3 auf einen umgefährlichen Höchstwert begrenzt wird. Auch die an dem Meßinstrument / auftretende Spannung ist durch die parallelgeschalteten Gleichrichterdioden D1 und D 2 begrenzt.

Über das Meßinstrument / fließt nun ein so großer Strom, daß der Zeiger Z nach rechts über die Markierung Null hinaus in den Bereich £3 (Fig.3) wandert. Diese Stellung des Zeigers in Verbindung mit dem Aufleuchten beider Anzeigeelemente Oi und O 2 zeigt an, daß ein satter Erdschluß an dem positiven Pol des Gleichstromkreises entsprechend dem Fehler d in F i g. 1 vorliegt.

Liegt der Erdschluß e zwischen dem negativen Leiter P- des Gleichstromkreises und dem Schutzleiter S/ (Fig. 1) vor, so tritt an der Schaltungsanordnung eine um die Spannung der Spannungsquelle Sp i verminderte negative Gleichspannung auf. Der Zeiger Z des Meßinstrumentes (F i g. 3) wird dadurch nach links über die Markierung »Unendlich« («>) hinaus in den Bereich E 2 geführt. Ferner werden die Schaltkreise A i und A 3 des Vergleichskreises V zum Ansprechen gebracht und dadurch wiederum die Relais K1 und K 2 sowie die Anzeigeelemente 01 und O 2 betätigt

Außer den erwähnten Arten von Erdschlüssen sind noch weitere Fehler vorstellbar. Zum Beispiel können doppelte Erdschlüsse auftreten, und es können gleichzeitig in dem Wechselstromnetz als auch in dem Gleichstromkreis Erdschlüsse vorkommen. Ein doppelter Erdschluß an den Leitern R, S und T entspricht einem Kurzschluß, der zur Auslösung von Schutzeinrichtungen führt, die in Energieversorgungseinrichtungen üblicherweise vorgesehen sind, z. B. zum Durchschmelzen einer Schmelzsicherung oder zur Auslösung eines Schutzschalters. Bei allen Arten von Fehlern nimmt die Schaltungsanordnung nach der F i g. 2 keinen Schaden, weil die an den empfindlichsten Bauelementen auftretenden Spannungen durch Begrenzungselemente auf ungefährliche Höchstwerte begrenzt werden.

Beim Ansprechen des Relais K 2 wird dessen Kontakt k 2 geöffnet, wodurch im Stromkreis der Drosselspule Ds der Schutzwiderstand Rs wirksam wird. Dieser begrenzt den fließenden Strom so, daß eine Überhitzung und damit Beschädigung der Drosselspule und der Widerstände vermieden wird.

Einzelheiten der Steuerung der elektronischen Schaltkreise Λ 1, A 2 und A 3 sind nicht dargestellt, da diese allgemein bekannt sind. Als Schaltkreise für den vorliegenden Zweck eignen sich beispielsweise Operationsverstärker, die als Triggerschaltung geschaltet sind. Da Operationsverstärker integrierte Schaltkreise sind, ist der Bedarf an Raum und weiteren Bauelementen gering.

Die in F i g. 2 dargestellte Schaltungsanordnung kann zu einem Gerät zusammengefaßt sein, das ein Gehäuse mit geringen Abmessungen besitzt Das Gehäuse kann einen Netztransformator mit zwei Sekundärwicklungen enthalten, die in Verbindung mit Gleichrichtern und Elementen zur Glättung der Spannung die Spannungsquellen SpI und Sp 2 bilden. Ferner können in dem Gehäuse die Drosselspule Ds und auf Leiterplatten alle übrigen Elemente untergebracht sein. Es ist zweckmäßig, das Gehäuse des Gerätes mit einer durchsichtigen Frontplatte zu versehen, hinter der sich das Meßinstrument / sowie die Anzeigeelemente 01 und O 2 und der Einstellknopf des Potentiometers P befinden. In der Frontplatte kann in bekannter Weise ein Druckknopf angeordnet sein, der mit einem Tastschalter zur Prüfung der Betriebsbereitschaft der Schaltungsanordnung dient.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Palentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Überwachung der Isolation ungeerdeter ein- oder mehrphasiger Wechselstromnetze und aus diesen gespeister Gleichstromkreise, bei der zwischen die Leiter des Netzes und einen Schutzleiter eine Gleichspannungsquelle sowie in Reihe mit dieser ein Meßinstrument geschaltet ist und die einen Meßwiderstand enthält, der eine Steuergröße zur Beeinflussung eines elektronischen Schaltkreises liefert, der ein Relais betätigt, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand (Rm) parallel zu der Reihenschaltung aus Gleichspannungsquelle (Sp 1) und Meßinstrument (I) geschaltet ist, wobei parallel zu dem Meßinstrument (!) und zu dem Meßwiderstand (Rm) Begrenzungselemente (D 1, D 2; Z2, Z 3) geschaltet sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Begrenzungselemente für das Meßinstrument (I) zwei antiparallel geschaltete Gleichrichterdioden (Dl, D2) und für den Meßwiderstand (Rm) zwei in Reihe, jedoch einander entgegengerichtete Z-Dioden(Z2,Z3) dienen.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Skala des Meßinstrumentes (I) einen Bereich (EX) zur Anzeige des Isolationswiderstandes des Wechselstromnetzes (R, S, T) und beidseitig anschließend hieran je einen Bereich (E2, E3) zur Anzeige eines Erdschlusses im Bereich des negativen bzw. positiven Pols (P+, P-) eines aus dem Wechselstromnetz (R, S, T) betriebenen Gleichstromkreises besitzt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an dem Meßwiderstand (Rm) abfallende Spannung einem den elektronischen Schaltkreis (A 1), das Relais (K 1) und ein optisches Anzeigeelement (O1) enthaltenden Vergleichskreis (V) zugeführt wird, der aus einer weiteren Gleichspannungsquelle (Sp 2) gespeist wird.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichskreis (V) einen weiteren, bei einem Erdschluß in einem Gleichstromkreis ansprechenden elektronischen Schakkreis (A 2) enthält und daß dieser ebenfalls ein Relais (K 2) und ein optisches Anzeigeelement (O2) betätigt.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Drosselspule (Ds) ein Schutzwiderstand (Rs) geschaltet ist, der im normalen Betrieb der Schaltungsanordnung durch einen Kontakt (Ar 2) des bei Erdschlüssen des Gleichstromkreises(P+, P-) ansprechenden Relais (AT 2) überbrückt ist.