DE2545315B2

DE2545315B2 - Schaltungsanordnung zur erdschlussueberwachung einer erdfreien gleichstromschaltung

Info

Publication number: DE2545315B2
Application number: DE19752545315
Authority: DE
Inventors: Gerhard 8521 Bubenreuth Rumold
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-10-09
Filing date: 1975-10-09
Publication date: 1977-11-03
Also published as: JPS5249436A; DE2545315A1; JPS598130B2

Description

qucnzder Hilfsspannung 25 Hz oder 12,5 Hz betragen. Die Hilfsspannung kann eine Rechteckspannung sein, da ihre Oberwellen durch die iihasenempfindliche Demodulation ohne Einfluß bleiben. Eine derartige rechteckförmige Hilfsspannung kann beispielsweise mit Hilfe von JK-Flip-Flops aus der Netzspannung abgeleitet werden.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht eine Auswerieschaltung mit folgenden Merkmalen vor:

a) die als Bezugsspannung dienende Hilfsspannung ist einem Phasendrehglied mit einer Phasendrehung von 90° zugeführt,

b) die den Strom im Meßwiderstand abbildende Meßspannung und die über ein Einstellpotentioineter geführte Ausgangsspannung des Phasendrehgliedcs sind einem Differenzbildner eingangsseitig zugeführt,

c) die Ausgangsspannung des Differenzbüdners ist einem Demodulator zugeführt, der von einem Polaritätsdetektor für die Ausgangsspannung des Phasendrehgliedes gesteuert ist.

Bei dieser Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Meßschaltung wird die Blindkomponente des Stromes im Meßkreis ausgewertet, da ihre Abhängigkeit von der Erdkapazität in einem von der Art des Meßobjektes abhängigen Bereich des Erdwiderstandes ausreichend gering ist.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht eine Auswerteschaltung mit folgenden Merkmalen vor:

a) die den Strom im Meßwiderstand abbildende Meßspannung ist einem ersten Demodulator zugeführt,

b) die als Bezugsspannung dienende, auf Erdpotential bezogene Spannung am Meßobjekt ist einem zweiten Demodulator zugeführt,

c) ein phasengeregelter Oszillator erzeugt ein gegenüber der Eingangsspannung des zweiten Demodulators um 0° phasenverschobenes erstes Steuersignal zur Steuerung des ersten Demodulators und ein gegenüber der Eingangsspannung des zweiten Demodulators um 90° phasenverschobenes zweites Steuersignal zur Steuerung des zweiten Demodulators.

Bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemälien Meßschaltung wird als Maß für die Größe des Erdwiderstandes die Wirkkomponente des Stromes im Meßkreis in bezug auf die Spannung am Meßobjekt ausgewertet. Für einen hinreichend großen Erdwiderstand bleibt der Einfluß der Erdkapazität auf die auf die Spannung am Meßobjekt bezogene Wirkkomponente des Stromes im Meßkreis ausreichend klein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. la ein Prinzipschaltbild eine ersten Ausführuiigsforrn der Erfindung,

Fig. Ib ein Zeigerdiagramm zur Erläuterung der Schaltung nach Fig. la,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 die Anwendung einer erfindungsgemäßen Meßschaltung zur Erfassung des Isolationswiderstandes einer elektrischen Maschine.

inFig. 1 a ist ein Meßobjekt 4 schematisch als Erdwiderstand 5 und Erdkapazität 6 dargestellt. Das Meßobjekt 4 sei eine Gleichstromschaltung, die über einen Stromrichter 3 an ein Wechselspannungsnetz 1 mit der Netzfrequenz /1 angeschlossen ist. Inbesondere durch die Kommutierungsvorgänge im Stromrichter 3 weiden Störsignale über die Erdkapazität 6 in den Meßkreis eingekoppelt. Der Meßkreis enthält eine Hilfsspannungsquelle 2, die einerseits über einen Kondensator als rein kapazitives Ankopplungsglied 7 an das Meßobjekt 4 und andererseits über einen Meßwiderstand 9an Erde M angeschlossen ist. Dem Kondensator 7 kann ein Widerstand in Reihe geschaltet sein. Die Hilfsspannungsquelle 2 erzeugt eine Hilfsspannung U2 mit einer Frequenz /2, die um einen ganzzahligen Faktor kleiner ist als die Netzfrequenz /1. Der Hilfsspannungsquelle 2 ist hierzu die Netzspannung von einem Fühler 8 eingangsseitig zugeführt, der beispielsweise ein Synchronisiertransformator sein kann.

Ein Spannungsmeßfühler 10 erfaßt den Spannungsabfall über dem Meßwiderstand 9 und damit den Strom / im Meßkreis. Ein weiterer Meßfühler 13 erfaßt die Hilfsspannung L/2 der Hilfsspannungsquelle 2, die als Bezugsspannung zur Steuerung der phasenempfindlichen Demodulation verwendet wird. Die vom Spannungsmeßfühler 10 erfaßte Meßspannung, die den Strom / im Meßkreis abbildet, wird einem Differenzbildner 19 zugeführt. Weiterhin wird die vom Spannungsmeßfühler 13 erfaßte Hilfsspannung IJ2 über ein Phasendrehglied 12 mit einer Phasendrehung von + 90°, beispielsweise einen Integrator, und über ein Einstellpotentiometer 14 dem Differenzbildner 19 zugeführt. Die Ausgangsspannung des Differenzbildners 19 ist einem Demodulator 15 zugeführt. Das Steuersignal für den Demodulator

15 wird von einem Polaritätsdetektor 16 gebildet, dem eingangsseitig die Ausgangsspannung des Phasendrehgliedes 12 zugeführt ist. Der Polaritätsdetektor

16 kann beispielsweise als Grenzwertgeber ausgeführt sein. Die Demodulation der Ausgangsspannung des Differenzbildners 19 erfolgt somit mit dem Vorzeichen der Ausgangsspannung des Phasendrehgliedes 12. Die Ausgangsspannung des Demodulators 15 ist über ein Glättungsglied 17 einem Grenzwertmelder 18 zugeführt. Sobald die Eingangsspannung des Grenzwertmelder 18 einen vorgegebenen Ansprechwert unterschreitet, ändert sich das Ausgangssignal des Grenzwertmelders 18 und zeigt an, daß der Erdwiderstand einen vorgegebenen Wert unterschritten hat.

Die Erläuterung der Funktionsweise der Meßschaltung nach Fig. la erfolgt an Hand der vektoriellen Darstellung nach Fig. Ib.

Die Meßschaltung soll ein Alarmsignal abgeben, wenn der Wert RS des ErdwideiStandes 5 einen vorgegebenen Ansprechwert R_n unterschreitet. Für diesen Ansprechwert R₀ wird die Blindkomponente des Stromes im Ankopplungsglied durch das Einstellpotentiometer 14 kompensiert. Diese einfache Einstellung der kapazitiven Blindkomponente Ik des Stromes /durch ein Einstellpotentiometer ist möglich, da bei dem vorgegebenen Ansprechwert R₁₁ des Erdwiderstandes der kapazitive Bündstrom im Kreis aus Ankopplungsglied und Meßobjekt der Hilfsspannung um 90° voreilt und das Steuersignal für die Demodulation der Hilfsspannung in bezug auf deren Grundschwingung um 90° nacheilt. Die vektoi ielle Summe aus dem Strom / im Meßkreis und dem St mm Ik ist kapazitiv, wenn der gemessene Erdwiderstand kleiner ist als der vorgegebene Ansprechwert (RS < R„) für den die genannte Einstellung des Einstellpotentiome-

tors 14 vorgenommen wurde, bzw. induktiv, wenn der gemessene Erdwiderstand größer ist als der Ansprechwert (R5 > RJ. Die Aussage, ob diese vektorielle Stromsummc kapazitiv oder induktiv ist, wird in einfacher Weise durch die phasenempfindliche Dcmodulation gewonnen. Die Demodulation der Differenz aus dem Strom / im Meßwiderstand 9 und dem Kompensationsstrom Ik, der dem Wert der kapazitiven Blindkomponente des Stromes im Ankopplungsglied 7 entspricht, mit dem Vorzeichen der Hilfsspannung entspricht einer Multiplikation mit + 1 bzw. — 1. Als Demodulator 15 ist beispielsweise ein FET-Transistor geeignet.

Aus Fig. 1 b ist ersichtlich, daß die vektorielle Differenz zwischen dem Strom im Meßkreis und dem *5 Kompensationsstrom Ik in Phase liegt zur Hilfsspannung U2.

In Fig. la wurde die Meßspannung und die Bezugsspannung jeweils über schematisch als Spannungsmeßwandler dargestellte Spannungsmeßfühler ^ao abgegriffen. Bei geeigneter Wahl der Amplitude der Hilfsspannung der Hilfsspannungsquelle kann auf eine derartige potentialtrennende Spannungsauskopplung verzichtet werden. Die gewünschten Spannungen können dann unmittelbar aus dem Meßkreis ^a5 abgegriffen und dem Differenzbildner bzw. Integrator zugeführt werden. Diese sind dann jeweils auf Erde M zu beziehen.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispie! der Erfindung. Das schematisch dargestellte Meßobjekt 4 mit dem Erdwiderstand 5 und der Erdkapazität 6 ist über einen Stromrichter 3 an ein Wechselspannungsnetz 1 angeschlossen. Die Hilfsspannungsquelle 2 ist über ein Ankopplungsglied 27 und einen Widerstand 20 einerseits an das Meßobjekt 4 und andererseits über den Meßwiderstand 9 an Erde M geschaltet. Der Widerstand 20 ist vorgesehen, damit auch bei einem Kurzschluß, d. h. einem Erdwiderstand Null, ein auswertbarer Spannungsabfall für die Meßschaltung vorhanden ist. Das Ankopplungsglied 27 enthält einen Widerstand 27a und einen Kondensator 27b. Der Kondensator 27b ist bei Meßobjekten mit hohen Gleichspannungen erforderlich, um diese von der Meßschaltung abzuhalten. Wenn als Meßobjekt eine Kleinspannungsanlage mit einer Betriebsspannung von beispielsweise 24 V vorgesehen ist, genügt ein rein ohmisches Ankopplungsglied.

Die den Strom im Meßkreis abbildende Spannung wird einem Integrator 23 zugeführt. Die Spannung am Meßobjekt 4, die als Bezugsspannung zur Steuerung der Demodulation der Meßspannung ausgewertet wird, wird über einer Integrator 21 geführt. Durch die beider. Integratoren 21 und 23 werden Störsignale höherer Frequenz reduziert, ohne daß der Phasenwinkel zwischen den beiden Spannungen geändert wird. Die vom Integrator 23 integrierte Meßspannung, die den Strom im Meßkreis abbildet, ist einem Demodulator 24 zugeführt, der von einem phasengeregcltcn Oszillator 28 gesteuert ist.

Dem phascngeregelten Oszillator 28 ist eingangsseitig die Ausgangsspannung eines Demodulators 22 zugeführt, der seinerzeit mit dem Integrator 21 verbunden ist. Der phascngcregelte Oszillator 28 erzeugt an seinen Ausgängen 28α und 28b zwei um 90° zueinander phasenverschobene Steuersignale für die beiden Demodulatoren 22 und 24.

Der phasengcregelte Oszillator 28 enthält einen Regler 25, der von der Ausgangsspannung des Demodulators 22 beaufschlagt ist. Die Ausgangsspannung des Reglers 25 wird von einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer 26 in eine proportionale Impulsfolge umgesetzt. Die Impulse dieser Impulsfolge beaufschlagen den dynamischen Eingang einer Kippstufe 27. Die Ausgangssignale der Kippstufe 27 ändern sich bei jeder fallenden Flanke eines Impulses vom Spannungs-Frequenz-Umsetzer 26. Das eine Ausgangssignal der Kippstufe 27 ist dem dynamischen Eingang einer weiteren Kippstufe 29 zugeführt, deren Ausgangssignale sich bei jeder fallenden Flanke ihres Eingangssignals ändern. Das eine Ausgangssignal der Kippstufe 29 liegt in Phase mit dem Eingangssignal des Demodulators 22 und dient zu Steuerung des Demodulators 24. Der Kippstufe 29 ist eine weitete Kippstufe 30 nachgeschaltet, deren Vorbereitungseingänge mit den Ausgängen der Kippstufe 29 verbunden sind, und deren dynamischer Eingang mit dem anderen Ausgang der Kippstufe 27 verbunden ist. Das Ausgangssignal der Kippstufe 30 folgt dem Ausgangssignal der Kippstufe 29 mit einer Phasenverschiebung von 90°. Somit beträgt auch die Phasenverschiebung in bezug auf die Eingangsspannung des Demodulators 22 ebenfalls 90°. Das Ausgangssignal der Kippstufe 30 steuert den Demodulator 22.

Der Demodulator 24 erzeugt eine Ausgangsspannung ohne Gleichanteil, da zwischen der Ausgangsspannung des Integrators 23 und dem Steuersignal für den Demodulator 24 eine Phasendifferenz von 90° besteht. Das Ausgangssignal des Demodulators 24 ist wiederum über ein Glättungsglied 17 einem Grenzwertmelder 18 zugeführt. Der Grenzwertmelder 18 ändert sein Ausgangssignal, wenn seine Eingangispannung einen vorgegebenen Wert R₀ des Erdwiderstandes S unterschreitet.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 werden die Spannungen am Meßobjekt 4 und die den Strom im Meßkreis abbildende Meßspannung zunächst zwei gleichartigen Integratoren 21 und 23 zugeführt. Hierdurch werden Störsignale höherer Frequenz reduziert, ohne daß der Phasenwinkel zwischen beiden Spannungen geändert wird. Der phasengeregelte Oszillator 28 erzeugt ein zur integrierten Spannung am Meßobjekt 4 phasengleiches Steuersignal zur Demodulation der integrierten Meßspannung. Für die Phasenregelung wird die integrierte Spannung am Meßobjekt mit einem weiteren Steuersignal des Oszillators 28 demoduliert, das um 90° phasenverschoben ist. Ein Demodulator erzeugt bei einer Phasenverschiebung von 90° zwischen seiner Eingangsspannung und seinem Steuersignal eine Ausgangsspannung ohne Gleichanteil.

Fig. 3 zeigt die Anwendung einer erfindungsgema-Ben Schaltungsanordnung zur Messung des Erdwider Standes einer elektrischen Maschine 32, die al; Gleichstrom-Nebenschlußmaschine dargestellt ist Die elektrische Maschine 32 ist über einen Stromrich tertransformator 30 und einen Stromrichter 31 au einem Drehstromnetz gespeist. Die Hilfsspannungs quelle 2 ist über ein symmetrisches Ankopplungsgiic< mit den beiden Teilgliedern 33a und 33b angekop pelt, die jeweils aus der Reihenschaltung eines Kon densators mit einem ohmschen Widerstand besteher Durch die symmetrische Ankopplung der Hilfsspan nung stellt sich eine Spannungsverteilung gege Erde Af ein, die dem natürlichen Zustand bei verteil ten Erdkapazitäten und Isolationswiderständcti de Maschine entspricht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Erdschlußüberwachung einer erdfreien Gleichstromschaltung, die über einen Stromrichter an ein Wechsel- oder Drehspannungsnetz angeschlossen ist, mit einer Hilfsspannungsquclle zwischen Erde und Meßobjekt, die über ein Ankopplungsglied und einen Widerstand angeschlossen ist, wobei eine den Strom im Meßkreis abbildende Meßspannung und eine aus dem Meßkreis abgegriffene Bezugsspannung einer Auswerteschaltung zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet,daß die Frequenz (/2) der Hilfsspannung (w2) um einen ganzzahligen Faktor kleiner ist als die Netzfrequenz (/1) und daß die Ausweiteschaltung eine von der Bezugssparmung gesteuerte phasenempfindliche Demodulatorschaltung (15, 24) enthält, deren Ausgangsspannung ein Maß für den Erdwiderstand (5) des Meßobjekts (4) darstellt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein kapazitives Ankopplungsglied (7; 27) verwendet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Auswerteschaltung mit folgenden Merkmalen:

a) die als Bezugsspannung dienende Hilfsspannung (m2) ist einem Phasendrehglied (12) mit einer Phasendrehung von 90° zugeführt,

b) die den Strom (/) im Meßwiderstand (9) abbildende Meßspannung und die über ein Einstellpotentiometer (14) geführte Ausgangsspannung des Phasendrehgliedes (12) sind einem Differenzbildner (19) eingangsseitig zugeführt,

c) die Ausgangsspannung des Differenzbildners (19) ist einem Demodulator (15) zugeführt, der von einem Polaritätsdetektor (16) für die Ausgangsspannung des Phasendrehgliedes (12) gesteuert ist (Fig. la).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Auswerteschaltung mit folgenden Merkmalen:

a) die den Strom im Meßwiderstand (9) abbildende Meßspannung ist einem ersten Demodulator (24) zugeführt,

b) die als Bezugsspannung dienende, auf Erdpotential (M) bezogene Spannung am Meßobjekt (4) ist einem zweiten Demodulator (22) zugeführt,

c) ein phasengeregelter Oszillator (28) erzeugt ein gegenüber der Eingangsspannung des zweiten Demodulators (22) um 0° phascnverschoberes erstes Steuersignal zur Steuerung des ersten Demodulators (24) und ein gegenüber der Eingangsspannung des zweiten Demodulators (22) um 90° phasenverschobenes zweites Steuersignal zur Steuerung des zweiten Demodulators (22) (Fig. 2).

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den Strom im Meßkreis abbildende Meßspannung über einen ersten Integrator (23) dem ersten Demodulator (24) und daß die Spannung am Meßobjekt (4) über einen zweiten gleichartigen Integrator (21) dem zweiten Demodulator (22) zugeführt ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Eirdschlußüberwachung einer erdfreien Gleichstromschaltung, die über einen Stromrichter an ein Wechsel- oder Drehspannungsnetz angeschlossen ist, mit einer Hilfsspannungsquelle zwischen Erde und Meßobjekt, die über ein Ankopplungsglied und einen Widerstand angeschlossen ist, wobei eine den Strom im Meßkreis abbildende Meßspannung und eine aus dem Meßkreis abgegriffene Bezugspannung einer Auswerteschaltung zugeführt ist.

Eine solche Schaltungsanordnung ist in einer älteren Patentanmeldung (DT-AS 2542811) vorgeschlagen worden. Etei dieser Schaltungsanordnung bestand das Problem, bei der Ermittlung des Erdwiderstandes

^J5 weder die Eidkapazität berücksichtigen noch für eine Amplitudenkonstanz der Meßwechselspannung sorgen zu müssen.

Es wurde nun weiterhin festgestellt, daß durch die räumlich verteilte Erdkapazität eines erdfreien Stromkreises Störsignale in den Meßkreis zur Überwachung des Isolationszustandes eingekoppelt werden können, die zu falschen Meßergebnissen führen. Dies tritt insbesondere bei stromrichtergespeisten Gleichstromschaltungen auf, bei denen die Störsignale Jie Frequenz des speisenden Netzes oder ein ganzzahliges Vielfaches der Netzfrequenz aufweisen. Die vom Stromrichter eingekoppelten Störsignale sind relativ stark, da die Kommutierungsvorgänge jeweils nur in einer der beiden Brückenhälften des Stromrichters erfolgen. Die Unterdrückung dieser Störsignale bedingt aufwendige Filterschaltungen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Erdschlußüberwachung zu schaffen, bei der ohne aufwendige Filterschaltungen eine von der Größe des Erdschlußwiderstandes des Meßobjektes abhängige Spannung gewonnen wird.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgeinäß dadurch, daß die Frequenz der Hilfsspannung um einen ganzzahligen Faktor kleiner ist als die Netzfrequenz und daß die Auswerteschaltung eine von der Bezugsspannung gesteuerte phasenempfindliche Demodulatorschaltung enthält, deren Ausgangsspannung ein Maß für den Erdwiderstand des Meßobjekts darstellt.

Bei der erfindungsgemäßen Meßschaltung erfolgt eine phasenwinkelabhängige Erfassung des Stromes im Meßkreis. Es wird als Maß für die Größe des Erdwiderstandes diejenige Komponente des Stromes im Meßkreis erfaßt, die in Phase ist zum Steuersignal für die Demodulation. Durch das Ankopplungsglied steht auch bei relativ großen Erdkapazitäten und kleinen Frequenzen eine auswertbare Spannung an der Isolation der Gleichstromschaltung an, die das eigentliche Meßobjekt darstellt. Als Ankopplungsglied ist vorzugsweise bei Starkstromschaltungen ein kapazitives Ankopplungsglied vorgesehen. Bei Verwendung einer Hilfsspannung, deren Frequenz um einen ganzzahligen Faktor kleiner ist alis die Netzfrequenz, werden bei einer phasenempfindlichen Demodulation die Störsignale mit der Netzfrequenz oder einem ganzzahligen Vielfachen hiervon als Störfrequenz im Mittelwert unterdrückt. Dies folgt daraus, daß sich die Spannungszeitflächen eines derartig demodulierten Störsignals gegenseitig aufheben, und zwar unabhängig von der auf die Störfrequenz bezogenen Phasenlage des Steuersignals für die Demodulation. Bei einer Netzfrequenz von beispielsweise 50 Hz kann die Fre-