DE2617644C3 - Einrichtung zur Feststellung eines Erdschlußfehlers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, zur Feststellung von fehlerhaften Erdschlüssen einen örtlichen Oszillator zu verwenden, der eine relativ hochfrequente Schwingung (Frequenz z. B. 5 kHz) liefert, die dem Null-Leiter einer mit relativ niedriger Frequenz (z. B. 50 oder 60 Hertz) arbeitenden Starkstromanlage zugeführt wird. Der Null-Leiter ist vorzugsweise an nur einer einzigen Stelle geerdet, und wenn dies der Fall ist, fließt im Null-Leiter kein hochfrequenter Strom. Wenn jedoch der unerwünschte Zustand eintritt, daß der Null-Leiter einen weiteren fehlerhaften Erdschluß hat, existiert eine Schleife, in der der hochfrequente Strom fließen kann. Das Fließen des hochfrequenten Stroms wird festgestellt, und das dabei erzeugte Signal wird zur Anzeige des Erdschlußfehlers und/oder zur Unterbrechung der Leistungsabgabe durch die Anlage verwendet Der bei dem fehlerhaften Erdschluß fließende hochfrequente Strom wird durch Vollweggleichrichtung, Filterung und Spannungsvergleich festgestellt Systeme dieses Typs werden als »Null-Leiter-Erdschlußmelder« bezeichnet und gewöhnlich in Verbindung mit Schaltungsanordnungen zur Feststellung von Erdschlüssen der Phasenleiter, d. h. der anderen Leiter außer dem Null-Leiter, verwendet. Solche Phasenleiter-Erdschlußmelder arbeiten gewöhnlich mit einem Differenzstromwandler, der jeden Phasenleiter und den Null-Leiter als Primärwicklungen und eine Sekundärwicklung oder Meßspule enthält zur Ermittlung der Summe der in einem vorgegebenen Zeitpunkt durch die Phasenleiter zum Verbraucher fließenden Ströme abzüglich der Summe der jeweils vom Verbraucher durch den Null-Leiter fließenden Ströme. Wenn bei keinem der Phasenleiter ein Erdschluß vorliegt, hat das resultierende Signal (Unsymmetrie-Signal) den Wert Null. Wenn dagegen bei einem Phasenleiter ein Erdschluß auftritt, hat das Unsymmetriesignal einen meßbaren Wert, der wahrgenommen wird. Diese Wahrnehmung erfolgt durch Demodulation oder einfache Gleichrichtung und anschließende Tiefpaßfilterung sowie Schwellwertermittlung. Das Signal, das auftritt, wenn das Unsymmetriesi- gnal einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet wird zur Anzeige eines Phasenerdschlusses und/oder zur Unterbrechung der Leistungsabgabe der Anlage verwendet.

Man verwendet Null-Leiter-Erdschlußdetektoren zu-

sammen mit Phasenleiter-Erdschlußdetektoren, da ein niederohmiger Erdschluß des Null-Leiters die ihm zugeordnete Primärwicklung des Stromtransformators kurzschließt und die Kopplung zwischen den Phasenleitern und dem Phasenleiter-Erdschlußdetektor dann herabgesetzt ist Hierdurch wird dann auch die Empfindlichkeit des Detektors herabgesetzt, und zwar in manchen Fällen so weit daß ein Erdschluß einer der Phasenleiter unter Umständen nicht mehr wahrgenommen wird. Dies ist besonders unerwünscht bei Erdschlußmeldern mit Abschaltfunktion, durch die die Leistungsabgabe -unterbrochen werden soll, da solche Vorrichtungen in erster Linie zum Schutz von Personen dienen, die die Phasenleiter unabsichtlich berühren und damit die Ursache des Erdschlusses bilden. Der Null-Leiter-Erdschlußdetektor dient zur Unterbrechung der Leistungsabgabe beim Auftreten eines fehlerhaften Erdschlusses des Null-Leiters und verhindert dadurch die Gefahr, daß der Schutz gegen Erdschlüsse der Phasenleiter beeinträchtigt wird.

Das Problem bei den bekannten Null-Leiter-Erdschlußmeldern besteht in der Schwierigkeit eine ausreichende Empfindlichkeit für Erdschlüsse des Null-Leiters zu erreichen, ohne die Gefahr von fehlerhaften Erdschlußanzeigen durch Störimpulse und Einschwingvorgänge, wie sie häufig auf den Leitungen auftreten, heraufzubeschwören. Die Amplitude der höherfrequenten Schwingungen auf dem Null-Leiter soll so niedrig wie möglich gehalten werden, um Störungen zu vermeiden, die bei bestimmten Verbrau ehern auftreten können. Es besteht beispielsweise die Gefahr, daß Oberwellen der örtlich erzeugten höherfrequenten Schwingungen den Rundfunkempfang stören.

Aus der US-PS 36 11 035 ist es bereits bekannt, örtlich einen Oszillator einzusetzen, der eine verhältnismäßig hochfrequente Schwingung erzeugt und diese auf den Null-Leiter eines Niederfrequenz-Leistungssystems zu geben. Ein gewöhnlicher Detektor, der mit dem Ausgang eines Differentialstromwandlers verbunden ist, zeigt mit einem Ausgangssigna! an, wenn entweder auf den Phasenleitern aufgrund eines Phasenleitererdschlusses Unsymmetrie herrscht oder ein Hochfrequenzstrom zum Null-Leiter aufgrund eines Null-Leiter-Erdschlusses fließt. Ferner ist aus der US-PS 35 97 656 eine Erdschlußfeh-

M ler-Abschaltvorrichtung bekannt, bei der die Empfindlichkeit gegenüber dem Ausgangssignal eines Differenzstromwandlers dadurch erhöht wird, daß das Signal mit einem Hochfrequenz-Trägersignal moduliert wird, be-

vor es festgestellt und verstärkt wird. Das Trägersignal wird jedoch nicht mit den Phasenleitern oder dem Null-Leiter gekoppelt mit dem Ziel, zur Feststellung eines Erdschlußfehlers der Phasenleiter oder der Null-Leiter Vorhandensein oder NichtVorhandensein des Trägersignals auf den Wechselspannungs-Phasenleitern oder dem Null-Leiter festzustellen.

Aus der US-PS 38 57 069 ist es bekannt, einen Erdschlußfehlerdetektor für Phasenleitererdschlüsse unempfindlich zu machen, die auftreten können, wenn gleichzeitig ein Null-Leiter-Erdschluß vorhanden ist. Dazu sind ein Differenzstromwandler und ein sowohl von den Phasenleitetn als auch vom Null-Leiter durchsetzter Hilfswandler vorgesehen, denen ein Hochfrequenz-Oszillatorsignal über zusätzliche Wickhingen zugeleitet wird. Die Phasenlage und der ICoppIungsgrad des Oszillatorsignals sind derart, daß bei einem entsprechenden Null-Leiter-Erdschlußfehler das Oszillatorsignal im Differenzstromwandler ausgeglichen wird. Man nimmt dann das Fehlen des Oszillator- signals als Anzeige dafür, daß der festzustellende NuH-Leiter-Erdschluß vorhanden ist Dieses System ist sehr aufwendig, da in beiden Wandlern i.asätzliche Wicklungen benötigt werden und sämtliche Phasenleiter und der Null-Leiter durch alle Wandler hindurcnge- führt werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Erhöhung der Selektivität der Null-Leiter-Erdschlußanzeige bezüglich Störimpulsen und Einschwingvorgängen wie sie auf den Phasenleitern häufig auftreten, die Gefahr von Erdschlußfehlanzeigen herabzusetzen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Einrichtung wesentlich einfacher aufgebaut und raumsparender ist als z. B. die Anordnung nach der oben erwähnten US-PS 38 57 069.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild einer Erdschluß-Abschaltvorrichtung mit einem Null-Leiter-Erdschlußmelder gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig.2 ein Schaltbild einer anderen Erdschlußabschaltvorrichtung mit einem Null-Leiter-Erdschlußmel- der gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

In F i g. 1 ist eine kombinierte Null-Leiter- und Phasenleiter-ErdschluB-Schutzvorrichtung 10 dargestellt die für ein einphasiges Dreileiternetz mit geerdetem Null-Leiter ausgelegt ist Zwischen einem Null-Leiter 13 einerseits und zwei Phasenleitern 14 und 15 andererseits werden Netzwechselspannungen (z. B. 120VoIt und 60Hz oder 200VoIt und 50Hz) durch Spannungsquellen U bzw. 12 erzeugt Die drei Leiter speisen schließlich einen Verbraucher 16, der bezüglich der beiden Phasenleiter 14 und 15 symmetrisch oder unsymmetrisch sein kann.

Der Null-Leiter ist an einem Punkt 17 geerdet und führt auf der Verbraucherseite des Erdungspunktes 17 über eine Sekundärwicklung iSb eines Transformators «) 18. Die Primärwicklung Wa des Transformators wird von einem Oszillator 19 mit Schwingungen einer Frequenz (z. B. 5 kHz), die sich von der Netzfrequenz unterscheidet, über einen Trennverstärker 20 gespeist. Solange für die Leiter 13, 141 und 15 keine andere bi Erdverbindung ais über den Erdungspunkt 17 besteht gibt es keine geschlossene Leiterschleife, die die Sekundärwicklung 18b des Transformators 18 enthält, und es kann daher auch von der Sekundärwicklung I8.3 kein Strom der Os/jllatorfrequenz in der Sekundärwicklung 18b induziert werden. Wenn andererseits bei einem der Leiter 13, 14 und 15 ein fehlerhafter Erdschluß auftritt, entsteht eine die Sekundärwicklung 18b des Transformators 18 enthaltende Stromschleife, und es fließt ein den Oszillatorschwingungen entsprechender Strom in der den Null-Leiter enthaltenden Stromschleife.

Die Leiter S3, 14 und 15 sind als Primärwicklungen eines Differenzstromtransformators 21 geschaltet, der außerdem noch eine gewöhnlich als Meßspule bezeichnete Sekundärwicklung 21a aufweist In der Meßspule 21a wird ein Unsymmetriestrom induziert, dessen Augenblickswert proportional der Summe der Augenblicksströme, die von den Quellen 11 und 12 über die Leiter 13,14 und 15 zum Verbraucher fließen abzüglich der Summe der Augenblicksströme, die vom Verbraucher 16 über diese Leiter zu den Quellen 11 und 12 zurückfließen. Dieser Unsymmetriestrom wird in einem Verstärker 22 verstärkt und dann ober eine Reihenschaltung zweier Synchronschalter oder Synchronmodulatoren 24 und 25 wählbar auf einen Integrator 23 gekoppelt Das Schalten des ersten Synchrondemodulator 24 wird durch die Netzwechselspannung zwischen dem Null-Leiter und den Phasenleitern 13 und 15 gesteuert während das Schalten des zweiten Synchronschalters 25 durch die Schwingungen vom Oszillator 19 gesteuert wird. Die Synchrondemodulatoren 24 und 25 können symmetrisch sein, so daß die ihr Schalten steuernden Signale in ihren Ausgangssignalen nicht erscheinen, andererseits können die Synchrondemodulatoren aber auch unsymmetrisch sein.

Im Falle, daß bei keinem der Leiter 13,14 und 15 ein fehlerhafter Erdschluß vorliegt ist die Summe der Ströme, die von den Spannungsquellen 11 und 12 über die genannten Leiter zum Verbraucher 16 fließen, in jedem Zeitpunkt und allen Zeitpunkten gleich der Summe der Ströme, die über diese Leiter vom Verbraucher 16 zu den Spannungsquellen 11 und 12 zurückfließen. In der Meßspule 21a wird dann kein Lkisymmetriestrom induziert Da der Null-Leiter 13 nur am Erdungspunkt 17 geerdet ist tritt außerdem auch keine Kopplung der verstärkten Schwingungen vom Trennverstärker 20 über den Transformator 18 auf den Null-Leiter 13 ein. Die Summe der Ströme in der Meßspule 21a hat daher den Wert Null. Die anschließende Synchrondemodulation dieses den Wert Null aufweisenden (und vom Verstärker 22 gegebenenfalls verstärkten) Stromes von der Sekundärwicklung durch die Synchrondemodulatoren 24 und 25 ergibt keine Gleichspannungskomponente im Eingangssignal für den Integrator 23.

r>.s als Ausgangssignal des Integrators 23 erscheinende Integral dieses den Mittelwert Null aufweisenden Eingangssignals v4rd dann auch nicht grcß genug sein, um den Schwellwert eines Schwellwertdetektors 26 zu überschreiten, und dieser liefert dann auch kein Ausgangssignal, das einen fehlerhaften Erdschluß de',-Leiter 13,14odei 15 anzeigen würde.

Wenn ein fehlerhafter Erdschluß des Null-Leiters 13 irgendwo zwischen dem Erdungspunkt 17 und dem Verbraucher auftritt, fließt ein Strom entsprechend den Schwingungen und der Frequenz des Oszillators 19 im Null-Leiter 13. Dieser Strom induziert einen proportionalen Stromfluß in der Sekundärwicklung 21a. Der Strom von der Sekundärwicklung wird im Verstärker 22 verstärkt, durch den Synchrondemodulator 24 zerhackt

und in zerhackter Form dem Synchrondemodulator 25 zugeführt. Im Synchrondemodulator 25 tritt eine Synchrondemodulation der verstärkten und zerhackten Oszillatorschwingungen auf, und dabei entsteht ein Signal mit einer Gleichspannungskomponente, das dem Eingangskreis des Integrators 23 zugeführt wird. Das zeitliche Integral dieser Gleichspannungskomponente, das der Integrator 23 dem Schwellwertdetektor 26 zuführt, erreicht rasch einen den Schwellwert übersteigenden Wert, wenn der von der Sekundärwicklung 21a abgegebene Unsymmetriestrom eine nennenswerte Amplitude hat. Bei Überschreitung des Schwellwertes iindert sich die Amplitude des Ausgangssignals des Schwellwertdetektors 26 und dieses Ausgangssignal wird durch einen Schaltschiitz-Steuerverstärker 27 verstärkt und einem dreipoligen Schaltschütz 28 zugeführt, der öffnet und dadurch die Leistungszufuhr /um Verbraucher 16 unterbricht.

Wenn bei einem der Phasenleiter 14 und 15 ein Erdschluß auftritt, wird in der Meßspule 21a ebenfalls ein Unsymmetriestrom induziert. Dieser Unsymmetriestrom wird durch den Verstärker 22 verstärkt und durch den Synchrondemodulator 24 mit der Netzfrequenz synchrondemoduliert. Der Synchrondemodulator 24 liefert dabei ein Ausgangssignal mit einer Gleichstromkomponente, das durch den Synchrondemodulator 25 zerhackt und in zerhackter Form dem Eingangskreis des Integrators 23 zugeführt wird. Das zeitliche Integral der Gleichstromkomponente, das der Integrator 23 an den Schwellwertdetektor 26 liefert, erreicht rasch einen den Schwellwert übersteigenden Wert, wenn der von der Sekundärwicklung 21a abgegebene Unsymmetriestrom eine nennenswerte Amplitude hat. Das Ausgangssignal des Schwellwertdetektors 26 ändert dann seinen Wert und wird vom Schaltschütz-Steuerverstärker 27 verstärkt und dem dreipoligen Schaltschütz 28 zugeführt. Dieser öffnet wieder und unterbricht die Leistungszufuhr zum Verbraucher 16.

F i g. 2 zeigt eine alternative Vorrichtung 10', bei der die Synchrondemodulatoren 24 und 25 in umgekehrter Reihenfolge hintereinandergeschaltet sind wie bei der Vorrichtung 10 gemäß Fig. 1. Bei der Vorrichtung 10' befindet sich also der Synchrondemodulator 25 (dessen Schalten durch die Schwingungen vom Oszillator 19 gesteuert wird) vor und nicht hinter dem mit der Netzfrequenz schaltenden Synchrondemodulator 24. Der Verstärker 22. der bei den Schaltungsanordnungen gemäß F i g. 1 und 2 vor den Synchrondemodulatoren 24 und 25 liegt, könnte auch zwischen die Synchrondemodulatoren 24 und 25 oder hinter diese geschaltet werden. Der Verstärker 22 kann auch hinter dem Integrator 23 liegen. Der Verstärker 22 kann auch mit einem oder beiden Synchrondemodulatoren 24 und 25 vereinigt sein, d. h. zu diesen gehören. Die Verstärkung kann auch in irgendeiner anderen Weise auf den Signalkanal zwischen der Meßspule 21a und dem Schwellwertdetektor 26 verteilt sein.

Es ist im allgemeinen wünschenswert, die Leistung möglichst klein zu halten, die vom Trennverstärker an den Null-Leiter abgegeben wird, wenn letzterer einen fehlerhaften Erdschluß hat. Dadurch wird verhindert daß auf den Leitern 13,14 und 15 Oszillatorschwingungen so großer Amplitude auftreten, daß Verbraucher 16 bestimmter Typen gestört oder der Trenn verstärker

ίο durch die Leistungsabgabe überlastet wird. Bei einer typischen Konstruktion kann der Trennverstärker eine Spannung von 50 mV abgeben, wenn der Null-Leiter 13 einen Erdschluß von 100 Milliohm hat. Die Erdschluß schutzvorrichtung muß aber andererseits oft gleichzei-

'"' tig in einer Umgebung arbeiten, die stark unter elektrischen Störungen leidet, die von Schaltvorgängen Motorkommutatoren, Oberwellen von Thyristorsteuerungen u.dgl. herrühren und Amplituden haben, die mindestens so groß wie die der Schwingungen sind, die

-'(> bei einem Null-LeitererdschluU durch den Transformator 18 übertragen werden. Diese elektrischen Störungen müssen vom Nutzsignal unterschieden werden, so daß die Gefahr gering ist, daß die Erdschluß-Schutzvorrichtung 10 oder 10' die Leistungszufuhr zum Verbraucher

r> 16 fälschlich unterbricht.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Unterscheidung bezüglich elektrischer Störungen durch die Selektivität in bestimmten Zeitbereichen erreicht, d. h. durch zeitliche Filterung durch Verwendung des Synchrondemodulator 25. Der Synchrondemodulator 25 läßt keine Signalübertragung von der Sekundärwick lung 21a zum Integrator 23 zu, solange nicht ein Impuls vom Oszillator 19 auf die Primärwicklung 18a gekoppel wird. Hierdurch wird ein erheblicher Prozentsatz der elektrischen Störungen an der Übertragung durch den Integrator 23 gehindert. Andererseits wird die ganze Energie der Oszillatorimpulse oder -schwingungen, die bei einem Erdschluß des Null-Leiters in der Wicklung 21a induziert wird, zum Integrator 23 übertragen und kann anschließend durch den Schwellwertdetektor 26 wahrgenommen werden. Die ganze Energie der Impulse bei allen Oberwellen der Impuls- oder Oszillatorfre quenz wird bei der Zeitbereich-Filterung nutzbai gemacht. Bei einer Filterung im Frequenzbereich, wie sie durch die konventionellen LC-Bandfilterschaltunger bewirkt wird, ist dies praktisch nicht möglich.

Der für die Filterung im Zeitbereich verwendete Synchrondemodulator 25 kann einfach einen Teil einei integrierten Schaltung bilden, die außerdem auch die Schaltungsteile 19, 20, 22, 23, 24, 26 und 27 odei wesentliche Teile von diesen enthält Die SchaltuP"S-elemente eines Frequenzfilters enthalten andererseit gewöhnlich Induktivitäten und Kapazitäten, die sich ir einer integrierten Schaltung nicht realisieren lassen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Feststellung eines Erdschlußfehlers in einer mit vorgegebener Netzfrequenz arbeitenden Starkstromanlage, die mehrere Phasenleiter und einen Null-Leiter, der an einer Stelle geerdet ist, enthält, mit einer auf einen Erdschluß des Null-Leiters an einer zweiten Stelle ansprechenden Anordnung, die im Null-Leiter einen Strom einer zweiten Frequenz, die wesentlich höher ist als die Netzfrequenz, induziert, ferner mit einer mit den Leitern gekoppelten Vorrichtung zur Wahrnehmung des im Null-Leiter fließenden induzierten Stromes der zweiten Frequenz und eines Unsymmetriesignals der Netzfrequenz, das bei einem Erdschluß eines der Phasenleiter auftritt, einer Schaltungsanordnung zur Demodulation des Ausgangssignals der Wahrnehmungsvorrichtung mit der Netzfrequenz und einer Detektorschaltung für die wahrgenommenen Signale der zweiten Frequenz, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorschaltung für die Wahrnehmung der Signale der zweiten Frequenz ein mit dieser Frequenz arbeitender Synchrondemodulator (25) ist, der mit einem mit der Netzfrequenz betriebenen Synchrondemodulator (24) in Kaskade geschaltet ist, und daß diese beiden Synchrondemodulatoren (25, 24) zwischen den Ausgang (2ia) der Wahrnehmungsvorrichtung (21) und den Eingang eines Integrators (23) geschaltet sind, dessen Ausgangssignal sich auf den Phasenleiterc (14, 15) und dem Null-Leiter (13) wiederholenden Erdsc/UußfehJrm entspricht

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator (23) pin Ausgangssignal erzeugt, welches das zeitliche Integral seines Eingangssignals darstellt.