DE2630982A1 - Isolationsueberwachungseinrichtung fuer ein nichtgeerdetes energieversorgungssystem - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipl.- Ing. W. Scherrmann Dr.- Ing. R. Rüger

Λ r> O Λ Q Q Ο 7300 Esslingen (Neckar), Webergasse 3, Postfach 348

9. Juli 1976 Telefon

4 c- . Stuttga rt (0711) 35 65 39

^{HD eX1} 35 9619

Telex 07 256610 smru

Telegramme Patentschutz Essllngenneckar

Square D Company/ Executive Plaza, Park Ridge, Illinois 60068, Mich. / USA

Isolationsüberwachungseinrichtung für ein nichtgeerdetes Energieversorgungssystem

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Isolationsüberwachungseinrichtung für ein nichtgeerdetes Energieversorgungssystem. Diese Einrichtung soll jeden Fehler in der Gesamtisolation des Systems gegen Erde entdecken und die Größe des Stromes anzeigen, der bei einem Erdschluß einer Zuleitung über vorhandene symmetrische, unsymmetrische, ohmsche, kapazitive oder gemischte Ableitwiderstände fließt.

Solche erdfreien Energieversorgungssysteme sind z.B. in den USA gemäß den Erfordernissen der National Fire Protection Association Publication, No. 56(a)-1971, die Teil des National Electric Code, Article 517 sind, für die Versorgung von Krankenhausräumen mit Anästhesie-Anwendung, wie Operationsräume oder von speziellen Behandlungsmethoden mittels elektronischer Geräte vorgeschrieben.

709810/0713

Insbesondere ist vorgeschrieben, daß in solchen Systemen eine dauernde Überwachung und Anzeige des sicheren Betriebszustandes stattfindet. Im Falle der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine dynamische, speziell für Krankenhäuser bestimmte Anlage.

In einem ideal isolierten nichtgeerdeten System ist gegen Erde ein unendlicher Widerstand vorhanden, so daß bei einer niederohmigen Berührung eines der zum Verbraucher führenden Leiters mit Erde kein Strom über diese Erdverbindung fließen würde. Nun weisen aber alle praktisch vorhandenen isolierten, nichtgeerdeten Versorgungssysteme einen bestimmten Ableitwiderstand gegen Erde auf. Die Fälle ohmscher Ableitwiderstände oder Fehler werden dadurch verursacht, daß kein Isolator vollkommen ist bzw. daß jede Isolation mit dem Alter und dem Gebrauch kleiner wird. Die Fälle kapazitiver Ableitwiderstände oder Fehler stellen ein ernsteres Problem dar; sie sind stets in allen Systemen vorhanden und werden größer mit dem Wachsen der Länge der Leitungen. Außerdem werden beide Arten von Ableitwiderständen mit der Anzahl der Verbrauchereinrichtungen, die an das System angeschlossen sind, größer. Natürlicherweise besitzt jede Versorgungsleitung eine Kombination beider Ableitwiderstände, also ohmsche und kapazitive Ableitwiderstände gegen Erde. Diese Ableitwiderstände in praktisch ausgeführten, isolierten, ungeerdeten Systemen stellen einen Stromweg gegen Erde dar und wenn dann ein niederohmiger Widerstand an einen der Leiter angeschlossen wird, dann ist ein geschlossener Stromweg in Abhängigkeit von den vorhandenen Ableitwiüerständen vorhanden, demnach wird also ein Strom durch den niederohmigen Widerstand fließen. Der Gesamtstrom, der in einem solchen Fall durch einen niederohmigen Widerstand fließt, der zwischen eine

709810/0718

isolierte Leitung und Erde geschaltet ist, wird als Fehler-oder Gefahrenstrom bezeichnet. Der Betriebsgefahrenstrom ist definiert als ,derjenige Gefahrenstrom eines vorgegebenen isolierten Systems, der dann fließt, wenn alle Verbrauchereinrichtungen außer der überwachungseinrichtung an die Leitungen angeschlossen sind. Der Anzeigefehlerstrom ist definiert als der Wert des Gefahrenstroms , der dann fließt, wenn allein die überwachungseinrichtung an das ungeerdete Energieversorgungssystem angeschlossen ist. Der Gesamtgefahren- oder Fehlerstrom ist die Kombination des Betriebsgefahrenstroms und des über die' Anzeigeeinrichtung fließenden Fehler- oder Gefahrenstroms. Die NFPA-Regeln erfordern, daß beim überschreiten des Gesamtgefahren- oder Fehlerstroms ein rotes Licht und ein akkustischer Alarm ausgelöst werden. Außerdem ist durch diese Regeln der Fehlerstrom, der durch die Überwachungseinrichtung selbst verursacht wird, auf einen bestimmten Betrag begrenzt.

Einer der Gründe für die NFPA-Regeln ist das Bestreben, die größtmögliche Sicherheit für einen Patienten zu erreichen. Sobald der normalerweise hohe Körperwiderstand eines Patienten in entsprechender Weise kurzgeschlossen ist, wird der Patient elektrisch empfindlich. Der Grad der elektrischen Empfindlichkeit kann sich ändern, und zwar hängt dies von der darauffolgenden medizinischen Behandlungsweise ab. Wenn z.B. die Behandlung erfordert, daß an den Herzmuskel des Patienten direkt ein elektrischer Tastkopf oder ein Katheter angeschlossen wird, dann ist die elektrische Empfindlichkeit am größten und ein kleiner Stromwert, der den Patienten durchfließt, ist sehr gefährlich. Eine geringere elektrische Empfindlichkeit eines Patienten ist dann gegeben, wenn die medizinische

709810/0718

Behandlungsweise nur das Anbringen von Elektroden auf der Außenhaut erfordert, die dann mit einer leitfähigen Paste auf den entsprechenden Punkt der Haut aufgebracht werden. In jeder der geschilderten Situationen bildet der menschliche Körper einen niederohmigen Widerstand, da ja sein normalerweise hoher Körperwiderstand kurzgeschlossen ist. Der menschliche Körper bildet dann eine elektrische Verbindung zwischen dem Leiter des Versorgungssystems und Erde. Der gesamte Fehler-Oder Gefahrenstrom fließt dann durch den Körper, da dieser den Rückweg für den Strom darstellt, dessen anderer Teil die Ableitwiderstände des Systems sind. Wenn ein Wechselstrom durch den Körper fließt und dabei einen Wert überschreitet, der etwa 2 Milliampere beträgt, dann kann dies einen extrem großen Schock und möglicherweise den Tod verursachen. Die überwachungseinrichtung für ein solches isoliertes, nicht geerdetes Versorgungssystem in einem Krankenhaus muß den möglichen Maximalwert des Fehlerstroms kontinuierlich anzeigen, der dann fließen würde, wenn der menschliche Körper Teil des elektrischen Stromkreises ist.

Bekannte Anzeigeeinrichtungen arbeiten mit einem statischen Erdpotentialanzeiger. Bei diesen Einrichtungen wird ein niederohmiger Widerstand benutzt, der zwischen einen Leiter und Erde geschaltet ist. Eine andere Art von Überwachungseinrichtungen ist mit einer symmetrischen, statischen Brücke ausgestattet und mit dieser Brückenschaltung wird jede Widerstandsunsymmetrie zwischen den Versorgungsleitungen festgestellt. Die Hauptschwierigkeit.mit dieser Art von statischen Anzeigeeinrichtungen ist das Unvermögen, gleichzeitig auftretende ohmsche oder kapazitive Ableitwiderstände zwischen Erde und jedem der Leiter festzustellen. Es gibt aber auch dynamische Anzeigeinerichtungen, welche die Nachteile der statischen Anzeigeeinrichtungen, d.h. deren Unempfindlichkeit gegen Unsymmetrie-Fehler vermeiden. Ein solcher dynamischer Anzeiger wird in vorbestimm-

709810/0718

ten Intervallen zwischen jeden Leiter der Spannungsversorgungseinrichtung und Erde geschaltet, um so den Strom in jedem der überwachten Leitungspfade aufzuzeigen. Wenn der Strom einen bestimmten, vorgegebenen Wert überschreitet, gibt die Anzeigeeinrichtung ein Signal für das Vorliegen eines Erdfehlers ab. Diese Art von dynamischen Isolationsüberwachungseinrichtungen verursachen selbst einen hohen Anteil des Gesamtfehlerstromes. Außerdem verursachen sie große Einschaltspitzen und Störspannungen, die durch das wechselnde und periodische Anschalten der Einrichtung an die eine oder andere Leitung des Versorgungssystems verursacht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine dynamische Isolationsüberwachungseinrichtung anzugeben, welche selbst keine unerwünschten Einflüsse auf den Betrieb des Systems damit auf das Meßergebnis ausübt.Diese Aufgabe wird erfindungi gemäß durch folgende Merkmale gelöst: Eine Demodulationseinrichtung, in der eine Vergleichsspannung erzeugt wird; Teil" strömen zugeordnete Kanäle, pur aenen von der Vergleichsspannung gesteuert,ein Meßstrom in das System eingespeist wird, a: das System angeschlossene Rückkopplungselemente, an welchen

eine Spannung ansteht, die durch den die Ableitwiderstände durchfließenden Meßstromes bestimmt ist, wobei die Rückkopplungselemente mit den den Teilströmen zugeordneten Kanälen zur Beeinflußung der Phase und der Höhe des Meßstromes verbunden sind; und Endeinrichtungen, welche an die den Teilströmen zugeordneten Kanäle angeschlossen sind, in welchen der Isolationszustand des Systems gegen Erde angezeigt wird.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,·, daß die Demodulationseinrichtung an die Leitungen des Systems angeschlossen ist und die Vergleichsspannung jeweils proportional zur höchsten Spannung zwischen Erde und einer der Leitungen des Systems ist.

709810/0718

Sofern eine größere Zahl von Versorgungsleitungen vorhanden ist, oder diese mehrphasig (größer 2) ausgeführt sind, ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung vorteilhaft, wenn die Demodulationseinrichtung aus folgenden Schaltungselementen besteht: Einem mit dem System verbundenen Meßtransformator, dessen Primär- und Sekundärwicklung jeweils Anzapfungen aufweisen, einem Verstärker, dessen Eingang mit der angezapften Primärwicklung und dessen Ausgang mit der angezapften Sekundärwicklung verbunden ist; und Gleichrichter, welche an die Sekundärwicklung angeschaltet sind, die der Zusammenfassung des Ausgangssignals des Verstärkers und der gegenpoligen Signale der Sekundärwicklung dienen.

Um auch die verschiedenen Komponenten des Fehlerstromes in entsprechender Weise in das Meßergebnis einzuführen, ist vorgesehen, daß die den Teilströmen zugeordneten Kanäle aus folgenden Schaltungsteilen bestehen: Einem kapazitiven Kanal zur Erzeugung eines kapazitiven Teilstromes des Meßstromes und einem ohmschen Kanal zur Erzeugung des ohmschen Teilstromes des Meßstromes.

Dabei kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorhanden sein: Eine Summierchaltung, in welcher der kapazitive und der ohmsche Teilstrom zum Meßstrom addiert werden und eine am Ausgang der Summierschaltung angeschlossenes Einspeiseglied, über das der Meßstrom zu den Ableitwiderständen gelangt.

Um den Meßstrom leicht feststellen zu können, ist vorgesehen, daß die Frequenz des Meßstromes von der des Betriebsstromes des Systems verschieden ist.

709810/0718

Frequenzabhängige Verzerrungen werden dabei so vermieden, daß die Summierschaltung den kapazitiven Teilstrom in einem solchen Verhältnis dem ohmschen Teilstrom zuaddiert, welches die proportionale Abhängigkeit des kapazitiven Widerstandes von der Frequenz ausgleicht, während die Rückkopplungsspannung den Spannungsabfall an den Ableitwiderständen bei Betriebsfrequenz darstellt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung, der beigefügten Zeichnungen sowie den Patentansprüchen entnommen werden.

In der Beschreibung wird insbesondere auf die beigefügten Zeichnungen 1 bis 5 Bezug genommen.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild der Isolationsüberwachungseinrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 zeigt eine Schaltung einer bevorzugten Ausführung der Isolationsüberwachungseinrichtung,

Fig. 3 zeigt Einzelheiten des kommutierten Integrators nach Fig. 2,

Fig. 4 zeigt den Verlauf der um 90° verschobenen Signale am Eingang der Integratorkreise,

Fig.5(a) bis 5 (e)

zeigen Beispiele der verschiedenen Arten der Ableitwiderstände.

709810/0718 - ₈ -

Um die Grundfunktion des Schaltkreises gemäß der vorliegenden Erfindung zu verstehen, erscheint die Ableitung der Theorie der Arbeitsweise notwendig. Der Gesamtbetrag des Fehlerstromes in einem nichtgeerdeten, isolierten elektrischen Energieversorgungssystems ist der Höchstwert des Stromes, der über einen geerdeten Gegenstand fließt, der mit beiden Leitern in Verbindung steht. Im Idealfall eines solchen nichtgeerdeten Systems, das gegen Erde einen unendlichen Widerstand besitzt, fließt kein Strom über den geerdeten Gegenstand, der mit einem der Leiter verbunden ist; dies gilt unabhängig vom Wert der Spannung, die zwischen den beiden Leitern herrscht, da die Rückleitung von Erde her fehlt. In praktisch bestehenden Energieversorgungssystemen jedoch sind stets irgendwelche Kriechstrecken oder Isolationsfehler gegen Erde vorhanden. Die Ableitverluste können sowohl rein ohmscher oder kapazitiver Art sein als auch eine Kombination beider Arten; außerdem können sie symmetrisch, d.h. für jeden Leiter gleich, oder unsymmetrisch sein. Wenn also in einem praktischen Energieversorgungssystem ein geerdeter Gegenstand einen der Leiter berührt, dann stellt die im System vorhandene Ableitung gegen Erde einen Rückweg für einen Stromfluß dar, demzufolge gibt es im System einen Fehlerstrom.

Der Fehlerstrom wird durch den Strom dargestellt, der über einen mit einem Leiter verbundenen, geerdeten Gegenstand fließt, wobei der Wert durch den Quotienten aus der Speisespannung V_c (Leiter-zu-Leiter-Spannung) und dem Ableitwiderstand des gegenpoligen Leiters bestimmt ist. Also, in einem ungeerdeten, isolierten elektrischen Zweidrahtversorgungssystem hat der Fehlerstrom I .. des Leiters L1 bei einem Erdschluß einen Wert, der gleich dem Quotienten aus der Speisespannung V„ und dem Ableitwiderstand Z₂ des Leiters L2

709810/0718

ist. Analog dazu hat der Fehlerstrom I- des Leiters L2 bei einem Erdschluß einen Wert, der gleich dem Quotienten aus der Speisespannung V„ und dem Ableitwiderstand Z.. des Leiters L1 ist.

I₁₁₁ (L1 geerdet) = ^VS (1)

_r
^[H2

(L2 geerdet) = ^VS (2)

Die jeweiligen Ableitverluste einer Versorgungsleitung können in beliebiger Kombination durch ohmsche und kapazitive, parallel-liegende Widerstände verursacht v/erden. Der gesamte Ableitwiderstand eines Leiters ist der resultierende Vektor Z₀ der einzelnen, parallelen Verlustwiderstände. Die Summe der Ableitung nach Erde jader der entsprechenden Versorgungsleitungen L1 und L2 kann zusammengesetzt in zwei Leitwertvektoren Y₁ und Y₂ dargestellt werden. Die gesamten Ableitwiderstände gegen Erde für jeden Leiter bestehen aus einer jeweiligen Reihenschaltung zwischen der isoliert zugeführten Spannung Vq, mit ihrer Verbindung nach Erde und zu der gehörigen Leitung, dabei treiben die Spannungen gegen Erde vektorie11 in dem Verhältnis

V₂ - Y₁ <³>

wobei V₁ und V_ die Leiterspannungen der einzelnen Leiter L1 und L2 gegen Erde sind. Die vektorielle Summe der Spannungen V₁ und V_ ist gleich dem Wert der isolierten Speisespannung V_g. Aus diesem Grund führt jeder Leiter einen Fehlerstrom, der gleich dem Produkt aus der Speisespannung V_ und dem Ableitwert des gegenpoligen Leiters ist, ^0^810/0718

- 10 -

I_H1 (L1 geerdet) = V₃ . Y_{3 {4)}

I_H2 (L2 geerdet) = V₃ . Y₁ (5)

Der Leiter, der den größten Fehlerstrom führt ist derjenige, der den kleineren Ableitwert gegen Erde und die höhere Spannung gegen Erde besitzt, da dieser Fehlerstrom durch den größeren Ableitwert gegen Erde des gegenpoligen Leiters bestimmt wird, und zwar multipliziert mit dem Wert der zwischen den Leitern herrschenden Spannung.

Daher ist es wichtig, daß eine Anzeigeeinrichtung für die Leiterisolation selbst nur einen kleinen Feh.lerstrom führt, damit dadurch der Gesamtfehlerstrom nicht merklich vergrößert wird. Wenn man den Gesamtableitwiderstand jedes Leiters direkt messen wollte, dann müßte man entweder den Stromkreis auftrennen oder nacheinander jeden Leiter versuchsweise mit Erde verbinden. Jede dieser beiden Alternativen würde die Gefahr für einen betroffenen Patienten vergrößern. In Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Erfindung ist der Gesamtbetrag des Ableitwertes gleich der Zusammenfassung der parallelen Ableitwerte der Leiter L1 und L2, also Y₀ = Y- + Y-. Dieser Gesamtableitwert Y_Q kann dadurch ermittelt werden, daß man einen kleineren Meßstrom über jeweils einen oder beide Leiter L1 und L2 fließen läßt, und zwar mittels einer Speisequelle mit hohem Innenwiderstand, die in der Anzeigeeinrichtung angeordnet ist. Der Meßstrom I„ fließt durch die Parallelanordnung aller Ableitwiderstände gegen Erde, während der der Speisespannung squelIe entnommene Ableit- oder Fehlerstrom diese Ableitwiderstände in Reihe durchfließt. Die sich ändernden Spannungswerte jedes Leiters gegen Erde können in einfacher Weise gemessen werden. Die Spannungsänderung gegen

709810/0718

- 11 -

Erde in jedem der beiden Leiter wird mit Δ V bezeichnet und der Gesamtableitwert ist Y_n. Es ergibt sich also

Im
Y_ = ^j. Die Beziehung zwischen den sich ändernden Spannungen der Leiter und ihren Leitwerten ist Y₁ . V₁ = Y₂ .

Bas^ierend auf den obigen Beziehungen kann man die jeweiligen Leiterfehlerströme als Funktionen von Spannungen und dem Gesamtableitwert definieren:

= <^V1^+V2^}' ^Y2 = ^V1 * ^Y2^+V1 * ^Y1

¹H₂= (V₁₊V₂). Y₁ = V₂ . Y₂₊V₂ .

(Y₂₊Y₁)= V₂ . Y₀

₍₈₎

Der Höchstwert des Fehlerstromes der in jedem der beiden Leiter fließen kann, ist also eine einfache Funktion der Leiterspannung gegen Erde und des Gesamtableitwertes.

I_H max. = (V max.) · Y_Q

Der Meßstrom I.. wird so gesteuert, daß ΔV, d.h. die Änderung der Spannung gegen Erde in jedem Leiter in Abhängigkeit vom Meßstrom, in einem bestimmten festen Verhältnis K zum Höchstwert der Spannung jedes Leiters gegen Erde steht:

4 V = K · (V max.) (10)

Wenn man K als Teilfaktor betrachtet, dann ist die Größe des Meßstromes proportional zum Höchstwert des Fehlerstroms gemäß folgender Beziehung:

709810/0718

- 12 -

¹M= V-Y_Q = K-(V max.)-Y₀ = K.I_H max. (11)

Man sieht also, daß es sich hier um den gleichen konstanten Wert K handelt, wie er bereits im Zusammenhang mit den änderungen der Leiterspannung Λ V und der maximalen Leiterspannung definiert wurde. Der Gesamtleitwert Y₀ wird mit Hilfe eines sehr kleinen Meßstromes bestimmt, da sowohl die kapzitiven als auch die ohmschen Ableitv/iderstände gegen Erde eine lineare Charakteristik besitzen. Der sehr kleine Meßstrom stört weder die Speisequelle noch wird in merklicher Weise der Fehlerstrom des Systems erhöht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung wählt man für den Meßstrom eine vom Speisestrom unterschiedliche Frequenz, und zwar ein Vielfaches dieser Frequenz, um dadurch leichter die kleinen Spannungsänderungen Av, die den viel größeren Leiterspannungen V₁ und V_ überlagert sind, feststellen zu können.

Das 50- oder 60 Hz-Signal der Speisespannung kann man durch Filtern ausschalten und die kleine Spannungsänderung ÄV, hervorgerufen durch den über die Ableitwiderstände fließenden Meßstrom, kann festgestellt werden. Während so durch die Wahl einer abweichenden, vorzugsweise höheren Frequenz des Meßstromes die Ermittlung der kleinen Spannungsänderung AV erleichtert wird, sind andererseits Kompensationsmaßnahmen notwendig, um die durch die höhere Meßfrequenz bedingte Änderung des Phasenwinkels beim kapazitiven Anteil zu eliminieren. Dazu muß z. B. der kapazitive Anteil des Meßstromes getrennt erzeugt und eingeführt werden, wobei daß Verhältnis von Meßfrequenz f„ zur Frequenz f_Q der Speisespannung maßgebend ist. Der kapazitive Anteil des Meßstromes wird also im Verhältnis f«/f₀ dem getrennt erzeugten ohmschen

709810/0718

- 13 -

Anteil des Meßstromes zugesetzt, um so den Gesamtmeßstrom zu erhalten, der dann jeden der beiden Leiter durchfließt.

Der maximale Fehlerstrom wird auf einem Meßinstrument angezeigt, welches so geeicht ist, daß der Proportionalitätsfaktor K berücksichtigt wird. Zudem wird die kapazitive Komponente des Meßstromes im Verhältnis 1:1 zu der ohmschen Komponente addiert,um so eine richtige Anzeige des Höchstwertes des Fehlerstromes auf dem Instrument zu gewährleisten.

Die vorstehende Analyse zeigt also: Durch Messung eines Stromes, der zur Erzeugung einer kleinen Änderung des Maximalwertes der Spannung jedes Leiters gegen Erde führt, sowie durch Einführung eines Proportionalitätsfaktors zwischen diesem Maximalwert der Spannung und der kleinen Änderungsspannung kann man durch Berücksichtigung des genannten Proportionalitätsfaktors beim obigem Strom eine exakte Aussage über den maximalen Fehlerstrom machen, der dann auftritt, wenn der Leiter mit der höchsten Spannung gegen Erde über einen niedrigen Widerstand mit Erde verbunden wird. Der Fehleroder Gefahrenstrom kann für jeden Punkt in einem Netzwerk von linearen Widerständen dadurch bestimmt werden, daß man die jeweilige Spannung an diesem Punkt bei angeschalteter Speisespannung mißt und den gemessenen Wert durch den Widerstandswert gegen Erde teilt, den man dadurch ermittelt, daß man an diesem Punkt eine besondere Meßstromquelle einschaltet, wobei alle Speisequellen im Netzwerk kurzgeschlossen sind. Diese Anwendung des Satzes von der Ersatzstromquelle (Thevinen-Theorem) wird bei der Ausführung gemäß der Erfindung ohne die störende Beeinflussung der Betriebsfrequenz erreicht, ebenso wird auch ein merkliches Anwachsen des Fehlerstromes vermieden.

709810/0718

- 14 -

2830982

Dies geschieht durch Feststellung derjenigen Spannung, die im Ableitwiderstand durch einen Strom verursucht wird, dessen Frequenz bekannt ist und von der des Betriebsstromes abweicht. Die grundsätzliche Funktionsweise des Systems ist in dem Blockschaltbild in Fig. 1 dargestellt.

Hier ist ein nichtgeerdetes, isoliertes Energieversorgungssystem gezeigt, das zwei Leiter L1 und L2 besitzt, die an die Sekundärseite, eines isolierten, abgeschirmten Leistungstransformators T1 angeschlossen sind. Es sei bemerkt, daß die Anzeigeeinrichtung auch im Rahmen eines mehradrigen oder eines mehrphasigen Systems eingesetzt werden kann. Mit den Leitern L1 und L2 sind jeweils die Widerstände Z1 und Z2 verbunden. Diese Widerstände stellen die Parallelschaltung kapazitiver und ohmscher Widerstände gegen Erde in einem praktisch existierenden System dar. Von den Leitern L1 und L2 führen Verbindungen zu der Anzeigeeinrichtung LIM, d.h. zu der Einheit 1, welche einen Maximalspannungsdetektor sowie Gleichrichter enthält. Das Ausgangssignal der Einheit bzw. des Detektors Ί ist ein Gleichspannungssignal V ref, das eine Aussage über den Wert der Maximalspannung der Leiter L1 oder L2 gegen Erde beinhaltet. Dieses Gleichspannungssignal V ref wird als Steuerspannung für den Betrieb der übrigen Teile der Anzeigeeinrichtung LIM benutzt; es wird parallel sowohl dem den kapazitiven Anteil als auch dem den ohmschen Anteil des Stromes auswertenden Meßteil 3 bzw. 5 als Eingangssignal zugeführt. In dem den kapazitiven Anteil auswertenden Meßteil 3 wird die Steuerspannung V ref dem Vergleicher 7 zugeführt. Zunächst ist die Spannung V ref das einzige Signal, das der Differenzvergleichsschaltung 7 zufließt, da noch kein Rückkopplungssignal ansteht. Also gibt die Schaltung 7 ein Signal gleich der Spannung V ref als Ausgangssignal ab, das einem Integrationsglied 9 zugeführt wird. Bei dem Integrationsglied 9 handelt es sich

709810/0718

- 15 -

um einen aufsummierenden Verstärker mit einer stark verzögerten Verstärkung und mit einem Bereich des Ausgangseignale der so groß ist,daß im Rahmen der Rückkopplung bei der Messung die Summe der Eingangssignale nahezu null. wird. Das Integrationsglied 9 erzeugt ein kontinuierliches.Anwachsen seines Ausgangssignales solange an seinem Eingang ein Signal ansteht. Das Ausgangssignal ist also ein Gleichspannungssignal, in welchem die Größe des Eingangssignales entsprechend der Dauer aufsummiert erscheint. Das Ausgangssignal des Integrationsgliedes 9 wird dem Eingang eines Vervielfachers 11 zugeführt,der sowohl als linearer Modulator-Demodulator als auch als nichtlinearer Zerhacker, Stromwender oder irgendeine anderen Torschaltung ausgebildet sein kann. Ebenfalls wird dem Vervielfacher 11 ein 125 Hz-Signal mit einer 90° Voreilung von einem Zweiphasen-Takt-Generator 2 zugeführt. Das Ausgangssignal des Vervielfachers 11 ist ein Wechselstromsignal I_p, welches den kapazitiven Anteil des Meßstromes Ij. darstellt.

Die Schaltkreiselemente des ohmschen Meßteiles 5 sind mit dem des kapazitiven Meßteiles 3 identisch. Die Gleichspannung V ref vom Detektor 1 wird dem ohmschen Meßteil 5 als Eingangssignal zugeführt, genauer gesagt, der Vergleichsschaltung 6. Zunächst sei die Gleichspannung V ref das einzige zugeführte Signal, so daß auch hier dieses Signal am Ausgang wieder erscheint. Das erwähnte Ausgangssignal wird einem Integrationsglied 8 zugeführt, an dessen Ausgang für die Dauer des Eingangssignales ein Signal erscheint. An den Ausgang des Integrationsglieds 8 ist der Eingang des nachfolgenden Vervielfachers 10 angeschlossen. Dem Vervielfacher 10 wird als Taktsignal das Ausgangssignal des Taktgenerators 2, dessen Frequenz wie erwähnt 152 Hz beträgt, zugeleitet,und zwar dasjenige des O°-Ausganges. Die den beiden Meßteilen 3 und 5 vom Taktgenerator 2 zugeführten Taktsignale haben also eine gegenseitige

709810/0718

- 16 -

Phasenlage von 90 . Das Ausgangssignal des Vervielfachers 10 ist ein Wechselstromsignal, welches den ohmschen Anteil I_R des Meßstromes I„ verkörpert.

Die beiden kapzitiven bzw. ohmschen Komponenten des Meßstromes, die den beiden Meßteilen 3 und 5 entnommen werden, gelangen zu einer Summierschaltung 13. Die kapazitive Komponente wird um den Betrag der Verhältnisse der Frequenz f., zu f_n, d.h. Meßfrequenz zu Betriebsfrequenz, verstärkt. Damit wird berücksichtigt, daß der kapazitive Ableitwiderstand von einem Meßstrom mit 125 Hz durchflossen wird, während der eigentliche Betriebsstrom 60 Hz beträgt. Bei dem Ausgangssignal der Summierschaltung 13 sind also die frequenzabhängigen Faktoren hinsichtlich des kapazitiven Anteiles des Meßstromes entsprechend berücksichtigt. Das Ausgangssignal der Summierschaltung wird dann über einen Verstärker 15 mit einem Verstärkungsfaktor A geleitet. Das Ausgangssignal des Verstärkers 15 wird dann zu einem großen Widerstand 18 geleitet und der erzeugte Meßstrom I_M ist gleich dem Verstärkungsfaktor A mal der Summe aus ohmscher plus kapazitiver Komponente. In Vektorschreibweise:

I_M = A (I_R + j Jm I_c) (12)

wobei j die 90° Phasenvoreilung bedeutet. Der Meßstrom I.,, bei welchem der Einfluß der höheren Frequenz bereits berücksichtigt ist, erzeugt einen Spannungsabfall V„, der in Größe und Phase demjenigen des niederfrequenteren Betriebsstrom^sentspricht. Das bedeutet, daß die folgende direkte Summierung der Ausgangssignale des kapazitiven und des ohmschen Meßteiles eine Anzeige liefert, welche dem maximalen Fehlerstrom bei Betriebsfrequenz gleich ist. Der Meßstrom kann an jedem Punkt des Systems eingespeist werden. Der

709810/0718

- 17 -

Meßstrom I., fließt parallel durch alle Ableitwiderstände des Systems gegen Erde. Dem Verstärker 19 werden über den hohen Widerstand 20 das 60 Hz-Signal der Speisequelle plus das Signal zugeführt, welches die Spannung V„ re-

Ct

präsentiert und das durch Fließen des kompensierten Stromes I_M durch die parallelen Ableitwiderstände des Versorgungssystems gegen Erde erzeugt wird.

Der Verstärker 19 hat einen Verstärkungsfaktor B_;und sein Ausgangssignal wird dem Eingang des Filters 21 zugeführt. Das Filter 21 filtert das 60 Hz-Eingangssignal heraus und läßt das 152 Hz-Signal mit einer Phasendrehung von 45° passieren. Also steht am Filterausgang 21 ein Signal der Größe B · V L 45°. Dieses Signal wird sowohl dem kapazitiven Kanal oder Meßteil 3 als auch dem ohmschen Kanal oder Meßteil 5 zugeleitet. Im kapazitiven Meßteil gelangt das Signal insbesondere zu einem Vervielfacher 17, der als Demodulator arbeitet und dem als Taktsignal das Ausgangssignal des Zweiphasen-Takt-Generators 2 mit 152 Hz und einer Phasenvoreilung von 90° zugeführt wird. Das Gleichspannungsausgangssignal des Demodulators 17 wird der schaltung 7 als Rückkopplungssignal zugeleitet. Das zweite Eingangssignal für die Vergleichsschaltung 7 ist, wie bereits vorstehend erläutert, die Gleichspannung V ref. Die Differenz zwischen den genannten EingangsSignalen ergibt nun ein kapazitives Fehlersignal. Dieses Fehlersignal ist das Eingangssignal des Integrationsgliedes 9. Solange nun das Integrationsglied 9 ein von Null verschiedenes Eingangssignal hat, ändert sich die kapazitive Komponente des Meßstromes in ihrer Größe und neigt dazu, den Fehler auf Null zu verringern.

Das Ausgangssignal des Filters 21 gelangt über eine entsprechende Verbindung auch zu dem ohmschen Kanal oder Meß teil 5, insbesondere zu dem als Demodulator arbeitenden Vervielfacher 16. Das Demodulationssignal wird von dem

709810/0718

- 18 -

Zweiphasen-Takt-Generator 2 erzeugt; es ist ein 152 Hz-Signal mit einem Phasenwinkel von 0°. Das Gleichspannungsausgangssignal des Demodulators 16 wird der Vergleichsschaltung 6 zugeführt, der außerdem die bereits erwähnte Gleichspannung V ref als zweites Eingangssignal dient. Die Differenz der beiden Eingangsspannungen ist ein ohmsches Fehlersignal, welches als Eingangssignal zu dem Integrationsglied 8 gelangt. Solange am Integrationsglied ein von Null verschiedenes Eingangssignal ansteht, ändert sich die ohmsche Komponente des Meßstromes mit einem ähnlichen Ausgleichseffekt, wie er bereits im Zusammenhang mit der kapazitiven Komponente beschrieben wurde. Der kompensierte Meßstrom, der den Ableitwiderständen parallel zugeführt wird, ändert sich in Größe und Phase bis ein Spannungsabfall V„ rait der richtigen Phase entsteht, der proportional gleich der Vergleichs-Gleichspannung ist. Wenn die Spannung V , die, wie gesagt, durch das Fließen des Meßstromes I , in den parallelen Ableitwiderständen erzeugt wird, proportional gleich der Gleichspannung V ref ist, dann ergibt die direkte Summierung der ohmschen und der kapazitiven Anteile I_R und I den Höchstwert des Fehlerstromes. Die Ausgangssignale des kapazitiven und des ohmschen iMeßteiles werden .in der Summierschaltung 12 zusammengefaßt. Das Ausgangssignal der Summierschaltung 12 ist ein Strom in der Form I_R + j I_. Dieses Ausgangssignal wird zu einem Verstärker 14 mit dem Verstärkungsfaktor C geleitet. Der Ausgang des Verstärkers 14 ist mit einem Meßkreis 4 verbunden, der Gleichrichter sowie ein nicht gezeigtes Fehlerstrommeßgerät enthält. Der Meßkreis ist so geeicht bzw. eingestellt, daß der unkompensierte Meßstrom mit einer festen Konstanten multipliziert wird, wodurch der Spannungsabfall V„ gleich der maximalen Speisespannung gegen Erde wird. Auf diese Weise zeigt das Meßinstrument den Höchstbetrag des Gesamtfehlerstromes an.

709810/0 718

Es sei darauf hingewiesen, daß die Verbindungen zwischen den Leitern L1 und L2 und dem Detektorkreis 1 auch in anderer Weise ausgebildet sein können, wie dies z. B. in Fig. 2 dargestellt ist. Außerdem ist leicht einzusehen, daß in dem Fall, daß das System mehr als zwei zu überwachende Leitungen aufweist, ähnliche Anordnungen mit entsprechend proportional ausgebildeten Sekundärwicklungen eingesetzt werden können. Zum Beispiel wird man für ein dreiphasiges tJberwachungssystern einen kleinen zusätzlichen Einphasentrafo vorsehen, der einen 1/3 Sekundärabgriff in Scott-Schaltung besitzt; von diesem sind dann die erforderlichen Sekundärspannungen abnehmbar. Es sei auch noch darauf hingewiesen, daß bei der Wahl der Frequenz des Meßstromes Werte gewählt werden können, die kleiner, gleich oder höher als der Wert der Betriebsspannung liegen.

Fig. 2 zeigt ein ausführliches Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform für eine Isolationsüberwachungseinrichtung LIM gemäß der Erfindung. In diesem Schaltbild sind allerdings solche Widerstände, Kondensatoren und Vorspannungsnetzteile nicht dargestellt, deren Verwendung und Anordnung jedem Fachmann geläufig sind. Eingangsseitig v/ird die Energie einem Trenn traf ο T1, der eine Primär- und eine Sekundärwicklung besitzt, zugeleitet. Die nicht geerdeten Leiter L1 und L2 führen zu nicht gezeigten Verbrauchern. Die kapazitiven und ohmschen Ableitwiderstände nach Erde sind zusammengefaßt dargestellt,und zwar durch Z1 zwischen dem Leiter L1 und Erde sowie durch Z2 zwischen dem Leiter L2 und Erde. Die Widerstände Z1 und Z2 verkörpern jede Kombination von ohmschen und/oder kapazitiven parallelen Ableitwiderständen der infrage kommenden Leiter des Energieversorgungssystems. Die Isolationsüberwachung se inr ich tung LIM zeigt den Höchstwert des Fehlerstromes an, und zwar bei symmetrischen, unsymmetrischen, ohmschen, kapazitiven oder zusammengesetzten Ableitwider-

709810/0718 - 20 -

ständen. Ein Transformator mit Mittelabgriff T2 für die Isolationsüberwachungseinrichtung ist zwischen die Leiter L1 und L2 geschaltet. Dieser interne Trafo T2 ist sehr klein und hat nur vernachlässigbare ohmsche und kapazitive Ableitwiderstände gegen Erde. Der Träfe T2 besitzt zwei Sekundärwicklungen S1 und S2. Die eine Sekundärwicklung S1 ist mit einer Speisegleichrichterschaltung 6O verbunden, in der die notwendige Speisegleichspannungen für die Verstärker und Torschaltungen des Systems erzeugt werden. Bei dieser Gleichspannungsspeiseschaltung handelt es sich um eine gebräuchliche Schaltung, eine genaue Darstellung und Beschreibung erübrigt sich daher.

Der isolierte, nicht geerdete Leiter L1 führt eine Spannung V1 und der isolierte Leiter L2 führt eine Spannung V2 gegen Erde. Wie bereits früher beschrieben wurde, wird der Höchstwert des Fehlerstromes in demjenigen Leiter gemessen, der die höchste Spannung gegen Erde führt, daher muß die größere der beiden Spannungen V1 und V2 ermittelt werden. Eine Vergleichsgleichspannung V ref, die proportional zur größten Spannung gegen Erde in den Leitern L1 und L2 ist, wird dann als Steuerspannung zur Erzeugung des Meßstromes benutzt. Um nun die Steuerspannung V ref zu gewinnen, ist in dem Zweidraht-Systern gemäß Fig. 2 eine Sekundärwicklung S2 mit Mittelanzapfung auf dem Trafo T2 vorgesehen. Jede Hälfte der Wicklung S2 hat ein Windungsverhältnis von 1:12 zur Primärwicklung. Die Mittelanzapfung auf der Primärseite des Trafos T2 ist mit dem hochohmigen Widerstand 61 und über diesen mit dem Eingang des Operationsverstärkers 62 verbindbar.

Es sei erwähnt, daß die Anzahpfungen auf der Primär- und Sekundärseite des Trafos T2 vorzugsweise Mittelanzapfungen sind, da hierdurch die Spannungsbereiche klein bleiben; natürlich könnte man im Prinzip auch andere Abgriffe wählen.

709810/0718

- 21 -

Außerdem sei noch erwähnt, daß anstelle des getrennten Trafos T2 auf dem Haupttrafo T1 eine weitere Sekundärwicklung mit Mittelabgriff möglich wäre. Der Operationsverstärker 62 hat einen Spannungsverstärkungsfaktor von einem Zwölftel (1/12) und sein Ausgang ist mit dem Mittelabgriff der Sekundärwicklung S2 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 62 ist mit den entgegengesetzten Polaritäten der Spannungen der Sekundärwicklung S2 verbunden. Die größere der resultierenden Spannungen wird jeweils mittels der Dioden 63 bzw. 64 gleichgerichtet, d.h. es entsteht eine Vergleichsgleichspannung, die proportional gleich der maximalen Spannung gegen Erde in einem der beiden Leiter L1 und L2 ist.

Man sieht, daß dieses Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 keine getrennten Leitungen von den Leitern L1 und L2 zum Detektor und zu der Gleichrichterschaltung erfordert, wie z. B. Fig. 1 zeigt. Dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel erfordert weniger Verbindungsleitungen von der Isolationsüberwachungseinrichtung LIM zum Energieversorgungssystem, die Folge ist demnach auch ein geringerer Fehlerstrom, der durch die überwachung selbst verursacht wird. Zudem sind bei dieser Schaltung auch solche Gleichrichter verwendbar, deren Spezifikation geringere Anforderungen hinsichtlich Spannungsfestigkeit und Fehlerstrom vorsieht.

Wie schon vorstehend erläutert wurde, bestimmt das vektoriel-Ie Verhältnis der beiden Ableitwiderstände gegen Erde Z1 und Z2 die entsprechenden Spannungen V1 und V2 der Leiter gegen Erde. Diese Spannungen ergeben als Vektorsumme einen Gesamtbetrag, der gleich der Speisespannung V„ ist. Diese beträgt üblicherweise 120 Volt bei 60 Hz und liegt an der Primärwicklung des Trafos T2 der Isolationsüberwachungseinrichtung LIM. Für den Trafo wurde ein Untersetzungsverhältnis von l/r_f hier r = 12, gewählt. Der Verstärker 62

709810/0718 -22-

2530982

mit einer Spannungsverstärkung von 1/12 ist ausgangsseitig an die gegenpoligen Spannungen der Sekundärwicklung S2 angeschlossen, die jede 5 Volt betragen, d.h. ein Zwölftel der 60 Volt, die zwischen dem Mittelabgriff und der Leitung auf Primärseite des Trafos T2 liegen. Die Spannungen VT und V2¹ zwischen dem Mittelabgriff und jeweils einer Leitung auf der Sekundärseite S2 sind gleich den Leerteufspannungen V1 und V2 der Versorgungsleitungen gegen Erde unter Berücksichtigung der Untersetzung von 1:12. Die gesonderte Gleichrichtung der größeren der Spannungen V1' oder V2' führt zu der Vergleichsgleichspannung V ref. Die Vergleichsgleichspannung repräsentiert unter Berücksichtigung des Untersetzungsfaktors von 1:12 die maximale Spannung gegen Erde in jedem Leiter L1 oder L2. Der Wert der Vergleichsgleichspannung V ref ändert sich im Verhältnis zu vorhandenen Ableitwiderständen gegen Erde von einem Maximalwert in Höhe der halben Speisespannung mal 1/r, d.h. 60 Volt geteilt durch 12 bei angepaßten Ableitwiderständen, bis zum zweifachen dieses Wertes, also 10 Volt, bei Ableitung in nur einer Leitung und bei verschiedenen Zwischenwerten; bei sowohl ungleichen Ableitwerten als auch bei gleichen, aber ungleichnamigen Ableitwerten. Es sei erwähnt, daß der Spannungsvergleich nur das Verhältnis der Ableitwiderstände wiedergibt, das umgekehrte Verhältnis ihrer Leitwerte, in den folgenden Beispielen werden fiktive Werte des Ableitwiderstäandes angenommen und der resultierende Spannungsvergleich entwickelt. Im tatsächlichen Betrieb der Isolationsüberwachungseinrichtung sind die einzelnen Ableitwiderstände der Leitungen unbekannt und die Isolationsüberwachungseinrichtung LIM muß ansprechen, wobei nur die Leerlaufspannung von 60 Hz gemessen und der zusammengesetzte Ableitwiderstand mit einem 125 Hz-Signal ermittelt wird.

- 23 -

709810/0718

Die Arbeitsweise des obigen Schaltkreises mit einem typischen Wert von 2 inA für einen durch Ableitung verursachten Gefahrenstrom wird anhand der nachfolgenden Beispiele erläutert:

Wenn, wie Fig. 5 (a) zeigt, nur ein unsymmetrischer Ableitwiderstand Z2 in Form eines ohmschen Widerstandes mit der Leitung L2 und Erde verbunden ist, der einen Wert von 60 k.0 besitzt, dann ist der Gesamtwiderstand 60 kCl . Also ist die Spannung V1 des Leiters L1 gegen Erde gleich 120 Volt, während die Spannung V2 des Leiters L2 gegen Erde 0 Volt beträgt, da dieser Leiter geerdet ist. Das Ausgangssignal des Verstärkers 62 reflektiert die 60 Volt Spannung des Mittelabgriffes auf der Primärseite des Trafos T2 und erzeugt also bei dem angenommenen Verstärkungsfaktor von 1:12 ein Ausgangssignal von 5 Volt. Dieses Ausgangssignal des Verstärkers 62 in Form einer Spannung von 5 Volt wird dem Mittelabgriff der Sekundärwicklung S2 zugeführt, so daß sich die Spannung V1' um 5 Volt erhöht und die Spannung V2· um 5 Volt verringert wird. Die gleichgerichtete Vergleichsgleichspannung V ref über die Diode 63 allein beträgt dann entsprechend dem Maximalwert 10 Volt. Der Höchstwert des Fehlerströmes, der von der Isolationsüberwachungseinrichtung festgestellt wird, ergibt bei 10 Volt geteilt durch 60 k-Q und multipliziert mit dem Faktor r = 12 den Wert von 2 mA für den einzigen 60 k-Ω·-Widerstand bei 120. Volt Speisespannung.

In dem in Fig. 5 (b) gezeigten Beispiel sind zwei symmetrische, ohmsehe Ableitwiderstände von Z1 =60 k-0~ und Z2 = 60 k-fXvorhanden, die in Parallelschaltung einen Gesamtwiderstand von Z₀ = 30 kAZ. ergeben. Die Spannung V1 zwischen dem Leiter L1 und Erde ist gleich 60 Volt. Die 'Spannung an dem Mittelabgriff auf der Primärseite des Trafos T2 ist entsprechend der herrschenden Symmetrie Null Volt

709810/0718 _ ₂₄ _

also ist auch das Ausgangssignal des Verstärkers 62 Hull Volt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 62, das, wie erwähnt, dem Mittelabgriff der Sekundärseite des Trafos T2 zugeführt wird, ist wegen seines Wertes von O Volt ohne jeglichen Einfluß auf die gegenpoligen Spannungen V1' und V2¹. Die über die Dioden 63 und 64 durch Gleichrichtung erzeugte Vergleichsgleichspannung V ref ist gleich dem halben Maximalwert, d.h. 5 Volt. Man käme zu dem gleichen Ergebnis, wenn stvtt der ohmschen nunmehr symmetrische, kapazitive Ableitwiderstände an die beiden Leiter L1 und L2 angeschlossen wären. In beiden symmetrischen Fällen mißt die' Isolationsüberwachungseinrichtung einen maximalen Fehlerstrom, der gleich 5 Volt, geteilt durch 30 k-O-des Widerstandes Z_ mal r = 12 ist, d.h. für jeden Leiter wird ein Fehlerstrom von 2 mA gemessen.

Wenn nun gemäß Fig. 5 (c) zwei unsymmetrische, kapazitive Ableitwiderstände von z. B. Z1 = -j 120 kH und Z2 = -j 60 vorhanden sind, dann ergibt sich ein Z_ = 40 kO bei einem Phasenwinkel von -90 . Die Spannung V1 des Leiters L1 gegen Erde beträgt 80 Volt und die Spannung V2 des Leiters L2 gegen Erde beträgt 40 Volt, dabei beträgt die Spannungsverschiebung an dem Mittelabgriff der Primärwicklung des Trafos T2 20 Volt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 62 mit dem Verstärkungsfaktor. 1:12 hat einen Spannungswert von 1,67 Volt; diese Spannung wird den entgegengesetzt gepolten Spannungen an der Sekundärwicklung S2 des Trafos T2 überlagert, wodurch die Spannung V1 ' = 6.,67 Volt und die Spannung V2¹ = 3,33 Volt betragen. Als Vergleichsgleichspannung V ref erscheint lediglich diejenige mit dem Wert von 6,67 Volt, die über den Gleichrichter 63 ansteht. Der Höchstwert des Fehlerstroms, der über die Isolationsüberwachungseinrichtung angezeigt wird, errechnet sich aus dem Wert der Spannung von 6,67 Volt geteilt durch den Wert von 40 k-0. mal r, dies ergibt einen Wert von 2 mA für den Fehler strom des Leiters L1 zufolge des Widerstandes Z2.

709810/0718 -25-

Im Falle von unsymmetrischen, ungleichnamigen Ableitwiderständen, der in Fig. 5 (d) angedeutet ist, betrage der Wert des Ableitwiderstandes Z1 = -j 6OK SX _f derjenige des Ableitwiderstandes Z2 = 64K IX , daraus ergibt sich ein Gesamtwert for Z = 44K.flmit einem Phasenwinkel von -48 . Die Spannung V1 gegen Erde ist gleich 82 Volt und die Spannung V2 gegen Erde ist gleich 88 Volt. Die Spannungsverschiebung am Mittelabgriff der Primärwicklung des Trafos T2 beträgt 60 Volt mit einer gleichzeitigen Phasenabweichung von -93°. Das Ausgangssignal des Verstärkers 62 hat in diesem Fall einen Spannungswert von 5 Volt;mit einer Phase von -93°. Wenn diese Spannung wiederum an die Mittelanzapfung der Sekundärwicklung S2 des Trafos T2 angeschaltet wird, dann stehen zwei Spannungsvektoren V1' und V2¹ an dieser Wicklung, die beide größer sind als im Falle einfacher, gleichphasiger Symmetrie von .gleichartigen Ableiterwiderständen. Die gleichgerichtete Spannung V ref. hat den Wert von 7,3 Volt. Daraus errechnet sich der angezeigte Wert des Fehlerstromes zu 7,3 Volt geteilt durch 44KiXmal r, d.h. ein Fehlerstrom von 2mA fließt ein Leiter L2 zufolge des Widerstandes Z1.

Wenn unsymmetrische, gemischte Ableitwiderstände an den Leitern L1 und L2 angeschlossen sind, wie z.B. in Fig. 5 (e) gezeigt ist, und die Einzelwerte betragen an dem Leiter L1 R1 = 69.3K-Qxic= -j 120Kdsowie an dem Leiter L2 R2 = 24OKJQ und X2c = -j 138.6K-Q , dann ergibt die Rechnung der relevanten Werte:

- 26 -

t-v f F, O ·.
* ι ! Hi -·-. s

Die Einzelleitwert sind ^Β 5- + J- " 16.7 . 1θ"⁶ L 60°

^Υ2 ⁼ Ir ⁺ 1~ ^{= 8}*³³ * ¹⁰~⁶ ^ ³°^C

daraus der Gesamtwert

Y_o = Y₁ + Y₂ = 24.2 . 1Cf⁶ L 40°

und für den Gesamtwiderstand

= 1- = 41.3 / -40° K Ci ο

Z₁ = i- = 6OK L -60° -Q ^{1 Y}1

= J- = 120K £ -30° ^Y

Die Serienschaltung dieser Widerstände ergibt + Z₂ = 175K L -40°

und dies wiederum, führt zu einem Reihenfehlstrom

I_c = =~|-= = 0.687 / 40°, piA

S Z₁ + Z₂

Die Spannungen der beiden Leiter L1 und L2 gegen Erde betragen:

Ig = 41.3 L -20°

V, = Z-, I_n = 82.6 £10°.

Daraus ersieht man, daß die Spannung V2 den Höchstwert hat dnd die vektorielle Addition von V1 + V2 = V₀ 120 Volt ergibt. Die Spannungsverschiebung an Mittelabgriff der Primärwicklung des Trafos T2 hat einen Wert von

= 60V - V₁ = 25.5 V £-124°

Das Ausgangssignal des Verstärkers 62 ist ein phasenverschobener Spannungsvektor, demzufolge beide Spannungen V1' und V2¹ größere Werte annehmen, als dies bei einem einfachen gleichphasigen und symmetrischen Ableitwiderstand der Fall wäre, es ergibt sich ein Zwischenwert der Spannung V ref. von 6,9 Volt. Der angezeigte Fehlerstrom ist nunmehr gleich 6,9 Volt geteilt durch 41.3Κ-Ώ-mal r, dabei fließt der Fehlerstrom von 2 mA auf der Leitung L2, infolge des nierdrigeren Ableitwiderstandes an der Leitung L1.

Die vorstehenden Rechnungen zeigen, daß die Spannung V ref. eine proportionale Beziehung zum Höchstwert einer Spannung eines der beiden Leiter L1 und L2 gegen Erde ist, die an einem einfachen Abgriff der Versorgungsleitungen abnehmbar ist,und zwar trotz der Komplizität des Ableitwiderstandes.

Die Vergleichsgleichspannung V ref. wird als Steuerspannung im übrigen Teil der Isolationsüberwachungsein-, richtung genützt, und zwar zur Erzeugung eines Meßstromes I . Die Spannung V ref. wird kommutierenden Integrationskreisen 68 und 69 in dem kapazitiven Meßteil und dem ohmschen Meßteil zugeführt.

In Fig. 3 ist eine detaillierte Darstellung der kommutierenden Integrationskreise 68 und 69 gezeigt, von denen jeder die vier im Zusammenhang mit den Meßteilen

709810/0718

- 28 -

und 5 erläuterten Funktion durchführt. Diese seien noch einmal kurz genannt: Kommutierung der Vergleichsgleichspannung in zwei senkrecht zueinander stehende Signale, Unterscheidung von zwei getrennten, phasenbehafteten Rückkopplungsanteilen, synchrones Filtern, um die Schwingungen der Speisespannungen aus den Rückkopplungssignalen zu entfernen und schließlich die Regelung des Ausgangssignales jedes Meßteiles auf einen solchen Wert, durch den sich eine genaue Symmetrie zwischen der Wechselstromkomponente des Rückkopplungssignales und der Amplitude der Vergleichsgleichspannung V ref. ergibt. Diese Vergleichsgleichspannung V ref. gelangt über einen Widerstand 41 in einen Kondensator im Rückkopplungsweg des Operationsverstärkers 33. In dem gezeigten Beispiel hat die Vergleichsspannung einen negativen Wert, obwohl auch eine positive Polarität möglich wäre, dann würde sich bei offenem Schaltelement 3 5 der Kondensator negativ aufladen . Im gleichen Augenblick, in dem der Kondensator 31 geladen wird, geschieht dies ebenso bei dem entgegengesetzt eingeschalteten Kondensator 32, der ebenfalls im Rückkopplungsweg als Operationsverstärkers 33 angeordnet ist. Dieser Kondensator lädt sich auf die entgegengesetzt gleiche Spannung auf, unä zwar zufolge der Gleichspannungsrückkopp lungswirkung des Verstärkers 33 über die Widerstände 43 und 45, die ihrerseits den Verstärker zwingen, Gleichspannungsunsymmetrien des Ausgangssignales auf Null zu regeln. Der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers 33 ist mit dem gemeinsamen Erdpotential über einen Widerstand 47 verbunden. In dem ohmschen Meßteil verursacht die Vergleichsspannung eine analoge Aufladung der Kondensatoren 30 und 36. Das Signal zur Auftastung der gespeicherten Gleichspannung auf die Kondensatoren 30,

- 29 -

709810/0719

und 31, 37 wird von einem einstellbaren Oszillator 6 mit einer Frequenz von 608 Hz erzeugt, welches den Flip-Flop-Schaltungen 66 und 67 (Fig. 2) zugeführt wird. Die beiden Flip-Flop-Schaltungen 66 und 67 haben überkreuzverbundene "D"-Steuereingänge und liefern durch blockweises Rückwärtszählen aus dem 608 Hz Taktsignal des Oszillators 65 vier Rechtecksignale von jeweils 152 Hz, wie in Fig. 4 dargestellt. Der Wert von 152 Hz wurde deshalb gewählt, da er zur wirksamen Demodulation genügend weit von der Betriebsfrequenz abliegt und außerdem etwas höher liegt, als das mittlere Verhältnis von 5 : 2 zur Betriebsfrequnez von 60 Hz/ dadurch werden Fehler, die durch die Synchrondemadulation von unerwünschten und durch Streukopplung verursachte 60 Hz-Signale auftreten können, vermieden. So werden aber diese Störsignale, die eine Mitterfrequenz erzeugen, in der nachfolgenden Meßschaltung LIM ausgefiltert. Es sei festgestellt, daß man auch andere Meßfrequenzen zusammen mit solchen Filtern, die eine notwendige Phasenvoreilung von 45 verursachen, verwenden kann; dies geschieht automatisch, wenn man die vorbestimmte Meßfrequenz mit den hier gezeigten Filtern anwendet; in den nachfolgenden Ausführungen wird darauf noch eingegangen.

Die Ausgangssignale der Flip-Flop-Schaltungen 66 und weisen eine quadratische Beziehung auf, so daß die Q₁- und Q₁-(die entsprechende Inversion)-Signale den Q₂ und Q₂ exakt 90° voreilen und diese überlappen, siehe dazu Fig. 4. Die beiden Signalpaare sind dazu bestimmt, die Schaltelemente 35, 39 und 34, 38 synchron leitend zu steuern. Dieser synchrone Umschaltvorgang in den Rückkopplungswegen der Operationsverstärker 33 und

- 30 -

70981 0/0718

eleminiert im wesentlichen Störeinkopplungen, die bei normalen Vervielfachern auftreten, die aber auch dann vorhanden sein können, wenn die Umschaltung an den Eingängen von Signalverstärkern mit hochwertigen FET-Schalt-Transistoren erfolgt. Die umgekehrte Verbindung oder Operationsverstärker 33 und 32 mit den Kondensatoren 31, 37 und 30, 36 hat zur Folge, daß die Verstärker solche Wechselspannungs-Recktecksignale an den Ausgängen führen, deren Amplituden die gleichen Werte wie der aufgespeicherten Gleichspannung haben. Aber zu diesem Zeitpunkt liegt kein Rückkopplungssignal über die Koppelkondensatoren 49 und 48 an, nur die Vergleichsgleichspannung Vref ist zur Aufladung der Rückkopplungskondensatoren angeschaltet, daher hat das Ausgangssignal der Operationsverstärker 33 und 32 die Form einer Rechteck-Weschselspannung, deren" Amplitude gleich der gespeicherten Gleichspannung ist.

Die Operationsverstärker 33 und 32 gemäß Fig. 3 arbeiten in identisch ausgebildeten Schaltkreisen als Kommutierungsintegratoren zur Erzeugung von Wechselspannungen, die durch das Taktsignal der Flip-Flop-Schaltungen 66 und 67 synchronisiert werden, und zur Bestimmung der kapazitiven und ohmschen Anteile des 152-Hz-Stromes,mit dem die Leitwerte der Ableiterwiderstände zwischen Leiter und Erde gemessen werden. Die relative Größe der Ausgangssignale der Operationsverstärker 33 und 32 werden kompensiert und dadurch wird die direkte Wiedergabe der verschiedenen relativen Werte der ohmschen und kapazitiven Stromanteile bei 60-Hz möglich; die daraus gebildete vektorielle Summe stellt dann ein direktes Maß für den auftretenden Fehlerstrom dar, der bei Betriebsfrequenz zufolge der höheren der Leiterspannungen gegen Erde fließt. Die Ausgangswechselspannung des Operationsverstärkers 33 ist eine Rechteckspannung, die dadurch entsteht, daß im Wechsel jeweils entgegengesetzt geladene Kondensatoren 31 und 37,

709810/0718

- 31 -

die in Rückkopplungsnetzwerte angeordnet sind, angeschaltet werden; in analoger Weise gilt dies auch für den Operationsverstärker 32, in dessen Rückkopplungsnetzwerk die Kondensatoren 30 und 36 liegen. Der einzige Unterschied in Bezug auf die Ausgangssignale der beiden Operationsverstärker liegt in deren relativem zeitlichein Verlauf der Umschaltung und in der Amplitudenhöhe. Der gegenseitige zeitliche Versatz infolge der wechselnden Leitendzustände der jeweils zugehörigen Schaltelementpaare 35., 39 und 34, 38 bedingt die wechselnde Polarität des Ausgangssignals des Verstärkers 33, und zwar voreilend derjenigen des Verstärkers 32 um einen Phasenwinkel von genau 90 , wobei beide Signale die gleiche Frequenz von 152 Hz haben. Der so vorhandene gegenseitige Zeitversatz ist notwendig, damit mit dem Ausgangssignal des Operationsverstärkers 33 die voreilende Phase des kapazitiven Fehlerstromes und mit demjenigen des Operationsverstärkers 33 der ohmsche Fehlerstrom gesteuert werden kann/ die entsprechende Größe des jeweiligen Ausgangssignals gibt dann Aufschluß über den zugehörigen Anteil des Fehlerstromes. Die Rechteckausgangsspannungen der kommuntierten Integrations kreise 68 und 69 werden in der Ädditi^onsschaltung 70 zu einem zusammengesetzten 152 Hz-Ausgangssignal vereint. Um aus den Amplituden der Ausgangswechselspannungen der Operationsverstärker/deren Frequenz je 152 Hz beträgt, eine direkte Aussage über die Größe der einzelnen Ableitwerte des Systems bei der Betriebsfrequenz von 60 Hz ableiten zu können, wird das in der Phase voreilende Ausgangssignal des Operationsverstärkers 33 in dem Kommuntierten Integrator 68 in einem größeren Verhältnis weitergeleitet, verglichen mit demjenigen des Operationsverstärkers 32 in dem kommuntierten Integrator 69; dadurch entsteht ein proportional größerer, voreilender Phasenwinkel des 152 Hz-Meßstromes, und zwar wegen des kapazitiven Anteils

- 32 709810/0718

des Gesamtabteilwertes. Damit wird dann eine Spannungsrückkopplung erzeugt, die nach Größe und Phase dem Fehlerstrom bei 60 Hz entspricht. Das oben angesprochene Größenverhältnis entspricht dem Quotienden aus Meßfrequenz f geteilt durch die Betriebsfrequenz f .

Die Ausgangssignale des Operationsverstärkers 33 und des Operationsverstärkers 32 werden im genannten Verhältnis

zueinander addiert und dann dem Operationsverstärker 71 zugeführt. Der Operationsverstärker 71 ist mit einem frequenzselektiven Netzwerk 72 ausgerüstet, dadurch werden durch Filtern Oberwellen der 152 Hz-Rechtecksignale der Operationsverstärker 32 und 33 unterdrückt. Außerdem werden in dem Netzwerk 72 jegliche Oberwellen der 60 Hz-Betriebsfrequenz ausgefiltert. Das Netzwerk hat einen kleinen Gütefaktor Q, um Demodulationsfehler im Rückkopplungsweg zu vermeiden, die durch eine temperaturabhängige Drift des Phasenwinkels der Kondendatoren des Resonanzkreises verursacht werden. Zusätzlich enthält das Netzwerk einen einstellbaren Widerstand 73, mit dem der Übertragungsphasenwinkel genau abgeglichen werden kann.

Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 71 wird zur Primärwicklung eines Aufwärts-Transformators T₃ geleitet, in dem es um den Wert 20 vergrößert an der Sekundärwicklung ansteht und in der Größe vergleichbar mit dem Wert der Betriebsspannung ist. Die Spannungsübersetzung des Ausgangssignals des Operationsverstärkers 71 erlaubt die Einschaltung eines hochohmigen Widerstandes 74, über den der kleine, einstellbare Meßstrom I mit der Frequenz 152 Hz in die Versorgungsleitungen des Systems eingespeist werden kann. Dieser Strom erreicht maximal 6'::mA, außerdem dient der Widerstand 74 zur Begrenzung des 60 Hz-Fehlerströme in das Netzwerk der Isolationsüberwachungseinrichtung LIM auf 4 mA oder weniger. Die 152 Hz-Spannung V , die durch

70981 0/0718

- 33 -

den Stromfluß des Meßstromes I durch die parallel liegenden Ableitwiderstände nach Erde erzeugt wird, erscheint als überlagerungsspannung zum Wert der Leerlaufspannung an dem Mittelabgriff der Primärwicklung des Transformators T2. Diese Spannung wird dann mittels der Operationsverstärker 62 ermittelt und zu den folgenden Schaltkreisen weitergeleitet, wo sie als Rückkopplungsregelsignal den Operationsverstärkern 33 und 32 der kommuntierten Integrationskreise 68 und 69 wirkt. Die Spannung, um welche der Mittelabgriff des Leistungstransformators T2 gegen das Erdpotential schwankt, wird dem dem Operationsverstärker 62 über einen hochohmigen Widerstand 61 zugeführt, was nur einen vernachlässigbaren Strom verursacht, vergleichen mit demjenigen, der über die sonstige Ableitung des Versorgungssystems fließt. Die 60 Hz-Komponente dieser Spannung ist ein Maß der Unsymmetrie der einzelnen Ableitwerte; wie schon vorher beschrieben wurde, kann der Wert dieser Spannung zwischen 0 Volt bei Symmetrie und der halben Versorgungsspannung schwanken, außerdem ist auch der Phasenwinkel abhängig von der Vektorunsymmetrie der gemischten Ableitwiderständen. Die beträchtlich kleinere Spannung V mit der höheren Frequenz, welche den Spannungsabfall des 152 Hz-Meßstromes an den Ableitwiderständen wiederspiegelt, ist der vorstehenden Spannung überlagert. Beide Spannungen erscheinen in der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers um den Faktor 1 zu 12 verkleinert wieder. Sowohl der Eingangswiderstand 61 als auch der Rückkopplungswidörstand des Operationsverstärkers 62 zur Einstellung des erforderlichen Verstärkungsfaktors (1/12) haben vorzugsweise einen sehr hohen Widerstandswert, so daß der Strom aus der Speisequelle über den Operationsverstärker 62 auf wenige Mikroampere begrenzt wird. In einem Ausführungsbeispiel wurde ein hier nicht dargestellter, zusätzlicher Wechsel-

709810/0718 - 34 -

stromrückkopplungsweg vorgesehen, um damit die Verstärker hinsichtlich einer Gleichspannungsdrift zu stabilisieren. Stattdessen kann man aber auch hochwertige stabilisierte Verstärker zur Erfüllung der genannten Aufgaben benutzen. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 62 wird über das parallel T-Filter 76 geleitet, dessen Glieder so bemessen sind, daß die 60 Hz-Speisespannung, die d'en größten Teil der Leerlaufspannung bildet, die an dem Mittelabgriff der Primärwicklung des Transformators T1 ansteht, eliminiert wird. Die Abtrennung der kleinen 152 Hz-Rückkopplungsspannung, welche dem Spannungsabfall V„ des Meßstromes an den Ableitwiderständen des Systems entspricht, wird durch vorstehende Maßnahme erleichtert. Die Ausgangsspannung des T-Filters 76 wird dem Operationsverstärker 77, der eine Verstärkung um den Faktor 30 erzielt, zugeleitet. Die Abstimmung der Verstärkung durch den Operationsverstärker 77 und auch die nachfolgende, gesamte Rückkopplungsverstärkung zur Erzeugung des Meßstromes geschieht mit Hilfe des Widerstandes 78. Der Widerstand stellt daher auch den Abgleichwiderstand für das Anzeigeinstrument der Isolationsüberwachungseinrichtung dar. Das parallele T-Filter 76 zur Sperrung der .60 Hz-Komponente verursacht außerdem eine Phasenvoreilung von rund 60 bei der Weiterleitung des 152 Hz-Signals. Diese 60 Phasenvoreilung der Spannung ^vi7 gegenüber dem Meßstrom über die Ableitwiderstände wird durch die Wirkung des Rückkopplungskondensators 79 am Ausgang des Operationsverstärkers 77 auf den Wert von 45 reduziert. Das ergibt den notwendigen Ausgleichseffekt bei der Demodulation der Rückkopplungsregelanteile für die beiden Verstärker 33 und 32 über den gesamten Bereich der gemessenen Ableitung, also auch von rein kapazitiven zu zu rein ohmschen Anteilen. In ihrer Funktion zur getrennten Regelung der kapazitiven und der ohmschen Anteile steuern die Operationsverstärker 33 und 32 die Größe und die Phase des Meßstromes und ermöglichen es so, daß

- 35 709810/0718

die Phase und Größe der Gesaratableitung des Systems entsprechend angepaßt werden. In dieser Betriebsweise wird die Rückkopplung des festgestellten Spannungsabfalls V_ proportional zur Größe der Vergleichsspannung Vref und ungeachtet der Art der Ableitung konstant in Phase gehalten.

Daher liegt die erforderliche Phase des Rückkopplungssignals notwendigerweise mitten" zwischen den beiden senkrecht aufeinanderstehenden Phasen der Kommuntierung, so daß jeder Operationsverstärker 33 und 32 eine Cosinuskomponente des Phasenwinkels demodulieren kann und sie den annähernd gleichen Vergleichsstrom entgegensetzen kann. Der Abgleichwiderstand 73 im Filterkreis des Verstärkers 71 erlaubt eine exakte Feinabstimmung der erforderlichen Phase.

Das verstärkte 125 Hz-Rückkopplungssignal des vom Ableitwide; stand abhängigen Spannungsabfalles V mit der 45 Phasenverschiebung ist am Punkt 75 in Fig. 2 abnehmbar, sie wird über die Gleichspannungsabblockkondensatoren 49 und 48, die einen niedrigen Widerstand haben, den Operationsverstärkern 33 und 32 zur getrennten Regelung der Rückkopplung zugeführt. In jedem der beiden Operationsverstärker wird der Rückkopplungswechselstrom, der über seinen zugehörigen Eingangswiderstand fließt und der unter der Wirkung des Verstärkers zu den kommuntierten Kondensatoren 31, 37 und 30, 36 gelangt, synchron gleichgerichtet oder phasendemoduliert, und zwar in zwei gegenpolige Gleichströme, von denen jeder gleich dem Gleichrichtwert einer Halbwelle des Phasenanteiles des Rückkopplungsstromes ist, der mit seiner Kommuntierung synchronisiert ist.

Die nicht in Phase·befindliche Komponente an jedem Verstärker hat gleichgerichtet einen Mittelwert von Null

709810/0718 - 36 -

und wird stattdessen von dem jeweils um 90 phasenversetzt arbeitenden Verstärker gleichgerichtet. Bei genauer Wahl der Polarität und Phase des Rückkopplungssignals stehen diese Ströme den Leckströmen, die durch die Vergleichsspannung Vref hervorgerufen werden, entgegen und führen damit zu einer Begrenzung der Verstärkerausgangssignale auf getrennt geregelte Werte. Im stabilen Regelzustand hat jede der synchron gleichgerichteten Stromkomponenten, die als geregelte Rückkopplungssignale jedes der Verstärker entstehen, einen Wert, der gleich ist dem Gleichrichtwert der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers lli multipliziert mit dem Cosinus des Phasendifferenzwinkels zwischen seiner eigenen und der Phasenlage der Kommuntierung des anderen Verstärkers und geteilt durch den Wert des Eingangswiderstandes des Verstärkers. Jeder der beiden Verstärker regelt vorstehenden Wert automatisch so, daß ein entgegengesetzt gleichgroßer Wertybezogen auf den Vergleichsgleichstrom_/erhalten bleibt, welcher seinerseits durch die Differenz zwischen dem Wert der Spannung der Vergleichsspannungsquelle und derjenigen des geladenen Kondensators/dividiert durch seinen Widerstand/ bestimmt ist. Jede Abweichung in dieser Differenz hat eine kräftige verstärkerseitige Korrektur des Ausgangssignals zur Folge. Dies beruht darauf, daß ein kleiner Wechselstrom, der an die Wechselspannungsklemme eines Kommuntierungsschalters gelegt wird, eine Gleichspannung erzeugen kann, die ihrerseits einem Gleichstrom entgegenwirkt, der zu einem Anschluß eines Kondensators geleitet wird. Die Größe dieser beiden entgegenstehenden Signale heben sich im Kondensator auf/ und sie können soweit v/ie notwendig, vergrößert werden, um das erforderliche Rückkopplungsregelsignal zu erhalten, ohne daß damit eine extreme Auslenkung der Kondensator-

- 37 -

•709810/0718

spannung verbunden ist. Die Spannung des geladenen Kondensators stellt den Integrationswert der Differenz zweier entgegenstehender Signale dar. Die Kommuntierungsintegratoren 68 und 69 enthalten die Operationsverstärker 33 und 32, in diesen wird ein genauer Vergleich der Größe des Stromes durchgeführt, der entsprechend der Spannung V„ entsteht, wobei allerdings zu erwähnen ist, daß wegen der Reihenschaltung des Eingangswiderstandes und des Kondensators des Operationsverstärkerkreises in Bezug auf die Vergleichsspannung der Strom nicht ganz ^xakt seine Proportionalität bezüglich der Größe der Vergleichsspannung beibehält, da jeder etwas absinkt, wenn die Ladung des Kondensators steigt.

Wenn man also keine zusätzliche Spannungskompensation vorsieht, dann würde ein genauer Vergleich des Gesamtspannungsabfalls, der durch den Meßstrom in den Ableitwiderständen entsteht, mit der Vergleichsgleichspannung, die das Kennzeichen für genaue Steuerung der getrennten kapazitiven und ohmschen Meßstromanteile sein soll, zu Fehlaussagen führen. Wenn demnach im System ein rein ohmscher Ableitwiderstand vorhanden wäre und nur mit Bezug auf das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 32 allein gemessen würde, dann wäre zwar die Größe der ohmschen Rückkopplungsspannung, die durch Demodulation des Ausgangssignales mit voreilender Phase des Operationsverstärkers 77 entsteht, genügend groß sein, um zu einer Symmetrierung mit dem Vergleichsstrom zu gelangen, der zufolge der Spannung Vref in Richtung der geladenen Rückkopplungskondensatoren des Operationsverstärkers 32 fließt, aber er würde nicht groß genug sein, um den größeren Strom auszugleichen, der zufolge der gleichen Vergleichsspannung Vref zu den ungeladenen Kondensatoren des Operationsverstärkers 33 mit der exakten 45 Voreilung fließt.

- 38 -

709810/0718

Der Operationsverstärker 33 würde in diesem geschilderten Fall ein falsches Teilsignal mit voreilender Phase erzeugen, um seine Symmetrie zu erlangen/ die Folge wäre eine weitere über 45 hinausgehende Voreilung. Ähnlich würde eine ^al" leinige Messung einer rein kapazitiven Ableitung mittels des Operationsverstärkers 33 allein zu falschen Ergebnissen führen, d.h. in diesem Falle würde falscherweise am Ausgang des Operationsverstärkers ein Signal mit nacheilender Phase entstehen. Diese falschen Ausgangssignale könnte man durch Vergrößern der Verstärkung von anderen Verstärkern v/ieder korrigieren, z.B. der Operationsverstärker 62 und 71, dann könnten die Betriebswerte der Operationsverstärker 33 und 32 in Bezug auf die Vergleichsspannung niedriger liegen und eine Phasenabweichung würde nicht zu merklichen Fehlern bei dem Gesamtmeßergebnis im Falle rein kapazitiver oder rein ohmscher Able itwid er stände führen. Allerdings würde im Fall der Messung von gemischten Ableitwiderständen in dem Versorungssystem ein Ergebnis angezeigt, das als Summensignal aus den Ausgangssignalen der Operationsverstärker 33 und 32 bedeutend kleiner wäre. In dem hier benutzten Ausführungsbeispiel wird der Meßfehler dadurch kompensiert, daß man den in der Phase nacheilenden ohmschen Signalanteil mit einer geringen Voreilung versieht, bevor er mit dem kapazitiven Signalanteil vektoriell vereinigt und zu dem Operationsverstärker 82 geleitet wird. Die Kompensationsart sieht man an der Zuschaltung des Kondensators 80 in Reihe mit dem Summierwiderstand 81, der den ohmschen Anteil zu dem Operationsverstärker 82 weiterleitet.

Eine andere, mehr direkte Kompensation für den Abfall des Vergleichsstromes, der durch Vref erzeugt wird, mit einer Anhebung der Ausgangssignale der Operationsverstärker 33 und 32 könnte darin bestehen, daß man eine kleine,

- 39 -

709810/0718

proportionale Rückkopplung der Ausgangswechselspannung jedes Verstärkers einführt und diese als Verschiebung hinsichtlich der normalerweise geerdeten, nichtinvertierenden Eingangsverbindung wirkt. Die anteilige positive Rückkopplung ist im gleichen Maße wirksam, wie das Verhältnis aus ohmschen Widerstand der Eingangswechselstromquelle und der Summe aus diesem Widerstand plus dem Widerstand der Vergleichsspannungsquelle. Jeder der Operationsverstärker 33 und 32 ist dann gezwungen, einen zusätzlichen Anteil des kommuntierten Eingangswechselstromes zu ziehen, der genau den Verlust kompensiert, der bei dem Vergleichsgleichstrom durch einen entsprechenden Spannungsrückgang entsteht. Bei dieser Kompensation arbeiten beide Operationsverstärker als echte integrierende Spannungsvergleicher, wobei jeder unabhängig jeden Symmetriefehler bei dem Größenverhältnis von seinem phasendemudulierten Spannungsanteil der Rückkopplungswechselspannung zu der Spannung der Vergleichsspannungsquelle ermittelt und mit einer Zeitverzögerung einen vollen Ausgleich bei der betreffenden Stromkomponente durchführt, wodurch der Vergleichsfehler ungeachtet des Ausgangssignalwertes Null wird. Die positive Spannungsrückkopplung kann durch eine Verbindung zwischen dem Ausgang jedes Operationsverstärkers zu seinem geerdeten, nichtinvertierenden Eingang in Form eines Widerstandes erreicht werden.

Das Spannungsrückkopplungsverhältnis, das oben definiert wurde, könnte theoretisch leicht vergrößert werden, um dadurch auch andere, kleine Gegenkopplungen der Operationsverstärker 33 und 32 auszugleichen. Diese Gegenkopplungen sind Wechselstromgegenkopplungen über die Gleichspannungsstabilisierungswiderstände, die durch die Eingangskonden-

- 40 -

709810/0718

satoren nicht völlig kurzgeschlossen sind und wegen der fehlenden unendlichen Verstärkung der Operationsverstärker entstehen. Allerdings ist die zusätzliche Einstellung und Kompensation unbedeutend und praktisch nicht notwendig.

Wenn die Operationsverstärker 33 und 32 in dieser Weise hinsichtlich der Spannungsrückkopplung kompensiert sind, dann hält das ihnen zugeführte Signal im allgemeinen seinen Phasenwinkel exakt in der Mitte zwischen den beiden senkrecht aufeinanderstehenden Kommuntierungsphasen, außerdem bleibt es konstant proportional in der Größe bezüglich der Vergleichsspannung. Wenn das Rückkopplungssignal so eingestellt ist, daß die notwendige 45 Voreilung entsteht, dann hat der an der Speisequelle anstehende Spannungswert bei ohmscher Belastung einen Phasenwinkel von Null Grad. Also, unbeachtlich der parallelgeschalteten Ableitwiderstände sorgt der Operationsverstärker 32 dafür, daß der genaue Wert des erforderlichen ohmschen Stromanteils vorhanden ist und de^r erforderliche Phasenwinkel von Null Grad des Spannungsabfalls an den ohmschen Teilen des Gesamtableitwiderstandes eingehalten wird; andererseits sorgt der Operationsverstärker 32 für das Vorhandensein der 90 -Voreilungskomponente des Stromes bezüglich der kapazitiven Widerstände bei der gleichen Spannung; dabei ist der Ausgangswert hinsichtlich der erforderlichen Korrektur wegen der 60 Hz beeinflußt, beide Ausgangssignale der Operationsverstärker behalten ihren Proportionalitätsfaktor bezogen auf die Vergleichsspannung bei.

Wenn die Weiterleitung des Phasenwinkelsignals iin Rahmen der Messung des Ableitwiderstandes bezüglich der Einhaltung der Phasenvoreilung von 45 genau eingestellt ist,

709810/0718

geben die senkrecht aufeinanderstehenden 152 Hz-Ausgangssignale der Verstärker 33 und 32 zusätzlich zu den 152 Hz-Anteilen ohmscher und kapazitiver Art ein direktes Maß der ohmschen und kapazitiven Anteile/ bezogen auf die 60 Hz-Ableitwiderstände. Wenn demnach der Spannungsabfall V_n, der durch den Stromfluß des Meßstromes durch die Ableitwiderstände verursacht wird, proportional zu der größeren der Leiterspannungen gegen Erde bleibt, dann sind die entsprechenden Ausgangswerte der Operationsverstärker 33 und 34 proportional den Maximalwerten des Fehlerstromes ihrer entsprechenden Komponenten. Eine Kombination der Ausgangssignale der Operationsverstärker 33 und 34 führt zu einer vektoriellen Addition ihrer Anteile als 152 Hz-Signal, das durch den Operationsverstärker 82 verstärkt wird. Dessen gleichgerichteter Ausgangswert des Stromes, der von dem Gleichspannungsanzeige-Instrument 83 angezeigt wird, gibt Auskunft über den maximalen Fehlerstrom bei 60 Hz. In dem Rückkopp lungsnetzwerk des Operationsverstärkers 82 ist ein Bandpaßfilter für 152 Hz mit hoher Güte Q eingeschaltet, die Drift des Phasenwinkels ist bei der Ausbildung der Schaltung kein bestimmender Faktor. Die erhöhte Filterschärfe dient zur Verminderung von Fehlern, die durch unerwünschte Gleichrichtung eines 60 Hz-Signals sowie höhrerer Harmonischer des 152 Hz-Meßsignals entstehen könnten.

Zusätzlich zu der Anzeige auf dem Meßinstrument 83 besitzt die Isolationsüberwachungseinrichtung LIM einen Höralarm- und einen Sichtalarmschaltkreis. Der Verstärker 85 arbeitet als Differenzverstärker ohne Gegenkopplung,· seine Invertereingang ist mit einer positiven Vorspannung verbunden, die an einem Spannungsteiler mit den Widerständen 86 und 87 abgegriffen wird; dadurch

709810/0718 _ ₄₂ _

wird das negative Ausgangssignal beim Ausbleiben eines Fehlerstrommeßsignals sicher aufrechterhalten. Dieses Ausgangssignal dient zur Anschaltung der grünen "Sicher"-Anzeigelampe und zur Sperrung des Abfalls des Relais R-Wenn der gemessene Fehlerstrom über die vorbestimmten zwei Milliampere ansteigt, dann wird an de^m komplementären, nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 85 eine solche Spannung wirksam, daß am Ausgang ein volles positives Signal entsteht. Bei diesem positiven Ausgangssignal des Verstärkers 85 fällt das Relais R ab, so daß seine Ruhekontakte den Alarmkreis schließen, die rote "Unsicher"-Anzeigelampe leuchtet auf und gegebenenfalls wird noch ein getrenntes akustisches Warnsignal eingeschaltet. Durch die Hinzuschaltung einer Rückkopplungsschleife zu dem Verstärker 85 kann ein einmal ausgelöster Alarm solange aufrechterhalten werden, bis der Fehlerstrom unter den Gefahrenwert von 2 mA absinkt, dann wird auch das intermittierende Tonalarmsignal abgeschaltet.

Eine negative Klemme des LIM Fehlerstrommeßinstrumentes 83 ist an einen Bezugs-Erdungspunkt angeschlossen, also an einen von der übrigen Erdverbindung getrennten Punkt. Ein Stromfluß, der zu einer Gefahrenanzeige auf dem Meßinstrument führen soll,muß also über beide Erdverbindungen fließen. Wenn eine der beiden Erdverbindungen fehlerhaft wird, was normalerweise einen unbemerkten Ausfall des Anzeigeinstrumentes 83 verursacht hätte, dann sorgt eine 12 Volt Quelle V + für einen 12 mA Hilfsstrom, der über einen Vorwiderstand 88 fließt. Dieser Widerstand 88 liegt normalerweise im Nebenschluß, wird aber dann wirksam/und über ihn lädt sich ein Kondensator 89 auf, es wird Alarm ausgelöst. Die Kombination der beiden Zustände "Alarm",aber ohne Anzeige eines Fehlerstromes

709810/071S

- 43 -

durch das Instrument₍wird als Warnsignal für einen Fehler im Meßsystem ausgewertet.

Die Prüfung der Isolationsüberwachungseinrichtung auf ihre Betriebsbereitschaft kann durch einen Benutzer jederzeit durchgeführt werden, durch Drucken eines Testschalters 90. Bei dieser Schalterbetätigung trennt der Ruhekontakt die Meßverbindung der Widerstände 61 und 74 zum Hittelabgriff der Primärwicklung des Transformators T2 auf. Der Arbeitskontakt des Schalters 90 verbindet nunmehr den Widerstand 92 mit der Meßverbindung der Widerstände 61 und 74 und dadurch entsteht ein fester Ableitweg als Testverbindung. Die Testverbindung ist so ausgelegt, daß der fließende Fehlerstrom sicher über der Anspruchschwelle liegt und ein Alarm ausgelöst wird. Beim Loslassen des Testschalters 90 kehrt die Anlage in ihren normalen Betriebszustand zurück. Davon abweichend könnten auch zwei Ruhekontaktsätze verwendet werden, bei deren Testbetätigung die Erdverbindungen der Anzeigeeinrichtung anstatt der Verbindung zum Transformator aufgetrennt würden.

Die Filterung des Ausgangssignals des Operationsverstärkers 82 ist bei normalerweise auftretenden Störungen der Speisespannung ausreichend. Trotzdem kann man zusätzliche Filterkreise zur Sperrung von Oberwellen vorsehen und dadurch die Beeinflußbarkeit der Anzeigeeinrichtung LIM noch weiter vermindern. Eine solche ni^ht übliche Beeinflussungsquelle könnt z.B. ein Dimmer mit Phasenanschnittssteuerung sein, über den z.B. die Helligkeit einer Lampe gesteuert werden soll, aber auch andere Verbraucher mit einem solchen Dimmer sind an dem Versorgungsnetz möglicherweise angeschlossen. Wenn die normalerweise vorhandene Ableitung des Versorgungsnetzes sonst ziemlich· niedrig ist_{/ so} verursacht

709 810/0718

- 44 -

die Ableitkapazität eines entsprechend geerdeten Licht-Dimmers den wesentlichen Teil des Gesamtfehlerstromes. Das breite Spektrum von Oberwellen auf den Leitungen, das durch einen phasenanschnittgesteuerten Dimmer zur Verminderung des Gerätestromes erzeugt wird, stört die durch die Einrichtung LIM demodulierte Spannung erheblich. Die Störspannungsabweichungen passieren das 60 Hz-T-Filter 76 und sind genügend groß, den Operationsverstärker 77 in die Sättigung zu steuern, sowie über den Operationsverstärker 82 zu einer falschen Alarmanzeuge zuführen. Das Anwachsen des angezeigten Fehlerstromes ist noch erträglich, wenn die übrige passive Ableitung des Systems niedrig ist oder wenn die kommuntierten Rückkopplungskondensatoren verkleinert werden, um ein schnelleres Ansprechen von LIM zu erreichen. Um solche Fehler zu verringern, kann man einen Sperrkreis (nicht gezeigt) zuschalten, der einen kleinen Anteil des Ausgangssignals des Verstärkers 77 über ein Bandpaßfilter leitet und der dann an den Additionspunkt für die Rückkopplungsanteile des Operationsverstärkers angelegt wird.

Wenn der Benutzer Geräte mit einer zu beachtenden Kapazität gegen Erde einschaltet, dann können Gl-eichspannungseinschwingwerte erzeugt werden, welche die Größe des 152 Hz-Meßsignals erreichen. Beim Auftreten solcher Einschwingstörgrößen können diese d.emoduliert werden und gelangen über den Operationsverstärker 62 zu dem parallelen T-Filter 76. Nach entsprechender Verstärkung in dem Operationsverstärker 77 verursachen die Störungen plötzlich ein abnormes Anwachsen oder Nachlassen der Ladung der Kondensatoren, die im Rückkopplungsweg des kommuntierten Integratorkreises angeordnet sind. Dies hängt ab von der gleichzeitigen Betätigung der Schalter mit der Meßfrequenz.

709810/0718

- 45 -

Diese Ladungen können den jeweiligen Meßwert der kapazitiven und der ohmschen Anteile des Meßstromes mit der zugehörigen Integrationsverzogerung zeitlich vergrößern oder verkleinern. Zwischenzeitlich kann das abnorme Anwachsen oder Vermindern der Ausgangssignale des Operationsverstärkers 82 in Abhängigkeit von der durch die Kommuntierung der Ladungen entstandenen Wechselstromsignale eine Sekunde anhalten, was dann zu einer Fehlanzeige und zu einer Fehlauslösung des Alarmkreises führt. Eine Vergrößerung der Kapazitätswerte der Kondensatoren in den Rückkopplungszweigen der Operationsverstärker, die den kommuntierten Integrator bilden, würde zwar die Empfindlichkeit gegen die Gleichstromeinschwingvorgange vermindern, aber gleichzeitig würde die Ansprechzeit bei normalen Werten stark verlängert. Um die Gefahr der Störung durch Einschwingvorgänge bezüglich der Auslösung von Falschalarm zu vermindern, kann man eine vorübergehende Sperrung des Verstärkers 85 erreichen, die bei allen plötzlichen Änderungen des Fehlerstromes diesen folgt. Dies wird dadurch bewirkt, daß man die plötzlichen Spannungsanstiege dem gleichgerichteten Fehlerspannungsausgangssignal des Operationsverstärkers 82 hinzuaddiert; dies geschieht über einen Kondensator 94 mit kleiner Zeitkonstante und eine Diode 96. Dadurch wird das Ansprechen des Differenzverstärkers 85 mittels eines zeitlich begrenzten Ansteigens des Spannungswertes an seinem Eingang mit umgekehrter Polarität verhindert. Durch Einschaltung einer zweiten Diode wird das Ansprechen auf entgegengesetzte Vorgänge verhindert, die im Zuge von Uberschwingungen auftreten können. Die Fehlbetätigung des Verstärkers 85 und die nachfolgende Auslösung des akustischen Alarms im Rahmen der Betätigung eines leistungsstarken, hochfrequenten Stromstoßgerätes (BOVIE) kann dadurch verhindert werden, daß man die Dioden,

709810/0718

- 46 -

wie oben beschrieben, mit einem Draht verbindet, der in nicht gezeigter Weise lose mit dem Speisequellenanschluß der Leitung koppelt. Die durchgreifenden, durch Strahlung wirkenden Felder, die von der BOVIE-Einrichtung erzeugt werden, können den Schaltkreis der LIM mit unerwünschten, demodulierten Signalen aussteuern. In diesem Fall wird der Alarm zeitweise abgeschaltet, da der Verstärker von der direkt zugeleiteten Hochfrequenzleistung beeinflußt wird. Außerdem kann das Meßinstrument ungedämpfte Schwingungen ausführen, die durch ungewollte Demodulation der in dem Schaltkreis eingestrahlten Leistung verursacht werden. So kann also der Benutzer auf eine unvermeidbare, zeitweise Unterbrechung der normalen Betriebsweise der Isolatorionsüberwachungseinrichtung LIM aufmerksam gemacht v/erden, ohne daß dadurch entfernt angeordnete Alarmstellen in Betrieb gesetzt werden.

Die Isolationsüberwachungseinrichtung arbeitet sowohl mit symmetrischen, als auch mit unsymmetrischen Ableitwiderständen gegen Erde. Im symmetrischen Zustand mit gleichen, angepaßten Ableitwiderständen nach Erde, die an den beiden Leitern L1 und L2 angeschlossen sind, die z.B. 6OK-2 ohmscher Widerstand und O,044 mF kapazitive Last betragen mögen und damit auch gleiche, gemischte Kombinationen, die die gleiche Vektorlänge auf v/eisen, wird in jeden· der beiden Leiter ein Fehler strom von 2 mA fließen^ und die Spannung an dem Mittelabgriff der Primärwicklung des Transformators T2 ist gleich Null Volt. Aus diesem Grunde ist auch die Komponente, die in der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers den 60 Hz-Leiter spannungsanteil bei Unsymmetrie anzeigt Null; die Vergleichsspannung _f bezogen auf die Spannungen an der Sekundärwicklung S2 des Transformators T2.ist auf ihrem Mindestwert von etwa 5 Volt.

709810/0718

- 47 -

Im Falle einer gleichen 6OKil ohmschen Last an beiden Leitern L1 und L2 sorgt die steuernde Vergleichsspannung dafür, daß der Operationsverstärker 32 in dem ohmschen rießteil oder Heßkanal 5 einen Strom mit Null-Grad-Phasenwinkel erzeugt.

Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 32 steigt ebenso wie die Ladung der Kondensatoren 30 und 36 solange an, bis der demodulierte'Cosinusanteil der 45 Grad voreilenden Rückkopplungsspannung den ohmschen Meßstrom durch die Gesamtanordnung der parallel gegen Erde geschalteten Ableitwiderstände fließen läßt, der bei eiaem Gesamtwiderstand von 30K-Q. exakt entgegengesetzt gleich den Strom ist, der durch die Vergleichsgleichspannung Vref erzeugt wird. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 33 in dem kapazitiven Meßkreis wird auf Null Volt gehalten, da hier die Cosinuskomponente der 45 Grad voreilenden Rückkopplungsspannung einen Strom erzeugt, der genau entgegengesetzt gleich dem Strom ist, der von der Vergleichsspannung Vref erzeugt wird. Jeder plötzliche, vorübergehende Anstieg des Ausgangssignals des Operationsverstärkers 33, z.B. als unmittelbare Folge der Anschaltung von ohmschen Widerständen gegen Erde, ruft ein starkes Korrektursignal mit voreilender Phase zusätzlich zur Rückkopplungsspannung hervor/ dadurch wird der Operationsverstärker zurück auf Null geregelt, ■während die wahre Messung im ohmschen Meßteil nur vorübergehend beeinflußt wird. Das Ausgangssignal des ohmschen Meßteiles 5, das zu dem Operationsverstärker 82 geleitet wird, zeigt dann proportional den Betrag des 60 Hz Fehlerstromes an, der sowohl in der Leitung L1 als auch in der Leitung L2 fließt.

- 48 -

709810/0718

Wenn eine symmetrische Belastung kapazitiver Art im " Wert von O, 044M F, die bei 60 Hz analog einer ohmschen Belastung mit 60K-C1 an beiden Leitungen L1 und L2 ist, vorhanden ist, dann wird der Meßstrom durch die Ausgangsspannung mit der voreilenden Phase des Operationsverstärkers 33 im kapazitiven Meßteil 3 erzeugt, der aber im Verhältnis Meßfrequenz f., zu Betriebsfrequenz f_o verstärkt wird. Der verringerte Wert des kapazitiven Widerstandes/bei dieser Frequenz und bei der 90° nacheilenden Phase/ erzeugt eine Rückkopplungsspannung, die die gleiche Größe und die gleiche Nullphase besitzt, wie diejenige, die von Operationsverstärker 32 im Fall ohmscher Belastung zur Regelung beider Verstärker erzeugt wurde. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 33 steigt nun solange an, bis der demodulierte Anteil des Rückkopplungssignals, beeinflußt von der Kompensation der Stromverminderung, entgegengesetzt gleich der Vergleichsspannung Vref ist. Das Ausgangssignal des kapazitiven Meßteiles 3, das zu dem Operationsverstärker 82 ohne Kompensation übermittelt wird, entspricht dem Wert des 60 Hz-Fehlerstromes jeder Leitung.

Im Falle, daß symmetrische gemischte Ableitwiderstände an den beiden Leitern v/irksam sind, wobei die kapazitiven und ohmschen Anteile gleich sein mögen, führen die Operationsverstärker 33 und 3 4 zusammengehörige Ausgangssignale mit einer solchen Ausgangsspannung, die entgegengesetzt gleich der Vergleichsspannung Vref ist. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 3 3 ist um den Faktor f /f größer als dasjenige des Operationsverstärkers 32 und zeigt den Betrag des 60 Hz-Stromes mit voreilender Phase an, der notwendig ist, die 125 Hz-Spannung über den kapazitiven Ableitwiderständen aufrechtzuerhalten, während der Operationsverstärker den Null-Phasen-Strom zur Erzeugung der gleichen Spannung über den ohmschen

709810/0718

- 49 -

Ableitwiderständen führt. Proportionale Anteile der Kompensation der Ausgangssignale dienen dazu, die demodulierten Rückkopplungssignale insofern zu berichtigen, als ihr Vergleichsstrom mit dem Ausgangssignal absinkt; dadurch bleibt die 45° Phasenvoreilung und die Trennung der Anteile aufrechterhalten» Die vektorielle Summe der Ausgangssignale der Operationsverstärker 33 und 32, die zu dem Operationsverstärker 82 geleitet wird, entspricht dem Höchstwert des möglichen Fehlerstromes infolge der vorliegenden symmetrischen Ableitwiderstände.

Die Isolationsüberwachungseinrichtung arbeitet aber auch unter unsymmetrischen Ableitbedingungen und zeigt den Höchstwert des Fehlerstromes an. Wenn man als°einen der obigen Ableitv/iderstände wegnimmt, so daß der 2 mA Fehlerstrom nur noch für einen Leiter gilt, dann wird die Spannung des anderen Leiters im Erdungsfall Null Volt und die Spannung an dem Mittelabgriff wird gleich der halben Speisespannung. Der Anteil des 60 Hz-Ausgangssignals des Operationsverstärkers 62,in Kombination mit dem Spannungsanteil an der Sekundärwicklung S2 mit der gleichen Polarität/ führt zu einer Vergrößerung der Vergleichsspannung auf 10 Volt. Obwohl also der Gesamtbetrag des Systemwiderstandes ansteigt, bleibt der erzeugte Meßstrom in gleicher Größe erhalten," dies rührt daher, daß er durch den doppelten Widerstandswert des einzigen Ableitwiderstandes fließt, daher entsteht der doppelte Betrag des Spannungsabfalles der Rückkopplungsspannung V₁₇, wodurch der Kompensationszustand bezüglich der doppelten Vergleichsspannung Vref erhalten bleibt.

- 50 -

709810/0718

Wenn man nun aber einen der Ableitwiderstände teilweise kleiner macht, dann ergeben sich proportionale Änderungen bezüglich der Vergleichsspannung Vref und des Spannungsabfalles V_, demzufolge bleibt der Meßstrom wiederum gleich/und es wird der ungeänderte Fehlerstrom angezeigt.

Im Falle, daß sich die Ableitwiderstände in ihrer Art unterscheiden, wobei z.B. die eine der Leitungen L1 und L2 nur einen ohmschen und die andere nur einen kapazitiven Ableitwiderstand hat, von denen jeder einen Wert von 6OKO. besitzt, dann ergibt die vektorielle Addition ebenfalls den für beide Leiter gültigen Fehlerstromwert von 2 mA. Die senkrecht zueinanderstehenden Widerstandswerte führen dazu, daß die Spannung an dem Mittelabgriff gleich der Hälfte der Speisespannung wird und einen Phasenwinkel von 90° hat,und jede der Leitungen hat eine Leerlaufspannung gegen Erde, die gleich 0,707 mal dem Wert der Speisespannung ist. Die Vergleichsspannung hat dann einen Wert, der 0,707 mal dem Wert derjenigen Spannung ist, die durch die Ableitung an einem Leiter entsteht. Der Gesamtbetrag der zueinander senkrechten Systemableitwiderstände und der resultierende Wert der Rückkopplungsspannung sind dann auch gleich 0,707 mal dem Wert einer Einzelableitung und haben gegenüber dem gemischten Ableitwiderstand eine Phasennacheilung von 45 .

Die Operationsverstärker 33 und 32 halten dann die Regelung der gleichgroßen, senkrecht zueinanderstehenden Anteile aufrecht, d.h. , daß weiterhin der Wert von 2 mA für den Fehlerstrom als vektorielle Summe in beiden ^Leitern besteht. Falls einer der Ableitwiderstände, der ohitische oder der kapazitive, nur verkleinert und nicht herausgenommen wird, dann treten gleiche Ausgleichsvorgänge ein, und zwar sowohl bei der Vergleichsspannung

709810/0718

- 51 -

als auch bei der Rückkopplungsspannung; auch die Ausgangssignale der Operationsverstärker 33 und 32 ändern sich so, daß das kombinierte Ausgangssignal weiterhin den gleichen Fehlerstrom der geänderten Ableitung
ergibt.

In jedem der undenkbar vielen, möglichen Zustände der Ableitung, bei gleichem oder ungleichem Phasenwinkel, bei gleicher oder ungleicher Vektorlänge, zeigt eine
Analyse der Ausgangswerte der Operationsverstärker 33 und 32, daß die Vergleichsspannung Vref und die widerstandsabhängige Rückkopplungsspannung V₁₇ ausgeglichen sind. In jedem Fall, unbeachtlich der Komplizität
des Versorgungsnetzes ergibt die vektorielle Addition der 152 Hz-Meßsignalausgänge der Operationsverstärker 33 und 34 den größeren der 60 Hz-Betriebsfrequenz Fehlerströme

- 52 -

709810/0718

Claims (18)

1. Patentansprüche

   1/ Isolationsüberwachungseinrichtung für ein nicht geerdetes Energieversorgungssystem, dessen Zuleitungen zum Verbraucher mit Ableitwiderständen behaftet sind, gekennzeichnet durch eine Demadulationseinrichtung (1), in der eine Vergleichsspannung (Vref) erzeugt wird; Teilströmen zugeordnete Kanäle (3, 5), aus denen von der Vergleichsspannung gesteuert, ein Meßstrom (Im) in das System (L1; L2) eingespeist wird; an das System (L1, L2) angeschlossene Rückkopplungselemente (18 - 21), an welchen eine Spannung ansteht, die durch den die Ableitwiderstände (21, 22) durchfließenden Meßstromes (Im) bestimmt ist, wobei die Rückkopplungselernente (18 - 21) mit den den Teilströmen zugeordneten Kanälen (3, 5) zur Beeinflußung der Phase und der Höhe des Meßstromes (Im) verbunden sind; und Endeinrichtungen (12, 14, 4), welche an die den Teilströmen zugeordneten Kanäle (3, 5) angeschlossen sind, in welchen der Isolationszustand des Systems (L1, L2) gegen Erde angezeigt wird.
2. 2. Isolationsüberwachungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die.Demodulationseinrichtung (1) an die Leitungen (L1, L2) des Systems angeschlossen ist und die Vergleichsspannung (Vref) jeweils proportional zur höchsten Spannung (Vmax) zwischen Erde und einer der Leitungen des Systems ist.

   - 53 -

   709810/0718
3. 3. Isolationsüberwachungseinrichtung nach Anspruch

   1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Demodulationseinrichtung (1) aus folgenden Schaltungselementen besteht: Einem mit dem System (L1, L2) verbundenen Meßtransformator (T2), dessen Primär- und Sekundärwicklung (S2) jeweils Anzapfungen aufweisen, einem Verstärker (62), dessen Eingang mit der angezapften Primärwicklung und dessen Ausgang mit der angezapften Sekundärwicklung (S2) verbunden ist; und Gleichrichter (63, 64), welche an die Sekundärwicklung (S2) angeschaltet sind, die der Zusammenfassung des Ausgangssignals des Verstärkers (62) und der gegenpoligen Signale der Sekundärwicklung (S2) dienen.
4. 4. Isolationsüberwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Teilströmen zugeordneten Kanäle (3, 5) aus folgenden Schaltungsteilen bestehen: Einem kapa-

   ^ zitiven Kanal (3, 68) zur Erzeugung eines kapazitiven Teilstromes (Ic) des Meßstromes (Im) und einem ohmschen Kanal (5, 69) zur Erzeugung des ohmschen Teilstromes (Ir) des Meßstromes.
5. 5. Isolationsüberwachungseinrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Summierschaltung (13), in welcher der kapazitive und der ohmsche Teilstrom (Ic, Ir) zum Meßstrom (Im) addiert werden und durch eine am Ausgang der Summierschaltung (13) angeschlossenes Einspeiseglied (18), über das der Meßstrom (Im) zu den Ableitwiderständen (Z1, Z2) gelangt.
6. 6. Isolationsüberwachungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (Fm) des Meßstromes (Im) von der des Betriebsstromes des Systems (L1, L2) verschieden ist.

   709810/0718

   - 54 -
7. 7. Isolationsüberwachungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Summierschaltung (13) den kapazitiven Teilstrom (Ic) in einem Verhältnis dem ohmschen Teilstrom (Ir) zuaddiert, welches die proportionale Abhängigkeit des kapazitiven Widerstandes von der Frequenz ausgleicht, während die Rückkopplungsspannung den Spannungsabfall an den Ableitwiderständen bei Betriebsfrequenz (Fo) darstellt.
8. 8. Isolationsüberwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der kapazitive (3, 68) als auch der ohmsche Kanal (5, 69) einen kommutierten Integrationskreis (68, 69) enthalten.
9. 9. Isolationsüberwachungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeic hiet, daß der kommutierte Integrationskreis (68, 69) folgende Schaltungsteile enthält: Einen rückgekoppelten Operationsverstärker (33, 32); Differenzvergleichsschaltungen (43, 45 und 42, 44) im Rückkopplungsweg, die ein Eingangssignal für den Verstärker (33, 32) erzeugen, welches der Differenz aus der Vergleichsspannung und dem Spannungsabfall an den Ableitwiderständen darstellt; und Schalter (35, 39 und 34, 38) im Rückkopplungsweg, die der Erzeugung eines Wechselstromausgangssignals durch den Verstärker (33, 32) dienen.
10. 10. Isolationsüberwachungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (35, 39 und 34, 38) jedes kömmutierten Integrators (68, 69) zeitlich gleichlaufend so gesteuert werden, daß die am Ausgang der Verstärker (33, 32) abnehmbaren Wechselstromsignale senkrecht aufeinander stehen.

    709810/0718

    - 55 -
11. 11. Isolationsüberwachungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Endeinrichtungen (12, 14, 4) folgenderweise aufgebaut sind: In der Summierschaltung (12) werden der kapazitive Teilstrom (Ic) und der ohmsche Teilstrom (Ir) des Meßstromes (Im) addiert; am Ausgang der Summierschaltung (12) ist ein Verstärker angeschlossen, dessen Ausgangssignal einem Anzeigeinstrument (4) zufließt und das den Maximalwert des über die Ableitwiderstände (.21 , 22) möglichen Betriebsstromes darstellt und durch den Meßstrom (Im) anzeigt.
12. 12. Isolationsüberwachungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Endeinrichtungen (12, 14, 4) zusätzlich mit mindestens einem Relais (R) ausgestattet sind , welchem über Verzögerungsglieder der Meßstrom zugeführt wird und daß das Relais (R) zur Anschaltung entsprechender Alarmeinrichtungen dient.
13. 13. Isolationsüberwachungseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Endeinrichtungen (12, 14, 4) mit Schutzeinrichtungen (94, 96, 98) gegen Einschaltspitzen ausgestattet sind, die zwischen die Verzögerungsglieder und das Relais (R) geschaltet sind.
14. 14. Isolationsüberwachungseinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Endeinrichtungen (12, 14, 4) mit einer Warneinrichtung (83) verbunden sind, welche eine Unterbrechung der Verbindung zwischen Erde und dem Anzeigeinstrument feststellen und Alarm auslösen.

    709810/0718 "56-
15. 15. Isolationsüberwachungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Rückkopplungselementen (18 - 21) eine Eingangseinrichtung (T2) zusaremengeschaltet ist, welche die Spannung bestimmt, welche derjenigen entspricht, die der ileßstrom (Im) beim Fließen über die Ableitwiderstände (21, 22) erzeugt; daß weiterhin Filter (21, 76) zur Trennung von Rückkopplungsspannung und Betriebsspannung sowie zur Phasenverschiebung der Rückkopplungsspannung eingeschaltet sind, von wo (21, 26) aus die ßhasenverschobene Rückkopplungsspannung über zwischengeschaltete Verstärker (19, 62, 77) zu den Teilströmen zugeordneten Kanälen (3, 68, 5, 69) gelangt.
16. 16. Isolationsüberwachungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweils maximale Fehler- oder Gefahrenstrom des Systems (L1, L2) angezeigt wird.
17. 17. Isolationsüberwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der kapazitive Teilstrom (Ic) und der ohmsche Teilstrom (Ir) des Gesamtmeßstromes (Im) als zwei senkrecht aufeinanderstehende Komponenten erzeugt werden.
18. 18. Isolationsüberwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch eine Demodulationseinrichtung (1), welche die auf einer der Leitungen des Systems (L1, L2) anstehende maximale Spannung (Vmax) gegen Erde feststellt; stromabhängige Schaltungsteile (3, 68, 5, 69), welche zur Erzeugung eines Spannungsabfalles eine.s Meßstromes (Im) über die Ableitwiderstände dienen; Rückkopplungselemente (18 - 21), welche diesen Spannungsabfall feststellen; Zusatz-

    709810/0718

    - 57 -

    schaltungen (6, 7), die gemeinsam mit der Demodulationseinrichtung (1) und den Rückkopplungselementen (18 - 21) einen Vergleich des Spannungsabfalles mit der maximalen Spannung (Vmax) gegen Erde durchführen, wobei die Zusatzschaltungen (6, 7) so mit den stromabhängigen Schaltungsteilen (3, 68, 5, 69) zusammenwirken und den Meßstrom (Im) ändern, bis der Spannungsabfall^ multipliziert mit einem konstanten Faktor (K)/gleich der maximalen Spannung (Vmax) ist; und Endeinrichtungen (12, 14, 4) , die mit den stromabhängigen Schaltungsteilen (3, 68, 5, 69) einen Meßstrom (Im) zur Anzeige bringen, der mit der Konstanten (K) multipliziert, dem Wert des maximalen Fehler- oder Gefahrenstroms entspricht.

    709810/0718

    Si

    Leerseite