DE2647346C3

DE2647346C3 - Verfahren zur Überwachung des Isolationszustandes der Phasen eines ein- oder mehrphasigen Geräts und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2647346C3
Application number: DE2647346A
Authority: DE
Inventors: Donald Searcy Prussia Pa. Ironside; Charles Joseph Norristown Pa. Saile; Carl Richard Glenside Pa. Scharle
Original assignee: Northeast Utilities Service Co
Current assignee: Northeast Utilities Service Co
Priority date: 1975-10-21
Filing date: 1976-10-20
Publication date: 1982-02-25
Also published as: CH619545A5; CA1056456A; US4054832A; DE2647346B2; DE2647346A1; GB1509884A

Description

Die Erfindung bezieht si^h auf ein Verfahren zur ·,-, Überwachung eines Isolationsznstandes der Phasen eines ein- oder mehrphasigen Genus und auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

In den vergangenen («ihren wurde die Messung der Isolationseigenschaften und des dielektrischen Verhal tens in starkem Maße weitereniwickelt. nicht nur hinsichtlich der dielektrischen Messung jeglicher Art, sondern es wurden auch Vorgehensweisen zur Messung der dielektrischen Eigenschaften von Isolationen angegeben, die in verschiedenen Teilen eines Geräts verwendet werden.

So wurde eine Vielzahl von Techniken entwickelt, die die Prüfung der dielektrischen Eigenschaften der Isolation eines Geräts während seiner Herstellung

ermöglichen und gewährleisten, daß das Gerät Spannungsbeanspruchungen und anderen Bedingungen bei der gewünschten Art der Benutzung widersteht. Jedoch kann sich die Isolation während des Gebrauchs eines Geräts verschlechtern, und es gibt bisher keine > Möglichkeiten, eine etwa eingetretene Verschlechterung der dielektrischen Eigenschaften festzustellen, ohne das Gerät außer Betrieb zu setzen. Da sich die Isolationseigenschaften in nicht vorhersehbarer Weise ändern, sondern in vielerlei Art von der Art der ι ο Benutzung und der Umgebung abhängig sind, sowie auch von den besonderen Eigenschaften und Mangeln des Materials, besteht jederzeit in jedem Teil des Geräts die Möglichkeit des Ausfalls. Selbst wenn man das Isoliermaterial allein betrachtet, können die physikali- r> sehen und chemischen Eigenschaften betroffen sein, und es können von Charge zu Charge der Isolation Unterschiede in diesen Eigenschaften sowie geringe Änderungen nach der Art und Weise des Einbaus bestehen. ->»

Die beste Art der Überprüfung der Isolationseigenschaften ist bekanntermaßen die Entfernung ies Geräts vom Netz zur Durchführung von Prüfungen und Tests. Nun ist es schwierig genug, ein einmal vom Netz getrenntes einphasiges Gerät zu prüfen und bei 2-> mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen Geräten ist es. mit Ausnahme der einphasigen Methode, praktisch unmöglich, eine Prüfung vorzunehmen. Es ist auch häufig nicht zweckmäßig, das Gerät zur Untersuchung seiner isolationseigenschaften vom Netz zu trennen. in

Aus der DE-AS 15 41 742 ist es zur Überwachung des Gesamtisolationswiderstandes eines elektrischen Netzes gegen Erde oder Masse bekannt, eine Hilfswechselspannung mit von der Frequenz der Netzspannung abweichender Frequenz über eine Kopplungseinheit auf r> das zu überwachende Netz zu koppeln, die je Phase einen Kondensator enthält. Hierbei wird der ins Net/ fließende Prüfstrom mit einem nach Phasenwinkel und Amplitude einstellbaren Bezugsstrom verglichen. Die Ströme sin-¹ einander entgegengeschaltet, so daß. wenn 4<i der Prüfstrom den Bezugsstrom überschreitet, eine Warneinrichtung anspricht.

Hierbei muß nicht nur eine besondere Wechselstromquelle zur Bereitstellung der Hilfswechselspannung mit von der Frequenz der Netzspannung abweichender 4i Frequenz bereitgestellt werden, se idern es sind auch besondere Maßnahmen notwendig, um ein Einfließen der Netzfrequen/ in die Überwachungseinrichtung /u verhindern.

Weiter ist es aus den OF-OS 21 07 731 und 23 57 081 in hckanr.i. zur I 'herwachung des Isolationszustandes von Gleich- o·'er Wechselst™ :nne!zen den Isolationswiderstand henin/u/ichen

Der Irfindung liegt ilie Aufgjbe /ufiinde. ein Verfahren und eine Anordnung /itr (ihrrvv.ichung des >i Isolaiions/usundes eines elektrischen Geräts anzugeben, bei <leren Anwendung das Gerät unter Vermeidung einer Ililfswechselspannung nicht vom Net/ getrennt /u werden braucht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in der Erkennt- wi n!s, daß die Kapazität und der Verlustfaktor der einzelnen Phasen des Geräts ein Maß für den isolationszustand darstellen, durch die im Patentanspruch 1 bzw. 2 beschriebenen Maßnahmen gelöst.

Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemaßen Anordnung sind Gegenstand der Patentansprüche J *rs 6,

Die Erfindung schafft eine Technik zur Prüfung des Geräts an seiner |3etriebsstelle und wahrend seiner Benutzung, ohne es vom Netz und Masse bzw. Erde trennen zu müssen, wobei nur sehr geringfügige Abwandlungen seiner Anschlüsse notwendig sind. Erfindungsgemäß wird angezeigt, ob der Isolationszustand im wesentlichen unverändert bleibt oder sich ändert. Im Fall der Änderung wird festgestellt, was die ungefähre relative Richtung und Größe der Änderung ist. Nur wenn die Änderung so gioß wird, daß sie Beachtung verdient, muß das Gerät für eine sorgfältigere Prüfung oder Überholung außer Betrieb gesetzt werden.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das schematische Blockschaltbild einer angeschlossenen erfindungsgemäßen dreiphasigen Anordnung zur Messung der Isolationseigenschaften jeder Phase;

F i g. 2 ein die Anordnung der F i g. 1 darstellendes theoreiiscnes Schaltbild, das eine mathematische Analyse gestaubt;

F i g. 2A fine teilweise Abwandlung der Schaltung der Fig. 2:

F i g. 3 das Schaltbild einer praktischen Ausfü^v rungsform der Schaltungsanordnung der Fig. 1;

Fij..4A das Spannungs-Vektordiagramm des zu prüfenden Geräts;

Fig. 4B das Strom-Vektordiagramm des Geräts einschließlich der in den drei Phasen fließenden Ströme und des Erdstroms:

F ι g. 5A. 5B und 5C die Vektordiagramme der Ströme in den einzelnen Phasen;

F i g. 6A ein dreiphasiges Spannungs-Vektordiagramm mit der Darstellung der Spannungen in den drei Verbindungs-Kondensatoreinheiten der F i g. 3;

F i g. 6B ein Vektordiagramm mit der Darstellung der durch die drei Koppelkondensatoren fließenden Ströme:

F" i g. 7 ein Ersatzschaltbild zur Erläuterung der Funktionen der beiden Einstellungen einer Phasenschieber-Einrichtung gemäß der Erfindung:

F i g. 8A. 8B und 8C Vektordiagramme der Ströme in der erlindungsgemäßen Phasenschieber-Einrichtung gemäß F ι g. 7;

Fig. 9 ein Vektordiagramm mit der Darstellung der Amperewindungen-Vektoren n\ ■ /';. nj ■ /'> und n_t ι _t zur Ermittlung von /'„ gemäß der Definition der Fig. 3. 8A.8Bund8C:und

I ig. 10 die Zusammenstellung eines Testdiagramms. das unter Anwenudng der erfindungsgemäßen Anordnung entstanden iit. mit der Darstellung der relativen Phasenänderungen der verschiedenen Phasenstrc:ne bei gemeinsamen Beobachtungsintervallen sowie ein besonderes Diagramm der Temperatur über die gleichen Intervalle.

Die Erfindung Dezieht sich auf eine Einrichtung und ein Verfahren /ur Überwachung der Verschlechterung der Isokitionseigensehaften mittels eines Programms periodischer Pn^ifungcn. die verhältnismäßig einfach und billig durchzuführen sind und als deren Ergebnis eine Warnung am Aufstellungsort des unter Spannung stehenden Geräts möglich ist, wenn die 'soiation Anlaß zu einem Fehler geben könnte.

Beispiele für Geräte, die erfindungsgemäß untersucht werden können, ;ind dreiphasige Transformatoren, dreiphasige Schaltungsunterbrecher, dreiphasige Kondensatoranordnungen und andere dreiphasige Geräte. Auch sind einphasige Messungen möglich. Zweck der

Messung ist die Vermeidung der Außerbetriebsetzung des Geräts für eine Routineprüfung. Durch die Erfindung werden auch Ausfallzeiten vermieden, die dadurch bedingt sind, daß Geräte ersetzt werden müßten, für die Ersalzgeräte nicht leicht zur Verfügung stehen.

Um zu der vorliegenden Erfindung zu kommen, war es notwendig, eine große Anzahl von Möglichkeiten in Betracht zu ziehen und zu eliminieren. Eine zu untersuchende Frage war, was zur Bestimmung der Isolationsqualität gemessen werden sollte. Teil des Problems in einem Teilbereich eines dreiphasigen Geräts ist. daß, verglichen mit der Benutzung des Geräts in einem Gebäude, bei Verwendung desselben im Freien nur wenige Möglichkeilen bestehen. Die Außerbetriebsetzung ermöglicht die getrennte Prüfung einzelner Phasen. Es mußten daher ausgedehnte Untersuchungen und Experimente hinsichtlich des Leck- oder Kriech-Strnin«; nach Freie durchgeführt werden, um die drei Phasen des Isolationsstroms aufzulösen. Dabei bestehen meist gemeinsame Verbindungen von den drei Phasen nach Erde, die im allgemeinen eine Erdungseinrichtung umfassen, beispielsweise eine Gittermatte aus leitfähigem Metalldraht, die in die Erde eingegraben ist. Oftmals bestehen mehrfache Verbindungen nach Erde; um jedoch ein Maß für sämtliche fließenden Isolationsströme zu erhalten, erwies es sich als notwendig, zunächst bis auf eine sämtliche Erdverbindungen aufzutrennen und die Messung in der verbleibenden Erdverbindung durchzuführen. Die Ausschaltung aller anderen Erdverbindungen vermeidet die Möglichkeit der Entstehung von vagabundierenden Strömen, die durch die eine Erdverbindung ein- und durch die andere ausfließen. Die tatsächliche Messung des Stroms kann durch Unterbrechung einer Leitung geschehen, während die anderen aus Sicherheitsgründen angeschlossen bleiben, um die Primärwicklung eines Stromwandlers oder einer anderen geeigneten Einrichtung mit niedriger Impedanz zur Erleichterung der Messung in die Schaltung einzufügen. Eine niedrige Impedanz wird benötigt, damit die Funktion der Erdverbindung während der Messung nicht beeinträchtigt wird. Die Messung der Isolations-Erdströme ist wegen ihrer geringen Größe schwierig. Sie liegen, wenn sich ein Gerät in gutem Zustand befindet, zwischen 0 und 100 iiA. wobei bedeutende Änderungen die Messung sehr kleiner Änderungen gegenüber der Anfangsmessung erfordern.

Abgesehen von der Erdverbindung muß das Gerät zur Durchführung der Messungen und Bildung eines Vergleichs einfach, leicht zu benutzen und preiswert sein. Zusätzlich zu Problemen des Anschlusses an verhältnismäßig hochgespannte Netzleitungen bestanden Probleme mit Bauteilen des Testgeräts, die durch Felder in der Nachbarschaft von Übertragungsleitungen beeinflußt werden. Erfindungsgemäß werden Verbindungs- bzw. Kopplungseinheiten verwendet um meßbare Phasenströme abzuleiten oder zu erhalten, die parallel zum Erdstrom des Geräts an den gleichen dreiphasigen Netzleitungen fließen. Zwar enthält die erfindungsgemäß gewählte Verbindungseinheit Koppelkondensatoren: es können jedoch verschiedenerlei Arien von Verbindungseinheiten verwendet werden. Statt .Stromwandlern, die eine sehr einfache Erfassung des Erdstroms des Geräts und der Phasenströme durch die Kondensatoren ermöglichen, können, auch andere Einrichtungen verwendet werden. Die Phasen- und Amplituden-Einstelleinrichtungei·: enthalten getrennt einstellbare Bestandteile, die in zur Interpretation der Teslergebnisse geeigneter Weise kalibriert sind. Die Schaltung und andere Einstellcinrichtungen hierzu können in weitem Maße variieren. Zwar können auch ί andere Techniker angewandt werden, diese einfache Art des Phasen- und Amplituden-Einstellers in Verbindung mit Koppelkondensalorcn wird zur Erzeugung von Strömen der gegenseitigen Beziehung bevorzugt, die in den entsprechenden Phasen des im Test

ίο befindlichen Geräts vorherrschen. Beim Beginn einer Testreihe werden die Amplituden- und die Phasen-Einslclleinrichtung je auf einen geeichten Wert eingestellt, und zwar entsprechend den Parametern in der entsprechenden Phase des zu testenden Gcräis bei seiner Installation. Diese Werte können entweder in einer einphasigen Messung des Geräts tatsächlich gemessen oder aus Daten ähnlicher Geräte abgeleitet werden. Auch ist es möglich, sie in anderer Weise willkürlich so /u schätzen, daß sie repräsentativ sind.

Somit wird durch sechs Einstellungen bei drei Phasen eine Annäherung des Isolationsstroms des an das Netz angeschlossenen Geräts gebildet. Da diese Annäherung für das Gerät bei seiner erstmaligen Installation oder, zuvor, nach seiner Herstellung, repräsentativ ist, bilden

Änderungen gegenüber diesen Einstellwerten eine gute Annäherung der Änderungen im Gerät zum Vergleich mit dem tatsächlich getesteten Gerät. Die Änderungen werden erfaßt, indem in einer Phase zu einer Zeit eine Einsteilung durchgeführt und der Nulldetektor zum Vergleich des Modells und des getesteten Geräts beobachtet wird, bis der Abgleich bzw. der Zustand Null eintritt. Der Abgleich von Phasenwinkel und Amplitude kann beispielsweise an einem Oszillographen beobachtet werden. Da bei einem solchen Vergleich die geeichte

Änderung der Amplitude und des Phasenwinkels in einer einzelnen Phase herangezogen wird, während die anderen Phasen konstantgehalten werden. Wenn sich die Isolation in nur einer Phase des Geräts geändert hat. zeigt der Vergleich einen Trend der Änderungen statt absolute Meßwerte des Isolationsstroms und des Phasenwinkels für eine gegebene Phase. Eine solche Änderungsneigung oder -richtung und. insbesondere eine große Änderung des Isolationsstroms, kann einen gefährdenden Zustand der Isolation anzeigen.

Es ist zweckmäßig, vor der Erläuterung der Einzelheiten des Geräts die Art der angewendeten Technik zu betrachten. Hierzu wird auf die F i g. 1 und 2 verwiesen.

Die in Fig. 1 gezeigte elementare Schaltung bildet

so eine Einrichtung zur Erfassung der Größe und des Phasenwinkels des Erdstroms infolge der Kapazität und der Verschlechterung des Isolationszustandes. Es sei ein geerdetes Schaltungssystem angenommen. Der Strom wird durch einen Stromwandler erfaßt, der in der Erdleitung des Geräts angeordnet ist. Der Strom wird einer Brückenanordnung zugeführt die ihm mit der Summe ähnlicher Ströme vergleicht die durch an diese Leitung angeschlossene Bezugskondensatoren fließen.

Bei Anwendung bei einem einphasigen Gerät arbeitet

ho diese Anordnung ähnlich wie eine Verluslfaktorbrücke (z. B. die Verlustfaktorbrücke der James G. Biddle Company), mit der Ausnahme, daß das Gerät während des Tests von der Netzspannung versorgt wird. Es sei erwähnt daß die vorliegende Erfindung bei einphasigen Geräten angewendet werden kann, mit dem Vorteil, daß die Untersuchungen während des Betriebs des Geräts durchgeführt werden können. Werden dann weitere Tests benötigt, so können genauere Messungen nach

Abschaltung des Geräts vom Netz durchgeführt werden.

Bei Anwendung auf dreiphasige Geräte ist die erhaltene Ablesung nicht bloß eine Funktion des Verlustfaktors der Isolation, sondern ein kompliziertes Ergebnis vieler Bedingungen. Die in diesem Fall gemessene Größe kann als dreiphasiger Isolationsstrom bezeichnet werden.

Fig. 1 zeigt ein insgesamt mit 10 bezeichnetes dreiphasiges Gerät, beispielsweise einen dreiphasigen Schaltunterbrecher. Der Leck- oder Isolationsstromweg nach Erde über die Isolation des Geräts, das an die drei Phasen 12A, 12ßund 12C eines Netzes angeschlossen ist, besieht aus dem Isolationsstromweg, der durch eine Ersatzschaltung aus einzelnen Widerständen 14A, 14ß und 14C und hierzu parallelgeschalteten einzelnen Kondensatoren 16A, 16ßbzw. 16C dargestellt werden kann, die über eine gemeinsame Erdverbindung 18 in Sternschaltung an Erde angeschlossen sind. Diese Krdverbindung ist die einzig verbleibende, die, wie oben 2D erläutert, während des Tests des Geräts verwendet wird. Das Testgerät besieht aus drei Verbindungs- oder Koppeleinheiten 2OA, 20ß und 20C, die zwischen die Netzleitungen 12A, 12ß und I2C sowie über eine gemeinsame Leitung 22 an Erde angeschlossen sind. Die Erdleitung 18 ist mit einer Aufnahmeeinrichtung 24 versehen. Jede Verbindungseinheit enthält Prüfeinrichtungen zur Erfassung des durch die jeweilige Verbindungseinheit fließenden Stroms. Die erfaßten Phasenströme werden durch zugehörige Phasen- und Amplituden-Einstelleinrichtungen 21A, 21ß und 21C getrennt hinsichtlich Amplitude und Phase des erfaßten Stroms abgewandelt und einer Summiereinheit 26 zugeführt, die die Phasenströme summiert und sie dem durch die Aufnahmeeinrichtung 24 erfaßten Erdstrom gegenüberstellt. Jede Differenz wird mittels eines Verstärkers 27 verstärkt und an einem Nulldetektor 28 angezeigt Der Detektor 28 kann aus einem komplexen Gerät bestehen, das sequentiell oder gleichzeitig die Nullstellungen hinsichtlich Phasenwinkel und Amplitude in jeder Phase gegenüber den voreingestellten festen Werten in anderen Pha;en analysiert. In einem solchen Fall kann eine automatische Rückkopplungsschaltung 30 vorgesehen sein, um jeden Wert auf Abgleich zu korrigieren, so daß die Phasen A, ßoder Ceinzeln über Phasenschieber 21A. 21 ßoder 21CsequentielI korrigiert werden, bis für jede Phase der Wert Null auftritt. An dem schematisch gestrichelt gezeigten Außenbehälter des zu prüfenden Geräts ist ein Temperaturfühler angebracht der über einen Kompensator an einen Eingang der Summationseinheit 26 angeschlossen ist

Fig.2 zeigt schematisch die Schaltung der Fig. 1. jedoch ohne Rückkopplungseinrichtung oder getrennte Phasen- und Ampliluden-Einstelleinrichtungen. Im einzelnen ist in F i g. 2 die Schaltung einer Anordnung zur Messung eines insgesamt mit 10' bezeichneten dreiphasigen Geräts gezeigt Der Strompfad nach Masse durch die Isolierung des an das dreiphasige Netz 12A' 12ß'. 12C angeschlossenen Geräts besteht aus dem Isolationsstrompfad, der durch ein Ersatzschaltbild aus einzelnen Widerständen 14A', 14ß'und 14C'dargesteIIt werden kann, denen je ein Kondensator 16AC 16ß'bzw. 16C parallelgeschaltet ist und die gemeinsam in Sternschaltung über eine gemeinsame Erdverbindung 18' an Erde angeschlossen sind. Diese Erdverbindung ist die einzig verbleibende Erdverbindung des zu untersuchenden Geräts 10' während des Tests. Die Verbindungseinheiten bestehen aus drei Kondensatoren 2OA', 20ß'und 2OC, deren eine Platte an die Neizleilungen 12A' 12ß'bzw. 12Cund deren andere Platte an Masse angeschlossen ist. Die Kondensatoren können je abgeschirmt und die Abschirmung an Erde angeschlossen sein, um auftretende Störungen auf ein Minimum herabzudrücken. Die Erdleitung 18' ist mit einem Stromwandler 24' als Aufnahmeeinrichtung und die Erdleitung 22' mit einem Stromwandler 23 versehen, die über einen Nulldetektor 28' in einer Brücken- oder Ausgleichsschaltung einander enlgegengeschaltet sind. Es kann ein einphasiges Phasenschiebernetzwerk 31 mit einstellbarer Impedanz verwendet werden, so daß die Gesamtwirkung der Verbindungseinheil bezüglich des in der Untersuchung befindlichen Geräts einstellbar ist. Ein Shunt-Widerstand 32, der entsprechend dem erwarteten Bereich des Erdsiroms gewählt werden kann, ist an die Sekundärwicklung des Wandlers 24' angeschlossen.

In Fig.2 sind verschiedene Spannungen, Impedanzen, Kapazitäten und dergleichen bezeichnet, die in der folgenden mathematischen Ableitung verwendet werden.

Bei einer unendlichen Anzahl unterschiedlicher Kombinationen von Bezugselementen Q, Cj, Q und Zr kann nur ein Abgleich herbeigeführt werden, wenn die bekannten Elemente C und die unbekannten Z im gleichen Verhältnis zueinander stehen. Dann ist der Abgleich unabhängig von der Netzspannung.

Bei der in Fig.2 gezeigten Schaltung gilt bei Abgleich:

oder _K3\ R^ Z₃J η

⁼ \~XcT

Vl

Xc,

£3_\ Ζ« Xc) η

Setzt man die Elemente C und Z ins gleiche Verhältnis, so gilt:

Xc, _ Z₂ ±

^xc

Z₃ A

g_{s ere};t,t _sj_cn -

Z₁ * ßZj π

Vl V3

\ Z₃^

woraus folgt:

oder

^RA

Weiter sind

ζ«

IO

Die obigen Gleichungen zeigen, daß, wenn die Werte X'c ins fichtige Verhältnis gesetzt werden, durch Einstellung von Zr ein Abgleich erzielt werden kann. !5 Weiter ist ersichtlich, daß Änderungen der Netzspannung den Abgleich nicht beeinflussen.

Beispielsweise werden Änderungen von Z\ infolge Verschlechterung der Isolationseigenschaften dadurch erfaßt, daß entweder eine Änderung der Nulleinstellung eintritt oder es nicht möglich ist, den Abgleich zu erreichen.

F i g. 2A zeigt einen abgewandelten Teil der Schaltung der Fig. 2 mit einer Änderung der Verbindung oder Kopplung. Statt in der gemeinsamen Erdleitung 22' wird der Strom in jeder Phasenleitung 344, 34ß und 34C gemessen oder erfaßt. Statt eines werden drei Stromwandler 364,36ßund36C. je einer für jede Phase, Verwendet. An jede Sekundärwicklung des entsprechenden Wandlers ist ein getrenntes Phasen- und Amplituden-Einstellnetzwerk 384, 38ß bzw. SeCangeschlossen.

Die in Fig.2A gezeigte Weiterbildung erlaubt eine größere Flexibilität insofern, als für jede beliebige Einstellung der Werte für Z ein Abgleich gefunden werden kann. Bei Abgleich gilt:

'Yl + Yl ₊ Yl). hi

,Z₁ Z₂ Zj/ η

₌ (Yl. ⁷L^ , Yl

\X X'

η X_c η J'

35

40

Unter dieser Bedingung kann durch Einstellung der drei Zr ein Abgleich erzielt werden; es existiert eine unendliche Anzahl von Abgleichzuständen.

Wählt man

mnd

Z₁ so

Z_x

worin α und j? Vektorgrößen sind, so gilt bei Abgleich

YiZ₁ η X_Cl '

Auch hier hat die Netzspannung keinerlei Auswirkung auf den Abgleich.

Es fragt sich nun, wie ein Abgleich gefunden werden kann, wenn sich eines der .Z ändert Geht man von den ursprünglichen Einstellungen Zr aus, so gibt es verschiedene Wege, den Abweichungsvektor zu lösen. Einer ist die Verwendung der Einstellungen von Zr.

Kann z. B. ihre Amplitude bei festem Phasenwinkel geändert werden, so kann das eine fest bleiben, und die beiden anderen können auf einen eindeutigen neuen Abgleich abgestellt werden. Der Abweichungsstrom kann hinsichtlich Amplitude und Phase aus der Differenz zwischen der alten und der neuen Abgleichstellung bestimmt werden- Größe und Phase der Abweichung sind nicht frei von Einflüssen der Netzspannung, da es Unwahrscheinlich ist, daß der neue, aus einer unendlichen Anzahl möglicher Abgleiche gewählte Abgleich die einzige spannungsunempfindliche Nullstellung ist. Dies ist jedoch ein Effekt zweiter Ordnung und beeinflußt den Wert der Ergebnisse nicht merklich.

In der Praxis ähnelt eine erfindungsgemäße Anordnung der in F i g. 3 gezeigten Schaltung. In F i g. 3 ist die Testanordnung im einzelnen gezeigt. Entsprechende Teile haben die gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. I, 2 und 2A mit dem Zusatz ". Insbesondere ist die doppelte Einstellmöglichkeit der Phasen- und Amplituden-Einstelleinrichtungen in der praktischen Ausführungsform schematisch genauer gezeigt. Primär- und Sekundärwicklungen der Stromwandler sind schematisch als Wicklung dargestellt. Die Phasenschieber für die jeweiligen Phasen 214", 21ß"und 21C"sind an die Sekundärwicklungen angeschlossen, die in diesem Fall an einen Transformator 26" angeschlossen sind. Die Wicklungen 404, 40ß und 4OC der Phasen- und Amplituden-Einstelleinrichtungen sind so geschaltet, daß ihre Eingangssignale summiert werden. Diesen Wicklungen ist die an die Sekundärwicklung des Stromwandlers der Erdstrom-Aufnahmeeinheit 24" angeschlossene Erdstromwicklung 44 entgegengeschaltet. Die Primärwicklung des Stromwandlers der Aufnahmeeinheit 24" ist in Reihe mit der einzig verbleibenden Erdverbindung 18" geschaltet. Die Anzapfungen 424, 42ß und 42C der Wicklungen 404. 40ß und 4OC bilden die Amplituden-Einstelleinrichtungen 214", 21 ß"und 21C", und durch diese Anzapfungen kann die Windungszahl der Wicklungen 404, 40ß und 4OC verändert werden. Variable Widerstände 434, 43ß und 43 C dienen zur Phaseneinstellung, jedes dieser einstellbaren Elemente ist mit einer geeichten Skala versehen, mittels der beim Einstellen eine Ablesung sowie eine Rückstellung auf vorherbestimmte Werte möglich ist Die Eichung im im Test befindlichen Gerät kann zweckmäßigerweise als Kapazität für die Anzapfungen 424, 42ß und 42C ausgedrückt werden. Für die variablen Widerstände 434, 43ß und 43Ckann auf der Skala zweckmäßigerweise der Verlustfaktor (tan <5) aufgetragen werden. Der Abgleich oder Nichtabgleich der durch die Ampere-Windungen in der Summiereinheit 26" erzeugten magnetomotorischen Kraft (MMK) wird mittels einer Meßwicklung 46 erfaßt Diese ist ihrerseits an einen amplituden- und phasenempfindlichen Nulldetektor 28", vorzugsweise einen Oszillographen, angeschlossen, der einen getrennten Abgleich hinsichtlich der Amplitude in Form der Einstellung der Ampere-Windungen und der Phase in Form der Widerstandseinstellung der beiden Komponenten der Phasen- und Amplituden-Einstelleinrichtungen in jeweils nur einer Phase gestattet

Die Verwendung der Schaltungsanordnung der F i g. 3 ist von besonderem Interesse in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. In der Praxis wird die in Fig.3 gezeigte Schaltungsanordnung zunächst unter Verwendung der Amplituden-(Kapazitäts) und Phasenwinkel-(Verlu-.tfaktor)-VariabIen de- Phasen-

und Amplituden-Einstelleinrichtung in geeigneter Weise auf die Anfangswerte eingestellt werden. Dies isl, bei neuem Gerät, dadurch möglich, daß die Einstellungen für die Kapazität und den Verlustfaktor in jeder Phase bestimmt werden. Die Einstellungen von Kapazität und Verlustfaktor sind für jedes bestimmte heue Gerät bestimmbar. Das bevorzugte Verfahren hierzu besteht in der Benutzung der Anordnung selbst als Einphasengerät, mit dem die einzelnen Phasen des zu testenden Geräts aufeinanderfolgend ausgemessen und jede Phase der Anordnung der entsprechenden Phase des Geräts angepaßt wird. Üblicherweise ist es wünschenswert, das Gerät vom Netz zu trennen und es an eine getrennte Spannungsq'ielle anzuschließen. Alternativ kann zur Messung dtr Kapazität und des Verlustfaktors ein weiteres getrenntes Teil eines Einphasen-Isolationsmeßgeräts für jede Phase getrennt verwendet werden. Eignet sich keine dieser Techniken, so können im allgemeinen die Angaben für ein bestimmtes Gerät oder einen Gerätetyp oder eine andere beliebige Datenquelle hierfür verwendet werden. Nachdem die Werte und Einstellungen gewählt sind, müssen sie während der gesamten nachfolgenden Tests stets als Norm für das jeweilige Gerät verwendet werden. Die Einstellungen sollten möglichst sorgfältig und genau gewählt werden, um eine maximale Unterdrückung des Spannungseinflusses auf die Testergebnisse zu erzielen.

Genauer, beim Beginn jedes Tests sind die Einstellungen von Kapazität und Verlustfaktor in den Phasen- und Amplituderi-Einstellrichtungen 2\A", 215" und 21C" bei diesen ursprünglichen Werten für das im Test befindliche Gerät fest. Danach werden diese Faktoren einzeln verändert, und zwar jeweils nur eine Variable. Beispielsweise wird die Anzapfung 42/4 verstellt, bis die Größe abgeglichen ist. Darauf kann der Widerstand 43A der Phasen-Einstelleinrichtung 21/4" verändert werden, bis der Phasenwinkel des Stroms abgeglichen ist. Die Einstellungen des Widerstandes 43Λ und der Anzapfung 42/1 werden notiert, und Widerstand 43A und Anzapfung 42Λ werden auf ihre ursprünglichen Werte rückgestellt. Die gleiche Einstellung wird bei den anderen Phasen durchgeführt. Verwendet man die drei Phasen hintereinander und unabhängig voneinander, so wird eine Wahl der Einstellungen für jede Phase erhalten, die bezüglich eingetretenen Veränderungen der Isolation eine Bedeutung haben. Abweichungen von den ursprünglichen Einstellungen und früheren Testeinstellungen zeigen eingetretene Isolationsänderungen an.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird an Hand des Schaltbildes der Fig.3 und der Spannungs- und Strom-Vektordiagramme der Fig.4A und 4B näher erläutert, die die dreiphasigen Spannungen und Isolationsströme des zu untersuchenden Geräts darstellen. Gemäß F i g. 3 verden die Versorgungsspannungen von den Leitungen UA", 12ß"und 12C"zugeführt Wie ersichtlich, sind die Isolationsphasenströme gegenüber ihren Spannungsvekioren nicht um 90° phasenverschoben. Dies liegt an der Art des Dreiphasennetzes, bei dem Amplitude und Frequenz um 120° gegeneinander phasenverschoben sind.

Da die Isolation im wesentlichen kapazitiver Art ist, eilen die Ströme den Spannungen voraus. Die Größe der Vorauseilung ist in gewissem Maße abhängig von den Isolationseigenschaften. Der gesamte Erdstrom I_n, liegt in Phase mit dem Strom der ersten Phase /*>,, so uou uCr vjcSaiTktStrGm ϋϊϊϊ I_n, gTöucF iät als die älidcrcü Ströme M und /*,. Sind die Phasenströme gleich groß und um 120° gegeneinander phasenverschoben und damit symmetrisch, so besteht Phasengleichgewicht, und es kann kein Erdstrom fließen.

Im Laufe der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird jede der beiden Einstellungen in jeder

^r) Phasen- und Einstelleinrichtung, wie beschrieben, sequentiell in den verschiedenen Phasen durchgeführt, und zwar derart, daß bei I_m Abgleich erzielt wird. In dem dargestellten einfachen Fall wird durch Einsiellung der Anzapfung 42/4 unter Anzeige durch den Nülldetektc¹¹'

ίο 28" die Auswirkung des Stroms I_n, gelöscht oder unterdrückt. Das Einstellvcrfahren wird im folgenden noch näher erläutert.

F i g. 5A, 5B und 5C zeigen die Beziehungen zwischen den Spannungs- und Stromvektoren in jeder einzelnen Phase des zu testenden Geräts, und zwar unter Beachtung der Phasenstellung in den Vektordiagrammen der F i g. 4A und 4B. In den F i g. 5A, 5B und 5C sind die Phasenströme in ihren kapazitiven und ohmschen Anteil zerlegt.

Fig. 6A und 6B zeige" dip weiligen Spannungen und Ströme in den Koppluiigseinheiten, insbesondere an den Kondensatoren 2OA", 20ß" und 2OC". Die Spannungen entsprechen den Netzspannungen und sind ähnlich bezeichnet und liegen in der gleichen Phasenlage wie in F i g. 4A, so daß sie hiermit direkt vergleichbar sind. Die Ströme /|_ft kc und Ac, die in Fig. 3 eingezeichnet sind, eilen wegen der fast reinen kapazitiven Art der Kopplungseinheit den Spannungen um 90° voraus. Die Stromwandler seien miteinander identisch; ihr Windungsverhältnis sei n_c. Der Strom /V jeder Kopplungseinheit ist dann gleich dem Produkt n_c ■ u'm jeder Phase.

Die Arbeitsweise jeder Phasen- und Amplituden-Einstelleinrichtung ist die gleiche. Sie isl aus dem Ersatzschaltbild der F i g. 7 ersichtlich. F i g. 8A, 8B und 8C zeigen die in jeder Phase des Phasenschiebers gemäß F i g. 7 fließenden Ströme mit den Gesamtströmen /Ί,, /2, und h- gemäß F i g. 3. In jedem Fall fließt die Komponente i_c durch den Kondensator und die Komponente /« durch den Widerstand. Die Komponente ir (F i g. 8A) ist gleich dem Strom i\, der durch die Wicklungen 40/4, 405 und 4OC fließt und die durch die Summiereinheit 26" abzugleichende wirksame magnetomotorische Kraft erzeugt. Die Einstellung Sx Phase geschieht durch Einstellung von R in F i g. 7, wodurch sich der Phasenwinkel von ir gegenüber der Phase des Vektors /„ ändert. Diese Änderung des Widerstandes R bewirkt nur eine unbedeutend kleine Änderung der Größe von ir, wenn R gegenüber der Reaktanz von C klein ist Die Größe der Auswirkung von ir wird durch ■ Einstellung der Windungszahl an der Anzapfung 42/4 (F i g. 3) eingestellt Somit stellt das Ampere-Windungsprodukt Πι · /Ι den Phasenstrom i\_a abgewandelt durch n_a und die geeichte Phaseneinstellung 43/\ und die Wahl der Windungszahl 42 A dar.

In gleicher Weise werden die beiden anderen Phasenströme /2c und /3c· durch Th ■ i'i und /73 - /3 wiedergegeben.

Fig.9 zeigt die Abhängigkeit der Ampere-Windungsvektoren von den Kopplungseinheiten und der Aufnahmeeinheit nach der Nulleinstellung. Die zugehörige Gleichung zeigt daß die zugehörigen magnetomotorischen Kräfte jeder Kopplungseinheit kombiniert gerade die vom Erdstrom bei Abgleich erzeugte magnetomotorische Kraft aufhebt, d.h., tiel'm = n\ ■ i'\ + lh - /'2 + Ω3 ■ /3 , wenn die gesamte magnetomotorische Kraft in der Summationseinheit gleich Null oder Abgleich erreicht ist

Die Einstellungen von Amplitude und Phasenwinkel können als Kapazität und Verlustfaktor der entsprechenden Phasen des untersuchten Geräts interpretiert werden, und zwar mittels herkömmlicher Wechselstrombrücken-Messungen. Die Instrumentenskala oder -anzeige kann emiprechend geeicht werden.

Fig. 10 zeigt eine Reihe einander zugeordneter Diagramme, die die Änderung der Nulleinstellungen des Verlustfaktors gegenüber einer Zeitachse darstellen. Die Zeit wird durch gemeinsame Beobachtungspunkte dargestellt, die in gleichen oder unterschiedlichen Intervallen zueinander liegen können. In den unteren Diagrammen ist die relative Änderung des Verlustfaktors der jeweiligen Phase dargestellt. Entsprechende Dhigramme können fur die Kapazitätsänderung in jeder Phase angefertigt werden; in der Praxis erscheiren jedoch die Änderungen als Änderungen des Verlustfaktors, so daß durch entsprechende Diagramme un.er diesen Umständen nur wenig gewonnen würde. Der Verlustfaktor (tan ό) ist für kleine Winkel ό im wesentlichen äquivalent dem Kosinus Θ (Leistungsfaktor), wotes ö und O komplementäre Winkel sind und ö der Phasenwinkel zwischen Strom- und Spannun<jsvektor ist. Diese Diagramme zeigen somit die Phasenänderungen über eine Zeitperiode. Im vorliegenden Fall wurde die Aufzeichnung unter Simulation eines Isolationsfehlers in einer Phase eines Schaltunterbrechers angefertigt, in dessen drei Phasen die Änderungen drrch zusätzliche Widerstände parallel zu einer Pha<-c des Schaltunterbrechers simuliert wurden. Die Beobachtungen I bis 16 zeigen das hinsichtlich seines Verlustfaktors bis auf temperaturbedingte Änderungen unveränderte oder im wesentlichen unveränderte Gerät. Die Temperatur lag hierbei zwischen etwa 20 und etwa 26°C. Bei den Beobachtungen 17 bis 22 wurde der Verlustfaktor der Phase A willkürlich durch sequentielle Einfügung von Widerständen mit den Werten 1500, 1250. 1000. 750. 500 bzw. 250 ΜΩ geändert Bei diesen Beobachtungen lag die Temperatur zwischen etwa 26 und etwa 35" C. Bei den Beobachtungen 23 bis 26 war der ursprüngliche Zustand ohne Widerstände wiederhergestellt. Die Temperaturen lagen zwischen etwa 27 und etwa 30⁰C.

Wenn diese Ergebnisse im 3etrieb auftreten, kann die Bedienungsperson bei der Beobachtung 22 beispielsweise drei verschiedene Schlüsse ziehen. Es kann sich nämlich der Verlustfaktor der Phase A um etwa 2% erhöht oder der der Phase B um '/2% oder der der Phase Cum VIi⁰Ia verringert haben. Zu vermuten ist, daß sich der Zustand an der Phase A geändert hat, weil die beiden anderen Änderungen eine Verbesserung des Verlustfaktors darstellen, was bei tatsächlich ausgeführten Geräten physikalisch unwahrscheinlich ist Ein solcher merklicher Anstieg des Verlustfaktors rechtfertigt es, das Gerät zur Wartung bei nächster Gelegenheit außer Betrieb zu setzen. Die beobachtete Änderung kann auch durch eine plötzliche Kombination von Änderungen von C und/oder DF in zwei Phasen hervorgerufen werden. Die Wahrscheinlichkeit solcher kombinierter Änderungen sowie der Tatsache, daß sie eine gefährliche Verschlechterung der Isolationseigenschaften anzeigen, ist abhängig vom einzelnen Teil des Geräts und seiner Geschichte.

Fig. !0 zeigt, daß bei verhältnismäßig engen Temperaturbereichen senr geringe Änderungen der Einstellungen von Kapazität und Verlustfaktor auftreten, vorausgesetzt, daß sidi der Isolationszustand nicht ändert.

Treten nur geringe oder keine Änderungen der Einstellwerte ein, so ist die Wahrscheinlichkeit einer bedeutenderen Verschlechterung des Isolationszustandes unwahrscheinlich. Treten Änderungen ein, so ist davon auszugehen, daß sich der Isolationszustand verschlechtert hat Ist die Änderung verhältnismäßig groß, so bestehen offenbar ernste Mängel, die eine Außerbetriebsetzung des Geräts für weitere Untersuchungen angezeig* erscheinen lassen.

su Durch die Erfindung wird eine bestehende Schwierigkeit gelöst. Die Schwierigkeiten können sich je nach Art des Geräts, der Isolierung, der Spannungen oder anderer Parameter, Betriebsart und weiterer Faktoren ändern.

is Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Benutzung der erfindungsgemäßen Anordnung ermöglichen die Sammlung von Daten in Form verschiedener Skaleneinstellungen für ihren Beobachtungszeitraum. Die Deutung der erhaltenen Daten hängt von der individuellen

4n Erfahrung des Benutzers der Anordnung und des Verfahrens für jeden einzelnen Anwendungsfall ab. Die F.rfindiing ist in verschiedenerlei Weise und für die verschiedensten Zwecke anwendbar. Welche Technik auch immer unter Benutzung der Erfindung angewendet wird, die erfindungsgemäß erhaltenen Daten ermöglichen es dem Fachmann, die Verschlechterung des Isolier/iistandes festzustellen und abzuschätzen.

Hier/u 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Überwachung des Isolationszustandes der Phasen eines ein- oJer mehrphasigen Geräts, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Erdverbindungen des Geräts bis auf eine aufgetrennt und in die verbliebene eine Erdstrom-Meßeinrichtung geschaltet wird, mit der ein dem Erdstrom proportionales Prüfsignal erzeugt werden kann, daß zwischen jede Phase des ein- oder mehrphasigen Netzes, an das das Gerät angeschlossen ist, und Erde getrennte Kopplungseinheiten geschaltet werden, daß ein dem durch jede Kopplungseinheit fließenden Strom proportionaler Prüfstrom für diese Phase gebildet wird, daß für jede Phase zur Änderung des Phasenwinkels und der Amplitude des den Phasenstrom darstellenden Prüfstroms getrennte geeichte Phasenwinkel- und Amplitudci.-Einstelleinrichtungen vorgesehen werden, daß die so aus den Pnasenstromen gebildeten Prüfsignale in einer Summiereinheit mit einem Nulldetektor addiert und dem Erdstrom-Prüfsignal entgegengeschaltet werden, daß bis auf eine sämtliche Phasenwinkel- und Amplituden-Einstelleinrichtungen auf vorherbestimmte feste Einstellwerte eingestellt werden, die den Zustand der entsprechenden Phase des Geräts zu einem zeitlichen Bezugspunkt simulieren, daß die Einstellungen des Phasenwinkels und der Amplitude dieser einen Phase vers.-llt werden, bis der Nulldetektor für beide Einstellungen einen Abgleich zeigt, daß die Einstellungen abgelesen weraen. wooei die Ablesungen in dieser Phase des in überwachenden Geräts Kapazität und Verlustfaktor db. stellen, und daß der Vorgang gegebenenfalls für jede andere Phase des Geräts wiederholt wird.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1. gekennzeichnet durch eine Kopplungseinheit (204. 20ß. 20C). die zwischen das Netz, an das das zu testende Gerät angeschlossen ist. und Masse geschaltet und mit Einrichtungen (194 . 19ß". 19CJ zur Erfassung des durch die Kopplungseinheit fließenden Stroms \ ersehen ist. durch an die Kopplungseinheit angeschlossene Phasenwinkel- und Amphtuden-F.instelleinrichtungen (21Λ. 21B. 21 C), mit deren Hilfe Amplitude und Phasenwinkel des Prüfstrnms zur Erzeugung von Priifstgnale.i einstellbar sind, durch eine F.rdstrom-Meßeinnch tung (24) zur Erfassung des in der Erdverbindung des Geräts fließenden F.rdstromes zur Erzeugung eines dem Erdstrom proportionalen F-rdstrom-Prüfsign.ils. durch eine Sumrr.iereinheit (26). in der die Prüfsignale und das Frdstrom-Prüfsignal einander entgegen gerichtet werden, so daß. wenn Phasenwinkel- i'nd Ampl'tuden-Einstelleirinchtungen so eingestellt sind. daß sie einen geänderten Zustand des Cu <iu simulieren, die Prufsignale und das Erdstrom I'riifsigna! einander aufheben, und durch einen Nulldrtektor (28) der an die Summiereinhe't angeschlossen ist und bei einem Abgleich anspricht,

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn^ zeichnet, daß jede Kopplungseinheit (2OA 205,20C) einen Kondensator enthält.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromerfassungseinrichiung jeder Koppeleinrichtung aus einem Stromwandler (36A 36Ä36CJbesteht.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Summationseinheit (26) aus einem Magnetkern mit Wicklungen (36Λ, 36ß, 36C) für jeden Prüfstrom und den Erdstrom, und daß die

Phasen- und Amplituden-Einstelleinrichtungen jeder Phase aus einer Einrichtung (42Λ, 42ß, 43CJ zur Veränderung der Amplitude und einer Einrichtung (434, 435, 43CJ mit variablem Widerstand zur Änderung der Phase des Stroms zur Summa.ionsein-

ίο heit (26) zur Änderung der wirksamen Windungszahl dieser Wicklung besteht

6. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß drei Koppelkondensatoren vorgesehen sind, von denen jeweils eine Platte an eine Phase

π des dreiphasigen Netzes anschließbar ist, an das das zu untersuchende Gerät angeschlossen ist, daß vier Stromwandler mit je einer ersten und einer hiermit magnetisch gekoppelten zweiten Wicklung vorgesehen sind, wobei die erste Wicklung von drei

μ Stromwandlern (194 ", 19ß". 19C"J zwischen die jeweils zweiten Platten der Koppelkondensatoren geschaltet und die erste Wicklung de^ vierten Stromwandlers (24") in eine einzige Erdleitung (18") des zu testenden Geräts schaltbar ist, so daß sie im

_>-, Erdstrompfad liegt, daß ein Transformator (26") je Stromwandler eine Wicklung enthält, die über eine Koppeleinrichtvng mit den jeweils zweiten Wicklungen der Stromwandler derart gekoppelt ist. daß die von den Strömen von den drei an die Koppelkon-

jo densatoren angeschlossenen Wandler erzeugte magnetomotorische Kraft der vom Erd-Prrfstrom vom zu testenden Gerät erzeugten magnetomotorischen Kraft entgegenwirkt, so daß sie einander aufheben, daß drei Phasen- und Amplituden-Einstell-

j-, einrichtungen (42,4. 434. 42S, 43ß. 42C. 43CJ zwischen die Sekundärwicklung der an die Koppelkondensatoren angeschlossenen Stromwandler und ihre Wicklungen am Transformator geschaltet und so einstellbar sind, daß Amplitude und Phase derart modifiziert werden, daß modifizierte Prüfphasenströmc fir ieden Phasenzustand in der entsprechende ι Phase des zu testenden Geräts simuliert werden, und daß ein Niilldetektor (28 ') an eine Meßwicklung (46) des Transformators .lntr^schlossen ist. so daß

4·, festgestellt werden kann, wenn der Prüf-Frdstrom im Transformator die Priif-Phasensiromc aufhebt, wobei die Phasen 'ind Amplituden Finstelleinnchtungcn derart einstellbar sind, daß der kumulative Effekt der drei f'hüsi.ndes Gerät*, simuliert wird