DE2653703B2 - Verfahren zur Messung des Erdungswiderstandes eines Erders - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung des Erdungswiderstandes eines Erders unter Verwendung eines Wechselstromes definierter Frequenz und eines im Takte der Frequenz gesteuerten Gleichrichters mit einem Hilfserder und einer Meßsonde, bei welcher an den Erder und den Hilfserder ein Generator geschaltet ist, sowie mit einem Anzeigeinstrument zum Anzeigen des Meßwertes.

Der Erdungswiderstand eines Erders setzt sich im wesentlichen aus dem Übergangswiderstand zwischen Erder und Boden und dem Ausbreitungswiderstand im Erdreich zusammen. Da die Leitfähigkeit im Erdreich wetterbedingt stark schwankt und sich der Übergangswidersland zwischen Erder und Boden infolge Korrosion ändern kann, sind Überwachungsmessungen notwendig. Zur Bestimmung des Erdungswiderstandes eines Erders sind schon viele verschiedene Meßverfahren und entsprechende Meßanordnungen bekanntgeworden:

Gemäß dem sogenannten Behrend-Verfahren kommt zur Bestimmung des F.rdungswiderstandes eine Kompensationsmethode zur Anwendung, bei der der Spannungsabfali am Erder mit dem Spannungsabfall an einem Normalwiderstand verglichen wird. Der Erdungswiderstand kann direkt abgelesen werden, weil der Strom im Erder und der im Normalwiderstand in einem konstanten und bekannten Verhältnis stehen. Dazu ist an einen einen Wechselstrom liefernden Kurbelinduktor in Reihe die Primärwicklung eines Stromwandlers der Erder und ein Hilfserder geschaltet.

In den Sekundärkreis des Stromwandlers ist ein Kompensationswiderstand geschaltet. Zwischen den Abgriff des Kompensationswiderstandes und eine Sonde, die den am Erder auftretenden Spannungsabfall abgreift, ist ein vom Induktor mechanisch gesteuerter Gleichrichter geschaltet. Der Strom des Kurbelinduktors fließt über den Stromwandler und über den Hilfserder zum Erder zurück. Der vom Sekundärstrom des Strcmwandlers am Kompensationswiderctand hervorgerufene Spannungsabfall wird gegen den Spannungsabfall am Erder kompensiert Ein vom mechanisch gesteuerten Gleichrichter gespeistes Nullinstrument ist stromlos, wenn die Kompensation erreicht ist Die Größe des Erdungswiderstandes kann an der Stellung des Kompensationswiderstandes direkt abgelesen werden.

Infolge der Verwendung eines vom Kurbelinduktor gesteuerten Gleichrichters können nur geringe Verfälschungen des Meßergebnisses durch Störströme auftreten, sofern die Wechselstromfrequenz außerhalb der Netzfrequenzen und deren Vielfachen liegt. Nachteilig hierbei ist es jedoch, daß zur Messung des Erdungswiderstandes ein relativ umständlicher und zeitraubender Abgleich erforderlich ist.

Gemäß dem sogenannten Verfahren nach Metrawatt wird zur Bestimmung des Erdungswiderstandes der Spannungsabfall an der Summe von Erdungswiderstand und einem Normalwiderstand mit dem Spannungsabfall am Erdungswiderstand allein verglichen. Dazu ist an einen Wechselstromgenerator in Reihe ein Normalwiderstand, der Erder und ein Hilfserder geschaltet. Die Meßsonde zum Abgreifen des am Erder auftretenden Spannungsabfalles ist in Reihenschaltung mit einem regelbaren Widerstand, einem Drehspulanzeigeinstrument, einem die Spannung gleichrichtenden, mit der Generatorachse gekoppelten mechanischen Gleichrichter und einem Umschalter verbunden. In der ersten Schaltstellung des Umschalters liegen der Erder, der Normalwiderstand, der Gleichrichter, das Anzeigeinstrument und der regelbare Widerstand in Reihe, in der

so zweiten Schaltstellung des Umschalters der Erder, der Gleichrichter, das Anzeigeinstrument und der regelbare Widerstand. Regelt man in der ersten Schaltstellung des Umschalters mit dem regelbaren Widerstand stets auf den gleichen Instrumentenausschlag des Anzeigeinstrumentes ein, so l.ann man nach dem Umschalten in der zweiten Schall .teilung den Erdungswiderstand unmittelbarablesen.

Dieses Verfahren hat zwar den Vorteil, daß ein direktes Ablesen des zu bestimmenden Widerstandswertes des Erders ohne Kompensation vorgenommen werden kann. Nachteilig hierbei jedoch ist es, daß vor der Messung ein Nullabgleich b/w. eine Eichung erforderlich ist.

Die einfachste Meßmethode zur Bestimmung des Erd ingswiderstandes ist die Erdungsmessung mit Sir jm- und Spannungsmesser. Eine Prüfspannungsquel-Ie liegt mit einem Strommesser, dem Erder und dem Hilfserder in Reihe. In Parallelschaltung zum Erder und

dem Strommesser ist eine Meßsonde und ein Spannungsmesser angeordnet. Der Wechselstrom aus der Prüfspannungsquelle wird über den Erder geschickt, vom Hilfserder wieder aufgenommen und zur Quelle zurückgeleitet. Der von der Meßsonde abgegriffene Spannungsabfall wird vom Spannungsmesser gemessen. Der zu bestimmende Erdungswiderstand ergibt sich aus einer Division der gemessenen Werte von Spannung und Strom.

Nachteilig hierbei jedoch ist es, daß bei Prüfspannungsschwankung ungenaue Meßergebnisse vorliegen. Auch können sich durch vagabundierende Wechselströme im Erdreich die Meßergebnisse verfälschen. Der zu bestimmende Widerstandswert kann nicht direkt abgelesen werden.

Aus der Literaturstelle »Rohde & Schwarz-Mitteilungen , Nr. 4, 1953, Seiten 195 und 196, ist eine Schaltungsanordnung bekannt, bei welcher zur Scheinwiderstandsmesssung ein Meßkreis mit eingeprägtem Strom vorgesehen ist. Der den Meßkreis durchfließende Strom wird durch einen Vorwiderstand bestimmt Der zu bestimmende Scheinwiderstand ist p&iallel zur Quelle und dem Vorwiderstand geschaltet. Mittels eines parallel zum Scheinwiderstand geschalteten Voltmeters wird der am Scheinwiderstand abfallende Spannungsabfall, der ein direktes Maß für den zu bestimmenden Scheinwiderstand darstellt, gemessen. Mit einer solchen Anordnung zur Scheinwiderstandsmessung kann keine Erdungsmessung vorgenommen werden.

Aus der DE-PS 8 4^C ' ,^ es bekannt, den ohmschen Widerstand eines Erders mit Hilfe einer zwischen dem Erder und dem Hilfserder angeordneten Sonde durch eine sogenannte Spannungsabfallmessung oder durch eine Brückenmessung mit Nullmethode zu bestimmen. Als Meßinstrument ist dazu jeweils ein empfindliches Gleichspannungsgalvanometer verwendet. Der das Meßinstrument durchfließende Gleichstrom wird durch Gleichrichtung des im Sondenkreis fließenden Wechselstromes gewonnen. Als Gleichrichter dienen mechanische Gleichrichter; hierbei kommen entweder von der Generatorwelle synchron gesteuerte, durch Schaltnokken betätigbare Kontakte oder von der Gencratorspannung gesteuerte Relaiskontakte in Anwendung. Bei der Erdungsmessung treten hierbei erhebliche Nachteile auf: Ein Abgleich vor der Messung, eine beschränkte Lebensdauer der Anordnung, geringe Konstanz in den Steuerzeiten, begrenzte Meßfrequenz.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine Erdungsmessung ermöglicht, bei welcher vor und auch während der Messung kein Abgleich und keine Eichung erforderlich ist, der zu bestimmende Widerstandswert direkt abgelesen werden kann und eine Verfälschung des Meßergebnisses durch Störströme praktisch eliminiert ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dqß der Generator als Konstantstromgenerator mit einer Frequenz von 108²/j Hz ausgebildet ist, daß an die Meßsonde und den Erder oder an die Meßsonde und dem mit dem Erder verbundenen Generatorausgang ein Verstärker mit hochohmigen Eingang geschaltet ist, daß dem Verstärker ein elektrischer Filter mit einer unterhalb der Taktfrequenz des Konstantstromgencrators liegenden Grenzfrequenz nachgeschaltet ist und daß dem elektrischen Filter ein im Takte der *5 Generatorfrequenz gesteuerter elektronischer Schalter nachgeschaltet ist, dessei Ausgang über ein Integrierglied mit einem Anzeigeinstrument verbunden ist.

Eine solche Anordnung ist technisch unkomplizieri und sehr einfach aufgebaut. Der Spannungsabfall am Erder ist über die Meßsonde hochohmig abgegriffen und mittels des Verstärkers verstärkt. Damit ist es auch möglich, sehr geringe Sparmungsabfälle auszuwerten.

Aufgrund des eingeprägten Stromes ist die am Erdungswiderstand abfallende Spannung ein direktes Maß für dessen Größe. Die Wechselstromfrequenz ist außerhalb der Netzfrequenzen und deren Vielfachen festgelegt. So treten praktisch keine Verfälschungen des Meßergebnisses durch Störströme auf, weil die Spannung im Takt der Frequenz des Meßstromes gleichgerichtet wird. Ein Abgleich und eine Eichung sind vor und auch während der Messung nicht erforderlich. Damit kann eine sehr einfache, schnelle und genaue, praktisch störungsfreie Messung vorgenommen werden.

Weitere Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Up.teransprüche gekennzeichnet.

Die Erfindung ist nacnstehend anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung r*\<ier erläutert; es zeigi

F i g. 1 eine Meßanordnung im Blockschaltbild; F i g. 2 das elektrische Schaltbild der Meßanordnung.

In den Figuren sind jeweils gleiche Teile mit den gleicher, Bezugszeichen versehen.

Gemäß der F i g. 1 ist mit 1 ein Erder, dessen Erdungswiderstand gemessen werden soll, und mit 2 ein Hilfserder bezeichnet An den Erder 1 ist über eine Schaltklemme 3 und den mit 4 bezeichneten Leitungswiderstand zum Erder und an den Hilfserder 2 über eine Schaltklemme 5 ein Konstantstromgenerator 6 geschaltet. Der Konstantstromgenerator 6 liefert einen Wechselstrom konstanter Größe und definierter Frequenz, beispielsweise IO8²/j Hz. Mit 7 ist eine Meßsonde bezeichnet. Der Hilfserder 2 und die Meßsonde 7 sind genügend weit vom Erder 1 entfernt in das Erdreich eingeschlagen, so daß sich die Spannungstrichter in unmittelbarer Umgebung der Elektroden nicht £5genseitig überdecken, was zu Fehlmessungen führen kann. An die Meßsonde 7 ist über eine Schaltklemme 8 und an den Erder 1 über die Schaltklemme 3 und den Leitungswiderstand 4 ein Verstärker 9 geschaltet. Der Verstärker 9 soll einen hohen Eingangswiderstand aufweisen, so daß durch die Meßsonde 7 die am Erder 1 abfallende Spannung hochohmig abgegriffen werden kann. An den Ausgang des Verstärkers 9 ist ein steuerbarer Gleichrichter 10 angeschlossen. Der Gleichrichter 10 ist mit der Frequenz des vom Konstantstromgenerator 6 gelieferten Meßstromes getaktet — dies ist in der Fig. 1 durch den Pfeil 11 vom Konstantstromgenerator 6 zum Gleichrichter 10 symbolisiert. An den Ausgang des Gleichrichters 10 ist ein Anzeigeinstrument <2 geschaltet.

Der Konstantstromgenerator 6 erzeugt einen eingeprägten Meßstrom definierter Frequenz, z. E. 108²/3 Hz. Dieser Meßstrom wird über den Erder 1, die Erde und den Hilfserder 2 zurück zum Generator geleitet. Aufgrund des eingeprägten konstanten Meßstromes ist die am Erder abfallende Spannung ein direktes Maß für die Größe des zu bestimmenden Erdungswiderstandes. Die am Erder 1 abfallende Spannung wird nun, '.im den Einfluß des Widerstandes der Meßsonde 7 möglichst geringzuhalten, hochohmig infolge des hohen Eingangswiderstandes des Verstärkers 9 zwischen der Meßsonde 7 und dem mit dem Grder i verbundenen Ausgang 13 des Konstantstromgenerators 6 abgegriffen und durch den Verstärker 9 verstärkt. Die Spannung wird dann im Takt der Frequenz des Meßstromes durch den

Gleichrichter 10 gleichgerichtet und durch das Anzcigeinsirumcnt 12 zur Anzeige gebracht.

Niederfrequente, durch die Netzfrequenzen (16²/j Hz, 50 Hz, 60 Hz und andere) und deren Vielfache verursachte vagabundierende Störspannungen aus dem Erdreich stellen den hauptsächlichen Anteil an einer Meßwert Verfälschung. Diese Störspannungen sind praktisch dadurch eliminiert, daß als Meßstrom ein Wechselstrom verwendet ist, daß die Frequenz des Meßstromes im möglichst großen Abstand zu den Netzfrequenzen und deren Vielfachen gelegt ist, und daß die Gleichrichtung der Meßspannung im Takte der Frequenz des Meßstromes erfolgt. F.ventuell vorhandene Störgleichspannungen werden unterdrückt, wenn die Meßspannung vor der Gleichrichtung gefiltert wird. Gemäß der F i g. I ist deshalb zwischen den Verstärker 9 und den Gleichrichter 10 ein elektrisches Filter 14 geschaltet.

Zwischen den Gleichrichter 10 und das Anzeigeinstrument 12 ist gemäß der Fig. I ein Integrierglied 15 geschaltet. Damit wird die gleichgerichtete Spannung von der Anzeige integriert, um durch die Mittelwertbildung der Spannung eine exakte Meßwertanzeige im Anzeigeinstrument 12 zu erhalten.

Zum genauen Messen sehr kleiner Erdungswiderstände arbeitet man mit getrennten Stromzuführungs- und Potentialleitungen zum Erder. Soll der reine Erdungswiderstand des Erders 1 ohne den Leifjngswiderstand 4 gemessen werden, so ist der Verstärker 9 nicht an die Meßsonde 7 und den mit dem Erder 1 verbundenen Ausgang 13 des Konstantstromgenerators 6, sondern an die Meßsonde 7 und den Erder 1 direkt geschaltet, wie dies durch die strichliert dargestellte Leitung 16 in der Fig. 1 dargestellt ist.

Gemäß der F i g. 2 ist der Konstantstromgenerator 6 in der Fig. 1 aus einem Gleichstromwandler 17, Stromstabilisierungsgliedern 18 und 19 und einem Impulsgenerator 20 gebildet. Der Gleichstromwandler 17 ist im Beispiel als Gegentaktwandlcr mit Zerhackertransistoren 21 und 22, einem Spannungsteiler mit Widerständen 23 und 24, einem Wandlertransformator 25 und zwei Ausgängen unterschiedlicher Spannungspolarität mit Dioden 26 und 27 und Kondensatoren 28 und 29 gebildet. Es ist aber auch möglich, den Gleichspannungswandler 17 beispielsweise als Sperrwandler oder anderseitig auszubilden und ihn in Gegentakt- oder in Eintaktschaltung zu schalten. Der Gleichstromwandler 17 ist aus einer Batterie 30 gespeist. An die beiden Ausgänge des Gleichspannungswandlers 17 ist jeweils ein Stromstabilisierungsglied 18 bzw. 19 geschaitet. Die Stromstabilisierungsglieder 18 und 19 sind aus jeweils einem Längstransistor 31 bzw. 32 mit einem Widerstand zur Stromeinprägung 33 bzw. 34 und einer Zenerdiode 35 bzw. 36 in an sich bekannter Anordnung gebildet. Da die Ausgänge des Gleichspannungswandlcrs 17 unterschiedliche Spannungspolarität aufweisen, sind die Längstransistoren 31 und 32 jeweils als Transistoren mit komplementärem Typ gebildet. Die Steuerelektroden der Längstransistoren 31 und 32 sind an den Impulsgenerator 20 geschaltet. Der Impulsgenerator 20 ist beispielsweise als Rechteckgenerator ausgebildet. Er kann aber auch als Sägezahngenerator, als Sinusgenerator oder anderweitig ausgebildet sein. Der Impulsgenerator 20 taktet die Längstransistoren derart, daß sich jeweils der eine 31 bzw. 32 in einem den konstanten Stromfluß über seine Ausgangselektroden bestimmenden leitenden Zustand und der andere 32 bzw. 31 in seinem gesperrten Zustand befindet. Die Ausgänge der StromstabilisierungSElieder 18 und 19 sind zusammen an die Schaltklemme 5 geschaltet.

Der Verstärker 9 gemäß der Fig. 1 ist gemäß der Fig. 2 als Differenzverstärker 37 mit jeweils einem Widerstand 38 und 39 an jedem Eingang und einen an das elektrische Massepotential geschalteten Widerstand 40 im gleichphasigen Eingang sowie einem Widerstand 41 im Rückkopplungszweip gebildet. Ein solcher Differenzverstärker weist einen hohen Eingangswiderstand und gleichzeitig einen guten Verstärkerfaktor auf. Der Verstärker 9 kann aber auch anderweitig ausgebildet sein, derart, daß er einen möglichst hohen

jo Eingangswiderstand aufweist.

Das elektrische Filter 14 gemäß der F i g. I ist gemäß der F i g. 2 als Hochpaß mit einem Kondensator 42 und einem Widerstand 43 ausgebildet. Der Kondensator 42 und der Widerstand 43 sind so dimensioniert, daß die untere Grenzfrequenz unterhalb der Frequenz des Impulsgenerators 20 liegt. Das elektrische Filter kann aber auch anderweitig, beispielsweise als Bandpaß, der nur für die Maßspannung durchlässig, für Störspannungen wie Störgleichspannungen, Störspannungen mit Netzfrequenzen oder deren Vielfachen nicht durchlässig ist, ausgebildet sein.

Der Gleichrichter 10 gemäß der F i g. I ist gemäß der F i g. 2 als vom Impulsgenerator 20 gesteuerter elektronischer Schalter 44 dargestellt. Er kann beispielsweise aus einem FET. einem Transwitch oder anderweitig gebildet sein.

Das Integrierglied 10 gemäß der F i g. 1 ist gemäß der Fig.2 in an sich bekannter Weise aus einem Widerstand 45 und einem Kondensator 46 gebildet. Das Anzeigeinstrument 12 kann aus jedem geeigneten Instrument gebildet sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Messung des Erdungswiderstandes eines Erders unter Verwendung eines Wechselstromes definierter Frequenz und eines im Takte der Frequenz gesteuerten Gleichrichters mit einem Hilfserder und einer Meßsonde, bei welcher an den Erder und den Hilfserder ein Generator geschaltet ist, sowie mit einem Anzeigeinstrument zum Anzeigen des Meßwertes, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator als Konstantstromgenerator (6) mit einer Frequenz von IO8V3 Hz ausgebildet ist, daß an die Meßsonde (7) und den Erder (1) oder an die Meßsonde (7) und dem mit dem Erder verbundenen Generatorausgang ein Verstärker (9) mit hochohmigem Eingang geschaltet ist, daß dem Verstärker (9) ein elektrisches Filter (14) mit einer unterhalt) der Taktfrequenz des Konstantstromgenerators (6) liegenden Grenzfreo'ienz nachgeschaltet ist, und daß dem elektrisches Filter (14) ein im Takte der Generatorfrequenz gesteuerter elektronischer Schalter (10/44) nachgeschaltet ist, dessen Ausgang Ober ein Integrierglied (15) mit dem Anzeigeinstrument (12) verbunden ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (6) aus einem Gleichstromwandler (17) mit zwei Ausgängen unterschiedlicher Spannungspolarität, die jeweils mit einem aus einem Längstransistor (31, 32) komplementären Typs mit Strombegrenzungswiderstand (33, 3*) und Zenerdiode (35, 36) gebildeten Stromstabiüsierungsg'ied (If;, 19) beschaltet sind, und einem die Läfsgstrosistoren taktenden Impulsgenerator (20) gebildet ist, und « ß der elektronische Schalter (44) durch den Impulsgenerator (20) getaktet ist.

3. Anordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Filter (14) als Hochpaß (42/43) ausgebildet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Filter (14) als Bandpaß ausgebildet ist.