DE2708197C2

DE2708197C2 - Schaltungsanordnung zur Überwachung des Isolationszustandes von Wechselspannungsnetzen

Info

Publication number: DE2708197C2
Application number: DE19772708197
Authority: DE
Inventors: Helmut 4220 Dinslaken Gemalski; Walter Dipl.-Ing. 5628 Heiligenhaus Kreutz; Heino 5600 Wuppertal Weutscheck
Original assignee: Hartmann and Braun AG
Current assignee: ABB Training Center GmbH and Co KG
Priority date: 1977-02-25
Filing date: 1977-02-25
Publication date: 1984-04-12
Also published as: DE2708197A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Überwachung des Isolationszustandes von Wechselspannungsnetzen durch Überlagerung einer elektrischen Hilfsgröße, die über eine Drosselspule an das zu überwachende Netz angekoppelt ist, mit einer Meß- und Anzeigeeinrichtung für den Isolationswiderstand.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus dem AEG-Katalog GR-HGS 1.1/10.76, Seite 4/19, bekannt. Das an dieser Stelle beschriebene Isolationsüberwachungsgerät enthält eine Gleichspannungsquelle, die zwischen dem zu überwachenden Netz und Erde liegt. Da das Gerät im Mittelspannungsbereich arbeitet, liegt zwischen dem Netz und dem Meßteil eine hochohmige Drosselspule, die die Funktion einer Wechselspannungssperre erfüllt. In Abhängigkeit von der Höhe der Gleichspannung und der Summe aller im Stromkreis befindlichen Widerstände tritt ein Gleichstrom auf, der mit Hilfe eines entsprechend geeichten Meßinstrumentes unmittelbar zur Anzeige des Isolationswiderstandes benutzt wird.

Aus der DE-PS 12 71 824 ist eine Isolationsmeßeinrichtung für ein ungeerdetes, in Betrieb befindliches Wechsel- oder Drehstromnetz bekannt, bei der zwischen Erde oder Schutzleiter des Netzes einerseits und einer am Netz angeschlossenen Drosselspule andererseits eine Hilfsspannung angelegt ist Die Hilfsspannung wird über den Brückengleichrichter und zwei hintereinandergeschaltete Transformatoren einer Hilfswechselspannung entnommen. Der Meßteil d;s Isolationsüberwachungsgerätes ist in den Zwischenkreis der beiden Transformatoren geschaltet, so daß die Anzeige außer den durch den Isolationszustand der Anlage bedingten Strom auch noch den Magnetisierungsstrom der Transformatoren erfaßt

Da der Gleichstrom von der Summe der im Stromkreis befindlichen Widerstände (Isolationswiderstand, Gleichstromwiderstand der Drosselspule usw.) abhängig ist, ergibt sich eine nichtlineare Beziehung zwischen dem Gleichstrom und dem Isolationswiderstand. Ferner wird das Meßergebnis in gewissem Maße durch den temperaturabfrängigen Gleichstromwiderstand der Drosselspule beeinflußt

Bei dem bekannten Meßprinzip mit Spannungsüberlagerung ist der Meßfehler um so größer, je kleiner der tatsächliche Wert des Isolationswiderstandes ist da der Drosselwiderstand in der Größenordnung einiger Kiloohm liegt und Änderungen des Isolationswiderstandes im Bereich von 100 Ω kaum eine auswertbare Beeinflussung des Gleichstromes herbeiführen.

Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe

zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genanntun Art zu schaffen, mit deren Hilfe auch relativ kleine Isolationswiderstände mit hinreichender Genauigkeit meßbar sind.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die überlagerte Hilfsgröße ein eingeprägter Strom ist, daß die Drosselspule thermisch mit einer von einem weiteren eingeprägten Strom durchflossenen Kompensationsspule gekoppelt ist und daß der Spannungsabfall an der Drosselspule und der Spannungsabfall an der Kompensationsspule einem Subtrahierer zugeführt ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden anhand von F i g. 1 bis 4 der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

F i g. 1 bis 3 Schaltbilder und

F i g. 4 ein Diagramm.

Einander entsprechende Teile tragen die gleichen Bezugszeichen.

In Fig. 1 sind mit Qi, Q₂ Stromquellen bezeichnet, welche die gleich großen eingeprägten Ströme /ei, Ic2 liefern. Daneben enthält die Schaltungsanordnung einen Isolationswiderstand Λ,«* einen Subtrahierer V|, eine Drosselspule Dr und eine Kompensationsspule Lk- Um ist die Spannung am Ausgang des Subtrahierers Vi und t//vdie Spannung des zu überwachenden Wechselstromnetzes.

Der von der Stromquelle Q\ gelieferte eingeprägte Strom /ei durchfließt die Drosselspule Dr und das Wechselspannungsnetz mit seinem Isolationswiderstand Riso und ruft einen Spannungsabfall hervor, der am nichtinvertierenden Eingang des als Differenzverstärker ausgeführten Subtrahierers Vi anliegt. Der eingeprägte Strom /c2 der Stromquelle Q₂ fließt über die Kompensationsspule Lk gegen Erde ab. Am Gleichstromwiderstand der Kompensationsspule Lk entsteht ein Spannungsabfall, der dem invertierenden Eingang des Subtrahierers V₁ zugeführt ist.

Die am Ausgang des Subtrahierers Vi auftretende Spannung Um ändert sich in gleicher Weise wie der Isolationswiderstand /?,_JO. Darüber hinaus ist der Zusammenhang zwischen dem Isolationswidersland /?„„ und der Spannung Um auch linear. Die Drosselspule Dr

und die Kompensationsspule L_K sind thermisch gekoppelt Temperaturschwankungen rufen daher stets äquivalente Widerstandsänderungen in beiden Spulen Dr, Lk hervor, so daß die Spannungsdifferenz konstant bleibt

Ein modifiziertes Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 enthält neben den Bauelementen der in Fig. 1 dargestellten Grundschaltung Widerstände R\, R^, Rvu Rv2, Trimmpotentiometer P₁, P₂, Dioden Di... A und Kondensatoren Q ... C₄. Weitere Bestandteile sind ein Meßwerk M, ein Hilfsrelais H, ein Feldeffekttransistor T ein Diskriminator D, ein Impedanzwandler V₂ und eine Triggerschaltung V₃. Zur Einstellung einer Referenzspannung ist eine Betriebsspannung Ub vorhanden.

Die genannten Bauelemente sind der Grundschaltung nach F i g. 1 wie folgt hinzugefügt: Den Stromquellen Qu Q₂ sind die Vorwiderstände Rvu Rv₂ zugeordnet In Reihe zur Kompensationsspule L_K liegt das Trimmpotentiometer P\. Der am Isolationswüerstand Rj₅₀ auftretende Spannungsabfall gelangt zu dem Kondensator Cu dessen zweiter Anschluß an Erde liegt Zwei Zenerdioden Di, D₂ sind dem Kondensator Q parallelgeschaltet Die Dioden Di, D₂ stehen über zwei ÄC-Glieder Ru C₃ und A₂, C₄, zwischen denen die Schaltstrecke des Feldeffekttransistors Tliegt und dem Impedanzwandler V₂ mit dem nichtinvertierend en Eingang des Subtrahierers Ki in Verbindung. Die Spannung Um am Ausgang des Subtrahierers Vi gelangt zu dem Meßwerk M und dem einen Eingang der Triggerschaltung V3, an dessen anderem Eingang die Mittelanzapfung des an der Betriebsspannung Ub angeschlossenen Trimmpotentiometers P₂ liegt Die Triggerschaltung V3 steuert über die Leuchtdiode Ds das Hilfsrelais H an. Der Spannungsabfall am Isolationswiderstand R/so gelangt ferner über den Kondensator C₂ zu dem Diskriminator D, der seinerseits mit dem Steueranschluß des Feldeffekttransistors T verbunden ist.

Die hohe Spannung Un des zu überwachenden Wechselspannungsnetzes wird weitgehend durch die Drosselspule Dr gegenüber dem Meßkreis abgeblockt. Der zwischen dem Vorwiderstand Rvι und der Drosselspule Dr verbleibende Wechselspannungsanteil wird durch den Kondensator Ci gegen Ende abgeleitet. In Zusammenwirkung mit den spannungsbegrenzenden Dioden D₍, D₂ stellt der Kondensator Ci einen wirksamen Schutz der Stromquelle Q\ dar.

Zur weiteren Glättung der an der Drosselspule Dr auftretenden Gleichspannung sind zwei ÄC-Glieder R₁, C₃ und A₂, C₄ vorgesehen, da bereits geringe überlagerte Wechselspannungsanteile zu einer erheblichen Verfälschung des Meßergebnisses führen können. Der dem zweiten /?C-Glied A₂, C* nachgeschaltete Impedanzwandler V₂ leitet den von allen schädlichen Wechselanteilen befreiten Spannungsabfall am Isolationswiderstand Ri₅₀ niederohmig an den Subtrahierer Vi weiter, der nun wiederum mit Hilfe der Kompensationsspule Lk den ohmschen Widerstand der Drosselspule Dr kompensiert, den Temperaturfehler ausschaltet und somit eine dem Isolationswiderstand Ri_x, proportionale Spannung Um abgibt. Mit Hilfe des Trimmpotentiometers P\ werden die Gleichstromwiderstände der Spulen Lk, Dr einander angeglichen, so daß bei R,_w= 0Ω die Spannung am Ausgang des Subtrahierers Vi zu Null wird.

Die widerstandsproportionale Ausgangsspannung (Λί des Subtrahieren Vi wird nun einerseits direkt durch das Meßwerk M zur Anzeige gebracht und andererseits der Triggerschaltung Vj zugeführt Die Einstellung des Trimmpotentiometers P₂ legt seine Schaltschwelle fest Unterschreitet der Isolationswiderstand Ri_x, des zu überwachenden Netzes einen Mindestwert, so erfolgt eine Anregung des Hilfsrelais H, das seinerseits Meldeeinrichtungen betätigen kann; der Schaltzustand des Hilfsrelais H wird durch die Leuchtdiode D₃ angezeigt

Bei der beschriebenen Schaltungsanordnung ist es

ι» besonders vorteilhaft, wenn die Stromquellen Qu Q₂ umschaltbar sind. Es lassen sich dann in sehr einfacher Weise verschiedene Meßbereiche einstellen. Die eingeprägten Ströme /ei, Ic2 sind bei geringen Isolationswiderständen Rjso entsprechend zu vergrößern.

Beim Zu- und Abschalten der Wechselspannung Un treten infolge der Drosselinduktivität und stets vorhandener Netzkapazitäten Cn Einschwingvorgänge auf, die für einige Sekunden eine Messung unmöglich machen. Da die große Amplitude des Einschwingstromes einen Erdschluß vortäuscht, würde bei jedem Ein- oder Ausschaltvorgang eine Auslösung erfolgen.

Zur Vermeidung von Anregungen der Meldeeinrichtungen bei Einschwingvorgängen dient der Feldeffekttransistor T, der zwischen den ÄC-Gliedern Ä|, A3 und R₂, A4 eingesetzt ist und im ungestörten Betrieb leitend ist. Erkennt der Diskriminator D eine große und schnelle Spannungsänderung an der Drosselspule Dr, so wird der Feldeffekttransistor T in den Sperrzustand versetzt. Nach einer Zeit, die länger als der Einschwing-Vorgang sein muß, geht der Diskriminator D wieder in den Ausgangszustand zurück und schaltet den Feldeffekttransistor Tdurch.

Während der Ansprechzeit des Diskriminators D dient die vom Kondensator C₄ gespeicherte Spannung als Eingangssignal für den Impedanzwandler V₂.

Infolge des zeitverzögerten Verhaltens der flC-Glieder Ru C₃ und R₂, C₄ und der zur Aufladung der Netzkapazität Cn benötigten Zeit würde beim Zuschalten der Betriebsspannung Ug stets eine Anregung des Hilfsrelais H erfolgen; auch bei kurzzeitigen Unterbrechungen der Betriebsspannung Ub würde eine Fehlmeldung erfolgen. Eine Möglichkeit zur Vermeidung dieses Nachteils geht aus F i g. 3 hervor.
Die Schaltungsanordnung nach Fig.3 enthält pinen zwischen dem Kondensator C₆ des /?C-Gliedes Rs, C₈ und der Betriebsspannung Ub eingesetzten Feldeffekttransistor Tu der im störungsfreien Betrieb gesperrt ist. Der Steueranschluß des Feldeffekttransistors Γ, ist über ein RC-G\\ed R₃, Cs an der Betriebsspannung Ua angeschlossen. Wird nun die Betriebsspannung Ub gemäß Fig.4 zu einem Zeitpunkt ίο zugeschaltet, so entsteht am Steueranschluß des Feldeffekttransistors Γι ein positiver Impuls. Da seine Schaltstrecke nun leitend ist, wird der Kondensator Ck sehr schnell auf die Betriebsspannung Ub aufgeladen. Die Dauer dieser Schnellaufladung wird durch die Zeitkonstante des flC-Gliedes /?₄, C₅ bestimmt.

Beim Abschalten der Betriebsspannung Ub erfolgt

eine rasche Entladung des Kondensators d über eine Diode D₄ und das verwendete Netzteil N. Die Schaltungsanordnung ist daher nach äußerst kurzer Zeit wieder betriebsbereit.

Nach der Zeit /?₄ · C5 liegt nach Fig. 4 am Kondensator Ct, noch die volle Betriebsspannung Ur. Sobald nun der Feldeffekttransistor Ti in den Sperrzustand versetzt wird, erfolgt die endgültige Einstellung auf die tatsächlich an der Drosselspule Dr abgegriffene widerstandsproportionale Spannung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Überwachung des Isolationszustandes von Wechselspannungsnetzen durch Oberlagerung einer elektrischen Hilfsgröße, die über eine Drosselspule (Dr) an das zu überwachende Netz angekoppelt ist, mit einer Meß- und Anzeigeeinrichtung für den Isolationswiderstand, dadurch gekennzeichnet, daß die überlagerte Hilfsgröße ein eingeprägter Strom (1_C\) ist, daß die Drosselspule (Dr) thermisch rait einer von einem weiteren eingeprägten Strom (J_cl) durchflossenen Kompensationsspule (L_K) gekoppelt ist und daß der Spannungsabfall an der Drosselspule (Dr) und der Spannungsabfall an der Kompensationsspule (Lk) einem Subtrahierer (Vi) zugeführt ist

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsabfall an der Drosselspule (Dr) über zwei ÄC-Glieder (Ru C₃ und R₂, Ca) und einen Impedanzwandler (V₂) dem Subtrahierer (Vi) zugeführt ist

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den ÄC-Gliedem (/?,, & und Ri, Ct) ein Feldeffekttransistor (T) eingesetzt ist der von einem auf Einschwingvorgänge an der Drosselspule (Dr) ansprechenden Diskriminator (D) gesteuert ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lieferung der eingeprägten Ströme (/ei, Ic₂) zwei einstellbare Stromquellen (Q_u Q₂) eingesetzt sind.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung (Um) des Subtrahierers (Vi) einer Triggerschaltung (V₃) zugeführt ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Triggerschaltung (V₃) ein ÄC-Glied (Rs, C₆) vorgeschaltet ist und daß der Kondensator (C₆) des /?C-Gliedes bei Inbetriebnahme der Schaltungsanordnung kurzzeitig an die Betriebsspannung (Ub) geschaltet ist.