DE3125981A1

DE3125981A1 - Ueberwachungsschaltung zum schutz von auf einer mehrzahl von fuessen abgestuetzten einrichtungen, insbesondere hochspannungsleitungsmasten

Info

Publication number: DE3125981A1
Application number: DE19813125981
Authority: DE
Inventors: German Dipl.-Ing. 8061 Hebertshausen Grimm
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-07-01
Filing date: 1981-07-01
Publication date: 1983-03-03
Also published as: FR2509046A1; IT8222153A1; IT8222153A0; DE3125981C2; IT1152270B

Description

München, den 25. Juni 1981/br Anwaltsaktenz.: 105 - Pat. IO

German Grimm, Anton-Günther-Straße 7, 8060 Dachau

Überwachungsschaltung zum Schutz von auf einer Mehrzahl von Füßen abgestützten Einrichtungen, insbesondere Hochspannungslei tungsmasten

Die Erfindung bezieht sich auf eine Überwachungsschaltung zum Schutz von auf einer Mehrzahl von Füßen abgestützten Einrichtungen, insbesondere Hochspannungsleitungsmasten.

Bekannte Eindringalarmsysteme, welche einen bestimmten Rereich, beispielsweise also eine Geländefläche, bezüglich etwaiger Grenzverletzungen überwachen, eignen sich in den meisten Fällen nur schlecht zur Überwachung der Füße von Hochspannungsleitungsmasten, welche in überwiegender Anzahl auf landwirtschaftlichem Grund aufgestellt sind und daher beispielsweise bei Erntearbeiten in unmittelbarer Nähe des Mastfußes Fehlalarm geben wurden. Weiter sind die bekannten Eindringalarmsysteme gegenüber großen Schwankungen der Versorgungsspannung und gegenüber den außerordentlich großen auftretenden Temperaturunterschieden und schließlich gegenüber den Einflüssen von Überspannungen aufgrund von Blitzschlag sehr empfindlich.

Durch die Erfindung soll eine Überwachungsschaltung geschaffen werden, welche bei vergleichsweise einfachem Schaltungs-

aufbau eine für die Aufstellung in ungeschützter Umgebung ausreichende Robus^heit gegenüber Schwankungen der Versorgungsspannung, extremen Temperaturschwankungen und kurzzeitig auftretenden, hohen elektrischen Feldern aufweist. Die Auslösung von Fehlalarm bei betriebsbedingten Einwirkungen auf die zu schützenden Einrichtungen, etwa aufgrund von Regen, Hagel, Wind und Seilschwingungen im Falle von Hochspannungsleitungsmasten soll vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Überwachungsschaltung zum Schutz von auf einer Mehrzahl von Füßen abgestützten Einrichtungen, insbesondere Hochspannungsleitungsmasten, gelöst durch an jedem Fuß befestigte Wandler zur Umwandlung mechanischer Erschütterungen oder Schwingungen in elektrische Signale, ferner durch den Wandlern jeweils nachgeschaltete Frequenzfilter zum Ausfiltern bestimmter Frequenzbereiche, weiter durch an die Frequenzfilter jeweils angeschlossene Gleichrichter, deren Ausgangs-Gleichspannungssignale zu einer Korrelationsschaltung geführt sind, welche die Gleichspannunqssignale miteinander vergleicht und dann ein Ausgangssignal abgibt, wenn die Gleichspannungssignale in vorbestimmten Grade voneinander verschieden sind, sowie durch eine mit der Korrelationsschaltung gekoppelte Auslöseschaltung zur Abgabe eines Alarmsignales.

Das Alarmsignal kann zur Tastung eines Senders dienen, welcher den Alarmfall zu einer Zentrale meldet.

Die hier vorgeschlagene Schaltung beruht auf der Erkenntnis, daß betriebsbedingte Einwirkungen·auf die zu schützende Einrichtung in den abstützenden Füßen weitgehend ähnliche oder gleiche Erschütterungen und Schwingungen auslösen, während Manipulationen an einem oder mehrere der Füße der abgestützten Einrichtung jeweils ungleichartige oder ungleiche Erschütterungen oder Schwingungen auf die jeweils an den Füßen befestigten Wandler zur Wirkung bringen. Nachdem die vorgeschlagene Schaltung nicht nur eine Frequenzfilterung sondern auch eine

überprüfung des Verhältnisses der Wandlerausgangssignale relativ zueinander vornimmt, wird also eine zweistufige überprüfung vorgenommen, welche die Falschalarmwahrscheinlichkeit bedeutend erniedrigt. Eine dritte Stufe der überprüfung kann bei der hier angegebenen Schaltung in vorteilhafter Weise dadurch vorgenommen werden, daß zwischen der Auslöseschaltung und der Korrelationsschaltung eine Zeitschrankenschaltung vorgesehen ist, welche durch ein erstes Signal der Korrelationsschaltung ausgelöst wird, jedoch nur dann ein Signal an die Auslöseschaltung liefert, wenn noch nach Ablauf eines bestimmten Zeitintervalls, in welchem Signale der Korrelationsschaltung unberücksichtigt bleiben, weitere Signale der Korrelationsschaltung an der Zeitschrankenschaltung eintreffen.

Diese Ausgestaltung der überwachungsschaltung vermeidet die sofortige Auslösung eines Alarms durch kurzzeitige Störungen an den Füßen der abgestützten Einrichtung, beispielsweise etwa aufgrund eines Anstreifens eines Erntewagens am Mastfuß eines Hochspannungsleitunqsmastes.

Im übrigen bilden zweckmäßige Ausgestaltung und Weiterbildungen der hier angegebenen überwachungsschaltung Gegenstand der anliegenden Ansprüche, deren Inhalt hierdurch ausdrücklich zum Bestandteil der Beschreibung gemacht wird, ohne an dieser Stelle den Wortlaut zu wiederholen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel unter Bezunahme auf anliegende Zeichnung erläutert» Es zeigen:

Figur 1 in schematischer perspektivischer Darstellung den unteren Teil eines Hochspannungsleitungsmastes und einer an dem Leitungsmast angeordneten überwachungseinrichtung teilweise als vereinfachtes Blockschaltbild,

Figur 2 ein Blockschaltbild einer Überwachungsschaltung der Einrichtung gemäß Figur 1,

Figur 3 ein Schaltbild mit Einzelheiten der Korrelationsschaltung des Systems nach Figur 2,

Figur 4 ein Schaltbild der Zeitschrankenschaltung des Systems ^! nach Figur 2 und einer Leitungsüberwachungsschaltung und

! Figur 5 ein Schaltbild einer Referenzspannungsquelle für eine Schwellenwertschaltung der Schaltungseinheit nach Fig. 3„

! Der in Figur 1 in seinem unteren Teil schematisch gezeichnete Hochspannungsleitungsmast 1 ist von vier einen quadratischen Mastgrundriß bestimmenden Mastfüßen 2,3,4 und 5 abgestützt. An den Mastfüßen sind piezoelektrische Wandler A, B, C und D befestigt und mit den zugehörigen Mastfüßen jeweils zur übertragung von mechanischen Schwingungen und Erschütterungen gekoppelt. Die piezoelektrischen Wandler A, B, C und D liefern den sie erregenden Erschütterungen oder Schwingungen entsprechende Ausgangssignale über Leitungen 6, 7, 8 und 9 an eine Auswertschaltung 10, die bei Auftreten einer Alarmbedingung über eine Leitung 11 ein Signal an einen Sender 12 abgibt, so daß eine Alarmmeldung über eine Antenne 13 abgestrahlt und in einer nicht dargestellten überwachungszentrale empfangen werden kann.

Die Überwachungsschaltung für den Hochspannungsleitungsmast 1 nach Figur 1 ist in Figur 2 mehr ins einzelne gehend gezeigt. Jedem der Wandler A, B, C und D ist ein an eine Korrelationsschaltung 14 angeschlossener Schaltungskanal aus einem Verstärker 15,der bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel vorzugsweise ein Ladungsverstärker ist, einem Frequenzfilter 16 und einem Präzisionsgleichrichter 17 in Reihenschaltung zugeordnet. Die Ladungsverstärker besitzen eine kapazitive Rückkopplung. Ihre Ausgangsspannung ist proportional zur Eingangsladung. Die durch die Rückkopplung verursachte hohe Eingangskapazität gestattet ohne eine Verschlechterung der Meßgenauigkeit die Verwendung langer Anschlußleitungen 6,7,8 und 9 zu den jeweils zugehörigen Wandlern.

Die Prequenzfilter 16 sind so ausgebildet, daß nur die für Manipulationen an den Füßen des Hochspannungsleitungsmastes charakteristischen Geräuschanteile durchgelassen werden, während durch den ordnungsgemäßen Betrieb bedingte Wandlerausgangssignale ausgesiebt werden.

Die von den Gleichrichterschaltungen 17 abgegebenen Gleichspannungssignale sind proportional zu dem am jeweiligen Mastfuß auftretenden Körperschall.

In der Korrelationsschaltung 14 werden die Gleichspannungssignale der Gleichrichterschaltungen 17 miteinander verglichen, und bei Verschiedenheit relativ zueinander in vorbestimmten Grade gibt die Korrelationsschaltung über eine Leitung 18 ein Signal an eine Zeitschrankenschaltung 19 ab, welche, wie eingangs bereits ausgeführt, durch ein erstes Signal der Korrelationschaltung 14 ausgelöst wird, jedoch nur dann ihrerseits ein Signal über eine Leitung 20 an die Auslöseschaltung 21 in Gestalt eines Relais liefert, wenn noch nach Ablauf eines bestimmten Zeitintervalls, in welchem Signale der Korrelationsschaltung 14 unberücksichtigt bleiben, weitere Signale der Korrelationsschaltung an der Zeitschrankenschaltung 19 eintreffen. Auf Einzelheiten der Zeitschrankenschaltung 19 wird weiter unten im Zusammenhang mit der Beschreibung von Figur 4 näher eingegangen.

In der Korrelationsschaltung kann eine die Alarmauslösung bewirkende Verschiedenheit der Gleichspannungssignale der Gleichrichterschaltungen 17 beispielsweise dadurch festgestellt werden, daß zunächst in einer Summationsschaltung ein Mittelwert der Gleichspannungssignale gebildet wird und in einer Nachgeschalteten Vergleicherschaltung dann die einzelnen Ausgangssignale der Gleichrichterschaltungen 17 entweder nacheinander oder gleichzeitig mit diesem Mittelwert verglichen werden. Ein derartiger Schaltungsaufbau ist auch für andere Zahlen von eine Einrichtung abstützenden Füßen, zugehörigen Wandlern und daran angeschlossenen Schaltungskanälen geeignet.

j Bei der in Figur 3 gezeigten Ausführungsforni der Korrelationsschaltung 14 ist eine einen Operationsverstärker 22 enthaltende Differenzbildungsschaltung vorgesehen, welche die Differenz

I

j der Gleichspannungssignale entsprechend dem Wandlerpaar an ein- !

■ ander diagonal gegenüberliegenden Mastfüßen von der Differenz _: der Gleichspannungssignale entsprechend dem jeweils anderen

^: Wandlerpaar subtrahiert. Sind die Gleichspannungssignale am Ausgang der Gleichrichterschaltungen 17 gleich groß, so wird die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 22 gleich einem Null-Bezugswert. Sind die eingezeichneten Widerstände gleich groß, so wird für einen idealen Operationsverstärker die Gleichtaktunter-

: drückung unendlich groß. Damit die nur endliche Gleichtaktunterdrückung des nicht idealen Operationsverstärkers kompensiert werden kann, ist der Fußpunktwiderstand 23 als Potentiometer

■ ausgeführt.

Dem Operationsverstärker 22 ist eine Schwellenwertschaltung 24 nachgeschaltet, welche an die Leitung 18 erst bei negativen oder positiven Abweichungen des Ausgangssignales des Operationsverstärkers 22 vom Null-Bezugswert jenseits eines bestimmten Toleranzbereiches ein Ausgangssignal abgibt. Als Schwellenwerte werden in der Schwellenwertschaltung 24 Pegel eingestellt, bei welchen eine klare Unterscheidung von Nutzsignalen und Störsignalen noch möglich ist. Die Erzeugung der Schwellenwerte wird weiter unten anhand von Figur 5 näher erläutert.

In Figur 4 ist eine praktische Ausführungsform der Zeitschrankenschaltung 19 wiedergegeben. Die Zeitschrankenschaltung enthält eine von einem Signal der Leitung 18 gesetzte Kippstufe 25, deren Ausgangssignal einen Zeitgeber T₁ anregt. An dem Zeitgeber ist eine bestimmte Totzeit in mehreren Stufen wählbar. Während dieser Totzeit ist die Zeitschrankenschaltung für die Abgabe eines Signales an die Leitung 20 gesperrt und alle Eingangssignale der Leitung 18 bleiben während dieser Totzeit unberücksichtigt. Am Ende der Totzeit wird von der Zeitgeberschaltung T₁ eine weitere Zeitgeberschaltung T₂ angeregt, deren

Zeitintervall ebenfalls in mehreren Stufen einstellbar ist. Die Zeitgerberschaltung T₂ bewirkt eine Freigabe einer Torschal- ! tung 26 für die Signale der Leitung 18 innerhalb des durch die : Zeitgeberschaltung T₂ vorgegebenen Intervalls, so daß nun sämtliche Signale der Leitung 18 zur Alarmauslösung führen. Treten aber während des durch die Zeitgeberschaltung T₂ bestimmten Zeitintervalls keine Signale auf der Leitung 18 auf, so wird am Ende des soeben genannten Zeitintervalls die Kippschaltung 25 über die RC-Schaltung 27 rückgestellt.

Damit das Rücksetzsignal für die Kippschaltung 25 durchgreift, wird gleichzeitig mittels einer Eingangstorschaltung 28 ein etwaiges Signal der Leitung 18 kurzzeitig gesperrt.

Tritt aber während des durch die Zeitgeberschaltung T₂ vorgegebenen Zeitintervalls eine Signaleingabe über die Leitung 18 auf, dann wird die Zeitgeberschaltung T3 ausgelöst und es wird an der Leitung 20 für ein bestimmtes Zeitintervall ein Alarmsignal abgegeben und dem Relais 21 zugeführt. Zu Ende des von der Zeitgeberschaltung T3 bestimmten Zeitintervalls wird mittels einer Zeitgeberschaltung T₄ ein Rücksetzimpuls für die Zeitgeberschaltung T₂ erzeugt. Die gesamte Schaltung ist dadurch wieder in Betriebsbereitschaft versetzt.

Die an den Zeitgeberschaltungen T^ und T₂ vornehmbare Zeitcodierung gibt die Möglichkeit, das Zeitverhalten der Schaltung von Mast zu Mast unterschiedlich zu wählen und dadurch für Unbefugte unüberschaubar zu machen.

Nachdem, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, der Sender 12 bei Anregung der Auslöseschaltung 21 Hochfrequenzsignale über die Antenne 13 unmittelbar an dem betreffenden Hochspannungsleitungsmast, also in großer Nähe zu den übrigen Schaltungsteilen abstrahlt, besteht die Gefahr, daß die Hochjjfpannunqclsignale selbst eine neuerliche Auslösung bewirken. Um dies zu vermeiden, wird die Totzeit der Zeitgeberschaltung T-j_ langer als die von

; der Zeitgeberschaltung T3 bestimmte Dauer des Alarmsignales j gewählt, um einen Selbsthaltungseffekt zu vermeiden.

Es sei an dieser Stelle erwähnt, daß gemäß einer von dem hier

; beschriebenen Gedanken umfaßter, vereinfachter Ausführungsform die Korrelationsschaltung 14 auch weggelassen werden kann, so : daß die Zeitschrankenschaltung 19 in Verbindung mit den Frequenzfiltern 16 eine zweistufige Überprüfung der Wandlerausgangssignale vornimmt.

^: Eine Unempfindlichkeit der beschriebenen Überwachungsschaltung gegenüber Schwankungen der Versorgungsspannung kann durch die in Figur 5 gezeigte Bezugsspannungsquelle erreicht werden, welche als Teil der Schwellenwertschaltung 24 nach Figur 3 vorgesehen sein kann und welche auch die den künstlichen Nullpunkt darstellende Spannung liefert, an welche der Fußpunktwiderstand 23 nach Figur 3 gelegt ist.

Die Bezugsspannungsquelle nach Figur 5 enthält auf der Eingangsseite eines Operationsverstärkers 32 eine an eine Versorgungsspannung angeschlossene Spannungsteilerschaltung 33, deren Potentiometerabgriff 34 an den positiven Eingang des Operationsverstärkers 32 gelegt ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist mit dem negativen Verstärkereingang rückverbunden. An der Versorgungsspannung liegt weiter eine symmetrisch aufgebaute Reihenschaltung aus zwei Widerständen 35 und 36 und zwischen diesen gelegten Zenerdioden 37 und 38, wobei der Mittelpunkt der Serienschaltung mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 32 Verbindung hat und einen künstlichen Nullpunkt oder eine Null-Bezugsspannung darstellt. Dieser künstliche Nullpunkt bildet zum einen den Anschlußpunkt für das Potentiometer 23 der Korrelationsschaltung 14 nach Figur 3 und zum anderen den Null-Bezugspegel, relativ zu welchem die Abweichungstoleranz des Ausgangs des Operationsverstärkers 22 nach oben oder nach unten bemessen wird. Die Schwellenwerte werden durch die Zenerdioden und 38 in Verbindung mit zur Einstellung veränderbaren Wider-

ständen 39 bzw. 40 vorgegeben und auf den Leitungen 41 bzw. 42 entsprechenden Vergleicherschaltungen der Schwellenwertschaltung 24 zur Verfügung gestellt. Man erkennt, daß die Spannungspegel auf den Leitungen 41 und 42 unabhängig von Schwankungen der Versorgungsspannung relativ zu der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 32 konstant bleiben.

Zur Sicherung der Zuleitungen zu den Wandlern A, B, C und D gegen Unterbrechungen bilden diese Leitungen bzw. dazu vorzugsweise nicht sichtbar parallel geführte Leitungen Teil einer in Figur 4 bei 29 angegebenen Überwachungsschaltung, welche über ein Gatter 30 und die Leitung 20 ein Signal an das Relais 21 abgibt, wenn eine der Anschlußleitungen der Wandler unterbrochen wird.

_ Q —

Claims

Patentansprüche

1J Überwachungsschaltung zum Schutz von auf einer Mehrzahl von Füßen (2, 3, 4, 5) abgestützten Einrichtungen, insbesondere
Hochspannungsleitungsmasten (1), gekennzeichnet durch an jedem Fuß befestigte Wandler (A, B, C, D) zur Umwandlung mechanischer Erschütterungen oder Schwingungen in elektrische Signale, ferner durch den Wandlern jeweils nachgeschaltete Frequenzfilter (16) zum Ausfiltern bestimmter Frequenzbereiche, weiter durch an die Frequenzfilter jeweils angeschlossene Gleichrichter (17), deren Ausgangs-Gleichspannungssignale zu einer Korrelationsschaltung (14) geführt sind, welche die Gleichspannungssignale miteinander vergleicht und dann ein Ausgangssignal abgibt, wenn die
Gleichspannungssignale in vorbestimmtem Grade voneinander verschieden sind, sowie durch eine mit der Korrelationsschaltung
(14) gekoppelte Auslöseschaltung (21) zur Abgabe eines Alarmsignales.
2. überwachungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrelationsschaltung (14) eine Summationseinrichtung zur Bildung eines Mittelwertes der Gleichspannungssignale und eine nachgeschaltete Vergleichsschaltung enthält,
welche die einzelnen Gleichspannungssignale mit dem Mittelwert zur Bildung des Ausgangssignales der Korrelationsschaltung zeitlich parallel oder im Serienverfahren vergleicht.
3. überwachungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vier einen etwa quadratischen Mastgrundriß bestimmende Mastfüße (2, 3, 4, 5) je einem Wandler (A, B, C, D) zuqeordnet sind und daß die Korrelationsschaltung (14) eine Differenzbildungsschaltung enthält, welche die Differenz der Gleichspannungssignale entsprechend dem Wandlerpaar an einander diagonal gegenüberliegenden Mastfüßen von der Differenz der

Gleichspannungssignale entsprechend dem jeweils anderen Wandlerpaar subtrahiert.
4. Überwachungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrelationsschaltung (14) eine Schwellenwertschaltung (24) enthält, welche nur dann ein Ausgangssignal an die Auslöseschaltung (21) abgibt, wenn die Verschiedenheit der Gleichspannungssignale einen bestimmten Toleranzwert in positiver oder negativer Richtung übersteigt.
5. überwachungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (A, B, C, D) piezoelektrische Wandler sind und daß zwischen den Wandlern und den Frequenzfiltern (16) jeweils Ladungsverstärker (15) vorgesehen sind.
6. überwachungsschaltung zum Schutz von auf mehreren Füßen abgestützten Hochspannungsleitungsmasten, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zeitschrankenschaltung (19) vorgesehen ist, welche durch ein erstes, eine Alarmbedingung meldendes, von jeweils einem bzw- dem an jedem Mastfuß befestigten Wandler erzeugtes und jeweils über das bzw. ein Frequenzfilter geführtes Signal ausgelöst wird, jedoch nur dann ein Signal an die bzw. eine Auslöseschaltung liefert, wenn nach Ablauf eines bestimmten Zeitintervalls (T-^), in welchem Alarmbedingungen meldende Signale unberücksichtigt bleiben, weitere Alarmbedingungen meldende Signale an der Zeitschrankenschaltung (19) eintreffen.
7. überwachungsschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitschrankenschaltung (19) zwischen die Auslöseschaltung (21) und die bzw. eine Korrelationsschaltung (14) geschaltet ist und daß die die Alarmbedingungen meldenden Signale die Ausgangssignale der Korrelationsschaltung sind.
8. überwachungsschaltung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall (T-^), in welchem Alarmbedingungen meldende Signale unberücksichtigt bleiben, langer gewählt ist als ein Zeitintervall (T^), innerhalb welchem nach Alarmauslösung mittels eines Senders (12) hochfrequente Alarmsignale ausgesendet werden.
9. Überwachungsschaltung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitschrankenschaltung eine vom Ausgang einer bzw. der Korrelationsschaltung (14) angesteuerte Kippschaltung (25), eine mit dieser verbundene, insbesondere einstellbare, erste Zeitgeberschaltung (T·^) zur Bestimmung des genannten Zeitintervalls und eine an diese angeschlossene, insbesondere einstellbare, weitere Zeitgeberschaltung (T2) enthält, welche die Dauer der Auslösbarkeit der Zeitschrankenschaltung im Anschluß an das erstgenannte Zeitintervall bestimmt.