DE3346387A1

DE3346387A1 - Schaltungsanordnung zur erd- und koerperschlussueberwachung

Info

Publication number: DE3346387A1
Application number: DE19833346387
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. 7250 Leonberg Uebel
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1983-12-22
Filing date: 1983-12-22
Publication date: 1985-07-04
Also published as: DE3346387C2

Description

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Schaltungsanordnung zur Erd- und Körpersch lußüberwachung

Die Erfindung betrifft eine SchaItungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 .

Zur ErdschLußüberwachung in elektrischen Anlagen mit von Erde galvanisch getrennten Spannungsversorgungsnetzen werden Erdschlußprüf- oder -meßeiηrichtungen verwendet, die einen Erdschluß mittels direkter Widerstandsmessung zwischen den einzelnen Phasen des Versorgungsnetzes und Erde ermitteln. Als Prüfspannung wird dabei die Spannung des Versorgungsnetzes selbst benutzt. Das Arbeitsprinzip solcher Einrichtungen ist z.B. im AEG Hi Ifsbuch für Elektrische Licht- und Kraftanlagen 6.Auflage, Seite 420 beschrieben. Zur Körperschlußüberwachung können grundsätzlich die gleichen Einrichtungen verwendet werden.

Eine solche einfache Erdschlußüberwachung oder Erdschlußmessung ist für moderne, mit elektronischen Bauelementen und Prozessoren ausgestattete Steuerungseinrichtungen nicht genügend empfindlich und nicht sicher genug.

Fehlmessungen aufgrund von Störungen durch überlagerte Wechselströme und durch Polarisierungseffekte am Erdleiter

ZT/P1-P/BI

12.12.1983 -5-

BAD ORIGINAl

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sind nicht ganz auszuschließen. Außerdem sind die oben beschriebenen Einrichtungen nicht für eine ständige E r d schLußüberwachung geeignet.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine S cha Ltungsan-Ordnung zur Erd- und/oder KörperschLußüberwachung der oben beschriebenen Art anzugeben, die eine ständige Überwachung ermöglicht und Fehlmessungen weitestgehend ausschließt.

Eine solche Schaltungsanordnung wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 beschrieben.

Durch die Verwendung einer Wechselspannung mit rechteckigem Verlauf als Prüfspannung werden Polarisierungseffekte am übergang zwischen Erdleiter und Erdreich vermieden. Durch die sehr niedrige Frequenz der Wechselspannung und die damit verbundene lange Dauer der WechseLspannungs-HaLbperiöden ist es möglich, auszuwertende Spannungen so spät nach jedem Phasenwechsel der Wechselspannung abzugreifen, daß auch große Erdkapazitäten der zu überwachenden elektrischen Anlage bereits aufgeladen sind, wenn die ErdschLußprüfung erfolgt.

Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen SchaLtungsanordnung ist im Patentanspruch 2 beschrieben und sieht eine Erfassung der Spannungen beider Pole des Gleichspannungsnetzes mittels zweier getrennter Abtast- und HaLteschaltungen vor. Damit kann die Erfassung dieser Spannungen gleichzeitig erfolgen. Die Anordnung von Tiefpaßfiltern bewirkt, daß überlagerte höherfrequente WechseLspannungen und Störimpulse unterdrückt werden.

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BAD ORfGJNAL

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Anstelle einer diskret aufgebauten Auswerteschaltung kann gemäß einer im Patentanspruch 3 beschriebenen Ausgestaltung der Schaltungsanordnung nach der Erfindung ein Mikrorechner verwendet werden. Die Auswertung erfolgt dadurch weitgehend digital und damit driftfrei. Außerdem ermöglicht der Mikrorechner ohne größeren zusätzlichen Aufwand den Betrieb einer Digitalanzeige. Letzteres ist vor allem dann von Vorteil, wenn, wie in einer im Patentanspruch 4 beschriebenen Ausgestaltung der Erfindung,die einzelnen Erdschlußwiderstandswerte berechnet und angezeigt werden sollen.

In den Patentansprüchen 5 und 6 angegebene Ausgestaltungen der Erfindung sind für die Erdschlußüberwachung in Anlagen gedacht, die große Erdkapazitäten aufweisen und in denen deshalb besonders darauf geachtet werden muß, daß eine Erdschlußerfassung erst nach Aufladung dieser Erdkapazitäten e r fο Igt.

Eine in Anspruch 7 beschriebene Weiterbildung der Erfindung, schließlich, sieht eine Aufzeichnung des zeitlichen Verlaufs der Erdschlußwiderstände vor. Dies ermöglicht, Erdschlüsse, die nicht ständig vorhanden sind, sondern abhängig von bestimmten Steuervorgängen auftreten, diesen Steuervorgängen zuzuordnen, was das Aufspüren solcher Erdschlüsse und deren Lokalisierung erheblich erleichtert.

Anhand dreier Figuren soll nun ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung eingehend beschrieben und seine Funktion erklärt werden. Die Figuren zeigen im einzelnen:

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BAD OFtlÖINAL

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Figur 1 ein Ersatzschaltbild des Meßkreises für eine Erdschlußüberwachung nach der Erfindung;

Figur 2 ein BLockscha LtbiLd der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit diskreten Schaltungsbauelementen, und

Figur 3 ein BLockscha LtbiLd der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einem Mikrorechner zur Messung und Aufzeichnung der ErdschLußwiderstände.

In Figur 1 ist schematisch ein Meßkreis dargestellt, wie er zur ErdschLußuberwachung mitteLs der Schaltungsanordnung nach der Erfindung verwendet wird.

Die beiden Pole einer Gleichspannungsquelle Ug , die z.B. über die Klemmen U und U_ ein Stellwerk mit Gleichspannung versorgt und nicht geerdet ist, sind über hochohmige Meßwiderstände R^₁ und R _v _ mit einem Rechteckgenerator RG verbunden. Der Rechteckgenerator erzeugt eine Wechselspannung Uq mit rechteckigem Verlauf und sehr niedriger Frequenz und liegt einseitig an Erdpotentiel. Die Wechselspannung Uq läßt si ch im Falle, daß die G LeichspannungsqueLLe von Erde nahezu vollkommen isoliert ist und die Werte von in der Figur eingezeichneten Erdschlußwiderständen R_f* und R_p? um Größenordnungen höher liegen aLs die Werte der Meßwiderstände, auch an beiden Klemmen der GleichspannungsquelLe als Meßspannung U, und Meßspannung U_ nachweisen. Sinkt der Wert eines der Erdsch Lußwi de r st ände R ,. oder R-, infolge eines Erdschlusses ab, so reagiert das Netzwerk auf diese Änderung und es ändern sich die Meßspannungen U₁ und Up.

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Zur Erfassung der ErdschLußwiderstandswerte wird der Spannungshub der Meßspannung ausgewertet, der bei fehlendem Erdschluß gleich dem Spannungshub der Wechselspannung U_n des Rechteckgenerators ist, und bei zunehmend niederohmigern Erdschluß bis gegen null hin abnimmt.

Um ein Verfälschen der Erdschlußerfassung durch Ladevorgänge vorhandener Erdkapazitäten zu vermeiden ist es zweckmäßig, die Meßspannungen U₁ und U_? jeweils eine gewisse Zeit nach Beginn einer Wechselspannungs-Halbperiode abzugreifen und überdies die Frequenz der Wechselspannung so niedrig (z.B. 1/50 Hz) zu wählen, daß die Periodendauer groß genug ist, um die zur Aufladung der Erdkapazität erforderliche Zeit vor dem Abgriffszeitpunkt zur Verfügung zu haben. Die Wechselspannung des Rechteckgenerators wird außerdem symmetrisch zum Erdpotential gewählt/ um elektrolytisehe Wirkungen, die zu Verfälschungen der Meßspannungen führen können, auszuschalten. Daß die Wechselspannung dabei so niedrig gewählt werden muß, daß eine Berührung der Gleichspannung führenden Teile durch Personen nicht zu deren Gefährdung führt, ist dabei selbstverständlich.

Figur 2 zeigt eine Schaltungsanordnung, die die vorstehend beschriebenen Merkmale aufweist.

Eine endfreie Gleichspannungsquelle U_n, die, wie in Figur 1, z.B. ein Stellwerk mit Gleichspannung versorgt, ist über Meßwiderstände R_M1, R_M? mit dem Ausgang eines Rechteckgenerators RG verbunden. Beide Pole der Gleichspannungsquelle weisen gegenüber Erdpotential die Erdsch Iußwider stonde R ., R_F? auf.

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Diese werden durch eine Auswerteeinrichtung AW auf Einhaltung bestimmter vorgegebener Mindestwerte überwacht. Die Auswerteschaltung ist hierzu mit beiden Polen der G Leichspannunqsque I Ie U_D verbunden und enthält zwei Eingangsverstärker V1 und V2 mit nachgeschalteten Tiefpaßfiltern TP1, TP2, zwei Abtastscha Itungen AT1 , AT2 zur Abtastung der Ausgänge dieser Tiefpaßfilter,zwei Differenzverstärker DV1, DV2 und zwei Schwellwertschaltungen SW1, SW2. Ein Taktgeber T dient der Ansteuerung des Rechteckgenerators und der Abtastse haItungen.

Die beiden Pole der Gleichspannungsquelle sind mit den Eingängen der Eingangsverstärker V1, V2, die als Impedanzwandler arbeiten, verbunden. Die Ausgangssignale jedes Eingangsverstärkers werden in je einem Tiefpaßfilter von höherfrequenten Störfrequenzen und Stör impulsen befreit und von je einer Abtastschaltung .abgegriffen und gespeichert. Die Speicherung erfolgt dabei über eine Zeitspanne hinweg, die Langer als eine Halbperiode der Rechteck-Wechselspannung andauert, so daß am Ausgang jeder Abtast- und Halteschaltung jeweils gleichzeitig an zwei Speicherplätzen die bei zwei aufeinanderfolgenden Abtastungen gewonnenen Meßspannungswerte anstehen. Von diesen Werten gehört einer zum positiven Pegel der Wechselspannung U_Q, der andere zu deren negativem Pegel.

Die den AbtastschaItungen nachgeschalteten Differenzverstärker erfassen die Differenz zwischen den bei aufeinanderfolgenden Abtastungen gewonnenen Meßspannungswerten ^AAf U-,ρ, Up-i' U__ und führen dieser Differenz proportionale Spannungen den SchweIIwertscha Itern zu. Diese Spannungen geben den Hub der zwischen den Polen der Gleichspannungsquelle und Erdpotential anstehenden Spannung bei

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Anliegen der Wechselspannung Uq an den Meßwiderständen wieder. Da dieser Hub, wie oben erwähnt, ein Maß des Erdschlußwiderstandes ist, kann durch Vergleich der den Schwellwertschaltern zugeführten Spannungen mit einem vorgegebenen Spannungswert die Einhaltung eines maximalen Erdschlußwiderstandswertes überprüft werden. Im Falle, daß die zugeführte Spannung den vorgegebenen Spannungswert überschreitet, wird über ein Oder-Glied OG eine in der Figur 2 nicht dargestellte Alarmeinrichtung A angesteuert.

Figur 3 zeigt ein Äusführungsbeispiel der Schaltungsanordnung nach der Erfindung bei dem in der Auswerteschaltung AW ein Mikrorechner MR vorgesehen ist. Der Mikrorechner erfüllt die Aufgabe der in Figur 2 dargestellten Schaltung. Zusätzlich ermöglicht er mit wenig Aufwand eine exakte Berechnung der Erdschlußwiderstände aus den Meßwerten LL₁, ^i ?' ^pI' ^?? ^sowie die Anschaltung einer optischen Anzeige OA zur Ausgabe der berechneten Werte und die Anschaltung eines Kurvendruckers D zur Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Erdschlußwiderstandswerte.

Letzteres ist z.B. in einem Stellwerk besonders vorteilhaft, da durch Vergleich mit dem Fahrplan zeitweilig auftretende Erdschlüsse bestimmten Stellvorgängen oder Fahrstraßeneinstellungen zugeordnet werden können und so der Fehlerort leichter aufgespürt werden kann.

Die Anschaltung des Mikrorechners erfolgt hier über Eingangsverstärker V1, V2 .und nachgeschaltete AD-Wandler W1, W2. Ein besonderer Taktgeber kann"hier entfallen, da die Ansteuerung des Rechteckgenerators durch den Mikrorechner erfolgt und mit dessen Arbeitstakt synchronisiert ist.

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Zur Berechnung der ErdschLußwiderstände können z.B. die Forme Ln

^U11^Ü22 - ^U12^U21

Έ1

_R . _R . ^U21^U12 - ^U22^U11
E2 - M 2U₀₁U₁₂ - 2U₀₂U

herangezogen werden. Diese beiden FormeLn ergeben sich bei Anwendung der Kirchhoff'sehen Regeln auf das in Fiqur 1 dargestellte Netzwerk, wobei zwei Messungen bei den beiden möglichen verschiedenen Ausgangspegeln des Rechteckgenerators vorgenommen werden und die Meßwiderstände R₁ und R_M2 gleiche Werte (R₁ = R _ = R) haben. Der zweite Index bei den Spannungen U_n, U₁ und U_ kennzeichnet, hier, ob der jeweilige Wert bei der ersten oder der zweiten Messung gewonnen wurde.

Ist der dynamische Innenwiderstand der GleichspannungsquelLe sehr kLein gegenüber den zu erwartenden Erdschlußwiderständen R_E1 und R_E2r was in vielen FälLen gegeben ist, so können die Erdschlußwiderstände als einander para I Le Igescha It et angesehen werden. Die Erdschlußerfassung und die hierfür erforderliche Schaltungsanordnung werden dadurch erheblich vereinfacht, denn es braucht dann nur noch an einem Pol der G LeichspannungsqueI Le eine Meßspannung abgegriffen und ausgewertet zu werden.

Bei Einsatz eines Mikrorechners zur Erfassung der ErdschLußwiderstände Lassen sich die Meßspannungen U₁ und Up auch mehrfach abtasten. Aus dem zeitlichen Verlauf der gemessenen Spannungen unmittelbar nach jedem Phasenwechsel der Ausgangsspannung des Rechteckgenerators läßt

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sich dann zusätzLich die SteLLwerkskapazität berechnen und anzeigen. Auch eine Messung und Anzeige der GLeichspannung U₀ kann vorgesehen werden.

SoLLen KörperschLüsse erfaßt werden, so erfoLgt dies vöLlig ananLog der beschriebenen ErdschLußerfassung. Es kann hierzu dieseLbe S chaLtungsanordnung verwendet werden. SoLLen ErdschLüsse und KörperschLüsse mit einer einzigen SchaLtungsanordnung erfaßt werden, wird abwechseLnd auf ErdschLuß und auf KörperschLuß geprüft.

Hierzu muß LedigLich das Bezugspotentia L des Rechteckgenerators zwischen ErdpotentiaL und Körperpotentia L hin- und hergese haLtet werden. SoLLen ErdschLußerfassung und KörperschLußerfassung gleichzeitig nebeneinander her durchgeführt werden, so sind dazu zwei getrennte SchaL-tungsanordnungen erfοrderLich. Um Störungen zu vermeiden ist es dann zweckmäßig, die Rechteckgeneratoren der beiden Sc ha Ltungsanordnungen zu synchronisieren.

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Claims

Standard Elektrik Lorenz
Akti enge se L Lschaft
Stuttgart
H.
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Patentansprüche
Schaltungsanordnung zur Erfassung von Erd- und/oder Körperschlüssenin einer mit einem erdfreien Gleichspannungsversorgungsnetz' ausgestatteten Steuerungsanlage, insbesondere einem Ste I Lwerk,unter Verwendung einer Prüf-Spannungsquelle, d a d u r c h g e k e η η ζ e i c h η e t , daß als Prüfspannungsquelle ein auf sehr niedriger Frequenz arbeitender Rechteckgenerator (RG) verwendet wird, der einerseits an Erdpotential bzw.
Körperpotential andererseits über Meßwiderstände (!!„,, ^μ-Ρ ^an beide Pole (U , U_) des G Leichspannungsversorgungsnetzes
(U) angeschlossen ist, und daß die beiden Pole des Gleich-
Spannungsversorgungsnetzes mit einer Auswerteschaltung (AW) verbunden sind, welche die an ihnen gegenüber Erdbzw.
Körperpotential anstehenden Spannungenzu vorgegebenen Zeitpunkten innerhalb jeder Halbperiode der Ausgangsspannung (U_n) des Rechteckgenerators als Meßspannungen (U^, Up) abgreift, eine der Differenz der zwischen den bei beiden Spannungspegeln der Ausgangsspannung (U ) abgegriffenen Meßspannungen proportionale Spannung erzeugt und eine Erd- bzw.
Körper sehlußme Idung veranlaßt, wenn diese Spannung einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet.
ZT/P1-P/BL
12.12.1983

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2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertes chaLtung (AW) zwei Eingangsverstärker (V1, V2) mit nachgeschalteten Tiefpaßfiltern (TP1, TP2), zwei Abtast- und Halteschaltungen (AT1, AT2), zwei Differenzverstärker (DV1, DV2), zwei Schwe I Iwertscha Itungen (SW1, SW2) und einen Zeitgeber CT) zur Ansteuerung des Rechteckgenerators (RG) und der Abtast- und Halteschaltungen aufweist, daß die Abtast- und Halteschaltungen jeweils eingangsseitig mit dem Ausgang eines der Tiefpaßfilter und ausgangssei tig über einen Differenzverstärker mit dem Eingang einer Schwellwertschaltung verbunden sind, daß der Eingang jedes Eingangsverstärkers (V1, V2) jeweils mit einem der Pole (U₁, U ) des Gleichspannungsversorgungsnetzes (U₁-,) verbunden ist und daß der Ausgang jeder Schwellwertschaltung über ein Oder-Glied (OG) eine Alarmeinrichtung zur Ausgabe einer Erd- bzw. Körperschlußmeldung ansteuert.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (AW) einen Mikrorechner (MR) enthält, dem die Meßspannungen (U*, Up) über Analog-Digital-Wandler (W1, W2) zugeführt werden und daß die Erd- bzw. Körperschlußmeldung auf einer von dem Mikrorechner angesteuerten optischen Anzeige (OA) ausgegeben wird.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Erd- bzw. Körperschlußmeldung eine Messung der an den Polen des G Leichspannungsversorgungsnetzes abgegriffenen Meßspannungen (U.., U_) erfolgt und daß der Mikrorechner (MR) den ohmschen Widerstand eines festgestellten Erd- bzw. Körperschlusses aus den Pegelwerten der Ausgangsspannung (Un) des Rechteck-

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generators (RG), den bei diesen Pegelwerten gemessenen

Werten (U.., U._, U ., U) der Meßspannungen und den

Werten der Meßwiderstände (Rm₁* R_M?) berechnet und anzeigt.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspannungen (U₁, Up) jeweils gegen Ende einer Halbperiode der Ausgangsspannung (U_Q) des Rechteckgenerators (RG) abgegriffen werden.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspannungen (U₁, U_?) mehrmals während jeder Halbperiode der Ausgangsspannung (U,-,) des Rechteckgenerators (RG) gemessen werden und der ohmsche Widerstand eines Erd- bzw. Körperschlusses mehrmals w ä h rend jeder Halbperiode berechnet wird.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aufzeichnungseinrichtung (D) vorgesehen ist, welche den zeitlichen Verlauf der berechneten Erd- bzw. Körper schlußwider stände über einen vorgegebenen Zeitraum hinweg aufzeichnet.