-
Kennwort: "(3) Überspannungsschutz"
-
Schaltung zur Überwachung der Isolationswiderstände einer Schar von
Baugruppen einer elektrischen Anlage mit gemeinsamer erdfreier Stromversorgung,
insbesondere einer fernmelde- oder signaltechnischen Einrichtung Die Erfindung bezieht
sich auf eine Überwachungsschaltung der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen
Art. Beim Betrieb von Signalanlagen kommt es zu Überspannungen, die eine gewisse
Zeit wirksam sind. Um diesen Beanspruchungen standhalten zu können, besteht die
Vorschrift, daß die Bauteile in der Signalanlage entsprechend hochspannungsfest
ausgebildet sein müssen, um z.B. einer Spannung von 2 kV für eine Minute standhalten
zu können. Das erfordert eine entsprechende Dimensionierung der dieser Hochspannung
unterliegenden Widerstände, Schalter und dgl., den Einsatz qualitativ bessercMaterials
und Vorkehrungen guter Hitzeabführung infolge möglicher Erwärmung der Bauteile.
Die Erstellung solcher Bauteile ist kostspielig und der Einsatz der Bauteile in
einer Schaltung platzaufwendig.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine platzsparende Uberwachungsschaltung
der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art zu entwickeln, die preiswerter
ausgebildet ist und sich durch einen optimalen Überspannungsschutz auszeichnet.
Dies wird erfindungsgemäß durch die im Kenn-
zeichen des Anspruches
1 angeführten Maßnahmen erreicht, denen folgende besondere Bedeutung zukommt: Am
Eingang der Meßeinrichtung fühlt der Detektor, ob den eingehenden Meßsignalen eine
unzulässig hohe Überspannung überlagert ist. Der Detektor ist auf eine bestimmte
Überspannungsschwelle eingestellt. Stellt nun der Detektor eine diese Überspannungsschwelle
übersteigende Spannung fest, so öffnet er einen Schalter, der sich ebenfalls noch
vor dem Eingang der Meßeinrichtung befindet. Damit läßt sich nach kürzester Zeit,
die in der Größenordnung von zwei Millisekunden liegt, die Meßeinrichtunggalvanisch
von dei zu überwachenden Baugruppe der Signalanlage trennen. Die Isolationswiderstände
der Signalanlage werden dadurch nicht beeinträchtigt . Die Bauteile in der Meßeinrichtung
brauchen nicht hochspannungsfest ausgelegt zu sein, sondern können einfache preiswerte
Glieder sein. Der erfindungsgemäß erzielte Schutz vor Überspannungen ist selbst
gegenüber extrem hohen Spannungen voll wirksam; besondere Dimensionierung der Bauteile
in der Meßeinrichtung ist dadurch überflüssig.
-
Hat sich die Überspannung wieder abgebaut, so ist es vorteilhaft,
wie Anspruch 2 vorschlägt, daß der Detektor auch hierauf anspricht und den Eingangsschalter,
welcher die Meßeinrichtung von der Signalanlage getrennt hat, wieder schließt. Eine
andere Möglichkeit ist im Anspruch 3 angegeben, wo zunächst eine Anzeige in der
Auswerteeinrichtung ausgelöst wird und eine Bedienungsperson die Möglichkeit hat,
sich vorher von dem Sachverhalt zu überzeugen, bevor sie manuell den Eingangsschalter
wieder schließt.
-
Schon unter Berücksichtigung der Betriebsspannung, die von
der
erdfreien Stromversorgung der elektrischen Signalanlage stammt, ist es zweckdienlich,
wie Anspruch 4 vorschlägt, im Detektor zueinander unterschiedliche Überspannungsschwellen
vorzusehen, von denen eine auf positive und die andere auf negative Überspannungen
anspricht. Dabei empfiehlt es sich, gemäß Anspruch 5, diese beiden Überspannungsschwellen
jeweils für sich einstellbar zu machen.
-
Bewährt haben sich elektromagnetische Schaltglieder als Eingangsschalter
für die Detektoren, wie Reedrelais.
-
Für die Meß- und Auswerteeinrichtung der erfindungsgemäßen Schaltung
und für den Detektor wird als Bezugspotential zweckmäßigerweise der eine Pol der
Stromversorgung benutzt, z.B. der Minuspol, weil dadurch für den Betrieb sämtlicher
Bauteile in allen, den verschiedenen Baugruppen der Signalanlage zugeordneten Zweigen
die gleiche Stromquelle benutzt werden kann.
-
Gemäß Anspruch 7 erhält auch die Auswerteeinrichtung ein Signal und
vermeidet dadurch Fehlmessung an den zu überwachenden Isolationswiderständen.
-
In den Zeichnungen ist die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel
dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Signalanlage mit
angeschlossener Meßeinrichtung zur Überwachung der Isolationswiderstände, an welcher
die vorliegende Erfindung anwendbar ist und Fig. 2 in einer Detailansicht der Schaltung
von Fig. 1 die Zuschaltung der die vorliegende Erfindung kennzeichnenden Maßnahmen.
-
Die Fig. 1 zeigt schematisch eine elektrische Anlage lo, die hier
als signaltechnische Einrichtung, beispielsweise für den Eisenbahnverkehr, ausgebildet
ist. Die Anlage lo besteht aus einer Schar von zueinander getrennt zu überwachenden
Baugruppen, von denen hier lediglich zwei, mit 11, 11' bezeichnet, dargestellt sind.
Wie durch die gestrichelten Verlängerungen der elektrischen Leitungen in Fig. 1
veranschaulicht ist, können n Exemplare solcher Baugruppen vorliegen. Alle Baugruppen
11, 11' sind an eine gemeinsame erdfreie Stromversorgung 12 angeschlossen, die aus
einer elektrischen Batterie 13 besteht und die Versorgungsspannung Ub liefert. Der
Pluspol der Batterie 13 ist über Leitungen mit der mit p bezeichneten Pol leitung
der Anlage lo verbunden, während der Minuspol mit der Leitung m von Fig. 1 jeweils
in Verbindung steht.
-
In den einzelnen Baugruppen 11, 11' sollen die Isolationswiderstände
zwischen den beiden Pol leitungen p, m einerseits und der Erde 14 in der Baugruppe
11 bzw. gegenüber einem ersten Gestell 14' im Falle der Baugruppe 11' andererseits
überwacht werden. Das Gestell 14' dient zur Aufnahme verschiedener Glieder der Signalanlage.
Außer diesem ersten Gestell 14' können noch n weitere Gestelle vorhanden sein, die
sowohl gegenüber dieser Erde als auch dem Gestell 14' isoliert sind und ebenfalls
hinsichtlich ihrer eigenen Isolationswiderstände überwacht werden sollen. Dies liefert
die bereits erwähnte Erweiterung der vorliegenden Anlage lo auf n weitere, in Fig.
1 nicht gezeigte Baugruppen.
-
Natürlich könnten in der Praxis auch mehrere Gestelle 14' untereinander
elektrisch verbunden sein und daher als
gemeinsame Baugruppe 11'
fungieren. Andererseits wäre es auch denkbar, aufgrund gegenseitiger Isolationen
einzelne Schaltkreise innerhalb eines gegebenen Gestells voneinander elektrisch
zu trennen, die dann getrennt voneinander überwacht werden sollten und daher eigenständige
Baugruppen 11, 11' liefern. Die Beschreibung gilt dann sinngemäß.
-
Im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 sind, ausgehend von der Erde 1a,
gegenüber dem Pluspol p der Isolationswiderstand undundgegenüber dem Minllsnolm
der Isolationswiderstand RmE zu überwachen. Dementsprechend sollen bei der Baugruppe
11' die beiden Isolationswiderstände Rpl und Rml gegenüber dem Gestell 14' beobachtet
werden.
-
Wegen der analogen Verhältnisse genügt es, eine repräsentative Baugruppe
zu betrachten, beispielsweise die Baugruppe 11' von Fig. 1, weswegen zur Verallgemeinerung
die Indizierung vereinfacht werden soll auf die zu überwachenden Isolationswiderstände
Rp und Rm. Die Überwachung geschieht aber nicht unmittelbar, sondern mittelbar über
ein Spannungsverhältnis Vu, das sich,gemäß der Formel Vu = Up/Um, aus dem Quotienten
der Spannungsabfälle Up über dem einen Isolationswiderstand Rp und dem Spannungsabfall
Um über dem anderen Isolationswiderstand Rm ergibt. Dazu wird die in Fig. 1 gezeigte
besondere Überwachungsschaltung verwendet, die Gegenstand der parallelen Patentanmeldung
Kennwort: "(1) Isolationsmesser" der gleichen Anmelderin ist und deren Inhalt zum
Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung gemacht wird. Es wird eine Meßeinrichtung
15 verwendet, die zwar für jede Baueinheit 11, 11' eigene Eingangsmeßkreise 26,
26' aufweist, jedoch jenseits eines Wählschalters 23, der jeweils auf einen dieser
Eingangsmeßkreise 26, 26' usw. einstellbar ist,
eine allen Baugruppen
zugeordneten gemeinsame Folgeschaltung 27 besitzt. Der Aufbau der Eingangsmeßkreise
ist zueinander gleich, weshalb es hier genügt, den einen Eingangskreis 26' näher
zu beschreiben, der für die Baugruppe 11' des ersten Gestells 14' verwendet wird.
-
Beachtenswert ist, daß als Bezugspotential für einen Eingangsverstärker
19 der eine Pol der gemeinsamen Stromversorgung 12 herangezogen wird, nämlich in
Fig. 1 ausweislich der an die Leitung m angeschlossenen Bezugs leitung 28 der Minuspol.
Dies gilt auch für alle übrigen Eingangsmeßkreise, wie bei 26 zu entnehmen ist.
Das Gestell 14' ist ausweislich der Anschlußleitung 29' über einen hochohmigen Eing-angswiderstand
Rt an den Verstärker 19 angeschlossen, was beim Eingangsmeßkreis 26 sinngemäß für
die Leitung 29 hinsichtlich der Erde 14 und ihren Eingangswiderstand RtE gilt. Am
Eingang des Verstärkers 19 wirkt ein Innenwiderstand Zil. In Fig. 1 bezeichnet die
gestrichelte Linie 16 die Schnittstelle zwischen den Baugruppen 11, 11' der Anlage
lo und den Meßeinrichtungen 15.
-
Der Wählschalter 23 -schließt die gemeinsame Folgeschaltung 27 über
sein bewegliches Kontaktglied 24 nacheinander an jeweils einen Kontakt 25 aus einer
Schar von festen Kontakten 25 an, die jeweils mit dem Ausgang der einzelnen Eingangsverstärker
19 in Verbindung stehen. Zur Folgeschaltung 27 gehört zunächst ein Filter 20, das
unerwünschte Frequenzen ausschaltet. Dem schließt sich ein nur schematisch angedeuteter
Spannungsteiler 32 an, dessen besondere Bedeutung in einer parallelen Anmeldung
Kennwort: "(4) Automatischer Abgleicher" näher beschrieben ist und deren Texte und
Zeichnungen auch zum Inhalt der vorliegenden
Anmeldung gemacht
werden. Dann schließt sich ein Analog-Digital-Wandler 33 an, der die als analoges
Signal anfallenden Spannungen in eine digitale Ausgangsgröße umwandelt, nämlich
in Frequenzen, die über eine Ausgangsleitung 34 zu einer Auswerteeinrichtung 30
gelangen.
-
Ausweislich der in Fig. 1 gestrichelten Linie 31 könnte der Wählschalter
23 auch an dieser Stelle der Meßeinrichtungen 15 vorgesehen sein und die vorgenannten
Bauteile der Folgeschaltung 27 in entsprechender Stückzahl jeweils für sich in Fortsetzung
der beschriebenen Eingangskreise 26, 26' jeder Baugruppe 11, 11' zugeordnet sein.
Sowohl in diesem Fall als auch im dargestellten Ausführungsbeispiel von Fig. 1 kann
aber für den Betrieb aller individuellen Bauteile der ganzen Meßeinrichtung 15 und
der Auswerteeinrichtung 30 die gleiche Betriebsspannung Ubl verwendet werden. Dies
ergibt sich als außerordentlich wichtiger Vorteil durch Verwendung des diesen Einrichtungen
15, 30 gemeinsamen Bezugspotentials m.
-
Normalerweise erfolgt durch die Schaltung von Fig. 1 eine "passive
Isolationsüberwachung", indem das bereits erwähnte Spannungsverhältnis Vu beobachtet
wird. Man mißt den Spannungsabfall Um über dem Widerstand Rm in der jeweiligen Baugruppe
und ermittelt auf nicht näher gezeigte Weise, z.B. durch einen zusätzlichen Schalter,
über die gleiche Meßeinrichtung 15 auch die Batteriespannung Ub. Aus der Differenz
von Ub und Um wird mittelbar auch der Spannungsabfall Up über dem Widerstand Rp
errechnet. Diese Berechnungen erfolgen durch einen in der Auswerteeinrichtung 30
integrierten Rechner.
-
Die Auswerteeinrichtung vergleicht fortlaufend das jeweilige
Spannungsverhältnis
Vu mit definierten Fehlerspannungsverhältnissen. Wird ein Fehlerfall festgestellt,
so gibt die Überwachungseinrichtung 30 einen Steuerimpuls ab, der über eine nicht
näher gezeigte Steuerleitung auf einen Schalter 35 in der Meßeinrichtung 15 einwirkt.
Der Schalter 35 wird dabei stets so geschaltet, daß ein zugehöriger Referenzwiderstand
Rr bzw. RrE parallel zu jenem Isolationswiderstand geschaltet wird, der jeweils
größer ist, also nicht den Fehlerfall ausgelöst hat. Nach Ablauf einer durch Kapazitäten
der Signalanlage lo bedingten Einschwingzeit wird der Spannungsabfall Umr ermittelt,
der unter Einbeziehung des Referenzwiderstandn Rr entsteht und aus diesen Daten
von einem Rechner der Auswerteeinrichtung 30 die aktuellen Isolationswiderstände
Rp und Rm ermittelt. Aus diesem Ergebnis zieht die Auswerteeinrichtung 30 schließlich
auch die weiteren Konsequenzen, wie in der parallelen Patentanmeldung Kennwort:
"(2) Kombinierte Überwachung" näher beschrieben ist, deren Inhalt auch zum Gegenstand
der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. Mit der Überwachungsschaltung von Fig.
1 ergibt sich eine optimale aktive Überwachung der verschiedenen Isolationswiderstände
in der Signalanlage lo, wobei scheinbare Fehler von dieser Überwachungseinrichtung
auch schon erkannt und hinsichtlich ihrer Konsequenzen angemessen behandelt werden.
-
Es kommt nun häufig vor, daß durch Induktionen in der Signalanlage
lo sehr hohe Spannungen entstehen. Diese machen es normalerweise erforderlich, kostspielige
hochspannungsfeste Bauteile in der Meßeinrichtung 15 und in der Auswerteeinrichtung
30 zu verwenden, denn ein Kurzschließen des Meßeingangs kommt nicht infrage, weil
eine eingangsseitige Niederohmigkeit bei dieser Überwachungsschaltung nicht zulässig
ist. Die Erfindung schlägt statt-
dessen die aus Fig. 2 ersichtlichen
Maßnahmen vor, die hinsichtlich des Schaltungsteils der Meßeinrichtung 15 näher
erläutert sind, der sich hinsichtlich der mit der Erde 14 verbundenen Baugruppe
11 aus Fig. 1 ergibt. Die aus Fig. 2 ersichtlichen Bauteile sind sinngemäß auch
bei jenen Schaltungsteilen zu denken, die zur Überwachung der Isolationswiderstände
aller übrigen Baugruppen 11' usw.
-
von Fig. 1 dienlich sind.
-
Wie aus Fig. 2 erkennbar, liegt dem Eingang des Detektors 17 ein hochohmiger
Spannungsteiler Rh, R vorgeschaltet, der einerseits an die Anschlußleitung und andererseits
an die Polleitung m angeschlossen ist, welche auch für den Detektor 17 das für alle
Bau-elemente der Meßeinrichtung 15 maßgebliche Bezugspotential liefert, was sich
aus der Eingangs leitung 18 zum Detektor 17 ergibt. Der Detektor 17 wird von der
für die übrigen Bauteile der Meßeinrichtung 15 benutzten gleichen Betriebs spannung
Ubl gespeist. Gegenüber dieser Betriebsspannung sind schließlich auch zwei Stellwiderstände
Rs p und Rsm wirksam, mit denen Überspannungsschwellen einstellbar sind, auf welche
der Detektor 17 hinsichtlich der positiven Überspànnungen einerseits und negativen
Überspannungen andererseits anspricht.
-
Stellt der Detektor 17 an seinem durch die Leitungen 18, 21 bestimmten
Eingang eine unzulässig hohe Spannung fest, welche die durch die Stellwiderstände
Rsp, Rsm vorgesehenen Spannungen übersteigt, so gibt er über die Leitung 22 ein
Signal an eine Steuerung 36, die auch an die bereits erwähnte Betriebsspannung Ubl
angeschlossen ist und auf ein elektromechanisches Schaltelement S einwirkt, das
z.B. aus einem Reedrelais besteht und den aus Fig. 2 ersichtlichen Kontakt 37 öffnet,
der nicht nur vor dem hochohmigen Eingang M des erwähnten Eingangsverstärkers 19,
sondern auch
vor dem dem Eingang M vorgeschalteten Referenzwiderstand
RrE liegt und daher nachfolgend kurz Eingangsschalter 37 bezeichnet werden soll.
Dadurch ist die Anschlußleitung 29 zum Eingang M des Verstärkers 19 unterbrochen.
Die unzulässig hohe Überspannung wird daher nicht mehr für die verschiedenen Bauteile
des Eingangsmeßkreises 26 und auch nicht die Bauteile der Folgeschaltung 27 und
diejenigen der Auswerteeinrichtung wirksam.
-
Der Eingangsschalter 37, der, wie bereits erwähnt, von einem Reedrelais
gebildet sein kann, ist hochspannungsfest, z.B. bis 5 kV,und außerordentlich schnell
wirksam mit einer Abfallzeit von ca. o,5 ms. Alle hochspannungsempfindlichen Bauteile
sind gegenüber der Erde 14, die bei dieser Baugruppe 11 wirksam ist, getrennt. Bei
den anderen Baugruppen, z.B. der Baugruppe 11', erfolgt diese Trennung gegenüber
dem Gestell 14'. Die Gesamtzeit vom Überschreiten der Überspannungsschwelle bis
zum-Öffnen des Eingangsschalters 37 ist außerordentlich kurz und liegt erfahrungsgemäß
zwischen 2 bis 4 ms, was von der Beschaltung der nachfolgenden Bauteile und der
abzuwehrenden Überspannung abhängt.
-
Die von der Pol leitung m gelieferte Bezugsspannung ist, wie aus Fig.
2 hervorgeht, über mit der Bezugsleitung 28 zusammenhängende Verbindungsleitungen
38, 39, 40, 41, 42 sowohl bei der erwähnten Steuerung 36 als auch bei den Bauteilen
19, 20, 32,33 und der Auswerteeinrichtung 30 wirksam.
-
Über eine Signalleitung 43 wird im Ansprechfall von der Steuerung
36 ein entsprechender Impuls der Auswerteeinrichtung 30 zugeführt, der dort weiter
verarbeitet werden kann. Ein solcher Impuls veranlaßt in der Auswerteeinrichtung
30, daß das vorstehend ausführlich beschriebene Arbeitsprogramm zur mittelbaren
und unmittelbaren Über-
wachung der Isolationswiderstände Rp und
Rm unwirksam gesetzt wird. Dadurch werden die durch den geöffneten Eingangsschalter
37 bedingten Fehlmessungen vermieden.
-
Ein solches über die Signalleitung 43 empfangenes Signal kann die
Auswerteeinrichtung 30 auch zu einer entsprechenden Anzeige veranlassen und einer
Bedienungsperson kundbar machen, daß die Meßeinrichtung 15 zunächst unwirksam ist.
-
Die Bedienungsperson kann daraufhin die Sachlage überprüfen und manuell
den Eingangsschalter 37 wieder schließen, was natürlich durch Handhabung eines mit
der Steuerung 36 verbundenen Betätigers erfolgt.
-
Eine Alternative besteht darin, daß der Detektor 17 auch auf Unterschreiten
der Überspannungsschwelle reagiert, einen Impuls an die Steuerung 36 abgibt und
über die Signalleitung 43 die Auswerteeinrichtung 30 darüber informiert. Diese kann
dann durch Auswertung eines im Computer eingespeicherten Arbeitsprogramms über eine
Steuer leitung 44 auf die Steuerung 36 wieder zurückwirken und das Schaltelement
S veranlassen, den Kontakt 37 wieder zu schließen.
-
Auf diesem Wege ist die Meßeinrichtung 15 selbsttätig wieder für den
weiteren Überwachungsvorgang der Isolationswiderstände Rm, Rp wirksam gesetzt worden.
-
Kennwort: "(3) Überspannungsschutz" Liste der Bezugszeichen und Benennungen:
lo elektrische Anlage, Signalanlage 11 gegenüber der Erde 14 wirksame Baugruppe
11' gegenüber einem Gestell 14' wirksame Baugruppe 12 Stromversorgung 13 Stromspeicher,
Batterie 14 Erde 14' erstes Gestell 15 Meßeinrichtung 16 Linie der Schnittstelle
zwischen lo, 15 17 Detektor 18 Eingangsleitung von 17 19 Eingangsverstärker 20 Bauelement,
Filter 21 Eingangsleitung von 17 22 Leitung zwischen 17 und 36 23 Wählschalter 24
bewegliches Kontaktglied von 23 25 fester Kontakt von 23 26 Eingangskreis zu 11
26' Eingangskreis zu 11' 27 Folgeschaltung zu 26 und 26' 28 Leitung für Bezugspotential,
Bezugsleitung 29 Anschlußleitung zu 14 29' Anschlußleitung zu 14' 30 Auswerteeinrichtung
31 Linie der Schnittstelle zwischen 15, 30 32 Bauelement, Spannungsteiler 33 Bauelement,
Analog-Digital-Wandler 34 Ausgangsleitung von 27 35 Schalter
36
Steuerung 37 Kontakt von S, Eingangsschalter 38 Verbindungsleitung zu 36 39 Verbindungsleitung
zu 19 40 Verbindungsleitung zu 20 41 Verbindungsleitung zu 33 42 Verbindungsleitung
zu 30 43 Signalleitung zwischen 30, 36 44 Steuerleitung zwischen 30, 36 m Pol leitung
zum Minuspol von 13 M Meßeingang p Pol leitung zum Pluspol von 13 RmE Isolationswiderstand
zwischen Minuspol und Erde 14 Rml Isolationswiderstand zwischen Minuspol und Gestell
14' Rm Isolationswiderstand zwischen Minuspol und einem Gestell bzw. Erde Rpl Isolationswiderstand
zwischen Pluspol undGestell 14' RPE Isolationswiderstand zwischen Pluspol und Erde
14 Rp Isolationswiderstand zwischen Pluspol und einem Gestell bzw. Erde RrE Referenzwiderstand
in der gegenüber der Erde wirksamen Meßeinrichtung von 26 Rr Referenzwiderstand
in der gegenüber dem Gestell 14' wirksamen Meßeinrichtung 26' Rr Referenzwiderstand
in der gegenüber der Erde oder einem Gestell wirksamen beliebigen Meßeinrichtung
RtE Eingangswiderstand bei der gegenüber der Erde wirksamen Baugruppe 11 Rt1 Eingangswiderstand
bei der gegenüber dem Gestell 14 wirksamen Baugruppe 11' Rh Eingangswiderstand für
17 R Eingangswiderstand von 17 R Stellwiderstand für positive Überspannungsschwelle
sp R sm Stellwiderstand für negative Überspannungsschwelle S Schaltelement, Reedrelais
Ub
Batteriespannung des Stromspeichers 13 +Ubl positive Betriebsspannung aller Bauteile
der Meßeinrichtung 15 und der Auswerteeinrichtung 30 -Ubl negative Betriebsspannung
aller Bauteile der Meßeinrichtung 15 und der Auswerteeinrichtung 30 Um Teilspannung
an Rm mit eingeschaltetem Rr r Um Teilspannung an Rm mit ausgeschaltetem Rr Vu Spannungsverhältnis
der Spannungsabfälle über Rp und Rm ZiE Innenwiderstand des Eingangsverstärkers
bei 26 Zi Innenwiderstand des Eingangsverstärkers bei 26'