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Kennwort: "(2) Kombinierte Überwachung"
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Verfahren zum Überwachen der Isolationswiderstände einer Schar von
Baugruppen einer elektrischen Anlage mit gemeinsamer erdfreier Stromversorgung,
insbesondere einer fernmelde-oder signaltechnischen Einrichtung Die Erfindung bezieht
sich auf ein Überwachungsverfahren der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen
Art.
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Bei dem bekannten Verfahren werden zur Überwachung der Isolationswiderstände
Brückenschaltungen eingesetzt, um die beiden zu überwachenden Isolationswiderstände
ausschließlich über ein Spannungsverhältnis zu kontrollieren. Und zwar verwendet
man hierzu obere und untere Grenzwerte, die ein Bewegungsfenster bestimmen, in welchem
sich das zu überwachende Spannungsverhältnis verändern darf, aber Alarm gegeben
wird, wenn das beobachtete Spannungsverhältnis über die beiden Grenzwerte hinausgeht.
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Der Nachteil des bekannten Verfahrens ist, daß ein Alarm auch dann
gegeben wird, wenn die Überschreitungen des Grenzwertes nicht auf einer unzumutbaren
Verschlechterung der Isolationswiderstände beruhen, sondern durch andere Umstände
in der elektrischen Anlage veranlaßt worden sind. So kann sich das Spannungsverhältnis
über die beiden Grenzwerte hinaus auch dadurch verändern, daß einer der Isolations-
widerstände
angewachsen, also "besser" geworden ist. Letzteres kann damit zusammenhängen, daß
sich Fehler in der Isolation selbst beheben, z.B. früher einmal eingedrungene Feuchtigkeit
aus der Isolation entweicht. Ein solcher scheinbarer Fehlerfall ergibt sich beispielsweise
auch durch Abschalten von Teilstücken in einer Baugruppe der Anlage, das ebenfalls
zu einer Erhöhung der beobachteten Isolationswiderstände führt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff
des Anspruches 1 genannten Art zu entwickeln, das auf einfache Weise einen scheinbaren
Fehlerfall von einem wirklichen unterscheiden kann und dabei zugleich Kriterien
für eine sichere weitere Überwachung liefert. Dies wird erfindungsgemäß durch die
im Kennzeichen des Anspruches 1 angeführten Verfahrensschritte erreicht, denen folgende
besondere Bedeutung zukommt: Erreicht das überwachte Spannungsverhältnis bestimmte
Grenzwerte, die jetzt von einem definierten Fehlerspannungs-Verhältnis festgelegt
sind, so wird nicht gleich Alarm ausgelöst, sondern es wird ein Verfahren zur quantitativen
Bestimmung der aktuellen Isolationswiderstände ausgelöst, um damit festzustellen,
ob ein wirklicher oder nur ein scheinbarer Fehlerfall vorlag. Bei diesem neuen Verfahren
wird zunächst ein Referenzwiderstand dem jeweils größeren der beiden zu überwachenden
Isolationswiderstände parallelgeschaltet; dem größeren deshalb, damit der ohnehin
kleinere durch die Zuschaltung nicht indes noch weiter verringert wird. Durch den
parallelgeschalteten Referenzwiderstand stellt sich ein verändertes ier Spannungsverhältnis
ein, dessen Teilspannungen die notwendige Berechnung der tatsächlichen Isolationswiderstände
zuläßt.
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Die dem erfindungsgemäßen Verfahren unterliegende elektrische Baugruppe
ist mit Kapazitäten behaftet, was zur Folge hat, daß die zu bewertende und durch
Zuschalten des Referenzwiderstandes sich ergebende neue Teilspannung nicht sogleich
eintritt, sondern sich nach einer e-Funktion allmählich einstellt.
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Eine für die Berechnung brauchbare Messung ist erst nach Ablauf des
Einschwingvorgangs möglich. Dieser läßt sich, was in der Beschreibung noch näher
ausgeführt wird, durch zwei Testmessungen in zeitlich gleichen kurzen Abständen
schnell feststellen und nach dieser errechneten Dauer kann die Teilspannung gemessen
werden. Jetzt ist, anstelle der vorausgehenden passiven Überwachung des Widerstandsverhältnisses
eine aktive Bestimmung der konkreten aktuellen Isolationswiderstände Rm sowie Rp
möglich. Man kann jetzt genau erkennen, ob diese ermittelten aktuellen Widerstände
unterhalb des noch tolerierbaren Grenzwiderstandes liegen. Ist dies der Fall, so
wird folgerichtig Alarm gegeben, in allen anderen Fällen liegt aber nur ein scheinbarer
Isolationsfehler gemäß dervorausgehenden Überwachung des Widerstandsverhältnisses
vor und es braucht folglich kein Alarm gegeben zu werden. Das erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht in diesem Fall auch in Zukunft eine einwandfreie Überwachung des Spannungsverhältnisses,
weil die ermittelten aktuellen Isolationswiderstände Rm, Rp zugleich herangezogen
werden, um die neuen Fehlerspannungs-Verhältnisse zu bestimmen, welche die Grenzwerte
für ein neues Bewegungsfenster liefern, in welchem sich das zu überwachende Spannungsverhältnis
künftig verändern darf. So ist das Bewegungsfenster dem aktuellen Tatbestand der
vorliegenden Isolationswiderstände optimal angepaßt. Obwohl die Isolationswiderstände
sich verändert haben, ist die künftige Überwachung nicht schlechter, sondern eher
besser geworden.
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Ausweislich des Anspruches 2 kann der Referenzwiderstand natürlich
aus einer Schar von Einzelwiderständen jeweils zusammengesetzt werden, um den individuellen
Verhältnissen einer jeden Baugruppe der Anlage Rechnung zu tragen.
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Das mit dem Zuschalten des Referenzwiderstandes eingeleitete besondere
Meßverfahren nach der Erfindung wird, gemäß Anspruch 3, jeweils zu Beginn des Betriebs
der Anlage veranlaut, später aber, gemäß Anspruch 4, in größeren programmierbaren
bestimmten Abständen. Dadurch soll sichergestellt werden, daß dann auch jene Fehler
erfaßt werden, bei denen die beiden Isolationswiderstände sich mehr oder weniger
proportional zueinander verändern und daher das zunächst beobachtete Verhältnis
aus ihren Spannungsabfällen keine den tatsächlichen Verhältnissen entsprechende
Änderung erkennen läßt.
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Damit werden auch solche bei dem bekannten Verfahren nicht feststellbare
Fehler zuverlässig erfaßt , so daß man in der übrigen Zeit mit einer die Baugruppen
schonenden passiven Überwachung des Spannungsverhältnisses auskommt.
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Aus Sicherheitsgründen empfiehlt es sich, oberhalb und unterhalb des
Bewegungsfensters noch eine weitere obere und untere Schranke für nicht mehr tolerierbare
Kurzschluß-Spannungsverhältnisse gemäß Verfahrensanspruch 5 vorzusehen, weil damit
auch extreme Kurzschlußfälle eine angemessene Behandlung finden. Mit dieser Verfahrensmaßnahme
ist es auch möglich, gemäß den in Anspruch 6 und 7 angegebenen Verfahrensschritten
scheinbare Kurzschluß-Fälle zu erkennen und sogar die Ursachen für ihre Veranlassung
zu identifizieren.
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Schließlich empfiehlt es sich, um eine schnelle Betriebsbereitschaft
der Anlage nach einem Fehlerfall herbeizuführen, die Verfahrensmaßnahmen nach Anspruch
9 anzuwenden.
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In den Zeichnungen ist die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel
dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignete Schaltung, Fig. 2 als Anwendungsbeispiel das Zeitdiagramm über das bei
einer Baugruppe der Anlage von Fig. 1 beobachtete Spannungsverhältnis Vu, worin
das zwischen den zulässigen Grenzwerten liegende Bewegungsfenster und die nicht
mehr tolerierbaren Kurzschlußspannungsverhältnisse jeweils durch Schraffur verdeutlicht
sind, Fig. 3 ein der Fig. 2 entsprechendes Diagramm, worin ein scheinbarer Isolationsfehler
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt wurde und zur Schaffung eines neuen,
besser angepaßten Bewegungs fensters führte, Fig. 4 ein Diagramm, worin ein Kurzschlußfehler
demonstriert ist, Fig. 5 die Detailansicht der Schaltung von Fig. 1, die einen ersten
scheinbaren Kurzschluß-Fehler infolge eines fehlenden Leitungs-Anschlusses beschreibt,
Fig. 6 ein Diagramm, worin die durch den in Fig. 5 gezeigten Fehler sich ergebenden
Betriebsverhältnisse verdeutlicht sind, Fig. 7 ein Diagramm, das einen scheinbaren
Kurzschlußfehler und die daraus folgende Reaktion der Überwachungseinrichtung näher
erläutert,
Fig. 8 in einer Detailansicht von Fig. 1 schaltungstechnische
Maßnahmen, die im Falle des in Fig. 7 gezeigten scheinbaren Kurzschluß-Fehlers zu
treffen sind.
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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.
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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.
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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.
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Im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 sind, ausgehend von der Erde 1z,
gegenüber dem Pluspol p der Isolationswiderstand RPE und gegenüber dem Minuspol
m der Isolationswiderstand RmE zu überwachen. Dementsprechend sollen bei der Baugruppe
11' die beiden Isolationswiderstände Rpl und Rml gegenüber dem Gestell 14' beobachtet
werden.
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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 ausweislich der Formel (A) in den Zeichnungen
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.
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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.
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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.
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Ausweislich der in Fig. 1 gestrichelten Linie 31 könnte der Wählschalter
23 auch an dieser Stelle der Meßeinrichtung 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 ganzenMeßeinrichtung 15 und
der Auswerteeinrichtung 30 die gleiche Betriebs spannung Ubl verwendet werden. Dies
ergibt sich als außerordentlich wichtiger Vorteil durch Verwendung des diesen Einrichtungen
15, 30 gemeinsamen Bezugspotentials m.
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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.
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Die Auswerteeinrichtung vergleicht fortlaufend das jeweilige
Spannungsverhältnis
Vu mit definierten Fehlerspannungsverhältnissen VRmf und VRpf. Diese Fehlerspannungs-Verhältnisse
gehen von einem noch tolerierbaren Grenzwiderstand Rmf und Rpf andererseits aus,
welche in der betreffenden Baugruppe die zugehörigen Isolationswiderstände Rm bzw.
Rp einnehmen könnten. Diese Fehlerspannungs-Verhältnisse werden nach den in den
Zeichnungen durch die beiden Formeln (B) gegebenen Beziehungen aus den aktuellen
gemessenen Isolationswiderständen Rp und Rm ermittelt. Dabei ist das reziproke Bildungsgesetz
zu beachten. Im zeitlichen Ablauf ergeben sich dann die im Diagramm von Fig. 2 gezeigten
Betriebsverhältnisse, woraus folgendes zu ersehen ist.
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In der vertikalen Achse des Diagramms von Fig. 2 ist das erwähnte
Spannungsverhältnis Vu aufgetragen, während horizontal die Zeit-Achse angeordnet
ist. Die beiden erwähnten Fehlerspannungs-Verhältnisse VRmf und VRpf erscheinen
als zur Zeitachse t parallele Linien in Fig. 2 und bestimmen obere und untere Grenzwerte,
zwischen denen das Spannungsverhältnis Vu sich im zeitlichen Verlauf verändern darf,
was in;Fig. 2 durch die Kurve 18 angedeutet ist. Die beiden Grenzwerte VRmf und
VRpf bestimmen ein Bewegungsfenster 17, zwischen denen, ohne daß ein Fehlerfall
festgestellt wird, die Kurve 18 sich bewegen darf.
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Fig. 3 zeigt einen "Fehlerfall", wo die analoge Kurve 18' über den
zeitlichen Verlauf des beobachteten Spannungsrerhältnisses Vu die eine Grenze VRmf
erreicht oder sogar überschritten hat, also in das schraffiert in Fig. 2 und 3 angedeutete
Feld des Diagramms gelangt ist. Wie Fig. 3 verdeutlicht, soll dieses Ereignis im
Zeitpunkt t stattfinden.
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In diesem Zeitpunkt wird, wie an der Kurve 18' durch die
Parameter-Angabe
verdeutlicht ist, über dem Isolationswiderstand Rm deruidebEMe Spannungsabfall Um
gemessen.
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Durch einen von der Auswerteeinrichtung 30 ausgehenden, in Fig. 1
nicht näher gezeigten Steuerimpuls wird ein bewegliches Kontaktglied in einem Schalter
35 der jeweils beobachteten Baueinheit 11 bzw. 11' umgelegt, so daß ein zugehöriger
Referenzwiderstand Rr bzw. RrE parallel zu jenem Isolationswiderstand geschaltet
wird, der jeweils größer ist und nicht den Fehlerfall ausgelöst hat. Im vorgenannten
Fall würde folglich der Schalter 35 den Referenzwiderstand Rrl parallel zum Isolationswiderstand
R schalten. Die überwachte Anlage lo ist aber, wie Fig. 1 andeutet, mit Kapazitäten
behaftet, die entsprechend ihrer Parallel-Lage zu den jeweiligen Widerständen mit
Cpl, Cml, CPE und Cm bezeichnet sind. Dies hat zur Folge, daß die gemessene Spannung
vom Zeitpunkt t an sich nach einer Exponentialfunktion allmählich verändert, wie
durch das Kurvenstück 21 in Fig. 3 näher gezeigt ist. Es findet ein Einschwingvorgang
statt, der in manchen Fällen beispielsweise 1 Minute betragen kann. Es wird daher,
wie Fig. 3 verdeutlicht, während zweier aufeinanderfolgender Zeiten tl und t2, die
aber jeweils in zueinander gleicher Zeitdifferenz dtl liegen, Testmessungen der
sich dann ergebenden Meßspannung vorgenommen, welche zu den aus Fig. 3 ersichtlichen
Werten Umtl und Umt2 im Kurvenstück 21 führen. Mit Hilfe der Meßergebnisse bei diesen
drei Messungen bei to, tl und t2 läßt sich über die aus den Zeichnungen unter (C)
angeführte Näherungsgleichung die Einschwingdauer td errechnen, was ebenfalls von
dem Rechner in der Auswerteeinrichtung 30 übernommen wird. Nach Ablauf dieser Einschwingdauer
td kann erst die durch Einschalten des Referenzwiderstandes Rr sich ergebende Teilspannung
ermittelt werden. Dies wird ebenfalls von dem Rechner der Auswerteein-
richtung
30 übernommen, der die Berechnung nach folgenden beiden Gleichungen aus den bekannten
Werten ermittelt, wenn, wie im angenommenen Fall, der Referenzwiderstand Rr dem
zugehörigen Isolationswiderstand Rp parallel geschaltet worden ist:
Sofern aber der Referenzwiderstand Rr parallel dem anderen Isolationswiderstand
Rm in der betreffenden Baueinheit zugeschaltet wird, so ergeben sich die folgenden
abweichenden Gleichungen für die aus Fig. 2 ersichtliche Schaltung:
In Fig. 3 ist auch der Meßpunkt Umr im Kurvenstück 21 am Ende der Einschwingzeit
td im Kurvenstück 21 angeführt.
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Dann wird der Schalter 35 durch einen entsprechenden Impuls vom Computer
der Auswerteeinrichtung 30 wieder geöffnet, weshalb dann, wiederum nach einer Exponentialfunktion
das beobachtete Spannungsverhältnis Vu wieder anzusteigen beginnt, was in Fig. 3
durch ein gegenläufiges, sich anschließendes Kurvenstück 22 verdeutlicht ist. Auch
hier ergibt sich wieder ein Einschwingvorgang, der aber wesentlich länger dauert
als der vorausgehende Einschwingvorgang t beim Einschalten des Referenzwiderstandes
Rr, nämlich beispielsweise etwa 20 Minuten. Während dieses Einschwingvorgangs im
Kurvenstück 22 läßt sich das tatsächliche Spannungsverhältnis Vu noch nicht ermitteln.
Um diesen Vorgang zu beschleunigen, wird erfindungsgemäß weiter vorgeschlagen, einen
Widerstand, insbesondere den ohnehin verfügbaren Referenzwiderstand Rr, parallel
dem jeweils anderen Isolationswiderstand zu schalten. Ausgehend von dem vorbeschriebenen
Fall,bei dem Rr parallel zu Rp geschaltet wurde, wird jetzt der Schalter 35 den
Referenzwiderstand Rr parallel zum Isolationswiderstand Rmschalten. Dadurch ergibt
sich ein wesentlich kürzerer Einschwingvorgang im Kurvenstück 22 und es wird eine
schnellere Betriebsbereitschaft in der betreffenden Meßeinrichtung erreicht.
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Die auf die vorgenannte Weise ermittelten beiden aktuellen Isolationswiderstände
Rm und Rp werden nun daraufhin überprüft, ob sie tatsächlich die noch tolerierbaren
oben erwähnten Grenzwiderstandswerte Rmf bzw. Rpf erreichen. Ist dies der Fall,
so wird von der Auswerteeinrichtung 30 Alarm ausgelöst und dieser Alarm auch angezeigt.
Zweckmäßigerweise wird auch der Zeitpunkt der Alarmauslösung festgehalten. Wie schon
eingangs erwähnt wurde, kann aber auch ein scheinbarer Fehlerfall auftreten, der
sich beispielsweise durch Abschalten von Teilkreisen der Baugruppen
ergibt,
und zwar das Spannungsverhältnis Vu auch an den oberen und unteren Grenzwert VRmf
bzw. VRpf führt, aber nicht auf einer unzumutbaren Erniedrigung des Isolationswiderstande$
Rm bzw. Rp beruht. Es kann sogar jeweils andere sein, daß der rsolationswiderstand
in Wirklichkeit besser als vorher geworden ist. Dies wird vom Auswertegerät 30 sofort
festgestellt, weil dann die ermittelten aktuellen Isolationswiderstände Rm, Rp nicht
die Grenzwiderstände Rmf bzw. Rpf erreichen. Die Auswerteeinrichtung 30 gibt jetzt
keinen Alarm, sondern veranlaßt Korrekturen der Überwachung in folgender Weise.
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Anhand der ermittelten aktuellen Isolationswiderstände Rm, Rp werden
anhand der bereits oben erwähnten Formeln (B) neue Fehlerspannungs-Verhältnisse
ermittelt, die jetzt, wie Fig. 3 verdeutlicht, zu neuen Grenzwerten V' und Rmf V'Rpf
führen. Diese bestimmen ein dementsprechendes neues Rpf Bewegungsfenster 17', in
welchem sich in der weiteren Folge das beobachtete Spannungsverhältnis Vu verändern
darf, ohne einen neuen Fehlerfall auszulösen. Damit ergibt sich eine bessere Anpassung
an die neuen Verhältnisse.
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Wie schon aus Fig. 2 zu entnehmen ist, sind in einigem Abstand oberhalb
des Bewegungsfensters 17 weitere obere und untere Schranken Vmks und Vpks angeordnet,
welche nicht mehr tolerierbare Kurzschlußverhältnisse festlegen, die in keinem Fall
überschritten und unterschritten werden dürfen und daher in den Fig. 2 bis 8 kreuz
schraffiert angedeutet sind. Man könnte diese Schranken durch eine den Formeln (B)
vergleichbare Definition festlegen, die mit minimalen, nicht mehr tolerierbaren
Kurzschluß-Isolationswiderständen bestimmt werden. In Praxis geht man aber so vor,
daß man einen Kurzschlußfall bereits dann annimmt, wenn das Spannungs-
verhältnis
sich von dem normalen Wert wie 1:50 verändert.
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Ein solches Ereignis wird von der Auswerteeinrichtung 30 als "Kurzschlußfall"
angesehen. Dieser kann nun tatsächlich vorliegen oder durch andere fehlerhafte Umstände
begründet sein, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ohne weiteres ermittelt
werden können, wie anhand der übrigen Fig. 4 bis 8 näher erläutert ist. Dazu wird
das erfindungsgemäße Verfahren in der jeweils nachfolgend angeführten Weise modifiziert.
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Im Diagramm von Fig. 4 wird ein Kurzschlußfall angenommen, wo im Zeitpunkt
t die untere Schranke Vpks durch einen 0 unzulässig kleinen Isolationswiderstand
Rpf festgestellt worden ist. Eine komplette Isolationsmessung im Sinne der Fig.
3 würde jetzt zu viel Zeit in Anspruch nehmen, zumal solche Kurzschlußfehler häufig
nur äußerst kurz sind, z.B. 2,5 Sekunden dauern. Im übrigen ist man natürlich auch
bestrebt, einen wirklichen gravierenden Kurzschlußfall möglichst schnell zu ermitteln.
Deshalb wird jetzt erfindungsgemäß ein verkürztes Prüfungsverfahren angewendet,
welches folgendermaßen arbeitet: Der Referenzwiderstand Rr wird auch jetzt wieder
dem hochohmigeren der beiden Isolationswiderstände Rm parallel geschaltet und es
ergibt sich nachbestirtmter Zeit, im Zeitpunkt t1 ein Spannungswert, der in Fig.
4 durch den entsprechenden Parameter Umtl gekennzeichnet ist. Dies führt zu der
aus Fig. 4 ersichtlichen aktuellen Spannungsänderung dUmt1, die von der Auswerteeinrichtung
30 mit einem bestimmten vorgegebenen Schwellenwert dUs verglichen wird. Die Höhe
dieses Schwellenwertes dUs richtet sich nach der Größe des Referenzwiderstandes
Rr und dem nicht mehr tolerierbaren minimalen Isolationswiderstand sowie der
zugehörigen
Kapazität der Anlage lo. Jetzt kann es zu folgenden beiden Fallunterschieden kommen.
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Ist bei der Messung eine Spannungsänderung dUmt1 ermittelt worden,
die, wie in Fig. 4 verdeutlicht, unterhalb dieses Schwellenwertes dU5 liegt, so
liegt ein tatsächlicher "Kurzschlußfall" vor, der zu ezementsprechendenAlarm durch
die Auswerteeinrichtung 30 führt. Die weitere Messung der Isolationswiderstände
Rm bzw. Rp wird nicht mehr veranlaßt und auch nicht angezeigt. Es wird aber ein
entsprechendes Signal gegeben und es können zweckmäßigerweise die dabei vorliegenden
Kurzschlußspannungen Um bzw. Up angezeigt werden, wobei auch der Zeitpunkt dieses
Kurzschlußfalls festgehalten wird.
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Im anderen Fall, wo nach Ablauf einer definierten Zeitspanne zwischen
tl und t eine gegenüber dem erwähnten Schwellenwert dU5 größere Spannungsänderung
dUmt1 sich ergibt, liegt kein wirklicher Kurzschlußfall, sondern nur ein scheinbarer
Kurzschlußfall vor, der vermutlich durch einen Umladevorgang der Kapazitäten in
der betreffenden Baugruppe 11 bzw. 11' der signaltechnischen Anlage lo zustande
gekommen ist. Jetzt kann, ohne zeitlichen Druck, die bereits beschriebene Messung
der Isolationswiderstände im Sinne der Fig. 3 ausgeführt werden. Dies kann zunächst
von der Auswerteeinrichtung 30 angezeigt und dann durch eine Beobachtungsperson
in die Wege geleitet werden. Es wäre aber auch möglich, daß die Auswerteeinrichtung
30 ein entsprechendes Programm besitzt, welche die vorbeschriebene Verfahrensweise
selbsttätig steuert.
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Es können bei der Kurzschlußüberwachung schließlich auch Sonderfälle
auftreten, von denen ein erster im Diagramm
von Fig. 6 veranschaulicht
ist und auf Verhältnissen beruht, die vorausgehend in Fig. 5 dargestellt sind, wo
der untere linke Teil der Schaltung von Fig. 2 Siiederge geben ist. Wie aus Fig.
5 erkennbar, soll angenommen werden, daß der Anschlußstecker der Meßeinrichtung
15 hinsichtlich dieser Baugruppe 11 nicht steckt; es soll die Verbindung der Anschlußleitung
29 gegenüber der Erde 14 nicht bestehen. Wie in Fig. 6 verdeutlicht, sinkt der ermittelte
Spannungswert Umto auf den Wert Null. Die angedeutete Schranke Vmks wird jetzt überschritten
und es wird folglich der Referenzwiderstand Rr, wie im erfindungsgemoßen Verfahren
vorausgehend beschrieben wurde, dem anderen Isolationswiderstand Rp parallel geschaltet.
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Jetzt steigt die Meßspannung auf den in Fig. 6 angedeuteten Wert Umtl,
der annähernd der Batteriespannung Ub entspricht.
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Dieser Wert ist in Fig. 6 als Parameter mit eingezeichnet.
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Ein solches Ereignis ist für das erfindungsgemäße Verfahren ein Kriterium,
daß der Stecker des Geräts nicht eingesteckt ist bzw. nicht ordnungsgemäß funktioniert.
Dies wird in der Auswerteeinrichtung 30 festgestellt und entsprechend angezeigt.
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Die Bedienungsperson kann eine entsprechende Behebung dieses Defekts
vornehmen. Wie ersichtlich, ist im Falle der Fig. 6 der Spannungsanstieg beträchtlich
höher als der Schwellenwert dU5, nämlich nahezu gleich Ub. Erreicht die Spannungsänderung
nicht diese hohen Werte, so ist dies ein Hinweis für eine sogenannte "Anzeigebereichs-Überschreitung",
die nachfolgend im Zusammenhang mit Fig. 7 und 8 näher beschrieben wird.
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In der Anlage lo kann es vorkommen, daß bei manchen Baugruppen die
zu überwachenden Isolationswiderstände Rp, Rm extrem hochohmig sind und aus diesem
Grunde von der Meßvorrichtung 15 nicht verarbeitet werden können. Die Folge
ist,
daß, wie Fig. 7 erläutert, das beobachtete Spannungsverhältnis Vu in den kreuzschraffierten
Bereich des Diagramms gelangt, beispielsweise über die eingezeichnete untere Kurzschluß-Schranke
Vom . Es wird, wie schon oben erläutert wurde, zum Zeitpunkt t der Referenzwiderstand
Rr durch den erwähnten Schalter 35 wirksam gesetzt, und zwar parallel zu dem in
der dargestellten Baugruppe 11 befindlichen Isolationswiderstand RPE Dadurch schließt
sich an die bisherige Kurve 18'' ein wieder exponentielles Kurvenstück 21'' an,
das nach einer definierten Zeit tl den aus Fig. 7 ersichtlichen Spannungsabfall
Umt1 erreicht.
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Daraus ergibt sich die ersichtliche Spannungsänderung dUmtl, die zwar
größer als der bereits erwähnte vorgegebene Schwellenwert dU5 , aber kleiner als
die Batteriespannung Ub ist. Dieser Tatbestand wird von der Auswerteeinrichtung
30 erkannt und in der zugehörigen Anzeige entsprechend kenntlich gemacht. Dann wird
der zum Referenzwiderstand Rr gehörende Schalter 35 geöffnet und es schließt sich
im Kurvenverlauf von Fig. 7 wieder ein exponentieller Abfall 22'' auf den Ausgangswert
an.
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Die Anzeige der Auswerteeinrichtung 30 macht aber die Bedienungsperson
darauf aufmerksam, daß bei diesem Verhalten eine "Anzeigebereichs-Überschreitung"
vorliegt. Die Bedienungsperson wird daher extern zur Meßeinrichtung, also in der
Baugruppe 11 innerhalb der Anlage lo, wie Fig. 7 zeigt, einen ausreichend hohen
Zusatzwiderstand Rz parallel zu dem betreffenden Isolationswiderstand RPE schalten,
deretwa:demEingangswiderstand der Meßeinrichtung 15 entspricht. Bei der künftigen
Überwachung der Baugruppe 11 hat dies zur Folge, daß das beobachtete Spannungsverhältnis
Vu wieder innerhalb des Bewegungsfensters 17 von Fig. 7 liegt. Kommt es jetzt zu
aktiven Messungen der Isolationswiderstände, so wird geräteseitig der Referenzwiderstand
Rr aufgrund der genannten Betriebsbedingungen dem größeren Isolationswiderstand
parallel-geschaltet,
worauf sich die übliche Bestimmung der aktuellen Isolationswerte unter Einbeziehung
des parallel geschalteten Zusatzwiderstandes Rz ergibt.
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Die im Zusammenhang mit Fig. 3 geschilderten Verfahrensschritte werden
nicht nur im Fehlerfall veranlaßt, sondern zweckmäßigerweise auch unabhängig davon
in folgenden beiden Fällen ausgeführt. Zu Beginn des Betriebs, also beim Einschalten
der Meßeinrichtung wird, bewirkt durch eine in der Auswerteeinrichtung 30 befindliche
Steuerung, automatisch eine Messung der aktuellen Isolationswiderstände Rm, Rp veranlaßt
und damit auch die das Bewegungsfenster 17 bestimmenden oberen und unteren Grenzwerte
VRmf und VRpf bestimmt. Dies wird natürlich für jede einzelne Baugruppe 11, 11'
der Anlage lo ausgeführt.Damit ist der weitere Betrieb in der geschilderten erfindungsgemäßen
Weise gewährleistet.
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Die Steuermittel im Bereich der Auswerteeinrichtung 30 sorgen auch
dafür, daß zumindest in jenen Fällen, wo eine aktive Messung der Isolationswiderstände
Rm, Rp nicht stattgefunden hat, die entsprechenden Referenzmessungen in regelmäßigen
zeitlichen Abständen, z.B. spätestens alle 24 Stunden, ausgeführt werden. Die dabei
erlangten neuen Werte werden dann gespeichert und sind für die Bestimmung der oberen
und unteren Grenze VRmf und VRpf des Bewegungsfensters 17 maßgeblich. Dadurch werden
auch jene Fälle erfaßt, wo sich die beiden Isolationswiderstände Rp, Rm proportional
zueinander verändern sollten und daher bei dem beobachteten Spannungsverhältnis
Vu normalerweise nicht in Erscheinung treten. Dadurch ist eine zuverlässige Überwachung
gewährleistet.
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Kennwort: "(2) Kombinierte Überwachung" 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 Bewegungsfenster für Vu 17' neues Bewegungsfenster
für Vu (Fig. 3) 18 Kurve der zeitlichen Veränderung von Vu (Fig. 2) 18' Kurve der
zeitlichen Veränderung von Vu (Fig. 3) 18'' Kurve der zeitlichen Veränderung von
Vu (Fig. 7 ) 19 Eingangsverstärker 20 Bauelement, Filter 21 exponentielles Kurvenstück
von Vu beim Einschalten von Rr (Fig. 3) 21'' exponentielles Kurvenstück von Vu beim
Einschalten von Rr (Fig. 7) 22 exponentielles Kurvenstück beim Ausschalten von Rr
(Fig. 3) 22'' exponentielles Kurvenstück beim Ausschalten von Rr (Fig. 7) 23 Wählschalter
24 bewegliches Kontaktglied von 23 25 fester Kontakt von 23 26 Eingangskreis zu
11 26' Eingangskreis zu 11' 27 olceschaltung 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 Cp1
Kapazität parallel R Cm1 Kapazität parallel Rml CPE Kapazität parallel RpE Cm Kapazität
parallel RmE m Pol leitung zum Minuspol von 13 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 Rmf noch tolerierbarer Grenzwiderstand von Rm Rpf noch tolerierbarer
Grenzwiderstand von Rp Rpl Isolationswiderstand zwischen Pluspol und Gestell 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 Rt Eingangswiderstand
bei der gegenüber dem Gestell 14 wirksamen Baugruppe 11' R Zusatzwiderstand in Fig.
8 RpE Isolationswiderstand zwischen Pluspol und Erde 14
td Einschwingdauer
tn Zeitpunkt zum Einschalten von Rr tl Zeitpunkt nach Zeitdifferenz t2 Zeitpunkt
nach der doppelten Zeitdifferenz dt dt1 Zeitdifferenz zwischen tl - t bzw. t2 -
tl 0 Ub Batteriespannung des Stromspeichers 13 +Ubl positive Betriebsspannung aller
Bauteile von 15 und 30 -Ubl negative Betriebsspannung aller Bauteile von 15 und
30 Umr Teilspannung bei Rm mit parallel geschaltetem Rr Up Spannungsabfall über
dem Isolationswiderstand Rp Um Spannungsabfall über dem Isolationswiderstand Rm
dUmtl Spannungsänderung zwischen Umto und Umtl Umto Spannungsabfall an Rm im Fehlerfall
bei t Umtl Spannungsabfall an Rm bei tl Umt2 Spannungsabfall an Rm bei t2 dU5 Schwellenwert
der Spannungsänderung Um Vu Spannungsverhältnis der Spannungsabfälle bei R=p und
Rm VRmf Fehlerspannungsverhältnis bei Rmf neues Fehlerspannungsverhältnis bei Rmf
VRpf Fehlerspannungsverhältnis bei Rpf V'Rpf neues Fehlerspannungsverhältnis bei
Rpf Rpf Vmks obere Kurzschluß-Schranke Vpks untere Kurzschluß-Schranke Zi Innenwiderstand
des Eingangsverstärkers E Zi Innenwiderstand des Eingangsverstärkers 19
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