DE3810792A1 - Schaltungsanordnung zum verhindern des anstehens von wechselspannungen an freigeschalteten primaereingaengen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schutz von Rückspeisung von Wechselspannung aus einem über mehrere, mit Primär- und Sekundäreingängen versehene magnetische Spannungskonstanthalter gespeisten, mit deren Sekundäreingängen verbundenen Wechselspannungsnetz auf die Primäreingänge dieser Konstanthalter.

Eine solche Schaltungsanordnung wird benötigt, wenn nach Freischaltung der Primäreingänge einzelner, in ein gemeinsames Netz speisender magnetischer Spannungskonstanthalter eine Personengefährdung vermieden werden soll.

Beispielsweise werden Breitbandkabelzwischenverstärker in Einrichtungen der Deutschen Bundespost über ein 65V-Wechselstromnetz ferngespeist. Aus Redundanzgründen kann eine Speisung des 65 V-Netzes an zwei oder mehr Stellen vorgesehen sein. Diese erfolgt aus dem 220 V-Netz über magnetische Spannungskonstanthalter. Wird hier einer der Konstanthalter primärseitig vom 220 V-Netz getrennt, so sind dessen jetzt frei zugängliche Eingangsklemmen keineswegs spannungsfrei, sondern sie führen eine durch Rückspeisung aus dem von den anderen Konstanthaltern nach wie vor versorgten 65 V-Netz erzeugte, gefährlich hohe Spannung.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Personengefährdung durch derartige Spannungen auszuschließen.

Eine Schaltungsanordnung, die diese Aufgabe löst, wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale beschrieben.

Durch die Erfindung wird eine einfache, wenig störungsanfällige Schaltung zum Schutz vor Rückspeisung geschaffen, die sicher erkennt, wenn ein Konstanthalter nicht mehr an der Speisung beteiligt ist, und daraufhin dessen Sekundärwicklung von dem Wechselstromnetz freischaltet. Damit wird neben einer Gefährdung von Personen auch die Rückspeisung in ein abgeschaltetes primärseitiges 220 V-Netz verhindert, die das sekundäre Wechselstromnetz stark belasten würde, sofern an das 220V-Netz noch weitere Verbraucher angeschlossen sind. Auch bei irrtümlicher Verbindung zweier sekundärer Netze wird die Rückspeisung in ein primärseitiges, abgeschaltetes Netz verhindert.

Die Patentansprüche 2 und 3 enthalten einfache Ausführungsbeispiele für die Schaltungsanordnung nach der Erfindung.

Anhand von Zeichnungen soll nun ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung nach der Erfindung eingehend beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt schematisch ein an zwei Stellen über magnetische Spannungskonstanthalter gespeistes Wechselspannungsnetz,

Fig. 2 zeigt ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 3 zeigt Strom- und Spannungsverläufe, anhand derer die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erklärt werden kann.

In Fig. 1 ist schematisch ein Wechselspannungsnetz dargestellt, das an zwei Stellen über magnetische Spannungskonstanthalter SK 1, SK 2 aus verschiedenen Teilen des öffentlichen 220 V-Netzes gespeist wird. Das Wechselspannungsnetz führt die Spannung U _s und dient der Speisung mehrerer, örtlich voneinander entfernter Breitband-Kabelverstärker BV 1, ..., BV 4. Es kann als zweiseitig gespeistes Netz konzipiert sein, es kann aber auch, wie in Fig. 1 dargestellt, durch eine versehentlich angebrachte Verbindung VV aus zwei zuvor voneinander unabhängigen Netzen entstanden sein. Vor allem im letzteren Fall stellt das unvermutete Auftreten einer Rückspannung U _G an den mittels eines Trennschalters TS freigeschalteten Primärklemmen des Konstanthalters SK 2 eine Gefahr dar.

In Fig. 2 ist schematisch die einem magnetischen Spannungskonstanthalter SK zugeordnete Schaltung, die das Auftreten einer Rückspannung an Primärklemmen P 1, P 2 des Spannungskonstanthalters ausschließt, dargestellt. Ein Trennrelais A mit einem unmittelbar vor die Sekundärwicklung des magnetischen Spannungskonstanthalters SK geschalteten Unterbrecherkontakt a ₁ wird von einer sekundärseitigen Fühlerschaltung angesteuert. Die Fühlerschaltung erfaßt die Phasenbeziehung zwischen Strom und Spannung auf der Sekundärseite des Konstanthalters und stellt fest, wenn sich der Konstanthalter nicht mehr als Stromquelle an der Speisung eines Wechselspannungsnetzes N beteiligt, sondern sich, primärseitig abgeschaltet, wie eine kapazitive oder gemischt ohmisch-kapazitive Last verhält. Die Fühlerschaltung greift die Spannung U des Wechselspannungsnetzes N sowohl direkt, als auch über einen 90°-Phasenschieber PS ab. Außerdem erfaßt sie den Spannungsabfall U _r an einem Widerstand R, über den der gesamte, in das Wechselspannungsnetz gespeiste Strom J fließt. Das direkt abgegriffene und das über den Phasenschieber PS abgegriffene Spannungssignal sowie auch das am Widerstand R abgegriffene, dem Speisestrom proportionale Signal werden je einem Verstärker V 1, V 2 und V 3 zugeführt, dort verstärkt und anschließend mittels Spannungsbegrenzerschaltungen (Begrenzern) BG 1, BG 2, BG 3 auf gleiches, digital verarbeitbares Spannungsniveau gebracht.

Das aus dem direkt abgegriffenen Spannungssignal gewonnene Ausgangssignal U _d des Begrenzers BG 1, und das aus dem phasenverschobenen Spannungssignal gewonnene Ausgangssignal U′ _d des Begrenzers BG 2 werden jeweils einem Exklusiv-Oder-Glied EO 1 bzw. EO 2 zugeführt, an dessen zweitem Eingang das aus dem stromproportionalen Spannungsabfall U _r gewonnene Ausgangssignal U _rd des Begrenzers BG 3 anliegt. Die Ausgangssignale U _a1 und U _a2 der Exklusiv-Oder-Glieder EO 1 und EO 2 werden je einem Tiefpaßfilter TP 1, TP 2 zugeführt, in dem sie von Wechselspannungsanteilen befreit werden. Am Ausgang des Tiefpaßfilters TP 1 steht dann eine Gleichspannung U _{K 1}, am Ausgang des Tiefpaßfilters TP 2 eine Gleichspannung U _{K 2} an. Beide Gleichspannungen werden Komparatoren K 1 bzw. K 2 zugeführt und dort mit einer Referenzspannung U _Ref verglichen. Beide Komparatorausgänge sind im Sinne einer Oder-Verknüpfung über die Wicklung des Trennrelais A mit einer Hilfsspannungsquelle U _H verbunden. Das Trennrelais wird somit erregt, wenn zwischen einem der Komparatorausgänge und der Hilfsspannungsquelle eine ausreichende Spannung anliegt.

Anhand von Fig. 3 läßt sich die Funktion der in Fig. 2 dargestellten Schaltung erklären:

Fig. 3a bis i zeigt Strom- und Spannungsverläufe sowie die aus den Strom- und Spannungsverläufen gewonnenen, digital verarbeitbaren Signale bei normalem, das Wechselstromnetz speisendem Betrieb des magnetischen Spannungskonstanthalters SK. Fig. 3a′ bis i′ zeigt die entsprechenden Strom- und Spannungsverläufe und Signale nach Freischaltung des Primäreinganges (Klemmen P 1 und P 2) des Spannungskonstanthalters SK von einem primärseitigen 220 V-Netz. Fig. 3a′′ bis i′′, schließlich, zeigt die entsprechenden Strom- und Spannungsverläufe nach Abschaltung eines belasteten primärseitigen 220 V-Netzes.

In Fig. 3a ist der Verlauf der Sekundärspannung U im Speisebetrieb zusammen mit dem zugehörigen Stromverlauf J _n dargestellt, darunter in Fig. 3b das um 90° phasenverschobene Spannungssignal U′, wie es am Ausgang des Phasenschiebers PS ansteht, wiederum zusammen mit dem Stromverlauf J _n .

Fig. 3c gibt ein durch Begrenzung und Invertierung des phasenverschobenen Spannungssignals entstandenes digitales Signal U′ _d wieder, wie es am Ausgang des Begrenzers BG 2 ansteht und dem Exklusiv-Oder-Glied EO 2 zugeführt wird.

Fig. 3d zeigt ein begrenztes, dem Stromverlauf J _n entsprechendes Signal U _rdn . Dieses wird am Ausgang des Begrenzers BG 3 gewonnen und beiden Exklusiv-Oder-Gliedern EO 1, EO 2 zugeführt. Es entsteht durch Verstärkung, Invertierung und Begrenzung des am Widerstand R gemessenen, dem Speisestrom proportionalen Spannungsabfalls U _r .

Das Ausgangssignal U _a2n des Exklusiv-Oder-Gliedes EO 2 ist in Fig. 3e, und dessen am Ausgang des Tiefpaßfilters TP 2 anstehender Gleichanteil U _{K 2n} in Fig. 3f dargestellt.

In Fig. 3a′ ist der Verlauf der Sekundärspannung U und des Stromes J _l nach Freischaltung des Konstanthalters wiedergegeben. Man erkennt gegenüber dem in Fig. 3a dargestellten, normalen Stromverlauf eine Phasenverschiebung des Stromes um 90°. Die am Ausgang des 90°-Phasenverschiebers PS anstehende Spannung U′ wird damit gegenphasig zum Strom J _l , wie dies in Fig. 3b′ wiedergegeben ist. Nach Verstärkung, Begrenzung und Invertierung des phasenverschobenen Spannungssignals und des den Strom durch den Widerstand R wiedergebenden Spannungsabfalls U _r ergeben sich in Fig. 3c′ und Fig. 3d′ dargestellte Signale U′ _dl und U _rdl als Eingangssignale für das Exklusiv-Oder-Glied EO 2. Das Ausgangssignal U _a2l des Exklusiv-Oder-Gliedes (in Fig. 3e′ dargestellt) hat wegen der Gegenphasigkeit der Eingangssignale einen hohen Pegel und enthält nur dann Wechselspannungsanteile, wenn die Gegenphasigkeit der Eingangssignale nicht exakt eingehalten ist. Es gelangt nahezu ungeschwächt (in Fig. 3f′ als Signal U _{K 2li} dargestellt) über das Tiefpaßfilter TP 2 auf den Komparator K 2. Da es die Referenzspannung U _ref deutlich übertrifft, wird das Trennrelais A angesteuert und die Sekundärwicklung des magnetischen Spannungskonstanthalters wird durch den Kontakt a 1 stromlos geschaltet. Damit besteht bei Berührung der Klemmen P 1 und P 2 oder bei Arbeiten an einem abgeschalteten, unbelasteten, den magnetischen Spannungskonstanthalter speisenden Teil des 220-V-Netzes keine Personengefährdung mehr.

Ist das primärseitige, abgeschaltete Netz durch weitere Verbraucher belastet, so beträgt die Phasenverschiebung zwischen Strom J _b und Spannung U auf der Sekundärseite, wie in Fig. 3a′′ zu erkennen, weniger als 90°. Die den Begrenzern BG 2 und BG 3 entnommenen, digital vorliegenden Spannungen U′ _db (Fig. 3c′′) und U _rdb (Fig. 3d′′) er eben nach Exklusiv Oder Verknüpfung im Exklusiv-Oder-Glied EO 2 eine Wechselspannung U _a2b (Fig. 3e′′) mit einem Gleichspannungsanteil U _k2b (Fig. 3f′′), der die Referenzspannung nicht überschreitet. In diesem Falle würde das Trennrelais A über den Komparator K 2 nicht angesteuert.

Dennoch erfolgt auch hier eine Ansteuerung des Trennrelais, und zwar über den Komparator K 1, dessen Ausgangssignal anstelle des Ausgangsignals des Komparators K 2 wirksam wird. Der Komparator K 1 vergleicht ein durch Exklusiv-Oder-Verknüpfung des nicht invertierten Spannungssignals des sekundären Wechselspannungsnetzes mit dem stromproportionalen Spannungsabfall am Widerstand R gewonnenes, im Tiefpaß TP 1 auf seinen Gleichspannungsanteil reduziertes Signal U _k1b mit der Referenzspannung U _ref .

Das am Ausgang des Begrenzers BG 1 gewonnene, digital verarbeitbare, nicht invertierte Spannungssignal Ud ist für den normalen Speisebetrieb in Fig. 3g, für den Fall der Rückspeisung bei leerlaufender Primärseite in Fig. 3g′ und für den Fall der Rückspeisung bei belasteter Primärseite in Fig. 3g′′ dargestellt.

Es ist für alle drei Betriebsfälle gleich. Das aus der Exklusiv-Oder-Verknüpfung dieses Signals U _d mit dem in Fig. 3d, 3d′ und 3d′′ für den jeweiligen Betriebsfall dargestellten, stromproportionalen Signal hervorgehende Ausgangssignal U _a1n, U _a1l und U _a1b des Exklusiv-Dder-Gliedes E 01 ist in Fig. 3h, 3h′ und 3h′′ wiedergegeben. Dessen Gleichspannungsanteil U _k1n , U _k1l , U _k1b , der als Eingangssignal für den Komparator K 1 dient, zeigt für den normalen Speisebetrieb (U _k1n ) Fig. 3i, für den Rückspeisungsbetrieb bei leerlaufender Primärseite (U _k1l ) Fig. 3i′ und für den Rückspeisungsbetrieb bei belasteter Primärseite (U _k1b ) Fig. 3i′′. Aus Fig. 3i′′ wird deutlich, daß bei Belastung der Primärseite die Referenzspannung U _ref vom Signal U _k1b überschritten wird, das Trennrelais A somit angesteuert wird.

Claims (3)

1. Schaltungsanordnung zum Verhindern der Rückspeisung von Wechselspannung aus einem über mehrere, mit Primär- und Sekundäreingängen versehene magnetische Spannungskonstanthalter gespeisten, mit den Sekundäreingängen dieser Spannungskonstanthalter verbundenen Wechselspannungsnetz auf freigeschaltete Primäreingänge dieser Konstanthalter, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Konstanthalter (SK, SK 1, SK 2) eine Schalteinrichtung (A, a ₁) zur zumindest einseitigen galvanischen Trennung seines Sekundäreinganges von dem zu speisenden Wechselspannungsnetz (N) besitzt sowie eine sekundärseitige Schaltung zur Erfassung der Phasenbeziehung zwischen Strom und Spannung, welche die Schalteinrichtung (A) ansteuert und zur Herstellung der galvanischen Trennung veranlaßt, wenn sich die Sekundärseite des jeweiligen Konstanthalters gegenüber dem Wechselspannungsnetz wie ein kapazitiver oder gemischt ohmisch-kapazitiver Verbraucher verhält.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundärseitige Schaltung zur Erfassung der Phasenbeziehung zwischen Strom und Spannung je zwei Kanäle zur Spannungsauswertung (BG 1, V 1; BG 2, V 2, PS) und einen Kanal zur Stromauswertung (V 3, BG 3) aufweist, daß das Ausgangssignal je eines Spannungsauswertungskanals jeweils zusammen mit dem Ausgangssignal des Stromauswertungskanals auf die Eingänge je eines Exklusiv-Oder-Gliedes (EO 1, EO 2) geführt ist und daß der Ausgang jedes Exklusiv-Oder-Gliedes über je ein Tiefpaßfilter (TP 1, TP 2) mit einem Eingang je eines Komparators (K 1, K 2) verbunden ist, welcher über seinen Ausgang die Schalteinrichtung (A) ansteuert, wenn die Ausgangsspannung des Exklusiv-Oder-Gliedes eine Referenzspannung (U _Ref ) übersteigt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kanal zur Spannungsauswertung einen Verstärker (V 1) und einen nachgeschalteten Begrenzer (BG 1), der zweite Kanal zur Spannungsauswertung in Reihe geschaltet, einen 90°-Phasenschieber (PS), einen Verstärker (V 2) und einen Begrenzer (BG 2) und der Kanal zur Stromauswertung einen Verstärker (V 3) und einen nachgeschalteten Begrenzer (BG 3) aufweist und daß dem Kanal zur Stromauswertung als Eingangssignal der Spannungabfall (U _r ) an einem in der Zuleitung zum Wechselstromnetz (N) liegenden Widerstand (R) zugeführt wird.