DE3920177A1 - Verfahren und anordnung zur erdschlusserfassung in nicht geerdeten mehrphasigen versorgungsnetzen, insbesondere hoeherer betriebsspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erd­ schlußerfassung in nicht geerdeten mehrphasigen Versorgungsnetzen insbe­ sondere höherer Betriebsspannung, wie es im Oberbegriff des Anspruches 1 näher definiert ist, sowie Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Erdfehler bilden eine recht häufige Fehlerursache in Versorgungsnetzen. Sind in ungeerdeten Mehrphasen-Versorgungsnetzen einpolige Erdfehler im allgemeinen dann unkritisch, wenn kein Kurzschlußstrom zum Fließen kommt und nur der normalerweise geringe kapazitive Erdschluß­ strom auftritt, so nehmen bei einem satten Erdschluß die "gesunden" Leiter die verkettete Spannung gegenüber Erde an. Die Isolation wird dadurch in erhöhtem Maße beansprucht, so daß die Gefahr des Übergangs auf Doppel­ erdschluß besteht. Deshalb muß das Auftreten eines Erdfehlers in unge­ erdeten Netzen möglichst frühzeitig erkannt werden, damit diese Störung bzw. Gefährdung von Menschen (hohe Berührungsspannung) schnellstens, d.h. möglichst bereits im Entstehen, beseitigt werden kann. VDE schreibt vor, daß dann eine Abschaltung spätestens nach 0,2 Sekunden durchgeführt sein muß.

Zum Erkennen von einpoligen Erdfehlern ist es bekannt, mechanische oder elektronische Überwachungsrelais einzusetzen, wobei die bei Erdfehlern auftretende Verlagerungsspannung überwacht wird. Bei Mittel- und Hoch­ spannungsnetzen sind wegen der Spannungshöhe bei der Erdschlußerfassung zusätzlich Erdungsspannungswandler nötig, an deren Hilfswicklungen dann Überwachungsrelais angeschlossen werden.

Es ist weiterhin bekannt, bei Schutzleitungssystemen die Isolation in ungeerdeten Anlagen zu überwachen. Die hierfür konzipierten Geräte ar­ beiten mit einer dem Wechsel- bzw. Drehstromnetz eingekoppelten Gleich­ spannung, der zwischen Netz- und Schutzleiter fließende Strom im mA-Be­ reich ist ein Maß für das Isolationsniveau der Anlage (vgl. hierzu AEG- Telefunken Druckschrift "Isolationsüberwachung" GR-HGS 7.3/0583 (629/Ti). Bedingt durch die Vorschriften für Isolationsüberwachungseinrichtungen - z.B. muß der Prüfstrom "12mA sein - werden relativ große Meßzeitkon­ stanten (bis 20s) in Kauf genommen. Außerdem bleibt die Anwendung - vgl. die vorgenannte Druckschrift - auf Gleich- bzw. Wechselspannungsnetze mit 50 Hz bis 6-kV-Nennspannung beschränkt. Die beschriebene Einrichtung hat eine für viele Zwecke zu lange Ansprechzeit (max. 20 Sekunden) und ist auch wegen ihrer Frequenzabhängigkeit nicht überall einsetzbar. Höhere Spannungen um 20 kV können nicht beherrscht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein für einen größeren Frequenzbereich ver­ wendbares Verfahren anzugeben, mit dem eine fortlaufende Erdschlußüber­ wachung in einem nicht geerdeten elektrischen Versorgungsnetz bei Spannungen um 20 bis 30 kV über die Erfassung des Isolationswiderstandes durchgeführt werden kann, wobei das Verfahren ohne Beschränkung auch bei einem großen Betriebsfrequenzbereich (z.B. 0 ... 500 Hz) und variabler Spannung be­ triebssicher und insbesondere schnell arbeiten soll.

Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie Anordnungen zur Durchführung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Anwendung des Verfahrens bei einem ungespeisten Langstatorabschnitt

Fig. 2 Aufbau der Ladepfade

Fig. 3 Spannungsdreieck

Fig. 4 modifizierte Gleichrichtereinheit

Fig. 5a bis 5c Strom- und Spannungsverläufe

Fig. 6 Anwendung des Verfahrens bei einem Normalnetz

Fig. 7 und 8 Auswerteeinheit

In Fig. 1 ist ein aus einem Drehstromnetz N über Schalter S gespeister Langstatorabschnitt eines Linearmotor-getriebenen Fahrzeuges dargestellt. Der Abschnitt ist endseitig mit den Leitungssträngen L1, L2, L3 in Stern verknüpft. Dargestellt ist die Situation, bei dem das Fahrzeug aus einem vorhergehenden Abschnitt in den dargestellten Abschnitt A einfährt und dieser Abschnitt A noch nicht den fortführenden Antrieb (Schalter S offen) übernommen hat. Diese Phase der Einfahrt kann für eine aktive Erdschluß­ prüfung oder -erfassung nach dem Verfahren ausgenutzt werden. Für die Er­ stellung der erforderlichen Meßspannung wird die vom bewegten Fahrzeug er­ zeugte Polradspannung U_P - dargestellt durch die in Reihe mit der Kabel­ induktivität L_K in den Strängen liegenden drei Spannungsquellen - ver­ wendet. Mit C_K sind Strang- oder Kabelkapazitäten gegen Erde dargestellt, die als Gesamt-Erdkapazität des Netzes wirksam wird. Ein Strom zur Auf­ ladung der Netzkapazität C_K ist bei geöffnetem Schalter S nur bei ange­ koppelter Lasteinrichtung 1 und einer zugeschalteten Gleichrichtereinheit 2 aus nicht linearen Bauelementen, Halbleitern möglich.

Lastschaltung 1 und Gleichrichtereinheit 2 sind in prinzipieller Dar­ stellung detaillierter der Fig. 2 entnehmbar.

Die Lastschaltung 1 besteht danach aus drei gleichgroßen, hochohmigen Impedanzen R1, R2, R3, die als Schieflast geschaltet sind, so daß eine zweiphasige Wechselspannungsquelle gebildet wird, deren Spannungen U1, U23 in Gegenphase zum Erdpotential stehen. Vgl. auch der Fig. 3, die das zugehörige Spannungsdreieck zeigt, wird z.B. der Außenstrang L₁ über einem Impedanz R1 (vorzugsweise ein ohmscher Widerstand) (mit Anschluß­ potential P1) mittels einer Z-Diode Z1 auf Erdpotential geschaltet und bildet einen ersten Ladepfad (Orientierung an U_N1). Zur Bildung des zweiten Ladepfades sind die Stränge L₂ und L₃ über gleich große Impedanzen R2, R3 miteinander verbunden und der Verbindungspunkt mit einem künstlichen mittleren Anschlußpotential P23 wird über eine Z-Diode Z23 mit gleicher Anschlußrichtung wie Z1 ebenfalls an Erdpotential gelegt.

Bei einem symmetrischen Dreiphasen-Spannungssystem sind die Ströme und Spannungen in den beiden Ladekreisen in Gegenphase. Die Ströme werden durch die Impedanzen R1, R2, R3 der Lastschaltung 1 begrenzt. Vgl. Fig. 3 sind bei gleich großer (symmetrischer) Auslegung der Impedanzen R1 bis R3 zwei treibende Wechselspannungen U1 und U23 erhältlich, die in Gegen­ phase stehen und die jeweils gegen Erde (Anschluß ME) gegenphasige Ströme I1 + I23 = I_E treiben.

Die Maximalspannungen an den erdpotentialseitigen Anschlüssen der Last­ schaltung 1 zueinander sowie gegen das Erdpotential wird mit den Eigen­ schaften der mit den beiden nicht linearen Bauelementen Z1 und Z23 ge­ bildeten Gleichrichtereinheit 2 festgelegt.

An den Z-Dioden Z1, Z23 sind über die Anschlüsse M1/ME und M23/ME die Spannungen U1 und U23 als Sperrspannungen abgreifbar. Die Meßpotentiale an M1 und M23 werden einerAuswerteeinrichtung AW zugeführt. Hierzu wird auf die Fig. 7 und 8 verwiesen.

Die Gleichrichtereinheit 2 wirkt wie ein Zweipulsgleichrichter, wobei ab­ wechselnd je ein Zweig die niederohmige Stromführung für die Aufladung der Erdkapazität des Netzes übernimmt.

Während man mit normalen Halbleiterdioden die volle Sperrspannung

übernehmen muß, was bei hoher Betriebsspannung problema­ tisch wird, läßt sich mit Z-Dioden dieser Wert einstellbar gestalten und über die Rückströme der Ladevorgang der Netzkapazität beeinflussen. Zur Beherrschung der für den hier besprochenen Anwendungsfall mit Spannungen bis 10 oder 18 kV empfiehlt sich eine Gleichrichtereinheit nach Fig. 4. Die Z-Dioden Z23 und Z1 liegen dabei mit je einer weiteren Z-Diode Z5 bzw. Z6 - die auch unterschiedliche Zenerspannungen aufweisen können - in Reihe. An den an Erdpotential (über ME) liegenden Z-Dioden Z1 und Z23 sind die relevanten heruntergeteilten Sperrspannungen U1 _Z und U23 _Z abgreif­ bar. Über die Last- bzw. Vorimpedanz 1 läßt sich der Ladestrom in beiden Ladepfaden auf unter 1 Ampere begrenzen. Die Sperrspannungen können unter 200 V liegen. Bei Umkehr der jeweils treibenden Spannung fließt bei Über­ schreitung der jeweiligen Zenerspannung ein Entladestrom, der die Aufla­ dung wieder etwas verringert. Diese Entladung muß in Kauf genommen werden, um die Spannung zu beherrschen. Die von den Z-Dioden zur Verfügung ge­ stellten Sperrspanungen begrenzen den Abfluß an Ladung, sie sind also letztlich bestimmend für die Aufladung. Der zweite Ladepfad ergänzt den ersten Ladepfad, kompensiert zum Teil den Entladevorgang und dient insbe­ sondere der Erdschlußidentifizierung. Das allmähliche Aufladen der Netz­ kapazität C_K verursacht durch Überlagerung der Wechselpolradspannung U_P mit der Ladegleichspannung eine Verschiebung der Nullinie gegen Erde und auch der Sperrspannungen (U1 _Z, U_23Z) gegen Erde. Durch die Nullinienver­ schiebung werden die wirksamen Spannungszeitflächen allmählich für Auf­ ladung und Entladung in entgegengesetzter Weise verändert, d.h. für die Aufladung vergrößert und für die Entladung verkleinert.

Bei entladenen Erdkapazitäten sind die Ladestromflußzeiten und Nichtlade­ zeiten - die Sperrspannungen U1 und U23 sind < als 0 Volt - gleichlang. Das bedeutet, daß beide Spannungen U1 und U23 zum Zeitpunkt des Strang­ spannungsnulldurchganges (Potentialdifferenz L1 gegen Erde) etwa 0 Volt betragen. Sind dagegen die Erdkapazitäten auf eine Gleichspannung U auf­ geladen, so verringern sich die Ladestromflußzeiten, so daß sich die beiden Nichtladezeiten in den beiden Ladepfaden überlappen. Zum Zeitpunkt des Strangspannungsnulldurchganges (L₁ gegen Erde) sind beide Spannungen U1 und U23 < als 0 Volt so daß immer mindestens eine Teilspannung (U1 oder U23) < als 0 Volt ist.

Fig. 5 zeigt in drei Schaubildern 5a, 5b, 5c die sich einstellenden Ströme und Spannungen zu verschiedenen Zeiten und in unterschiedlichen Zeitmaß­ stäben beim Einlauf eines Fahrzeuges gemäß den Bedingungen nach Fig. 1.

Die den Fig. 1 und 2 entnehmbaren Größen sind untereinander dargestellt.

Den Schaubildern ist zunächst die sich beim Einlauf kontinuierlich ver­ größernde Polradspannung U_P entnehmbar. Bei einer simulierten Frequenz von z.B. 10 Hz stellt sich hier eine allmähliche negative Aufladung der Netzkapazität C_K (fiktive Größe) ein.

Reicht der Zeitmaßstab in Fig. 5a für einen Überblick von 0 bis 10 ms, zeigt Fig. 5b in einem zeitgedehnten Ausschnitt den Anfangs-Einfahrbereich von 0 bis 0,3 ms und 5c für den Mittelbereich von 6,1 bis 6,4 ms.

Deutlich erkennbar sind in der höheren Auflösung die mit 180° Phasenver­ schiebung auftretenden lückenden Sperrspannungen U23 und U1, als Sperr­ spannungen an den Z-Dioden Z23 und Z1 hier als U23 _Z und U1 _Z bezeichnet. Diese Spannungen überlappen sich teilweise in den Bereichen X. Die Überschnei­ dungen werden mit steigender Aufladung größer, die Schnittpunkte beider Kurven steigen an (vgl. Fig. 5b und 5c unten). Die Überlappungen sagen aus, daß man es schafft, die Sperrspannung der Z-Dioden Z23 und Z1 gegen­ über 0 zu verlagern. Dies ist nur möglich, wenn das Netz eine Erdkapazität aufweist, die auch eine Gleichspannung speichern kann. Insofern liegt - solange Überlappungen vorhanden sind - kein Erdschluß vor. Fehlende oder durch Phasenverschiebung der beiden Spannungen sich stark ändernde Über­ lappung - verbunden mit einem Lücken - deutet dagegen auf Erdschluß. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch anwendbar an herkömmlichen unge­ erdeten Drehstromnetzen höherer Spannung, wie es durch Fig. 6 wiederge­ geben wird. Dieses Netz unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 durch fest vorgegebene Spannung und Frequenz und weist - im Gegensatz zu Fig. 1 - drei parallele, in Stern geschaltete (Strang) -Spannungsquellen U_N1, U_N2, U_N3 auf. Die Lastschaltung 1 und die Gleichrichtereinheit 2 sind iden­ tisch angeschlossen. Unterschiedlich ist jedoch die interne Erzeugung der treibenden Spannung gegen Erde über die drei Netz-Strang-Kapazitäten C_K1, C_K2, C_K3, die als symmetrische Last wirksam werden, wodurch sich Potentialunterschiede z.B. zwischen R1 sowie R2/R3 und Erde einstellen, die Ströme mit 180° Stromverschiebung in Richtung Erde mit Rückschluß über die Kapazitäten treiben. An den Meßpunkten ME, M23 und M1 sind wieder die Spannungen U1 und U23 bzw. U1 _Z bzw. U23 _Z (bei einer Gleichrichterein­ heit entsprechend Fig. 4) abgreifbar. Die in den Fig. 5 dargestellten Überlappungen sind bei Erdschlußfreiheit auch hier - bei Anschluß eines Oszillographen an die Meßpotentiale der Meßpunkte M23, M1, ME - visuell erfaßbar. Für eine automatische Erdschlußerfassung bieten sich Anordnungen nach den Fig. 7 und 8 an.

Nach Fig. 7 werden die Meßpotentiale an den Meßpunkten M23 und M1 - ggf. über strichpunktiert angedeutete Trennverstärker - zwei Komparatoren 10 und 11 zugeführt, die jeweils die augenblickliche Spannung gegen Erdpotential mit einer in einem Referenzbildner 12 erzeugten Referenzgleichspannung vergleichen. Die Referenzgleichspannung ist dabei so zu wählen, daß sie etwas kleiner ist als die Spannung, an der eine Überlappung der beiden Wechselspannungen erwartbar auftreten würde. Gibt einer der beiden Kompa­ ratoren 10 oder 11 oder beide ein Ausgangssignal, dann ist diese Bedingung erfüllt und das Oder-Glied 13 gibt ein Ausgangssignal aus, das eine Über­ lappung - gleichbedeutend mit Erdschlußfreiheit - ausweist. Das Ausgangs­ signal muß ständig vorliegen. Bei Ausbleiben kann Alarm oder andere geeig­ nete Maßnahmen ausgelöst werden. Bei variabler Netzspannung ist es ggf. zweckmäßig, den Referenzwertbildner 12 "intelligent" auszubilden, indem dieser die Referenzgleichspannung z.B. nicht als absoluten Schwellwert ausgibt, sondern als prozentuale Größe der Netzscheitelspannung nachführt.

Fig. 8 zeigt eine andere Auswertungsmöglichkeit. Danach werden die Meß­ potentiale an den Meßpunkten M23 und M1 in einem Summierer 14 addiert und in einem Komparator 15 mit einer in dem Referenzbildner 12 gebildeten ent­ sprechend hohen Referenzgleichspannung verglichen. Auch hier gibt der Kompa­ rator 15 wieder ein Signal, wenn die Summe der zugeführten Teilspannungen die Referenzspannung übersteigt. Auch hier ist Kriterium für eine Über­ lappung bzw. das Vorliegen von Erdschlußfreiheit eine kontinuierliche Ausgangsspannung am Komparator.

Die Meßtotzeit der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Anordnungen ist durch die Aufladezeit der Netzkapazitäten gegeben. Diese läßt sich vorteilhaft verkürzen, wenn man mehrere solcher je­ weils aus einer Lastschaltung 1 und einer Gleichrichtereinheit 2 be­ stehenden Ladeeinrichtungen parallel arbeiten läßt. Während die Lade­ einricntung nach Fig. 6 über die Lastschaltung 1 z.B. die gegenphasige Wechselspannung unter Bezug auf die Strangspannung U_N1 bildet, sollten sich dann die weiteren Ladeeinrichtungen an den anderen Strang­ spannungen U_N2, U_N3 orientieren.

Claims (10)

1. Verfahren zur Erdschlußerfassung in nichtgeerdeten mehrphasigen Ver­ sorgungsnetzen, insbesondere höherer Betriebsspannung, bei dem eine Aufladung der Netzkapazität mit Gleichspannung erfolgt und der Isola­ tionswiderstand indirekt aus dem Speicherverhalten der Netzkapazität gegen Erde bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aufladung über mindestens zwei parallele Gleichstrom-Ladepfade auf eine Gleichspannung wesentlich niedriger als der Scheitelwert der Netzspannung erfolgt, wobei mittels einer an das Netz (N) anzuschließen­ den hochohmigen Lastschaltung (1) zwei bezüglicn Erdpotential in Gegen­ phase befindliche Wechselspannungen erzeugt und über nicht lineare Halb­ leiterelemente in getrennten Ladepfaden einer Gleichrichtereinheit (2) auf Erdpotential geschaltet werden und daß eine als Erdschlußfreiheit interpretierbare Gleichspannungsaufladung der Netzkapazität indirekt durch Vergleich der Spannungszeitflächen an den Halbleiterelementen in den Ladepfaden mittels einer Auswerteeinrichtung (AW) erkennbar wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Halbleiterelemente mit einem Verhalten von Z-Dioden Verwendung finden, daß die Sperrspannungsverläufe (U1, U23) an diesen beiden Halb­ leiterelementen (Z1, Z23) einander überlagert werden und bei Über­ lappung auf Erdschlußfreiheit erkannt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Halbleiterelemente mit einem Verhalten von Z-Dioden pro Ladepfad in Reihe geschaltet und die Sperrspannungsverläufe (U1 _Z, U23 _Z) an den beiden auf Erdpotential liegenden Halbleiterelementen (Z1, Z23) ausgewertet werden.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Last schaltung (1) aus drei jeweils an einem Netzstrang (L₁, L₂, L₃) liegenden gleich großen Impedanzen (R1, R2, R3) besteht, von den die eine Impedanz (z.B. R1) direkt an den einen Ladepfad (über Z1) angeschlossen und die beiden anderen Impedanzen (z.B. R2, R3) end­ seitig verknüpft mit dem anderen Ladepfad (über Z23) verbunden sind.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichtereinheit (2) aus je einer Z-Diode (Z1, Z23) pro Ladepfad besteht und daß die beiden Z-Dioden gleichsinnig parallel ge­ schaltet und kathodenseitig verknüpft mit Erdpotential (über ME) ver­ bunden sind.

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladepfade innerhalb der Gleichrichtereinheit (2) vor und hinter den Z-Dioden (Z1, Z23) für die Bildung von Meßpunkten (M1, M23, ME) an­ gezapft sind und daß an diese Meßpunkte eine Auswerteeinrichtung (AW) angeschlossen ist.

7. Anordnung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Z-Dioden (Z1, Z23) in den Ladepfaden jeweils eine weitere Z-Diode (Z6, Z5) vorgeschaltet ist.

8. Anordnung nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß den Z-Dioden (z.B. Z5, Z6) Impedanzen, insbesondere Widerstände (z.B. 7, 8), parallel geschaltet sind.

9 . Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (AW) zwei Komparatoren (10, 11) enthält, die mit ihren + Eingängen an die Meßpotentiale der Ladepfade gegen Erdpotential (Meßanschlüsse M1, M23) und mit ihren - Eingängen an eine Referenzgleichspannung eines Referenzspannungsbildners (12) angeschlossen sind und die einen Vergleich der Augenblickswerte der Pfad-Spannungen mit der Referenzgleichspannung durchführen und die jeweils ein Signal auf ein Oder-Glied (13) abgeben, wenn die Pfadspannung die Referenz­ gleichspannung übersteigt, wobei die Referenzgleichspannung etwas unterhalb der erwartbaren Spannungshöhe bei Überlappungen zu wählen ist und Kriterium für eine Überlappung bzw. das Vorliegen von Erdschluß­ freiheit eine kontinuierliche Ausgangsspannung am Oder-Glied (13) ist (Fig. 7).

10. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (AW) einen Summierer (14) enthält, der die Meßpotentiale der Ladepfade gegen Erdpotential (Meßanschlüsse M1, M23) addiert und ausgangsseitig mit dem + Eingang eines Komparators (15) verbunden ist, an dessen - Eingang die Referenzgleichspannung eines Referenzspannungsbildners (12) angeschlossen ist, wobei die Referenz­ gleichspannung etwas unterhalb der erwartbaren Summenspannung bei Über­ lappungen zu wählen ist und Kriterium für eine Überlappung bzw. das Vorliegen von Erdschlußfreiheit eine kontinuierliche Ausgangsspannung am Komparator (15) ist.