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Schaltung zur Messung des Isolationswiderstandes in Installationen
und Gerät zur Auswertung der Meßwerte Für die Messung des Isolationswiderstandes
in Installationen usw. wurde bereits die Verwendung einer Glimmlampe vorgeschlagen,
welche parallel zu einem Regelwiderstand geschaltet ist. Durch Veränderung des parallelen
Widerstandes läßt sich hierbei in einfacher Weise der Isolationswiderstand aus der
Größe des bekannten Widerstandes sowie der Zünd-oder Löschspannung der Glimmlampe
errechnen.
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Der Nachteil dieser Anordnung der Glimmlampe parallel zu einem Regelwiderstand
besteht einerseits darin, daß der Widerstand außerordentlich groß, d. h. hochohmig
ausgeführt werden muß, und andererseits darin, daß diese Anordnung bei Wechselstrom
in bestimmten Fällen nicht zu genauen Messungen führen kann, und zwar infolge des
Kondensatorcharakters der Installation.
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Diese Nachteile werden nach vorliegender Erfindung vermieden.
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Der Vorschlag der Erfindung besteht in einer Schaltung zur Messung
des Isolationswiderstandes mit dem Kennzeichen, daß der unbekannte Widerstand in
Reihe mit einem bekannten Widerstand an eine Gleich- oder Wechselspannung gelegt
ist, daß parallel zu dieser Serienschaltung ein Spannungsteiler liegt und eine Glimmlampe
zwischen den Abgriff am Spannungsteiler und den Verbindungspunkt zwischen dem unbekannten
und dem bekannten Widerstand geschaltet ist. Für die Messung mit Wechselstrom ist
die Schaltung so ausgeführt, daß der Spannungsteiler entweder mittelbar (über einen
Transformator)- oder unmittelbar (bei Ausbildung als Drosselspule) an das Netz angeschlossen
und mit einer Umschalteinrichtung versehen ist.
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Bei der letztgenannten Schaltung empfiehlt es sich, einem Teil des
Spannungsteilers zwecks Phasenregelung einen Kondensator parallel zu schalten.
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Weitere Kennzeichen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele, und zwar insbesondere
bezüglich eines einfachen Gerätes zur Auswertung der festgestellten Meßwerte im
Falle von Wechselstrom.
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Abb. r der Zeichnung gibt die Schaltung zur Feststellung eines Isolationswiderstandes
bei Anwendung von Gleichstrom wieder.
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Hierbei sind zwei Stromkreise zu unterscheiden, von welchen der eine
aus dem unbekannten Isolationswiderstand und einem festen bekannten Widerstand 2
besteht.
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Der zweite parallel liegende Stromkreis besteht aus einem Spannungsteiler
q.. Zwischen dem Abgriff des Spannungsteilers und dem Verbindungspunkt zwischen
dem Widerstand 2 und dem zu messenden Widerstand liegt eine Glimmlampe 3. An der
Glimmlampe liegt somit die Differenz der Spannungsabfälle,
welche
am Widerstand z und am abgegriffenen Teil des Spannungsteilers auftreten.
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Die abgegriffenen Teilspannungen können entweder an einer unter dem
Schieber angebrachten Skala oder an einem besonders angeordneten Voltmeter abgelesen
werden.
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Der Spannungsteiler wird so lange geändert, bis die Glimmlampe aufleuchtet.
Dadurch werden alle Größen zur Errechnung des Isolaiionswiderstandes festgelegt.
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Es bestehen nach Abb. i folgende Beziehungen: i.w+i.#w2-ZI. (i) In
dieser Gleichung bedeuten w den zu messenden Isolationswiderstand, w, die Größe
des Widerstandes 2, i den Strom durch den Isolator und U die Netzspannung. Aus der
Gleichung ergibt sich
In dieser Gleichung bedeuten e3 die Zündspannung der Lampe und e, die am Spannungsteiler
abgegriffene Spannung. Hieraus ergibt sich
Aus beiden Beziehungen läßt sich der Isolationswiderstand berechnen; er ist
Abb.2 der Zeichnung zeigt die Schaltung zur Messung eines Isolationswiderstandes
bei Anwendung von Wechselstrom.
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In den meisten Fällen ist der Isolationswiderstand nicht ein reiner
Widerstand, sondern besitzt noch eine parallel geschaltete Kapazität, beispielsweise
bei der Messung des Isolationswiderstandes von Netzen, Installationen usw.
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Der Strom durch den Isolator setzt sich in diesen Fällen zusammen
aus einem kapazitiven Strom und einem mit der Netzwechselspannung gleichphasigen
Strom. Für den Isolationswiderstand ist die Bestimmung der Wirkkomponente des Gesamtstroms
erforderlich.
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Wie Abb. 2 zeigt, durchfließt der Isolationsstrom einen bekannten
Widerstand 6. Mit dem an diesem auftretenden Spannungsabfall i # w6 ist die mittels
eines . Spannungsteilers 7 regulierbare Sekundärspannung eines Transformators 8
in Reihe an die Glimmlampe geschaltet.
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Diese beiden Spannungen liegen nicht in Phase. Vielmehr ist die Transformatorenspannung
phasengleich bzw. 18o' gegen die Netzspannung verschoben, während der Spannungsabfall
am Widerstand 6 infolge der kapazitiven Wirkung um einen gewissen Winkel gegen die
Netzspannung verdreht ist. Da der Widerstand 6 gegenüber dem zu bestimmenden Wechselstromwiderstand
nicht vernachlässigbar klein ist, so beträgt dieser Winkel nahezu, jedoch nicht
ganz go °.
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Die Spannungs- und Stromverhältnisse sollen an Hand des Vektordiagramms
nach Abb.3 näher erläutert werden.
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Bei Anlegen der Netzspannung entsteht an dem zu messenden Isolationswiderstand
ein Spannungsabfall e5 und ein Strom in Richtung 0A, welcher, da man es mit einem
Widerstand mit parallel geschalteter Kapazität zu tun hat, eine Komponente in Richtung
AB, also parallel zu e., und eine Komponente senkrecht hierzu, d. h. in Richtung
OB hat. Da dieser Strom den Widerstand 6 durchfließt, entsteht an diesem
die Spannung i # w6.
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Zu dem Spannungsabfall 0A am Widerstand 6 wird der am Spannungsteiler
7 abgegriffene Teil e. der Sekundärspannung des Transformators 8 in Reihe geschaltet
und diese so lange vergrößert, bis die Glimmlampe _3 aufleuchtet. Wenn man in erster
Annäherung annimmt, daß die Zusatzspannung e7 parallel zu e5 läuft, dann wird die
an der Lampe 3 wirksame Spannung e3 in dem Diagramm durch die Gerade 0D dargestellt.
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Dreht man jetzt die Zusatzspannung e, mittels eines Umschalters g
um i8o ° in die Richtung von AD' und gleicht ein zweites Mal bis zum Aufleuchten
der Glimmlampe ab, so ist das Spannungsdreieck ODD' bestimmt. Die um 18o'
gegeneinander verdrehten Zusatzspannungen sind in dem Diagramm mit e,,, und eib
bezeichnet. Von dem Spannungsdreieck ODD' interessiert vornehmlich die Strecke
AB, welche die Wattkomponente d der Spannung i # w6 darstellt.
Die Wirkkomponente des zu messenden Widerstandes ergibt sich folgendermaßen: Aus
dem Dreieck OAB ergibt sich, wenn man die Wirkkomponente des Gesamtstromes mit i",
bezeichnet:
Andererseits ist die Wirkkomponente des zu messenden Wechselstromwiderstandes
Daraus ergibt sich in i. Annäherung
Die oben gemachte Voraussetzung des Parallellaufens der Zusatzspannung
e7 mit e, ist jedoch nicht ohne weiteres erfüllt, vielmehr liegt die Zusatzspannung
e; im allgemeinen parallel zur Netzspannung, welche gegenüber e,, um den Winkel
(p' kapazitiv verschoben ist. Um q' zu bestimmen, muß im Spannungsdreieck OFG außer
der Netzspannung U = OF
auch noch der Spannungsabfall am Widerstand 6, d.
h. ws - i = FG nach Größe und Lage bekannt sein.
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Die Ermittlung dieses Vektors geschieht zweckmäßig mit Hilfe eines
veränderlichen Kondensators io, mittels welchem man die Zusatzspannung e7 gegenüber
der Netzspannung U induktiv verdrehen kann. Der Kondensator io wird zunächst so
weit gedreht, daß die Zusatzspannung e7 senkrecht zu i - ws, d. h. zu 0A
zu liegen kommt. Das Kennzeichen davon, daß diese Lage erreicht ist, ist dadurch
gegeben, daß die beiden Zusatzspannungen ea7 und e- ,b gleich groß werden.
Aus der Zündspannung e;, der Glimmlampe und den Zusatzspannungen läßt sich der Spannungsabfall
am Widerstand 6 wie folgt errechnen
Außerdem ist die Größe der zugeschalteten Kapazität io ein Maß für den Winkel cpz,
um welchen e" aus der Richtung der Netzspannung U verdreht worden ist. Der Kondensator
io kann in Winkeln geeicht sein.
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Nunmehr sind in dem Spannungsdreieck OFG zwei Seiten FG und
OF und der eingeschlossene Winkel bekannt, somit auch der Winkel bei 0, um
welchen die Netzspannung U gegenüber e,, verschoben ist.
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Dieser so ermittelte Winkel kann am Kondensator io eingestellt werden,
um dadurch die Zusatzspannung e_, in Richtung von e5 zu bringen und dadurch die
ausgeführten Messungen auszuwerten.
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Die Eichung in Winkeln kann mit dem Gerät selbst erfolgen, wenn anstatt
des zu messenden Isolationswiderstandes ein hochohmiger Widerstand (induktions-
und kapazitätsfrei, z. B. ein Silitwiderstand) angelegt wird. Der Widerstand muß
so abgestimmt sein, daß in dem Widerstand 6 (Abb. z) nur ein Teil derjenigen Spannung
auftritt, welche zur Zündung der Glimmlampe erforderlich ist.
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Wird nun eine Zusatzspannung bei Stellung 0 des Regulierkondensators
zugefügt, so liegt diese, wenn die Netzspannung unmittelbar an den Spannungsteiler
angelegt oder der Transformator 8 keinen Winkelfehler besitzt, in Phase mit der
am Widerstand 6 auftretenden Spannung.
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Bei Zuschaltung von Regulierkapazität wird die Zusatzspannung e, verdreht,
und es entsteht, wie Abb. q. zeigt, ein Spannungsdreieck OBD', in welchem die Zündspannung
der Glimmlampe e3 = 0D', die Zusatzspannung e7" = BD' und die Spannung
am `Viderstand 6, d. h. es = OB bekannt sind, so daß der Winkel cpz einfach
konstruiert bzw. errechnet werden kann. Die Bestimmung der Zusatzspannungen e;,
und e7b geschieht am besten mittels eines kleinen Voltmeters.
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Die Messung der Wirkkomponente des Isolationswiderstandes kann indessen
auch ohne Zuhilfenahme eines Regelkondensators io durchgeführt werden, wie an Hand
des Diagramms nach Abb. 5 gezeigt werden soll.
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Anstatt den Spannungsabfall im Widerstand 6 als Kathete im Dreieck
0AE (Abb. 3) aus der bekannten Zündspannung e3 der Glimmlampe (Hypotenuse) und Zusatzspannung
e7" (zweite Kathete) nach der Formel
zu berechnen, kann man sich darauf beschränken, die in Richtung von U liegenden
Zusatzspannungen e;, und e-id entsprechend den Strekken AH und
AH' in dem Diagramm zu bestimmen. Hierdurch ist das Dreieck OHH' und somit
auch 0A = w. - i und folglich auch das Spannungsdreieck OFG und somit
auch 0A = w6 --i und- folglich auch das Spannungsdreieck OFG bestimmt. Es
ist ferner auch der Winkel zwischen e5 = OG und w,-- i = FG bestimmt,
und es kann leicht die Projektion von Ws - i auf e5 ermittelt werden, welche
in ganz ähnlicher Weise wie die Strecke AB (Abb. 3) ein Maß für denjenigen
Spannungsabfall ist, welcher in Richtung von e5 liegt und in anderem Maßstab die
Wirkkomponente des Isolationswiderstandes darstellt.
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Die aus Abb. 5 ersichtliche Methode hat den Vorteil, daß eine vorausgehende
Messung zur Winkelbestimmung und ein Regelkondensator io überflüssig werden.
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An Stelle der Ausrechnung oder zeichnerischen Konstruktion tritt zweckmäßig
ein nach dem Vektordiagramm ausgebildetes bewegliches Stangensystem, das schematisch
in Abb.6 wiedergegeben ist. An diesem Stangensystem brauchen lediglich die den Zusatzspannungen
e7 entsprechenden Schenkellängen eingestellt zu werden, um den Isolationswiderstand
unmittelbar ablesen zu können.
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Abb.7 zeigt eine andere Ausführungsform der Meßeinrichtung, die gegenüber
der Ausführung nach- Abb.2 insofern eine Vereinfachung darstellt, als eine besondere
Umschalteinrichtung nicht vorhanden ist. Hierbei ist eine Drosselspule ii vorgesehen,
auf welcher ein Kontakt i2 verschiebbar angeordnet ist, so daß eine Umkehrung der
Zusatzspannung durch Verschieben des Kontaktes 12 in die gestrichelte Stellung herbeigeführt
werden kann.