DE69216911T2 - Kette zur Messwertaufbereitung für ein numerisches Isolationsüberwachungsgerät - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifllt eine Meßgrößen-Verarbeitungsschaltung für einen digitalen Isolationswächter, wobei diese Meßgrößen-Verarbeitungsschaltung zur Bestimmung der Komponenten dieser Meßgrößen eine synchrone Demodulation bzw. Erfassung durchführt.
• Ein digitaler Isolationswächter dieser Art ist beispielsweise in der Druckschrift FR- A-2.647.220 des Anmelders beschrieben, allerdings ist eine weiter verbesserte Anordnung in der beigefügten Figur 1 dargestellt, deren Funktionsprinzip im wesentlichen folgendes ist: Ein in Sternschaltung betriebener Dreiphasen-Transformator mit isoliertem Sternpunkt N speist eine Wechselspannung in die drei Sammelschienen I, II, III des Verteilernetzes ein, welches wiederum mehrere Lastimpedanzen Z1, Z2, ..., Zp, ... versorgt, die an eine entsprechende Mzahl von dreiphasigen Abgängen D1, D2, ..., Dp, ... dieses Hauptverteilernetzes I, II, III angeschlossen sind.
• Es sei angenommen, daß an einer dieser Impedanzen, beispielsweise an der Impedanz Zp ein Isolationsfehler gegen Erde auftritt, der eine, aus einem ohmschen Fehlerwiderstand Rf und einer parallel dazu liegenden Fehlerkapazität Cf bestehende Fehlerimpedanz Zf zwischen mindestens einem der drei Phasenleiter des entsprechenden Abgangs Dp und Erde zur Folge hat.
• Zur Erfassung und Messung dieses Fehlers treibt ein zwischen den isolierten Stempunkt N und Erde in Reihe zu einem Meßwiderstand Rm geschalteter Isolationswächter C.I. eine als "Referenzspannung" bezeichnete Wechseispannung Ui über das Einspeisenetz I, II, III, deren Frequenz niedriger ist als die Frequenz des Einspeise-Wechselstroms und bei einem 50- oder 60-Hertz-Netz beispielsweise zwischen 4 und 10 Hertz betragen kann.
• Der vorliegende Isolationsfehler hat nach Injizierung der Referenzspannung Ui in das Netz einen Fehlerstrom Ifin der Fehlerimpedanz Zf zur Folge, wobei dieser Fehlerstrom If natürlich die gleiche Frequenz aufweist wie die in das Netz injizierte Spannung Ui und über Erde sowie den Meßwiderstand Rm zum Isolationswächter C.I. zurückfließt.
• Der Isolationswächter C.I. selbst erzeugt darüber hinaus ein Sinus- und ein Kosinus- Hilfssignal, die es ermöglichen, mit einem herkömmlichen, als synchrone Demodulation bzw. Erfassung bezeichneten Verfahren die beiden mit den gleichen Bezugsachsen erfaßten Komponenten, entsprechend dem Real- und dem Imaginärteil der die injizierte Spannung Ui bzw. den Fehlerstrom If (d.h. den injizierten Strom) abbildenden Vektoren zu bestimmen. Aus diesen Komponenten leitet er die Phasenverschiebung zwischen den Vektoren von Ui und If und daraus wiederum die Werte für den Fehlerwiderstand Rf sowie die Fehlerkapazität Cf ab.
• Der Isolationswächter C.I. erfaßt und mißt einen an einer beliebigen Stelle im Netz auftretenden Isolationsfehler. Die Anordnung gemäß Figur 1 umfaßt darüber hinaus Mittel zur Lokalisierung und lokalen Messung sämtlicher Isolationsfehler. Zu diesem Zweck ist um jeden der genannten Abgänge D1, D2, ..., Dp, ... ein Ringkern-Meßstromwandler T1, T2, ..., Tp, ... gelegt. Das von jedem dieser Wand ler T1 bis Tp gelieferte Strommeßsignal wird über eine Zweidrahtleitung L1, L2, ..., Lp, ... an eine im folgenden als "Fehlerorter" bezeichnete Verarbeitungsund Rechenschaltung 2 übertragen.
• Der Fehlerorter 2 besteht im wesentlichen aus einem zentralen Prozessor und mehreren Schaltungen zur Messung, Erfassung und digitalen Verarbeitung, die praktisch den Schaltungen des Gesamt-Isolationswächters C.I. entsprechen.
• Der Fehlerorter 2 führt mit Hilfe eines Sinus- und eines Kosinus-Referenzsignals, die von ihm selbst erzeugt werden und die gleiche Frequenz aufweisen wie die vom Gesamt-Isolationswächter erzeugten Referenzsignale, die synchrone Demodulation des Meßstroms bzw. der Meßströme I1 und/oder I2, ... und/oder Ip, ... durch, die die Zweidrahtleitung bzw. die Zweidrahtleitungen L1 und/oder L2, ... und/oder Lp, ... durchfließen.
• Die vom Fehlerorter 2 durchgeführte synchrone Demodulation ermöglicht es, den Real- und den Imaginärteil des Fehlerstroms in dem Abgang bzw. den Abgängen zu bestimmen, die von einem solchen Fehler betroffen sind. Der Fehlerorter 2 erlaubt darüber hinaus eine Lokalisierung desjenigen Abgangs, in dem der Fehler aufgetreten ist.
• Um die Wirkanteile und die kapazitiven Blindanteile der Fehlerimpedanz in einem Abgang bestimmen zu können, muß der Fehlerorter 2 die entsprechenden (d.h. mit der gleichen Bezugsachse erfaßten) Real- und Imaginärteile der Spannung an der Fehlerstelle kennen. Der Fehlerorter 2 verwendet zur Berechnung der Anteile der Fehlerimpedanz in dem betreffenden Abgang bzw. den betreffenden Abgängen direkt die demodulierten Werte der injizierten Spannung Ui, die zuvor durch Messung und synchrone Demodulation im Gesamt-lsolationswächter C.I. berechnet wurden. Zu diesem Zweck sind zwei getrennte Femübertragungsverbindungen zwischen dem Isolationswächter C.I. und dem Fehlerorter 2 ausgeführt, und zwar
• - eine erste Verbindung 3, die gezwungenermaßen als Synchronverbindung ausgeführt sein muß und feste Impulse zur Synchronisierung des vom Isolationswächter C.I. erzeugten Sinus-Referenzsignals überträgt,
• - eine zweite Verbindung 4, die als Asynchronverbindung ausgeführt sein kann und die vom Isolationswächter C.I. erzeugten demodulierten Werte der injizierten Spannung Ui an den Fehlerorter 2 überträgt.
• Es sei darauf hingewiesen, daß dieser Phasenabgleich bzw. diese Synchronisation der beiden, vom Isolationswächter C.I. bzw. vom Fehlerorter 2 erzeugten Sinus-Referenzsignale zur Bestimmung der Anteile der örtlichen Fehlerimpedanzen unerläßlich ist, da für diese Bestimmung die Real- und Imaginärteile der Spannung und des Stroms an den Klemmen jeder Fehlerimpedanz bekannt sein müssen, wobei für diese Real- und Imaginärteile die gleiche Bezugsachse zu verwenden ist.
• Aus der obigen Beschreibung ergibt sich, daß sowohl im Gesamt-Isolationswächter C.I. als auch im Fehlerorter 2 verschiedene Meßgrößen immer der gleichen Verarbeitung unterzogen werden, die im wesentlichen aus einer Verstärkung des analogen Meßsignals, einer Tiefpaßfilterung des Stroms bei Netzlfrequenz (50 oder 60 Hz), der digitalen Erfassung mit einer der Netzfrequenzfilterung vorausgehenden und in der Praxis gemeinsam mit dieser erfolgenden Tiefpaßfilterung durch ein Anti-Aliasing-Filter und der eigentlichen digitalen Verarbeitung mit synchroner Demodulation bzw. Erfassung besteht.
• Daraus folgt, daß der Fehlerorter 2 und der Gesamt-Isolationswächter C.I. jeweils nur eine Verarbeitungsschaltung verwenden, die zur Ausführung der verschiedenen, ihr zugeordneten Funktionen eine Umschalt- oder Multiplexvorrichtung mit beispielsweise Halbleiterschaltern umfaßt.
• Diese Ausführungsform ist zwar wirtschaftlich sehr vorteilhaft, weist jedoch zwei Nachteile auf.
• Der erste Nachteil ist eine Folge der Tatsache, daß die Erfassungsschaltung zum Zeitpunkt des Auftretens der einzelnen Meßereignisse, d.h. beim Sperren und Durchschalten der zuvor genannten Halbleiterschalter mit sprungartigen Abtastwerten beaufschlagt wird, unabhängig davon, ob es sich um Strom-, Spannungs-, Phasenverschiebungs-, Widerstands- oder sonstige Meßwerte handelt. Das normalerweise verwendete Anti-Aliasing-Filter spricht nicht verzögerungsfrei auf die Abtastwerte an, mit denen es beaufschlagt wird, und an seinem Ausgang tritt daher eine bestimmte Anzahl von Überschwingungen auf, die angesichts der Tatsache, daß die zulässige Amplitude einer Überschwingung unter der dem "Quantifizierungsbit" oder LSB des eingesetzten Analog-Digital-Umsetzers entsprechenden Amplitude liegen muß, alles andere als vernachlässigbar ist. Während der gesamten Wirkdauer dieses durch die Umschaltvorgänge bedingten Überschwingens kann die digitale Verarbeitungsschaltung nicht ordnungsgemäß arbeiten.
• In dem Buch "Halbleiter-Schaltungstechnik" von U. Tietze und Ch. Schenk, Berlin, Springer 1986, S.376-381 und 390405 wird ein Tiefpaßfilter mit einer Welligkeit von 0,5 beschrieben, bei dem jedoch immer noch ein Überschwingen auftritt.
• Ein anderer Nachteil liegt darin, daß dem Analog-Digital-Umsetzer ein Operationsverstärker mit in Abhängigkeit von der Amplitude des Eingangssignals einstellbarem Verstärkungsfaktor vorgeschaltet werden muß, um den gleichen Analog-Digital-Umsetzer für alle diese Daten, deren Amplituden sehr unterschiedlich sein können, mit der gewünschten Bitzahl verwenden zu können. Bekanntlich besteht zwischen dem Verstärkungsfaktor G eines Operationsverstärkers und dessen Bandbreite B eine Abhängigkeit gemäß
• G x B = konstant.
• Die Veränderung des Verstärkungsfaktors G bewirkt eine Veränderung der Bandbreite, und da ein Operationsverstärker im Grunde ein aktives Tiefpaßfilter darstellt, variiert auch die eingegebene Phasenverschiebung. Die Verarbeitung durch synchrone Demodulation erfordert aber, um genau zu sein, eine vorzugsweise konstante Phasenverschiebung. Dies führt letztendlich dazu, daß ein einwandfreies Arbeiten des Isolationswächters praktisch unmöglich ist, es sein denn, man setzt zusätzlich aufwendige und damit teure Komponenten ein.
• In der Druckschrift EP-A-74235 ist eine analytische programmierbare Signalauswerteschaltung mit einem signalabhängigen automatischen Dämpfungsglied beschrieben.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beheben. Sie betrifft eine Meßgrößen-Verarbeitungsschaltung gemäß dem Patentanspruch 1. Zum besseren Verständnis ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile und Merkmale näher erläutert. Dabei zeigen:
• Figur 2 ein Übersichts-Blindschaltbild der Verarbeitungsschaltung;
• Figur 3 ein Schaltbild eines in der Verarbeitungsschaltung verwendbaren Anti- Aliasing-Filters und
• Figur 4 ein Schaltbild der dem zugehörigen Analog-Digital-Umsetzer vorgeschalteten, einstellbaren Verstärkerschaltung
• Aus Figur 2 geht hervor, daß der Meßgrößen-Verarbeitungsschaltung zum Einsatz in einem, mit synchroner Erfassung bzw. Demodulation arbeitenden digitalen Isolationswächter eine Multiplexschaltung 5 mit n, jeweils mit einer der durch Synchrondemodulation zu verarbeitenden, analogen Meßgrößen beaufschlagten Eingängen E1, E2, ...Ep, ...En, und natürlich einem Ausgang 6 vorgeschaltet ist.
• Dem Multiplexer 5 ist ein Vorverstärker 7 zur Pegelanpassung nachgeschaltet, an den sich wiederum ein Tiefpaßfilter 8 anschließt, dessen Grenzfrequenz unter der 50-Hz-Netzfrequenz, jedoch oberhalb der Frequenz des injizierten Referenzsignals liegt. Das Filter 8 für das 50-Hz-Signal erfüllt auch die Funktion eines Anti- Aliasing-Filters für das digitale Erfassungsglied, welches durch den Malog-Digital- Umsetzer 9 gebildet wird, der dem Filter 8 nachgeschaltet und an den Eingang des sämtliche digitalen Verarbeitungsschritte ausführenden Prozessors 10 gelegt ist.
• Der Prozessor 10 ist mit einem Element 11 verbunden, das in der Lage ist, die demodulierten und durch den Mikroprozessor berechneten Daten anzuzeigen.
• Zwischen dem Filter 8 und dem Analog-Digital-Umsetzer 9 ist weiterhin ein Verstärkerglied 12 vorgesehen, dessen Verstärkungsfaktor durch den Prozessor 10 über eine Verbindung 14 automatisch angepaßt wird, um eine Spannung mit optimaler Amplitude am Eingang des Umsetzers 9 zu erhalten.
• Das Anti-Aliasing-Filter 8 ist zur Verhinderung von Überschwingungen bei jeder Umschaltung der Eingänge des Multiplexers 5 erfindungsgemäß als aperiodisches Filter mit reellen Polen ausgeführt, dessen Komponenten so berechnet werden, daß er eine Welligkeit von ≤ 0,5 aufweist.
• Zur Realisierung des Filters 8 ist es beispielsweise möglich, eine herkömmliche RAUCH-Schaltung zu verwenden, die schematisch in Figur 3 dargestellt ist, allerdings einen Operationsverstärker 13 sowie ohmsche Widerstände R1, R2, R3 und Kapazitäten C1, C2, C3 enthält, deren Werte so festgelegt werden, daß das aktive Filter eine Welligkeit von 0,5 aufweist.
• Die ohmschen Widerstände und Kapazitäten können beispielsweise folgende Werte aufweisen:
• R1 =47500 Ohm,
• R2 = 47500 Ohm,
• R3 = 44200 Ohm,
• C1 = 330 Nanofarad,
• C2 = 150 Nanofarad.
• Mit einem Filter dieser Art wird am Ausgang des Filters keine Überschwingfrequenz erzeugt, wenn sein Eingang mit einem Spannungs-Abtastwert beaufschlagt wird.
• Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung umfaßt das über die Verbindung 14 angesteuerte, einstellbare Verstärkerglied 12 entsprechend Figur 4
• - einen Operationsverstärker 15 mit durch die beiden Gegenkopplungswiderstände 16 und 17 bestimmtem, festem Verstärkungsfaktor und
• - ein in Potentiometerschaltung ausgeführtes, einstellbares Dämpfungsglied 18, das unmittelbar vor den Verstärker 15 geschaltet ist.
• Das Dämpfungsglied 18 umfaßt eine Brückenschaltung mit passiven Widerständen R1, R2, R3, ... Rn-1, Rn, die in einer Kaskadenschaltung zwischen den Eingang 19 des einstellbaren Verstärkerkreises und Masse geschaltet sind.
• Mit Hilfe eines in der Zeichnung als Dreh-Wahlschalter dargestellten Umschalters kann in Abhängigkeit von der über die Verbindung 14 erfolgenden Ansteuerung durch den Prozessor 10 entweder die gesamte Widerstandskaskade oder lediglich ein Teil derselben auf den Eingang 21 des Verstärkers 15 mit festem Verstärkungsfaktor geschaltet werden.
• Bei schwachen Signalen wird die gesamte Kaskade aufgeschaltet, so daß diese Signale ohne Gefahr von Verzerrungen o.ä. direkt dem Eingang 21 des Verstärkers 15 zugeführt werden. Bei Signalen mit zunehmender Amplitude wird der Abgriff des Umschalters 20 nach und nach im Gegenuhrzeigersinn verschoben und bewirkt so eine schrittweise zunehmende, lineare Dämpfung der an die Klemme 19 angelegten Spannung. Da der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 15 konstant ist und das Dämpfungsglied 18 ausschließlich mit rein ohmschen Widerständen arbeitet&sub1; erzeugt die Schaltung 12 entsprechend der mit dem einstellbaren Verstärkerglied verfolgten Zielstellung keinerlei Phasenverschiebung.
• Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann beispielsweise das Filter eine andere als die RAUCH- Schaltung aufweisen, sofern seine Komponenten so berechnet werden, daß er eine Welligkeit von ≤035 aufweist.

Claims (1)

1. Meßgrößen-Verarbeitungsschaltung für einen digitalen Isolationswächter, bestehend aus

- einem Isolationswächter (CI.) zur Injizierung einer Referenz-Wechselspannung mit einer unter der Frequenz des Netz-Wechselstroms liegenden Frequenz in das elektrische Leitungsnetz sowie zur Erzeugung eines Sinus- und eines Kosinus- Hilfssignals,

- einer der genannten Schaltung vorgeschalteten Umschaltvorrichtung (5) zur getrennten Verarbeitung der Meßgrößen (E1, E2, Ep, En), wobei die genannte Schaltung

- ein Anti-Aliasing-Filter (8),

- ein, einem digitalen Erfassungsglied (9) vorgeschaltetes, einstellbares Verstärkerglied (12) sowie

- ein zentrales Glied (10) zur digitalen Verarbeitung umfaßt, das eine synchrone Demodulation bzw. Erfassung zur Bestimmung der Wirkanteile und der kapazitiven Blindanteile der genannten Größen vornimmt, dadurch gekennzeichnet, daß

- das Anti-Aliasing-Filter (8) als aperiodisches Filter mit reellen Polen ausgeführt ist, dessen Komponenten (R1, R2, R3, C1, C2) so berechnet werden, daß er eine Welligkeit von ≤ 0,5 aufweist,

- das einstellbare Verstärkerglied (12) einen Operationsverstärker (15) mit festem Verstärkungsfaktor umfaßt, der einem einstellbaren Dämpfungsglied (18) zugeordnet ist, welches über eine Elektrische Verbindung (14) an das zentrale Verarbeitungsglied (10) angeschlossen ist, das den Verstärkungsfaktor des Verstärkerglieds (12) anpaßt, um eine Spannung mit optimaler Amplitude am Eingang des digitalen Erfassungsglieds (9) zu erhalten, und

- das Dämpfungsglied (18) eine Brückenschaltung aus passiven Widerständen (R1, R2, R3... Rn-1, Rn) sowie einen Umschalter (20) umfaßt, der über die vom zentralen Verarbeitungsglied (10) stammenden Signale angesteuert wird, um die Aufschaltung einer bestimmten Anzahl von Widerständen in Abhängigkeit vom Pegel der Ausgangssignale des Anti-Aliasing-Filters (8) zu gewährleisten.