-
Isolationsüberwachungs- und Erdschlußanzeigeeinrichtung für Drehstromanlagen
Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen, die Phasenerdschlüsse, Sternpunkterdschlüsse
und, bei gesundem Netz, den ungefähren Wechselstromwiderstand der Anlage gegen Erde
erfassen. Erdschlüsse auf dem Spannungsdreieck und teilweise auch Erdschlüsse auf
dem Spannungsstern können ebenfalls erfaßt werden.
-
Die zur Erdschlußüberwachung von Drehstromanlagen bisher am meisten
angewendeten Einrichtungen sind eigentlich nur Symmetrieüberwachungseinrichtungen;
die jede auftretende Unsymmetrie der Phasenerdspannung anzeigen und somit zur Erfassung
unmittelbarer Phasen erdschlüsse gute Dienste leisten. Man legt hierbei jede Phase
über einen Spannungsmesser, meist über Spannungswandler, an Erde. Normal zeigen
alle drei Instrumente die Phasenspannung an, denn alle liegen an dem praktisch symmetrischen
Sternpunkt der Erdkapazitäten und Isolationsfehler der Anlage, und jede Störung
dieser Symmetrie wird angezeigt. An Stete dieser Einrichtung begnügt man sich auch
häufig damit, die Sternpunktspannung der Anlage gegen Erde zu überwachen. Auch hierbei
wird- jede Unsymmetrie angezeigt. Von diesen Schaltungen gibt es noch viele Abarten,
die alle den Fehler gemeinsam haben, daß symmetrische Erdschlüsse, wie Sternpunkterdschlüsse,
z. B. infolge Ansprechens einer Durchschlagssicherung, und gleichmäßige Isolationsverschlechterungen
aller drei Phasen, z. B. durch Feuchtwerden von Anlageteilen oder Maschinen, nicht
angezeigt werden.
-
Die Unversehrtheit der Durchschlagssicherung am Sternpunkt kann zwar
durch eine dazu parallel gelegte Glimmlampe geprüft werden, die durch einen künstlichen,
durch Drücken einer Handtaste herstellbaren Erdschluß zum Aufleuchten gebracht wird.
Eine ständige selbsttätige Überwachung der Durchschlagssicherung ist hiermit jedoch
nicht möglich, sondern die Nachprüfung ist der Gewissenhaftigkeit der Bedienungsperson
überlassen.
-
Es sind auch schon Erdschlußüberwachungs einrichtungen mit nur zwei
unter sich gleichen und für die verkettete Spannung bemessenen Spannungsmessem vorgeschlagen
worden; hierbei liegt der eine Spannungsmesser am Sternpunkt und der andere an einer
der drei Phasen, während die freien Klemmen miteinander verbunden
und
an Erde gelegt sind, so daß der eine Spannungsmesser parallel zur Durchschlagssicherung
liegt und beim Ansprechen derselben kurzgeschlossen wird. Hierbei geht er von seinem
normalen Ausschlag, der der halben Phasenspannung entsprechen soll, auf Null zurück.
Mit dieser Schaltung ist demnach scheinbar eine Überwachung der Durchschlags*-sicherung
bzw. die Anzeige eines Sternpunkterdschlusses erreicht. In praktischen Anlagen,
die meist mit erheblichen Erdkapazitäten oder zuweilen auch mit größeren Ohmschen
Isolationsfehlern behaftet sind, versagt diese Schaltung jedoch. Der durch die Isolationswiderstände
und besonders durch die Erdkapazitäten der Leitungen gebildete Sternpunkt ist hierbei
praktisch so starr, daß der zwischen Umspannersternpunkt und Erde liegende Spannung
messer zwischen zwei praktisch zusammenfallende Sternpunkte geschaltet ist und keine
oder nur die in gesunden Netzen geringe Spannung der natürlichen Unsymmetrie anzeigt.
Spannungsmesser werden mit größtmöglichem inneren Widerstand ausgeführt, meist ist
sogar der Anschluß über Spannungswandler üblich, zunehmend auch in Anlagen unter
Iooo V. Das System der natürlichen Erdkapazitäten und Isolationsfehler der Anlage
wird also durch die Zuschaltung der beiden Spannungsmesser nicht merkbar beeinflußt,
weil deren innerer Widerstand von höherer Größenordnung ist als die komplexen Ableitwiderstände
des Netzes.
-
Nur in ganz kleinen und daher meist weniger wichtigen Anlagen mit
sehr kleinen Erdkapazitäten und geringen Isolationsfehlern kann es vorkommen, daß
diese Schaltung eine brauchbare Anzeige, wenigstens der Erdschlüsse, vermittelt.
Eine Auswertung der bei gesundem Netz auftretenden Zwischenanzeigen ist jedoch auch
hierbei nicht möglich. In der überwiegenden Mehrzahl der praktischen Anlagen muß
diese Schaltung dagegen vollständig versagen.
-
Zum Schutze der Wicklungen von Maschinen gegen Erdschluß kann man
in die Erdleitung des Sternpunktes eine Hilfswechselspannung einschalten, um auch
Erdschlüsse am Sternpunkt oder in dessen Nähe zu erfassen. An Stelle dieser durch
einen besonderen Umspanner erzeugten Hilfswechselspannung sind auch Schaltungen
beschrieben worden, bei denen eine dreiphasige, unsymmetrische Drosselspule an die
Generatorklemmen angeschlossen und der Sternpunkt der Drosselspule über ein Erdschlußrelais
geerdet ist. Solche Einrichtungen, die zum Schutze größerer Generatoren ausgeführt
werden, sind kostspielig, da sie einen besonderen Umspanner für die Hilfsspannung
oder eine dreiphasige Drossel benötigen.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine einfache
betriebssichere Überwachungseinrichtung zu schaffen, welche nicht nur den direkten
Erdschluß einer Phase, sondern in jeder Anlage auch symmetrische Erdschlüsse bzw.
symmetrische Isolationsverschlechterungen aller drei Phasen und den Erdschluß des
Sternpunktes, etwa infolge Ansprechens einer Durchschlagssicherung, anzeigt.
-
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst worden, daß mindestens
eine der drci ,iPhasen und ein Sternpunkt über Widerstände beliebiger Phasenlage,
jedoch von etwa der gleichen Größenordnung wie die normalen komplexen Ableitwiderstände
der zu überwachenden Anlage miteinander verbunden und geerdet sind und daß die an
ihnen herrschende Spannung bzw. der in ihnen fließende Strom zur Anzeige von Erdschlüssen
und als Maß des Wechselstromwiderstandes der Anlage gegen Erde benutzt wird. Hierdurch
ist eine über wachungseinrichtung geschaffen worden, die in jeder Anlage sowohl
Phasenerdschlüsse als auch Sternpunkterdschlüsse bzw. symmetrische Isolationsverschlechterungen
aller drei Phasen anzeigt; dabei braucht nur ein einziges für die Sternspannung
bemessenes Meßgerät vorgesehen zu sein, das die Spannung am Yt'iderstand des Sternpunktes
bzw. den Strom in diesem Widerstand zur Anzeige bringt. Die neue Überwachungseinrichtung
zeichnet sich danach nicht nur durch erhöhte Brauchbarkeit und Zuverlässigkeit,
sondern gleichzeitig durch eine vereinfachte übersichtliche Bauart aus, die eine
bequeme Benutzung gewährleistet. Ferner hat sie den Vorteil, daß der jeweilige Ausschlag
des Meßgerätes ein Maß für den ungefähren Wechselstromwiderstand der Isolation gegen
Erde abgibt und dadurch eine ständige Beurteilung des jeweiligen Erdschlußstromes
der Anlage ermöglicht. Hierzu kann das Meßgerät zweckmäßig gleich in kQ-Einheiten
Wechselstromwiderstand bzw. in yF-Einheiten Kapazität grob geeicht sein.
-
Auf der Zeichnung ist die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel
dargestellt, und zwar zeigt Bild I eine Isolationsüberwachungs- und Erdschlußanzeigeeinrichtung
mit kombinierten Ohmschen und kapazitiven Widerständen, Bild 2 ein Ausführungsbeispiel
für die Skala des Meßinstrumentes einer Einrichtung nach Bild I.
-
Die in Bild I gezeigte Einrichtung ist für eine Drehsftomniederspannungsanlage
bestimmt. Im Sternpunkt des Umspanners t ist zum Schutze gegen den Übertritt der
Hochspannung der Primärseite eine Durchschlagssicherung d gegen Erde E angeordnet.
Die in jeder Anlage vorhandenen Isolationsfehler und Erdkapazitäten sind mit r bzw.
c bezeichnet. Die Überwachungseinrichtung besteht aus einem lçombinieten Ohmschen
und kapazitiven Widerstand i, g, der am Sternpunkt liegt, und einem ebensolchen
Widerstand k, h, der an einer Phase liegt,
während die freien Enden
der Widerstände verbunden und an Erde E gelegt sind. Parallel zum Widerstandi, g
liegt ein Spannungsmesser V.
-
Die Wirkung beruht nun in erster Linie darauf, daß in die ungefähr
symmetrische Sternschaltung der natürlichen Leitungskapazitäten c und Isolationsfehler
r durch den Widerstand k, k eine künstliche Unsymmerie gebracht wird. Der sich so
ergebende unsymmetrische geerdete Sternpunkt wird durch Vergleich mit dem symmetrischen
Sternpunkt der Anlage als Maß für die jeweilige Größe des Wechselstromwiderstandes
der Isolation benutzt.
-
Der Widerstandk, h muß nun so gewählt werden, daß einerseits die
durch ihn erzeugte Unsymmetrie groß genug ist gegenüber der stets vorhandenen, wenn
auch meist geringen natürlichen Unsymmetrie, um ordnungsmäßig zur Anzeige gebracht
zu werden, und daß anderseits der natürliche Wechselstromwiderstand der Isolation
nicht unnötig herabgesetzt wird. Diesen Forderungen wird durch die Vorschrift entsprochen,
daß die Widerstände größenordnungsmäßig etwa gleich den normalen komplexen Ableitwiderständen
des Netzes sein sollen. Für die Wirkung der Einrichtung selbst können die Widerstände
auch kleiner gemacht werden.
-
Für das Beispiel sei angenommen, daß beide Widerstände i, g-und k,
h gleiche Absolutwerte und gleiche Phasenlage haben; die Anzeige des Spannungsmessers
ist dann wie folgt: Für den Grenzfall eines absolut reinen Netzes, d. h. für co
o und r Co zeigt zeigt der Spannungsmesser die halbe Sternspannung an. Bei Erdschluß
einer der Phasen steigt der Ausschlag des Instrumentes auf die volle Sternspannung.
Beim Ansprechen der Durchschlagssicherung dagegen, was einer Erdung des Sternpunktes
gleichkommt, geht der Ausschlag auf Null zurück. Für den Grenzfall eines mit sehr
starken Erdströmen behafteten Netzes geht das Instrument ebenfalls auf die Nullstellung
zurück, da es zwischen den symmetrischen Sternpunkt des Netzes und den der Ohmschen
und kapazitiven Isolationsfehler geschaltet ist. Zwischen diesen beiden Grenzfällen,
also bei normalen komplexen Ableitwiderständen, wird der Ausschlag zwischen der
halben Sternspannung und Null liegen.
-
Um eine grobe Eichung des Meßgerätes in kll -Wechselstromwiderstand
vornehmen zu können, muß die ungefähre Phasenlage des komplexen Ableitwiderstandes
c, r der Isolation bekannt sein. Bei Hochspannungsanlagen wird meist die Ohmsche
Ableitung gegenüber der Leitungskapazität stark zurücktreten, bei manchen Niederspannungsanlagen,
z. B. wenn direkt angeschlossene Widerstandsschmelzöfen oder ähnliche vorhanden
sind, wird dagegen mit überwiegender Ohmscher Ableitung zu rechnen sein. Die Phasenlage
der komplexen Ableitwiderstände ist je nach der Phasenlage der Widerstände i und
h von mehr oder weniger großem Einfluß auf die Anzeige des Meßgerätes. Bild 2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel der Skala bei Eichung in kQ-Wechselstromwiderstand.
-
Natürlich sind noch sehr viele Abänderungen und auch andere Ausführungen
der Erfindung gegenüber dem dargestellten Beispiel möglich.
-
Insbesondere ist hinsichtlich des Größenverhältnisses und der Phasenlage
der Widerstände i, g und k, h ein großer Spielraum gelassen. Selbstverständlich
können die Meßgeräte auch über Meßwandler angeschlossen werden.
-
Für Netze mit stark unsymmetrischen Isolationsfehlern oder Kapazitäten
kann man einen Instrumentenumschalter vorsehen, der es gestattet, die Einrichtung
der Reihe nach an alle drei Phasen zu legen. Da bei den besonders in Frage kommenden
Niederspannungsanlagen und auch bei den Anlagen über 1000 V größtenteils dreiphasige
Stromverbraucher angeschlossen sind, bei denen die Leitungen dreiphasig verlegt
werden, dürfte der Fall starker Unsymmetrien jedoch nicht häufig sein.