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Gerät zur Isolationsüberwachung für gegen Erde isolierte elektrische
Fahrzeuge, insbesondere Oberleitungs-Omnibuss e
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung
- vorzugsweise für Obusse -, die es gestattet, den Isolationszustand eines gegen
Erde isolierten elektrischen Fahrzeuges jederzeit - auch im Betrieb -so eindeutig
überwachen zu können, daß die für die Fahrgäste erforderliche Sicherheit gegen Berührungsspannungen
gewährleistet ist.
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Bekanntlich ist der Obus ein Fahrzeug, dessen Wagenmasse wegen seiner
Gummibereifung im Gegensatz zu schienengebundenen Fahrzeugen keine zwangläufig gut
leitende Verbindung mit der Fahrbahn besitzt. Infolgedessen ist man gezwungen, einen
möglichst geringen Potentialunterschied zwischen dem Wagenkasten des Obusses und
der Fahrbahn anzustreben, damit einsteigende Fahrgäste keine unzulässig hohen Spannungen
durch ihren Körper zu überbrücken brauchen. Um dieses Ziel zu erreichen, muß für
eine sehr sorgfältige Isolierung der elektrischen Anlage gesorgt und der Isolationszustand
auf die in diesem Zusammenhang bestehenden Vorschriften laufend überprüft werden.
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Nach dem Stand der derzeitigen Vorschriften gilt die Isolation der
spannungführenden Ausrüstungsteile gegen Wagenmasse als ausreichend, wenn bei jedem
Stromkreis der durch die Isolation fließende Kriechstrom einen Wert von I mA nicht
überschreitet. Bei 600 V mittlerer Fahrdrahtspannung müßte also,-wenn man den Fahrstromkreis
betrachtet, die zu messende Isolation wenigstens o, 6 MSZ betragen. Bei einem unter
Berücksichtigung dieser Gesichtspunkte sorgfältig ausgerüsteten Fahrzeug ist im
allgemeinen die Gesamtisolation
um ein Vielfaches des vorgeschriebenen
Mindestwertes größer, weil zwischen den spannungführenden Teilen und der Wagenmasse
häufig doppelte Isolationen vorhanden sind.
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Die Überprüfung des Isolationszustandes erfolgt im allgemeinen täglich
in der Wagenhalle vor dem Einsatz der Obusse mit Hilfe eines Isolationsmessers,
z. B. eines tragbaren Kurbelinduktors oder eines ortsfest eingebauten Meßgerätes.
Hierfür dient zweckmäßigerweise ein Kreuzspulinstrument, durch dessen Meßspule der
von der Oberleitung über die Wagenisolation abfließende Kriechstrom geführt wird
und dessen Skale den Isolationswiderstand in MQ abzulesen gestattet. Ein bei einer
solchen Messung in der Wagenhalle als ausreichend festgestellter Wagenisolationszustand
kann sich aber während des Betriebes durch eingedrungene Nässe oder mechanische
Beschädigung oder durch Fahrerschütterungen so weit verschlechtern, daß der zulässige
Mindestwert der Wagenisolation unterschritten wird.
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Um einen derartigen möglicherweise auftretenden Mangel für die den
Wagen beim Eine und Aussteigen berührenden Fahrgäste ungefährlich werden zu lassen,
wurden die verschiedenartigsten Einrichtungen geschaffen, die einen auftretenden,
zu großen Kriechstrom unmittelbar nach Erde oder zum geerdeten Fahrdraht ableiten
bzw. das Vorhandensein des unerwünschten Zustandes anzeigen sollen.
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Eine Ableitung des Kriechstromes würde durch eine direkte Verbindung
der Wagenmasse mit dem geerdeten Pol des Speisepunktes gegeben sein, wie dies bei
Schienenfahrzeugen der Fall ist. Dementsprechende Sicherheitsvorkehrungen hat man
in Gestalt von leitenden Reifen, Schleifketten oder ähnlichen zwischen Masse und
Fahrbahnerde angeordneten Elementen geschaffen. Ihr Zweck kann jedoch nicht in befriedigendem
Maße erfüllt werden, weil selbst bei einer widerstandslosen Verbindung der mit der
Wagenmasse verbundene Erdpunkt, insbesondere bei trockenem Wetter, nicht in allen
Fällen das gleiche Potential besitzt wie der Punkt, auf dem der den Wagen berührende
Fahrgast steht.
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Aus diesem Grunde kann auch ein Signal, das durch den von Wagenmasse
beispielsweise über einen Schleifbesen nach Erde abfließenden Kriechstrom ausgelöst
wird, nicht als zuverlässig angesprochen werden.
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Zur Ableitung des Kriechstromes zum geerdeten Fahrdraht ist eine
galvanische Verbindung zwischen Wagenmasse und diesem erforderlich. Um den durch
betriebliche Maßnahmen bedingten Polwechsel berücksichtigen zu können, erfolgte
bisher die galvanische Verbindung durch polarisierte Relais oder andere selbsttätig
arbeitende Geräte, deren Versagen eine gefährliche Verbindung des nicht geerdeten
Fahrdrahtes mit Wagenmasse zur Folge haben kann.
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Andere Schaltungen sehen für den Berührungsschutz elektrische Ventile
vor, die so zwischen den beiden Stromabnehmern und der Wagenmasse geschaltet sind,
daß zwischen letzterer und dem geerdeten Fahrdraht nur ein kleines, dem Spannungsabfall
der ableitenden Zellengruppe entsprechendes Gefälle entsteht. Auch hierbei können
unerwünscht hohe Berührungsspannungen entstehen, wenn sich infolge Alterung der
Vorwiegend nur in einer Richtung stromdurchflossenen Ventile ein zu hoher Spannungsabfall
zwischen Wagenmasse und geerdetem Fahrdraht einstellt oder wenn die Verbindungsleitung
zum geerdeten Pol des Wagens schadhaft wird. Um derartige Fehler zu kompensieren,
wurden Einrichtungen entwickelt, die in einem solchen möglichen Gefahrenfalle die
Verbindungsleitung zur Wagenmasse abtrennen, eine Tatsache, die den Schutz der Fahrgäste
durch die Schutzschaltung wieder hinfällig macht.
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Da es nicht angängig und auch praktisch nicht erreichbar ist, einen
beliebig großen Kriechstrom über eine Gleichrichterzellengruppe zu leiten, wurde
in die Verbindungsleitung zur Wagenmasse die Spule eines Relais gelegt, das bei
einem unzulässig hoch'ansteigenden Kriechstrom ein Warnsignal einschaltet. Bevor
dieser Zustand erreicht wird, ist also der zulässige Isolationsmindestwert noch
nicht vorhanden. Der somit ungefährliche Kriechstrom braucht also auch nicht abgeführt
zu werden. Die beschriebene verwickelte Einrichtung, die selbst -wie erläutert -
erhebliche Fehlerquellen birgt, ist letzten Endes also nur ein Mittel zum Anzeigen
einer unzulässig verschlechterten Wagenisolation.
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Bei den vorbeschriebenen Schaltungen, bei denen eine Verbindung zwischen
Wagenmasse und dem geerdeten Fahrdraht vorhanden ist, kommt als Nachteil hinzu,
daß sich der Spannungsabfall in dem geerdeten Fahrdraht zusätzlich als Erhöhung
des Wagenpotentials gegenüber Fahrbahn auswirkt.
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Zur selbsttätigen Anzeige einer fehlerhaften Wagenisolation wurde
bei Obussen auch ein Spannungsteilerwiderstand zwischen Plus- und Minus-Stromabnehmer
geschaltet, dessen Mittelpunkt über eine gegengeschaltete Batterie und eine Glimmlampe
mit der Wagenmasse verbunden ist. Die Batterie besitzt eine Spannung in der Höhe
der halben mittleren Fahrdrahtspannung, läßt also künstlich ein Potential »o« am
Wagenkasten entstehen, Bei verkleinertem Isolationswiderstand steigt die Spannung
an der Glimmlampe, die bei einem genügend kleinen Isolationswiderstand aufleuchtet.
Nachteilig bei dieser Schaltung ist die Tatsache, daß die Fahrdrahtspannung starken
Schwankungen unterliegt, so daß sich die Glimmlampenspannung dauernd ändert und
deshalb keine eindeutige Anzeige gewährleistet. Eine verbrauchte (fehlerhafte) Batterie
läßt unter Umständen eine gefährlich werdende Spannung von der Oberleitung an Wagenmasse
gelangen, so daß sich also selbst bei völlig in Ordnung befindlicher Wagenisolation
- an Wagenmasse eine fühlbare oder gefährliche Spannung gegenüber Fahrbahnerde einstellen
kann.
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Während die vorbeschriebenen Einrichtungen die Aufgabe haben, die
Wagenmasse durch Verbindung mit dem geerdeten Fahrdraht künstlich zu erden,
sind
auch Vorrichtungen ausgeführt worden, die sich zur Feststellung des Wagenisolationswertes
einer fremden Spannungsquelle bedienen, die im Fahrzeug selbst mitgeführt wird,
z. B. eine Meßbatterie von hoher Spannung oder eine Zerhackereinrichtung, durch
die die in jedem Wagen vorhandene Niederspannung in die vorgeschriebene Meßspannung
umgeformt wird. Derartige Einrichtungen können, um eine Gegeneinanderschaltung der
Meßspannung zur Oberleitungsspannung zu vermeiden, nur dann angewandt werden, wenn
der Überstromschalter des Wagens abgeschaltet ist oder die Stromabnehmer abgezogen
sind. In ersterem Falle wird ein Teil der Anlage (vom Fahrdraht bis zum Überstromschalter)
nicht mitgemessen; in letzterem Falle kann der Isolationswert nur bei stehendem
Wagen bestimmt werden, wodurch die Feststellung einer schädlichen Beeinflussung
der Wagenisolation durch die Wagenbewegung ausgeschlossen ist.
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Alle diese Einrichtungen haben im wesentlichen deshalb nicht befriedigt,
weil einmal bei Störungen die Wagenmasse eine gefährliche Spannung annimmt und damit
der Zustand noch schlechter wird als ohne Schutz- oder Überwachungseinrichtung,
zum anderen ist die Überwachung des Isolationswertes während des Betriebes unvollständig,
weil ein Teil der Anlage und auch der Betriebszustand hierbei nicht erfaßt werden.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile wird erfindungsgemäß ein Gerät zur
Isolationsüberwachung von gegen Erde isolierten elektrischen Fahrzeugen, insbesondere
Oberleitungs-Omnibussen, bei denen der Isolationswiderstand mit seinen Änderungen
die Gitterspannung einer Abstimmanzeigeröhre beeinflußt, derart vorgeschlagen, daß
der veränderliche Isolationswiderstand des Wagens parallel zu einem festen Widerstand
einer Widerstandsbrücke liegt, deren übrige Widerstände so abgestimmt sind, daß
das an einem im Nullzweig der Brücke angeordneten Spannungsteiler angelegte Steuergitter
der Abstimmanzeigeröhre eine negative Vorspannung erst dann erhält, wenn die Wagenisolation
auf einen vorbestimmten unteren Wert und darunter abgesunken ist.
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Es sind zwar gemäß der deutschen Patentschrift 921 213 stationäre
Einrichtungen bekanntgeworden, bei denen beispielsweise der unerwünschte Isolationsstrom
zur Erzeugung einer Gittersteuerspannung an einem festen oder regelbaren Widerstand
und der Offnungswinkel der Abstimmanzeigeröhre als Kennzeichen dient; diese Einrichtungen
sind indessen für den speziellen Zweck für gegen Erde isolierte elektrische Fahrzeuge,
insbesondere Oherleitungs-Omnibusse, ungeeignet. Die dort vorgeschlagene Erzeugung
einer negativen Gittervorspannung durch den über die Isolation abfließenden Fehlerstrom
(Kriechstrom) ist für den Obus deshalb nicht zu gebrauchen, weil sich der Schattenwinkel
der Abstimmanzeigeröhre bereits bei dem zulässigen Isolationszustand in dem großen
Bereich von Co bis z. B. o, 6 MegQ entsprechend der Röhrencharakteristik ändern
würde. Die Änderung des Schattenwinkels würde außerdem den starken Schwankungen
der Fahrdrahtspannung (+ 20°/o, 300/0) unterliegen, so daß eine eindeutige Anzeige
des Absinkens des Isolationswertes auf die zulässige Grenze völlig ausgeschlossen
n wäre.
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Der Hauptvorteil der für Obusse vorgeschlagenen Isolationsüberwachung
liegt darin, daß zu ihrer Funktion keine dem Fahrdraht entnommene Leistung erforderlich
ist. Somit kann erfindungsgemäß eine elektrische Verbindung der Wagenmasse mit dem
Fahrdraht über Widerstände erfolgen, deren Größe das Vielfache des zulässigen Isolationswiderstandes
zwischen nicht geerdeter Oberleitung und Wagenmasse betragen. Hierdurch ist es ausgeschlossen,
daß durch das Isolationsüberwachungsgerät - selbst bei Schadhaftwerden -ein Fehlerstrom
nach Wagenmasse fließt, der größer ist als man bei einer guten Wagenisolation erwarten
kann. Um eine eindeutige Anzeige bei einem bis zur zulässigen Grenze abgesunkenen
Isolationswert zu erhalten, dient die in Abb. I dargestellte Schaltung.
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Hierin bedeuten I, 2, 3, 4, 5 und 6 feste Widerstände von hohem Ohmwert,
7 den veränderlichen Isolationswiderstand, 8 das Röhrengitter, 9 die Anodenbatterie
für Abstimmanzeigeröhre, Io die Wagenmasse.
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Die festen Widerstände werden entsprechend der Charakteristik der
Abstimmröhre so ausgelegt, daß bis zum kleinsten zugelassenen Isolationswiderstand
für etwa 0,5 MQ für 7 eine Anzeige noch nicht erfolgt, aber bei weiterem Absinken
des Isolationswertes eine ins Auge fallende Verkleinerung des Schattenwinkels der
Röhre eintritt. Jede weitere relativ kleinere Verschlechterung der Isolation ist
erkennbar. Dies wird erreicht, wenn bei etwa 0,5 MQ Wagenisolation die Gitterspannung
0 ist, bei höheren Werten positiv, bei kleineren Werten negativ.
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Da, wie Abb. I zeigt, der Wagenisolationswiderstand 7 parallel zu
5 liegt, braucht nur dafür gesorgt zu werden, daß in dem Querwiderstand 3 und 4
in diesem Falle kein Strom fließt. Ist 7 größer als zugelassen, ergibt sich ein
Stromfluß von 3 über 4 nach 2, bei kleineren Werten von 7 ein solcher von 10 über
4 nach 3. Nur in dem letzteren Falle wird die Gitterspannung negativ, wodurch eine
Anderung des Schattenwinkels bewirkt wird. Für die in Abb. I beispielsweise angegebenen
Widerstánde ergibt sich ein Verlauf der Gitterspannung entsprechend der Kennlinie
in Abb. 2. Es ist zu erkennen, daß von einem Isolationswiderstand von 0,5 MQ ab
und kleiner ein sehr steiler Anstieg der Kennlinie eintritt, der einer starken Verkleinerung
des Schattenwinkels bei weiter fallendem Isolationswert entspricht.
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Ein weiterer Vorteil der Schaltung ist eine praktisch belanglose
Verschiebung der Kennlinie bei den üblichen Fahrdraht-Spannungsschwankungen.
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Weitere Vorteile sind eine trägheitslose Anzeige, die also auch ganz
kurzzeitige Isolationsverschlechterungen, z. B. bedingt durch Wagenerschütterungen,
erkennen läßt, die Einfachheit und Billigkeit
in der Anschaffung
und Anspruchslosigkeit in der Wartung.
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Um bei umgepolter Oberleitung die gleiche Wirkung zu haben, wird
durch ein Relais II in Abb. 3 die Schaltung des Uberwachungsgerätes ebenfalls umgepolt.
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Es ist zweckmäßig, die Beurteilung des jeweilige Schattenwinkels
durch einen Vergleich vorzunehmen. Zu diesem Zweck wird gemäß Abb. 4 ein künstlicher
Isolationswiderstand I2 verwendet, der z. B. mit 0,3 MQ angenommen wird. Dieser
feste Ersatzwiderstand wird durch die Bedienung einer Taste 13 an Stelle des Wagenisolationswiderstandes
7 in Abb. I eingeschaltet; dies muß ein Aufleuchten der Röhre hervorrufen. Ist nach
Loslassen der Taste der Leuchtwinkel kleiner als zuvor, ist der Isolationswiderstand
des Wagens höher, in umgekehrtem Falle kleiner als 0,3 MQ.
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An Stelle der vorbeschriebenen Vergleichsmöglichkeit für die Beurteilung
des jeweils angezeigten Isolationswiderstandes kann es auch vorteilhaft sein, die
Abstimmanzeigeröhre mit einer Skala zu kombinieren, auf der der Isolationswiderstand
an Hand des sichtbar gemachten Elektronenstrahl es in MQ abgelesen werden kann.