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Schaltung zum Messen des Erdisolationswiderstandes eines erdfreien
Wechselstromnetzes Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Messen des Erdisolationswiderstandes
eines erdfreien Wechselstromnetzes mit Hilfe einer einem eingeprägten Meßgleichstrom
proportionalen Gleichspannung im Vergleich zu einer der Netzspannung proportionalen
Gleichspannung, durch die der Einfluß von Netzspannungsschwankungen auf den Meßwert
eliminiert wird.
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Es sind Vorrichtungen zum Schutz von elektrischen Wechselstromnetzen
gegen Erdschlüsse bekannt, bei denen im Fall eines Fehlers zwischen einer oder mehreren
Phasen und Erde ein einseitig gerichteter Strom in einer elektrischen Verbindung
zwischen den Netzphasen und Erde erscheint. Dieser einseitig gerichtete Strom wird
gemessen, um die Isolation des Netzes bezüglich Erde zu messen und gegebenenfalls
eine Alarm- oder Abschaltvorrichtung für das Netz zu betätigen, wenn die Isolierung
unzureichend ist.
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Derartige Systeme haben den Nachteil, daß die Anzeigen der Isolation
und die Auslöse- und Alarmschwellen eine Funktion der Stärke des Stromes sind, der
die Verbindung zwischen dem gemeinsamen Punkt und Erde durchfließt. Da dieser Strom
bei einem gegebenen Fehlerwert proportional der Netzspannung ist, bringt eine Spannungsänderung
eine Änderung in der Anzeige des Isolationswertes mit sich. In bestimmten Fällen
ist die Änderung so groß, daß die durch das Gerät gegebenen Anzeigen des Isolationswertes
beträchtlich geändert werden.
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Des weiteren ist eine Einrichtung zur Ausschaltung des Einflusses
von Netzspannungsschwankungen auf das Meßergebnis von Isolationsüberwachungseinrichtungen
für nicht geerdete Wechsel- oder Drehstromnetze bekannt, bei der der Wert der Differenzspannung
zweier Widerstände zur Messung der Isolation benutzt wird oder bei einer gewissen
Höhe die Abschaltung der Leitung bewirkt.
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Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß die erhaltene Differenzspannung
mittels relativ aufwendiger Einrichtungen in ein frequenzabhängiges Signal umgeformt
werden muß, wenn eine getreue Fernübertragung der Meßdaten mittels der üblichen
Frequenzmodulation erfolgen soll. Die bei der üblichen Ausführungsform dieser bekannten
Anordnung vorhandene Ansprechschwelle ist außerdem in vielen Fällen unerwünscht.
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Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Schaltung der eingangs
angeführten Gattung, mittels der ein in Form von zur Fernübertragung ohne besonderen
Aufwand geeigneten Signalen vorliegendes und von den Netzspannungsänderungen und
vom Einfluß der Netzkapazitäten unabhängiges Maß für die Isolation des Netzes erhalten
und kontinuierlich dargestellt werden kann.
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Bei einer Schaltung der eingangs angeführten Gattung wird dies gemäß
der Erfindung dadurch erreicht, daß ein Kondensator vorgesehen ist, der mit Hilfe
von Umschaltmitteln bei einem ersten Meßschritt auf die der Netzspannung proportionale
Gleichspannung aufgeladen und bei einem zweiten Meßschritt auf eine niedrigere,
dem eingeprägten Meßgleichstrom proportionale Spannung entladen wird, und daß der
Kondensator in einen Kippschaltkreis eingeschaltet ist, der die von der Einleitung
des zweiten Meßschrittes bis zur Entladung des Kondensators vergehende Zeit in Spannungsimpulse
umformt, deren Folgefrequenz den Isolationsmeßwert darstellt.
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Der Einfluß der Netzkapazitäten wird dabei durch die Verwendung eines
eingeprägten Meßgleichstroms oder, mit anderen Worten, mittels einer Strom nur in
einer Richtung durchlassenden Verbindung zwischen Phasen und Erde erreicht.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Schaltung werden die Umschaltmittel und der Kippschaltkreis von einem Multivibrator
gebildet und an Stelle des einzigen Kondensators sind die beiden Kondensatoren des
Multivibrators verwendet, die abwechselnd geladen und entladen werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Schaltung nach
der Erfindung, die vorzugsweise zur Meßwert-Fernübertragung verwendet wird, wird
das
Frequenz signal des Multivibrators auf die Primär wicklung eines Transformators
gegeben, dessen Sekundärwicklung an den Eingangsklemmen einer Übertragungsleitung
liegt, und am Ausgang der Übertragungsleitung sind Einrichtungen zum Messen der
eine Funktion des Isolationswiderstandes des Netzes darstellenden Frequenz vorgesehen.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Schaltung nach der Erfindung
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der
Zeichnung; in dieser zeigt F i g. 1 eine Teilschaltung, F i g. 2 eine mögliche Gesamtschaltung,
F i g. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der in F i g. 2 dargestellten
Schaltung.
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In F i g. 1 ist ein Leistungstransformator 1 dargestellt, der ein
elektrisches Netz 2 speist, das hier ein dreiphasiges Netz mit isoliertem Nullpunkt
ist und dessen Isolationswert bezüglich Erde gemessen werden soll.
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DieIsolationsmeß- oder -überwachungsvorrichtung umfaßt im wesentlichen
eine elektrische Verbindung zwischen den Phasenleitern des Netzes 2 und Erde.
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Diese allgemein mit 3 bezeichnete elektrische Verbindung wird durch
einen dreiarmigen Stern 4 gebildet, der die drei Netzphasen mit einem gemeinsamen
Punkt 5 verbindet. Jeder der Arme des Sternes enthält ein Halbleiter-Gleichrichterelement
6, 7 bzw. 8.
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Um die Stärke des gleichgerichteten Stromes zu begrenzen, der im
Fall eines Isolationsfehlers in die Verbindung 3 fließt, ist in diese ein Widerstand
mit hohem Wert eingeschaltet. Dieser Widerstand kann nach F i g. 1 bei 9, d. h.
hinter dem Sternpunkt 5 oder nach Fig. 2 bei 9A7 9B, 9C in Form von drei Widerständen
in den Armen des Sternes 4, d. h. vor dem gemeinsamen Punkt 5, vorgesehen sein.
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Die elektrische Verbindung 3 umfaßt einen Widerstand 10, an dessen
Klemmen A, B eine Spannung UD herrscht, die proportional der Stärke des Stromes
ist, der im Fall eines Isolationsfehlers fließt.
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Wie weiter unten näher erläutert wird, wird diese Spannung UD in
der Schaltung gemäß der Erfindung verwendet, um die End-Entladungsspannung eines
Kondensators 11 festzulegen, dessen eine Klemme C mit Erde und dessen andere Klemme
D mit einem mechanischen, elektronischen oder ähnlichen Umschalter 12 verbunden
ist.
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Die Ladung des Kondensators 11 erfolgt durch eine Spannung Uc, die
der Spannung des Netzes 2 proportional ist.
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Diese Spannung Uc wird z. B. mittels eines Transformators 13 erhalten,
dessen Primärwicklung 13 zwischen zwei Phasen des Netzes 2 geschaltet ist und dessen
Sekundärwicklung 135 eine der Diagonalen einer Gleichrichterbrücke 14 speist. Die
andere Diagonale der Brücke ist zum einen mit der Klemme C des Kondensators 11,
zum anderen mit der Klemme E des Umschalters 12 verbunden.
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Wenn das Netz 2 unter Spannung steht, entsteht in der Verbindung
3 zwischen dem gemeinsamen Punkt 5 und Erde ein Strom. Dieser Strom ist die Summe
der Ströme, welche die Halbleiter-Gleichrichterelemente 6, 7, 8 und eventuell gemäß
Fig. 2 die Widerstände 9A, 9B und 9c durchfließen.
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Der Kreis dieser Ströme schließt sich über die Isolationswiderstände.
der drei Phasen des Netzes 2, die schematisch durch drei strichliert eingezeichnete
Widerstände
15, 16, 17 zwischen den Phasenleitern und Erde dargestellt sind. Der Fehlerstrom
ändert sich umgekehrt wie der Wert dieser Isolationswiderstände.
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Einer der Grundgedanken der Isolationsmeß- oder -überwachung gemäß
der Erfindung ist gemäß F i g. 1 der folgende: In einem ersten Meßschritt wird der
Umschalter 12 in die Schließstellung D-E gebracht, wodurch der Kondensator 11 auf
eine Spannung Uc aufgeladen wird, die proportional der Spannung des Netzes 2 ist.
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In einem zweiten Meßschritt wird der Umschalter 12 in die Schließstellung
D-F gebracht, wodurch der Kondensator 11 über den Widerstand 10 entladen wird, bis
eine Spannung UD erreicht ist, die proportional der Fehlerstromstärke ist. Die Entladungszeit
hängt also nur von dem Verhältnis UD/UC ab. Da der Fehlerstrom sich selbst proportional
der Netzspannung ändert, wird das Verhältnis UD/UC unabhängig von der Ladespannung
Uc und hängt nur von dem Fehlerwiderstand ab.
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Mit anderen Worten ist die Entladungszeit des Kondensators 11, welche
die Meßgröße bildet, eine Funktion des zwischen den drei Netzphasen und Erde fließenden
Stromes; sie ist unabhängig von Spannungsschwankungen im Netz.
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Diese Entladungszeit, die eine Funktion des Isolationswiderstandes
des Netzes ist, wird gemäß der Erfindung in der im Anspruch 1 näher angegebenen
Weise in eine Frequenz umgeformt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nach F i g.
2 wird ein elektronischer Kreis verwendet, der aus einem Multivibrator besteht,
dessen beide Kondensatoren in der Weise angeordnet sind, daß sie sich wie im Fall
der F i g. 1 abwechselnd auf eine gerichtete Spannung aufladen, die proportional
der Spannung des Netzes ist und daß sie sich bis auf eine Spannung entladen, die
proportional dem Strom ist, der in der elektrischen polarisierten Verbindung zwischen
den Phasen des Netzes und Erde fließt.
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Um die Beschreibung nicht unnötig zu überlasten, werden diejenigen
elektrischen Schaltelemente, die mit denen der F i g. 1 identisch sind, nicht von
neuem beschrieben. In F i g. 2 sind die gleichen Elemente mit den gleichen Bezugszahlen
wie in Fig.1 bezeichnet.
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Der allgemein mit 18 bezeichnete Multivibrator umfaßt wie üblich
zwei Zweige 18A und 18B, die in jeder Halbperiode des Betriebes als RC-Kreis (10-11
in Fig. 1) wirken. Hierzu umfassen die Zweige die folgenden Elemente: Kondensatoren
11A und 11B, Transistoren 19A und 19B und Entladungswiderstände 10A 1, 10A 2 und
1OB1 10B 2 Wie aus F i g. 2 hervorgeht, wird der Multivibrator von den beiden Klemmen
der Ausgangsdiagonale der Gleichrichterbrücke 14 über ein Widerstands-Kapazitäts-Filter
20-21 gespeist. Der Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator 21 und dem Widerstand
20 ist mit Erde verbunden. Der Widerstand iOc und der Widerstand 10 bilden einen
Spannungsteiler, der die Vorspannung der Transistorbasen bestimmt. Der Kondensator
11C bewirkt die Filterung der Spannung, die im Fall eines Fehlens zwischen A und
B erscheint. Zudem sind die Widerstände 10A 2 und 1OB 2 in Reihe in dem Kollektorkreis
der Transistoren 19A bzw. 19B geschaltet. Die Entladnngswiderstände 10A 1 und 1OB1
gewährleisten die Verbindung zwischen
der Basis der Transistoren
19A und 1913 mit der Klemme A des Widerstandes 10, der in Reihe in die Verbindung
3 Phasenleiter-Erde geschaltet ist. An den Klemmen A-B dieses Widerstandes erscheint
die Spannung UD, die proportional der Fehlerstromstärke ist und dazu dient, die
End-Entladungsspannung der Kondensatoren 11A und 11B festzulegen.
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Der Multivibrator liefert an seine Ausgangsklemmen G, H eine Rechteckspannung,
die durch aufeinanderfolgende Öffnungen und Schließungen seiner beiden Transistoren
19A und 19B erzeugt wird. Die Wiederholungsfrequenz dieser Zustandsänderungen wird
durch die Ladungs- oder Entladungsdauer der beiden Kondensatoren 11A und 1113 bestimmt.
Diese Kondensatoren werden nacheinander auf die Speisespannung Uc aufgeladen, die
der Spannung des Netzes 2 proportional ist.
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In jeder Halbperiode entlädt sich einer der Kondensatoren in dem
Augenblick, in dem der entsprechende Transistor leitend wird, so daß die Potentialdifferenz
an den Kondensatorklemmen gleich der Spannung UD wird, die an den Klemmen A, B des
Widerstandes 10 herrscht. Diese Spannung wird selbst proportional dem Fehlerstrom,
d. h. dem Isolationswert des Netzes. Wenn diese Spannung UD wächst, sinkt also die
Zeit, die erforderlich ist, um die Öffnungsspannung des betreffenden Transistors
zu erreichen, und die Frequenz der Rechtecksignale steigt ebenfalls.
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In F i g. 3 ist die allgemeine Gestalt der Kurve der Änderung der
Frequenz der Rechtecksignale am Ausgang des Multivibrators als Funktion der Änderung
des Fehlerstroms in den Widerstand 10 dargestellt. Versuche haben gezeigt, daß nur
der Anfang Ct dieser Kurve ziemlich flach ist, was jedoch ohne Bedeutung ist, da
dieser Teil der Kurve den normalen Isolationswiderständen entspricht. Der Teil C2
der gleichen Kurve, der den weniger guten und schlechten Isolationswiderständen
entspricht, ist dagegen sehr steil.
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Ein sehr wichtiger Vorteil dieser Ausführungsform der Erfindung besteht
darin, daß man ein Maß für die Netzisolation in Form eines Frequenzsignals erhält,
da an Ort und Stelle oder von fern genau und sicher sehr leicht gemessen werden
kann.
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Wenn man das Frequenzsignal fernmessen will, genügt es, an den Ausgangsklemmen
G, H des Multivibrators 18 die Primärwicklung 22p eines Transformators22 anzuschließen,
dessen Sekundärwicklung 22S an einer Übertragungsleitung 23 anliegt. Ein Filter
24 ist an den Klemmen der Sekundärwicklung 22S des Transformators 22 angelegt.
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Versuche haben gezeigt, daß die von dem Multivibrator gelieferte
Frequenz praktisch nur von dem Isolationswert des Netzes abhängt und relativ unempfindlich
gegenüber Schwankungen der Netzspannung ist.
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Es hat sich gezeigt, daß bei sehr guten Isolierungen eine Frequenzänderung
von 2 0/o bei einer Änderung der Netzspannung von 20°/o auftrat, während bei schlechten
Isolierungen die Frequenzänderung bei einer Änderung der Netzspannung von 200/0
0,5 0/o nicht überschritt.
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Die Erfindung läßt sich ebensogut auf die Überwachung einphasiger
Netze wie auf die dreiphasiger Netze gemäß den F i g. 1 und 2 anwenden. Der einzige
Unterschied besteht darin, daß im Fall eines einphasigen Netzes die Verbindung Netz-Erde
doppelt anstatt dreifach ist.