Verfahren und Einrichtung zum Messen der bei Erdschluss in Niederspannungsnetzen auftretenden Fehlerspannungen und zum Bestimmen des im Erdschlussstromkreis fliessenden Fehlerstromes.
Die elektrischen Niederspannungsverteil- anlagen sind nach Ziff. 4 des Art. 26 der bundesiätlichen Starkstromverordnung so einzurichten, dass bei Erdschluss z. B. an Motoren-oder Apparategehäusen höchstens 50 V Spannmg gegenüber Erde entsteht oder der defekte Anlageteil bei höheren Spannungen innert wenigen Sekunden (5 Sekmden) selbständig abgeschaltet wird. Zum raschen Abschalten des defekten Anlageteils oder zum Tiefhalten der bei Erdschluss an den Objekten entstehenden Spannungen gegen Erde wird in den Energieverbrauchsanlagen meistens die Nullung oder die Sclutzerdung, vereinzelt aber auch die Sehutzschaltung angewendet.
Die naehstehend beschriebene Erfindung bezweekt, ohne Netzunterbruch die Erdnngs- systeme auf vorsehriftsgemässes Fimktionieren bei Erdschluss mit einem einfachen Verfahren und einer zur Durchfiihrung desselben gebauten Einrichtung prüfen zu können.
Vom Verfahren gemäss dieser Erfindung ist nachstehend ein Ausführungsbeispiel aus führlieh beschrieben. In den Schemas der Fig. 1 bis 5 bedeuten : U die Spannung am Transformator oder
Stromerzeuger zwischen einem Polleiter und dem geerdeten Systempunkt, IJf Potentialdifferenz über einen Teil der
Fehlerstrombahn, Z die Summe aller Netzwiderstände, Ze einen Teil des Netzwiderstandes von Zn, Rb der Begrenzungswiderstand ;-je nach der
Betriebsspannung etwa 14 bis 30 Ohm.
Bei einem Kurzschluss zwischen den Punkten a und b im Schema nach Fig. 1 entsteht ein Fehlerstrom von Je= U
Zn Die Potentialdifferenz am Widerstand Ze ist dabei
Uf = Je. Te, Wird die Anlage mit einem Begrenzungswiderstand Rb belastet, so entsteht der Be lastungsstrom
J = U (1)
Zn + Rb Daraus ergibt sich das Verhältnis
J = Zn (2)
Je = Zn + Rb Wird die Anlage mit der Schaltungsanord nung naeh Fig. 1 mit einem Voltmeter V und einem abgreifbaren Vorschaltwiderstand R nach Fig. 2 ergänzt, so ist die Spannung U messbar.
Die Stellung, welche der Voltmeterzeiger dabei einnimmt, kann zweokmässiger- weise mit einem Stellzeiger markiert werden.
Die Summe des Widerstandes am Voltmeter und seines Vorschaltwiderstandes sei R. Es fliesst im Voltmeterstromkreis, da die Wider stände Zn gegenüber dem Widerstand R vernaehlässigbar klein sind, der Strom r
R Bei Belastung der Anlage über den Widerstand Rb verteilt sich die Spannung U auf die Widerstände Rb und Zn. Die Spannung zwischen den Punkten a und b ist als Ub bezeichnet.
Es gilt Ub = Rb oder U - Ub = Zn (3)
U Zn + Rb U Zn + Rb Die Spannung Ub wird mit dem Voltmeter V gemessen und darauf nach Schaltung Fig. 3 der Schleifer P am Vorsehaltwiderstand R so verstellt, dass wieder der gleich grosse Instrumentenstrom Jm wie bei der Leerlaufmessung fliesst ;
dann ergibt sich folgende Beziehung :
Jm = U = Ub
R R - Rx Durch Umformung wird obenstehender Ausdruck zu < 7 & P-!7 &
U U R Aus dem Vergleieh der Beziehungen 2, 3 und 4 ergibt sich C- & a;J U Zn+ Rb R Je In Gleichung 5 die Gleichung 1, aber umge- wandelt, eingesetzt, ergibt
Rx = U/Rb (6)
R U/Rb + Je Wird der Ausdruck UlRb zu einer Konstanten des Messgerätes gemacht, so ist die Unterteilung des Vorsehaltwiderstandes R ein Mass für den zu erwartenden Kurzsehlussstrom Je.
Die bei Kurzschluss auftretende Potentialdifferenz am Widerstand Ze in der Fehler- strombahn ist nach Fig. 4
Uf = Je. Ze Bei Belastung mit dem Widerstand Rb re duziert sich diese Spannung Uf auf II f? = J.Ze Daraus resultiert die Beziehung
Uf? = J Rx (7)
Uf Je R Wird das Instrument V mit dem totalen Widerstand R in Volt geeicht, so sagt die Beziehung 7 folgendes aus :
Wird mit dem Instrument V und dem Vor schaltwiderstand R die bei Kurzschluss auftretende Potentialdifferenz Uf gemessen, so erhält man dieselbe Anzeige, wenn bei redu- zierter Potentialdifferenz Uf * dem Instrument V nur noch der Vorschaltwiderstand Rx vorgeschaltet ist.
Zusammengefasst ergibt sich : Mit einem Voltmeter, dessen Vorschaltwiderstand als Potentiometer ausgebildet ist, können aus einer relativ schwachen Belastung des Netzes der satte Kurzschlussstrom (Fehlerstrom) und die daraus resultierende Potentialdifferenz im Bereiche der Fehlerstrombahn bestimmt werden.
Dabei ist der geometrische Ort des Potentiometerabgriffes sowohl ein Mass für die eine wie auch für die andere Grosse. Am Voltmeter können die im Erdsehlussfalle zu erwartenden Potentialdifferenzen im Bereiche der Fehlerstrombahn direkt, in Volt und bei geeigneter Eichung der Potentiometerstellungen können die zu erwartenden Kurzschlussstromstärken oder die Nennströme der gerade noch rechtzeitig schmelzenden Sieherungen in Ampere wie auch die Netzwiderstände in Ohm abgelesen werden.
Die Messungen lassen sich aueh derart durchführen, dass an Stelle der Ausrüstung des Voltmeters mit einem Stellzeiger in der Voltmeterskala die gebräuchlichen Nennspannungen mit deutlichen Marken eingezeichnet werden. Der dem Voltmeter vorgeschaltete Widerstand ist dabei versehiebbar zu machen.
Bei angeleg, ter Spannung W ist der dem Volt- meter vorgeschaltete Widerstand durch Verschieben des Widerstandskörpers, währenddem sein Schleifer an bestimmter Endstellung fest- gehalten wird, so zu ändern, dass der In strumentenzeiger auf die nächste Nennspan nungsmarke in der Voltmeterskala zu stellen kommt ; dabei nimmt der dem Voltmeter vorgeschaltete Widerstand den Ohmwert R an.
Im Voltmeterstromkreis flie¯t so der Strom Jm = U
R Bei Belastung der Anlage über den Widerstand Rb verteilt sich die Spannung U auf die Widerstände Rb und Zn. Die mit Ub be zeichnete Spannung zwischen den Punkten cc und b in Fig. 3 wird mit dem Voltmeter bei vorgesehaltetem Widerstand R gemessen und darauf der Schleifer am Voltmeterwiderstand R so verstellt, dass wieder der Instrumenten- strom Jm wie bei der Leerlaufmessnng flirt.
Dadurch ist der dem Voltmeter vorgeschaltete Widerstand R um den Teilwiderstand Rx kleiner geworden. Daher ergeben sich wieder die Beziehungen
Rx U/Rb @@@ = @@@@ (6)
R U/Rb + Je Wie auch =jL=(?)
Uf Je R
Durch anschliessendes Versehieben des Widerstandskörpers auf die urspriingliche Lage wird nun zwisehen Widerstandsende und Schleifer die für die Fehlerspannungsmessung benötigte Grösse des abgeschalteten Wider standsteils am Potentiometer abgegriffen und in den Stromkreis des Voltmeters gelegt.
Die zur Durchführung des Verfahrens gebauten Einrichtungen können so sein, dass sie z. B. in Weehsel-lmd Drehstromnetzen mit betriebsmässig geerdetem Systemnullpunkt bis zu 290 V Spannung gegen Erde verwendbar sind. Das durch Fig. 5 veranschaulichte Gerät besteht aus zwei Kasten A und. B, die leicht getrennt und ebensoleicht wieder zusammen- gesteckt werden können.
Der Kasten A enthält den Begrenzungs- sviderstand Rb mit Anschlüssen für 145, 220, 290 V Spannung und die Drucktaste T zum kurzzeitigen Einschalten des Belastnngswider- standes.
Im Kasten B ist ein mit Stellzeiger und einer Doppelskala (für 80 und 400 V Spannung) versehenes Voltmeter V eingebaut. Ferner enthält er das Potentiometer R, über dem eine Skala, geeicht in Sicherungsnennstrom, angebracht ist, drei dem Potentiometer voroder nachgeschaltete feste Widerstände R1 bis R3, einen Umschalter S mit fünf Sehaltstel lungen, drei Anschlussbuchsen zum Messen der Spannungen in der Fehlerstrombahn oder zum Gebrauche des Gerätes als Voltmeter, und drei Steekerstifte (letztere zum Verbinden der elektrischen Teile mit dem Kasten A).
Bei den Messungen mit dem beschriebenen Gerät ist ein Netzpolleiter mit der passenden Anschlussbuchse am Kasten A und das Objektgehäuse mit der Klemme E zu verbinden.
Darauf ist bei auf Stellung 1 befindlichem Umschalter S der Zeigerausschlag im Voltmeter V mit dem Stellzeiger zu markieren.
Alsdann ist bei auf Stellung 2 befindlichem Umschalter S die Taste T zu drüeken und der Griff am Schleifer P so weit zu verstellen, bis sich der Voltmeterzeiger wieder mit dem Stellzeiger deckt. Die Stellung des Griffes am Schleifer P zeigt jetzt den Sicherungsnenn- strom der grössten bei Polleitererdschluss in fünf Sekunden schmelzenden Sicherung an.
Darauf ist die Anschlussbuchse X, wenn das nicht vorher schon geschehen ist, mit der Wasserleitung oder einer Hilfssonde usw. zu verbinden und der Schalter S auf Stellung 3 zu stellen. Hierauf kann, wenn die Taste T gedrüekt wird, im Voltmeter V auf der 400-V Skala die Fehlerspannung bei Polleitererd- schluss direkt abgelesen werden.
In Anlagen, wo bei Polleitererdschlüssen grössere Schmelz- einsätze als die Objektsicherungen in fünf Sekunden defekt gehen, sind mit dem Gerät auch Fehlerspannungen bei Wieklungserd- schlüssen, durch die die Objektsicherungen gerade in fünf Sekunden schmelzen, genügend genau messbar ; Wicklungserdsehlüsse sind sol- che, wo ein Teil der Heizwicklung usw. in der Fehlerstrombahn eingeschaltet bleibt. Solche
Messwerte werden als Fehlerspannungen im Grenzfall bezeichnet und sind folgendermassen zu messen :
Der Nennstrom der dem Objekt vorge schalteten Sicherung ist auf der Potentiometerskala einzustellen.
Darauf ist die Taste T zu drücken und gleichzeitig im Voltmeter V auf der 400-V-Skala die Fehlerspannung im Grenzfall abzulesen. Die Stellungen 4 und 5 des Sehalters S dienen für gewöhnliehe Span nungsmessungen..
Normalerweise werden mit dem Gerät Fehlerspannungen am Prüfobjekt bei zusammen- gesteckten Kasten A und B gemessen. Ist am Ort, von wo aus die Wirksamkeit der Erdungsanlage für Erdschluss untersucht werden soll, der Sieherungsnennstrom bestimmt, können mit abgetrenntem Kasten B an den Anschluss- buchsen E'und F (Fig. 5) an beliebigen Stellen im Bereiche der Fehlerstrombahn die Fehlerspannungen bestimmt werden.
Bei den Fehlerspannungsmessungen kön- nen durch Störspannungen, ohne dass die Taste T niedergedrüekt wird, erhebliche Zei gerausschläge im Voltmeter V auftreten ; solche entstehen infolge von durch Belastungen hervorgerufenen Systempunktverlagerungen (z. B. in genullten Netzen) oder durch Dauer- erdschliisse (in sehutzgeerdeten Netzen). Ist der Potentiometerwiderstand, welcher dem Voltmeter V vorgeschaltet ist, klein (z. B. wenn der Griff am Schleifer P auf etwa 150 A Sicherungsnennstrom steht), können solehe Störspannungen von wenigen Volt bereits grosse Zeigerausschläge verursachen.
Die Fehlerspannungen sind in solchen Fällen jeweils ausreichend genau die Differenz der Zeigerausschläge ohne und bei niedergedrüekter Taste T ; in Mehrphasennetzen ist jener Polleiter auszusuchen, wo die grösste solche Differenz entsteht.
Method and device for measuring the fault voltages occurring in the event of a ground fault in low-voltage networks and for determining the fault current flowing in the ground fault circuit.
The electrical low-voltage distribution systems are according to no. 4 of Art. 26 of the Federal Heavy Current Ordinance so that, in the event of a ground fault, e.g. B. on motor or apparatus housings at most 50 V voltage to earth arises or the defective system part is automatically switched off within a few seconds (5 seconds) at higher voltages. To quickly switch off the defective part of the system or to keep the voltages against earth that arise in the event of an earth fault on the objects, zeroing or protective earth is usually used in energy consumption systems, but in some cases the protective circuit is also used.
The invention described below aims to be able to test the earthing systems for correct functioning in the event of an earth fault with a simple method and a device built to carry out the same without a power interruption.
An exemplary embodiment of the method according to this invention is described below. In the diagrams of FIGS. 1 to 5: U is the voltage at the transformer or
Power generator between a pole conductor and the earthed system point, IJf potential difference over part of the
Fault current path, Z the sum of all network resistances, Ze part of the network resistance of Zn, Rb the limiting resistance; -depending on the
Operating voltage around 14 to 30 ohms.
In the event of a short circuit between points a and b in the diagram according to FIG. 1, a fault current of Je = U occurs
Zn The potential difference across the resistor Ze is included
Uf = each. Te, If the system is loaded with a limiting resistor Rb, the load current arises
J = U (1)
Zn + Rb This gives the relationship
J = Zn (2)
Je = Zn + Rb If the system with the circuit arrangement according to FIG. 1 is supplemented with a voltmeter V and a tappable series resistor R according to FIG. 2, the voltage U can be measured.
The position that the voltmeter pointer adopts can be marked in two ways with a position pointer.
Let the sum of the resistance on the voltmeter and its series resistance be R. It flows in the voltmeter circuit because the resistances Zn are negligibly small compared to the resistance R, the current r
R When the system is loaded via the resistor Rb, the voltage U is distributed between the resistors Rb and Zn. The voltage between points a and b is designated as Ub.
We have Ub = Rb or U - Ub = Zn (3)
U Zn + Rb U Zn + Rb The voltage Ub is measured with the voltmeter V and then, according to the circuit of FIG. 3, the slider P on the holding resistor R is adjusted so that the instrument current Jm, which is the same as in the idle measurement, flows again;
then the following relationship results:
Jm = U = Ub
R R - Rx Through conversion, the above expression becomes <7 & P-! 7 &
U U R Comparing the relationships 2, 3 and 4 results in C- &a; J U Zn + Rb R Je In equation 5, equation 1, but converted and inserted, results
Rx = U / Rb (6)
R U / Rb + Je If the expression UlRb is made a constant of the measuring device, the subdivision of the pre-set resistance R is a measure for the expected short-circuit current Je.
The potential difference occurring in the event of a short circuit at the resistor Ze in the fault current path is shown in FIG. 4
Uf = each. Ze If the resistance Rb is loaded, this voltage Uf is reduced to II f? = J.Ze The relationship results from this
Uf? = J Rx (7)
Uf Je R If the instrument V is calibrated with the total resistance R in volts, then relationship 7 says the following:
If the potential difference Uf that occurs in the event of a short circuit is measured with the instrument V and the series resistor R, the same display is obtained if, with a reduced potential difference Uf *, only the series resistor Rx is connected upstream of the instrument V.
In summary: With a voltmeter whose series resistor is designed as a potentiometer, the full short-circuit current (fault current) and the resulting potential difference in the area of the fault current path can be determined from a relatively low load on the network.
The geometric location of the potentiometer tap is a measure for both the one and the other. The potential differences to be expected in the area of the fault current path in the area of the fault current path can be read directly on the voltmeter, in volts and with suitable calibration of the potentiometer settings, the expected short-circuit currents or the nominal currents of the thermosets that melt just in time can be read in amperes as well as the network resistances in ohms.
The measurements can also be carried out in such a way that instead of equipping the voltmeter with a pointer, the common nominal voltages are marked with clear marks on the voltmeter scale. The resistor upstream of the voltmeter must be made movable.
When the voltage W is applied, the resistor connected upstream of the voltmeter is to be changed by moving the resistor body while its slider is held at a certain end position so that the instrument pointer comes to the next nominal voltage mark on the voltmeter scale; the resistor connected upstream of the voltmeter assumes the ohmic value R.
The current Jm = U flows in the voltmeter circuit
R When the system is loaded via the resistor Rb, the voltage U is distributed between the resistors Rb and Zn. The voltage marked Ub be between points cc and b in Fig. 3 is measured with the voltmeter with the resistor R in front and then the wiper adjusted at the voltmeter resistor R so that the instrument current Jm flirts again as with the idle measurement.
As a result, the resistor R connected upstream of the voltmeter has become smaller by the partial resistance Rx. Hence the relationships arise again
Rx U / Rb @@@ = @@@@ (6)
R U / Rb + Je How also = jL = (?)
Uf Je R
By subsequently shifting the resistor body to its original position, the size of the disconnected resistor part required for the error voltage measurement is now tapped on the potentiometer between the resistor end and the grinder and placed in the circuit of the voltmeter.
The facilities built to carry out the method can be such that they are e.g. B. in Weehsel-lmd three-phase networks with operationally earthed system zero up to 290 V voltage to earth can be used. The device illustrated by Fig. 5 consists of two boxes A and. B, which can be easily separated and just as easily put back together.
Box A contains the limiting resistor Rb with connections for 145, 220, 290 V voltage and the push button T for briefly switching on the load resistor.
A voltmeter V with a pointer and a double scale (for 80 and 400 V voltage) is installed in box B. It also contains the potentiometer R, above which a scale, calibrated to the fuse rating, is attached, three fixed resistors R1 to R3 connected upstream or downstream of the potentiometer, a changeover switch S with five holding positions, three connection sockets for measuring the voltages in the fault current path or for use of the device as a voltmeter, and three steek pins (the latter for connecting the electrical parts to box A).
For measurements with the device described, a mains pole conductor must be connected to the appropriate connection socket on box A and the object housing must be connected to terminal E.
Then, with switch S in position 1, mark the pointer deflection in voltmeter V with the pointer.
Then, with the switch S in position 2, press the T button and adjust the handle on the grinder P until the voltmeter pointer is again aligned with the setting pointer. The position of the handle on the slider P now shows the rated fuse current of the largest fuse that melts in five seconds with a pole earth fault.
Then the connection socket X, if this has not already been done before, is to be connected to the water pipe or an auxiliary probe etc. and the switch S is to be set to position 3. If the T key is pressed, the voltage in the voltmeter V on the 400 V scale can be read off directly in the event of a pole conductor earth fault.
In systems where larger fusible links than the object fuses are defective in five seconds in the case of pole-conductor earth faults, the device can also be used to measure fault voltages in the case of oscillating earth faults, which cause the object fuses to melt in just five seconds; Winding earth shorts are those where part of the heating winding etc. remains switched on in the fault current path. Such
Measured values are referred to as fault voltages in borderline cases and are to be measured as follows:
The rated current of the fuse upstream of the object is to be set on the potentiometer scale.
Then press the T key and at the same time read the error voltage in the limit case in the voltmeter V on the 400 V scale. The positions 4 and 5 of the holder S are used for normal voltage measurements.
Normally, the device is used to measure fault voltages on the test object when boxes A and B are put together. If the rated current is determined at the place from where the effectiveness of the earthing system for earth faults is to be examined, the fault voltages can be determined at any point in the area of the fault current path with the separated box B at the connection sockets E 'and F (Fig. 5) will.
During the error voltage measurements, interference voltages can cause considerable pointer excursions in the voltmeter V without the T key being depressed; these arise as a result of system point shifts caused by loads (e.g. in zeroed networks) or through permanent earth faults (in protective earthed networks). If the potentiometer resistance, which is connected upstream of the voltmeter V, is small (e.g. if the handle on the slider P is set to about 150 A fuse rating), such interference voltages of just a few volts can cause large pointer deflections.
In such cases, the error voltages are sufficiently accurate as the difference between the pointer deflections without and when the T key is depressed; In multi-phase networks, the pole conductor must be selected where the greatest such difference arises.