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Einrichtung zur Ub erwachung des Isolationszustandes von nicht geerdeten
Wechsel- und Drehstromnetzen Als Schutz gegen zu hohe elektrische Berührungsspannungen
wird in Netzen bis 1000 Volt ohne geerdeten Netzpunkt das Schutzteitungssystem nach
VDE 0140 § 15 angewendet, da blei einem auftretenden Erdschluß einmal noch keine
Abschaltung und damit Betriebsstörung entsteht, gegen die z. B. chemische Fabriken,
Papierfabriken u. dgl. recht empfindlich sind, und zum anderen eine starke Lichtbogenbildung
bei Erdschlüssen, wie sie bei der Nullung und meist auch bei der Erdung auftritt,
nicht entstehen kann was für explosionsgefährdete Betriebe und schlagwettergefährdete
Gruben sehr wichtig ist.
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Das Scbutzleitungssystem erfordert zu seiner Durchführung die laufende
Isolationsüberwachung des Netzes.
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Erwähnt sei, daß in dem neuen Entwurf zu VDE 0118 das Schutzleitungssystem
fast ausschließlich vorgeschrieben wurde. Es sind darin auch folgende Bedingungen
für die Isolationsüberwachung festgelegt: 1. Die Isolation des Stern- oder Mittelpunktes
ist mit zu erfassen.
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2. Der Isolationswert ist ständig anzuzeigen.
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3. Bei einem einstellbaren Wert des Isolationswiderstandes ist eine
akustische Meldung herbeizuführen.
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4. Das Isolationsmeßverfahren muß mit seinen Meßgeräten den Isolationswert
von 100000 Ohm mit einer Genauigkeit von + 10 °/o anzeigen.
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Bisher erfolgte die laufende Isolationsüberwachung überwiegend mittels
der 3-Voltmeter-Methode, der 2-Voltmeter-Meilode oder durch Meßverfahren, bei denen
in gleicher Weise die Verschilebung des Erdpotentials gegen das Potential des Sternpunktes
des zu überwachenden Netzes zur Anzeige der Größe des Isolationswiderstandes benutzt
wird. Ihnen allen haftet der große Nachteil an, daß gleich große Widerstände zwischen
den einzelnen Leitern und Erde gar nicht angezeigt werden und daß die Anzeige von
einphasigen Erdschlüssen bei gleichzeitig vorhandenen gleich großen Erdschlüssen
in den einzelnen Phasen mehr oder weniger falsch angezeigt werden. Dabei können
die gleich großen Widerstände auch kapazitive Widerstände sein, d. h. daß die erwähnten
Methoden in Kahelnetzen falsche Werte liefern. Den oben angeführten Bedingungen
für die Isolationsüberwachung entsprechen sie nicht.
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Die geschilderten Fehler werden in bekannter Weise vermieden, wenn
man einen Pol einer Gleichstrommeßspannung über einen Vorschaltwiderstand mit einem
Punkt dles zu überwachenden Wechsel- oder Drehstromnetzes (bei letzterem zweckmäßig
mit dem Sternpunkt) verbindet und den anderen Pol an Erde legt. Da damit sämtliche
Leiter des zu überwachenden Netzes die gleiche Gleichspannung gegen Erde
annehmen,
kommt ein leicht meßbarer Gleichstrom zum Fließen, dessen Stärke in einem klaren,
festen Verhältnis zur gesuchten Größe des Gesamtisolationswiderstandes steht (Bild
1). Bei ungleichen Isolationswiderständen der einzelnen Leiter gegen Erde nimmt
der Einspeisepunkt MP neben der Gleichspannung auch noch eine Wechselspannung UME
gegen Erde an, die im dargestellten Fall bis -zur Sternspannung, bei Zuspeisung
der Gleichspannung in einen Außenleiter bis zur verketteten Spannung ansteigen kann.
Diese störende Wechsel spannung UME treibt durch den Meßzweig neben dem Meßgleichstrom
zusätzlich einen Wechselstrom. Ist z. B. die Gleichstrommeßspannung UGI = 100 Volt,
der Vorwiderstand VW 40 kOhm, so ist der Erdschlußstrom I=2,S mA bei vollem Erdschluß
z. B. im Leiter R. In einem Drehstromnetz von 3 500 Volt wird dabei UME = 300 Volt,
der zusätzliche Wechselstrom somit Iw=7,5mA.
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Dient als Meßspannungsquelle eine Batterie. deren Widerstand in beiden
Stromrichtungen gleich ist, so ist es nur erforderlich, das Milliamperemeter durch
geeignete Vor- und Parallelwiderstände gegen zu hohen Wechselstromdurchgang zu schützen.
Die richtige Anzeige des Meßgleichstromes ist nicht in Frage gestellt.
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Da nach den VDE-Bestimmungen die Gleichstrommeßspannung mindestens
100 Volt betragen muß, ist die Anwendung einer Batterie unzweckmäßig. Man muß daher,
was ebenfalls bekannt ist, die Gleichstrommeßspannung über einen Meßumspanner und
einen Gleichrichter aus einem Wechselstromnetz beziehen.
Es ist
dabei nicht angängigt die Batterie einfach durch einen Meßgleichrichter TG mit einem
Meßumspanner MU zu ersetzen (Bild 2), denn der von UME herrührende Wechselstrom
würde auch mit gléichgerichtet und dann zu einer falschen Anzeige des Milliamperemeters
führen. Im vorgenannten Beispiel würden statt 2,5 6,25 mA angezeigt.
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Der geschilderte Nachteil wird bei einer Schaltung nach Bild 3 zum
Teil beseitigt. Danach wird in ebenfalls bekannter Weise die Spannung UME durch
Hintereinanderschaltung eines hochohmigen Wilderstandes VW von z. B. 40 kOhm mit
einem größeren Kondensator C von z. B. l0 FF, entsprechend etwa 320 Ohm bei 50 Hz,
unterteilt, Die am Kondensaotr C und damit am Gleichrichter anliegende Teilspannung
von UME wird dabei so gering, daß sie unter der Schwellspannung des Gleichrichters
lilegt, die mindestens 0,2 Volt je Gleichrichterzelle in Durchgangsrichtung beträgt.
Die in die Durchgangsrichtung des Gleichrichters TG fallende Halbwelle der Wechselspannung
UME kann somit keinen Strom durch den Gleichrichter treiben, solange dieser nicht
bereits durch die Hilfswechselspannung des Meßumspanners MU geöffnet ist, was aber,
wie später erklärt wird, nur ganz kurzzeitig erfolgt. Mittels einer Hilfswechselspannung
von etwa 80 Volt wird am Kondensator C eine Gleichspannung von 100 Volt erzeugt,
die bei konstant vorausgesetzter Hilfswechselspannung - völlig konstant bleibt,
solange der Isolationswiderstand des zu überwachenden Netzes unendlich groß ist,
somit keine Entladung von C erfolgen kann.
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Beträgt der Gesamtisolationswiderstand des Netzes 100 kOhm, dann entlädt
sich der Kondensator C über diesen und den in Reihe geschalteten Vorschaltwiderstand
VW von 40 kOhm. Die Zeitkonstante für den Entladevorgang beträgt bei C = 10 µF 1,4
s, ist also derart groß, daß die Spannung am Kondensator praktisch nicht absinkt.
Auch bei sattem Erdschluß ist noch der Vorschaltwiderstand VW von 40 kOhm im Entladekreis
vorhanden, so daß sich auch dann noch die große Zeitkonstante von 0,4 s ergibt.
Die praktisch konstante Spannung am Kondensator ist also die Gleichstromspannungsquelle,
die den MeßgleichstromJol durch den Isolationswiderstand W des Netzes treibt, nach
der eindeutigen Beziehung: UGl IG: = VW + W Das Milliamperemeter mißt zwar nicht
den gesuchten Entladestrom des Kondensators C, sondern seinen Ladestrom. Es ist
aber leicht nachweisbar, daß während einer Periode die Ladeamperesekunden denen
bei der Entladung gleich sind, womit auch der arithmethìsche Mittelwert des Entladestromes
gleich dem des Ladestromes wird.
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Die Wahl einer möglichst hohen Zeitkonstante für die Entladung hat
die Vorteile: a) Durch die sich dadurch ergebende, praktisch konstante Meßspannung
können sich kapazitive Erdschluß widerstände, die parallel zu den ohmschein liegen
können (z. B. in Kabelnfetzen) nicht störend auf das Meßergebnis auswirken. b) Da
die Spannung am Kondensator nur ganz wenig absinkt, kann die Wiederaufladung durch
den Gleichrichter nur ganz kurzzeitig sein. Während dieser kurzen Ladezeit ist nun
allerdings der Gleichrichter seitens der Hilfswechselspannung geöffnet, und der
anliegende Teil der Störwechselspannung UME kann somit. kurzzeitig einen zusätz-
lichen,
störenden Stromstoß durch den Gleichrichter und somit durch das Milliamperemeter
schicken. Da UME nicht nur der Größe, sondern auch der Phasenlage nach ganz verschieden
sein kann, ist die Beeinflussung des Meßergebnisses verschieden.
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Der Vorteil der kurzzeitigen Aufladung des Kondensators C ergibt
allerdings auch den Nachteil, daß die Ladestromstärke sehr hoch wird. Ihr geometrischer
Mittelwert wird das Mehrfache des arithmetischen Mittelwertes. Dies erträgt auf
die Dauer das Milliamperemeter nicht.
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Dieser Nachteil wird bei einem Netzprüfgerät zur Überwachung des
Isolationswiderstandes von nicht geerdeten Wechsel oder Drehstromnetzen mit Hilfe
einer dem zu überwachenden Netz gegen Erde überlagerten Gleichstrommeßspannung,
die aus einem Wechsélstromnetz über einen Gleichrichter geliefert und in das zu
überwachende Netz parallel zu einem Kondensator und in Reihe zu einem Vorwiderstand
eingespeist wird, dessen Impedanz groß ist im Verhältnis zu der des Kondensators,
erfindungsgemäß dadurch behoben, daß zwischen den Vorwiderstand und Erde ein zumindest
annähernd auf die Frequenz des zu überwachenden Netzes abgestimmter Reihe resonanzkreis
eingeschaltet und ferner das Anzeigeinstrument im Entladekreis des Kondensators
in die von diesem Kondensator zum Verbindungspunkt des Vorwiderstandes mit dem Reihenresonanzkreis
führende Leitung gelegt wird.
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Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes zeigt Bild 4.
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Zwischen die EinspeisepunkteA und B des Meßgleichstromes ist ein
kleiner Kondensator C' von etwa 0,5 µF in Reihe mit einer Selbstinduktion L' gelegt,
wobei L'und C' bei der Netzfrequenz praktisch auf Spannungs-resonanz abgestimmt
sind. Diese Resonanzstrecke zwischen A und B bietet somit für die störende Wechselspannung
nur noch den kleinen ohmschen Widerstand von L'. Um nun wieder eine konstante Meßgleichspannung
zu erhalten, wird ein Kondensator von etwa 10 ijF an den Gleichrichter derart gelegt,
daß das Milliamperemeter nicht mehr von den hohen Ladestromstößen, sondern von dem
konstanten Entladestrom des Kondensators C durchflossen wird.
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Bild 4 zeigt außerdem einige vorteilhafte Weiterbildungsmaßnahmen
des Erfindungsgegenstandes.
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Die aus einem Wechselstromnetz über einen Gleichrichter gelieferte
Gleichstrommeßspannung ist nicht völlig konstant, sondern schwankt zwischen den
üblichen Grenzen von etwa +Sile. Im gleichen Verhältnis würde somit das Gesamtmeßergebnis
ungenau werden. Um derartige Meßfehler auszuschalten, ist der Meßumspanner MU als
Regelumspanner ausgebildet, se daß entweder, wie dargestellt von Hand, konstante
Gleichstrommeßspannung eingestellt werden kann, oder sie sich selbsttätig konstant
hält.
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Zur Eichkontrolle des gesamten Netzpnifgerlites ist ein Umschalter
PS1 eingebaut, mittels dessen das Gerät von der Einspeisestelle des zu überwachenden
Netzes abgeschaltet und an Erde gelegt wird und somit in sich selbst kurzgeschlossen
wird. Ferner wird man Mittel vorsehen, um das Anzeigeinstrument auf einen vorgegebenen
Skalenwert, entsprechend Null (3hm Isolationswiderstand des Netzes, einzustellen,
so daß das Anzeigeinstrument bei richtig eingestellter Gleichstrommeßspannung N'u-ll
Ohm anzeigt.
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Zeigt das Netzprüfgerät in Betriebsschaltung Null Ohm an, so kann
entweder ein völliger Erdschluß in
einem Außenleiter vorliegen oder
die Durchschlagssicherung DSi kann durchgeschlagen sein. Mittels des vorgesehenen
Prüfschalters PS2. wird ein Spannung anzeigegerät, z. B. eine Glimmlampe, parallel
zu den Einspeisepunkten der Gleichstrommeßspannung gelegt. Zeigt dieses Spannung
an, so liegt der Schluß in einem Außenleiter. Die sonst nötige Kontrolle, die das
Herausschrauben der Durchschlagssicherungen bei abgeschaltetem Netz nötig macht,
fällt dadurch weg. Wird keine Spannung angezeigt, ist die Durchschalgssicherung
durchgeschalgen.
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PETENTANSPRÜCHE 1. Einrichtung zur Überwachung des Isolationswiderstandes
von nicht geerdeten Wechsel- oder Drehstromnetzen mit Hilfe einer dem zu überwachenden
Netz gegen Erde überlagerten Gleichstrommeßspannung, die aus einem Wechseelstromnetz
vermittels eines Gleichrichters geliefert und in das zu überwachende Netz parallel
zu einem Kondensator und in Reihe zu einem Vorwiderstand eingespeist wird, dessen
Impedanz groß ist im Verhältnis zur Impedanz des Kondensators, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den Vorwiderstand und Erde ein zumindest annähernd auf die Frequenz
des zu überwachenden Netzes abgestimmter Reihenresonanzkreis geschaltet ist und
daß das Anzeigeinstrument im Entladekreis
des Kondensators in die von diesem zum
Verbindungspunkt des Vorwiderstandes mit dem Reihenresonanzkreis führende Leitung
gelegt ist.