DE1541742C3 - Einrichtung zur Überwachung des Gesamtisolationswiderstandes eines elektrischen Netzes gegen Erde oder Masse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Überwachung des Gesamtisolationswiderstandes eines"elektrischen Netzes gegen Erde oder Masse, bei der eine Hilfswechselspannung mit von der Frequenz der Netzspannung abweichenden Frequenz zur Anwendung kommt, bei der die Phasenlagen der beiden Spannungen miteinander verglichen werden und bei der ein auf die Ansprechgrenze einstellbarer Bezugswiderstand vorhanden ist Eine derartige Einrichtung ist aus der DT-PS 456 761 bekannt. Bei dieser bekannten Einrichtung wird die Wicklung mehrphasiger, mit Nullpunktserdung versehener Wechselstrommaschinen gegen Erdschluß dadurch gesichert, daß zu dem bei Erdschluß im Erdungskreis zur Wirkung kommenden Teil der Maschinenspannung eine in die Erdleitung des Nullpunktes dauernd eingeschaltete, von der Maschinenspannung in Phase oder Frequenz verschiedene Hilfswechselspannung hinzugefügt wird, die sich mit der Maschinenspannung zu einer resultierenden, bei jeder Lage des Erdschlusses von Null verschiedenen Spannung zusammensetzt und Signal- oder Auslöseorgane an sich bekannter Art auch dann betätigt, wenn der Erdschluß im Nullpunkt der Maschinenwicklung oder in dessen unmittelbarer Nähe erfolgt. Mit Hilfe eines Bezugswiderstandes ist die Ansprechgrenze der Einrichtung einzustellen. Die Wirksamkeit einer derartigen Einrichtung '' beschränkt sich also darauf, die Auslösung der Relais und damit der Hauptschalter und der Erregung von mehrphasigen Wechselstrommaschinen auch dann zu gewährleisten, wenn die durch den Erdschluß dem Erdungskreis aufgedrückte Spannung einen gewissen Mindestwert unterschreitet

Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, geht über die der bekannten Einrichtung wesentlich hinaus. Sie besteht darin, eine Einrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, den Gesamtwiderstand eines elektrischen Netzes, unabhängig von dessen Kapazität gegen Erde oder Masse und unabhängig von dessen Stromart zu überwachen. In diese Aufgabe ist die Überwachung des Gesamtisolationszustandes von Gleichstromnetzen, Einphasenwechselströmnetzen, Mehrphasennetzen mit oder mit nicht herausgeführtem Nulleiter oder komplexen Wechselstrom-Gleichstromnetzen mit galvanischer Verbindung zwischen den einzelnen Netzteilen, z. B. durch Gleichrichter, Umrichter u. dgl. eingeschlossen, unabhängig davon, ob die Netze unter Spannung stehen oder nicht, und unabhängig von (( der Netzbelastung oder von zwischen stromführenden Netzteilen auftretenden Fehlern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die eingangs genannte Einrichtung einen Wechselstromgenerator einer gegenüber der Netzfrequenz niedrigeren Frequenz aufweist, der über eine aus einem Längsfilterkreis bestehende Ankopplung symmetrisch an das Netz sowie an Erde oder Masse angeschlossen ist, die ferner zwei Meßtransformatoren aufweist, deren Primärwicklungen mit dem auf die Ansprechgrenze der Einrichtung einstellbaren Bezugswiderstand in Reihe geschaltet sind, während eine , zweite Primärwicklung des Transformators in entgegengesetztem Sinn zwischen den Generator und das Netz geschaltet ist, und deren Sekundärwicklungen an eine Phasenvergleichsvorrichtung, wie Ringmodulator angeschlossen sind, dessen Ausgang mit einem Meßglied verbunden ist, das ein von der Polarität seines Eingangswertes abhängiges Signal abgibt.

Auf der rechten Seite von F i g. 1 sind die Ankopplungen der Überwachungseinrichtung an verschiedene Netze gezeigt:

bei »M« ein Zweileiternetz für Gleichstrom oder

einphasigen Wechselstrom,

bei »P« ein dreiphasiges Netz mit herausgeführtem Nulleiter,

bei »ζλ< ein dreiphasiges Netz ohne Nulleiter.
Jede dieser Ankopplungen kann an die Klemme 10 der Überwachungseinrichtung angeschlossen werden. Die Ankopplungen haben die Aufgabe, die Netze von der Überwachungseinrichtung galvanisch zu trennen, eine symmetrische Ankopplung der Netze an die Überwachungseinrichtungen zu ermöglichen sowie ein Einfließen der Netzfrequenz und ihrer Oberwellen in die Überwachungseinrichtung bei Wechselstromnetzen zu verhindern.

Die galvanische Trennung wird durch mindestens einen Kondensator 1,2,4,5,6, 7 zwischen den Netzleitern und der Überwachungseinrichtung erreicht. Die symmetrische Ankopplung erfolgt bei »M« durch eine in der Mitte angezapfte Drossel 3, bei »P« durch die drei Drosselspulen zwischen den Phasen A, B, C und dem Nulleiter, bei »ζλ< durch die drei an einer Seite miteinander verbundenen Kondensatoren 5, 6, 7, die einen künstlichen Nullpunkt bilden.

Ein Einfließen der Netzfrequenz in die Überwachungseinrichtung wird dadurch verhindert, daß eine Drosselspule 11 mit den Koppelgliedern 1 bis 7 in Reihe geschaltet ist, deren Selbstinduktion so abgestimmt ist, daß sie mit den Koppelgliedern einen Filterkreis (Resonanzkreis für die niedrige Meßfrequenz oder Tiefpaß) bildet, der den Meßstrom durchfließen läßt, die Netzfrequenz und ihre Oberwellen jedoch weitgehend sperrt Bei Überwachung von Wechselstromnetzen ist außerdem ein aus dem Kondensator 9 und der Drosselspule 12 bestehender, auf die Netzfrequenz abgestimmter Resonanzkreis vorgesehen, der zwischen dem Punkt 13 und der Erde »Γ« angeschlossen ist und infolge seines geringen Widerstandes bei Netzfrequenz die Restspannung des oben beschriebenen Filterkreises kurzschließt, so daß sie in dem im folgenden beschriebenen Meßstromkreis nicht wirksam werden kann.

Der Meßgenerator 14 gibt die Meßspannung Ug niedriger Frequenz (z. B. 20 Hz) mit einem Strom /gab. Eine Klemme des Generators liegt über die Klemme 19 an Erde »7«, während die andere Generatorklemme an die Klemme 20 angeschlossen ist. Der vom Generator 14 abgegebene Strom Ig teilt sich auf in die folgenden Ströme:

den Meßstrom Ir, der durch die Primärwicklungen 24a, 15a, die Ankopplung 11, 1, 2, 3 und die aus dem Erdschlußwiderstand und der Kapazität des Netzes gegen Erde bestehende Fehlerimpedanz zur Erde fließt und hauptsächlich von dieser bestimmt wird,

den Strom Iq, der durch die Primärwicklungen 24a, 15a der Meßtransformatoren 14, 15 und dann durch den aus dem Kondensator 9 und der Drossel 12 gebildeten Netzresonanzkreis, der für die Meßfrequenz einen komplexen Widerstand darstellt, zur Erde fließt,

den Bezugsstrom IRo, der durch den Widerstand 16, die Wicklungen 176,18a der Meßtransformatoren 17, 18 und durch den einstellbaren Bezügswiderstand 25 zur Erde fließt,
den Strom, der durch die Primärwicklung 22a des Transformators 22, den Kondensator 21 und die Selbstinduktionsspule 23 zur Erde fließt. Dieser Strom hat gleichfalls den Wert Iq, da die Elemente dieses Kreises so bemessen sind, daß sie für die Meßfrequenz den gleichen komplexen Widerstand bilden, wie der aus dem Kondensator 9 und der Selbstinduktionsspule 12 gebildete Resonanzkreis.

Der Transformator 15 gibt in seiner Sekundärspule 156 den Strom Ir + Iq «= 1 ab (für alle Transformatoren sei das Übersetzungsverhältnis 1 :1 festgesetzt). Der Transformator 22 gibt in seiner Sekundärspule 22b den Strom Iq ab. Beide Ströme durchfließen die Primärspule 17a des Transformators 17 in entgegengesetzter Richtung, so daß ihre Differenz I — Iq — Ir + Iq — Iq = Ir,' also der Meßstrom, wirksam wird.

Die zweite Primärspule 176 des Transformators 17 wird von dem Bezugsstrom IRo durchflossen. Sie hat entgegengesetzten Wicklungssinn gegenüber der Wicklung 17a, so daß dieser Transformator in seiner Sekundärwicklung 17c eine Spannung erzeugt, die der Differenz der Ströme in den beiden Primärwicklungen proportional ist, also die Größe Ir—IRo hat. Der Transformator 18 wird in seiner Primärwicklung 18a vom Strom IRo durchflossen und gibt in seiner Sekundärwicklung eine proportionale Spannung ab.

Durch Verstellen des einstellbaren Widerstandes 25 wird die Größe des Bezugsstromes IRo und damit die Ansprechgrenze der Überwachungseinrichtung eingestellt. Der Bezugsstrom IRo durchfließt außerdem den Widerstand 16, der an der Sekundärwicklung 24b des Transformators 24 angeschlossen ist. Dieser Widerstand 16 ist derartig dimensioniert, daß er in dem Stromkreis für den Bezugsstrom IRo den gleichen Spannungsabfall hervorruft, der in der Ankopplung durch den Meßstrom entsteht. Durch diese Maßnahme wird der Spannungsabfall in der Ankopplung kompensiert.

Die Sekundärwicklungen 17c und 186 der Transformatoren 17 und 18 sind in bekannter Weise an die vier Spitzen des aus vier Dioden bestehenden Ringmodulators 26 angeschlossen. Zwischen ihre Mittelanzapfungen ist die Wicklung 27a des polarisierten Relais 27 geschaltet, dessen Kontakt 276 einen nicht dargestellten Meldestromkreis schließt, wenn die Erregerwicklung von einem vom Modulator kommenden Strom in nur einer Richtung durchflossen wird.

Das Vektordiagramm der Ströme zeigt F i g. 2. Darin bedeutet der Vektor OA den Bezugsstrom IRo, der infolge des ohmschen Widerstandes 25 mit der Meßspannung »Ug«. in Phase liegt, während der Vektor OB den Meßstrom Ir darstellt, dessen Wirkkomponente, die in Richtung des Vektors OA liegt, vom Isolationswiderstand des Netzes gegen Erde bestimmt wird und dessen dazu senkrechte Blindkomponente von der Kapazität des Netzes gegen Erde abhängig ist. Werden beide voneinander subtrahiert, wie dies im Transformator 17 geschieht, so ergibt sich für den Strom Ir — IRo der Vektor OC, dem die Sekundärspannung des Transformators 17 entspricht. Die Sekundärspannung des Transformators 18 ist proportional dem Strom IRo.

Bei dem im Vektordiagramm gezeigten Beispiel liegt der Vektor OA senkrecht zum Vektor AC, d. h., daß der Strom IRo lim 90° gegenüber dem Strom IRo — {Ir — IRo) phasenverschoben ist. Der vorn Modulator kommende Strom hat den Wert Null, und das polarisierte Relais 27 ist nicht erregt. In diesem Fall befindet sich der Isolationswiderstand des Netzes an der am Widerstand 25 eingestellten Ansprechgrenze der Überwachungseinrichtung.

Wenn sich infolge der Verringerung des Netzisolationswiderstandes der Meßstrom Ir erhöht, sind die Vektoren der Ströme IRo und IRo — (Ir — IRo) um

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einen Winkel von mehr als 90° gegeneinander verschoben. Dadurch ist in der Wicklung 27a des Relais 17 der Stromfluß so gerichtet, daß der Kontakt 276 dieses Relais schließt.

Ist dagegen der Netzisolationswiderstand höher als der eingestellte Ansprechgrenzwert, so ist der Meßstrom Ir kleiner als in der F i g. 2. Die Phasenverschiebung zwischen dem Vektor 0-4 und OC ist kleiner als 90°. Der durch die Wicklung 27a des Relais 17 hindurchgehende Meßstrom fließt in entgegengesetzter Richtung, und das polarisierte Relais 27 spricht nicht an.

Die Figur stellt nur ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung gemäß der Erfindung dar. Die Einzelheiten der Ausführung können in vielfacher Weise abgeändert werden. Vor allem kann man selbstverständlich die dargestellten technischen Mittel durch andere, gleichartige ersetzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Überwachung des Gesamtiso-Iationswiderstandes eines elektrischen Netzes gegen Erde oder Masse, bei der eine Hilfswechselspannung mit von der Frequenz der Netzspannung abweichenden Frequenz zur Anwendung kommt, bei der die Phasenlagen der beiden Spannungen miteinander verglichen werden und bei der ein auf die Ansprechgrenze einstellbarer Bezugswiderstand vorhanden ist, gekennzeichnet durch einen Wechselstromgenerator (14) einer gegenüber der Netzfrequenz niedrigeren Frequenz, der über eine aus dem Längsfilterkreis (1,2,3,4,5,6 oder 7) bestehende Ankopplung symmetrisch an das Netz sowie an Erde oder Masse angeschlossen ist, ferner durch zwei Meßtransformatoren (17 und 18), deren Primärwicklungen (18a und t7b) mit dem auf die Ansprechgrenze der Einrichtung einstellbaren Bezugswiderstand (25) in Reihe geschaltet sind, während eine zweite Primärwicklung (17a) des Transformators (17) in entgegengesetztem Sinn zwischen den Generator (14) und das Netz geschaltet ist, und deren Sekundärwicklungen (17c und t8b) an eine Phasenvergleichsvorrichtung, wie Ringmodulator (26) angeschlossen sind, dessen Ausgang mit einem Meßglied (27) verbunden ist, das ein von der Polarität seines Eingangswertes abhängiges Signal abgibt'

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Überwachung von Wechselstromnetzen ein auf die Netzfrequenz abgestimmter Reihenresonanzkreis (9 und 12) als Querfilterkreis vorgesehen ist, der zwischen dem dem Netz abgewandten Anschluß des Längsfilterkreises (1 bis 7 und 11) und Erd.e oder Masse geschaltet ist

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch einen komplexen Widerstand (21, 23), der so ausgerichtet ist, daß er für die Meßfrequenz den gleichen Wert hat wie der Reihenresonanzkreis (9, 12) und der in Reihe mit der Primärwicklung (22a) des Transformators (22) an die Ausgangsklemmen des Meßfrequenzgenerators (14) angeschlossen ist und daß die Sekundärwicklung (22b) des Transformators (22) parallel mit der Sekundärwicklung (156) eines weiteren Transformators (15) an die erste Primärwicklung (17a) des Transformators (17) angeschlossen ist, wobei die Primärwicklung (15a) des Transformators (15) zwischen Meßgenerator (14) einerseits und Querfilter (9, 12) und Längsfilter (1 bis 7,11) andererseits liegt.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Primärwicklungen (176,18a), der Meßtransformatoren (17,18) und dem Bezugswiderstand (25) ein Widerstand (16) in Reihe geschaltet ist, der so bemessen ist, daß in ihm der gleiche Spannungsabfall entsteht wie durch den Meßstrom im Längsfilter (1 bis 7, 11) erzeugt wird und daß der Widerstand (16) an die Sekundärwicklung (24b) eines Transformators (24) angeschlossen ist, der zwischen dem Meßfrequenzgenerator (14) einerseits und dem Querfilter (9, 12) und dem Längsfilter (1 bis 7,11) andererseits liegt.