DE2630982C3 - Isolationsüberwachungseiiuichtung für ein nicht geerdetes Wechselstromnetz - Google Patents
Isolationsüberwachungseiiuichtung für ein nicht geerdetes WechselstromnetzInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Isolationsüberwachungseinrichtung für ein nicht geerdetes Wechselstromnetz,
in dessen Leitungen beim Auftreten eines Erdschlusses ein beim Überschreiten eines vorbestimmten Wertes
einen Alarm auslösender Meßstrom einspeisbar ist.
Aus der DE-OS 22 51 784 sind Schaltungsanordnungen bekannt, mit deren Hilfe durch Einspeisen eines
Gleichstromes in ein Wechselstromnetz rein ohmsche Erdschlüsse feststellbar sind. Eine Schaltung zur
Ausmessung sehr kleiner Isolationswiderstände für ein ungeerdetes Wechselstromnetz ist in der DE-OS
19 26 230 beschrieben, bei der ein Meßgleichstrom über
die Wechselstromeingänge eines Brückengleichrichters, dessen Gleichstromanschlüsse mit der Erde und über
eine Drossel mit einem Leiter des Wechselstromnetze: verbunden sind, in das Wechselstromnetz eingespeist
wird. Da zur Messung des Isolationswiderstandes zwischen dem Wechseir.tromnetz und der Erde Gleichströme Verwendung finden, können kapazitive Erdschlüsse picht festgestellt werden. Außerdem können
die durch die Meßeinrichtung hervorgerufenen zusätzlichen Ströme eine zusätzliche Gefahrenquelle bilden.
In einem ideal isolierten nicht geerdeten System ist
gegen Erde ein unendlicher Widerstand vorhanden, so daß bei einer niederohmigen Berührung eines der zum
Verbraucher führenden Leiter mit Erde kein Strom über diese Erdverbindung fließen würde. Nun weisen aber
alle praktisch vorhandenen isolierten, nicht geerdeten Versorgungssysteme einen bestimmten Ableitwider*
stand gegen Erde auf. Die Fälle ohmscher Ableitwiderstände oder Fehler werden dadurch verursacht, daß kein
Isolator vollkommen ist bzw. daß jede Isolation mit dem Alter und dem Gebrauch kleiner wird. Die Fälle
kapazitiver Ableitwiderstände oder Fehler stellen ein ernstes Problem dar; sie sind stets in allen Systemen
vorhanden und werden größer mit dem Wachsen der Länge der Leitungen. Außerdem werden beide Arten
von Ableitwiderständen mit der Anzahl der Verbraucherunrichtungen, die an das System angeschlcs-
sen sind, größer. Natürlicherweise besitzt jede Versorgungsleitung eine Kombination beider Ableitwiderstände, also ohmsche und kapazitive Ableitwiderstände
gegen Erde. Diese Ableitwiderstände in praktisch ausgeführten, isolierten, ungeerdeten Systemen stellen
ίο einen Stromweg gegen Erde dar und wenn dann ein
niederohmiger Widerstand an einen der Leiter angeschlossen wird, dann ist ein geschlossener Stromweg in
Abhängigkeit von den vorhandenen Ableitwiderständen vorhanden, demnach wird also ein Strom durch den
is niederohmigen Widerstand fließen. Der Gesamtstrom,
der in einem solchen Fall durch einen niederohmigen Widerstand fließt, der zwischen eine isolierte Leitung
und Erde geschaltet ist, wird als Fehler- oder Gefahrenstrom bezeichnet Der Betriebsgefahrenstrom
ist definiert als derjenige Gefahrenstrom eines vorgegebenen isolierten Systems, der dann fließt, wenn alle
Verbrauchereinrichtungen außer tier Überwachungseinrichtung an die Leitungen angeschlossen sind Der
Anzeigefehlerstrom ist definiert als der Wert des
Gefahrenstroms, der dann fließt wenn allem die
Überwachungseinrichtung an das ungeerdete Energieversorgungssystem angeschlossen ist Der Gesamtge
fahren- oder Fehlerstrom ist die Kombination des Betriebsgefahrenstroms und des über die Anzeigeein
richtung fließenden Fehler- oder Gefahrenstroms..
Beispielsweise erfordern amerikanische Sicherheitsregeln, daß beim Überschreiten des Gesamtgefahren-
oder Fehlerstroms ein rotes Licht und ein akustischer Alarm ausgelöst werden. Außerdem ist durch diese
Γ) Regeln der Fehlerstrom, der durch die Überwachungseinrichtung selbst verursacht wird, auf einen bestimmten
Betrag begrenzt.
Einer der Gründe für die Sicherheitsregeln ist das Bestreben, die größtmögliche Sicherheit für einen
Patienten zu erreichen. Sobald der normalerweise hohe Körperwiderstand eines Patienten in entsprechender
Weise kurzgeschlossen ist wird der Patient elektrisch empfindlich. Der Grad der elektrischen Empfindlichkeit
kann sich ändern, und zwar hängt dies von der
4r> darauffolgenden medizinischen Behandlunpsweise ab.
Wenn z. B. die Behandlung erfordert, daß an den Herzmuskel des Patienten direkt ein elektrischer
Tastkopf oder ein Katheter angeschlossen wird, dann ist die elektrische Empfindlichkeit am größten und ein
w kleiner Stromwert, der den Patienten durchfließt, sehr
gefährlich. Eine geringere elektrische Empfindlichkeit eines Patienten ist iann gegeben, wenn die medizinische
Behandlungsweise nur das Anbringen von Elektroden auf der Außenhaut erfordert die dann mit einer
'eitf.'.nigen Paste auf den entsprechenden Punkt der
Haut aufgebracht werden. In jeder der geschilderten Situationen bildet der menschliche Kötper einen
niederohmigen Widerstand, da ja sein normalerweise hoher Körperwiderstand kurzgeschlossen ist. Der
bo menschliche Körper bildet dann eine elektrische Verbindung zwischen dem Leiter des Versorgungssystems und Erde. Der gesamte Fehler· oder Gefahrenstrom fließt dann durch den Körper, da dieser den
Rückweg für den Strom darstellt, dessen anderer Teil
die Ableitwiderstände des Systems sind. Wenn ein
Wechselstrom durc*» den Körper fließt und dabei einen
Wert überschreitet, der etwa 2 Milliampere beträgt dann kann dies einen extrem großen Schock und
möglicherweise den Tod verursachen. Die Überwachungseinrichtung für ein solches isoliertes, nicht
geerdetes Versorgungssystem in einem Krankenhaus muß den möglichen Maximalwert des Fehlerstroms
kontinuierlich anzeigen, der dann fließen würde, wenn der menschliche Körper Teil des elektrischen Stromkreises
ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Isolationsüberwachungseinrichtung der eingangs genannten
Art zu schaffen, die auf ohmsche und kapazitive Abieitwiderstände anspricht und deren Meßstrom so
gering ist, daß von ihm keine zusätzlichen Gefahren ausgehen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß der in die Leitungen eingespeiste Meßstrom ein aus zwei gegeneinander phasenverschobenen
Teilströmen mit einer von der Netzfrequenz verschiedenen Frequenz zusammengesetzter Wechselstrom
ist, dessen Teilströme in zwei getrennten, jeweils
Auftreten eines Erdschlusses gebildeten Ableitwiderstände zugeordneten Kanälen erzeugbar sind, die
jeweils zwei Eingänge zur Einspeisung der von dem Meßstrom an den Ableitwiderständen hervorgerufenen
Meßspannung als Rückkopplungsspannung und einer der höchsten auftretenden Spannung zwischen Erde und
einer der Leitungen des Wechselstromnetzes proportionalen Vergleichsspannung aufweisen, und daß durch
Veränderung der Amplituden der Teilströme die Phase und Größe des Meßstromes derart geregelt wird, bis die
Meßspannung, multipliziert mit einem konstanten Faktor, gleich der höchsten Spannung ist, und die ein
Maß für den Wert der ohmschen und kapazitiven Ableitwiderstände darstellende Größe des Meßstromes
proportional dem maximal möglichen Fehlerstrom ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigt
F i g. 1 ein Blockschaltbild der Isolationsüberwachungseinrichtung
gemäß der Erfindung,
F i g. 2 das Schaltbild der Isolationsüberwachungseinrichtungnach
Fig. 1,
F i g. 3 das ausführliche Schaltbild der umschaltbaren Integratoren der Isolationsüberwachungseinrichtung
nach Fig. 1,
F i g. 4 den Verlauf der um 90° phasenverschobenen Signale am Eingang der umschaltbaren Integratoren
und
F i g. 5 Beispiele der verschiedenen Arten von Ableitwiderständen.
Um die Grundfunktion des Schaltkreises gemäß der
vorliegenden Erfindung zu verstehen, erscheint die Ableitung der Theorie der Arbeitsweise notwendig. Der
Gesamtbetrag des Fehlerstromes in einem nichtgeerdeten, isolierten elektrischen Energieversorgungssystem
ist der Höchstwe t des Stromes, der über einen geerdeten Gegenstand fließt, der mit beiden Leitern in
Verbindung steht. Im Idealfall eines solchen nicht geerdeten Systems, das gegen Erde einen unendlichen
Widerstand besitzt, fließt kein Strom über den
geerdeten Gegen-.tand, der mit einem der Leiter verbunden ist; dies gilt unabhängig vom Wert der
Spannung, die zwischen den beiden Leitern herrscht, da die Rückleitung von Erde her fehlt. In praktisch
bestehenden Energieversorgungssystemen jedoch sind stets irgendweiche Kriechstrecken oder isoiationsfehier
gegen Erde vorhanden. Die Ableiterverluste können sowohl rein ohmscher oder kapazitiver Art sein als auch
eine Kombination beider Arten; außerdem können sie symmetrisch, d. h. für jeden Leiter gleich, oder
unsymmetrisch sein. Wenn also in einem praktischen Energieversorgungssystem ein geerdeter Gegenstand
einen der Leiter berührt, dann stellt die im System vorhandene Ableitung gegen Erde einen Rückweg für
einen Stromfluß dar, demzufolge gibt es im System einen Fehlerstrom.
Der Fehlerstrom wird durch den Strom dargestellt,
ίο der über einen mit einem Leiter verbundenen, geerdeten
Gegenstand fließt, wobei der Wert durch den Quotienten aus der Speisespannung Vs(Leifer-zu-Leiter-Spannung)
und dem Ableitwiderstand des gegenpoligen Leiters bestimmt ist. Also, in einem ungeerdeten,
i-i isolierten elektrischen Zweidrahtversorgungssystem
hat der Fehlerstrom ln\ des Leiters Ll bei einem
Erdschluß einen Wert, der gleich dem Quotienten aus der Speisespannung Vs und dem Ableitwiderstand Λ
pp
des Leiters L 2 bei einem Erdschluß einen Wert, der gleich dem Quotienten aus der Speisespannung Vs und
dem Atemwiderstand Z\ des Leiters L 1 ist.
/„, (Ll geerdet)
/i,2 (Ll geerdet) =
Vs
Kv
Die jeweiligen Ableitverluste siner Versorgungsleitung
können in beliebiger Kombination durch ohmsche und kapazitive, parallelliegende Widerstände verursacht
werden. Der gesamte Ableitwiderstand eines
r> Leiters ist der resultierende Vektor Zo der einzelnen,
parallelen Verlustwiderstände. Die Summe der Ableitung nach Erde jeder der entsprechenden Versorgungsleitungen
LX und L 2 kann zusammengesetzt in zwei Leitwertvektoren Ki und Y2 dargestellt werden. Die
4(i gesamten Ableitwiderstände gegen Erde für jeden Leiter bestehen aus einer jeweiligen Reihenschaltung
zwischen der isoliert zugeführten Spannung Vs, mit
ihrer Verbindung nach Erde und zu der gehörigen Leitung, dabei treiben die Spannungen gegen Erde
4) vektoriell in dem Verhältnis
wobei Vi und V2 die Leiterspannungen der einzelnen
Leiter Ll und L 2 gegen Erde sind. Die vekt .rielle Summe der Spannungen Vx und V2 ist gleich dem Wert
der Isolierten Speisespannung Vs. Aus diesem Grund
führt jeder Leiter einen Fehlerstrom, der gleich dem Produkt aus der Speisespannung Vsund dem Ableitwert
des gegenpoligen Leiters ist. d. h.
/„, (LI geerdet) = ls- V2. (4)
bo Im(Llgeerdet) = K- V1 . (5)
Der Leiter, der den größten Fehlerstrom führt, ist derjenige, der den kleineren Ableitwert gegen Erde und
die höhere Spannung gegen Erde besitzt, da dieser b5 Fehlerstrom durch den größeren Ableitwert gegen Erde
des gegenpoiigen Leiters bestimnii wird, und zwar
multipliziert mit dem Wert der zwischen den Leitern herrschenden Spannung.
Daher ist es wichtig, daß eine Anzeigeeinrichtung für
die Leiterisolation selbst nur einen kleinen Fehlerstrom führt, damit dadurch der Gesamtfehlerstrom nicht
merklich vergrößert wird. Wenn man den Gesamtablcitwiderstand
jedes Leiters direkt messen wollte, dann müßte man entweder den Stromkreis auftrennen oder
nacheinander jeden Leiter versuchsweise mit Erde verbinden, jede dieser beiden Alternativen würde die
Gefahr fjr einen betroffenen Patienten vergrößern. In
Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Erfindung ist der Gesamtbetrag des Ableitvnrtes gleich
der Zusammenfassung der parallelen Ableitwerle der Leiter /. 1 und /. 2, also Vo = Y\ + K2. Dieser Gcsamtableitwcrt
Vn kann dadurch ermittelt werden, daß man einen kleineren Meßslrom über jeweils einen oder beide
Leiter Λ I und 1.2 fließen läßt, und zwar mittels einer
Speisequelle mit hohem Innenwiderstand, die in der Anzeigeeinrichtung angeordnet ist. Der Meßstrom Im
fließt durch die Parallelanordnung aller Ableilwidcrstände
gegen Erde, während der der Speisespannungs-(jiielle
entnommene Ablcil- oder Fehlerstrom diese Ablcitwiderstiinde in Reihe durchfließt. Die sich
ändernden Spannungswerte jedes Leiters gegen Erde können in einfacher Weise gemessen werden. Die
.Spannungsänderung gegen Erde in jedem der beiden Leiter wird mit Δ V bezeichnet, und der Gcsamtablcitwcrt
ist Yn. Es ergibt sich also
V1, =
/.Il
Il
Die Beziehung zwischen den sich ändernden Spannungen
der Leiter und ihren Leitwerten ist
V1 . V1=V2- V2.
Basierend auf den obigen Beziehungen kann man die jeweiligen Lciterfehlerströme als Funktionen von
Spannungen und dem Gesamtableitwert definieren:
/in = H1 + Γ,I- V2 = Γ, · V2 + Γ, · V1 (7)
= 11 ■ ( V2 + V1 )= Γ, · Y1,.
I111 =. (I1 + I2)- V, = Γ, · V2 + I2- V, (8)
= I2O2 + V1) = I2- V11.
Der Höchstwert des Fehlerstromes der in jedem der beiden Leiter fließen kann, ist also eine einfache
Funktion der Leiterspannung gegen Erde und des Gesamtableit wertes.
/;,max. = (I max.) ·
Der Meßstrom Im wird so gesteuert, daß Δ V, d. h. die
Änderung der Spannung gegen Erde in jedem Leiter in Abhängigkeil vom Meßstrom, in einem bestimmten
festen Verhältnis K zum Höchstwert der Spannung jedes Leiters gegen Erde steht:
Il = K -(J'max.).
Wenn man K als Teilfaktor betrachtet, dann ist die
Größe des Meßstromes proportional zum Höchstwert des Fehlerstroms gemäß folgender Beziehung:
/,ι = I I '->;, = K ■ 11 max.) ■ })>
= K · /,·,· max.
Man sieht also, daß es sich hier um den gleichen konstanten Wert K handelt, wie er bereits im
Zusammenhang mit den Änderungen der Leiterspannung Δ V und der maximalen Leiterspannung definiert
<5 wurde. Der Gesamtleitwert Vo wird mit Hilfe eines sehr
kleinen Meßstromes bestimmt, da sowohl die kapazitiven als auch die ohmschen Ableitwiderstände gegen
Erde eine lineare Charakteristik besitzen. Der sehr kleine Meßstrom stört weder die Speisequelle noch wird
κι in merklicher Weise der Fehlerstrom des Systems
erhöht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung wühlt man für den Meßstrom eine vom Speisestrom unterschiedliche
Frequenz, und zwar ein Vielfaches dieser Frequenz, um
i) dadurch leichter die kleinen Spannungsänderungen Δ V,
die den viel größeren Leiterspannungen Vi und V2
überlagert sind, feststellen zu können.
Das 50- oder 60-Hz-Signal der Speisespannung kann man durch Filtern ausschalten, und die kleine Span-
2(i nungsänderung Λ V, hervorgerufen durch den über die
Ableitwiderstände fließenden Meßstrom kann festgestellt werden. Während so durch die Wahl einer
abweichenden, vorzugsweise höheren Frequenz des Meßstromes die Ermittlung der kleinen Spannungsänderung
Δ Verleichtert wird, sind andererseits Kompensationsmaßnahmen
notwendig, um die durch die höhere Meßfrequenz bedingte Änderung des Phasenwinkels
beim kapazitiven Anteil zu eliminieren. Dazu muß z. B. der kapazitive Anteil des Meßstromes getrennt erzeugt
jo und eingeführt werden, wobei daß Verhältnis von Meßfrequenz A» zur Frequenz fn der Speisespannung
maßgebend ist. Der kapazitive Anteil des Meßstromes wird also im Verhältnis /Ά///Ό dem gelrennt erzeugten
ohmschen Anteil des Meßstromes zugesetzt, um so den
j-, Gesamtmeßstrom zu erhalten, der dann jeden der beiden Leiter durchfließt.
Der maximale Fehlerstrom wird auf einem Meßinstrument angezeigt, welches so geeicht ist, daß der
Propcrtionalitätsfaktor K berücksichtigt wird. Zudem wird die kapazitive Komponente des Meßstromes im
Verhältnis 1 :1 zu der ohmschen Komponente addiert, um so eine richtige Anzeige des Höchstwertes des
Fehlerstromes auf dem Instrument zu gewährleisten.
Die vorstehende Analyse zeigt also:
Die vorstehende Analyse zeigt also:
3 Durch Messung eines Stromes, der zur Erzeugung einer
kleinen Änderung des Maximalwertes der Spannung jedes Leiters gegen Erde führt, sowie durch Einführung
eines Proportionalitätsfaktors zwischen diesem Maximalwert der Spannung und der kleinen Änderungsspannung
kann man durch Berücksichtigung des genannten Proportionalitätsfaktors beim obigen Strom eine exakte
Auslage über den maximalen Fehlerstrom machen, der dann auftritt, wenn der Leiter mit der höchsten
Spannung gegen Erde über einen niedrigen Widerstand
mit Erde verbunden wird. Der Fehler- oder Gefahrenstrom kann für jeden Punkt in einem Netzwerk von
linearen Widerständen dadurch bestimmt werden, daß man die jeweilige Spannung an diesem Punkt bei
angeschalteter Speisespannung mißt und den gemesse-
bo nen Wert durch den Widerstandswert gegen Erde teilt,
den man dadurch ermittelt, daß man an diesem Punkt eine besondere Meßstromquelle ei.schaltet, wobei alle
Speisequellen im Netzwerk kurzgeschlossen sind. Diese Anwendung des Satzes von der Ersatzstromquelle
(Thevinen-Theorem) wird bei der Ausführung gemäß der Erfindung ohne die störende Beeinflussung der
Betriebsfrequenz erreicht, ebenso wird auch ein merkliches Anwachsen des Fehlerstromes vermieden.
Dies geschieht durch Feststellung derjenigen Spannung, die im Ableitwiderstand durch einen Strom
verursacht wird, dessen Frequenz bekannt ist und von der des Betriebsstromes abweicht. Die grundsätzliche
Funktionsweise des Systems ist in dem Blockschaltbild in F i g. I dargestellt.
Hier ist ein nL'ht geerdetes, isoliertes Energieversorgungssystem
gezeigt, das zwei Leiter L 1 und L 2 besitzt, die an die Sekundärseite eines isolierten, abgeschirmten
Leistungstransformalors Ti angeschlossen sind. Es sei bemerkt, daß die Anzeigeeinrichtung auch im Rahmen
eines mehradrigen oder eines mehrphasigen Systems eingesetzt werden kann. Mit den Leitern H und L 2
sind jeweils die Widerstände Zi und Z 2 verbunden. Diese Widerstände stellen die Parallelschaltung kapazitiver
und ohmscher Widerstände gegen Erde in einem praktisch existierenden System dar. Von den Leitern L i
und L 2 führen Verbindungen zu der Anzeigeeinrichtung, d. h. zu der Einheit 1, welche einen MaximalspannürigSucicKtür Sowie GiciCnnci'iici* cuiiiäii. Das ÄüS-
gangssignal der Einheit bzw. des Detektors 1 ist ein Gleichspannungssignal Vref, das eine Aussage über den
Wert der Maximalspannung der Leiter Li oder L2
gegen Erde beinhaltet. Dieses Gleichspannungssignal Vref wird als Steuerspannung für den Betrieb der
übrigen Teile der Anzeigeeinrichtung benutzt; es wird parallel sowohl dem den kapazitiven Anteil als auch
dem den ohmschen Anteil des Stromes auswertenden Meßteil 3 bzw. 5 als Eingangssignal zugeführt. In dem
den kapazitiven Anteil auswertenden Meßteil 3 wird die Steuerspannung Vref dem Vergleicher 7 zugeführt.
Zunächst ist die Spannung Vref das einzige Signal, das
der Differenzvergleichsschaltung 7 zufließt, da noch kein Rückkopplungssignal ansteht. Also gibt die
Schaltung 7 ein Signal gleich der Spannung Vref als Ausgangssignal ab, das einem Integrationsglied 9
zugeführt wird. Bei dem Integrationsglied 9 handelt es sich um einen aufsummierenden Verstärker mit einer
stark verzögerten Verstärkung und mit einem Bereich des Ausgangssignals, der so groß ist, daß im Rahmen der
Rückkopplung bei der Messung die Summe der Eingangssignale nahezu Null wird. Das Integrationsglied 9 erzeugt ein konu/uierliches Anwachsen seines
Ausgangssignals solange an seinem Eingang ein Signal ansteht. Das Ausgangssignal ist also ein Gleichspannungssignal,
in welchem die Größe des Eingangssignals entsprechend der Dauer aufsummiert erscheint. Das
Ausgangssignal des Integrationsgliedes 9 wird dem Eingang eines Vervielfachers 11 zugeführt, der sowohl
als linearer Modulator-Demodulator als auch als nichtlinearer Zerhacker, Stromwender oder irgendeine
andere Torschaltung ausgebildet sein kann. Ebenfalls wird dem Vervielfacher 11 ein 125-Hz-Signal mit einer
90°-Voreilung von einem Zweiphasen-Takt-Generator 2 zugeführt. Das Ausgangssignal des Vervielfachers 11
ist ein Wechselstrorcignal /c, welches den kapazitiven
Anteil des Meßstromes Im darstellt.
Die Schaltkreiselemente des ohmschen Meßteils 5 sind mit dem des kapazitiven Meßteils 3 identisch. Die
Gleichspannung Vref vom Detektor 1 wird dem ohmschen Meßteil 5 als Eingangssignal zugeführt,
genauer gesagt, der Vergleichsschaltung 6. Zunächst sei die Gleichspannung Vref das einzige zugeführte Signa!,
so daß auch hier dieses Signal am Ausgang wieder erscheint. Das erwähnte Ausgangssignal wird einem
Integrationsglied 8 zugeführt, an dessen Ausgang für die Dauer des Eingangssignals ein Signal erscheint. An den
Ausgang des Integrationsgliedes 8 ist der Eingang des nachfolgenden Vervielfachers 10 angeschlossen. Dem
Vervielfacher 10 wird als Taktsignal das Ausgangssignal des Taktgenerators 2, dessen Frequenz wie erwähnt
152Hz beträgt, zugeleitet, und zwar dasjenige des 0°-Ausganges. Die den beiden Meßteilen 3 und 5 vom
Taktgenerator 2 zugeführten Taktsignale haben also eine gegenseitige Phasenlage von 90°. Das Ausgangssignal
des Vervielfachers 10 ist ein Wechselstromsignal, welches den ohmschen Anteil /» des Meßstromes Ui
ίο verkörpert.
Die beiden kapazitiven bzw. ohmschen Komponenten des Meßstromes, die den beiden Meßteilen 3 und 5
entnommen werden, gelangen zu einer Summierschaltung 13. Die kapazitive Komponente wird um den
i> Beirag der Verhältnisse der Frequenz f\t zu /Ό, d.h.
Meßfrequenz zu Betriebsfrequenz, verstärkt. Damit wird berücksichtigt, daß der kapazitive Ableitwide:
stand von einem Meßstrom mit 125Hz durchflossen
wird, während der eigentliche Betriebsstrom 60 Hz
/u uctTagi. Lici ucil'i rvüSgäFigSäigriäi ucT juiTimiCrSCiiüiiüfig
13 sind also die frequenzabhängigen Faktoren hinsichtlich des kapazitiven Anteils des Meßstromes entsprechend
berücksichtigt. Das Ausgangssignal der Summierschaltung wird dann über einen Verstärker 15 mit einem
2r> Verstärkungsfaktor A geleitet. Das Ausgangssignal des
Verstärkers 15 wird dann zu einem großen Widerstand 18 geleitet, und der erzeugte Meßstrom /λ/ist gleich dem
Verstärkungsfaktor A mal der Summe aus ohmscher plus kapazitiver Komponente. In Vektorschreibweise:
Im
wobei j die 90°-Phasenvoreilung bedeutet. Der Meß-
i> strom Im, bei welchem der Einfluß der höheren
Frequenz bereits berücksichtigt ist, erzeugt einen Spannungsabfall Vz, der in Größe und Phase demjenigen
des niederfrequenteren Betriebsstroms entspricht. Das bedeutet, daß die folgende direkte Summierung der
Ausgangssignale des kapazitiven und des ohmschen Meßteils eine Anzeige liefert, welche dem maximalen
Fehlerstrom bei Betriebsfrequenz gleic" ist. Der Meßstrom kann an jedem Punkt des Systems eingespeist
werden. Der Meßstrom Im fließt parallel durch
alle Ableitwiderstände des Systems gegen Erde. Dem Verstärker 19 werden über den hohen Widerstand 20
das 60-Hz-Signal der Speisequelle plus das Signal zugeführt, welches die Spannung Vx repräsentiert und
das durch Fließen des kompensierten Stromes Im durch
die parallelen Ableitwiderstände des Versorgungssystems gegen Erde erzeugt wird.
Der Verstärker 19 hat einen Verstärkungsfaktor ß, und sein Ausgangssignal wird dem Eingang des Filters
21 zugeführt. Das Filter 21 filtert das 60-Hz-Eingangssignal heraus und läßt das 152-Hz-Signal mit einer
Phasendrehung von 45° passieren. Also steht am Filterausgang 21 ein Signal der Größe B- Vy.
<45°. Dieses Signal wird sowohl dem kapazitiven Kanal oder Meßteil 3 als auch dem ohmschen Kanal oder Meßteil 5
zugeleitet Im kapazitiven Meßteil gelangt das Signal insbesondere zu einem Vervielfacher 17, der als
Demodulator arbeitet und dem als Taktsignal das Ausgangssignal des Zweiphasen-Takt-Generator 2 mit
152Hz und einer Phasenvoreilung von 90° zugeführt wird. Das Gleichspannungsausgangssignal des Demodulators
17 wird der Vergleichsschaltung 7 als Rückkopplungssignal zugeleitet. Das zweite Eingangssignal für die
Vergleichsschaltung 7 ist, wie bereits vorstehend
erläutert, die Gleichspannung Vref. Die Differenz zwischen den genannten Eingangssignalen ergibt nun
ein kapazitives Fehlersignal. Dieses Fehlersignal ist das Eingangssignal des Integrationsgliedes 9. Solange nun
das Integrationsglied 9 ein von Null verschiedenes ·-> Eingangssignal hat, verändert sich die kapazitive
Komponente des Meßstromes in ihrer Größe und neigt dazu, den Fehler auf Null zu verringern.
Das Ausgangssignal des Filters 21 gelangt übei eine entsprechende Verbindung auch zu dem ohmschen κι
Kanal oder Meßteil 5, insbesondere zu dem als Demodulator arbeitenden Vervielfacher 16. Das Demodulationssignal
wird von dem Zweiphasen-Takt-Generator 2 erzeugt; es ist ein I52-Hz-Signal mit einem
Phasenwinkel von 0°. Das Gleichspannungsausgangs- i>
signal des Demodulators 16 wird der Vergleichsschaltung 6 zugeführt, der außerdem die bereits erwähnte
Gleichspannung Vref als zweites Eingangssignal dient. Die Differenz der beiden Eingangsspannungen ist ein
uniVisChcs rcl'i'ei signal, weiches als Eingangssignal tu .'ti
dem Integrationsglied 8 gelangt. Solange am Integrationsglied
em von Null verschiedenes Eingangssignal ansteht, ändert sich die ohmsche Komponente des
Meßstromes mit einem ähnlichen Ausgleichseffekt, wie er bereits im Zusammenhang mit der kapazitiven r.
Komponente beschrieben wurde. Der kompensierte Meßstrom, der den Ableitwiderständen parallel zugeführt
wird, ändert sich in Größe und Phase bis ein Spannungsabfall V/mit der richtigen Phase entsteht, der
proportional gleich der Vergle^hs-Gleichspannung ist. κι 'A/enn die Spannung V/, die, wie gesagt, durch das
Fließen des Meßstromes Im in den parallelen Ableitwiderständen
erzeugt wird, proportional gleich der Gleichspannung Vref ist, dann ergibt die direkte
Summierung der ohmschen und der kapazitiven Anteile ν
Ir und /( den Höchstwert des Fehlerstromcs. Die
Ausgangssignale des kapazitiven und des ohmschen Meßteils werden in der Summierschaltung 12 zusammengefaßt.
Das Ausgangssignal der Summierschaltung 12 ist ein Strom in der Form Ir+j U. Dieses
Ausgangssignal wird zu einem Verstärker 14 mit dem Verstärkungsfaktor C geleitet. Der Ausgang des
Verstärkers 14 ist mit einem Meßkreis 4 verbunden, der Gleichrichter sowie ein nicht gezeigtes Fehlerstrommeßgerät
enthält. Der Meßkreis ist so geeicht bzw. t eingestellt, daß der unkompensierte Meßstrom mit einer
festen Konstanten multipliziert wird, wodurch der Spannungsabfall V/ gleich der maximalen Speisespannung
gegen Erde wird. Auf diese Weise zeigt das Meßinstrument den Höchstbetrag des Gesamtfehler- μ
stromes an.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Verbindungen zwischen den Leitern Li und L 2 und dem Detektorkreis
1 auch in anderer Weise ausgebildet sein können, wie dies z.B. in Fig.2 dargestellt ist. Außerdem ist vi
leicht einzusehen, daß in dem Fall, daß das System mehr als zwei zu überwachende Leitungen aufweist, ähnliche
Anordnungen mit entsprechend proportional ausgebildeten Sekundärwicklungen eingesetzt werden können.
Zum Beispiel wird man für ein dreiphasiges Überwa- w> chungssystem einen kleinen zusätzlichen Einphasentrafo
vorsehen, der einen 1/3-Sekundärabgriff in Scott-Schaltung
besitzt; von diesem sind dann die erforderlichen Sekundärspannungen abnehmbar. Es sei auch noch
darauf hingewiesen, daß bei der Wahl der Frequenz des bϊ
Meßstromes Werte gewählt werden können, die kleiner, gleich oder höher als der Wert der Betriebsspannung
liegen.
Fig.2 zeigt ein ausführliches Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform für eine Isolationsüberwachungseinrichtung
gemäß der Erfindung. In diesem Schaltbild sind allerdings solche Widerstände, Kondensatoren
und Vorspannungsnetzteile nicht dargestellt, deren Verwendung und Anordnung jeden- FochMiann
geläufig sind. Eingangsseitig wird die Energie einem Trenntrafo Ti, der eine Primär- und eine Sekundärwicklung
besitzt, zugeleitet. Die nicht geerdeten Leiter L 1 und L 2 führen zu nicht gezeigten Verbrauchern. Die
kapazitiven und ohmschen Ableitwiderstände nach Erde sind zusammengefaßt dargestellt, und zwar durch
Zl zwischen dem Leiter L i und Erde sowie durch ZI
zwischen dem Leiter L 2 und Erde. Die Widerstände Zi jnd Z2 verkörpern jede Kombination von ohmschen
und/oder kapazitiven parallelen Ableitwiderständen der in Frage kommenden Leiter des Energieversorgungssystems.
Die Isolationsüberwachungseinrichtung zeigt den Höchstwert des Fehlerstromes an, und zwar bei
symmetrischen, unsymmetrischen, ohmschen, kapazitiven oder zusammengesetzten Ableitwiderständen. Ein
Transformator mit Mittelabgriff T2 für die Isolationsüberwachungseinrichtung
ist zwischen die Leiter L 1 und L. 2 geschaltet. Dieser interne Trafo T2 ist sehr
klein und hat nur vernachlässigbare ohmsche und kapazitive Ableitwiderstände gegen Erde. Der Trafo T2
besitzt zwei Sekundärwicklungen 51 und 52. Die eine Sekundärwicklung 51 ist mit einer Speisegleichrichterschaltung
60 verbunden, in der die notwendigen Speisegleichspannungen für die Verstärker und Torschaltungen
des Systems erzeugt werden. Bei dieser Gleichspannungsspeiseschaltung handelt es sich um
eine gebräuchliche Schaltung, eine genaue Darstellung und Beschreibung erübrigt sich daher.
ι Der isolierte, nicht geerdete Leiter L 1 führt entspannung
Vl, und der isolierte Leiter L 2 führt eine Spannung V 2 gegen Erde. Wie bereits früher
beschrieben wurde, wird der Höchstwert des Fehlerstromes in demjenigen Leiter gemessen, der die höchste
ι Spannung gegen Erde fühi t, daher muß die größere der
beiden Spannungen Vl und V2 ermittelt werden. Eine Vergleichsgleichspannung Vref, die proportional zur
größten Spannung gegen Erde in den Leitern L I und L 2 ist, wird dann als Steuerspannung zur Erzen; ><ng des
Meßstromes benutzt. Um nun die Steuerspannung Vref zu gewinnen, ist in dem Zweidraht-System gemäß
F i g. 2 eine Sekundärwicklung 52 mit Mittelanzapfung auf dem Trafo T2 vorgesehen. Jede Hälfte der
Wicklung 52 hat ein Windungsverhältnis von 1:12 zur
ι Primärwicklung. Die Mittelanzapfung auf der Primärseite des Trafos T2 ist mit dem hochohmigen
Widerstand 61 und über diesen mit dem Eingang des Operationsverstärkers 62 verbindbar.
Es sei erwähnt, daß die Anzapfungen auf der Primär- und Sekundärseite des Trafos T2 vorzugsweise
Mittelanzapfungen sind, da hierdurch die Spannungsbereiche klein bleiben; natürlich könnte man im Prinzip
auch andere Abgriffe wählen.
Außerdem sei noch erwähnt, daß anstelle des getrennten Trafos T2 auf dem Haupttrafo Ti eine
weitere Sekundärwicklung mit Mittelabgriff möglich wäre. Der Operationsverstärker 62 hat einen Spannungsverstärkungsfaktor
von einem Zwölftel ('/12), und sein Ausgang ist mit dem Mittelabgriff der Sekundärwicklung
52 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 62 ist mit den entgegengesetzten Polaritäten der
Spannungen der Sekundärwicklung 52 verbunden. Die größere der resultierenden Spannungen wird jeweils
mittels der Dioden 6:1 bzw. 64 gleichgerichtet, d. h, es
entsteht eine Vergleichsgleichspannung, «lie proportional gleich der maximalen Spannung gegen Erde in
einem der beiden Leiter L 1 und L 2 ist.
Man sieht, daß dieses Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 keine getrennten Leitungen von den Leitern L 1
und L 2 zum Detektor und zu der Gleichrichterschaltung erfordert, wie z. B. F i g. 1 zeigt. Dieses bevorzugte
Ausführungsbeispiel erfordert weniger Verbindungsleitungen von der Isolationsüberwachungseinrichtung zum
Energieversorgungssystem, die Folge ist demnach auch
ein geringerer Fehlerstrom, der durch die Überwachung selbst verursacht wird. Zudem sind bei dieser Schaltung
auch solche Gleichrichter verwendbar, deren Spezifikation geringere Anforderungen hinsichtlich Spannungsfestigkeit und Fehlerstrom vorsieht.
Wie schon vorstehend erläutert wurde, bestimmt das vektorieüe Verhältnis der beiden Ableitwiderstände
gegen Erde Zl und Z 2 die entsprechenden Spannungen VI und V 2 der Leiter gegen Erde. Diese
Spannungen ergeben als Vektorsumme einen Gesamtbetrag, der gleich der Speisespannung Vs ist. Diese
beträgt üblicherweise 120 Volt bei 60 Hz und liegt an
der Primärwicklung des Trafos 7"2 der Isolationsüberwachungseinrichtung. Für den Trafo wurde ein Untersetzungsverhältnis von l/r. hier r=12, gewählt. Der
Verstärker 62 mit einer Spannungsverstärkung von '/12 ist ausgangsseitig an die gegenpoligen Spannungen der
Sekundärwicklung S 2 angeschlossen, die jede 5 Volt betragen, d. h. ein Zwölftel der 60 Volt, die zwischen
dem Mittelabgriff und der Leitung auf Primärseite des Trafos T2 liegen. Die Spannungen VV und V2'
zwischen dem Mittelabgriff und jeweils einer Leitung auf der Sekundärseitc 52 sind gleich den Leerlaufspannungen Vl und V2 der Versorgungsleitungen gegen
Erde unter Berücksichtigung der Untersetzung von 1:12. Die gesonderte Gleichrichtung der größeren ccr
Spannungen VV oder V2' führt zu der Vergleichsgleichspannung Vref. Die Vergleichsgleichspannung
repräsentiert unter Berücksichtigung des Untersetzungsfaktors von 1 :12 die maximale Spannung gegen
Erde in jedem Leiter LI oder L 2. Der Wert der
Vergleichsgleichspannung Vref ändert sich im Verhält
nis /u vorhandenen Ableitwiderständen gegen Erde von einem Maximalwert in Höh«: der halben Speisespannung mal l/r. d.h. 60 Volt geteilt durch 12 bei
angepaßten Ablcitwidcrständen, bis zum Zweifachen dieses Wertes, also 10 Volt, bei Ableitung in nur einer
Leitung und bei verschiedenen Zwischenwerten: bei sowohl ungleichen Ableitwcrten als auch bei gleichen,
aber ungleichnamigen Ahlen werten. Es sei erwähnt, daß
der Spannungsvergleich nur das Verhältnis der Ablcii
widerstände wiedergibt, das umgekehrte Verhältnis ihrer Leitwerte, in den folgenden Beispielen werden
fiktive Werte des Ableitwiderstandes angenommen und der resultierende Spannungsvergleich entwickelt. Im
talsächlichen Betrieb der IsolationsOberwachungseinrichtung sind die einzelnen Ableitwiderstände der
Leitungen unbekannt und die Isolationsübcrwachungseinrichtung I.IM muß ansprechen, wobei nur die
Leerlaufspannung von 60 Hz gemessen und der zusammengesetzte Ableitwiderstand mit einem 125-Hz-Signal ermittelt wird.
Die Arbeitsweise des obigen Schaltkreises mit einem
typischen Wert von 2 mA für einen durch Ableitung verursachten Gefahrcnslrom wird anhand der nachfolgenden ßeispiclc erläutert:
Ableitwiderstand Z2 in Form eines ohmschen Widerstandes mit der Leitung L 2 und Erde verbunden ist, der
einen Wert von 60 kQ besitzt, dann ist der Gesamiwiderstand 60 kil Also ist die Spannung VI des Leiters
L 1 gegen Erde gleich 120 Volt, während die Spannung
V2 des Leiters L 2 gegen Erde 0 Volt beträgt, da dieser Leiter geerdet ist. Das Ausgangssignal des Verstärkers
62 reflektiert die 60-Volt-Spannung des Mittelabgriffes auf der Primärseite des Trafos T2 und erzeugt also bei
dem angenommenen Verstärkungsfaktor von 1 :12 ein Ausgangssignal von 5 Volt Dieses Ausgangssignal des
Verstärkers 62 in Form einer Spannung von 5 Volt wird dem Mittelabgriff der Sekundärwicklung 52 zugeführt,
so daß sich die Spannung Vl' um 5 Volt erhöht und die
is Spannung V2' um 5 Volt verringert wird. Die
gleichgerichtete Vergleichsgleichspannung Vref über die Diode 63 allein beträgt dann entsprechend dem
Maximalwert 10 Volt Der Höchstwert des Fehlerstromes, der von der Isolationsüberwachungseinrichtung
festgestellt wird, ergibt bei 10 Volt geteilt durch 60 kSl
und multipliziert mit dem Faktor r— 12 den Wert von 2 mA für den einzigen 60-ΊίΩ-Widerstand bei 120 VuIt
Speisespannung.
2r> symmetrische, ohmsche Ableitwiderstände von
Zl =60 kn und Z2 = 60 kn vorhanden, die in Parallelschaltung einen Gesamtwiderstand von Z0= 3OkQ
ergeben. Die Spannung V1 zwischen dem Leiter /. 1 und Erde ist gleich 60 Volt. Die Spannung an dem
Hi Mittelabgriff auf der Primärseite des Trafos 7*2 ist
entsprechend der herrschenden Symmetrie null Volt, also ist auch das Ausgangssignal des Verstärkers 62 null
Volt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 6Z das, wie erwähnt, dem Mittelabgriff der Sekundärseite des
H Trafos T2 zugeführt wird, ist wegen seines Wertes von
0 Volt ohne jeglichen Einfluß auf die gegenpoligen Spannungen VV und V2'. Die über die Dioden 63 und
64 durch Gleichrichtung erzeugte Vergleichsgleichspan nung Vref ist gleich dem halben Maximalwert, d.h. 5
Volt. Man käme im dem gleichen Ergebnis, wenn statt
der ohmschen nunmehr symmetrische, kapazitive Ableitwidcrständc an die beiden Leiter /.I und 1.2
angeschlossen wären. In beiden symmetrischen Fällen mißt die Isolationsüberwachungseinrichtung einen ma
■Γι ximalcn Fehlerstrom, der gleich 5 Voll, geteilt durch
30 kQ des Widerstandes Zn mal r= 12 ist, d. h_ für jeden
Leiter wird ein Fehlcrsirom von 2 mA gemessen.
Wenn nun gemäß F i g. 5{c) zwei unsymmetrische,
kapazitive Ableitwidersländc von z. B. ZX = —j 120 ki2
vi und /2= -jbO kil vorhanden sind.dann ergibt sich ein
Zii = 4Oki2 bei einem Phasenwinkel von -90". Die
Spannung V I des Leiters /. I gegen Erde beträgt 80 Voll und die Spannung V2 des Leiters 1.2 gegen Erde
beträgt 40 Voll, dabei beträgt die Spannungsverschie
>-) bung an dem Mittclabgriff der Primärwicklung des
Trafos T2 20 Volt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 62 mit dem Verstärkungsfaktor 1:12 hat einen
Spannungswert von 1.67 Volt: diese Spannung wird den entgegengesetzt gcpollen Spannungen an der Sekun
M) därwickliing 52 des Trafos 7"2 überlagert, wodurch die
Spannung V 1' = 6.67 Voll und die Spannung V2'=5.33 Volt betragen. Als Vergleichsgleichspannung Vref
erscheint lediglich diejenige mit dem Wert von 6,67 Volt, die über den Gleichrichter 63 ansteht. Der
ι,-, Höchstwert des Fehlcrstroms, der über die Isolationsüberwachungseinrichtung angezeigt wird, errechnet
sich aus dem Wert der Spannung von 6,67 Volt geteilt durch den Wert von 40 kil mal r, dies ergibt einen Wert
von 2 mA für den Fehlerstrom des Leiters L1 zufolge
des Widerstandes ZX
Im Falle von unsymmetrischen, ungleichnamigen Abieilwiderständen, der in Fig.5(d) angedeutet ist,
betrage der Wert des Ableitwiderstandes Zi=-j eokfi, derjenige des Ableitwiderstandes Z2=64k£2,
daraus ergibt sich ein Gesamtwert für 3>=44 kQ mit
einem Phasenwinkel von -48". Die Spannung Vl gegen Erde ist gleich 82 Volt und die Spannung V2
gegen Erde ist gleich 88 Volt Die Spannungsverschiebung am Mittelabgriff der Primärwicklung des Trafos
T2 beträgt 60 Volt mit einer gleichzeitigen Phasenabweichung von -93°. Das Ausgangssignal des Verstärkers 62 hat in diesem Fall einen Spannungswert von 5
Volt, mit einer Phase von -93°. Wenn diese Spannung wiederum an die Mittelanzapfung der Sekundärwicklung S2 des Trafos T2 angeschaltet wird, dann stehen
zwei Spannungsvektoren VV und V 2' an dieser Wicklung, die beide größer sind als im Falle einfacher,
gleichphasiger Symmetrie von gleichartigen Ableiterwiderständen. Die gleichgerichtete Spannung Vref hat
den Wert von 73 Volt Daraus errechnet sich der angezeigte Wert des Fehlerstromes zu 73 Volt geteilt
durch 44 kSl mal r. d. h, ein Fehlerstrom von 2 mA fließt
in Leiter L 2 zufolge des Widerstandes Z i.
Wenn unsymmetrische, gemischte Ableitwiderstände an den Leitern L I und Ll angeschlossen sind, wie z. B.
in F i g. 5(e) gezeigt ist, und die Einzelwerte betragen an
dem Leiter L 1 R 1 =693 kß X1 = -j 120 kQ sowie an
dem Leiter L 2 Λ 2 = 240 kß und X2c=- j 138,6 k£i,
datin ergibt die Rechnung der relevanten Werte:
I
R,
= 16,7- 10" < 60 S;
Y2 = ' + ' = 8,33 · 10 h
< 30 S:
R2 X2
daraus der Gesamtwert
>;, = γ, + Y1 = 24.2 -
und für den Gesamt widerstand
I
wobei
Zn --■ ' = 41.3
< 40 kU.
■ II
Z1 = 6OK < 60 12.
'ι
A2
' I20K «r 30 U.
'2
Z1 + A2 = I75K
< -40 ti.
und dies wiederum führt zu einem Kcihenfehlstrom
/λ· = .. ., - 0.687 < 40 . mA .
Α\ ^ Z2
Die Spannungen der beiden Leiter LI und L 2 gegen
Erde betragen:
Vx =■-- Z1 h = 41,3
< -20 ,
V2 ■■-■ Z2 Ix = 82,6
< 10 .
Daraus ersieht man, daß die Spannung V2 den Höchstwert hat und die vektorielle Addition von
ίο Vl+V2= V$= 120 Volt ergibL Die Spannungsverschiebung am Mittelabgriff der Primärwicklung des
Trafos 7*2 hat einen Wert von
Vn = 60V - V1 = 25,5 V
< -124 .
Das Ausgangssignal des Verstärkers 62 ist ein phasen verschobener Spannungsvektor, demzufolge beide Spannungen Kl'und V2* größere Werte of -rahmen,
als dies bei einem einfachen gleichphasigen und
symmetrischen Ableitwiderstand der Fall wäre, es
ergibt sich ein Zwischenwert der Spannung Vref von 63 Volt Der angezeigte Fehlerstrom ist nunmehr gleich
63 Volt geteilt durch 413 kß mal r, dabei fließt der
Fehlerstrom von 2 mA auf der Leitung L 2 infolge des
niedrigeren Ableitwiderstandes an der Leitung L i.
Die vorstehenden Rechnungen zeigen, daß die Spannung Vref eine proportionale Beziehung zum
Höchstwert einer Spannung eines der beiden Leiter L 1 und L 2 gegen Erde ist die an einem einfachen Abgriff
jo der Versorgungsleitungen abnehmbar ist und zwar
trotz der Komplizität des Ableitwiderstandes.
Die Vergleichsgleichspannung Vref wird als Steuerspannung im übrigen Teil der Isolationsüberwachungseinrichtung genützt und zwar zur Erzeugung eines
Meßstromes Im. Die Spannung Vref wird Integrationskreisen 68 und 69 in dem kapazitiven Meßteil und dem
ohmschen Meßteil zugeführt
In Fig.3 ist eine detaillierte Darstellung der
Integrationskreise 68 und 69 gezeigt von denen jeder
die vier im Zusammenhang mit den Meßteilen 3 und S
erläuterten Funktion durchführt Diese seien noch einmal kurz genannt: Das Umschalten der Vergleichsgleichspannung zur Erzeugung von zwei um 90°
phasenverschobenen Signalen. Unterscheidung von
zwei getrennten, phasenbehafteten Rückkopplungsanteilen, synchrones Filtern, um die Schwingungen der
Speisespannungen aus den Rückkopplungssignalen zu entfernen und schließlich die Regelung des Ausgangssignals jedes Meßieils auf einen solchen Wert, durch den
sich eine genaue Symmetrie /wischen ier Wechselstromkomponente des Rückkopplungssignals und der
Amplitude der Vergleichsgleichspannung Vref ergibt. Diese Vergleichsg'eichspannung Vref gelangt über
einen Widerstand 4t in einen Kondensator 3t im
κ Rückkopplungsweg des Operationsverstärkers 33. In
dem gezeigten Beispiel hat die Vergleichsspannung einen negativen Wert, obwohl auch eine positive
Polarität möglich ware, dann würde «ich bei offenem Schaltelement 39 der Kondemator negativ aufladen. Im
M) gleichen Augenblick, in dem der Kondensator 3t
geladen wird, geschieht dies ebenso bei dem entgegen
gesetzt eingeschalteten Kondensator 37, der ebenfalls im Rückkopplungsweg als Operationsverstärker 33
angeordnet ist. Dieser Kondensator lädt sich auf die
h'» entgegengesetzt gleiche Spannung auf, und /.war
zufolge der GleichspannungsrUckkopplungswirkung des Verstärkers 33 über die Widerstände 43 und 45. die
ihrerseits den Verstärker zwingen, Gleichspanminesiin-
Symmetrien des Ausgangssignals auf Null zu regeln. Der
nichtinvertierende Eingang des Verstärkers 33 ist mit dem gemeinsamen Erdpotenlial über einen Widerstand
47 verbunden. In dem ohmschen Meßteil verursacht die Vergleichsspannung eine analoge Aufladung der Kondensatoren 30 und 36. Das Signal zur Auftastung der
gespeicherten Gleichspannung auf die Kondensatoren 30,36 und 31,37 wird von einem einstellbaren Oszillator
6 mit einer Frequenz von 608 Hz erzeugt, welches den
Plip-Flop-Schaltungen 66 und 67 (Fig.2) zugeführt
wird. Die beiden Flip-Flop-Schaltungen 66 und 67 haben
flberkreuzverbundene »D«-Steuereingänge und liefern durch blockweises Rückwärtszählen aus dem 608-Hz-Taktsignal des Oszillators 65 vier Rechtecksignale von
jeweils 152 Hz, wie in F i g. 4 dargestellt- Der Wert von
152 Hz wurde deshalb gewählt, da er zur wirksamen Demodulation genügend weit von der Betriebsfrequenz
abliegt und außerdem etwas höher liegt, als das mittlere Verhältnis von 5:2 zur Betriebsfrequenz von 60 Hz;
dadurch werden Fehler, die durch die Synchrondemodulation von unerwünschten und durch-Streukopplung
verursachte 6O- Hz-Signale auftreten können, vermieden. So werden aber diese Störsignale, die eine
Zitterfrequenz erzeugen, in der nachfolgenden Meßschaltung ausgefiltert Es sei festgestellt, daß man auch
andere Meßfrequenzen zusammen mit solchen Filtern, die eine notwendige Phasenvoreilung von 45° verursachen, verwenden kann; dies geschieht automatisch,
wenn man die vorbestimmte Meßfrequenz mit den hier gezeigten Filtern anwendet; in den nachfolgenden
Ausführungen wird darauf noch eingegangen.
Die Ausgangssignale der Flip-Flop-Schaltungen 66
und 67 weisen t. ie quadratische Beziehung auf, so daß die Qt- und Qi-(die entsprechet Je Inversion )Signale
den Qt und ζξ exakt 90° voreilen und diese überlappen
(siehe dazu F i g. 4). Die beiden S^roalpaare sind dazu
bestimmt, die Schaltelemente 35,39 und 34,38 synchron
leitend zu steuern. Dieser synchrone Umschahvorgang in den Ruckkopplungswegen der Operationsverstärker
33 und 32 eleminiert im wesentlichen Störeinkopplungen, die bei normalen Vervielfachern auftreten, die aber
auch dann vorhanden sein können, wenn die Umschaltung an den Eingängen von Signalverstärkern mit
hochwertigen FET-Schalt-Transistoren erfolgt Di«
umgekehrte Verbindung oder Operationsverstärker 33 und 32 mit den Kondensatoren 31,37 und 30,36 hat zur
Folge, daß die Verstärker solche Wechselspannung Rechtecksignale an den Ausgängen fahren, deren
Amplituden die gleichen Werte wie der aufgespeicherten Gleichspannung haben. Aber zu diesem Zeitpunkt
liegt kein Ruckkopplungssignal Ober die Koppelkondensatoren 49 und 48 an, nur die Vergleichsgleichspannung Vref ist zur Aufladung der Ruckkopplungskon
deimtoren angeschaltet daher hat das Ausgangssignal der Operationsverstärker 33 und 32 die Form einer
Rechteck-Wechselspannung, deren Amplitude gleich der gespeicherten Gleichspannung ist
Die Operationsverstärker 33 und 32 gemäß Fig.)
arbeiten in identisch ausgebildeten Schaltkreisen als Integratoren zur Erzeugung von Wechselspannungen.
die durch das Taktsignal der Flip-Flop-Schaltungen 66
und 67 synchronisiert werden, und zur Bestimmung der kapazitiven und ohmschen Anteile des 152-Hz-Stromes,
mit dem die Leitwerte der Ableiterwiderstande !wischen Leiter und Erde gemessen werden. Die
relative Größe der Ausgangssignale der Operationsverstärker 33 und 32 werden kompensiert und dadurch wird
die direkte Wiedergabe der verschiedenen relativen
Werte der ohmschen und kapazitiven Stromanteile bei
60 Hz möglich; die daraus gebildete vektorielle Summe stellt dann ein direktes Maß für den auftretenden
Fehlerstrom dar, der bei Betriebsfrequenz zufolge der
s höheren der Leiterspannungen gegen Erde fließt Die
Ausgangswechselspannung des Operationsverstärkers 33 ist eine Rechteckspannung, die dadurch entsteht, daß
im Wechsel jeweils entgegengesetzt geladene Kondensatoren 31 und 37, die in Rückkopplungsnetzwerte
to angeordnet sind, angeschaltet werden; in analoger
Weise gilt dies auch für den Operationsverstärker 32, in dessen Rückkopplungsnetzwerk die Kondensatoren 30
und 36 liegen. Der einzige Unterschied in bezug auf die Ausgangssignale der beiden Operationsverstärker liegt
in deren relativem zeitlichem Verlauf der Umschaltung und in der Amplitudenhöhe. Der gegenseitige zeitliche
Versatz infolge der wechselnden Leitendzustände der jeweils zugehörigen Schaltelementpaare 35,39 und 34,
38 bedingt die wechselnde Polarität des Ausgangssi
gnals des Verstärkers 33. und zwar voreilend derjenigen
des Verstärkers 32 um einen Phasenwinkel von genau 90°. wobei beide Signale die gleiche Frequenz von
152Hz haben. Der so vorhandene gegenseitige
Zeitversatz ist notwendig, damit mit dem Ausgangssi
gnal des Operationsverstärkers 33 die voreilende Phase
des kapazitiven Fehlerstromes und mit demjenigen des Operationsverstärkers 33 der ohmsche Fehlerstrom
gesteuert werden kann; die entsprechende Größe des jeweiligen Ausgangssignals gibt dann Aufschluß über
den zugehörigen Anteil des Fehlerstromes. Die Rechteckausgangsspannungen der Integrationskreise
68 und 69 werden ift der Additionsschaltung 70 zu einem zusammengesetzten 152-Hz-Ausgangssignal vereint
Um aus den Amplituden der Ausgangswechselspannun-
)5 gen der Operationsverstärker, deren Frequenz je
152 Hz beträgt, eine direkte Aussage über die Größe der einzelnen Ableitwertc des Systems bei der
Betriebsfrequenz von 60 Hz ableiten zu können, wird das in der Phase voreilende Ausgangssignal des
Operationsverstärkers 33 in dem Integrator 68 in einem größeren Verhältnis weitergeleitet, verglichen mit
demjenigen des Operationsverstärkers 32 in dem Integrator 69-, dadurch entsteht ein proportional
größerer, voreilender Phasenwinkel des 152-Hz-Meß
stromes, und zwar wegen des kapazitiven Anteils des
Gesamtabteilwertes. Damit wird dann eine Spannungsrückkopplung erzeugt die nach Größe und Phase dem
Fehlerstrom bei 60 Hz entspricht Das oben angespro chene Größenverhältnis entspricht dem Quotienten aus
Die Ausgangssignale des Operationsverstärkers H
und des Operationsverstärkers 32 werden im genannten Verhältnis zueinander addiert und dann dem Opera
tionsventärker 71 zugeführt. Der Operationsverslärker
71 ist mit einem frequennelek liven Netzwerk 72 ausgerüstet dadurch werden durch Filtern Oberwellen
der 152- Hz- Rechtecksignale der Operationsverstärker
32 und 33 unterdrückt. Außerdem werden in dem Netzwerk 72 jegliche Oberwellen der 60-H/ Betriebs
M frequenz ausgefiliert. Das Net/werk hat einen kleinen
Gütefaktor Q. um Demodulationsfehler im Rückkopp
lunpweg m vermeiden, die durch eine lempcraturab
hängige Drift des Phasenwinkels der Kondensatoren
des Resonanzkreises verursacht werden. Zusätzlich
enthält das Netzwerk einen einstellbaren Widerstand
73, mit dem der Übertragungsphasenwinkel genau
abgeglichen werden kann.
wird zur Primärwicklung eines AufwärtsTransformators T, geleitel, in dem es um den Wert 20 vergrößert an
der Sekundärwicklung ansteht und in der Größe vergleichbar mit dem Wert der Betriebsspannung ist
Die Spaiinungsübersetzung des Ausgangssignals des Operationsverstärkers 71 erlaubt die Einschaltung eines
hochohmigen Widerstandes 74, über den der kleine, einstellbare Meßstrom Iu mit der Frequenz 152 Hz in
die Versorgungsleitungen des Systems eingespeist werden kann. Dieser Strom erreicht maximal 6uA,
außerdem dient der Widerstand 74 zur Begrenzung des 60-Hz-Fehlerstrontes in das Netzwerk der Isolations
überwachungseinrichtung auf 4 uA oder weniger. Die 152- Hz-Spannung Vz. die durch den Stromfluß des
Meßstromes /«durch die parallelliegenden Ableitwiderstände nach Erde erzeugt wird, erscheint als Übertage
rungsspannung zum Wert der Leerlaufspannung an dem Mittelabgriff der Primärwicklung des Transformators
TX Diese Spannung wird dann mittels der Operationsverstärker 62 ermittelt und zu den folgenden Schaltkreisen weitergeleitet, wo sie als Rückkopplungsregelsignal
den Operationsverstärkern 33 und 32 der Integrationskreise 68 und 69 wirkt Die Spannung, um velche der
Mittelabgriff des Leistungstransformators 7*2 gegen das Erdpotential schwankt wird dem Operationsverstärker 62 über einen hochohmigen Widerstand 61
zugeführt was nur einen vernachlässigbaren Strom verursacht verglichen mit demjenigen, der über die
sonstige Ableitung des Versorgungssystems fließt Die 60-Hz-Komponente dieser Spannung ist ein Maß der
Unsymmetrie der einzelnen Ableitwerte; wie schon vorher beschrieben wurde, kann der Wert dieser
Spannung zwischen 0 Volt bei Symmetrie und der halben Versorgimgsspanming schwanken, außerdem ist
auch der Phasenwinkel abhängig von der Vektorunsymmetrie der gemischten Ableitwiderstände. Die beträchtlich kleinere Spannung V/ mit der höheren Frequenz,
welche den Spannungsabfall des 152-Hz-Meßstromes an den Ableitwiderständen wiederspiegelt ist der
vorstehenden Spannung überlagert Beide Spannungen erscheinen «ι der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers um den Faktor I zu 12 verkleinert wieder.
Sowohl der Emgangswiderstand 61 als auch der Rückkopplungswiderstand des Operationsverstärkers
62 zur Einstellung des erforderlichen Verstärkungsfaktors (1/12) haben vorzugsweise einen sehr hohen
Widerstanrtswert so daß der Strom & is der Speisequelle
Ober den Operationsverstärker 62 auf wenige Mikroampere begrenzt wird In einem Ausfühningsbeispie!
wurde ein hier nicht dargestellter, zusätzlicher Wechselstromrückkopphmgsweg vorgesehen, um damit die
Verstärker hinsichtlich einer Gleichspannungsdrift zu stabilisieren. Statt dessen kann man aber auch
hochwertige stabilisierte Verstärker zur Erfüllung der genannten Aufgaben benutzen. Das Ausgangssignal des
Operationsverstärkers 62 wird über das ParallelT FiI
ter 76 geleitet dessen Glieder so bemessen sind, daß die
60-H/ Speisespannung, die den größten Teil der Leerlaufspannung bildet die an dem Mittelabgriff der
Primärwicklung des Transformators TX ansteht, eliminiert wird. Die Abtrennung der kleinen 152 H/ Rück
kopplungupanmmg, welche dem Spannungsabfall Vy
des Meßstromes an den Abieilwiderständen des Systems entspricht wird durch vorstehende Maßnahme
erleichtert Die Ausgangsspannung des T-Filters 76 wird
dem Operationsverstärker 77, der eine Verstärkung um den Faktor 30 erzielt, zugeleitet Die Abstimmung der
Verstärkung durch den Operationsverstärker 77 und
auch die nachfolgende, gesamte Rückkopplungsverstärkung zur Erzeugung des Meßstromes geschieht mit
Hilfe des Widerstandes 7& Der Widerstand stellt daher auch den Abgleichwiderstand für das Anzeigeinstru-■5 ment der Isolationsüberwachungseinricntung dar. Das
parallele T-Filter 76 zur Sperrung der 60-Hz-Komponente verursacht außerdem eine Phasenvoreilung von
rund 60° bei der Weiterleitung des 152-Hz-Signals.
Diese 60° -Phasenvoreilung der Spannung K?gegenüber
ίο dem Meßstrom über die Ableitwiderstände wird durch
die Wirkung des Rückkopplungskondensators 79 am Ausgang des Operationsverstärkers 77 auf den Wert
von 45° reduziert Das ergibt den notwendigen Ausgleichseffekt bei der Demodulation der Rückkopp
lungsregelanteile für die beiden Verstärker 33 und 32
über den gesamten Bereich der gemessenen Ableitung, also auch von rein kapazitiven zu rein ohmschen
Anteilen. In ihrer Funktion zur getrennten Regelung der
kapazitiven und der ohmschen Anteile steuern die
Operationsverstärker 33 und 32 die Größe und die
Phase des Meßstromes und ermöglichen es so, daß die
Phase und Größe der Gesamtableitung des Systems entsprechend angepaßt werden. In dieser Betriebsweise
wird die Rückkopplung des festgestellten Spannungsab-
>> falls K?proportional zur Größe der Vergleichssp^nnung
Vref und ungeachtet der Art der Ableitung konstant in Phase gehalten.
Daher liegt die erforderliche Phase des Rückkopplungssignals notwendigerweise mitten zwischen den
jo beiden um 90° verschobenen Phasen der Ausgangssignale der Operationsverstärker 33 und 32» so daß jeder
Operationsverstärker 33 und 32 eine Cosinuskomponente des Phasenwinkels demodulieren kann und sie
den annähernd gleichen Vergleichsstrom entgegenset-
n zen kann. Der Abgleichwiderstand 73 im Filterkreis des
Verstärkers 71 erlaubt eine exakte Feinabstimmung der erforderlichen Phase.
Das verstärkte 152- Hz- Rückkopplungssignal des vom
Ableitwiderstand abhängigen Spannungsabfalles V> mit
der 45°-Phasenverschiebung ist am Punkt 75 in Fig.2
abnehmbar, sie wird über die Gleichspannungsabblockkondensatoren 49 und 48. die einen niedrigen Widerstand haben, den Operationsverstärkern 33 und 32 zur
getrennten Regelung der Rückkopplung zugeführt In
« jedem der beiden Operationsverstärker wird der
Rückkopplungswechselstrom, der über seinen zugehörigen Eingangswiderstand fließt und der unter der
Wirkung des Verstärkers zu den Kondensatoren 31,37 und 30, 36 gelangt, synchron gleichgerichtet oder
vt phasendemoduliert, und zwar in zwei gegenpolige
Gleichströme, von denen jeder gleich dem Gleichrichtwert einer HalbweKe des Phasenanteils des Rückkopp
hingsstromes ist der mit seiner Umschaltung synchronisiert ist
v, Du nicht in Phase befindliche Komponente an jedem
Verstärker hat gleichgerichtet einen Mi'telwert von Null und wird statt dessen von dem jeweils um 90°
phasenversetzt arbeitenden Verstärker gleichgerichtet. Bei genauer Wahl der Polarität und Phase des
M Rückkopplungssig"als stehen diese Ströme den Ladeströmen, die durch die Vergleichsspannung Vref
hervorgerufen werden, entgegen und führen damit zu einer Begrenzung der Verstärkerausgairgssi'gnale auf
getrennt geregelte Werte. Im stabilen Regelzustand hat
jede der synchron gleichgerichteten Stromkomponenten, die als geregelt Rückkopplungssignale jedes der
Verstärker entstehen, einen Wert, der gleich ist dem Gleichrichtwert der AusganessDanniine des Ooera-
tionsverstärkers 77 multipliziert mit dem Cosinus des Phasendifferenzwinkels zwischen seiner eigenen und
der Phasenlage der jeweiligen Umschaltung des Verstärkers und geteilt durch den Wert des Eingangswiderstandes des Verstärkers. Jeder der beiden
Verstärker regelt vorstehenden Wert automatisch so, daß ein entgegengesetzt gleich großer Wert, bezogen
auf den Vergleichsgleichstrom, erhalten bleibt, welcher seinerseits durch die Differenz zwischen dem Wert der
Spannung der Vergleichsspannungsquelle und derjenigen des geladenen Kondensators, dividiert durch seinen
Widerstand, bestimmt ist. (ede Abweichung in dieser
Differenz hat eine kräftige verstärkerseitige Korrektur des Ausgangssignals zur Folge. Dies beruht darauf, daß
ein kleiner Wechselstrom, der an die Wechselspannutigsklemme eines Schalters gelegt wird, eine Gleichspannung erzeugen kann, die ihrerseits einem Gleichstrom entgegenwirkt, der zu einem Anschluß eines
Kondensators geleitet wird. Die Größe dieser beiden enigegeiisieiienuen Signale heben sich im Kondensator
auf, und sie können soweit wie notwendig vergrößert werden, um das erforderliche Rückkopplungsregelsignal zu erhalten, ohne daß damit eine extreme
Auslenkung der Kondensatorspannung verbunden ist. Die Spannung des geladenen Kondensators stellt den
Integrationswert der Differenz zweier entgegenstehender Signale dar. Die Integratoren 68 und 69 enthalten
die Operationsverstärker 33 und 32, in diesen wird ein genauer Vergleich der Größe des Stromes durchgeführt, der entsprechend der Spannung V>
entsteht, wobei allerdings zu erwähnen ist, daß wegen der Reihenschaltung des Eingangswiderstandes und des
Kondensators des Operationsverstärkerkreises in bezug auf die Vergleichsspannung der Strom nicht ganz
exakt seine Proportionalität bezüglich der Größe der Vergleichsspannung beibehält, da jeder etwas absinkt,
wenn die Ladung des Kondensators steigt
Wenn man also keine zusätzliche Spannungskompensation vorsieht, dann würde ein genauer Vergleich des
Gesamtspannungsabfalls, der durch den Meßstrom in den Ableitwiderständen entsteht, mit der Vergleichsgleichspannung, die das Kennzeichen für genaue
Steuerung der getrennten kapazitiven und ohmschen Meßstromanteile sein soll, zu Fehlaussagen führen.
Wenn demnach im System ein rein ohmscher Ableitwiderstand vorhanden wäre und nur mit Bezug auf das
Ausgangssignal des Operationsverstärkers 32 allein gemessen würde, dann wäre zwar die Größe der
ohmschen Rückkopplungsspannung, die durch Demodulation des Ausgangssignals mit voreilender Phase des
Operationsverstärkers 77 entsteht, genügend groß sein,
um zu einer Symmetrierung mit dem Vergleichsstrom zu gelangen, der zufolge der Spannung V ref in Richtung
der geladenen Rückkopplungskondensatoren des Operationsverstärkers 32 fließt, aber er würde nicht groß
genug sein, um den größeren Strom auszugleichen, der zufolge der gleichen Vergleichsspannung Vref zu den
ungeladenen Kondensatoren des Operationsverstärkers 33 mit der exakten 45° -Voreilung fließt.
Der Operationsverstärker 33 würde in diesem geschilderten Fall ein falsches Teilsignal mit voreilender
Phase erzeugen, ur: seine Symmetrie zu erlangen; die
Folge wäre eine weitere über 45° hinausgehende Voreilung. Ähnlich würde eine alleinige Messung einer
rein kapazitiven Ableitung mittels des Operationsverstärkers 33 allein zu falschen Ergebnissen führen, d. h. in
diesem Faiie würde falscherweise am Ausgang des Operationsversiärkers ein Signal mit nacheilender
Phase entstehen. Diese falschen Ausgangssigna Ic könnte man durch Vergrößern der Verstärkung von
anderen Verstärkern wieder korrigieren, z. B. der Operationsverstärker 62 und 71, dann könnten die
Betriebswertc der Operationsverstärker 33 und 32 in bezug auf die Vergleichsspannung niedriger liegen und
eine Phasenabweichung würde nicht zu merklichen Fehlern bei dem Gesamtmeßergebnis im Falle rein
kapazitiver oder rein ohmscher Ableitwiderstände ίο fahren. Allerdings würde im Fall der Messung von
gemischten Ableitwiderständen in dem Versorgungssystem ein Ergebnis angezeigt, das als Summensignal aus
den Ausgangssignalcn der Operationsverstärker 33 und 32 bedeutend kleiner wäre. In dem hier benutzten
r, Ausführungübeispiel wird der Meßfehler dadurch kompensiert, daß man den in der Phase nacheilenden
ohmschen .Signalanteil mit einer geringen Voreilung versieht, bevor er mit dem kapazitiven Signalantcil
vektoriell vereinigt und zu dem Operationsverstärkci 82
nt gcicfici wiiii. Die Kuiupensaiiunsari sieht man an der
Zuschaltung des Kondensators 80 in Reihe mit dem Summierwiderstand 81, der den ohmschen Anteil zu
dem Operationsverstärker 82 weiterleitet
Eine andere, mehr direkte Kompensation für den 2r>
Abfall des Vergleichsstromes, der durch Kref erzeugt
wird, mit einer Anhebung der Ausgangssignalc der Operationsverstärker 33 und 32 könnte darin bestehen,
daß man eine kleine, proportionale Rückkopplung der Ausgan^wechselspannung jedes Verstärkers einführt
und diese als Verschiebung hinsichtlich der normalerweise geerdeten, nichtinvertierendcn Eingangsverbindung wirkt. Die anteilige positive Rückkopplung ist im
gleichen Maße wirksam, wie das Verhältnis aus ohmschem Widerstand der Eingangswechselstromqucl-Ie und der Summe aus diesem Widerstand plus dem
Widerstand der Vergleichsspannungsquellc. Jeder der Operationsverstärker 33 und 32 ist dann gezwungen,
einen zusätzlichen Anteil des umgeschalteten Eingangswechselstromes zu ziehen, der genau den Verlust
kompensiert, der bei dem Vergleichsgleichstrom durch einen entsprechenden Spannungsrückgang entsteht. Bei
dieser Kompensation arbeiten beide Operationsverstärker als echte integrierende Spannungsvergleicher,
wobei jeder unabhängig jeden Symmetriefehler bei dem 4> Größenverhältnis von seinem phasendemodulierten
Spannungsaiiteil der Rückkopplungswechselspannung zu der Spannung der Vergleicnsspannungsquelle ermittelt und mit einer Zeitverzögerung einen vollen
Ausgleich bei der betreffenden Stromkomponente so durchführt, wodurch der VergFeichsfehler ungeachtet
des Ausgangssignalwertes Null wird. Die positive Spannungsrückkopplung kann durch eine Verbinc/ung
zwischen dem Ausgang jedes Operationsverstärkers zu seinem geerdeten, nichtinvertierenden Eingang in Form
eines Widerstandes erreicht werden.
Das Spannungsrückkopplungsverhältnis, das oben
definiert wurde, könnte theoretisch leicht vergrößert werden, um dadurch auch andere, kleine Gegenkopplungen der Operationsverstärker 33 und 32 auszugleibo chen. Diese Gegenkopplungen sind Wechselstromgegenkopplungen über die Gleichspannungsstabilisierungswiderstände, die durch die Eingangskondensatoren nicht völlig kurzgeschlossen sind und wegen der
fehlenden unendlichen Verstärkung der Operationsverb5 stärker entstehen. Allerdings ist die zusätzliche Einstellung und Kompensation unbedeutend und praktisch
nicht notwendig.
Weise hinsichtlich der Spannungsruckkopplung kompensiert sind, dann halt du ihnen zugeführte Signal im
allgemeinen seinen Phasenwinkel exakt in der Mine zwischen den beiden um 90° verschobenen Umschaltphasen. außerdem bleibt es konstant proportional in der s
Größe bezüglich der Vergleichsspannung. Wenn das Rückkopplungssignal so eingestellt ist. daß die notwendige 45°-Voreilung entsteht, dann hat der an der
Speii^uelle anstehende Spannungswert bei ohmscher
Belastung einen Phasenwinkel von null Grad. Also. unbeachllich der parallelgeschalteten Ableitwiderstande sorgt der Operationsverstärker 32 ddlür. daß der
genaue Wert des erforderlichen ohmschen Stromanteils
vorhanden ist und der erforderliche Phasenwinkel von Null (irad des Spannungsabfalls an den ohmschen π
Teilen des Gcsamtableifwiderslandes eingehalten wird: andererseits sorgt der Operationsverstärker 32 für das
Vorhandensein der W-Voreilungskomponente des Stromes bezüglich der kapazitiven Widerstände bei der
givienen Spannung; iiabei isi der Ausgangswen m
hinsichtlich der erforderlichen Korrektur wegen der bO Hz beeinflußt, beide Ausgangssignale der Operationsverstärker behalten ihren Proportionalitätsfaktor
bezogen auf die Verglcichsspannung bei.
Wenn die Weiterleitung des Phasenwmkelsignals im ?i
Rahmen der Messung des Ableitwiderstandes bezüglich der Einhaltung der Phasenvoreilung von 45° genau
eingestellt ist. geben die senkrecht aufeinanderstellenden 152-Hz-Ausgangssignale der Verstärker 33 und 32
zusätzlich zu den 152-Hz-Anteilen ohmscher und κι
kapazitiver Art ein direktes Maß der ohmschen und kapazitiven Anteile, bezogen auf die 60-Hz-Ableitwiderstände. Wenn demnach der Spannungsabfall V/.
der durch den Stromfluß des Meßstromes durch die Ableitwiderstände verursacht wird, proportional zu der r>
größeren der Leiterspannungen gegen Erde bleibt, dann sind die entsprechenden Ausgangswerte d«:r Operationsverstärker 33 und 34 proportional den Maximalwerten des Fehlerstromes ihrer entsprechenden Komponenten. Eine Kombination der Ausgangssignale der
Operationsverstärker 33 und 34 führt zu einer vektoriellen Addition ihrer Anteile als 152-Hz-Signal,
das durch den Operationsverstärker 82 verstärkt wird. Dessen gleichgerichteter Ausgangswert des Stromes,
der von dem Gleichspannungsanzeige-Instrument 83 angezeigt wird, gibt Auskunft über den maximalen
Fehlerstrom bei 60 Hz. In dem Rückkopplungsnetzwerk des Operationsverstärkers 82 ist ein Bandpaßfilter für
152 Hz mit hoher Güte Q eingeschaltet, die Drift des
Phasenwinkels ist bei der Ausbildung der Schaltung kein bestimmender Faktor. Die erhöhte Filterschärfe dient
zur Verminderung von Fehlern, die durch unerwünschte Gleichrichtung eines 60-Hz-Signals sowie höherer
Harmonischer des 152-Hz-Meßsignals entstehen könnten.
Zusätzlich zu der Anzeige auf dem Meßinstrument 83 besitzt die Isolationsübenvachungseinrichtung einen
Höralarm- und einen Sichtalarmschaltkreis. Der Verstärker 85 arbeitet als Differenzverstärker ohne
Gegenkopplung, sein Invertereingang ist mit einer t>o
positiven Vorspannung verbunden, die an einem Spannungsteiler mit den Widerständen 86 und 87
abgegriffen wird; dadurch wird das negative Ausgangssignal beim Ausbleiben eines Fehlerstrommeßsignals
sicher aufrechterhalten. Dieses Ausgangssigna] dient b5
zur Anschaltung der grünen »Sicher«-Anzeigelampe und zur Sperrung des Abfalls des Relais R. Wenn der
gemessene Fehierstrom über die vorbestimmten zwei
Milliampere ansteigt, dann wird an dem komplementären, nicfctjnvertierenden Eingang des Verstärkers 89
eine solche Spannung wirksam, daß am Ausgang ein volles positives Signal entsteht. Bei diesem positiven
Ausgangssignal des Verstärkers 85 fallt das Relais R ab. so daß seine Ruhekontakte den Alarmkreis schließen,
die rote »Unskherw-Anzeigelampe leuchtet auf, und
gegebenenfalls wird noch ein getrenntes akustisches Warnsignal eingeschaltet Durch die Hinzuschaltung
einer Rudckopphingsschleife zu dem Verstarker 85
kann ein einmal ausgelöster Alarm so lange aufrechterhalten werden, bis der Fehierstrom unter den Gefahren
wert von 2 mA absinkt, dann wird auch das intermittic
rcndc Tonalarmsignal abgeschaltet.
Eine negative Klemme des Fehlerstrommeßinstrumentes 81 ist an einen Bezugs-Erdungspunkt angeschlossen, also an einen von der übrigen Erdverbindung
getrennten Punkt. Ein Stromfluß, der zu einer Gefahrenanzeige auf dem Meßinstrument führen soll,
πιιΐδ aiso über beide Erdverbindungen iiieBen. Wenn
eine der beiden Erdverbindungen fehlerhaft wird, was normalerweise einen unbemerkten Ausfall des An/ei
^instrumente* 83 verursacht hätte, dann sorgt eine 12-Volt-Quelle V+ für einen 12-mA-Hilfsstrom.
der Ober einen Vorwiderstand 88 fließt. Dieser Widerstand 88 liegt normalerweise im Nebenschluß,
wird aber dann wirksam, und über ihn lädt sich ein Kondensator 89 auf. es wird Alarm ausgelöst Die
Kombination der beiden Zustände »Alarm«, aber ohne Anzeige eines Fehlerstromes durch das Instrument,
wird als Warnsignal für einen Fehler im Meßsystem ausgewertet.
Die Prüfung der Isolationsüberwachungseinrichtung
auf ihre Betriebsbereitschaft kann durch einen Benutzer jederzeit durchgeführt werden, durch Drücken eines
Testschalters 90. Bei dieser Schalterbetätigung trennt der Ruhekontakt die Meßverbindung der Widerstände
61 und 74 zum Mittelabgriff der Primärwicklung des Transformators T2 auf. Der Arbeitskontakt des
Schalters 90 verbindet numehr den Widerstand 92 mit der Meßverbindung der Widerstände 61 und 74, und
dadurch entsteht ein fester Ableitweg als Testverbindung. Die Testverbindung ist so ausgelegt, daß der
fließende Fehlerstrom sicher über der Anspruchschwel-Ie liegt und ein Alarm ausgelöst wird. Beim Loslassen
des Testschalters 90 kehrt die Anlage in ihre normalen Betriebszustand zurück. Davon abweichend könnten
auch zwei Ruhekontaktsätze verwendet werden, bei deren Testbetätigung die Erdverbindungen der Anzeigeeinrichtung anstatt der Verbindung zum Transformator aufgetrennt würden.
Die Filterung des Ausgangssignals des Operationsverstärkers 82 ist bei normalerweise auftretenden
Störungen der Speisespannung ausreichend. Trotzdem kann man zusätzliche Filterkreise zur Sperrung von
Oberwellen vorsehen und dadurch die Beeinflußbarkeit der Anzeigeeinrichtung noch weiter vermindern. Eine
solche nicht übliche Beeinflussungsquelle könnte z. B. ein Dimmer mit Phasenanschnittssteuerung sein, über
den z. B. die Helligkeit einer Lampe gesteuert werden soll, aber auch andere Verbraucher mit einem solchen
Dimmer sind an dem Versorgungsnetz möglicherweise angeschlossen. Wenn die normalerweise vorhandene
Ableitung des Versorgungsnetzes sonst ziemlich niedrig ist, so verursacht die Ableitkapazität eines entsprechend
geerdeten Licht-Dimmers den wesentlichen Teil des Gesamtfehlerstromes. Das breite Spektrum von Oberwellen auf den Leitungen, das durch einen phasenan-
schnittgesteuerten Dimmer zur Verminderung des
Gefifesffomes erzeugt wird, »fort die durch die
Anzeigeeinrichtung demodufierte Spannung erheblich.
Die Störspannungsabweichungen passieren das 60-Hz-T- Tiller 76 und sind genügend groß, den Operationsverstärker 77 in die Sättigung ze steuern sowie aber den
Operationsverstärker t2 zu einer falschen Alarmanzeige zu führen. Das Anwachsen des angezeigten
Fehlerstromt.* ist noch erträglich, wenn die Obrige
passive Ableitung des Systems niedrig ist oder wenn dfe
komrmitierten Rflefcfcoppfcondensatoren verkleinert werden, um ein schnellere*. Ansprechen der
Anzeigeeinrichtung zu erreichen. Um solche Fehler zu verringern, kann man einen Sperrkreis (nicht gezeigt)
zuschalten, der einen kleinen Anteil des Ausgangsstgnals des Verstärkers 77 über ein Bandpaßfiher leitet
und der dann an den Additionspunkl für die Rückkopptungsanteite des Operationsverstirkers 82
angelegt wird
Kapazität gegen Erde einschaltet, dann können Gteichspannungseinschwingwerte erzeugt werden, welche die Größe des 152-Hz-MeBsignals erreichen. Beim
Auftreten solcher Einschwingstörgrößen können diese demoduliert werden und gefangen über den Operationsverstärker 62 zu dem parallelen T-Filter 76. Nach
entsprechender Verstärkung in dem Operationsverstärker 77 verursachen die Störungen plötzlich ein
abnormes Anwachsen oder Nachlassen der Ladung der Kondensatoren, die hn Rücfckopphmgsweg des Integratorkreises angeordnet sind. Dies hängt ab von der
gleichzeitigen Betätigung der Schaher mit der Meßfrequenz.
Diese Ladungen können den jeweiligen Meßwert der
kapazitiven und der ohmschen Anteile des Meßstromes
mit der zugehörigen Integrationsverzögerung zeitlich vergrößern oder verkleinern. Zwischenzeitlich kann das
abnorme Anwachsen oder Vermindern der Ausgangssignale des Operationsverstärkers 82 in Abhängigkeit
von der durch die Kommutierung der Ladungen entstandenen Wechselstromsignale eine Sekunde anhalten, was dann zu ester Fehlanzeige und zu einer
Fehlauslösung des Atar5itretses führt Eine Vergrößerung der Kapazitätswerte der Kondensatoren in den
Rückkopplungszweigen der Operationsverstärker, die den Integrator bilden, würde zwar die Empfindlichkeit
gegen die Gleichstromeinschwingvorgänge vermindern, aber gleichzeitig würde die Ansprechzeh bei normalen
Werten stark verlängert. Um die Gefahr der Störung durch Einschwingvorgänge bezüglich der Auslösung
von Falschalarm zu vermindern, kann man eine vorübergehende Sperrung des Verstärkers 85 erreichen,
die bei allen plötzlichen Änderungen des Fehlerstromes diesen folgt. Dies wird dadurch bewirkt, daß man die
plötzlichen Spannungsanstiege dem gleichgerichteten Fehlerspannungsausgangssignal des Operationsverstärkers
82 hinzuaddiert; dies geschieht über einen Kondensator 94 mit kleiner Zeitkonstante und eine
Diode 96. Dadurch wird das Ansprechen des Differenzverstärkers 85 mittels eines zeitlich begrenzten
Ansteigens des Spannungswertes an seinem Eingang mit umgekehrter Polarität verhindert Durch Einschaltung
einer zweiten Diode wird das Ansprechen auf entgegengesetzte Vorgänge verhindert, die im Zuge
von Überschwingungen auftreten können. Die Fehlbetätigung des Verstärkers 85 und die nachfolgende
Auslösung des akustischen Alarms im Rahmen der Betätigung eines leistungsstarken, hochfrequenten
StromstoBgerätes kann dadurch verhindert werden, daß man die Dioden, wie oben beschrieben, mit einem Draht
verbindet, der m nicht gezeigter Weise lose mit dem SpeisequettenanscMuft der Leitung koppelt Die durch
> greifenden, durch Strahlung wirkenden Felder, die von
dem Siromsto8gerit erzeugt werden, können den
Schaltkreis der Anzeigeeinrichtung mit unerwünschten, demodulierten Signalen aussteuern. In diesem Fall wird
der Alarm zehweise abgeschaltet, da der Verstärker von
m der direkt zugeleiteten Hochfrequenzleistung beeinflußt
wird Außerdem kamt das Meßinstrument ungedämpfte Schwingungen ausfahren, die durch ungewollte Demo
dulatton der in dem Schaltkreis eingestrahlten Leistung
verursacht werden. So kann also der Benutzer auf eine
Pi. unvermeidbare, zeitweise Unterbrechung der normalen
Betriebsweise der Isolationsüberwachungseinrichuing
aufmerksam gemacht werden, ohne daß dadur h entfernt angeordnete Alarmstellten in Betrieb gesei/t
werden.
wohl mit symmetrischen als auch mit unsymmetrischen
AMettwiderständen gegen Erde. Im symmetrischen
Zustand mit gleichen, angepaßten Ableitwiderständcn nach Erde, die an den beiden Leitern L I und L 2
r\ angeschlossen sind, die z. B 60 kil ohmscher Wider
stand und 0,044 mF kapazitive Last betragen mögen und
damit auch gleiche, gemischte Kombinationen, die die
gleiche Vektorlänge aufweisen, wird in jedem der beiden Leiter ein Fehlerstrom von 2 mA fließen, und die
m Spannung an dem Mittelabgriff der Primärwicklung des
Transformators 72 ist gleich Null Volt. Aus diesem Grunde ist auch die Komponente, die in der
Ausgangsspannung des Operationsverstärkers den 60-Hz-Leiterspannungsanteil bei Unsymmetrie anzeigt
Γ) Null; die Vergleichsspannung, bezogen auf die Spannungen an der Sekundärwicklung 52 des Transformators
TX ist auf ihrem Mindestwert von etwa 5 Volt.
Im Falle einer gleichen 60 Mi ohmschen Last an
beiden Leitern LX und L 2 sorgt die steuernde
m Vergleichsspannung dafür, daß der Operationsverstärker 32 in dem ohmschen Meßteil oder Meßkanal 5 einen
Strom mit Null-Grad-Phasenwinkel erzeug*
Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 32 steigt ebenso wie die Ladung der Kondensatoren 30 und
36 so lange an, bis der demodulierte Cosinusanteil der 45
Grad voreilenden Rücfckopphingsspanming den ohmschen Meßstrom durch die Gesamtanordnung der
paraffef gegen Erde geschatteten Abteitwiderstände
fließen läßt, der bei einem Gesamtwiderstand von 30 kii
W exakt entgegengesetzt gleich dem Strom ist, der durch
die Vergleichsgleichspannung Vref erzeugt wird. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 33 in
dem kapazitiven Meßkreis wird auf Null Volt gehalten, da hier die Cosinuskomponente der 45 Grad voreilenden
Rückkopplungsspannung einen Strom erzeugt, der genau entgegengesetzt gleich dem Strom ist, der von
der Vergleichsspannung Vref erzeugt wird Jeder plötzliche, vorübergehende Anstieg des Ausgangssignals
des Operationsverstärkers 33, z. B. als unmittelba-
re Folge der Anschaltung von ohmschen Widerständen gegen Erde, ruft ein starkes Korrektursignal mit
voreilender Phase zusätzlich zur Rückkopplungsspannung hervor; dadurch wird der Operationsverstärker
zurück auf Null geregelt, während die wahre Messung ohmschen Meßteil nur vorübergehend beeinflußt
wird. Das Ausgangssignal des ohmschen Meßteils 5, das zu dem Operationsverstärker 82 geleitet wird, zeigt
dann proportional den Betrag des 60-Hz-Fehierstromes
an, (fir sowohl m der Leitung LI ab auch in der Leitung
12(KeBt.
Wenn eine symmetrische Belastung kapazitiver Art im Wert von O1OMpF, dei bei 60Hz anafcg einer
ohmschen Belastung nth 60 M2 an beiden Leitungen L I
und L 2 ist vorhanden ist dann wird der MeBstrom
durch die Ausgangsspannung mit der voreilenden Phase
des Operationsverstärkers H im kapazitiven Meßleil 3
erzeugt, der aber im Verhältnis Meßfrequenz Λ* zu
Betriebsfrequenz & verstärkt wird Der verringerte
Wert des kapazitiven Widerstandes, bei dieser Frequenz und bei der 90° nacheilenden Phase, erzeugt eine
Rückkopplungsspannung, die die gleiche Größe und die gleiche Nullphase besitzt, wie diejenige, die von
Operationsverstärker 32 im Fall ohmscher Belastung *ur Regelung beider Verstärker erzeugt wurde. Die
Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 33 steigt nun so lange an, bis der demodulierte Anteil des
Rikrkkopphingsstgnais, beeinflußt von der Kompertsa-
ι >
tn/tr \n.i .jtfwnm ifni1 «iftg. entgegengesetzt gran.»
der Vergleichsspanmmg Vref ist. Das Ausgangssignal
des kapazH.ven Meßteib 3. das zu dem Operationsver
stärker 82 ohne Kompensation übermittelt wird, entspricht dem Wert des 60-Hz-Fehlerstromes jeder
Leitung.
Im Falle, daß symmetrische gemischte Ableitwiderstände an den beiden Leitern wirksam sind, wobei die
kapazitiven und ohmschen Anteile gleich sein mögen, führen die Operationsverstärker 33 und 34 zusammengehörige Ausgangssignale mit ^ner solchen Ausgangsipannung. die entgegengesetzt g'eich der Vergleichsspannung Vref ist Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 33 ist um den Faktor imfh größer als
dasjenige des Operationsverstärkers 32 und zeigt den Betrag des 60- Hz-Stromes mit voreilender Phase an, der
notwendig Bt die 125-Hz-Spannung über den kapazitiven Ableitwiderständen aufrechtzuerhalten, während
der Operationsverstärker den Nuil-Phasen-Strom zur Erzeugung der gleichen Spannung über den ohmschen
Ableitwiderständen führt Proportionale Anteile der Kompensation der Ausgangssignale dienen dazu, die
demodulierten Rückkopplungssignale insofern zu berichtigen, als ihr Vergfeichsstrom mit dem Ausgangssignal absinkt; dadurch bleibt die 45° -Phasenvoreilung
und die Trennung der Anteile aufrechterhalten. Die vektorielle Summe der Ausgangssignale der Operationsverstärker 33 und 32. die zu dem Operationsverstärker 82 gefettet wird, entspricht dem Höehslwef t des
möglichen Fehlerstromes infolge der vorliegenden symmetrischen Ableitwiderstände.
Die Isolationsüberwachungseinrichtung arbeitet aber
auch unter unsymmetrischen Ableitbedingungen und zeigt den Höchstwert des Fehlerstromes an. Wenn man
also einen der obigen Ableitwiderstände wegnimmt, so daß der 2-mA-FehIerstrom nur noch für einen Leiter
gilt, dann wird die Spannung des anderen Leiters im Erdungsfall null Volt und die Spannung an dem
Mittelabgriff wird gleich der halben Speisespannung. Der Anteil des 60-Hz-Ausgangssignals des Operationsverstärkers 62, in Kombination mit dem Spannungsanteil an der Sekundärwicklung 52 mit der gleichen
Polarität, führt zu einer Vergrößerung der Vergleicl >-spannung auf 10 Volt Obwohl also der Gesamtbetrag
des Systemwiderstandes ansteigt bleibt der erzeugte MeBstrom in gleicher Größe erhalten; dies rührt daher,
daß er durch den doppelten Widerstandswert des einzigen Ableitwiderstandes fließt, daher entsteht der
doppelte Betrag des Spannungsabfalles der Rückkopplungsspannung V/, wodurch der Kumpensationszusfand
bezüglich der doppelten Vergleichsspannung Vref erhalten bleibt
Wenn man nun aber einen der Ableitwiderstände teilweise kleiner macht dann ergeben sich proportionale Änderungen bezüglich der Verglcichsspannung Vref
und des Spannungsabfalles V>, demzufolge bleibt der MeBstrom wiederum gleich, und es wird der ungeänder-Ie Fehlerstrom angezeigt
Im Falle, daß sich die Ableitwiderstände in ihrer Art
unterscheiden, wobei z. B. die eine der Leitungen L I und 1.2 nur einen ohmschen und die andere nur einen
nSpSZitiVCn AtricrtWiuerStänu hat Von denen jeuci'
einen Wert von 6OkD besitzt, dann ergibt die vektorielle Addition ebenfalls den für beide Leiter
gültigen Fehlerstromwert von 2 mA. Die senkrecht zueinander stehenden Widerstandswerte führen da^u,
daß die Spannung an dem Mittelabgriff gleich der Hälfte der Speisespannung wird und einen Phasenwinkel von
W hat und jede der Leitungen hat eine Leerlaufspannung gegen Erde, die gleich O,7O7mal dem Wert der
Speisespannung ist Die Vergleichsspannung hat dann einen Wert, der 0J07mal dem Wert derjenigen
Spannung ist. die durch die Ableitung an einem Leiter entsteht Der Gesamtbetrag der zueinander senkrechten Systemableitwiderstände und der resultierende
Wert der Rückkopplungsspannung sind dann auch gleich O,7O7mal dem Wert einer Einzelableitung und
haben gegenüber dem gemischten Ableitwiderstand eine Phasennacheihing von 45°.
Die Operationsverstärker 33 und 32 halten dann die
Regelung der gleich großen, senkrecht zueinanderste henden Anteile aufrecht "t K daß weiterhin der Wert
von 2 mA für den Fehlerstrom als vektorielle Summe in beiden Leitern besteht Falb einer der Ableitwiderstände, der ohmsche oder der kapazitive, nur verkleinert und
nicht herausgenommen wird, dann treten gleiche Ausgleichsvorgänge ein, und zwar sowohl bei der
Vergfeichsspannung als auch bei der Rückkopplungsspannung; auch die Ausgangssignale der Operationsverstärker 33 und 32 ändern sich so, daß das kombinierte
Ausgangssignal weiterhin den gleichen Fehlerstrom der geänderten Ableitung ergibt.
In jedem der undenkbar vielen, möglichen Zustände der Ableitung, bei gleichem oder ungleichem Phasenwinkel, bei gleicher oder ungleicher Vektorlänge, zeigt
eine Analyse der Ausgangswerte der Operationsverstärker 33 und 3Z daß die Vergleichsspannung Vref und
die widerstandsabhängige Rückkopplungsspannung V/ ausgeglichen sind. In jedem Fall, unbeachtlich der
Komplizität des Versorgungsnetzes ergibt die vektorielle Addition der 152-Hz-lvfeßsignalausgänge der Operationsverstärker 33 und 34 den größeren der 60-Hz-Betriebsfrequenz-Fehlerströme.
Claims (16)
- Patentansprüche:J. Isolationsüberwachungseinrichtung for ein nicht geerdetes Wechselstromnetz, in dessen Leitungen beim Auftreten eines Erdschlusses ein beim Überschreiten eines vorbestimmten Wertes einen Alarm auslösender Meßstrom einspeisbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der in die Leitungen (Li, LZ) eingespeiste Meßstrom (IM) ein aus zwei ι ο gegeneinander phasenverschobenen Teilströmen (Ic, h) mit einer von der Netzfrequenz verschiedenen Frequenz zusammengesetzter Wechselstrom ist dessen Teilströme (Ic, h)'m zwei getrennten, jeweils den kapazitiven und den ohmschen Anteilen der <5 beim Auftreten eines Erdschlusses gebildeten Ableitwiderstände zugeordneten Kanälen (3, 5, 65—69) erzeugbar sind, die jeweils zwei Eingänge zur Einspeisung der von dem Meßstrom (Im) an den Ableitwiderständen (ZX, Z2) hervorgerufenen Meßspannung (Vz) als Rückkopplungsspannung und einer derbochsten auftretenden Spannung (Vmax) zwischen Erde und einer der Leitungen (Li, L 2) des Wechselstromnetzes proportionalen Vergleichsapannung (Vref) aufweisen, und daß durch Verände- rung der Amplituden der Teilströme (lc, Ir) die Phase und Größe des Meßstromes (IM) derart geregelt wird, bis die MeßsptJinung (VzX multipliziert mit einem konstanten Faktor (K), gleich der höchsten Spannung (V max) ist und die ein Maß für ίο-den Wert der ohmschen und kapazitiven Ableitwiderstände (ZX, Z2) darstellende Größe des Meßstromes (Im) proportional dem maximal möglichen Fehlerstrom ist
- 2. Isolationsüberwacr-ungseinrichtung nach An- j5 Spruch 1, dadurch gekennzeichr °.t daß mit einer an die Leitungen (L X, L 2) des Wechselstromnetzes angeschlossenen Demodulationseinrichtung (1) die der jeweils höchsten Spannung (V max) zwischen Erde und einer der Leitungen (L X, L 2) proportions-Ie Vergleichsspannung fVref) durch Gleichrichtung (63, 64) einer aus der Netzspannung abgeleiteten Spannung (TZ 62) erzeugbar ist.
- 3. Isolationsüberwachungseinrichtung nach An Spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Demodulationseinrichtung (1) einen mit den Leitungen (L 1, L 2) verbundenen Netztransformator (T2), dessen Primär- und Sekundärwicklungen (S 2) jeweils Anzapfungen aufweisen, und einen mit seinem Eingang mit der angezapften Primärwickking und seinem Ausgang mit der angezapften Sekundärwicklung (S 2) des Meßtransformators (T2) verbundenen Verstärker (62) enthält und Gleichrichter (63,64) an die Sekundärwicklung (52) angeschaltet sind, über die das zusammengefaßte Ausgangssignal des Verstärkers (62) und der gegenpoligen Signale der Sekundärwicklung (S 2) als Vergleichsspannung f Vref) entnehmbar ist.
- 4. Isolationsüberwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche t bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bo die den Teilströmen (k, IR) zugeordneten Kanäle (3,
- 5) an um 90° phasenverschobene Taktgeneratorsignale (Qi, Qi) angeschlossen sind und der kapazitive Teilstrom (Ic) des Meßstromes (Im) dem ohmschen Teilstrom (Ir) des MeDstromes (Im) um 90° phasenverschoben vorauseilt.5. Isolationsüberwachungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine den kapazitiven und den ohmschen Teilstrom (lc. Iκ) zum Meßstrom (Im) addierende Summierschaltung (13) und ein am Ausgang der Summierschaltung (13) angeschlossenes Einspeiseglied (18) vorgesehen sind, über die der Meßstromkreis (Im) mit den Ableitwiderständen (Z X, Z2) geschlossen ist
- 6. Isolationsüberwachungseinrschtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Frequenz (Fm)U^s Meßstromes (IM) höher als die Frequenz (Fa) des Betriebsstrc mes des Wechselstromkreises (L I, L 2) ist
- 7. Isolationsüberwachungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß die Summierschaltung (13) den kapazitiven Teilstrom (Ic) in einem Verhältnis dem ohmschen Teilstrom (Ir) zuaddiert welches die proportionale Abhängigkeit des kapazitiven Widerstandes von der Frequenz (Fm) ausgleicht so daß die Rückkopplungsspannung den Spannungsabfall an den kapazitiven Ableitwiderständen (ZX, Z2) bei der Betriebsfrequenz (F0) darstellt
- 8. Isolationsüberwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß sowohl der kapazitive als auch der ohmsche Kanal (3, 5) je einen Integrator (68, 69) mit zwei Integrationskreisen (31, 37; 30, 36) enthalten, die durch Umschalten abwechselnd wirksam sind.
- 9. Isolationsüherwachungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß jeder umschaltbare Integrator (68, 69) einen rückgekoppelten Operationsverstärker (33, 32) und im Rückkopplungsweg Differenzvergleichsschaltungen (43,45 und 42,44) zur Erzeugung eines Eingangssignals für den Verstärker (33,32) aufweisen, welches die Differenz aus der Vcrgleichsspannung (Vref) und dem Spannungsabfall (V/) an den Ableitwiderständen darstellt und daß zur Erzeugung eines Wechselstromausgangssignals durch den Verstärker (33, 32) Schalter (35, 39 und 34, 38) im Rückkopplungsweg angeordnet sind.
- 10. Isolationsüberwachungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (35, 39 und 34, 38) jedes umschaltbaren Integrators (68, 69) zeitlich gleichlaufend so gesteuert werden, daß die am Ausgang der Verstärker (33, 32) abnehmbaren Wechselstromsignale um 90° gegeneinander phasenverschoben sind.
- 11. Isoiationsüberwachungseinrichtung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß Endeinrichtungen (12, U, 4) vorgesehen sind, die zur Summierung des kapazitiven Teilstromes (U) und des ohmschen Teilstromes (Ir) des Meßstromes (Im) eine Summierschaltung (12) aufweisen, deren Ausgang an einen Verstärker (14,82) angeschlossen ist dessen Ausgangssignal einem Anzeigeinstrument zufließt und den Maximalwert des über die Ableitwiderstände (Z 1. Z 2) möglichen Fehlerstromes darstellt.
- 12. Isolationsüberwachungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet daß die Endeinrichtungen (12, 14, 4) zusätzlich mit mindestens einem über Verzögerungsglieder auf den Meßstrom (Im) ansprechenden Relais (R) ausgestattet sind und daß durch das Relais (R) Alarmeinrichtungen einschaltbar sind.
- 13. Isolationsüberwachungseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Endeinrichtungen (12, 14, 4) über Schutzeinrichtungen (94,96, 98) gegen Einschaltspitzen verfügen, die zwischen die Verzögerungsglieder und das Relais /7?Jgeschaltet sind.
- 14. Isolationsüberwachungseinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Endeinrichtungen (12,14,4) mit einer Warneinrichtung (83) verbunden sind, über welche bei einer Unterbrechung der Verbindung zwischen Erde und dem Anzeigeinstrumeiit ein Alarm auslösbar ist.
- 15. Isolationsüberwachungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Rückkopplungselementen (18—21) eine Eingangseinrichtung (T2) zusammengeschaltet ist, welche die Spannung bestimmt, welche derjenigen entspricht, die dem Meßstrom (Im) beim Fließen über die Ableitwiderstände (Z 1, Z 2) erzeugt, daß weiterhin Filter (21,76) zur Trennung der Rückkopplungsspannung und der Betriebsspannung sowie zur Phasenverschiebung der Rückkopplungsspannung eingeschaltet sind und die phasenverschobene Rückkopplungsspannung über zwischengeschaltete Verstäiker (19,62,77) zu den Teilströmen (Ic, Ir) zugeordneten Karaten (3,5) geführt ist
- 16. Isolationsüberwachungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweils maximale Fehleroder Gefahrenstrom im Wechselstromneu anzeigbar ist
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