DE2634595A1 - Geraet zur ueberwachung hoher wechselspannungen - Google Patents

Description

• Gerät zur Uberwachung hoher Wechselspannungen Die Erfindung betrifft Geräte zur Überwachung von hohen Wechselspannungen.
• Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Geräte zur Uberwachung hoher Wechselspannungen derjenigen Bauart, bei denen ein kapazitiver Spannungsteiler an der zu überwachenden Spannung liegt und eine angeschlossene Einrichtung an einen Abschnitt des Spannungsteilers angeschlossen ist. Ein solches Gerät wird im folgenden als Gerät der beschriebenen Art bezeichnet.
• Geräte der beschriebenen Art finden besonders bei der Überwachung von Wechselspannungsübertragungsleitungen Anwendung, wobei das angeschlossene Gerät vorzugsweise ein Zwischenverstärker ist, dessen Ausgangsgröße einer Meß- oder Schutzschaltung zugeführt wird. Der kapazitive Spannungsteiler kann ein für diesen Zweck entwickelter und gebauter Spannungsteiler sein oder auch ein Spannungsteiler, der sich aus dem Aufbau des Gerätes oder der Anlage ergibt oder es kann auch ein in besonderer Weise ausgebildeter Spannungsteiler sein, wie er z.B. in der GB-PS 1 311 720 beschrieben ist.
• Eine Schwierigkeit, die bei Geräten dieser Art auftritt, besteht darin, daß bei einer vorübergehenden Unterbrechung der überwachten Spannung die Ladungen der verschiedenen Kapazitäten des Spannungsteilers mit verschiedener Geschwindigkeit abfallen. Wenn die überwachte Spannung wieder eingeschaltet wird, bevor die Ladungen vollständig abgenommen haben, tritt eine Fehlergleichspannung an dem Eingang der angeschlossenen Vorrichtung auf. Diese Fehlerspannung nimmt mit einer Geschwindigkeit ab, die von dem Leckwiderstand der Kapazitäten abhängt sowie von der Eingangsimpedanz der angeschlossenen Vorrichtung. Wenn diese jedoch normalerweise sehr groß sind, kann die Fehlerspannung während einer beträchtlichen Zeit auftreten.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät der beschriebenen Art anzugeben, bei dem diese Schwierigkeiten beseitigt sind.
• Gemäß der Erfindung enthält ein Gerät der beschriebenen Art eine Schaltungsanordnung, die während einer kurzen Zeit, welche auf die Wiedereinschaltung der überwachten Spannung nach einer Unterbrechung folgt, eine Entladungsstrecke an dem Abschnitt des Spannungsteilers bildet, an dem die angeschlossene Einrichtung liegt.
• Vorzugsweise ist die Schaltungsanordnung so ausgebildet, daß sie die Entladungsstrecke in Abhängigkeit von einer Unterbrechung der überwachten Spannung bildet, wobei die Entladungsstrecke dann bis zum Ende der Zeitspanne wirksam bleibt.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung nimmt der Widerstand der Entladungsstrecke allmählich während mindestens des letzten Teiles der Zeitspanne zu, wobei die Entladungsstrecke am Ende der Zeitspanne praktisch vollständig geöffnet, d.h. nicht leitend ist.
• Die Entladungsstrecke kann auch bei einer anderen Ausführungsform einen konstanten Widerstand aufweisen, und das Ende der Zeitspanne ist dann so gewählt, daß es mit einem ausgewählten Punkt des überwachten Spannungsverlaufes übereinstimmt, um die Erzeugung von unzulässigen Stoßspannungen am Eingang der angeschlossenen Vorrichtung zu vermeiden.
• Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnungen näher beschrieben.
• Fig. 1 ist ein Schaltbild eines Gerätes der beschriebenen Art und Fig. 2 und 3 sind Schaltbilder von zwei Ausführungsformen des Gerätes gemäß der Erfindung.
• Das in Fig. 1 dargestellte Gerät der beschriebenen Art enthält im wesentlichen eine Reihenschaltung von Kondensatoren, wobei ein Abschnitt des kapazitiven Spannungsteilers als einzelner Kondensator C2 dargestellt ist, an dem die angeschlossene Vorrichtung A liegt, während die weitere Kapazität des Spannungsteilers in Form eines einzelnen Kondensators C1 dargestellt ist. Jeder der Kondensatoren des Spannungsteilers ist mit seinem eigenen Ableitwiderstand versehen; die Werte dieser Widerstände sind unbestimmt, und sie können in zufälliger Weise schwanken, da sie von solchen Faktoren wie den atmosphärischen Bedingungen, sowie den Ablagerungen von Kohlenstoff und anderen leitenden Substanzen auf den Isolatoren abhängen. Es ist daher praktisch unmöglich, die Entladungszeitkonstanten der Kondensatoren C1 und C2 gleich groß zu machen. In der Zeichnung ist dieses Ungleichgewicht durch den Widerstand R angedeutet.
• Der Spannungsteiler CI, C2 der Fig. 1 liegt an einer Übertragungsleitung, der eine Spannung Vp von einem Hochspannungswechselstromgenerator G zugeführt wird, wobei die Ubertragungsleitung einen Schalter S zwischen dem Generator und dem Spannungsteiler aufweist.
• Die Eingangsimpedanz der angeschlossenen Vorrichtung A liegt parallel zu dem Widerstand R. Diese Eingangsimpedanz ist jedoch üblicherweise sehr groß, um Stoßspannungsfehler zu vermeiden, wenn die Spannung Vp sich rasch ändert. Die Eingangsimpedanz der angeschlossenen Vorrichtung A kann daher außer Betracht bleiben, oder als Teil des Widerstandes R aufgefaßt werden.
• Der Widerstand R stellt nur eine sehr leichte Belastung des Kondensators C2 dar, so daß die Spannung V2 an dem Kondensator C2 sich in Phase mit der Primärspannung Vp bei der Nennfrequenz der Generatorausgangsspannung befindet. Da R einen so hohen Wert hat, ist V1 = x Vp = C1 + C2 C1 und C1 q2 V2 = x Vp = C1 + C2 C2 Hieraus ergibt sich q1 = q2 wobei V1 die Spannung an dem Kondensator Cl, q1 die Ladung des Kondensators C1 und q2 die Ladung des Kondensators C2 ist.
• Wenn der Schalter S geöffnet wird, entlädt sich die Ladung des Kondensators C2 über den Widerstand R. Wenn die Werte von q1 und q2 beim Öffnen des Schalters S q10 und q20 betragen, dann wird beim Schließen des Schalters S der Wert von qi noch immer q10 betragen, jedoch wird der Wert von q2 auf einen Wert q21 abgenommen haben. Da der Generator der Spannung Vp eine Kurzschlußstrecke darstellt, wird beim Schließen des Schalters eine überschießende Spannung erzeugt, die -q10 + q21 C1 + C2 ist und die auf der Leitung nicht vorhanden ist und nur langsam über den Widerstand R abnimmt. Je nach den vorliegenden Bedingungen kann diese überschießende Spannung einem beträchtlichen Bruchteil der Ausgangsspannung V2 des kapazitiven Spannungsteilers entsprechen.
• Um diese Schwierigkeit zu beseitigen, wird gemäß der Erfindung eine Entladungsstrecke während einer kurzen Zeitdauer, die auf das Wiederschließen des Schalters S folgt, an den Kondensator C2 angelegt.
• In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung enthält diese Entladungsstrecke einen Widerstand R7 und die Emitter-Kollektorstrecke eines Transistors T2, die in Reihe an die Gleichspannungsausgangsklemmen einer Gleichrichterbrücke D-angeschlossen sind, deren Wechselspannungseingangsklemmen an dem Kondensator C2 über eine Induktivität L1 und einem Widerstand R8 liegen, die beide in Reihe geschaltet sind, wie es aus der Fig. 2 hervorgeht. Zwei Zenerdioden D2 und D3 liegen auch in Reihe zwischen den Gleichspannungsausgangsklemmen der Brücke D, wobei die Schaltelemente L1, D2 und D3 dazu dienen, den Transistor T2 zu schützen und zu verhindern, daß die Ladung an dem Kondensator C2 abfließt, wenn infolge plötzlicher Änderungen der Primärspannung Vp hohe und hochfrequente Spannungen an dem Kondensator C2 auftreten. Derartige Spannungen können durch parasitäre Induktivitäten in dem Spannungsteiler erzeugt werden.
• Die Leitfähigkeit des Transistors T2 wird durch einen zweiten NPN-Transistor T1 gesteuert, dessen Emitter und Kollektor an die Basis bzw. den Kollektor des Transistors T2 angeschlossen sind und dessen Basis über einen Widerstand R6 an dem Verbindungspunkt zwischen einem Widerstand R5 und einem Kondensator C5 liegt, die in Reihe an eine Gleichspannungsquelle VS über einen Schalter S1 angeschlossen sind. Ein weiterer Widerstand R4 liegt an der Reihenschaltung des Widerstandes R5 und des Kondensators C5, und eine Gleichrichterdiode D5 überbrückt den Widerstand R5, wobei die Gleichrichterdiode D5 so gepolt ist, daß sie dem Strom aus der Spannungsquelle VS einen hohen Widerstand bietet.
• Beim Betrieb wird der Schalter S1 geschlossen, wenn festgestellt worden ist, daß die Übertragungsleitung abgeschaltet ist und zwar z.B. mit Hilfe eines Amplitudendetektors LD, der auf die Spannung und den Strom der Leitung anspricht. Hierdurch wird der Kondensator C5 von der Spannungsquelle VS rasch über den Widerstand R5 aufgeladen. Die Zunahme der Ladung des Kondensators C5 schaltet die Transistoren T1 und T2 ein, die eine Entladungsstrecke mit niedrigem Widerstand an dem Kondensator C2 über die Widerstände R7 und R8 bilden.
• Wenn die Leitung wieder eingeschaltet wird, nimmt eine auftretende überschießende Spannung über die Widerstände R7 und R8 rasch ab, wobei der Schalter S1 während einer kurzen Zeitspanne z.B. 60 ms eingeschaltet bleibt, nachdem die Leitung eingeschaltet worden ist, damit dieser Vorgang stattfinden kann.
• Sobald die überschießende Spannung abgefallen ist, ist es notwendig, die Entladungsstrecke an dem Kondensator C2 zu entfernen, weil durch ihre Anwesenheit ein Stoßspannungsfehler jedesmal erzeugt würde, wenn die Primärspannung sich rasch ändert. Zu diesem Zweck wird nach der oben erwähnten kurzen Zeitspanne der Schalter S1 geöffnet, worauf sich der Kondensator C5 über den Widerstand R4 und die Diode D1 entlädt, so daß die Transistoren T1 und T2 mit vorgegebener Geschwindigkeit abgeschaltet werden. Auf diese Weise wird die Entladungsstrecke an dem Kondensator C2 über die Widerstände R7 und R8 allmählich in ihrem Widerstandswert erhöht, bis zur vollständigen Unterbrechung, so daß keine unerwünschten Stoßspannungen in der Spannung auftreten können, die der angeschlossenen Vorrichtung A zugeführt wird.
• Die Schaltungsanordnung mit der Entladungsstrecke bleibt dann abgeschaltet, bis die Leitung beim nächsten Mal wieder abgeschaltet wird.
• Mit der angegebenen Anordnung wird die normale Arbeitsweise nach einer Zeit wieder aufgenommen, die etwa 10 Perioden nach der Wiedereinschaltung der Leitung dauert.
• Bei der in Fig. 3 dargestellten zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung wird die Entladungsstrecke durch einen Widerstand R9 mit sehr niedrigem Widerstandswert gebildet, der in Reihe mit einem Schalter S2 an dem Kondensator C2 liegt. Der Schalter S2 wird durch eine bistabile Schaltung BS gesteuert, die ihrerseits von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand gebracht werden kann, in dem der Schalter S2 geschlossen ist und zwar durch die Ausgangsgröße einer ersten Meßvorrichtung SD1.
• Sie wird von dem zweiten Zustand in den ersten Zustand durch die Ausgangsgröße einer Steuervorrichtung CD zurückgebracht, die ihrerseits von einer zweiten Meßvorrichtung SD2 betätigt wird.
• Die Meßvorrichtung SD1 ist so ausgebildet, daß sie den Schalter S2 über die bistabile Schaltung BS schließt, wenn die Meßvorrichtung SD1 feststellt, daß eine Gleichspannung an dem Kondensator C2, aber keine Wechselspannung vorhanden ist, wie dies der Fall ist, wenn der Schalter S die Übertragungsleitung unterbricht, wobei sich der Kondensator C2 im geladenen Zustand befindet.
• Wenn, wie dies häufig der Fall ist, die angeschlossene Vorrichtung A einen Zwischenverstärker enthält, dessen Ausgangsgröße über einen Transformator abgenommen wird, kann die Meßvorrichtung SD1 dadurch betätigt werden, daß sie die Eingangs- und die Ausgangsgröße des Zwischenverstärkers vergleicht, wobei eine Gleichspannungseingangsgröße an dem Verstärker keine Ausgangsgröße infolge einer Sättigung des Transformators erzeugt.
• Die Steuervorrichtung CD in Verbindung mit der Meßvorrichtung SD2 öffnet den Schalter S2 über die bistabile Schaltung BS in Abhängigkeit von dem ersten Nulldurchgang der Leitungsspannung, der nach dem Ende einer vorgegebenen Verzögerungszeit nach dem Widereinschalten der Leitung auftritt. Die vorgegebene Verzögerungszeit muß so lang sein, daß die überschießende Spannung abnehmen kann und liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 1 ms. Das Öffnen des Schalters S2 wird an einem Nulldurchgang vorgenommen, damit eine Spannungsstufe am Eingang der angeschlossenen Vorrichtung A vermieden wird, da der Widerstand R9 einen sehr niedrigen Widerstandswert hat.
• Mit einer derartigen Schaltungsanordnung findet die Rückkehr zu normalen Arbeitsbedingungen nicht später als nach einer halben Schwingungsperiode nach der Wiedereinschaltung der Leitung statt, jedoch ist der Eingang der angeschlossenen Vorrichtung während dieser Zeit kurzgeschlossen.
• Bei einer abgeänderten Schaltungsanordnung, die den allgemeinen Aufbau der Fig. 3 hat, hat der Widerstand R9 einen verhältnismäßig niedrigen Wert,und die Steuervorrichtung CD zusammen mit der Meßvorrichtung SD2 ist so ausgebildet, daß eine Verzögerungszeit eingeführt wird, die ausreicht, um die überschießende Spannung zum Abfall zu bringen und die z.B. etwa dem Fünffachen der Zeitkonstante des Kondensators C2 und des Widerstandes R9 entspricht. Der Schalter S2 wird in einem Zeitpunkt des Spannungsverlaufes auf der Leitung geöffnet, der von dem Wert des Widerstandes R9 abhängt, so daß keine nennenswerte Spannungsstufe in der Eingangsspannung der angeschlossenen Vorrichtung A auftritt.
• Mit einer solchen Anordnung wird die normale Arbeitsweise etwa fünf Perioden nach dem Wiedereinschalten der Leitung aufgenommen.
• Es sei darauf hingewiesen, daß die Schaltungsanordnung der Fig. 3 den Nachteil hat, daß ein bestimmter Punkt der Schaltanordnung erforderlich ist. Bei der Anordnung nach Fig. 2 wird dieser Nachteil auf Kosten einer leichten Vergrößerung der Zeit vermieden, die erforderlich ist, damit die normale Arbeitsweise nach der Wiedereinschaltung der Leitung aufgenommen wird.

Claims (11)

Patentansprüche

1. Gerät zur Überwachung hoher Wechselspannungen mit einem kapazitiven Spannungsteiler für die zu überwachende Spannung und mit einer an einen Abschnitt des Spannungsteilers angeschlossenen Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß an den Abschnitt (C2) des Spannungsteilers, an dem die angeschlossene Vorrichtung (A) liegt, während einer kurzen Zeitspanne, die auf die Wiedereinschaltung der überwachten Spannung nach einer Unterbrechung folgt, eine Schaltungsanordnung (T1, T2, C5, D, D2, D3, R4 bis R8, Ll, VS, LD oder R9, S2, SD1, SD2, CD, BS) liegt, die eine Entladungsstrecke für den Abschnitt (C2) des Spannungsteilers (C1, C2) bildet.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung die Entladungsstrecke in Abhängigkeit von einer Unterbrechung der überwachten Spannung einschaltet, wobei die Entladungsstrecke bis zum Ende der Zeitspanne wirksam bleibt.

3. Gerät nach Ansprüchen 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß der Widerstand der Entladungsstrecke allmählich während des letzten Teiles der Zeitspanne zunimmt und am Ende der Zeitspanne ganz unterbrochen ist.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungsstrecke einen Transistor (T2) enthält und einen Kondensator (C5), dessen Ladung die Leitfähigkeit des Transistors bestimmt.

5. Gerät nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Kondensator an einer Gleichspannungsquelle (VS) über einem Schalter (S1) liegt, der bei einer Unterbrechung der Uberwachten Spannung geschlossen wird und während einer kurzen Zeit geschlossen bleibt, nachdem die Spannung wieder eingeschaltet ist und daß der Kondensator an einer Strecke (D5, R4) liegt, die dazu dient, die Kapazität zu entladen, wenn der Schalter offen ist, wobei die Leitfähigkeit des Transistors sich im gleichen Sinne ändert wie die Ladung des Kondensators.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Widerstand (R5) in Reihe mit dem Kondensator liegt und daß die Strecke zur Entladung des Kondensators einen Gleichrichter (D5) enthält, der mit dem ersten Widerstand in solcher Polarität verbunden ist, daß er dem Strom der Spannungsquelle einen hohen Widerstand bietet und daß ein zweiter Widerstand (R4) an der Reihenschaltung des Kondensators und des ersten Widerstandes liegt.

7. Gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor an den Gleichspannungsausgangsklemmen einer Gleichrichterbrückenschaltung (D) liegt, deren Wechselspannungseingänge an dem Abschnitt des Spannungsteilers liegen.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannungseingangsklemmen an den Abschnitt des Spannungsteilers über eine Induktivität (L1) angeschlossen sind.

9. Gerät nach Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine spannungsempfindliche Schutzschaltung (D2, D3) zwischen den Gleichspannungsausgangsklemmen der Brückenschaltung vorgesehen ist, die den Transistor gegen Überspannungen schützt.

10. Gerät nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungsstrecke einen konstanten Widerstand hat und daß das Ende der Zeitspanne mit einem ausgewählten Punkt des Verlaufs der überwachten Spannung zusammenfällt, so daß die Erzeugung von unzulässigen Stoß spannungen am Eingang der angeschlossenen Vorrichtung vermieden wird.

11. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der konstante Widerstand einen niedrigen Wert hat und daß der ausgewählte Zeitpunkt der erste Nulldurchgang der überwachten Spannung ist, der nach dem Ablauf einer vorbestimmten Verzögerungszeit nach der Wiedereinschaltung der Spannung auftritt.

L e e r s e i t e