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Schaltungsanordnung zur Überwachung des Isolationszustandes
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von Wechselspannungsnetzen Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
zur Überwachung des Isolationszustandes von Wechselspannungsnetzen durch Überlagerung
einer elektrischen Hilfsgröße, die über einen Scheinwiderstand an das zu überwachende
Netz angekoppelt ist.
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Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus dem AEG-Katalog GR-HGS
1.1/10.76, Seite 4/19 bekannt. Das an dieser Stelle beschriebene Isolationsüberwachungsgerät
enthält eine Gleichspannungsquelle, die zwischen dem zu überwachenden Netz und Erde
liegt. Da das Gerät im Mittelspannungsbereich arbeitet, liegt zwischen dem Netz
und dem Meßteil eine hochohmige Drosselspule, die die Funktion einer Wechselspannungssperre
erfüllt. In Abhängigkeit von der Höhe der Gleichspannung und der Summe aller im
Stromkreis befindlichen Widerstände
tritt ein Gleichstrom auf, der
mit Hilfe eines entsprechend geeichten Meßinstrumentes unmittelbar zur Anzeige des
Isolationswiderstandes benutzt wird.
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Da der Gleichstrom von der Summe der im Stromkreis befindlichen Widerstände
(Isolationswiderstand, Gleichstromwiderstand der Drosselspule, u.s.w.) abhängig
ist, ergibt sich eine nichtlineare Beziehung zwischen dem Gleichstrom und dem Isolationswiderstand.
Ferner wird das Meßergebnis in gewissem Maße durch den temperaturabhängigen Gleichstromwiderstand
der Drosselspule beeinflußt.
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Bei dem bekannten Meßprinzip mit Spannungsüberlagerung ist der Meßfehler
umso größer, je kleiner der tatsächliche Wert des Isolationswiderstandes ist, da
der Drosselwiderstand in der Größenordnung einiger Kiloohm liegt und Xnderungen
des Isolationswiderstandes im Bereich von 100 kaum eine auswertbare Beeinflussung
des Gleichstromes herbeiführen.
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Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art zu schaffen, mit deren Hilfe auch relativ kleine Isolationswiderstände
mit hinreichender Genauigkeit meßbar sind.
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Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die überlagerte
Hilfsgröße ein erster Konstantstrom ist, der über eine Drosselspule in das Wechselspannungsnetz
eingespeist wird und dessen Spannungsabfall am Isolationswiderstand einer Meß- und
Anzeigeeinrichtung zugeführt wird.
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Eine ganz besonders vorteilhafte Ausführungsform erhält man, wenn
die Drosselspule thermisch mit einer von einem weiteren Konstantstrom durchflossenen
Kompensationsspule gekoppelt ist und die Spannungsabfälle an den Spulen einem Subtrahierer
zugeführt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden anhand von
Fig. 1 bis 4 der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 bis 3 Schaltbilder
und Fig. 4 ein Diagramm.
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Einander entsprechende Teile tragen die gleichen Bezugszeichen.
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In Fig. 1 sind mit Q,, Q2 Stromquellen bezeichnet, welche die gleich
großen Konstantströme ICl, IC2 liefern. Daneben enthält die Schaltungsanordnung
einen Isolationswiderstand Rist, einen Subtrahierer Va, eine Drosselspule Dr und
eine Kompensationsspule LK. UM ist die Spannung am Ausgang des Subtrahierers V1
und UN die Spannung des zu überwachenden Wechselstromnetzes.
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Der von der Stromquelle Q1 gelieferte Konstantstrom IC1 durchfließt
die Drosselspule Dr und das Wechselspannungsnetz mit seinem Isolationswiderstand
Riso und ruft einen Spannungsabfall hervor, der am nichtinvertierenden Eingang des
als Differenzverstärker ausgeführten Subtrahierers V1 anliegt. Der Konstantstrom
IC2 der Stromquelle Q2 fließt über die Kompensationsspule LK gegen Erde ab. Am Gleichstromwiderstand
der Kompensationsspule LK entsteht ein Spannungsabfall, der dem invertierenden Eingang
des Subtrahierers V1 zugeführt ist.
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Die am Ausgang des Subtrahierers V1 auftretende Spannung UM ändert
sich in gleicher Weise wie der Isolationswiderstand Riso. Darüber hinaus ist der
Zusammenhang zwischen dem Isolationswiderstand Rist und der Spannung UM auch linear.
Die Drosselspule Dr und die Kompensationsspule LK sind thermisch gekoppelt. Temperaturschwankungen
rufen daher stets äquivalente Widerstandsänderungen in beiden Spulen Dr, Lx hervor,
so daß die Spannungsdifferenz konstant bleibt.
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Ein modifiziertes Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 enthält neben den
Bauelementen der in Fig. 1 dargestellten Grundschaltung Widerstände R1, R2, RV1,
RV2' Trimmpotentiometer P1, P2, Dioden D1... D3 und Kondensatoren C1 ... C4. Weitere
Bestandteile sind ein Meßwerk M, ein Hilfsrelais H, ein Feldeffekttransistor T,
ein Diskriminator D, ein Impedanzwandler V2 und ein Trigger V3. Zur Einstellung
einer Referenzspannung ist eine Betriebsspannung UB vorhanden.
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Die genannten Bauelemente sind der Grundschaltung nach Fig. 1 wie
folgt hinzugefügt: Den Stromquellen Q1, Q2 sind die Vorwiderstände RV1, RV2 zugeordnet.
In Reihe zur Kompensationsspule LK liegt das Trimmpotentiometer P1. Der am Isolationswider
stand Riso auftretende Spannungsabfall gelangt zu dem Kondensator C1, dessen zweiter
Anschluß an Erde liegt. Zwei Zenerdioden D1, D2 sind dem Kondensator C1 parallelgeschaltet.
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Die Dioden D1, D2 stehen über zwei RC-Glieder R1, C3 und R2 C4
zwischen
denen die Schaltstrecke des Feldeffekttransistors T liegt, und dem Impedanzwandler
V2 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Subtrahierers V1 in Verbindung. Die Spannung
UM am Ausgang des Subtrahierers V1 gelangt zu dem Meßwerk M und dem einen Eingang
des Triggers V3, an dessen anderem Eingang die Mittelanzapfung des an der Betriebsspannung
UB angeschlossenen Trimmpotentiometers P2 liegt. Der Trigger V3 steuert über die
Leuchtdiode D3 das Hilfsrelais H an. Der Spannungsabfall am Isolationswiderstand
Ru50 gelangt ferner über den Kondensator C2 zu dem Diskriminator D, der seinerseits
mit dem Steueranschluß des Feldeffekttransistors T verbunden ist.
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Die hohe Spannung UN des zu überwachenden Wechselspannungsnetzes wird
weitgehend durch die Drosselspule Dr gegenüber dem Meßkreis abgeblockt. Der zwischen
dem Vorwiderstand RV1 und der Drosselspule Dr verbleibende Wechselspannungsanteil
wird durch den Kondensator C1 gegen Erde abgeleitet. In Zusammenwirkung mit den
spannungsbegrenzenden Dioden D1, D2 stellt der Kondensator C1 einen wirksamen Schutz
der Stromquelle Q1 dar.
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Zur weiteren Glättung der an der Drosselspule Dr auftretenden Gleichspannung
sind zwei RC-Glieder R1, C3 und R2, C4 vorgesehen, da bereits geringe überlagerte
Wechselspannungsanteile zu einer erheblichen Verfälschung des Meßergebnisses führen
können.
Der dem zweiten RC-Glied R2, C4 nachgeschaltete Impedanzwandler V2 leitet den von
allen schädlichen Wechselanteilen befreiten Spannungsabfall am Isolationswiderstand
R150 niederohmig an den Subtrahierer V1 weiter, der nun wiederum mit Hilfe der Kompensationsspule
LK den ohmschen Widerstand der Drosselspule Dr kompensiert, den Temperaturfehler
ausschaltet und somit eine dem Isolationswiderstand Riso proportionale Spannung
UM abgibt. Mit Hilfe des Trimmpotentiometers P1 werden die Gleichstromwiderstände
der Spulen LK, Dr einander angeglichen, so daß bei Riso = 0 die Spannung am Ausgang
des Subtrahierers V1 zu Null wird.
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Die wider stand sproportionale Ausgangsspannung UM des Subtrahierers
V1 wird nun einerseits direkt durch das Meßwerk M zur Anzeige gebracht und andererseits
dem Trigger V3 zugeführt.
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Die Einstellung des Trimmpotentiometers P2 legt seine Schaltschwelle
fest. Unterschreitet der Isolationswiderstand Riso des zu überwachenden Netzes einen
Mindestwert, so erfolgt eine Anregung des Hilfsrelais H, das seinerseits Meldeeinrichtungen
betätigen kann; der Schaltzustand des Hilfsrelais H wird durch die Leuchtdiode D3
angezeigt.
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Bei der beschriebenen Schaltungsanordnung ist es besonders vorteilhaft,
wenn die Stromquellen Q1' Q2 umschaltbar sind. Es lassen sich dann in sehr einfacher
Weise verschiedene Meßbereiche einstellen. Die Konstantströme IC1, IC2 sind bei
geringen Isolationswiderständen Riso entsprechend zu vergrößern.
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Beim Zu- und Abschalten der Wechselspannung UN treten infolge der
Drosselinduktivität und stets vorhandener Netzkapazitäten CN Einschwingvorgänge
auf, die für einige Sekunden eine Messung unmöglich machen. Da die große Amplitude
des Einschwingstromes einen Erdschluß vortäuscht, würde bei jedem Ein- oder Ausschaltvorgang
eine Auslösung erfolgen.
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Zur Vermeidung von Anregungen der Meldeeinrichtungen bei Einschwingvorgängen
dient der Feldeffekttransistor T, der zwischen den RC-Gliedern Ra, R3 und R2, R4
eingesetzt ist und im ungestörten Betrieb leitend ist. Erkennt der Diskriminator
D eine große und schnelle Spannungsänderung an der Drosselspule Dr, so wird der
Feldeffekttransistor T in den Sperrzustand versetzt. Nach einer Zeit, die länger
als der Einschwingvorgang sein muß, geht der Diskriminator D wieder in den Ausgangszustand
zurück und schaltet den Feldeffekttransistor T durch.
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Während der Ansprechzeit des Diskriminators D dient die vom Kondensator
C4 gespeicherte Spannung als Eingangssignal für den Impedanzwandler V2.
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Infolge des zeitverzögernden Verhaltens der RC-Glieder R1, C3 und
R2, C4 und der zur Aufladung der Netzkapazität CN benötigten Zeit würde beim Zuschalten
der Betriebsspannung UB stets eine Anregung des Hilfsrelais H erfolgen; auch bei
kurzzeitigen Unterbrechungen der Betriebsspannung zug UB würde eine Fehlmeldung
erfolgen.
Eine Möglichkeit zur Vermeidung dieses Nachteils geht
aus Fig. 3 hervor.
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Die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 enthält einen zwischen dem Kondensator
C6 des RC-Gliedes R5, C6 und der Betriebsspannung UB eingesetzten Feldeffekttransistor
T1, , der im störungsfreien Betrieb gesperrt ist. Der Steueranschluß des Feldeffekttransistors
T1 ist über ein RC-Glied R3, C5 an der Betriebsspannung UB angeschlossen. Wird nun
die Betriebsspannung UB gemäß Fig. 4 zu einem Zeitpunkt to zugeschaltet, so entsteht
am Steueranschluß des Feldeffekttransistors T1 ein positiver Impuls. Da seine Schaltstrecke
nun leitend ist, wird der Kondensator C6 sehr schnell auf die Betriebsspannung UB
aufgeladen. Die Dauer dieser Schnellaufladung wird durch die Zeitkonstante des RC-Gliedes
R4, C5 bestimmt.
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Beim Abschalten der Betriebsspannung UB erfolgt eine rasche Entladung
des Kondensators C5 über eine Diode D4 und das verwendete Netzteil N. Die Schaltungsanordnung
ist daher nach äußerst kurzer Zeit wieder betriebsbereit.
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Nach der Zeit R4 C5 liegt nach Fig. 4 am Kondensator C6 noch die volle
Betriebsspannung UB. Sobald nun der Feldeffekttransistor T1 in den Sperrzustand
versetzt wird, erfolgt
die endgültige Einstellung auf die tatsächlich
an der Drosselspule Dr abgegriffene widerstandsproportionale Spannung.
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9 Seiten Beschreibung 7 Ansprüche 3 Blatt Zeichnungen mit 4 Figuren
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