DE3513849C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Überwachen jeweils der beiden Isolationswiderstände bei einer Anzahl von Baugruppen einer elektrischen Anlage der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art. Ein wichtiger Anwendungsfall ist eine fernmelde- oder signaltechnische Einrichtung mit Gestellen, in welchen die einzelnen Baugruppen aufgenom­ men sind. Jeder Baugruppe ist ein bestimmtes Bezugspotential oder ein gemeinsames Massepotential zugeordnet, gegenüber denen die Isolationswi­ derstände überwacht werden sollen. Es liegt eine gemeinsame bezugspoten­ tialfreie Stromversorgung vor.

Bei einem Gerät zur Kontrolle der Funktionsfähigkeit einer Überwachungs­ vorrichtung für Isolationswiderstände einer signaltechnischen Einrichtung verwendete man eine Vierzweig-Meßbrücke (DE 27 53 572 A1). Es wurde nicht nur die Funktionsfähigkeit des Überwachungsgerätes überprüft, sondern auch der Zustand der Verbindungsleitungen, der Stromspeisung, der Verstärkung und der Anschlüsse ständig oder periodisch kontrolliert. Die zu überwachenden Isolationswiderstände befanden sich in der einen Brücken­ hälfte, während in den anderen Brückenzweigen einstellbare Abgleichwider­ stände vorgesehen waren. Dabei konnte nur ein Spannungsverhältnis der beiden zu überwachenden Isolationswiderstände ermittelt werden, aber nicht die tatsächlich vorliegende Größe der Isolationswiderstände. Es lag nicht ein Überwachungsverfahren der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebe­ nen Art vor.

Eine Überwachung des Spannungsverhältnisses der Isolationswiderstände mittels einer Brückenschaltung erfolgte auch bei einem internen Verfahren der Patentinhaberin, das dem Oberbegriff des Anspruches 1 entspricht. In jeder Baugruppe wurde das Spannungsverhältnis aus den Spannungsabfällen über den beiden Isolationswiderständen ermittelt, die zwischen den beiden Polen der Stromversorgung und den einzelnen Gestellen einerseits und dem Massepotential andererseits auftraten. Das Spannungsverhältnis wurde mit einem vorgegebenen, noch zulässigen oberen Grenzwert und einem unteren Grenzwert laufend überwacht. Diese Grenzwerte bestimmten ein Bewe­ gungsfenster für das variierende Spannungsverhältnis. Alarm wurde gegeben, wenn das beobachtete Spannungsverhältnis über die beiden Grenzwerte hinaus ging.

Bei dem bekannten Verfahren konnte auch Fehlalarm auftreten. Ein Überschreiten der Grenzwerte muß nämlich nicht nur auf einer unzumutba­ ren Verschlechterung der Isolationswiderstände beruhen, sondern konnte sich auch aus anderen Umständen in der elektrischen Anlage ergeben. So konnte das Spannungsverhältnis auch dann die beiden Grenzwerte übersteigen, wenn einer der Isolationswiderstände anwuchs, also "besser" wurde. Es kann z. B. eine vorausgehend eingedrungene Feuchtigkeit aus der Isolation entweichen und dadurch das Spannungsverhältnis über den Grenzwert hinaus verändern. Ein scheinbarer Fehlerfall ergab auch dann, wenn durch Abschalten von Teilstücken einer Baugruppe in der Anlage eine Erhöhung der beobachteten Isolationswiderstände eintrat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches, zuverlässiges Verfahren der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art zu ent­ wickeln, das einen wirklichen von einem scheinbaren Fehlerfall eindeutig unterscheiden kann und dabei zugleich Kriterien für eine sichere künftige Überwachung liefert. Dies wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angeführten Verfahrensschritte erreicht, denen folgende besondere Bedeutung zukommt.

Die beiden das Bewegungsfenster bestimmenden Grenzwerte werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren von Fehlerspannungs-Verhältnissen bestimmt. Der eine Grenzwert ergibt sich als Quotient aus dem aktuellen Isolationswiderstand am Pluspol der Stromversorgung und einem noch tolerierbaren Grenzwiderstand am Minuspol. Der andere Grenzwert wird von einem Quotienten bestimmt, der sich aus einem noch tolerierbaren Grenzwert am Pluspol der Stromversorgung und dem aktuellen Isolationswider­ stand am Minuspol ergibt. Bei der Erfindung wird nicht gleich Alarm ausgelöst, wenn das Spannungsverhältnis diese Grenzwerte übersteigt, sondern es wird ein Verfahren zur quantitativen Bestimmung der tatsächli­ chen Isolationswiderstände ausgelöst. Dadurch wird zunächst festgestellt, ob ein wirklicher oder nur ein scheinbarer Fehler vorliegt. Dazu wird ein Referenzwiderstand dem jeweils größeren der beiden zu überwachenden Isolationswiderstände parallel geschaltet. Diese Zuschaltung erfolgt, um den kleineren Isolationswiderstand nicht durch die Zuschaltung des Referenzwi­ derstandes weiter zu verringern. Durch den parallel geschalteten Referenz­ widerstand stellt sich ein anderes Spannungsverhältnis ein, dessen Teilspan­ nungen eine Berechnung der tatsächlichen Isolationswiderstände aus folgendem Grunde zuläßt.

Weil jede überwachte Baugruppe mit Kapazitäten behaftet ist, treten beim Zuschalten des Referenzwiderstandes die neuen Teilspannungen nicht sogleich ein, sondern stellen sich nach einer e-Funktion allmählich ein. Für eine brauchbare Messung muß man zwar den Ablauf des Einschwingvorgangs abwarten, doch ist es, wie in der Beschreibung noch näher ausgeführt wird, durch zwei Testmessungen in zeitlich gleichen kurzen Abständen möglich, den Zeitpunkt zu ermitteln, wo die Teilspannungen bereits gemessen werden können. An Stelle der passiven Überwachung des Widerstandsverhält­ nisses im Stand der Technik, ist nunmehr eine aktive Bestimmung der aktuellen Isolationswiderstände möglich. Es ist eindeutig festzustellen, ob der ermittelte Isolationswiderstand wirklich unterhalb des tolerierbaren Grenzwiderstands liegt. Ist dies der Fall, so wird Alarm gegeben. Andern­ falls liegt nur ein scheinbarer Isolationsfehler vor, der als solcher erkannt wird und folglich nicht Anlaß für einen Fehlalarm ist.

Im letztgenannten Fall ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren zugleich eine künftig bessere Überwachung des Spannungsverhältnisses. Die ermittel­ ten aktuellen Isolationswiderstände werden dazu benutzt, um die beiden vorerwähnten Fehlerspannungs-Verhältnisse zu berechnen, die das künftige Bewegungsfenster bestimmen. Das Bewegungsfenster, in welchem sich das zu überwachende Spannungsverhältnis verändern darf, wird somit im jeweiligen aktuellen Tatbestand angepaßt. Auch wenn sich die Isolationswi­ derstände gegenüber dem Anfangszustand verändert haben sollten, ist die künftige Überwachung nicht ungünstiger, sondern genauer geworden.

Um den individuellen Verhältnissen in jeder Baugruppe der elektrischen Anlage gerecht zu werden, empfiehlt es sich, gemäß Anspruch 2, den Referenzwiderstand aus einer Anzahl von Festwiderständen zusammenzuset­ zen. Gemäß Anspruch 3 sollte eine Kontrolle der Isolationswiderstände, unabhängig vom Fehlerfall, bereits beim Einschalten der elektrischen Anlage ausgeführt werden, wie auch später, beim weiteren Betrieb der Anlage, das erfindungsgemäße Verfahren in größeren, vorprogrammierbaren Zeitabständen gemäß Anspruch 4 ausgeführt werden sollte. Dadurch werden auch jene Fehler erfaßt, bei denen die beiden Isolationswiderstände sich proportional zueinander verändern und daher aus den zunächst beobachteten Spannungsverhältnissen eine Verschlechterung der beiden Isolationswiderstände nicht zu erkennen ist. In den Zwischenzeiten können die Baugruppen schonend einer passiven Überwachung des Spannungsverhältnisses unterzogen werden.

Aus Sicherheitsgründen empfiehlt es sich, oberhalb und unterhalb des Bewegungsfensters noch eine weitere, obere und untere Schranke für nicht mehr tolerierbare Kurzschluß-Spannungsverhältnisse vorzusehen, wie es Anspruch 5 vorschlägt. Auch extreme Kurzschlußfälle finden dann eine angemessene Behandlung. Mit den aus Anspruch 6 und 7 angegebenen Verfahrensschritten können auch weitere besondere Kurzschlußfälle erkannt werden, wodurch ihre Ursachen schnell beseitigt werden können. Um eine schnelle Betriebsbereitschaft der elektrischen Anlage nach einem Fehler­ fall herbeizuführen, sollte man gemäß Anspruch 9 verfahren.

In den Zeichnungen ist die Erfindung in einem Ausführungs­ beispiel dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Schaltung,

Fig. 2 als Anwendungsbeispiel das Zeitdiagramm über das bei einer Baugruppe der Anlage von Fig. 1 be­ obachtete Spannungsverhältnis Vu, worin das zwischen den zulässigen Grenzwerten liegende Bewegungsfenster und die nicht mehr tolerier­ baren Kurzschlußspannungsverhältnisse jeweils durch Schraffur verdeutlicht sind,

Fig. 3 ein der Fig. 2 entsprechendes Diagramm, worin ein scheinbarer Isolationsfehler mit dem er­ findungsgemäßen Verfahren behandelt wurde und zur Schaffung eines neuen, besser angepaßten Bewegungsfensters führte,

Fig. 4 ein Diagramm, worin ein Kurzschlußfehler demon­ striert ist,

Fig. 5 die Detailansicht der Schaltung von Fig. 1, die einen ersten scheinbaren Kurzschluß-Fehler infolge eines fehlenden Leitungs-Anschlusses beschreibt,

Fig. 6 ein Diagramm, worin die durch den in Fig. 5 gezeigten Fehler sich ergebenden Betriebsver­ hältnisse verdeutlicht sind,

Fig. 7 ein Diagramm, das einen scheinbaren Kurzschluß­ fehler und die daraus folgende Reaktion der Über­ wachungseinrichtung näher erläutert,

Fig. 8 in einer Detailansicht von Fig. 1 schaltungs­ technische Maßnahmen, die im Falle des in Fig. 7 gezeigten scheinbaren Kurzschluß-Fehlers zu treffen sind.

Die Fig. 1 zeigt schematisch eine elektrische Anlage 10, die hier als signaltechnische Einrichtung, beispielsweise für den Eisenbahnverkehr, ausgebildet ist. Die Anlage 10 besteht aus einer Schar von zueinander getrennt zu über­ wachenden Baugruppen, von denen hier lediglich zwei, mit 11, 11′ bezeichnet, dargestellt sind. Wie durch die ge­ strichelten Verlängerungen der elektrischen Leitungen in Fig. 1 veranschaulicht ist, können n Exemplare solcher Baugruppen vorliegen. Alle Baugruppen 11, 11′ sind an eine gemeinsame erdfreie Stromversorgung 12 angeschlossen, die aus einer elektrischen Batterie 13 besteht und die Ver­ sorgungsspannung Ub liefert. Der Pluspol der Batterie 13 ist über Leitungen mit der mit p bezeichneten Polleitung der Anlage 10 verbunden, während der Minuspol mit der Leitung m von Fig. 1 jeweils in Verbindung steht.

In den einzelnen Baugruppen 11, 11′ sollen die Isolations­ widerstände zwischen den beiden Polleitungen p, m einer­ seits und der Erde 14 in der Baugruppe 11 bzw. gegenüber einem ersten Gestell 14′ im Falle der Baugruppe 11′ andererseits über­ wacht werden. Das Gestell 14′ dient zur Aufnahme ver­ schiedener Glieder der Signalanlage. Außer diesem ersten Gestell 14′ können noch n weitere Gestelle vorhanden sein, die sowohl gegenüber dieser Erde als auch dem Gestell 14′ isoliert sind und ebenfalls hinsichtlich ihrer eigenen Isolationswiderstände überwacht werden sollen. Dies liefert die bereits erwähnte Erweiterung der vorliegenden Anlage 10 auf n weitere, in Fig. 1 nicht gezeigte Baugruppen. Natürlich könnten in der Praxis auch mehrere Gestelle 14′ untereinander elektrisch verbunden sein und daher als gemeinsame Baugruppe 11′ fungieren. Andererseits wäre es auch denkbar, auf Grund gegenseitiger Iso­ lationen einzelne Schaltkreise innerhalb eines gegebenen Gestells voneinander elektrisch zu trennen, die dann ge­ trennt voneinander überwacht werden sollten und daher eigenständige Baugruppen 11, 11′ liefern. Die Beschreibung gilt dann sinngemäß.

Im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 sind, ausgehend von der Erde 14, gegenüber dem Pluspol p der Isolationswiderstand Rp_E und gegenüber dem Minuspol m der Isolationswiderstand Rm_E zu überwachen. Dementsprechend sollen bei der Baugruppe 11′ die beiden Isolationswiderstände Rp₁ und Rm₁ gegenüber dem Gestell 14′ beobachtet werden. Wegen der analogen Verhältnisse genügt es, eine repräsenta­ tive Baugruppe zu betrachten, beispielsweise die Baugruppe 11′ von Fig. 1, weswegen zur Verallgemeinerung die Indi­ zierung vereinfacht werden soll auf die zu überwachenden Isolationswiderstände Rp und Rm. Die Überwachung geschieht aber nicht unmittelbar, sondern mittelbar über ein Spannungsverhältnis Vu, das sich ausweislich der Formel (A) in den Zeichnungen aus dem Quotienten der Spannungs­ abfälle Up über dem einen Isolationswiderstand Rp und dem Spannungsabfall Um über dem anderen Isolationswider­ stand Rm ergibt. Dazu wird die in Fig. 1 gezeigte besondere Überwachungsschaltung verwendet, die Gegenstand der parallelen Patentanmeldung Kennwort: "(1) Isolationsmesser" der gleichen Anmelderin ist und deren Inhalt zum Gegenstand der vor­ liegenden Patentanmeldung gemacht wird. Es wird eine Meßein­ richtung 15 verwendet, die zwar für jede Baueinheit 11, 11′ eigene Eingangsmeßkreise 26, 26′ aufweist, jedoch jenseits eines Wählschalters 23, der jeweils auf einen dieser Eingangsmeßkreise 26, 26′ usw. einstellbar ist, eine allen Baugruppen zugeordneten gemeinsame Folge­ schaltung 27 besitzt. Der Aufbau der Eingangsmeßkreise ist zueinander gleich, weshalb es hier genügt, den einen Ein­ gangskreis 26′ näher zu beschreiben, der für die Baugruppe 11′ des ersten Gestells 14′ verwendet wird.

Beachtenswert ist, daß als Bezugspotential für einen Ein­ gangsverstärker 19 der eine Pol der gemeinsamen Stromver­ sorgung 12 herangezogen wird, nämlich in Fig. 1 ausweislich der an die Leitung m angeschlossenen Bezugsleitung 28 der Minuspol. Dies gilt auch für alle übrigen Eingangsmeßkreise, wie bei 26 zu entnehmen ist. Das Gestell 14′ ist ausweis­ lich der Anschlußleitung 29′ über einen hochohmigen Ein­ gangswiderstand Rt₁ an den Verstärker 19 angeschlossen, was beim Eingangsmeßkreis 26 sinngemäß für die Leitung 29 hinsichtlich der Erde 14 und ihren Eingangswiderstand Rt_E gilt. Am Eingang des Verstärkers 19 wirkt ein Innenwider­ stand Zi₁. In Fig. 1 bezeichnet die gestrichelte Linie 16 die Schnittstelle zwischen den Baugruppen 11, 11′ der Anlage 10 und den Meßeinrichtungen 15.

Der Wählschalter 23 schließt die gemeinsame Folgeschaltung 27 über sein bewegliches Kontaktglied 24 nacheinander an jeweils einen Kontakt 25 aus einer Schar von festen Kon­ takten 25 an, die jeweils mit dem Ausgang der einzelnen Eingangsverstärker 19 in Verbindung stehen. Zur Folge­ schaltung 27 gehört zunächst ein Filter 20, das unerwünschte Frequenzen ausschaltet. Dem schließt sich ein nur sche­ matisch angedeuteter Spannungsteiler 32 an, dessen be­ sondere Bedeutung in einer parallelen Anmeldung Kennwort: "(4) Automatischer Abgleicher" näher beschrieben ist und deren Texte und Zeichnungen auch zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht werden. Dann schließt sich ein Analog- Digital-Wandler 33 an, der die als analoges Signal an­ fallenden Spannungen in eine digitale Ausgangsgröße um­ wandelt, nämlich in Frequenzen, die über eine Ausgangs­ leitung 34 zu einer Auswerteeinrichtung 30 gelangen.

Ausweislich der in Fig. 1 gestrichelten Linie 31 könnte der Wählschalter 23 auch an dieser Stelle der Meßeinrichtung 15 vorgesehen sein und die vorgenannten Bauteile der Fol­ geschaltung 27 in entsprechender Stückzahl jeweils für sich in Fortsetzung der beschriebenen Eingangskreise 26, 26′ jeder Baugruppe 11, 11′ zugeordnet sein. Sowohl in diesem Fall als auch im dargestellten Ausführungsbei­ spiel von Fig. 1 kann aber für den Betrieb aller indi­ viduellen Bauteile der ganzen Meßeinrichtung 15 und der Auswerte­ einrichtung 30 die gleiche Betriebsspannung Ub₁ verwendet werden. Dies ergibt sich als außerordentlich wichtiger Vorteil durch Verwendung des diesen Einrichtungen 15, 30 gemeinsamen Bezugs­ potentials m.

Normalerweise erfolgt durch die Schaltung von Fig. 1 eine "passive Isolationsüberwachung", indem das bereits erwähnte Spannungsverhältnis Vu beobachtet wird. Man mißt den Spannungsabfall Um über dem Widerstand Rm in der jeweiligen Baugruppe und ermittelt auf nicht näher gezeigte Weise, z. B. durch einen zusätzlichen Schalter, über die gleiche Meßeinrichtung 15 auch die Batteriespannung Ub. Aus der Differenz von Ub und Um wird mittelbar auch der Spannungs­ abfall Up über dem Widerstand Rp errechnet. Diese Berech­ nungen erfolgen durch einen in der Auswerteeinrichtung 30 integrierten Rechner.

Die Auswerteeinrichtung vergleicht fortlaufend das jeweilige Spannungsverhältnis Vu mit definierten Fehlerspannungs­ verhältnissen V_Rmf und V_Rpf. Diese Fehlerspannungs-Ver­ hältnisse gehen von einem noch tolerierbaren Grenzwider­ stand Rm_f und Rp_f andererseits aus, welche in der betreffenden Baugruppe die zugehörigen Isolationswiderstände Rm bzw. Rp einnehmen könnten. Diese Fehlerspannungs-Verhältnisse werden nach den in den Zeich­ nungen durch die beiden Formeln (B) gegebenen Beziehungen aus den aktuellen gemessenen Isolationswiderständen Rp und Rm ermittelt. Dabei ist das reziproke Bildungsgesetz zu beachten. Im zeitlichen Ablauf ergeben sich dann die im Diagramm von Fig. 2 gezeigten Betriebsverhältnisse, woraus folgendes zu ersehen ist.

In der vertikalen Achse des Diagramms von Fig. 2 ist das erwähnte Spannungsverhältnis Vu aufgetragen, während hori­ zontal die Zeit-Achse angeordnet ist. Die beiden erwähnten Fehlerspannungs-Verhältnisse V_Rmf und V_Rpf erscheinen als zur Zeitachse t parallele Linien in Fig. 2 und bestimmen obere und untere Grenzwerte, zwischen denen das Spannungs­ verhältnis Vu sich im zeitlichen Verlauf verändern darf, was in Fig. 2 durch die Kurve 18 angedeutet ist. Die beiden Grenzwerte V_Rmf und V_Rpf bestimmen ein Bewegungsfenster 17, zwischen denen, ohne daß ein Fehlerfall festgestellt wird, die Kurve 18 sich bewegen darf.

Fig. 3 zeigt einen "Fehlerfall", wo die analoge Kurve 18′ über den zeitlichen Verlauf des beobachteten Spannungs­ verhältnisses Vu die eine Grenze V_Rmf erreicht oder sogar überschritten hat, also in das schraffiert in Fig. 2 und 3 angedeutete Feld des Diagramms gelangt ist. Wie Fig. 3 ver­ deutlicht, soll dieses Ereignis im Zeitpunkt t₀ stattfinden. In diesem Zeitpunkt wird, wie an der Kurve 18′ durch die Parameter-Angabe verdeutlicht ist, über dem Isolations­ widerstand Rm der verkleinerte Spannungsabfall Um_t0 gemessen. Durch einen von der Auswerteeinrichtung 30 ausgehenden, in Fig. 1 nicht näher gezeigten Steuerimpuls wird ein be­ wegliches Kontaktglied in einem Schalter 35 der jeweils beobachteten Baueinheit 11 bzw. 11′ umgelegt, so daß ein zugehöriger Referenzwiderstand Rr₁ bzw. Rr_E parallel zu jenem Isolationswiderstand geschaltet wird, der jeweils größer ist und nicht den Fehlerfall ausgelöst hat. Im vorgenannten Fall würde folglich der Schalter 35 den Re­ ferenzwiderstand Rr₁ parallel zum Isolationswiderstand Rp₁ schalten. Die überwachte Anlage 10 ist aber, wie Fig. 1 andeutet, mit Kapazitäten behaftet, die entsprechend ihrer Parallel-Lage zu den jeweiligen Widerständen mit Cp₁, Cm₁, Cp_E und Cm_E bezeichnet sind. Dies hat zur Folge, daß die gemessene Spannung vom Zeitpunkt t₀ an sich nach einer Exponentialfunktion allmählich verändert, wie durch das Kurvenstück 21 in Fig. 3 näher gezeigt ist. Es findet ein Einschwingvorgang statt, der in manchen Fällen beispiels­ weise 1 Minute betragen kann. Es wird daher, wie Fig. 3 verdeutlicht, während zweier aufeinanderfolgender Zeiten t₁ und t₂, die aber jeweils in zueinander gleicher Zeit­ differenz dt₁ liegen, Testmessungen der sich dann ergebenden Meßspannung vorgenommen, welche zu den aus Fig. 3 ersicht­ lichen Werten Um_t1 und Um_t2 im Kurvenstück 21 führen. Mit Hilfe der Meßergebnisse bei diesen drei Messungen bei t₀, t₁ und t₂ läßt sich über die aus den Zeichnungen unter (C) angeführte Näherungsgleichung die Einschwingdauer t_d errechnen, was ebenfalls von dem Rechner in der Auswerte­ einrichtung 30 übernommen wird. Nach Ablauf dieser Ein­ schwingdauer t_d kann erst die durch Einschalten des Re­ ferenzwiderstandes Rr sich ergebende Teilspannung ermittelt werden. Dies wird ebenfalls von dem Rechner der Auswerteein­ richtung 30 übernommen, der die Berechnung nach folgenden beiden Gleichungen aus den bekannten Werten ermittelt, wenn, wie im angenommenen Fall, der Referenzwiderstand Rr dem zugehörigen Isolationswiderstand Rp parallel geschaltet worden ist:

Sofern aber der Referenzwiderstand Rr parallel dem anderen Isolationswiderstand Rm in der betreffenden Baueinheit zugeschaltet wird, so ergeben sich die folgenden abweichen­ den Gleichungen für die aus Fig. 2 ersichtliche Schaltung:

In Fig. 3 ist auch der Meßpunkt Um_r im Kurvenstück 21 am Ende der Einschwingzeit t_d im Kurvenstück 21 angeführt. Dann wird der Schalter 35 durch einen entsprechenden Impuls vom Computer der Auswerteeinrichtung 30 wieder geöffnet, weshalb dann, wiederum nach einer Exponential­ funktion das beobachtete Spannungsverhältnis Vu wieder anzusteigen beginnt, das in Fig. 3 durch ein gegenläufiges, sich anschließendes Kurvenstück 22 verdeutlicht ist. Auch hier ergibt sich wieder ein Einschwingvorgang, der aber wesentlich länger dauert als der vorausgehende Einschwingvorgang t_d beim Einschalten des Referenzwiderstandes Rr, nämlich beispielsweise etwa 20 Minuten. Während dieses Einschwingvorgangs im Kurvenstück 22 läßt sich das tatsächliche Spannungsverhältnis Vu noch nicht ermitteln. Um diesen Vorgang zu beschleunigen, wird erfindungsgemäß weiter vorgeschlagen, einen Widerstand, insbesondere den ohnehin verfügbaren Referenzwiderstand Rr, parallel dem jeweils anderen Iso­ lationswiderstand zu schalten. Ausgehend von dem vorbe­ schriebenen Fall, bei dem Rr parallel zu Rp geschaltet wurde, wird jetzt der Schalter 35 den Referenzwiderstand Rr parallel zum Isolationswiderstand Rm schalten. Dadurch ergibt sich ein wesentlich kürzerer Einschwingvorgang im Kurvenstück 22 und es wird eine schnellere Betriebsbereitschaft in der betreffenden Meßeinrichtung erreicht.

Die auf die vorgenannte Weise ermittelten beiden aktuellen Isolationswiderstände Rm und Rp werden nun daraufhin über­ prüft, ob sie tatsächlich die noch tolerierbaren oben er­ wähnten Grenzwiderstandswerte Rm_f bzw. Rp_f erreichen. Ist dies der Fall, so wird von der Auswerteeinrichtung 30 Alarm ausgelöst und dieser Alarm auch angezeigt. Zweck­ mäßigerweise wird auch der Zeitpunkt der Alarmauslösung festgehalten. Wie schon eingangs erwähnt wurde, kann aber auch ein scheinbarer Fehlerfall auftreten, der sich bei­ spielsweise durch Abschalten von Teilkreisen der Baugruppen ergibt, und zwar das Spannungsverhältnis Vu auch an den oberen und unteren Grenzwert V_Rmf bzw. V_Rpf führt, aber nicht auf einer unzumutbaren Erniedrigung des Iso­ lationswiderstandes Rm bzw. Rp beruht. Es kann sogar sein, daß der jeweils andere Isolationswiderstand in Wirklichkeit besser als vorher geworden ist. Dies wird vom Auswertegerät 30 sofort festgestellt, weil dann die ermittelten aktuellen Isolationswiderstände Rm, Rp nicht die Grenzwiderstände Rm_f bzw. Rp_f erreichen. Die Auswerteeinrichtung 30 gibt jetzt keinen Alarm, sondern veranlaßt Korrekturen der Überwachung in folgender Weise.

An Hand der ermittelten aktuellen Isolationswiderstände Rm, Rp werden an Hand der bereits oben erwähnten Formeln (B) neue Fehlerspannungs-Verhältnisse ermittelt, die jetzt, wie Fig. 3 verdeutlicht, zu neuen Grenzwerten V′_Rmf und V′_Rpf führen. Diese bestimmen ein dementsprechendes neues Bewegungsfenster 17′, in welchem sich in der weiteren Folge das beobachtete Spannungsverhältnis Vu verändern darf, ohne einen neuen Fehlerfall auszulösen. Damit ergibt sich eine bessere Anpassung an die neuen Verhältnisse.

Wie schon aus Fig. 2 zu entnehmen ist, sind in einigem Abstand oberhalb des Bewegungsfensters 17 weitere obere und untere Schranken Vm_ks und Vp_ks angeordnet, welche nicht mehr tolerierbare Kurzschlußverhältnisse festlegen, die in keinem Fall überschritten und unterschritten werden dürfen und daher in den Fig. 2 bis 8 kreuzschraffiert angedeutet sind. Man könnte diese Schranken durch eine den Formeln (B) vergleichbare Definition festlegen, die mit minimalen, nicht mehr tolerierbaren Kurzschluß-Isolationswiderständen bestimmt werden. In Praxis geht man aber so vor, daß man einen Kurzschlußfall bereits dann annimmt, wenn das Spannungs­ verhältnis sich von dem normalen Wert wie 1 : 50 verändert. Ein solches Ereignis wird von der Auswerteeinrichtung 30 als "Kurzschlußfall" angesehen. Dieser kann nun tatsächlich vorliegen oder durch andere fehlerhafte Umstände begründet sein, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ohne weiteres ermittelt werden können, wie an Hand der übrigen Fig. 4 bis 8 näher erläutert ist. Dazu wird das erfindungsgemäße Ver­ fahren in der jeweils nachfolgend angeführten Weise modi­ fiziert.

Im Diagramm von Fig. 4 wird ein Kurzschlußfall angenommen, wo im Zeitpunkt t₀ die untere Schranke Vp_ks durch einen unzulässig kleinen Isolationswiderstand Rpf festgestellt worden ist. Eine komplette Isolationsmessung im Sinne der Fig. 3 würde jetzt zu viel Zeit in Anspruch nehmen, zumal solche Kurzschlußfehler häufig nur äußerst kurz sind, z. B. 2,5 Sekunden dauern. Im übrigen ist man natürlich auch bestrebt, einen wirklichen gravierenden Kurzschlußfall möglichst schnell zu ermitteln. Deshalb wird jetzt erfindungsgemäß ein verkürztes Prüfungsverfahren angewendet, welches folgen­ dermaßen arbeitet:

Der Referenzwiderstand Rr wird auch jetzt wieder dem hoch­ ohmigeren der beiden Isolationswiderstände Rm parallel geschaltet und es ergibt sich nach bestimmter Zeit, im Zeitpunkt t₁ ein Spannungswert, der in Fig. 4 durch den entsprechenden Parameter Um_t1 gekennzeichnet ist. Dies führt zu der aus Fig. 4 ersichtlichen aktuellen Spannungs­ änderung dUm_t1, die von der Auswerteeinrichtung 30 mit einem bestimmten vorgegebenen Schwellenwert dU_s verglichen wird. Die Höhe dieses Schwellenwertes dU_s richtet sich nach der Größe des Referenzwiderstandes Rr und dem nicht mehr tolerierbaren minimalen Isolationswiderstand sowie der zugehörigen Kapazität der Anlage 10. Jetzt kann es zu folgenden beiden Fallunterschieden kommen.

Ist bei der Messung eine Spannungsänderung dUm_t1 ermittelt worden, die, wie in Fig. 4 verdeutlicht, unterhalb dieses Schwellenwertes dU_s liegt, so liegt ein tatsächlicher "Kurzschlußfall" vor, der zu einem entsprechenden Alarm durch die Auswerteeinrichtung 30 führt. Die weitere Messung der Isolationswiderstände Rm bzw. Rp wird nicht mehr ver­ anlaßt und auch nicht angezeigt. Es wird aber ein ent­ sprechendes Signal gegeben und es können zweckmäßigerweise die dabei vorliegenden Kurzschlußspannungen Um bzw. Up angezeigt werden, wobei auch der Zeitpunkt dieses Kurz­ schlußfalls festgehalten wird.

Im anderen Fall, wo nach Ablauf einer definierten Zeit­ spanne zwischen t₁ und t₀ eine gegenüber dem erwähnten Schwellenwert dU_s größere Spannungsänderung dUm_t1 sich ergibt, liegt kein wirklicher Kurzschlußfall, sondern nur ein scheinbarer Kurzschlußfall vor, der vermutlich durch einen Umladevorgang der Kapazitäten in der betreffenden Baugruppe 11 bzw. 11′ der signaltechnischen Anlage 10 zustande gekommen ist. Jetzt kann, ohne zeitlichen Druck, die bereits beschriebene Messung der Isolationswiderstände im Sinne der Fig. 3 ausgeführt werden. Dies kann zunächst von der Auswerteeinrichtung 30 angezeigt und dann durch eine Beobachtungsperson in die Wege geleitet werden. Es wäre aber auch möglich, daß die Auswerteeinrichtung 30 ein entsprechendes Programm besitzt, welche die vorbe­ schriebene Verfahrensweise selbsttätig steuert.

Es können bei der Kurzschlußüberwachung schließlich auch Sonderfälle auftreten, von denen ein erster im Diagramm von Fig. 6 veranschaulicht ist und auf Verhältnissen be­ ruht, die vorausgehend in Fig. 5 dargestellt sind, wo der untere linke Teil der Schaltung von Fig. 2 wiederge­ geben ist. Wie aus Fig. 5 erkennbar, soll angenommen werden, daß der Anschlußstecker der Meßeinrichtung 15 hinsichtlich dieser Baugruppe 11 nicht steckt; es soll die Verbindung der Anschlußleitung 29 gegenüber der Erde 14 nicht bestehen. Wie in Fig. 6 verdeutlicht, sinkt der ermittelte Spannungswert Um_t0 auf den Wert Null. Die angedeutete Schranke Vm_ks wird jetzt überschritten und es wird folglich der Referenzwiderstand Rr, wie im er­ findungsgemäßen Verfahren vorausgehend beschrieben wurde, dem anderen Isolationswiderstand Rp parallel geschaltet. Jetzt steigt die Meßspannung auf den in Fig. 6 angedeuteten Wert Um_t1, der annähernd der Batteriespannung Ub entspricht. Dieser Wert ist in Fig. 6 als Parameter mit eingezeichnet. Ein solches Ereignis ist für das erfindungsgemäße Verfahren ein Kriterium, daß der Stecker des Geräts nicht eingesteckt ist bzw. nicht ordnungsgemäß funktioniert. Dies wird in der Auswerteeinrichtung 30 festgestellt und entsprechend angezeigt. Die Bedienungsperson kann eine entsprechende Behebung dieses Defekts vornehmen. Wie ersichtlich, ist im Falle der Fig. 6 der Spannungsanstieg beträchtlich höher als der Schwellen­ wert dU_s, nämlich nahezu gleich Ub. Erreicht die Spannungs­ änderung nicht diese hohen Werte, so ist dies ein Hinweis für eine sogenannte "Anzeigebereichs-Überschreitung", die nachfolgend im Zusammenhang mit Fig. 7 und 8 näher be­ schrieben wird.

In der Anlage 10 kann es vorkommen, daß bei manchen Bau­ gruppen die zu überwachenden Isolationswiderstände Rp, Rm extrem hochohmig sind und aus diesem Grunde von der Meß­ vorrichtung 15 nicht verarbeitet werden können. Die Folge ist, daß, wie Fig. 7 erläutert, das beobachtete Spannungs­ verhältnis Vu in den kreuzschraffierten Bereich des Dia­ gramms gelangt, beispielsweise über die eingezeichnete untere Kurzschluß-Schranke Vm_ks. Es wird, wie schon oben erläutert wurde, zum Zeitpunkt t₀ der Referenzwiderstand Rr durch den erwähnten Schalter 35 wirksam gesetzt, und zwar parallel zu dem in der dargestellten Baugruppe 11 befindlichen Isolationswiderstand Rp_E. Dadurch schließt sich an die bisherige Kurve 18′′ ein wieder exponentielles Kurvenstück 21′′ an, das nach einer definierten Zeit t₁ den aus Fig. 7 ersichtlichen Spannungsabfall Um_t1 erreicht. Daraus ergibt sich die ersichtliche Spannungsänderung dUm_t1, die zwar größere als der bereits erwähnte vorgegebene Schwellenwert dU_s, aber kleiner als die Batteriespannung Ub ist. Dieser Tatbestand wird von der Auswerteeinrichtung 30 erkannt und in der zugehörigen Anzeige entsprechend kenntlich gemacht. Dann wird der zum Referenzwiderstand Rr gehörende Schalter 35 geöffnet und es schließt sich im Kurvenverlauf von Fig. 7 wieder ein exponentieller Abfall 22′′ auf den Ausgangswert an.

Die Anzeige der Auswerteeinrichtung 30 macht aber die Bedienungsperson darauf aufmerksam, daß bei diesem Verhalten eine "Anzeigebereichs-Überschreitung" vorliegt. Die Bedienungsperson wird daher extern zur Meß­ einrichtung, also in der Baugruppe 11 innerhalb der Anlage 10, wie Fig. 7 zeigt, einen ausreichend hohen Zusatzwider­ stand Rz parallel zu dem betreffenden Isolationswiderstand Rp_E schalten, der etwa dem Eingangswiderstand der Meßeinrichtung 15 ent­ spricht. Bei der künftigen Überwachung der Baugruppe 11 hat dies zur Folge, daß das beobachtete Spannungsverhältnis Vu wieder innerhalb des Bewegungsfensters 17 von Fig. 7 liegt. Kommt es jetzt zu aktiven Messungen der Isolationswiderstände, so wird geräteseitig der Referenzwiderstand Rr auf Grund der ge­ nannten Betriebsbedingungen dem größeren Isolationswiderstand parallel geschaltet, worauf sich die übliche Bestimmung der aktuellen Isolationswerte unter Einbeziehung des parallelgeschalteten Zusatzwiderstandes Rz ergibt.

Die im Zusammenhang mit Fig. 3 geschilderten Verfahrens­ schritte werden nicht nur im Fehlerfall veranlaßt, sondern zweckmäßigerweise auch unabhängig davon in folgenden beiden Fällen ausgeführt. Zu Beginn des Betriebs, also beim Einschal­ ten der Meßeinrichtung wird, bewirkt durch eine in der Auswerteeinrichtung 30 befindliche Steuerung, automatisch eine Messung der aktuellen Isolationswiderstände Rm, Rp veranlaßt und damit auch die das Bewegungsfenster 17 be­ stimmenden oberen und unteren Grenzwerte V_Rmf und V_Rpf bestimmt. Dies wird natürlich für jede einzelne Baugruppe 11, 11′ der Anlage 10 ausgeführt. Damit ist der weitere Betrieb in der geschilderten erfindungsgemäßen Weise ge­ währleistet.

Die Steuermittel im Bereich der Auswerteeinrichtung 30 sorgen auch dafür, daß zumindest in jenen Fällen, wo eine aktive Messung der Isolationswiderstände Rm, Rp nicht stattgefunden hat, die entsprechenden Referenzmessungen in regelmäßigen zeitlichen Abständen, z. B. spätestens alle 24 Stunden, ausge­ führt werden. Die dabei erlangten neuen Werte werden dann gespeichert und sind für die Bestimmung der oberen und unteren Grenze V_Rmf und V_Rpf des Bewegungsfensters 17 maßgeblich. Dadurch werden auch jene Fälle erfaßt, wo sich die beiden Isolationswiderstände Rp, Rm proportional zuein­ ander verändern sollten und daher bei dem beobachteten Spannungsverhältnis Vu normalerweise nicht in Erscheinung treten. Dadurch ist eine zuverlässige Überwachung gewähr­ leistet.

Claims (9)

1. Verfahren zum Überwachen jeweils der beiden Isolationswiderstände (Rm, Rp) bei einer Anzahl von Baugruppen (11, 11′) in einer elektrischen Anlage (10) mit einer gemeinsamen bezugpotentialfreien Stromversorgung (12), gegenüber einem jeder Baugruppe (11, 11′) zugeordneten bestimmten Bezugspotential oder gegenüber dem gemeinsamen Massepotential (14), insbesondere bei einer fernmelde- oder signaltechnischen Einrichtung mit einzelne Baugruppen aufneh­ menden Gestellen (14′),
wobei in jeder Baugruppe (11, 11′) das Spannungsverhältnis (Vu) aus den Spannungsabfällen (Up; Um) über den beiden Isolationswider­ ständen (Rp, Rm), die zwischen den beiden Polen (p, m) der Stromversorgung (12) und dem Massepotential (14) oder den einzelnen Gestellen (14′) auftreten, ermittelt wird, und das Spannungsverhältnis (Vu) mit einem vorgegebenen noch zulässigen oberen Grenzwert und einem unteren Grenzwert laufend verglichen wird
und diese Grenzwerte ein Bewegungsfenster (17) für das variierende Spannungsverhältnis (Vu) bestimmen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden das Bewegungsfenster (17) bestimmenden Grenzwerte Fehlerspannungs-Verhältnisse (V_Rpf, V_Rmf) sind, von denen der eine Grenzwert (V_Rmf) sich als Quotient aus dem aktuellen Isolationswi­ derstand (Rp) am Pluspol (p) der Stromversorgung (12) und einem noch tolerierbaren Grenzwiderstand (Rm_f) am Minuspol (m) ergibt, während der andere Grenzwert (V_Rpf) sich als Quotient aus einem tolerierbaren Grenzwiderstand (Rpf) am Pluspol (p) der Stromversor­ gung (12) und dem aktuellen Isolationswiderstand (Rm) am Minuspol (m) ergibt,
und daß bei erzeugtem Störsignal dem jeweils größeren der beiden zu überwachenden Isolationswiderstände (Rm, Rp) ein Referenzwider­ stand (Rr) in der Meßeinrichtung parallel geschaltet wird und die Spannungsabfälle (Um, Um_r), die sich einmal ohne und einmal mit dem Referenzwiderstand (Rr) ergeben, dann ermittelt werden, wenn die Einschwindzeit (td) für den durch die Zuschaltung des Referenz­ widerstands (Rr) sich ergebenden Einschwingvorgang des zu über­ wachenden Spannungsverhältnisses (Vu) abgelaufen ist,
sodann aus diesen Spannungsabfällen (Um, Um_r) sowie aus der Batteriespannung (Ub) und aus dem zugeschalteten Referenzwiderstand (Rr) die konkreten aktuellen Isolationswiderstände (Rm, Rp) errech­ net werden
und für den einen Fall, bei dem wenigstens einer der beiden aktuellen Isolationswiderstände (Rm, Rp) den Wert des noch tolerierbaren Grenzwiderstands (Rm_f, Rp_f) erreicht hat, Alarm ausgelöst wird,
und für den anderen Fall, bei dem keiner der beiden aktuellen Isolationswiderstände (Rm, Rp) sich auf den Wert der noch zulässi­ gen Grenzwiderstände (Rm_f, Rp_f) vermindert hat, aus diesen Isolationswiderständen (Rm, Rp) neue Fehlerspannungsverhältnisse (V_Rpf, V_Rmf) ermittelt werden, welche die oberen und die unteren Grenzwerte (V′_Rpf, V′_Rmf) eines neuen Bewegungsfensters (17′) für die weitere Überwachung des Spannungsverhältnisses (Vu) liefern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzwiderstand (Rr) durch wahlweises Ein­ schalten eines oder mehrerer Einzelwiderstände aus einer Anzahl von Festwiderständen gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der einzelnen aktuellen Isolations­ widerstände (Rm, Rp) durch Zuschalten des Referenz­ widerstandes (Rr), unabhängig vom Fehlerfall, jeweils beim Einschalten der elektrischen Anlage ausgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der einzelnen aktuellen Isolationswider­ stände (Rm, Rp) durch Zuschalten des Referenzwiderstandes (Rr), unabhängig vom Fehlerfall, in bestimmten zeitlichen Abständen ausgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb und unterhalb des Bewegungsfensters (17) als oberer und unterer Grenzwert für die Überwachung der Anlage dienende nicht mehr tolerierbare Kurzschluß- Spannungsverhältnisse (Vm_ks, Vp_ks) festgelegt werden und daß im Kurzschlußfall, bei dem das beobachtete Spannungs­ verhältnis (Vu) das obere bzw. das untere Kurzschluß- Spannungsverhältnis (Vm_ks, Vp_ks) erreicht, der Referenz­ widerstand (Rr) dem hochohmigeren der beiden Isolations­ widerstände (Rm, Rp) parallel geschaltet wird und die nach einer bestimmten kurzen Zeit sich daraus ergebende Spannungsänderung (dUm_l) gemessen sowie mit einem vorgegebenen Schwellenwert (du_s) verglichen wird, der von der Größe des auslösenden Isolationswider­ stands (Rm_f, Rp_f) des Referenzwiderstandes (Rr) und der Kapazität der Anlage abhängt, wobei nur für den Fall, wo die Spannungsänderung (dUm_tl) den Schwellenwert (dU_s) unterschreitet, ein Kurzschluß­ alarm gegeben wird, während in allen anderen Fällen, die nur einem scheinbaren Kurzschluß entsprechen, die Messung der einzelnen aktuellen Isolationswider­ stände (Rm, Rp) durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der scheinbare Kurzschluß-Fall, bei dem die Spannungs­ änderung (dUm_tl) nahezu auf die Betriebsspannung (Ub) der Anlage (10) ansteigt, als Anschluß-Fehler der be­ treffenden Baugruppe (11, 11′) der Anlage erkannt und entsprechend angezeigt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der scheinbare Kurzschluß-Fall, bei dem die Spannungs­ änderung (dUm_tl) zwar den Schwellenwert (dU_s) über­ steigt, aber die Betriebsspannung (Ub) nicht nahezu erreicht, als Aneeigebereichsüberschreitung erkannt und angezeigt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall der Anzeigebereichsüberschreitung in der betreffenden Baugruppe (11, 11′) ein größenordnungs­ mäßig dem Innenwiderstand der Meßeinrichtung (15) ent­ sprechender Zusatzwiderstand (Rz) parallel zu dem nicht als Bezugspotential (m) genutzten Pol (p) der Stromversorgung (12) geschaltet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Ermitteln der das neue Bewegungsfenster (17′) bestimmenden Grenzwerte (V′_Rmf′, V′_Rpf) ein Wider­ stand, insbesondere der Referenzwiderstand (Rr), parallel zu dem anderen Isolationswiderstand der betreffenden Baugruppe (11, 11′) in der Meßeinrichtung (15) solange geschaltet wird, bis das Spannungsverhältnis (Vu) annähernd den früheren, zum Auslösen des Fehlerfalls maßgeblichen Grenzwert (R_Rmf, V_Rpf) des vorausgehenden Bewegungsfensters (17) erreicht hat.