DE3727950C2 - - Google Patents
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- DE3727950C2 DE3727950C2 DE19873727950 DE3727950A DE3727950C2 DE 3727950 C2 DE3727950 C2 DE 3727950C2 DE 19873727950 DE19873727950 DE 19873727950 DE 3727950 A DE3727950 A DE 3727950A DE 3727950 C2 DE3727950 C2 DE 3727950C2
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend
dem Oberbegriff des Anspruches 1 zur Durchführung von
Spannungsprüfungen und -messungen oder Phasenvergleichsmessungen
an einer Mittel- oder Hochspannungsschaltanlage.
Für das Feststellen der Spannungsfreiheit von
Schaltanlagen werden vielfach bewegliche
Spannungsprüfer eingesetzt. Bei metallgekapselten
Schaltanlagen und bei Freiluft-Schaltanlagen ist
ihre Anwendung jedoch sehr problematisch. Zum Einführen
des Spannungsprüfers in Schaltfelder muß
nämlich die Metallkapselung durch das Öffnen einer
Tür oder einer Klappe teilweise aufgehoben werden.
Hierdurch wird die Störlichtbogenfestigkeit der
Schaltanlage beeinträchtigt und das Personal während
der Spannungsprüfung erhöhten Gefahren ausgesetzt.
Bei gasisolierten Schaltanlagen ist der Einsatz
beweglicher Spannungsprüfer nur mit hohem technischen
Aufwand möglich.
Aus den genannten Gründen werden seit einiger Zeit
neue Vorrichtungen zum Prüfen der Spannungsfreiheit
eingesetzt. Sie müssen jedoch bereits bei der Kon
struktion der Schaltanlage berücksichtigt werden
und sind deshalb nicht universell einsetzbar. Ihre
Berührungssicherheit ist im Störungsfall nicht ge
währleistet.
Bei luftisolierten Schaltanlagen werden sogenann
te Teilerstützer verwendet. Ihre Wirkung beruht
auf einer kapazitiven Spannungsteilung der Leiter
spannung zwischen Phase und Erde. Zur Bildung der
phasenseitigen Kapazität wird im Teilerstützer eine
Koppelelektrode eingegossen. Als meßtechnischer Ab
griff dient die Befestigungsschraube des Stützers,
die nunmehr gegen Erde isoliert werden muß. Die erd
seitige Kapazität wird durch die Eigenkapazität der
niederspannungsseitigen Verbindungsleitungen gebil
det. Sie muß in einem festen Verhältnis zur vorge
gebenen Kapazität der Koppelelektrode stehen. Zwangs
läufig ist die Leitungslänge und die Leitungsform
für das Spannungsteilerverhältnis und damit für die
Höhe der Meßspannung bestimmend.
Für gasisolierte Schaltanlagen finden gleichfalls
Teilerstützer Verwendung. Da jedoch das Herausfüh
ren der Leitung aus dem Dichtbereich der Metall
kapselung mit einer zusätzlichen Dichtungsmaßnahme
verbunden wäre und eine Erhöhung der Gas-Leck-Ra
te zur Folge hätte, wird in der Regel eine kapazi
tive Ankoppelung an der Leiterspannung außerhalb
der Metallkapselung der Schaltanlage durchgeführt.
Hierfür sind Kabeldurchführungen, Stromwandler und
Kabelsteck-Endverschlüsse geeignet. Anstelle einer
speziellen Koppelelektrode werden dabei die vor
handenen Feldsteuerbeläge zur Spannungsmessung
herangezogen.
Die vorstehend geschilderten bekannten Vorrichtun
gen zum Prüfen von Mittel- oder Hochspannungsschalt
anlagen auf Spannungsfreiheit sind mit verschiedenen
Nachteilen behaftet.
So erfordert das kapazitive Teilerverhältnis defi
nierte und konstante Kapazitätswerte, die auf die
Betriebsspannung der Schaltanlage und auf die er
forderliche Meßspannung abzustimmen sind. Während
beispielsweise die Kapazität der Koppelelektrode
eines Teilerstützers 10-30 pF betragen kann, be
trägt die Kapazität eines Feldsteuerbelages nur we
nige pF. Dies bedeutet, daß die Länge der Verbin
dungsleitung und damit die Meßspannung eng begrenzt
ist und bei Überschreiten von wenigen m Leitungslän
ge am Anzeigeinstrument keine ausreichende Meßspan
nung zur Verfügung steht.
Es ist ferner nicht auszuschließen, daß die Isolation
eines Kabelsteck-Endverschlusses oder die Isolation
zwischen der Koppelelektrode eines Teilerstützers
schadhaft wird und es zu einem Durchschlag kommt, der
Hochspannung auf die Niederspannungsseite übertreten
läßt. Mit einem Überspannungsableiter, der zwischen
Koppelelektrode und Erde des Teilerstützers oder zwi
schen Feldsteuerbelag und geerdetem Kabelschirm ange
geschlossen wird, läßt sich die Gefahr des Über
tretens von Hochspannung auf die Niederspannungs
seite im Störungsfall nicht generell vermeiden. Es
ist daher ein erhöhter Berührungsschutz durch dop
pelte Isolation und damit ein zusätzlicher techni
scher Aufwand erforderlich.
In luftisolierten Anlagen müssen ferner die Meßlei
tungen zwischen dem Teilerstützer und den Anschluß
stellen der Anzeigeinstrumente innerhalb der Schalt
anlage so verlegt werden, daß sie nicht in den Be
reich eines Lichtbogens kommen, der beim Durchschlag
der Luftisolation auftreten kann. Zur Erzielung einer
definierten Kapazität der Verbindungsleitung werden
bevorzugt Koaxialleitungen mit geerdetem Schirm ver
wendet. In eng gebauten Schaltfeldern muß deshalb
die Verlegung dieser Verbindungsleitungen zum Schutz
gegen Lichtbogeneinwirkungen in Schutzrohren erfol
gen. Dies ist auch deshalb zwingend erforderlich, weil
diese Verbindungsleitungen bei der Funktionsprüfung
des Spannungsprüfers nicht mit einbezogen werden.
Ähnliche Probleme treten - wie im Zusammenhang mit
der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Er
findung noch näher erläutert wird - auch bei der
Durchführung von Phasenvergleichsmessungen sowie
bei der Messung der Betriebsspannung in Mittelspan
nungs- und Hochspannungsschaltanlagen auf.
Durch die DE-OS 33 29 748 ist bereits eine Vorrichtung
gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bekannt. Hierbei
ist die an die Koppelelektrode kapazitiv angeschlossene
Anzeigeeinrichtung in räumlicher Entfernung
vom Teilerstützer vorgesehen und wird durch eine
Glimmlampe oder ein LED gebildet.
Durch die US-PS 42 95 094 ist ferner eine Meßvorrichtung
bekannt, bei der ein analoges Eingangssignal in
ein Frequenzsignal umgewandelt wird, das seinerseits
in Licht umgeformt und durch eine Faseroptik an eine
Empfangsstation übertragen wird, wo es von einem
optischen in ein elektrisches Signal rückgewandelt
wird.
Gegenstand der DE-OS 34 03 655 ist ferner eine Einrichtung
zur Anzeige einer elektrischen Spannung, die ein
kapazitiv an Masse gekoppeltes LCD-Element enthält.
Durch die EP-A1 01 65 489 ist schließlich eine Anordnung
zum Messen der elektrischen Spannungsparameter
eines Hochspannungsleiters bekannt, bei der ein Sensor
mit einer in der Nähe des Hochspannungsleiters angeordneten
Elektrode und einer Referenzelektrode leitend
verbunden ist, wobei der Sensor die Helligkeit eines
eingestrahlten Lichtbündels moduliert, das zum Meßgerät
reflektiert und von einem Empfänger in ein
elektrisches Signal umgewandelt wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches
1 zur Durchführung von Spannungsprüfungen und -messungen
oder Phasenvergleichsmessungen an einer Mittel-
oder Hochspannungsschaltanlage zu entwickeln, die sich
durch größtmögliche elektrische und mechanische Entkopplung
zwischen Meßort und Anzeige auszeichnet, bei
der, insbesondere unabhängig von der Länge der Verbindungsleitung
eine zuverlässige Anzeige gewährleistet
ist, die unempfindlich gegen Störungen ist
und die am Meßort keine separate Betriebsspannung
benötigt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn
zeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Zweckmäßige
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in
der Zeichnung schematisch veranschaulicht. Es zeigt
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungs
gemäßen Vorrichtung zum Prüfen einer
Schaltanlage auf Spannungsfreiheit,
Fig. 2 eine Schemadarstellung von Einzelheiten
der Vorrichtung gemäß Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt durch die für das Verständ
nis der Erfindung wesentlichen Teile der
Vorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2,
Fig. 4 eine Schemadarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Phasenvergleichsmessung
in einer Schaltanlage,
Fig. 5.1 und 5.2 Diagramme zur Erläuterung der Funktion
der Vorrichtung gemäß Fig. 4,
Fig. 6 eine Schemadarstellung eines Ausführungsbeispieles einer erfindungs
gemäßen Vorrichtung zur Messung der Be
triebsspannung in einer Schaltanlage,
Fig. 7 eine Detaildarstellung zum Ausführungs
beispiel gemäß Fig. 6.
Die in den Fig. 1 bis 3 als erstes Ausführungsbei
spiel der Erfindung dargestellte Vorrichtung dient
zum Prüfen einer Mittel- oder Hochspannungsschalt
anlage auf Spannungsfreiheit. Die Vorrichtung ent
hält einen Teilerstützer 1
mit einer eingegossenen Koppelelektrode 2. Die Ka
pazität zwischen der Sammelschiene 3 der metallge
kapselten Schaltanlage 4 und der Koppelelektrode 2
ist in der Prinzipdarstellung gemäß Fig. 1 mit C 1
bezeichnet.
An die Koppelelektrode 2 (mit der Kapazität C 1) ist
ein optoelektronischer Sensor 5 angeschlossen, der
einen Kondensator C 2 mit definiertem Kapazitätswert
enthält. Die Kapazität C 1 der Koppelelektrode 2 und
der Kondensator C 2 bilden einen kapazitiven Span
nungsteiler zwischen der Sammelschiene 3 und Erde.
Parallel zum Kondensator C 2 liegt die Reihenschal
tung eines Widerstandes R 1 und eines Flüssigkristall
anzeigeelementes (LCD) 6. Die LCD 6 wird über einen
Reflexionstastkopf 7 abgetastet, der über einen Licht
leiter 8 mit einem ortsveränderlichen Sende-Empfangs
gerät - Sende-Empfangseinrichtung - 9 verbunden ist.
Die wesentlichen Merkmale des konstruktiven Aufbaus
gehen aus Fig. 3 hervor:
Der Teilerstützer 1 ist mittels einer in den Stützer
fuß eingreifenden Befestigungsschraube 10 am Schalt
anlagengerüst 11 gehaltert. Dabei ist die Befestigungs
schraube 10 von der Koppelelektrode 2 isoliert und über
das Schaltanlagengerüst 11 geerdet.
Im Bereich des Stützerfußes ist der Teilerstützer 1 mit
einer seitlich eingegossenen Gewindebuchse 12 ver
sehen, die über einen Lötstift 13 und einen Stütz
ring 14 an die Koppelelektrode 2 angeschlossen ist.
Es versteht sich, daß die Verbindung zwischen der
Koppelelektrode 2 und der Gewindebuchse 12 auch in
anderer Weise, beispielsweise unmittelbar durch einen
umgebördelten unteren Rand der Koppelelektrode 2, her
gestellt werden kann.
In die Gewindebuchse 12 ist ein Gewindekörper 15 ein
geschraubt, in den ein Gewindebolzen 16 eingreift, der
zur Befestigung des Gehäuses 17 des Sensors 5 am Tei
lerstützer 1 dient. Zugleich stellt dieser Gewindebol
zen 16 die Verbindung (über eine Anschlußlasche 18)
zwischen der Koppelelektrode 2 und dem Kondensator C₂
her, der als Teil der elektronischen Bauelemente 19
des Sensors 5 auf einer Platine 20 angeordnet ist.
Zur Erzielung einer ausreichenden Kriechweglänge zwi
schen dem Kopf und dem Fuß des Teilerstützers 1 ist
der die Anschlußzone für den optoelektronischen Sen
sors 5 bildende Umfangsbereich des Teilerstützers 1
mit einem dachförmig vorstehenden Gießharzwulst 21
versehen.
Die Unterseite 22 des Stützerfußes ist metallisiert
und über das Schaltanlagengerüst 11 geerdet. Diese ge
erdete Unterseite des Stützerfußes ist ferner über
eine Kontaktfeder 23 und einen am stützerseitigen Ende
des Sensorgehäuses 17 vorgesehenen Kontaktring 24 mit
dem Sensor 5 verbunden.
Das Gehäuse 17 des Sensors 5 ist durch eine Schraub
kappe 25 verschlossen, die eine Überwurfmutter 26
zur Zugentlastung des Lichtleiters 8 aufweist. Zwi
schen dem Gehäuse 17 und der Schraubkappe 25 ist
eine Dichtung 27 vorgesehen. Eine weitere Dichtung 28
befindet sich in der Überwurfmutter 26.
Der Lichtleiter 8 ist an einem Element 29 befestigt.
Die LCD 6 ist durch Abstandselemente 30 zwischen der
Platine 20 und dem Element 29 gehalten. Der Reflexions
tastkopf 7 steht der LCD 6 in einem definierten Ab
stand gegenüber. Die Anschlußlasche für die Erdver
bindung des Sensors 5 ist mit 31 bezeichnet.
Die Funktion der in den Fig. 1 bis 3 veranschaulichten
Ausführung eines mit Flüssigkristallanzeige versehenen
optoelektronischen Sensors ist folgendermaßen:
Durch den von der Koppelelektrode 2 (Kapazität C 1) und
den Kondensator C 2 gebildeten kapazitiven Teiler wird
die Betriebsspannung der Schaltanlage auf die zulässi
ge Betriebsspannung eines Flüssigkristallanzeigeelemen
tes (LCD) herabgesetzt. Die am Kondensator C 2 auftre
tende Spannung bildet dabei die Betriebsspannung der
Anzeigeeinrichtung. Auf diese Weise wird die Meßspan
nung, die gleichzeitig als Betriebsspannung für die
LCD 6 anzusehen ist, unabhängig von äußeren Einflüs
sen und unabhängig von der Entfernung zwischen dem Tei
lerstützer 1 und der Anschlußstelle für das ortsverän
derliche Sende-Empfangsgerät 9.
Die Auswertung der LCD-Anzeige erfolgt durch das
Sende-Empfangsgerät 9 im Reflexionsverfahren. Das
Sende-Empfangsgerät 9 enthält zu diesem Zweck einen
in Fig. 1 schematisch angedeuteten Sender S und
einen Empfänger E.
Zur Übertragung der Reflexions-Lichtabtastung zwi
schen dem Sende-Empfangsgerät 9 und der LCD 6 wird
ein kunststoffisolierter Glas-Lichtleiter 8 in Duplex
ausführung verwendet, der aus der Metallkapselung der
Schaltanlage auf eine gut zugängliche Lichtleiter-Kupp
lung 32 herausgeführt wird.
Zweckmäßig ist für die Meß- und Betriebsspannung der
LCD eine Blinkschaltung, die auch vom Sende-Empfangs
gerät 9 erfaßt und bei anstehender Spannung im selben
Blinkintervall von etwa zwei Lichtzeichen pro s wie
dergegeben wird. Zur Fernübertragung über größere Ent
fernungen läßt sich das Sende-Empfangsgerät mit einem
Hilfsrelais ausrüsten.
Das Sende-Empfangsgerät wird in Dunkelschaltung betrie
ben. Nach dem Aufstecken auf die Lichtleiter-Kupplung 32
wird die Prüftaste betätigt, die das Gerät einschaltet.
Folgende Zustände werden erfaßt:
a) Spannung steht an:
Durch die am Kondensator C 2 auftretende Spannung wird
an der LCD eine Flüssigkristallanzeige angelegt. Bei
der Dunkelschaltung wird ein angesteuertes Segment
oder eine dunkle Marke auf einem hellen Unter
grund als Signal ausgewertet; im Sende-Empfangs
gerät 9 wird eine rote LED (licht-emittierende
Diode) über eine Blinkschaltung eingeschaltet.
Als Schaltkriterium dient somit der Kontrast
unterschied zwischen hell und dunkel. Der Duplex-
Lichtleiter 8 ist auf diese Marke über das Ab
standselement 30 (Fig. 3) justiert.
Der vom Sende-Empfangsgerät 9 ausgehende Licht
strahl wird auf der dunklen Marke des LCD 6 we
niger stark reflektiert; der Anteil des reflek
tierten Lichts ist also geringer als der mit der
Empfindlichkeitseinstellung des Sende-Empfangs
gerätes 9 eingestellte Wert.
In der einfachsten Ausführung wird die LCD 6 ohne
Oszillator direkt vom Hochspannungsnetz über den
kapazitiven Teiler mit Energie (Frequenz 50 oder
60 Hz) versorgt. Ihr geringer Eigenbedarf (klei
ner als 1 µA) pro Segment ermöglicht eine An
kopplung an Koppelelektrode oder Feldsteuerbelä
ge mit wenigen pF. Ihr großer Betriebsspannungs
bereich bietet Gewähr für eine zuverlässige Funk
tion auch bei gestörtem Netzbetrieb (z. B. bei Erd
schluß-Überspannungen).
b) Spannungsfrei:
Die LCD 6 bietet keine Anzeige. Die Empfindlich
keitsanzeige des Sende-Empfangsgerätes 9 dient nun
mehr als Meßkriterium. Die Innenschaltung des
Sende-Empfangsgerätes 9 läßt jetzt eine grüne
LED leuchten.
c) Übergang vom Zustand "Spannung steht an" auf Zu
stand "Spannungsfrei":
Die dunkle Marke auf der LCD 6 verschwindet. Der
vom Sende-Empfangsgerät 9 ausgehende Lichtstrahl
wird auf dem hellen Untergrund stark reflektiert.
Der mit der Empfindlichkeitseinstellung festgeleg
te Lichtwert wird wieder erreicht und dient als
Meßkriterium zur Einschaltung einer grünen LED.
d) Störung:
Der Lichtleiter 8 ist unterbrochen oder die Batte
riespannung ist unzureichend. In diesem Zustand er
folgt keine Anzeige im Sende-Empfangsgerät.
Im Zustand a) oder b) ist jeweils eine Eigenprüfung
des Sende-Empfangsgerätes 9 und des Lichtleiters 8
entsprechend der Prüfvorschrift für Spannungsprüfer
enthalten. Eine weitere Funktionskontrolle des gesam
ten Systems wird durch Umsetzen des Sende-Empfangsge
rätes 9 auf die Lichtleiterkupplung eines anderen
Phasenanschlusses ermöglicht.
Zu dem beim eben beschriebenen Ausführungsbeispiel be
nutzten Reflexions -Verfahren sei allgemein noch auf
folgendes hingewiesen:
Eine weitere Variante zum oben beschriebenen Ver
fahren besteht in der Verwendung einer sogenannten
transmissiven Flüssigkristall-Anzeige. Hierbei fin
det eine LCD-Ausführung Verwendung, die keinen Hin
tergrund-Reflektor trägt und deshalb zur Lichtre
flexion einen separaten Spiegel (Trippel-Spiegel)
auf der Rückseite der LCD benötigt. Bei diesem Re
flexions-System kann die Anzeige der LCD als kör
perliche Unterbrechung des Lichtstrahles nach dem
Reflexions-Lichtschranken-Prinzip genutzt werden.
Im Sende-Empfangsgerät 9 ist in einem einzigen Ge
häuse die Stromversorgung, der Lichtsender S, der
Lichtempfänger E und die Schalteinrichtung zur An
zeige von Überwachungszuständen untergebracht.
Wenn im optoelektronischen Sensor eine reflektive
LCD-Anzeige eingesetzt wird, kommt das Reflexions-
Tastverfahren zur Anwendung. Als Meßkriterium dient
die Veränderung der Lichtintensität des vom Objekt
reflektierten und vom Empfänger aufgenommenen Lich
tes.
Wird dagegen eine transmissive LCD-Anzeige eingesetzt,
ist das Reflexions-Lichtschranken-Prinzip zweckmäßig.
Der hierfür im Sensor zusätzlich erforderliche Spie
gel führt lediglich zur Vergrößerung der Baulänge
des Sensors.
In der Praxis hat sich der Wechsellichtbetrieb ge
genüber dem Gleichlichtbetrieb durchgesetzt. Beim
Wechsellichtbetrieb erzeugt ein im Gerät eingebau
ter Generator eine impulsförmige Spannung, die einer
LED zugeführt wird und diese zur Lichtemission von
kurz aufeinander folgenden Lichtblitzen veranlaßt.
Die Impulsleistung beträgt dabei ein Vielfaches der
Dauerstrichleistung, so daß im Vergleich zu Dauer
licht mit sehr viel kleinerer Energie eine große
Impuls-Lichtleistung erzielt wird. Da der Licht
empfänger nur auf gepulstes Wechsellicht ansprechen
soll, kann die Empfindlichkeit des Verstärkers im
Signalumformer des Send-Empfangsgerätes hoch einge
stellt werden, zumal bei der gewählten Ausführung
kein Fremdlicht die Anzeige beeinflussen kann. Bei
dem erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensor mit
Reflexionstastung an einer LCD kann die Tastweite
TW (vgl. Fig. 2) im Sensor 5 auf ein sehr kleines
Maß eingestellt und damit die vom Sende-Empfangs
gerät 9 über eine Batterie aufzubringende Licht
energie klein gehalten werden.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Abwandlungen
der dargestellen Ausführungsbeispiele möglich. So
kann man beispielsweise den Fuß des Teilerstützers 1
mit zwei diametral einander gegenüberliegenden An
schlußmöglichkeiten für den optoelektronischen Sen
sor 5 versehen, um unabhängig vom jeweiligen Einbau
des Teilerstützers den optoelektronischen Sensor be
quem anschließen zu können.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt in der
elektrischen Entkopplung zwischen Meßort und Anzei
ge. Sie ermöglicht eine absolut berührungssichere
Verbindung zwischen dem Meßort im Hochspannungsbe
reich und dem Anzeige- und Bedienungsbereich der
Schaltanlage.
In Fig. 4 ist als weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung eine Vorrichtung zur Phasenvergleichs
messung in einer Mittel- oder Hochspannungsschalt
anlage veranschaulicht.
Beim Anschluß von Kabeln in Schaltanlagen ist auf
Phasengleichheit zwischen der Anschlußsteile und
dem anzuschließenden Kabel zu achten. Vor Inbe
triebnahme eines Neuanschlusses und vor dem Ein
schaltvorgang ist deshalb eine Vergleichsmessung
mit einem zweipoligen Spannungsprüfer zweckmäßig.
Wie eingangs bereits erläutert, ist es äußerst
problematisch, den Prüfstab eines Spannungsprü
fers oder gar die beiden Prüfstäbe eines Phasen
vergleichsmeßgerätes in die Schaltanlage einzufüh
ren. Dies hat zur Verwendung von Prüfgeräten ge
führt, die über galvanische Verbindungen zwischen
Koppelelektroden von Teilerstützern und Feldsteuer
belägen von anderen Bauelementen der Schaltanlage
(z. B. von Kabelsteckern, Leitungsdurchführungen,
Strom- und Spannungswandlern) die Spannung für
den Phasenvergleich abnehmen. Die Mängel und Ri
siken derartiger Meßmethoden wurden eingangs am
Beispiel der Prüfung auf Spannungsfreiheit be
reits dargelegt. Die hierzu gemachten Feststel
lungen treffen in vollem Umfang auch für die Prü
fung auf Phasengleichheit zu.
Fig. 4 veranschaulicht nun eine erfindungsgemäße
Vorrichtung zur Durchführung einer Phasenvergleichs
messung zwischen zwei Punkten (nämlich den Sammel
schienen 36 und 37) der Schaltanlage 4.
An die Sammelschienen 36, 37 sind zu diesem Zweck
Teilerstützer 1 a, 1 b angeschlossen, die in glei
cher Weise wie bei den bereits erläuterten Ausfüh
rungsbeispielen ausgebildet und mit einem opto
elektronischen Sensor 5 a bzw. 5 b versehen sind.
Diese beiden Sensoren 5 a, 5 b sind über je einen
Lichtleiter 8 a bzw. 8 b mit einem als Prüfstab
ausgebildeten Licht-Sende-Empfangsgerät 9 a bzw.
9 b verbunden. An diese beiden Sende-Empfangsge
räte 9 a, 9 b ist ein Phasenvergleichsgerät 38 an
geschlossen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden anstelle
von optoelektronischen Sensoren mit trägen Flüs
sigkristallen (mit langen Erholzeiten) solche in
ferroelektrischer Bauform (mit kurzen Erholzei
ten) eingesetzt. Diese LCD-Ausführung ermöglicht
es, sich schnell ändernde Informationen anzuzei
gen und damit die Nulldurchgänge der 50 Hz- oder
60 Hz-Betriebsfrequenz zeitabhängig zu erfassen.
Die Auswertung der für den Phasenvergleich erfor
derlichen LCD-Anzeigen der Sensoren 5 a, 5 b erfolgt
durch die Sende-Empfangsgeräte 9 a, 9 b im Reflexions
verfahren. In der oben (für den Beispielsfall der
Prüfung auf Spannungsfreiheit) bereits erläuterten
Weise werden nunmehr die beiden Sensoren 5 a, 5 b
zeitgleich abgetastet.
Die beiden Sende-Empfangsgeräte 9 a, 9 b sind zweck
mäßig als Prüfstecker ausgebildet, die über Licht
leiter-Kupplungen 32 a, 32 b mit den Sensoren 5 a, 5 b
und über flexible Leitungen 39 a, 39 b mit dem klei
nen, handlichen Phasenvergleichsgerät 38 verbunden
sind.
Der Aufbau des Phasenvergleichsgerätes 38 wird im
Zusammenhang mit der anhand der Fig. 5.1 und 5.2
erläuterten Funktion des Gerätes näher beschrie
ben. Dabei zeigen die Fig. 5.1 und 5.2 als Bei
spiel die Fälle der Phasengleichheit und der Pha
senverschiebung zwischen Netzspannungs-Leitersy
stemen.
Das Abtasten einer ferroelektrischen Flüssigkri
stallanzeige (die mit einer Betriebsfrequenz von
50 oder 60 Hz über die Koppelelektrode eines Tei
lerstützers oder den Feldsteuerbelag von Schalt
anlagen-Bauteilen betrieben wird) mit Lichtstrahl
über Licht-Sende-Empfangsgeräte bietet eine Abbil
dung des Signalverlaufes mit zeitlicher Erfassung
der Nulldurchgänge.
Um eine Phasendifferenz zwischen den beiden Ein
gängen A und B des Phasenvergleichsgerätes 38 zu
verlässig erfassen zu können, werden die Analog-
Eingangssignale im Phasenvergleichsgerät 38 in
Impulse kurzer Dauer (geringer Breite) umgeformt
und einem Summen-Zähler zugeführt. Zu diesem Zweck
ist mit den Eingängen A und B je ein Komparator
40 a, 40 b verbunden, der das Eingangssignal in ein
Rechteck-Ausgangssignal umformt. An die Kompara
toren 40 a, 40 b ist je ein monostabiler Multivi
brator 41 a, 41 b angeschlossen, der auf der nega
tiven Flanke getriggert ist und damit pro 50 oder
60 Hz-Periode einen Impuls kurzer Dauer bildet.
Nachdem für die Auswertung des Phasenvergleiches
lediglich eine Ja/Nein-Aussage benötigt wird,
kann auf eine Ausmessung der Impulsabstände bzw.
der Phasenwinkel zwischen den zu vergleichenden
Betriebsspannungen der Schaltanlage verzichtet
werden. Als Auswertekriterium kann somit beispiels
weise die Impulsfrequenz oder die Impulszahl in
einer festgelegten Zeiteinheit dienen.
Die Multivibratoren 41 a, 41 b sind zu diesem Zweck
an einen Summenzähler 42 angeschlossen, dessen
Eingangs-Logik so geschaltet ist, daß zeitgleich
einlaufende Impulse in der Summierung als ein ein
ziger Impuls, zeitlich versetzt einlaufende Impul
se jedoch getrennt, als gesonderte Impulse, gezählt
werden. Dementsprechend führt die Messung zwischen
zwei phasenverschobenen Betriebsspannungen am Aus
gang des Summenzählers 42 zur Verdopplung der Im
pulsfrequenz und damit zu einem starken Auswerte
kriterium (vgl. Fig. 5.1 und 5.2).
Für die Empfindlichkeit der Anzeige "Phasenoppo
sition" oder "Phasengleichheit" ist die Impuls
dauer der von den beiden Multivibrator-Ausgängen
gelieferten Impulse bestimmend. Kurze Impulse füh
ren zu einer hohen Auswerteempfindlichkeit.
Wird die Impulsfrequenz des Summenzählers 42 auf
einen Digital-Analog-Wandler 43, 44 bzw. F/U-Um
former gegeben, so lassen sich über Schwellwert
schalter 45 bis 48 die Anzeigekriterien bilden.
Folgende Anzeigen können durch Betätigen einer
Prüftaste 49 dargestellt werden:
- - Phasengleichheit: Es leuchtet LED 2 grün; Zusam menschaltung der Anlagen-Systeme ist möglich.
- - Phasenopposition: Es leuchtet LED 3 rot blin kend; Zusammenschaltung der Anlagen-Systeme ist nicht zulässig.
- - Nur an einem Leitungssystem steht Spannung an: Es leuchtet LED 1 gelb; Zusammenschaltung der Anlagen-Systeme ist nicht zulässig, weil das Meßkriterium eines Systems fehlt.
- - Störung, z. B.: Prüfstäbe sind nicht in die Kupp lung eingesteckt, ein Lichtleiter ist unterbro chen, ein Lichtleiteranschluß ist unterbrochen, die Meßleitung zwischen Phasenprüfgerät und Sen de-Empfangsgerät ist unterbrochen, die Batterie spannung ist zu gering. Hierbei leuchtet LED 1 gelb; eine Zusammenschaltung der Anlagen-Syste me ist nicht zulässig.
- - Eigenprüfung bei funktionsfähigem Zustand: Nach Betätigung der Prüftaste 49 leuchten kurzzeitig alle drei LED auf. Allein die für die Anzeige maßgebende LED bleibt eingeschaltet. Wird die se Prüfung durchgeführt, ohne die Prüfstecker (Sende-Empfangsgeräte) in die Lichtleiterkupp lungen einzustecken, wird dem Gerät eine Licht leiterunterbrechung vorgetäuscht, die zwangsläu fig eine berechtigte Störungsmeldung durch Ein schalten der gelben LED 1 bringt. Geräte-Funk tionsprüfungen nach VDE 0105, Teil 1, sind nur dann aussagefähig, wenn sie das gesamte Meßsy stem umfassen. Hierzu gehört neben der Geräte eigenprüfung auch die Prüfung der gesamten Lei tungsverbindungen und der Anschlußstelle.
In den Fig. 6 und 7 ist als weiteres Ausführungs
beispiel der Erfindung eine Vorrichtung zur Durch
führung von Spannungsmessungen in Mittel- oder
Hochspannungsschaltanlagen veranschaulicht.
Zur Messung der Betriebsspannung in Mittel- oder
Hochspannungsschaltanlagen werden in der Regel
Spannungswandler verwendet. Entsprechend der Be
triebsspannung der Schaltanlage muß die Isola
tion und das Windungs-Übersetzungsverhältnis ge
wählt werden, um die Betriebsspannung auf eine
für meßtechnische Zwecke geeignete Anzeigespan
nung von 100 V oder herabzusetzen. Je
nach Aufgabenstellung (Verrechnungsmessung, Lei
tungs- und Geräteschutztechnik, Betriebsmeßtech
nik) finden einpolig oder zweipolig isolierte
Spannungswandler in den unterschiedlichsten Bau
formen Anwendung.
Spannungswandler haben ganz allgemein einen hohen
Anteil an Kosten der Schaltanlagenfelder und der
Schaltanlagen-Meßtechnik. Sie besitzen große Ab
messungen und beeinflussen die Konstruktion der
Schaltanlage. Sie sind empfindlich gegen Über
spannungen und stellen gerätetechnisch das
schwächste Glied im Schaltanlagenbau dar. Se
kundär-Verbindungsleitungen zwischen Spannungs
wandler und Schutzrelais oder zwischen Spannungs
wandler und Meßeinrichtung können durch Magnet
felder, Erdschlußströme, Kurzschlußströme und
Störfelder stark beeinflußt werden, wodurch
vielfach das Meßergebnis verfälscht wird.
Die nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Vor
richtung zur Durchführung von Spannungsmessungen
in Mittel- oder Hochspannungsschaltanlagen bietet
einen vollständigen Ersatz für die Verwendung von
Spannungswandlern im Rahmen der Betriebsmeßtech
nik. Die erfindungsgemäß verwendeten optoelektro
nischen Sensoren ermöglichen eine elektrische und
mechanische Entkopplung zwischen Meßort und Anzei
ge, sind unempfindlich gegen Störfelder und Über
spannungen und zeichnen sich außerdem durch ge
ringe Abmessungen und verhältnismäßig niedrige
Kosten aus.
Wie aus den Fig. 6 und 7 hervorgeht, wird die an
hand der Fig. 1 und 2 erläuterte Grundschaltung
dahingehend erweitert, daß parallel zum Konden
sator C 2 eine Diode 50 in Reihe mit einer Kapa
zität C 3 und parallel zu C 3 ein spannungsabhän
giger CMOS-Impulsgenerator 51 angeschlossen wird.
Der Ausgang des Impulsgenerators 51 steuert eine
ferroelektrische LCD 52 an, die durch einen vor
geschalteten Kondensator C 4 gegen Gleichspannungs
anteile geschützt ist. Störfeldsicherheit wird
durch eine vollständig geschlossene Gehäuseab
schirmung 53 und einen Überspannungsableiter
54 erzielt.
In der Schemadarstellung gemäß Fig. 7 ist die
im Teilerstützer vorgesehene Koppelelektrode mit
2 bezeichnet, der optoelektronische Sensor mit 5
und der Lichtleiter mit 8.
Der optoelektronische Sensor 5 ist über den Licht
leiter 8 mit einem Licht-Sende-Empfangsgerät 9
verbunden, an das sich ein Meßverstärker 55 an
schließt.
Wie im Zusammenhang mit dem Phasenvergleichsmeß
gerät bereits erläutert, kann die ferroelektrische
LCD mit ihren kurzen Erholzeiten hohe Impulsfre
quenzen abbilden. Dementsprechend wird der Licht
strahl des Sende-Empfangsgerätes 9 proportional
mit der Impulsfrequenz moduliert und am Empfangs
teil des Sende-Empfangsgerätes die elektrisch ent
koppelte Impulsfrequenz des spannungsabhängigen
Impulsgenerators 51 abgebildet.
Über Digital-Analogwandler oder Frequenz-Span
nungswandler 56 und einen nachgeschalteten Ver
stärker 57 wird die Impulsfrequenz in einen für
den Eingang eines Spannungsmeßgerätes 58 geeigne
ten Wert umgesetzt und verstärkt.
Der mit dem Sende-Empfangsgerät 9 kombinierte Meß
verstärker 55 kann in der Schaltanlage so ange
ordnet werden, daß die Lichtleiterverbindung zwi
schen dem optoelektronischen Sensor 5 und dem
Sende-Empfangsgerät 9 den für die Störfeldbe
einflussung kritischen Schaltanlagenteil über
brückt und die galvanische Leitungsverbindung
zwischen dem Meßverstärker 55, 57 und dem Spannungs
meßgerät 58 kurzgehalten werden kann.
Claims (12)
1. Vorrichtung zur Durchführung von Spannungsprüfungen
und -messungen oder Phasenvergleichsmessungen an einer Mittel- oder
Hochspannungsschaltanlage, enthaltend:
- a) mindestens einen Teilerstützer (1) mit einer Koppelelektro de (2),
- b) einen an die Koppelelektrode (2) angeschlossenen optoelektronischen Sensor (5) mit einem zwischen Koppelelektrode (2) und Erde angeordneten Kondensator (C₂) und einem zu diesem Kondensator parallel geschalteten Anzeigeelement (6),
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- c) der optoelektronische Sensor (5) ist am Teilerstützer (1) angebracht;
- d) das Anzeigeelement (6) des optoelektronischen Sensors (5) wird durch ein Flüssigkristall-Anzeigeelement (LCD) gebildet und ist über einen Lichtleiter (8) mit einer entfernt angeordneten, das Anzeigeelement (6) bei reflektiver LCD-Anzeige im Reflexions-Tastverfahren und bei transmissiver LCD- Anzeige im Reflexions-Lichtschrankenverfahren abtastenden Sende-Empfangseinrichtung (9) verbunden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Teilerstützer (1)
mittels einer in den Stützerfuß eingreifenden Befestigungsschraube
(10) am Schaltanlagengerüst (11) gehaltert
ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsschraube
(10) von der Koppelelektrode (2) isoliert und
über das Schaltanlagengerüst (11) geerdet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Teilerstützer (1) im Bereich des Stützerfußes
mit einer seitlich eingegossenen, an die Koppelelektrode
(2) angeschlossenen Gewindebuchse (12) versehen
ist, in die ein Gewindebolzen (16) einschraubbar ist,
der zur Befestitung des Sensorgehäuses (17) am Teilerstützer
(1) und zur Verbindung der Koppelelektrode (2)
mit dem Kondensator (C₂) dient.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erzielung einer ausreichenden Kriechweglänge
zwischen Stützerkopf und Stützerfuß der die Anschlußzone
für den optoelektronischen Sensor (5) bildende
Umfangsbereich des Stützers (1) mit einem dachförmig
vorstehenden Gießharzwulst (21) versehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die metallisierte, geerdete Unterseite (22) des
Stützerfußes über einen am stützerseitigen Ende des
Sensorgehäuses (17) vorgesehenen Kontaktring (24) mit
dem Sensor (5) verbunden ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sende-Empfangseinrichtung (9) über eine Lichtleiter-
Steckkupplung (32) nach Bedarf an den Lichtleiter
(8) anschließbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Sende-Empfangseinrichtung (9)
- a) eine rote LED aufweist, die beim Anstehen von Spannung in der Schaltanlage blinkt,
- b) eine grüne LED aufweist, die die Spannungsfreiheit der Schaltanlage durch Leuchten anzeigt,
- c) bei fehlender Anzeige das Vorhandensein einer Störung signalisiert.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß Anzeigeelement (6) des optoelektrischen
Sensors (5) durch einen Flüssigkristall in ferroelektrischer
Bauform gebildet wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, zur Durchführung
von Spannungsmessungen in Form einer Phasenvergleichsmessung
zwischen zwei Punkten der Schaltanlage,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- a) es sind zwei an die genannten Punkte der Schaltanlage angeschlossene Teilerstützer (1 a, 1 b) mit Koppelelektrode und optoelektronischem Sensor (5 a, 5 b) angeordnet;
- b) es sind zwei optoelektronische Sensoren (5 a, 5 b) in ferroelektrischer Bauform vorgesehen, die über Lichtleiter (8 a, 8 b) mit je einer entfernt angeordneten Sende-Empfangseinrichtung (9 a, 9 b) verbunden sind und durch diese Sende-Empfangseinrichtungen im Reflexionsverfahren zeitgleich abgetastet werden;
- c) an die beiden Sende-Empfangseinrichtungen (9 a, 9 b) ist ein Phasenvergleichsgerät (38) angeschlossen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch
folgende Bauelemente des Phasenvergleichsgerätes:
- a) zwei mit den beiden Sende-Empfangseinrichtungen (9 a, 9 b) verbundene Komparatoren (40 a, 40 b), die das zugeführte Analog-Eingangssignal in ein Rechtecksignal umformen,
- b) zwei an die Komparatoren (40 a, 40 b) angeschlossene, monostabile Multivibratoren (41 a, 41 b) die aus den Rechtecksignalen mit den Nulldurchgängen der beiden Phasen sychrone, kurze Impulse erzeugen,
- c) einen mit dem Ausgang der beiden Multivibratoren (41 a, 41 b) verbundenen Summenzähler (42), der zeitgleich einlaufende Impulse als einen einzigen Impuls, zeitlich versetzt einlaufende Impulse dagegen als gesonderte Impulse zählt,
- d) an die Ausgänge des Summenzählers (42) angeschlossene Einrichtungen (43 bis 49, LED 1, 2 und 3) zur Auswertung und Anzeige von Phasengleichheit, Phasenopposition, Fehlen einer Phase, Störung und Funktionsfähigkeit.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
folgende Merkmale:
- a) parallel zum Kondensator (C₂) ist die Reihenschaltung einer Diode (50) und einer weiteren Kapazität (C₃) angeordnet;
- b) parallel zu dieser weiteren Kapazität (C₃) ist ein spannungsabhängiger CMOS-Impulsgenerator (51) geschaltet;
- c) an die Ausgänge des Impulsgenerators (51) ist über einen Kondensator (C₄) der in ferroelektrischer Bauform ausgebildete optoelektronische Sensor (52) angeschlossen;
- d) der optoelektronische Sensor ist über den Lichtleiter (8) mit einem Licht-Sende-Empfangsgerät (9) mit Meßverstärker (55) verbunden;
- e) der Meßverstärker (55) enthält ein als Digital-Analog-Wandler oder Frequenz-Spannungswandler (56) ausgebildetes Element zur Umsetzung der Impulsfrequenz in einen für den Eingang eines Spannungsmeßgerätes (58) geeigneten Wert.
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