DE4037860C1 - Method for monitor three insulation of three electrical supply lines - involves comparing individual assembles and parts of electrical installation lying opposed on each potential - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zum Überwachen von Isolationswiderständen. Bei dem bekannten Verfahren (DE 35 13 849 A1) lag eine einzige erdfreie Stromversorgung für alle Baugruppen der elektrischen Anlage vor, bei der man mit zwei Versorgungsleitungen p, m auskam. Die einzelnen Baugruppen waren in Gestellen angeordnet, und die Meßspannung wurde zwischen den beiden Versorgungsleitungen für jedes einzelne Gestell einerseits und gegenüber der Erde andererseits überwacht, woraus die konkreten Isolationswiderstände Rm und Rp für jede Baugruppe und für die gemeinsame Erde ermittelt werden konnten. Als Spannungsquelle verwendete man dabei eine Batteriespannung von z. B. 60 Volt.

Dieses bekannte Verfahren hat sich zwar bewährt, konnte aber in jenen Fällen nicht eingesetzt werden, wo die Anlage von zwei unterschiedlichen Gleichspannungsquellen versorgt werden sollte. Bei signaltechnischen Anlagen wird eine Wechselspannung eingesetzt, die in Abhängigkeit von einem Tag- oder Nachtbetrieb aus Energieersparnisgründen zwischen 190 Volt und 120 Volt umschaltbar ist. Es besteht nun das Bedürfnis, aus dieser Wechselspannung durch Gleichrichter eine weitere Gleichspannungsquelle zu gewinnen, mit welcher die in den Gestellen befindlichen Baugruppen der elektrischen Anlage betrieben werden können. Hierbei ist das bekannte Verfahren nicht anwendbar, welches ausgehend von einer Meßspannung durch Zuschalten eines Referenzwiderstands über das anfallende Spannungsverhältnis die einzelnen Isolationswiderstände ermitteln konnte.

Sofern man die elektrische Anlage mit zwei unterschiedlichen Gleichspannungsquellen betreiben will, ergeben sich mehr als zwei zu überwachende Isolationswiderstände gegenüber den Gestellen und der Erde. Man müßte ein kompliziertes Überwachungsverfahren entwickeln, das pro Baugruppe mehr als die Ermittlung nur einer Meßspannung erfordern würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zuverlässiges Verfahren zu entwickeln, das trotz der größeren Anzahl der pro Baugruppe zu überwachenden Isolationswiderstände mit der Überwachung nur einer Meßspannung auskommt.

Dies wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen erreicht, denen folgende besondere Bedeutung zukommt.

Die Erfindung hat erkannt, daß in diesem Fall pro Baugruppe nur drei Isolationswiderstände zu überwachen sind, wenn man die beiden Gleichspannungsquellen mit einem ihrer beiden Pole an eine gemeinsame Versorgungsleitung anschließt und dabei mit einem positiven und negativen Meßbereich arbeitet. Dann ergeben sich zwar zwei Bewegungsfenster, die jeweils durch eine obere und untere Auslösespannung im positiven und negativen Meßbereich begrenzt sind, kommt aber mit der Ermittlung nur einer einzigen Meßspannung aus, die zwischen den beiden Isolationswiderständen von zwei der drei Versorgungsleitungen ermittelt wird. Die Erfindung verzichtet auch auf die konkrete Ermittlung der einzelnen Isolationswiderstände, weil sie durch Zuschalten von jeweils einem von zwei Referenzwiderständen in einer zweistufigen Testphase die aktuellen, zur Begrenzung der Bewegungsfenster für die Meßspannung dienenden Auslösespannungen ermitteln kann. Damit ist es möglich, trotz der komplizierten Schaltung den Meßaufwand gering zu halten und insbesondere mit der Ermittlung einer einzigen Meßspannung pro Baugruppe alle drei Isolationswiderstände zu überwachen.

Beim Start der elektrischen Anlage wird eine solche Testphase ausgeführt, die dann zweckmäßigerweise in bestimmten zeitlichen Abständen, z. B. jede Stunde, wiederholt werden kann. Dadurch kann die allmähliche eventuelle Verschlechterung der Isolationswiderstände überwacht und hinsichtlich ihrer Ursachen eindeutig interpretiert werden. Ein Fehlerfall wird immer dann angenommen, wenn die ermittelte Meßspannung sich in den Bereich oberhalb oder unterhalb des jeweils gegebenen Bewegungsfensters bewegt. Dann wird durch eine neue zweistufige Testphase über die Einschaltung der Referenzwiderstände eine Korrektur der Auslösespannungen und damit eine neue Lage der beiden Bewegungsfenster bestimmt. Durch eine solche Korrektur der Bewegungsfenster läßt sich ein Fehlalarm vermeiden, wenn die Lage der Meßspannung innerhalb eines der beiden aufgrund der Korrektur sich ergebenden Bewegungsfenster festgestellt wird. Wenn allerdings dann die Meßspannung immer noch außerhalb des Bewegungsfensters liegt, ist das ein Kriterium für einen echten Fehlerfall, der dann zur Auslösung eines Alarms auf optischem und/oder akustischem Wege führt.

Im einzelnen hat es sich bewährt, die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte im Sinne der Unteransprüche auszugestalten. Weitere Maßnahmen und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, wo die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Es zeigt

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

Fig. 2 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild eines Teilstücks der Schaltung von Fig. 1,

Fig. 3 ein der Fig. 2 entsprechendes Schaltbild, das sich nach Umwandlung der Spannungsquellen von Fig. 2 in Stromquellen der Fig. 3 ergibt,

Fig. 4 ein aus dem Schaltbild von Fig. 3 sich ergebendes Ersatzschaltbild mit einem Gesamtwiderstand,

Fig. 5 ein sich aus Fig. 4 ergebendes Ersatzschaltbild, wenn man die Stromquellen zusammenfaßt,

Fig. 6 ein dem Ersatzschaltbild von Fig. 5 entsprechendes Ersatzschaltbild, wenn anstelle der Stromquelle wieder eine Quellspannung gesetzt wird, wobei ergänzend weitere zum Schaltungsteil von Fig. 2 hinzutretende Bauteile aus der Gesamtschaltung von Fig. 1 eingezeichnet sind,

Fig. 7 als Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens das Zeitdiagramm betreffend die bei einer Baugruppe der Schaltung von Fig. 1 auftretende Meßspannung, worin sowohl tolerierbare Bewegungsfenster als auch nicht mehr tolerierbare Auslösespannungen und Grenzspannungen durch unterschiedliche Schraffur verdeutlicht sind, und

Fig. 8 ein der Fig. 7 entsprechendes Zeitdiagramm, wo das erfindungsgemäße Verfahren bei einem auffallenden scheinbaren Isolationsfehler demonstriert wird.

Die Fig. 1 zeigt schematisch eine elektrische Anlage 10, die hier als signaltechnische Einrichtung für den Eisenbahnverkehr ausgebildet ist. Die Anlage besteht aus einer Schar von zueinander getrennt zu überwachenden Baugruppen, von denen hier lediglich zwei, mit 11, 11′ bezeichnet, dargestellt sind. Wie durch die gestrichelt angedeuteten elektrischen Leitungen 14 veranschaulicht ist, können n Exemplare solcher Baugruppen 11′ vorliegen. Alle Baugruppen 11, 11′ sind an eine doppelte Stromversorgung 12 angeschlossen, die einerseits eine erdfreie elektrische Batterie 13 und andererseits eine gleichgerichtete Drehstromquelle 13′ umfaßt. Die Batterie 13 liefert eine Versorgungsspannung Ub von ca. 60 Volt. Der Pluspol der Batterie 13 ist mit der Polleitung p der Anlage 10 verbunden, während der Minuspol der Batterie 13 mit der Leitung m von Fig. 1 jeweils in Verbindung steht. Die Drehstromquelle 13′ liefert eine Arbeitsspannung Uz für von der Signalanlage 10 gesteuerte nicht näher gezeigte Relais, die Signale, Weichen od. dgl. steuern. Sie liefert eine gleichgerichtete Netzspannung Uz, die zwischen zwei Werten umsteuerbar sein kann, z. B. für einen Tagbetrieb des Stellwerks auf -190 Volt und bei einem Nachtbetrieb auf -120 Volt. Diese gegen Ub negative Spannung Uz ergibt sich, weil der Pluspol der Stromquelle 13′ mit der zur Batterie 13 gehörenden negativen Polleitung m verbunden ist. Die nicht näher gezeigten Steuerungen der Netzspannung Uz gehen von der mit dem Minuspol der Stromquelle 13′ verbundenen Zusatzleitung z aus, die in Gestellen G geführt ist. Die Erdung der Anlage ist in Fig. 1 mit E bezeichnet.

Es gibt somit in den einzelnen Baugruppen 11, 11′ jeweils drei Leitungen p, m und z, deren Isolationswiderstände überwacht werden sollen. Solche Isolationswiderstände treten zunächst gegenüber der Erde E ein, dann aber auch gegenüber dem zugehörigen Gestell G, welches zur Aufnahme verschiedener Glieder der Signalanlage dient. Außer dem dargestellten Gestell G könnte die Anlage 10 noch n weitere analoge Gestelle aufweisen, die sowohl gegenüber der Erde E als auch gegenüber dem vorbeschriebenen Gestell G isoliert sind und daher ebenfalls hinsichtlich ihrer eigenen Isolationswiderstände überwacht werden sollen. Daraus folgt die bereits erwähnte Erweiterung der Anlage 10, wie anhand der Leitungen 14 verdeutlicht ist. Natürlich könnten in der Praxis auch mehrere Gestelle G untereinander elektrisch verbunden sein und daher als gemeinsame Baugruppe 11′ fungieren. Andererseits wäre es auch denkbar, aufgrund gegenseitiger Isolationen einzelne Schaltkreise innerhalb eines gegebenen Gestells G voneinander elektrisch zu trennen, die dann wie eigenständige Baugruppen 11, 11′ wirken. Die Beschreibung gilt dann sinngemäß.

Gemäß der in Fig. 1 gezeigten Schaltung ist, ausgehend von der Erde E der Isolationswiderstand Rp_E gegenüber der positiven Polleitung p, ferner der Isolationswiderstand Rm_E gegenüber der negativen Polleitung m und schließlich der Isolationswiderstand Rz_E gegenüber der Zusatzleitung z zu überwachen. Die entsprechenden Verhältnisse dieser Baugruppe 11 ergeben sich auch in der gestellseitigen Baugruppe 11′, weshalb dort die entsprechenden drei Isolationswiderstände Rp_G, Rm_G und Rz_G beobachtet werden sollen. Wegen der analogen Verhältnisse genügt es, eine repräsentative Gruppe zu betrachten. Wegen dieser Verallgemeinerung soll die Indizierung der zu überwachenden Isolationswiderstände nachfolgend reduziert werden auf die drei repräsentativen Isolationswiderstände Rp, Rm und Rz. Dazu wird die in jeder Baugruppe 11, 11′ anfallende Meßspannung U von einer Meßeinrichtung 15 erfaßt, für welche die beiden Meßpunkte 1 und 1′ repräsentativ sind. Im vorliegenden Fall umfaßt die Meßeinrichtung 15 für jede der Baueinheiten 11, 11′ eigene Eingangsmeßkreise 26, 26′, jedoch jenseits eines Wählschalters 23, der jeweils auf einen dieser Eingangsmeßkreise 26, 26′ etc. einstellbar ist, einen gemeinsamen Ausgangskreis 27. Die Eingangsmeßkreise 26, 26′ sind zueinander gleich ausgebildet, weshalb es genügt, lediglich denjenigen der Baugruppe 11 zu betrachten.

Beachtenswert ist, daß als Bezugspotential für einen Eingangsverstärker 19, 19′ die eine gemeinsame Polleitung m herangezogen wird und die in der Meßeinrichtung 15 die Bezugsleitung 28, 28′ bildet. Die Erde E (bzw. das Gestell G) sind mit einer Anschlußleitung 29 (bzw. 29′) verbunden, die über einen hochohmigen Eingangswiderstand Rt_E (bzw. Rt_G) an den Verstärker 19 (bzw. 19′) angeschlossen ist. Am Eingang des Verstärkers 19 (bzw. 19′) befindet sich ein Eingangswiderstand Zi_E (bzw. Zi_G). Die gestrichelte Linie 16 in Fig. 1 bezeichnet die Schnittstelle zwischen der Anlage 10 und der Meßeinrichtung 19 mit den beiden Meßpunkten 1, 1′ für die jeweilige Meßspannung U.

Der Wählschalter 23 besitzt ein bewegliches Kontaktglied 24, das über eine Schar fester Kontakte 25 bzw. 25′ die einzelnen Baueinheiten 11, 11′ für die Auswertung im Ausgangskreis 27 wirksam setzt. Der Ausgangskreis 27 umfaßt zunächst ein Filter 20, das unerwünschte Frequenzen beseitigt, dem sich ein nur schematisch angedeuteter Spannungsteiler 32 anschließt. Dann folgt ein Analog-Digital-Wandler 33, der die zunächst als analoges Signal anfallenden Spannungen U in eine entsprechende digitale Ausgangsgröße umwandelt, die über eine Ausgangsleitung 34 zu einer Auswerteeinrichtung 30 gelangen. Die Auswerteeinrichtung 30 umfaßt einen Computer, der aus einem Rechner und Speichern besteht, deren Funktion nachfolgend näher beschrieben wird. Die zwischen dem Wandler 33 und der Auswerteeinrichtung 30 befindliche Schnittstelle ist in Fig. 1 durch eine gestrichelte Linie 31 verdeutlicht. Wie Fig. 1 verdeutlicht, werden die elektronischen Bauteile 19, 19′, 20, 33 mit einer positiven und negativen Betriebsspannung U_B versorgt.

Normalerweise erfolgt eine "passive Isolationsüberwachung", indem die bei den einzelnen Baugruppen 11, 11′ anfallenden Meßspannungen U fortlaufend gemessen werden. Dies kann in einem Arbeitszyklus alle 40 ms erfolgen. Ist die beobachtete Baugruppe in Ordnung, so ergeben sich die aus dem Zeitdiagramm von Fig. 7 anhand der Meßkurve 18 ersichtlichen Abläufe. Die vertikale Achse des Diagramms zeigt die Meßspannung U, während die Zeitachse horizontal verläuft. Die beobachtete Baueinheit 11 bzw. 11′ gilt hinsichtlich ihrer drei Isolationswiderstände Rp, Rm und Rz als ordnungsgemäß, solange sich die Kurve 18 der gemessenen Spannung U entweder in einem oberen Bewegungsfenster 17 oder in einem unteren Bewegungsfenster 37 von Fig. 7 befindet, die durch jeweils eine definierte obere bzw. untere Auslösespannung U_Rpf, +U_Rmf einerseits und -U_Rmf, -U_Rzf andererseits begrenzt sind. Erreicht oder überschreitet gar die beobachtete Kurve 18 diese Auslösespannungen und gelangt in das außerhalb der beiden Bewegungsfenster 17, 37 liegende schraffierte Gebiet des Diagramms, so kann ein Alarmfall vorliegen, der ein näher noch zu beschreibendes erfindungsgemäßes Verfahren auslöst, in welchem endgültig geklärt wird, ob ein tatsächlicher Isolationsfehler oder aber nur ein scheinbarer Fehlerfall vorliegt. Ein scheinbarer Fehler kann durch eine ebenfalls noch näher zu beschreibende Korrektur der diversen Auslösespannungen behoben werden. Die dazu maßgeblichen Werte lassen sich aus den Ersatzschaltbildern gemäß Fig. 2 bis 6 ableiten.

Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild für eine der zu beobachtenden Baueinheiten 11 bzw. 11′ mit ihren drei zu überwachenden Isolationswiderständen Rp, Rm und Rz, wofür die bereits vorgestellte repräsentative Indizierung verwendet wird. In Fig. 2 ist sowohl die Batteriespannung Ub als auch die Zusatzspannung des gleichgerichteten Netzstroms Uz mit zugehöriger Polung erkennbar. Ferner sind die Meßpunkte 1, 1′ zur Messung der beobachteten Meßspannung U ebenso eingezeichnet wie die von den beiden Spannungsquellen Ub bzw. Uz verursachten Maschenströme Jb bzw. Jz. Dieses Ersatzschaltbild läßt sich gemäß Fig. 3 vereinfachen, wenn man die Spannungsquellen von Fig. 2 in die entsprechenden Stromquellen J_b, J₂ gemäß Fig. 3 umwandelt. Rp bzw. Rz können nämlich als Innenwiderstände der Spannungsquellen Ub bzw. Uz von Fig. 2 angesehen werden. Die drei Isolationswiderstände Rp, Rm und Rz lassen sich dann nach Formel (1) der beiliegenden Liste zu einem Gesamtwiderstand Rg zusammenfassen und folglich das Schaltbild von Fig. 3 durch das noch einfachere von Fig. 4 ersetzen. Die beiden fließenden Ströme Jb und Jz, deren Größe in Fig. 3 angegeben ist, lassen sich nun additiv zusammenfassen zu einem Gesamtstrom Jb+Jz, wofür dann das Schaltbild von Fig. 5 gilt.

Wie Fig. 7 zeigt, sind für die Überwachung der Isolationswiderstände außer den bereits erwähnten, die beiden Fenster 17, 37 bestimmenden Auslösespannungen U_Rpf, U_Rmf und U_Rzf (mit entsprechendem positiven und negativen Vorzeichen) auch noch Grenzspannungen U_Rps, U_Rms und U_Rzs zu beachten, die in Fig. 7 als Grenzlinien 40, 41, 42, 43 eingezeichnet sind und sich aus den beiden Versorgungsspannungen Ub sowie Uz ergeben. Wie bereits erwähnt wurde, liegt Ub bei 60 Volt und Uz bei - 190 Volt, was im nicht maßstabsgerechten Diagramm von Fig. 7 als oberste und unterste Höhenlinien 44 bzw. 45 eingezeichnet ist. Diese oberste Höhenlinie 44 ergibt sich, wenn gemäß dem Ersatzschaltbild von Fig. 2 der Widerstand Rp gegen Null geht; dann wird die zwischen 1, 1′ gemessene Meßspannung U=Ub. In analoger Weise ergibt sich die untere Höhenlinie 45 von Fig. 7 für den Fall, daß Rz gegen Null geht und damit die Meßspannung U gleich -Uz wird. Die vorerwähnten Grenzspannungen ergeben sich nun prozentual aus den Betriebsspannungen Ub und Uz, wozu man vorzugsweise für die Grenzlinie 40 den Wert U_Rps=85% von Ub, für die Grenzlinie 41 bzw. 42 den Wert ±U_Rms=10% von Ub und entsprechend für die Grenzlinie 43 U_Rzs=85% von Uz wählt. Ausgehend von den vorgenannten konkreten Betriebswerten liegt somit die erstgenannte Grenzlinie 40 bei 50 Volt und die unterste Grenzlinie 43 bei -160 Volt. Die Null-Linie 0 im Diagramm von Fig. 7 ergibt sich für den Fall, daß der Isolationswiderstand Rm gleich Null wird. Die beiden Grenzlinien 41, 42 liegen spiegelbildlich zur Nullachse, wofür sich in der Praxis ein U_Rms mit 10% von ±Ub bewährt hat. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel liegt daher die Grenzlinie 41 bei +6 Volt und die Grenzlinie 42 bei -6 Volt.

Die Meßspannung U wird von der Auswerteeinrichtung 30 überwacht, in deren Speicher die vier Grenzspannungen gemäß der Linien 40 bis 43 enthalten sind. Wenn im Verlauf der Messung die Kurve 18 eine dieser Grenzlinien 40 bis 43 schneiden und in die in Fig. 7 kreuzschraffierten Gebiete 36 eintreten sollte, so liegt zweifellos ein Alarmfall vor, der von der Auswerteeinrichtung 30 festgestellt und kundbar gemacht wird. Fehler können sich aber bereits ergeben, wenn die Kurve 18 die bereits erwähnten Auslösespannungen beidseitig des oberen bzw. unteren Fensters 17, 37 schneidet, die in Fig. 7 durch die vier Auslöselinien 46 bis 49 begrenzt ist, welche durch vier Spannungen U_Rpf, U_Rmf, -U_Rmf sowie -U_Rzf festgelegt sind. Diese Auslösespannungen werden vom Rechner der Auswerteeinrichtung 30 entsprechend den jeweils gegebenen Verhältnissen individuell errechnet und, bis zur Ermittlung neuer Auslösespannungen, für die Überwachung gespeichert.

Dazu wird der in Fig. 4 bis 6 erkennbare Gesamtwiderstand Rg anhand der noch näher zu beschreibenden Formel (6) der beiliegenden Formelliste errechnet. Die interessierenden einzelnen Isolationswiderstände Rp, Rm und Rz lassen sich nämlich nicht so einfach ermitteln, obwohl sie für die Festlegung der drei vorerwähnten Auslösespannungen gemäß der Linien 46 bis 49 maßgeblich wären. Die Bestimmung des Gesamtwiderstands Rg erfolgt über die wahlweise Zuschaltung zweier Referenzwiderstände, die im Fall der Baugruppe 11 mit R1 _E und R2 _E gekennzeichnet sind. Dazu dient ein Schalter 35, der nacheinander einen der beiden Referenzwiderstände alternativ parallel zu Rm_E bzw. Rp_E zuschalten kann. In welcher Richtung die Zuschaltung erfolgt, hängt vom Fehlerfall ab und wird noch im Zusammenhang mit Fig. 8 näher beschrieben werden. Die Meßspannungen U werden aber, unabhängig von der jeweiligen Zuschaltseite, stets über den negativen Innenwiderstand Zi_E abgegriffen, weil der Bezugspunkt für alle Spannungen, wie bereits erwähnt wurde, die negative Polleitung m, als der Minuspol der Batterie Ub bzw. der Pluspol der gleichgerichteten Netzspannung Uz ist.

Entsprechende Referenzwiderstände liegen auch in allen übrigen zu überwachenden Baugruppen 11′ vor, wie in Fig. 1 durch den Schalter 35′ und die zugehörigen, analog geschalteten Referenzwiderstände R1 _G und R2 _G erkennbar ist. Wegen des übereinstimmenden Aufbaus genügt es, eine Baueinheit zu betrachten, die vorausgehend bereits allgemein in den Fig. 2 bis 5 durch entsprechende Indizierungen der zugehörigen Isolationswiderstände Rp, Rm und Rz betrachtet wurde. Dies soll, ausweislich der Fig. 6, auch für die beiden Referenzwiderstände gelten, die in dieser repräsentativen Darstellung einer Baueinheit mit R1 und R2 bezeichnet sind. Fig. 6 ergibt sich auch Fig. 5 durch Umwandlung des Stromquellen- Ersatzschaltbilds von Fig. 5 in ein analoges Spannungsquellen-Schaltbild. In Abhängigkeit davon, welcher der beiden Referenzwiderstände R1, R2 zugeschaltet wurde, ergibt sich der Gesamtstrom J1 bzw. J2 von Fig. 6. Wird nun der Referenzwiderstand R1 zugeschaltet, so fällt zwischen den beiden Meßpunkten 1, 1′ die Meßspannung U1 an, während, analog, beim Zuschalten des anderen Referenzwiderstands R2 anderer Größe natürlich eine andere Meßspannung U2 anfällt.

Die Anlage 10 ist aber, wie Fig. 1 andeutet, auch mit Kapazitäten behaftet, die entsprechend den beiden Gestellen 11, 11′ und ihrer Parallel- Lage zu den drei Isolationswiderständen analog bezeichnet werden können mit Cp_E, Cm_E sowie Cz_E bzw. Cp_G, Cm_G und Cz_G. Die Kapazitäten haben zur Folge, daß beim Zuschalten des Widerstands R1 in dem aus Fig. 8 mit t₀ bezeichneten Ausgangs-Zeitpunkt die Spannung sich, entsprechend dem Kurvenstück 21 von Fig. 8, nach einer Exponentialfunktion allmählich verändert. Es findet ein Einschwingvorgang statt, der in manchen Fällen beispielsweise eine Minute betragen kann. Die Auswerteeinrichtung 30 veranlaßt während zweier aufeinanderfolgender Zeitpunkte t₁ und t₂ Testmessungen der sich ergebenden Meßspannung, die zu den aus Fig. 8 ersichtlichen Spannungswerten U_t1 und U_t2 führen. Zwischen den Zeitpunkten t₀, t₁ und t₂ liegen zweckemäßigerweise die gleichen Zeitdifferenzen dt gemäß Fig. 8. Mit Hilfe dieser Testmessungen läßt sich die Einschwingdauer T1 dieser Exponentialkurve 21 nach der in der beiliegenden Formelliste mit (3) gekennzeichneten Näherungsgleichung errechnen. Der Spannungswert U_t0 ist die im Einschaltzeitpunkt t₀ ermittelte Meßspannung. Nach Ablauf dieser Einschwingdauer T1 wird die maßgebliche Meßspannung U1 von der Auswerteeinrichtung 30 gemessen.

Dann wird, in gleicher Parallellage wie vorausgehend R1, der anstelle von R1 andere Referenzwiderstand R2 zugeschaltet, was in Fig. 8 hinter T1 durch einen weiteren Ausgangszeitpunkt t₀ veranschaulicht ist. Dann wird in analoger Weise verfahren und in den weiteren Zeitpunkten t₁, t₂ wieder Testmessungen vorgenommen, um, in analoger Anwendung der vorgenannten Näherungsgleichung (3) die Einschwingdauer T2 zu ermitteln. Entsprechend dem anderen Wert R2 ergibt sich ein Kurvenstück 21′ anderen Verlaufs. Nach dieser zweiten Einschwingdauer T2 kann die Auswerteeinrichtung 30 die sich dann ergebende Meßspannung U2 messen. Damit ist es möglich, den vorerwähnten Gesamtwiderstand Rg nach der bereits erwähnten Formel (6) zu errechnen und damit die Lage der bereits erwähnten Auslöselinien 46 bis 49 in Fig. 7 bzw. 8 zu bestimmen bzw. zu korrigieren.

Diese Formel (6) ist aus dem Ersatzschaltbild von Fig. 6 wie folgt ableitbar. Man geht von den beiden Schaltsituationen mit dem Referenzwiderstand R1 einerseits und R2 andererseits aus. Es ergeben sich dann die beiden Gleichungen (4) der beiliegenden Formelliste, die über die gemeinsame Quellspannung Ug zusammengefaßt und nach Rg aufgelöst werden können. Die in den beiden Schaltfällen fließenden Ströme J1 und J2 sind durch die gemessenen Spannungen U1, U2 und die gegebenen Referenzwiderstände R1, R2 durch die Gleichung (5) der Formelliste vorgegeben, womit schließlich aus der vorerwähnten Zusammenfassung der Gleichung (4) mit (5) sich die Gleichung (6) der Formelliste für den Gesamtwiderstand Rg ergibt. Damit sind zwar die einzelnen Isolationswiderstände Rp, Rm und Rz in der Formel (1) unbekannt, aber aus der Formel (6) läßt sich ihr Gesamtwiderstand Rg über die gemessenen und vorgegebenen Größen leicht errechnen.

Im Normalfall liegen die aus dem Ersatzschaltbild von Fig. 5 ersichtlichen Verhältnisse vor. Dort läßt sich die Gesamtspannung U nach der Gleichung (7) der Formelliste errechnen. Setzt man in die Gleichung (7) die sich aus der Formel (1) und (2) ergebenden Werte ein, so ergibt sich schließlich für die Meßspannung U die Gleichung (8) der beiliegenden Formelliste. Die dort angeführten Isolationswiderstände Rp, Rm und Rz sind zwar, wie bereits erwähnt wurde, einzelweise unbekannt, doch ist ihr Gesamtwiderstand Rg nach der Gleichung (1) durch die Messungen anhand der Formel (6) errechnet worden. Daraus kann durch folgende Hilfsüberlegungen auf die aktuellen Isolationswiderstände Rp, Rm und Rz geschlossen werden.

Zunächst wird festgelegt, daß ein Isolationswiderstand einen bestimmten, vorgegebenen Schwellwiderstand Rw nicht unterschreiten darf, der z. B. bei 30 k liegt. Nach der Gleichung (1) ist für den Gesamtwiderstand Rg der kleinste Isolationswiderstand Rp, Rm oder Rz dominierend, dessen konkrete Größe, wie gesagt, an sich unbekannt ist. Man geht daher aus Sicherheitsgründen von dem ungünstigsten Fall aus, daß alle drei Widerstände in Gleichung (1) gleich schlecht sind, womit für den nach Fig. 3 betrachteten Einzelwiderstand Rp, Rm bzw. Rz sich der Wert 3×Rg ergibt. Ausgehend von diesen beiden Bedingungen Rw einerseits und dem schlechtesten Einzelwert 3×Rg andererseits werden nun die durch die Linien 46, 47, 48, 49 von Fig. 7 sich ergebenden Auslösespannungen U_Rpf, U_Rmf und U_Rzf nach den drei, aus der Aufstellung (9) der beiliegenden Formelliste sich ergebenden Bedingungen aus der Formel (8) errechnet. Der die jeweilige Auslösespannung bestimmende Isolationswiderstand ergibt sich aus dem vorerwähnten Schwellenwert Rw, der aufgrund der in Fig. 2 erkennbaren Schaltung zweckmäßigerweise für die von den Isolationswiderständen Rp und Rz sich ergebenden Grenzsituationen mit 2×Rw bestimmt wird. Diese Bedingungen (9) werden nun in die vorerwähnte Gleichung (8) jeweils eingesetzt und daraus, unter Beachtung des Vorzeichens die drei Werte der Auslösespannungen U_Rmf, U_Rpf und U_Rzf vom Rechner der Auswerteeinrichtung 30 ermittelt. Für die Überwachung ergeben sich damit die vier Hilfslinien 46, 47, 48, 49 von Fig. 7. Diese bestimmen, wie bereits erwähnt wurde, paarweise das obere bzw. untere Bewegungsfenster 17 bzw. 37.

Die Ermittlung dieser Auslösespannungen erfolgt zunächst beim Start der vorgegebenen Signalanlage 10. Dies geschieht durch die beschriebenen Testmessungen mit den beiden Referenzwiderständen R1, R2. Die so getroffene Festlegung der Hilfslinien 46 bis 49 für die Auslösewiderstände wird nun in bestimmten Zeitabständen überprüft, z. B. jede Stunde. Zwischen diesen Zeitabständen überprüft die Überwachungseinrichtung lediglich, ob der Verlauf der Meßkurve 18 von Fig. 7 sich innerhalb des oberen bzw. unteren Fensters 17 bzw. 37 bewegt. Erst wenn die in Fig. 8 gezeigte Meßkurve 18′ eine der Hilfslinien der Auslösespannungen berührt oder gar kreuzt und damit in einen der beiden schraffierten Bereiche 38, 39 von Fig. 8 gelangt, erfolgt unverzüglich eine neue Testmessung und ggf. eine Korrektur der Auslösespannungen.

Im Falle der Fig. 8 hat die Kurve 18′ im Fenster 17 die Linie 47 der unteren Auslösespannung U_Rmf berührt, was vermuten läßt, daß der Widerstand Rm sich über das zulässige Maß hinaus verschlechtert hat. Daraufhin veranlaßt die Auswerteeinrichtung 30, daß der Schalter 35 den ersten Referenzwiderstand R1 parallel zu dem davon nicht betroffenen Isolationswiderstand Rp schaltet und damit die bereits beschriebenen Messungen anhand des dann anfallenden exponentiellen Kurvenstücks 21 ausgeführt werden. Als Kriterium für die Wahl der Zuschaltseite des Referenzwiderstands R1 wird der im Zeitpunkt t₀ gemessene Wert der Leerlaufspannung U_t0 herangezogen. Man geht am einfachsten so vor, daß die Zuschaltung des Referenzwerts R1 generell dann zur positiven Seite, also zu Rp hin, erfolgt, wenn der Spannungswert der Leerlaufspannung U_t0 unterhalb der halben Batteriespannung Ub liegt. Im anderen Fall wird der Referenzwiderstand R1 zur negativen Seite, also parallel zu Rm geschaltet.

Danach erfolgt, wie bereits beschrieben wurde, die Zuschaltung des anderen Referenzwiderstands R2 zur gleichen Seite hin, also im angenommenen Fall von Fig. 8 ebenfalls parallel zu Rp, wodurch sich die bereits anhand des Kurvenstücks 21′ ergebenden Verhältnisse und Meßwerte ergeben. Das Überschreiten der Auslösespannungen braucht nicht in jedem Fall auf eine unzumutbare Verschlechterung der Isolationswiderstände beruhen, sondern kann auch durch besondere Umstände in der elektrischen Anlage veranlaßt worden sein. So kann die Meßspannung U sich z. B. auch dadurch ändern, daß einer der Isolationswiderstände Rm, Rp bzw. Rz angewachsen ist, also "besser" wurde. Ursache hierfür kann z. B. das Entweichen einer in die Isolation eingedrungenen Feuchtigkeit sein. Ein scheinbarer Fehlerfall würde sich beispielsweise auch durch Abschalten von Teilstücken in einer Baugruppe der Anlage 10 ergeben, was ebenfalls zu einer zeitweisen Veränderung der überwachten Meßspannung U über die Auslösespannungen der beiden Fenster 17 bzw. 37 führen kann. Dies läßt sich leicht wieder durch eine Korrektur der maßgeblichen Auslösespannungen richtigstellen, wie anhand der Fig. 8 näher erläutert ist.

Nach dem Öffnen des Schalters 35 am Ende der zweiten Einschaltdauer T2 wird sich normalerweise die Kurve wieder wegen der herrschenden Kapazitäten exponentiell absenken. Auch hier findet wieder ein Einschwingvorgang statt, der aber wesentlich länger dauern könnte als beim Einschalten des einen oder anderen Referenzwiderstands R1, R2 und z. B. 20 Minuten betragen kann. Während dieses langdauernden Einschwingvorgangs kann eine Überwachung der Meßspannung U nicht erfolgen. Um diesen Vorgang zu beschleunigen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, mindestens einen der beiden Referenzwiderstände R1, R2 zu der anderen Seite der Batteriespannung zu schalten, was im Falle der Fig. 8 eine Parallelschaltung zu Rm bedeutet. Dann ergibt sich ein kürzerer exponentieller Verlauf, der in Fig. 8 durch das Kurvenstück 22 veranschaulicht ist. Dies wird bereits nach einer kurzen Einschwingdauer T3 erreicht und damit eine schnellere Betriebsbereitschaft der Meßvorrichtung herbeigeführt. Anhand der von R1 und R2 ermittelten Meßspannungen U1, U2 werden nun in der bereits geschilderten Weise neue Auslösespannungen anhand der Formeln (6), (8) und (9) errechnet, die in Fig. 8 mit U_Rpf′ bzw. U_Rmf′ angegeben und mit den neuen Hilfslinien 46′, 47′ veranschaulicht sind. Diese Hilfslinien 46′, 47′ bestimmen ein neues Bewegungsfenster 17′, in welchem der weitere Verlauf der Meßkurve 18′ beobachtet wird. Im vorliegenden Fall hat sich keine untolerierbare Verschlechterung der Isolationsverhältnisse ergeben, weshalb die Auswerteeinrichtung 30 keinen Alarm abgibt.

In der Praxis erwies es sich als zweckdienlich, den Schwellwiderstand Rw in den verschiedenen Meßspannungsbereichen von Fig. 7 unterschiedlich hoch zu wählen. Bewährt haben sich folgende Werte. Bis zu einem unteren Grenzwert von rund -25 Volt kann der Schwellwiderstand Rw konstant sein, z. B. die bereits erwähnten 30 kΩ betragen. Bei weiter absinkenden Spannungswerten nimmt der Schwellwiderstand Rw aber schrittweise zu. Zweckmäßigerweise wächst der Schwellwiderstand Rw von diesem Ausgangswert von 30 kΩ schrittweise um jeweils 10 kΩ an, wenn die Meßspannung, ausgehend von -25 Volt, sich jeweils um -10 Volt verringert. Ab einer Meßspannung ab -150 Volt bleibt der Schwellenwiderstand Rw konstant und wird vorteilhaft auf einen Wert von 90 kΩ festgelegt.

Bezugszeichenliste

 1 erster Meßpunkt
 1′ zweiter Meßpunkt
10 elektrische Anlage
11 gegenüber der Erde wirksame Baugruppe
11′ gegenüber dem Gestell wirksame Baugruppe
12 doppelte Stromversorgung
13 Batterie
13′ gleichgerichtete Drehstromquelle
14 elektrische Leitung
15 Meßeinrichtung
16 Schnittstelle zwischen 10, 15
17 oberes Bewegungsfenster für U
17′ neues Bewegungsfenster (Fig. 8)
18 Meßkurve der zeitlichen Veränderung von U
18′ Meßkurve der zeitlichen Veränderung von U (Fig. 8)
19 Eingangsverstärker von 11
19′ Eingangsverstärker von 11′
20 Filter
21 Kurvenstück von U beim Einschalten von R1
21′ Kurvenstück von U beim Einschalten von R2
22 Kurvenstück beim Umschalten von R1 und/oder R2
23 Wählschalter
24 bewegliches Kontaktglied von 23
25 fester Kontakt von 23
25′ fester Kontakt von 23
26 Eingangskreis von 11
26′ Eingangskreis von 11′
27 Ausgangskreis von 15
28 Bezugsleitung von 11
28′ Bezugsleitung von 11′
29 Anschlußleitung bei 11
29′ Anschlußleitung bei 11′
30 Auswerteeinrichtung
31 Schnittstelle zwischen 30, 33
32 Spannungsteiler
33 Analog-Digital-Wandler
34 Ausgangsleitung von 27
35 Schalter in 11
35′ Schalter in 11′
36 kreuzschraffiertes Gebiet (Fig. 7)
37 unteres Bewegungsfenster von U
38 schraffierter Bereich bei Fig. 8
39 schraffierter Bereich bei Fig. 8
40 Grenzlinie für U_Rps
41 Grenzlinie für U_Rms
42 Grenzlinie für -U_Rms
43 Grenzlinie für -U_Rzs
44 Höhenlinie für Ub
45 Höhenlinie für Uz
46 Hilfslinie für Auslösespannung U_Rpf
46′ Hilfslinie für Auslösespannung U_Rpf′
47 Hilfslinie für Auslösespannung U_Rmf
47′ Hilfslinie für Auslösespannung U_Rmf′
48 Hilfslinie für Auslösespannung -U_Rmf
49 Hilfslinie für Auslösespannung -U_Rzf
Cp_E, Cm_E, Cz_E Kapazität in 11
Cp_G, Cm_G, Cz_G Kapazität in 11′
dt Zeitdifferenz zwischen t₀ und t₁
E Erde
G Gestell
Jb, Jz Stromquellen (Fig. 3)
J1, J2 Strom beim Referenzwiderstand R1, R2 (Fig. 6)
m negative Polleitung bei 13, 13′
p positive Polleitung von 13, 13′
R1, R2 Referenzwiderstand
R1 _E, R2 _E Referenzwiderstand in 11
R1 _G, R2 _G Referenzwiderstand in 11′
Rp, Rm, Rz Isolationswiderstand gegenüber m, p, z
Rp_E, Rm_E, Rz_E Isolationswiderstand in 11
Rp_G, Rm_G, Rz_G Isolationswiderstand in 11′
Rg Gesamtwiderstand (Fig. 2 bis 6)
Rt_E, Rt_G Eingangswiderstand in 11, 11′
Rw Schwellwiderstand
t Zeitachse (Fig. 7, 8)
t₀, t₁, t₂ Zeitpunkt beim Einschalten von R1
T1, T2, T3 Einschwingdauer bei K1, K2 beim Gegenschalten
U Meßspannung
Ub Batteriespannung
±U_B positive, negative Betriebsspannung
U1, U2 Meßspannung bei R1, R2
Ug Gesamtspannung, Quellspannung (Fig. 6)
U_t0, U_t1, U_t2 Meßspannungen bei t₀, t₁, t₂
U_Rpf, ±U_Rmf, -U_Rzf Auslösespannung bei 17, 37
U_Rpf′, U_Rmf′ Auslösespannung bei 17′
U_Rps, ±U_Rms, -U_Rzs Grenzspannung
Uz gleichgerichtete Netzspannung
z Polleitung
Zi_E Innenwiderstand von 19 
Zi_G Innenwiderstand von 19′

Formelliste

Claims (16)

1. Verfahren zum Überwachen von drei Isolationswiderständen (Rp, Rm, Rz) dreier elektrischer Versorgungsleitungen (p, m, z) für die einzelnen Baugruppen (11, 11′) einer elektrischen Anlage (10), insbesondere einer Fernmelde- oder signaltechnischen Einrichtung, gegenüber die einzelnen Baugruppen (11, 11′) aufnehmenden Gestellen (G) und gegenüber auf Massepotential (E) liegenden Teilen der elektrischen Anlage,
mit zwei Gleichspannungsquellen (Ub, Uz), die eine positive und eine negative Versorgungsspannung liefern und die mit einem ihrer beiden Pole (+; -) gemeinsam an eine Versorgungsleitung (m) angeschlossen sind,
wobei baugruppenweise (11, 11′) stets zwischen zwei gleichen Versorgungsleitungen eine Meßspannung (U) ermittelt und auf ihre Lage innerhalb eines im positiven Meßbereich (Ub) liegenden oberen Bewegungsfensters (17) oder eines im negativen Meßbereich (Uz) liegenden unteren Bewegungsfensters (37) überwacht wird,
die beiden Bewegungsfenster (17, 37) jeweils von einer oberen und einer unteren Auslösespannung (U_Rpf, U_Rmf; -U_Rmf, -U_Rzf) begrenzt werden, die einerseits aus einem vorgegebenen Schwellenwert (Rw) und andererseits aus dem aktuellen Gesamtwiderstand (Rg) sich ergeben,
der aus einer Parallelschaltung der drei unbekannten Isolationswiderstände (Rp, Rm, Rz) sich ergebende Gesamtwiderstand (Rg) in einer mindestens zweistufigen Testphase errechnet wird,
indem zunächst ein erster und dann wenigstens ein zweiter Referenzwiderstand (R1, R2) parallel zu dem gleichen Isolationswiderstand (Rp, Rm) zugeschaltet sowie die sich nach dem Einschwingvorgang (T1, T2) jeweils ergebenden Referenzspannungen (U1, U2) gemessen werden, aus denen neue Auslösespannungen (46′, 47′) errechnet werden, die ein neues Bewegungsfenster (17′) für die künftige Überwachung bestimmen, (Fig. 8),
und ein Alarm dann ausgelöst wird, wenn die ermittelte Meßspannung (U) außerhalb des ermittelten Bewegungsfensters (17′) liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Testphase stets bei einem Fehlerfall ausgeführt wird, bei dem die überwachte Meßspannung die obere oder untere Auslösespannung (46, 47; 48, 49) über- bzw. unterschreitet, (Fig. 8).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Testphase beim Start der elektrischen Anlage (10) eingeleitet wird, (Fig. 8).

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Testphase in bestimmten zeitlichen Abständen ausgeführt wird, (Fig. 8).

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwiderstände (R1, R2) im Fehlerfall stets parallel zu jenem Isolationswiderstand (Rp, Rm) der beiden Versorgungsleitungen (m, p) geschaltet werden, der voraussichtlich der größere ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß, ausgehend von einem negativen Bezugspotential (m) beim Messen der Meßspannung (U), im Fehlerfall die beiden Referenzwiderstände (R1, R2) dann zur positiven Seite (Rp) hin zugeschaltet werden, wenn der Spannungswert (U) unterhalb der halben Spannung der positiven Spannungsquelle (Ub) liegt, und im anderen Fall zur negativen Seite (Rm) zugeschaltet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Ermitteln der beiden Referenzwiderstände (U1, U2), falls kein Alarmfall vorliegt, wenigstens einer der beiden Referenzwiderstände (R1, R2) jeweils parallel zum anderen Isolationswiderstand (Rm, Rp) der beiden Versorgungsleitungen (m, p) solange zugeschaltet wird, bis der sich dann ergebende Einschwingvorgang (T3) abgelaufen ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Auslösespannung (47) des oberen Bewegungsfensters (17) zwar betragsmäßig gleich ist der oberen Auslösespannung (48) des unteren Bewegungsfensters (37), aber ein dazu gegensätzliches Vorzeichen (-) aufweist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtwiderstand (Rg) aus den beiden Referenzwiderständen (R1, R2) und den in der Testphase (Fig. 8) ermittelten beiden Referenzspannungen (U1, U2) errechnet wird nach der Formel

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslösespannung (U_Rpf, U_Rmf, U_Rzf) ihrem absoluten Wert nach sich aus der Gleichung ergibt, wobei für die unbekannten einzelnen Isolationswiderstände (Rp, Rm, Rz) jeweils der ungünstigste Fall angenommen wird, daß sie entweder alle, ausgehend vom ermittelten Rg, gleich schlecht sind oder daß sie mindestens dem Schwellwiderstand (Rw) gleich sind.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zum Errechnen der drei Auslösespannungen (U_Rpf, U_Rmf, U_Rzf) angenommen wird

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwiderstand (Rw) in verschiedenen Bereichen der Meßspannung (U) unterschiedlich hoch gewählt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwiderstand (Rw) mit zunehmender negativer Meßspannung (U) anwächst.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwiderstand (Rw) bis zu einem bestimmten unteren Grenzwert der Meßspannung (U) einen konstanten Ausgangswert aufweist und von da ab schrittweise jeweils um einen definierten Betrag anwächst, wenn die Meßspannung negativer wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Alarm stets ausgelöst wird, wenn die überwachte Meßspannung (U) Grenzspannungen (U_Rps, U_Rms, -U_Rms, -U_Rzs) über- bzw. unterschreitet, die in definiertem Abstand beidseitig der Auslösespannungen (46, 47, 48, 49) der beiden Bewegungsfenster (17, 37) liegen.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Grenzspannungen (40, 41, 42, 43), ihrem absoluten Wert nach, sich ergeben als U_Rps als ein hoher Prozentsatz von Ub, U_Rms als ein kleiner Prozentsatz von Ub und U_Rzs als ein entsprechend hoher Prozentsatz von Uz.