DE69113968T2

DE69113968T2 - Messbrücke für Referenzspannung für Gerät zur Überwachung und Messung der Isolation eines elektrischen Gleichspannungsnetzes.

Info

Publication number: DE69113968T2
Application number: DE69113968T
Authority: DE
Inventors: Patrice Allin; Christian Pellegrin; Luc Weynachter
Original assignee: Schneider Electric SE
Current assignee: Schneider Electric SE
Priority date: 1990-12-26
Filing date: 1991-12-11
Publication date: 1996-05-23
Anticipated expiration: 2011-12-12
Also published as: EP0493271B1; ES2080281T3; CA2058380A1; FR2671190A1; US5287062A; KR920012928A; FR2671190B1; DE69113968D1; EP0493271A1; JPH04309870A

Description

Die Erfindung betrifft eine Brückenschaltung zur Messung der Prüfspannung für eine Anordnung zur Überwachung und Messung der Isolation eines mit Gleichspannung betriebenen Netzes, insbesondere eines Niederspannungsnetzes mit einer Nennspannung in der Größenordnung von 600 Volt, wobei die Spannungsmeßbrücke dazu dient, zumindest einen Teil des Eingangsnutzsignals einer Auswertungsschaltung zur Analyse der über das Gleichspannungsnetz getriebenen Prüfwechselspannung mit einer niedrigen Frequenz von beispielsweise 4 bis 10 Hertz und einem geringen Scheitelwert von beispielsweise etwa 30 Volt zu lielern.
Es ist z.B. aus den Druckschriften FR-A-2.616.228 und FR-A- 2.647.220 bekannt, zur Überwachung und Messung des Isolationswiderstands gegen Erde in einem Gleichspannungsnetz eine Anordnung einzusetzen, die eine Treiberschaltung zur Einleitung eines Wechselspannungs-Prüfsignals in das zu überwachende Netz sowie eine elektronische Erfassungsschaltung umfaßt, die in der Lage ist, als Reaktion auf die Einleitung des Prüfsignals ein den Isolationszustand des Netzes abbildendes Meßsignal bereitzustellen, wobei sich dieser Isolationszustand in einer Ableitungsimpedanz Zd äußert, die sich aus einem Ableitungswiderstand Rf und einer elektrisch parallel dazu liegenden Streukapazität Cf zusammensetzt, deren Höhe von den Netzparametern abhängt.
Die beigefügte Figur 1 zeigt schematisch den Eingangskreis einer Isolations-Überwachungseinrichtung nach dem bisherigen Stand der Technik.
Dabei handelt es sich gemäß Figur 1 um ein Netz zur Einspeisung einer Gleichspannung Vc verhältnismäßig hoher Amplitude von beispielsweise 600 Volt. Die Spannung wird zwischen einem Hinleiter 1 und einem gegen die Masse der Installation isolierten Rückleiter 2 angelegt. Die Isolationsimpedanz Zd zwischen den beiden Leitern 1 und 2 der Gleichspannungseinspeisung setzt sich aus dem Ableitungswiderstand Rf und der Streukapazität Cf zusammen, deren Höhe von den Netzparametern abhängt und die, wie in der Zeichnung dargestellt, parallel zum Ableitungswiderstand Rf liegt.
Die Isolations-Uberwachungseinrichtung, die dazu dient, die beiden Anteile Rf und Cf der Isolationsimpedanz Zd zu überwachen, umfaßt Mittel (nicht dargestellt), um über eine Zuleitung 4 und einen Koppelkondensator 3 eine Prüfwechselspannung Vd zwischen den Hinleiter 1 und die Masse der Installation einzuleiten. Dabei handelt es sich um eine Wechselspannung mit niedriger Frequenz f von im allgemeinen 4 bis 10 Hertz und einem verhältnismäßig niedrigen Scheitelwert von etwa dreißig Volt.
Zur Bestimmung des ohmschen Anteils Rf und des kapazitiven Anteils Cf der Isolationsimpedanz Zd muß einerseits der Wert der über das Netz getriebenen Prüfspannung Vd und andererseits die Höhe des zugehörigen, die Isolationsimpedanz durchfließenden Stroms Id gemessen werden.
Der Strom Id wird durch Erfassung des Spannungswerts mit der Frequenz f gemessen, der sich aus dem Stromfluß Id durch einen zwischen dem Rückleiter 2 und Masse in Reihe zur Isolationsimpedanz Zd geschalteten Meßwiderstand R3 ergibt. Mit diesem Meßwert wird der Eingang E1 der Signalverarbeitungs- und Anzeigeschaltung 5 beaufschlagt, mit der die Isolations-Überwachungseinrichtung bestückt ist.
Die Spannung Vd wird durch Abgriff an der Teilungs-Ausgangsklemme 6 eines Spannungsteilers mit zwei Widerständen R1, R2 gemessen und einem zweiten Eingang E2 der Schaltung 5 zugeführt, wobei das Teilungsverhältnis von beispielsweise 80 und der Gesamtwiderstand (R1 + R2) von beispielsweise etwa 600 Kiloohm so gewählt werden, daß ein Kompromiß zwischen
- der Meßgenauigkeit, die umso höher ist je größer das Teilungsverhältnis R2/R1 (Beaufschlagung von E2 mit hoher Prüfwechselspannung) und je kleiner der Widerstand (R1 + R2) der Brücke 7 (über die Brücke fließender hoher Wechselstrom) ist,
- der Eingangsimpedanz des Gleichspannungsnetzes, die durch die Brücke 7 nicht zu stark abgesenkt werden darf,
- und dem am Meßpunkt 6 verbleibenden Spannungspegel erzielt wird, der einerseits unter der Betriebsspannung der Halbleiterbauelemente der Schaltung 5 (im allgemeinen + 15 Volt, - 15 Volt) liegen muß und andrerseits im Vergleich zu der am gleichen Punkt 6 abgegriffenen Prüfwechselspannung nicht zu hoch sein darf.
Die in der französischen Patentschrift FR-A-2.647.220 beschriebene Lösung, die darin besteht, einen Kondensator zwischen den Widerstand R1 und den Hinleiter 1 zu schalten, führt zu Phasenverschiebungsproblemen durch Streueffekte, die die Meßgenauigkeit beeinträchtigen können.
Die Anwendung eines solchen Kompromisses bei der Wahl der Widerstandswerte für R1 und R2 kann keine vollkommen zufriedenstellende Lösung darstellen. Die Impedanz der Brücke 7 stellt sich nämlich als zu klein heraus, und das am Teilungspunkt 6 abgegriffene Wechselspannungs-Nutzsignal ist so schwach, daß es praktisch im Rauschpegel untergeht. Das am Teilungspunkt 6 bereitgestellte Gleichspannung weist viel zu hohe Spannungs- und Stromwerte auf.
In dem im "Journal of Physics E: Scientific Instruments, Vol. 10, Nr. 1 vom Januar 1977 auf S. 71-72 erschienenen Artikel wird eine Anordnung zur Messung der zyklischen Spannungsänderungen einer Hochspannungsversorgung beschrieben, die mit einem kapazitiven Spannungsteiler bestückt ist, dessen Teilungspunkt an eine Verstärkerschaltung angeschlossen ist.
Die erfindungsgemäße Meßbrücke ist durch eine gemischte Meßbrücke gekennzeichnet, die
- einen ohmschen Spannungsteiler mit einer zwischen den Netzleiter und Masse geschalteten Reihenschaltung aus einem ersten Widerstand und einem zweiten Widerstand, sowie
- einen kapazitiven Spannungsteiler mit einer zwischen den Netzleiter und Masse geschalteten Reihenschaltung aus einem ersten Kondensator und einem zweiten Kondensator umfaßt,
- wobei die beiden Spannungsteiler zueinander parallelgeschaltet sind und Zwischenabgriffsausgänge aufweisen, die miteinander verbunden und an einen Eingang der Auswertungsschaltung angeschlossen sind,
- der genannte ohmsche Spannungsteiler einen über der Eingangsimpedanz des Netzes liegenden Gesamtwiderstand und ein Teilungsverhältnis von etwa einem Tausendstel aufweist
- und der genannte kapazitive Spannungsteiler ein Teilungsverhältnis von etwa 0,5 sowie eine bei der Frequenz des Prüfsignals Vd im Vergleich zum kleinsten Widerstand des ohmschen Spannungsteilers vernachlässigbare Impedanz aufweist, derart daß die Höhe der an den Zwischenabgriffsausgängen der gemischten Meßbrücke abgegriffenen Gleichspannung im Verhältnis zur Höhe der am gleichen Ausgang abge griffenen Prüfwechselspannung klein, während die Gleichstromimpedanz der Meßbrücke im Verhältnis zur Eingangsimpedanz des Gleichspannungsnetzes groß ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile und Merkmale näher erläutert. Dabei zeigen:
- Figur 1 gemäß der obigen Beschreibung eine Schaltungsanordnung nach dem bisherigen Stand der Technik;
- Figur 2 eine erfindungsgemäße Meßbrücke, die im Eingangskreis einer Isolations-Überwachungseinrichtung ähnlich der Ausführung gemäß Figur 1 eingesetzt werden kann.
Figur 2 zeigt den Hinleiter 1 des Gleichspannungsnetzes mit einer Spannwig von beispielsweise 600 Volt, dessen Isolationsimpedanz in der Anordnung gemäß Figur 1 mittels der über das Gleichspannungsnetz getriebenen Prüfwechselspannung Vd mit einer Frequenz von beispielsweise 4 Hertz und einem Scheitelwert von beispielsweise 30 Volt sowie mittels der Signalverarbeitungsschaltung 5 bestimmt werden soll, deren Eingangskreis eine Anordnung zur Messung des die Isolationsimpedanz Zd durchfließenden Stroms Id (siehe Figur 1) sowie die erfindungsgemäße und daher in Figur 2 allein dargestellte Anordnung zur Messung der Prüfwechselspannung Vd umfaßt.
Die Anordnung zur Messung der Spannung Vd besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer gemischten Brückenschaltung 8, die aus einer Parallelschaltung mit Verbindung der beiden Teilungspunktausgänge 6' und 6" aus
- einem ohmschen Spannungsteiler 9, der beispielsweise aus einem Widerstand R' 1 von etwa 100 Megohm sowie einem Widerstand R'2 von etwa 100 Kiloohm besteht, so daß die Gesamtimpedanz (R'1 + R'2) der Brücke im Verhältnis zu der im allgemeinen zwischen etwa 1 und 2 Megohm betragenden Eingangsimpedanz des Gleichspannungsnetzes sehr groß während das Teilungsverhältnis mit etwa einem Tausendstel außerordentlich niedrig ist, und
- einem kapazitiven Spannungsteiler 10 gebildet ist, der aus zwei Elektrolytkondensatoren C1 und C2 mit hoher Kapazität besteht, wobei diese Kapazität ausreichend hoch ist, damit bei der Frequenz von 4 Hertz der Prüfspannung Vd die Impedanz jedes der Kondensatoren C1 und C2 im Verhältnis zum kleinsten Widerstand R'2 des ohmschen Spannungsteilers 9 sehr klein ist, und die Kapazitäten darüber hinaus so gewählt sind, daß die Brücke 10 ein hohes Teilungsverhältnis aufweist. Im angeführten Beispiel handelt es sich um identische Kondensatoren mit einer Kapazität von jeweils 10 Mikrofarad, so daß sich ihre Impedanz bei der Frequenz von 4 Hertz zu etwa 4 Kiloohm (d.h. einem im Verhältnis zum Widerstand R'2 von 10 Kiloohm vernachlässigbaren Wert) sowie ein Teilungsverhältnis des kapazitiven Spannungsteilers 10 von 0,5 ergibt.
Die Meßanordnung 8 arbeitet wie folgt:
Auf den im Hinleiter 1 fließenden Strom hat der kapazitive Spannungsteiler 10 keinen Einfluß, und die am Punkt E2 in die Signalverarbeitungsschaltung 5 eingeleitete Gleichspannung ist aufgrund des Teilungsverhältnisses des ohmschen Spannungsteilers 9 von einem Tausendstel mit lediglich 0,6 Volt sehr klein.
Hinsichtlich der Prüfwechselspannung von 4 Hertz sind die parallel zu den Kondensatoren C1 und C2 liegenden Widerstände R'1 und R'2 eindeutig zu hoch, um sich im Vergleich zum kapazitiven Blindwiderstand jedes Kondensators von etwa 4 Kiloohm auszuwirken. Die Wechselspannung Vd "erkennt" daher nur den kapazitiven Spannungsteiler, dessen Gesamtimpedanz gering und dessen Teilungsverhältnis (0,5) hoch ist. Die am Punkt E2 eingeleitete Wechselspannung ist also mit einem Scheitelwert von etwa 15 Volt hoch und liegt wesentlich über dem zuvor genannten Wert von 0,6 Volt für die am Punkt E2 eingeleitete Gleichspannung, während der eingeleitete Wechselstrom aufgrund der geringen Gesamtimpedanz (etwa 8 Kiloohm) der Brücke ebenfalls hoch ist.

Claims

1. Brückenschaltung zur Messung einer Prüfwechselspannung (Vd) für eine Anordnung zur Überwachung und Messung der Isolation eines mit Gleichspannung (Vc) betriebenen Netzes (1,2), wobei die genannte Anordnung

- Mittel zur Einleitung eines Prüfwechselsignals (Vd) mit einer Frequenz von 4 bis 10 Hz in das Netz umfaßt und

- die die genannte Spannungsmeßbrücke umfassende Meßanordnung mit einer Schaltung (5) zur Auswertung des Prüfsignals (Vd) verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Meßbrücke als gemischte Meßbrücke (8) ausgeführt ist, die

- einen ohmschen Spannungsteiler (9) mit einer zwischen den Netzleiter (1) und Masse (2) geschalteten Reihenschaltung aus einem ersten Widerstand (R'1) und einem zweiten Widerstand (R'2) sowie

- einen kapazitiven Spannungsteiler (10) mit einer zwischen den Netzleiter (1) und Masse (2) geschalteten Reihenschaltung aus einem ersten Kondensator (C1) und einem zweiten Kondensator (C2) umfaßt,

- wobei die beiden Spannungsteiler zueinander parallelgeschaltet sind und Zwischenabgriffsausgänge (6', 6'') aufweisen, die miteinander verbunden und an einen Eingang (E2) der Auswertungsschaltung (5) angeschlossen sind,

- der genannte ohmsche Spannungsteiler (9) einen über der Eingangsimpedanz des Netzes liegenden Gesamtwiderstand und ein Teilungsverhältnis von etwa einem Tausendstel aufweist

- und der genannte kapazitive Spannungsteiler (10) ein Teilungsverhältnis von etwa 0-5 sowie eine bei der Frequenz des Prüfsignals (Vd) im Vergleich zum kleinsten Widerstand (R'2) des ohmschen Spannungsteilers (9) vernachlässigbare Impedanz aufweist, derart daß die Höhe der an den Zwischenabgriffsausgängen (6', 6") der gemischten Meßbrücke (8) abgegriffenen Gleichspannung im Verhältnis zur Höhe der am gleichen Ausgang abgegriffenen Prüfwechselspannung klein, während die Gleichstromimpedanz (R'1 + R'2) der Meßbrücke (8) im Verhältnis zur Eingangsimpedanz des Gleichspannungsnetzes groß ist.

2. Meßbrücke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtwiderstand (R'1 + R'2) des ohmschen Spannungsteilers (9) etwa einhundert Megohm und die Kapazität jedes der beiden Kondensatoren (C1, C2) des kapazitiven Spannungsteilers (10) etwa zehn Mikrofarad betragen.