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Schaltungsanordnung zur Überwachung der Isolation unge-
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erdeter Wechselstromnetze und aus diesen gespeister Gleichstromkreise
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Überwachung der Isolation
ungeerdeter ein- oder mehrphasiger Wechselstromnetze und aus diesen gespeister Gleichstromkreise
mit einer Gleichspannungsquelle, die zwischen die Leiter des Wechselstromnetzes
und einen Schutzleiter geschaltet ist, und mit einem Meßwiderstand, an den eine
elektronische Schaltungseinheit mit einem nachgeordneten Signalgeber angeschlossen
ist." Bei einer bekannten Schaltungsanordnung dieser Art (DE-OS 25 15 121) ist die
Ankopplung an das Wechselstromnetz über eine Drosselspule vorgenommen, Diese Drosselspule
muß so bemessen sein, daß sie auch bei einem Erdschluß in dem aus dem Wechselstromnetz
gespeisten Gleichstromkreis der dann auftretenden Überlastung gewachsen ist, oder
es müssen zusätzlich Bauelemente vorgesehen werden, die bei derartigen Erdschlüssen
wirksam werden. Dies bedingt einen zusätzlichen Aufwand bei der Herstellungder bekannten
Schaltungsanordnung.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
zur überwachung der Isolation ungeerdeter ein- oder mehrphasiger Wechselstromnetze
und aus diesen gespeister Gleichstromkreise vorzuschlagen, die sich mit verhältnismäßig
geringem Aufwand herstellen läßt und auch meßtechnische Vorteile bietet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Schaltungsanordnung der eingangs
angegebenen Art erfindungsgemäß die Gleichspannungsquelle in einem Zweig einer Brückenschaltung
aus ohmschen Widerständen angeordnet und dieser Zweig bestimmt zusammen mit einem
weiteren Brückenzweig die Eingangsdiagonale, die einerseits über jeweils eine Diode
mit jedem Leiter des Wechselstromnetzes und andererseits mit dem Schutzleiter verbunden
ist; in der anderen Diagonale (Meßdiagonale) der Brückenschaltung liegt der Meßwiderstand.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen' Schaltungsanordnung besteht darin,
daß ihre Ankopplung an das Wechselstromnetz nicht über eine Drosselspule erfolgt,
sondern über Dioden, die die Brückenschaltung mit jeweils einem Leiter des Wechselstromnetzes
verbinden; dies führt zu einem geringerem Aufwand bei der Herstellung der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung im Vergleich zur bekannten.
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Durch die direkte Ankopplung an das Netz über die Dioden werden mit
der anliegmden, gleichgerichteten Spannung des Wechselstromnetzes sämtliche vorhandenen
Kontaktwiderstände ausgeschlossen. Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
den Vorteil auf, daß mit ihr ein ,rdSchlUß in album an das Wechselstromnetz angeschlossenen
Gleichstromkreis mit großer Zuverlässigkeit erfaßt werden kann, wenn es sich um
einen satten Erdschluß handelt.
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Ein zusätzlicher Vorteil ist bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
darin zu sehen, daß auch bei einem satten Erdschluß am Minuspol des angeschlossenen
Gleichstromkreises nur ein verhältnismäßig kleiner Strom über die Schaltungsanordnung
fließt, so daß zusätzliche Schutzmaßnahmen - wie sie bei der bekannten Schaltungsanordnung
erforderlich sind - bei der Erfassung von Erdschlüssen entfallen können; dies führt
zu einer weiteren Verringerung des Herstellungsaufwandes der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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Die Widerstände der Brückenschaltung sind vorteilhafterweise so bemessen,
daß das Verhältnis der Werte der Widerstände in den Brückenhälften beiderseits der
Eingangsdiagonale gleich ist; dadurch ist nämlich erreicht, daß die vom Netz erzeugte
Spannung in der Brückenschaltung kompensiert ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung treten beim Überwachen
der Isolation am Meßwiderstand mehr oder weniger breite Nadelimpulse auf, wenn ein
Erdschluß bei eingeschaltetem Netz aufgetreten ist. Deshalb enthält die erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung vorteilhafterweise in der elektronischen Schaltungseinheit eine
Einrichtung zur Mittelwertbildung.
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Ferner hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die elektronische
Schaltungseinheit eingangsseitig einen Impedanzwandler enthält, der an dem Meßwiderstand
mit seinem hochohmigen Eingang angeschlossen ist.+ In der elektronischen Schaltungseinrichtung
ist vorteilhafterweise der Einrichtung zur Mittelwertbildung eine Schwellwertstufe
nachgeordnet, an die der Signalgeber angeordnet ist. Durch diese Schwellwertstufe
wird ein vorbestimmter Spannungsabfall am Meßwiderstand erfaßt u h in Steuersignal
an den Signalgeber kenntlich gemacht, das ein Erdschluß vorliegt.
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Der Signalgeber kann unterschiedlich ausgebildet sein; er enthält
zweckmäßigerweise ein Relais, mit dem das Wechselstromnetz im Falle eines Erdschlusses
abgetrennt wird, und/oder einen Signalerzeuger, beispielsweise in Form einer Leuchtdiode.
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Zur Erläuterung der Erfindung ist in Fig. 1 schematisch ein zweiphasiges
Wechselstromnetz
mit einem hieraus über Gleichrichter gespeisten
Gleichstromkreis und die hierbei möglichen Arten von Erdschlüssen und in Fig. 2
ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung nach der Erfindung dargestellt.
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Wie Fig. 1 zeigt, ist ein zweiphasiges Wechselstromnetz U und V über
einen Transformator 1 gespeist. Aus den Leitern U und V wird über Gleichrichter
2 ein Gleichstromkreis mit den Leitern P+ und P- gespeist. Als Bei~ spiele für an
dieser Anordnung zu betreibende Verbraucher sind ein einphasiger Wechselstromverbraucher
3, z. B.
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eine Beleuchtungsanlage, und ein Gleichstromverbraucher 4, z. B. ein
regelbarer Gleichstrommotor, gezeigt. Das Netz ist in seiner ganzen Ausdehnung von
einem Schutzleiter S begleitet, der geerdet ist.
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Zwischen allen benannten Leitern und dem Schutzleiter, aber auch im
Innern der Verbraucher 3 und 4 können leitende Verbindungen durch eine Beschädigung
der Isolation entstehen. Als Beispiele sind Erdschlüsse a und b zwischen den Leitern
U und V des Wechselstromnetzes und dem Schutzleiter S sowie ein Erdschluß c zwischen
dem positiven Leiter P+ des Gleichstromkreises und ein Erdschluß d zwischen dem
negativen Leiter P- und dem Schutzleiter gezeigt.
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Zur Erfassung aller erwähnten Erdschlüsse dient die in Fig. 2 dargestellte
Schaltungsanordnung. Diese enthält eine Brückenschaltung 5, die in einem Brückenzweig
6 in Reihe mit einem ohmschen Widerstand 7 eine Gleichspannungsquelle 8 enthält.
In einem weiteren Brückenzweig 9 ist ein weiterer ohmscher Widerstand 10 angeordnet.
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Die Brückenzweige-o und 9 bestimmen eine Eingangsdiagonale 11-12 der
Brückenschaltung 5. Die andere Hälfte der Brückenschaltung 5 ist von einem Brückenzweig
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mit einem ohmschen Widerstand 14 und einem Brückenzweig 15 mit
einem ohmschen Widerstand 16 gebildet. In einer von Schaltungspunkten 17 und 18
gebildeten anderen Diagonale (Meßdiagonale) der Brückenschaltung 5 ist ein Meßwiderstand
19 angeordnet.
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Die Gleichspannungsquelle 8 der Brückenschaltung 5 ist über einen
Transformator 20 beispielsweise aus einem 220 V-Netz gespeist und enthält in üblicher
Weise einen Brückengleichrichter 21 mit nachgeordnetem Kondensator 22. An diesen
ist eine Anordnung 23 zur Konstanthaltung der Gleichspannung angeschlossen.
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Die Brückenschaltung 5 ist über eine Diode 24 mit dem Leiter U des
Wechselstromnetzes und über eine weitere Diode 25 mit dem Leiter V des Wechselstromnetzes
verbunden, das in der aus der Fig. 1 ersichtlichen Weise mit einem nachgeordnetem
Gleichstromkreis versehen sein kann.
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An dem Meßwiderstand 19 der Brückenschaltung 5 ist eine elektronische
Schaltungseinheit 26 angeschlossen, die eingangsseitig einen Impedanzwandler 27
enthält. Dieser Impedanzwandler 27 ist mit seinem hochohmigen Eingang an dem Meßwiderstand
19 angeschlossen Mit dem Ausgang des Impedanzwandler 27 ist eine Einrichtung 28
zur Mittelwertbildung verbunden, die einen Widerstand 29 und einen Kondensator 30
enthält. Der Einrichtung 28 zur Mittelwertbildung ist eine Schwellwertstufe 31 nachgeordnet,
die so eingestellt ist, daß sie bei einem einen Erdschluß im Wechselstromnetz oder
im angeschlossenen Gleichstromkreis kennzeichnenden Spannungsabfall am Meßwaderstand
19 an ihrem Ausgang 32 ein Steuersignal abgibt. Mit diesem Steuersignal wird ein
angeschlossener Signalgeber 33 beaufschlagt, der ein nicht dargestelltes Relais
enthält.
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Zusätzlich zu dem Relais kann im Signalgeber 33 ein Signaler-
erzeuger
zur Abgabe eines optischen oder akustischen Signals, z. B. eine Leuchtdiode, vorhanden
sein.
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Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 wirkt in folgender Weise: Befindet
sich das Wechselstromnetz und der nachgeordnete Gleichstromkreis in ungestörtem
Zustand, dann fließen über die Dioden 24 und 25 sowie über die nachgeordnete Brückenschaltung
5 relativ schwache Ströme. Diese Ströme führen wegen übereinstimmender Widerstandsverhältnisse
in den beiden Brückenhälften der Brückenschaltung 5 zu keinem Spannungsabfall am
Meßwiderstand-19.
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Von der elektronischen Schaltungseinheit 26 wird daher auch kein Erdschluß
erfaßt, und der Signalgeber 33 bleibt unbeeinflu8t.
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Tritt ein Erdschluß im Wechselstromnetz, z. B. ein Erdschluß zwischen
dem Leiter V und dem Schutzleiter S auf, dann treibt die Gleichspannungsquelle 8
einen Meßstrom über die Erdschlußstelle, der sich in der Brücken hälfte mit dem
Brückenzweigen 6 und 9 dem Gleichstrom aus dem Wechselstromnetz überlagert. Dieser
Meßstrom fließt nur im Nulldurchgangsbereich der Netzspannung, so daß sich jeweils
im Nulldurchgangsbereich am Meßwiderstand 19 ein Spannungsimpuls bildet, der nadelförmig
ist und eine vom Erdschlußwiderstand abhängige Breite aufweist.
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Die impulsförmige Spannung am Meßwiderstand 19 wird in der elektronischen
Schaltungseinheit 26 in deren Einrichtung 28 zur Mittelwertbildung in eine Gleichgröße
entsprechender Höhe umgewandelt, die bei einem Erdschluß die Schwellwertstufe 31
zum Ansprechen bringt.
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Daraufhin wird der Signalgeber 33 betätigt; der Erdschluß ist damit
angezeigt und durch das Relais die Abschaltung des Wechselstromnetzes vorgenommen.
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Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 wirkt in derselben Weise, wenn
im angeschlossenen Gleichstromkreis ein satter Kurzschluß auftritt. In diesem Falle
sind nämlich die Netzkapazitäten des mit dem satten Erdschluß behafteten Plus- oder
Minuspoles nicht wirksam, so daß der über die Diode 24 oder 25 fließende Strom nicht
geglättet ist und damit ausgeprägte Nullstellen aufweist. Damit ist der Nulldurchgangsbereich
wie bei einem Erdschluß im Wechselstromnetz definiert, und es wird dann in diesem
Nulldurchgangsbereich jeweils von der Gleichspannungsquelle ein definierter Meßstrom
über die Erdschlußstelle getrieben, der - wie bei einem Erdschluß im Wechselstromnetz
- eine Reihe nadelförmiger Spannungsimpulse am Meßwiderstand 19 bildet, die dann
in der bereits beschriebenen Weise in der elektronischen Schaltungseinheit ausgewertet
werden.
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Nur bei nicht satten Kurzschlüssen im Gleichstromkreis ergeben sich
bei der Erfassung von Erdschlüssen gewisse Ungenauigkeiten, weil bei derartigen
Erdschlußfehlern die Netzkapazitäten zu einer Glättung des über die Dioden 24 oder
25 fließenden Stromes führen, wodurch der Nulldurchgangsbereich nicht mehr ganz
eindeutig definiert ist. Diese Ungenauigkeit kann aber durchaus hingenommen werden,
denn es erfolgt auch in diesem Falle eine Fehlermeldung.
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Nimmt man einmal an, daß es sich bei dem Wechselstromnetz um ein 220
V-Netz handelt und daß die Gleichspannungsquelle 8 eine Spannung von 24 V erzeugt,
dann können bei einem Erdschluß auf der Wechselseite Ströme von maximal 1 mA Gleichstrom
fließen. Bei sattem Erdschluß am Minuspol können maximal 2 mA durch die anstehenden
220 V über die Fehlerstelle fließen. Bei einem satten Erdschluß am Pluspol wirkt
der maximale Erdschlußstrom allein durch
die 24 V der Gleichspannungsquelle
bestimmt, was zu einem Strom von 0,2 mA führt,. da zwischen dem Pluspol und dem
Mittelpunkt der Dioden 24 und 25 keine Spannungsdifferenz besteht, wenn die Netzkapazitäten
vernachlässigt werden.
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Mit der Erfindung wird eine Schaltungsanordnung vorgeschlagen, die
sich durch einen vergleichsweise ger-ingen Schaltungsaufwand und durch eine relativ
hohe Meßgenauigkeit auszeichnet.
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5 Ansprüche 2 Figuren