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Schaltungsanordnung zur Überwachung des Läuferkreises von Gleichstrommaschinen
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Überwachung des Läuferkreises
von Gleichstrommaschinen in bezug auf seinen Isolationswiderstand gegen Erde mit
einem den Läuferkreis, zumindest einen Kondensator, eine Sekudärwicklung eines zur
Einspeisung einer Hilfswechselspannung dienenden Hilfstransformators und ein Auswerteteil
enthaltenden Überwachungskreis. Derartige Schaltungsanordnungen werden im allgemeinen
als Läufer-Erdschlußschutz bezeichnet.
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Bei einer bekannten Schaltungsanordnung dieser Art sind zur gleichstrommäßigen
Entkopplung mehrere Kondensatoren parallel angeordnet, von denen jeweils nur soviele
eingeschaltet sind, wie es im Hinblick auf die Erdkapazität des Läuferkreises der
jeweils zu überwachenden Gleichstrommaschine erforderlich ist, um eine von der Erdkapazität
möglichst unbeeinflußte Überwachung durchführen zu können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Schaltungsanordnung
hinsichtlich ihrer Empfindliobkeit wesentlich zu verbessern, so daß bereits Isolationswiderstände
nach Erde, die kleiner als beispielsweise 5 k # sind, erfaßt werden können. Außerdem
sollen im Läuferkreis vorhandene bzw. durch Ißolationsfehler ermöglichte Stbrgpannungen,
die durch Gleichrichtererregung oder rotierenden Erdsohluß verursacht sein können,
nioht Zur Beeinträchtisung der Arbeitsweise fuhren. Werner liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Überwachung des Läuferkreises von
Gleichstrommaschinen zu schaffen, bei der der Abgleich des Gerätes weitgehend unempfindlich
gegenüber
Kapazitätsänderungen im Läuferkreis ist; denn bekanntlich ist die Erdkapazitltt
des Läuferkreises nicht nur vom Aufbau der jeweiligen Maschine und der Anordnung
in einem Naschinensatz abhängig, sondern hängt beispielsweise auch von der Temperatur
ab.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Schaltungsanordnung zur Überwachung
des Läuferkreises von Gleichstrommaschinen in bezug auf seinen Isolationswiderstand
gegen Erde mit einem den Läuferkreis, zumindest einen Kondensator, eine Sekundärwicklung
eines zur Einspeisung einer Hilfswechselspannung dienenden Hilfstransformators und
ein Auswerteteil enthaltenden Überwachungskreis geeignet, die dadurch gekennzeichnet
ist, daß im Überwachungskreis zusätzlich ein auf die Frequenz der Hilfswechselspannung
abgestimmter Bandpaß in Reihe mit einer Widerstandsanordnung angeordnet ist und
daß das Auswerteteil Schaltungsmittel aufweiat, die aus von der Hilfswechselspannung
in der Widerstandsanordnung und im Läuferkreis hervorgerufenen Strömen gebildste
Differenzströme zur Gewinnung eines Auslösesignals betragsmäßig miteinander vergleichen.
Unter einem Bandpaß ist dabei im einfachsten Falle auch ein Reihenresonanzkreis
zu verstehen.
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Dabei hat es sich im Hinblick auf Einsparung an Bauelementen als zweckmäßig
erwiesen, wenn der Kondensator, der zur gleichstrommäßigen Entkopplung der Schaltungsanordnung
vom Läuferkreis vorgesehen ist, von einem Kondensator im Blngzweig des Bandpassee
gebildet ist.
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Die Widerstandsanordnung der erfindungsgemäßen Schaltunganordnung
enthält vorteilhafterweise in zwei unmittelbar an die Sekundärwicklung des Hilfstransformators
angeschlossenen Stromkreisen angeordnete Widerstände und einen dem Bandpaß vorgeordneten
weiteren Widerstand. Da mittels dieser Widerstandsanordnung maßgeblich das Auslöseverhalten
der Schaltungsanordnung, d.h., ihr Ansprechen bei einem
bestimmten
Isolationswiderstand, festgelegt wird, sind die Widerstände vorteilhafterweise einstellbar
ausgeführt. Dadurch besteht die Möglichkeit, das Auslöseverhalten der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung in einfacher Weise den Gegebenheiten im jeweils zu überwachenden
Läuferkreis ansupassen.
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Die Schaltungsmittel des Auswerteteils der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
enthalten zweckmäßigerweise zwei Differenz-Transformatoren mit jeweils zwei Primärwicklungen
und jeweils einer mittenangezapften Sekundärwicklung mit jeweils einer nachgeordneten
Zweiweg-Gleichrichterschaltung, die gegensinnig auf ein Auslöseorgan arbeiten; durch
eine derartige Ausgestaltung der Schaltungsmittel lassen sich mit verhältnismäßig
geringem Aufwand aus den von der Hilfawecheelspannung in der Widerstandsanordnung
und im Läuferkreis hervorgerufenen Strömen Differenzströme erzeugen, die zur Gewinnung
eines Auslösesignals betragsmäßig in dem Auslöseorgan miteinander verglichen werden.
Dabei ist die eine Primärwicklung des einen Differenz-Transformators in einem Stromzweig
mit dem Bandpaß und dem zu überwachenden Läuferkreis angeordnet und die andere Primärwicklung
dieses Transformators zusammen mit der einen Primärwicklung des weiteren Differenz-Transformators
unter Bildung des einen Rilfastromkreises in Reihe mit dem einen Widerstand der
Widerstandsanordnung vorgesehen, während die andere Primärwioklung des weiteren
Differenz-Transformators unter Bildung des weiteren Hilfsstromkreises mit dem weiteren
Widerstand der Widerstandsanordnung in Reihe angeordnet ist.
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Die zur Auswertung der Differenzströme vorgesehene Auslöseschaltung
kann in unterschiedlicher Weise ausgebildet werden.
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Beispielsweise kann sie ein Relais mit swei Wicklungen sein.
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Bevorzugt wird jedoch eine Ausbildung der Auslöseschaltung in Porm
eines Widerstandes mit nachgeordnetem Stromtrigger, wobei dem Stromtrigger vorzugsweise
ein Differenzverstärker
vorgeordnet ist. Diese Ausbildung der Auslöseschaltung
bietet nämlich vor allem den Vortçil, daß der Vergleich der Differenzströme rasch
durchgeführt und damit auch das Auslösesignal verhältnismäßig schnell erzeugt wird,
da sich hierbei die verhältnismäßig langen Ansprechzeiten von Relais nicht nachteilig
bemerkbar machen können. Außerdem ist eine solche Auslöseschaltung empfindlicher
als ein Relais.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einem auf die Frequenz
der Hilfswechselspannung abgestimmten Bandpaß hat es sich zur Vermeidung einer schädlichen
Beeinflussung durch Überspannungen - solche Spannungen treten beispielsweise bei
Erdschlüssen an den Anodenwicklungen von Gleichrichtertransformatoren auf - als
vorteilhaft erwiesen, im Querzweig des Bandpasses eine Drosselspule anzuordnen und
diese so zu dimensionieren, daß sie in Verbindung mit dem Kondensator zur gleichstrommäßigen
Entkopplung bei einer im Uberwachungskreis entstehenden therspannung in Ferroresonanz
gerät und dadurch zur Spannungsbegrenzung wirksam wird. Zusätzlich dazu ist zur
Unterbindung thermischer tn>erlastungSin Reihe mit dem Bandpaß eine Primärwicklung
eines Schutzwandlers angeordnet und an die Sekundärwicklungdes Schutzwandlers ein
Grenzwertindikator angeschlossen, der beim Auftreten von Ferroresonanz der Drosselspule
ein Einschalten eines Dämpfungswiderstandes in den Uperwachungskreis veranlaßt.
Der Grensatertindikator kann vorteilhafterweise ein Schutzrelais beeinflussen, das
durch Öffnen eines den Dämpfungswiderstand normalerweise überbrückenden Kontaktes
den Dämpfungswiderstand einschaltet.
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Um trotz Einschaltens des Dämpfungswiderstandes mit dem damit verbundenen
Absinken des Stromes durch die Primärwicklung des Schutzwandlers den Befehl zur
Strombegrenzung bzw.
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die Erregung des dem Grenzwertindikator nachgeordneten Relais aufrechtzuerhalten,
ist zweckmäßigerweise zusätzlich zu der einen Primärwioklung des Schutzwandlers
eine weitere Primärwicklung vorgesehen; beide Primärwicklungen sind mit
ihrem
jeweils einen Ende miteinander verbunden, und der ge--meinsame Verbindungspunkt
ist an den Relaiskontakt angeschlossen, so daß die aus der weiteren Primärwicklung
und dem Dämpfungswiderstand bestehende Reihenschaltung parallel zum Relaiskontakt
liegt. Dies bedeutet, daß bei eingeschaltetem Dämpfungswiderstand trotz Verringerung
des Stromes durch die Primärwicklung des Schutzwandlers die Erregung des Wandlers
etwa gleich bleibt, da die Windungszahlen auf der Primärseite durch Einschalten
der weiteren Primärwicklung entsprechend erhoht sind. Das Schutzrelais bleibt also
angezogen.
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Um Fehlauslösungen beim Auftreten von Störspannungen z.B. mit einer
der Frequenz der Hilfswechselspannung entsprechenden Frequenz und kritischer Amplitude
zu vermeiden, weist das von dem Grenzwertindikator betätigte Schutsrelaia vorteilhafterweise
weitere Kontakte zum Abschalten des Ausarerteteiles auf. Beim Auftreten von kritischen
Störspannungen wird demzufolge das Auswerteteil unwirksam gemacht.
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Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zur Anzeige des
Auftretens von kritischen Störspannungen zusätzliche Kontakte des Schutsrelais Meldelampen
einschalten und damit anzeigen, daß die erfindungsgemäße Schaltungeanordnung zur
Zeit nicht wirksam arbeitet.
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Zur Erläuterung der Erfindung ist in der figur 1 ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt, und die Figur 2 gibt ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Auswerteteiles wieder. In den Figuren 3 und
4 ist zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungegemäßen Schaltungsanordnung
ein Ersatzschaltbild und ein Diagramm gezeigt.
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Wendet man sich zunächst der Figur 1 zu, dann erkennt man eine Schaltungsanordnung
8, die an einen duroh einen Isolationswideratand RE und eine Xapasität OE gegen
Erde gekennzeichneten,
zu überwachenden Läuferkreis einer Gleichstrommaschine
angeschlossen ist; der Läuferkreis ist mit einer Klemme Xi mit der Schaltungsanordnung
s verbunden, deren weitere Klemme K2 mit Erde verbunden ist, Die Schaltungsanordnung
S enthält eingangseeitig einen Hilfstransformator HT, dessen Primärwicklung Wph
an eine Spannung U angeschlossen ist, die vorzugsweise mit der Netzspannung identisch
ist. Die Sekundärwicklung Wsh des Hilfstransformators HT ist an einem Schaltungspunkt
Pl mit einer Widerstandsanordnung W und an einem Schaltungspunkt P2 mit einem Anschlußpunkt
A1 eines Auswerteteiles AT verbunden, Die Widerstandsanordnung W enthält in ihrem
Längs Zweig einen Widerstand R1 und außerdem weitere Widerstände R2 und R3, von
denen der Widerstand R2 mit einem Anschlußpunkt A2 und der Widerstand R3 mit einem
Anschlußpunkt A3 des Auswerteteiles AT verbunden ist. An Schaltungspunkten P3 und
P4 ist an die Widerstandsanordnung ein auf die Frequenz der Spannung U abgestimmter
Bandpaß B angeschlossen, der in seinem Längs Zweig zwei Induktivitäten L1 und L2
und eine Kapazität Cl enthält; die übliche weitere Kapazität im Längszweig eines
Bandpasses wird von einem Kondensator C2 gebildet, der mit der Klemme K1 verbunden
ist und eine gleichstrommäßige Entkopplung der Schaltungsanordnung S vom Läuferkreis
RE/CE bewirkt. Im Querkreis des Bandpasses B ist eine von einer Drosselspule gebildete
weitere Induktivität L3 und ein Kondensator C3 angeordnet.
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Zwischen dem Entkopplungskondensator C2 und dem Bandpaß B ist ein
Schutzwandler SW angeordnet, der zwei Primärwicklungen Wpsl und Wps2 sowie eine
Sekundärwicklung Was aufweist. Die beiden Primärwicklungen Wps1 und Wps2 sind mit
ihrem jeweils einen Wicklungsende unmittelbar miteinander verbunden, und der gemeinsame
Verbindungepunkt P5 ist mit einem Kontakt al eines Schutzrelais A verbunden, das
an den Ausgang eines an die Sekundärwicklung Was des Schutawandlers
SW
angeschlossenen Grenzwertindikators G angeschlossen ist.
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Wie der Figur 1 zu entnehmen ist, überbrückt der Kontakt al des Schutzrelais
A normalerweise die eine Primärwicklung Wps2 des Schutzwandlers SW und einen mit
ihr in Reihe liegenden Dämpfungswiderstand Rd, so daß dieser Dämpfungswiderstand
Rd im aberregten Zustand des Schutzrelais A nicht wirksam ist. Dies ändert sich
beim Auftreten von Sberspannungen, wie sie bei Erdschlüssen an den Anodenwicklungen
von Gleichrichtertransformatoren auftreten. Um die Schaltungsanordnung in diesem
Falle vor thermischer Überlastung zu schützen, wird die aufgenommene Leistung durch
Zuschalten des Dämpfungswiderstandes Rd begrenzt, wobei das Zuschalten selbsttätig
mittels des Grenzwertindikators G mit nachgeordnetem Schutzrelais A erfolgt. Durch
die beim Öffnen des Kontaktes al ebenfalls eingeschaltete Primärwicklung Wps2 des
Schutzwandlers SW wird der Befehl zur Strombegrenzung aufrechterhalten. Vorher ist
bereits durch die mit dem Kondensator C2 in Ferroresonanz geratene Drosselspule
L3 des Bandpasses B eine Spannungsbegrenzung wirksam geworden.
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Wie oben bereits ausgeführt wurde, ist das Auswerteteil AT mit seinen
Anschlußpunkten A1 bis A3 mit der Sekundärwicklung Wsh des Hilfstransformators HT
bzw. mit der Widerstandsanordnung W verbunden; ein weiterer Anschlußpunkt A4 des
Auswerteteiles AT ist über den Schaltungspunkt P4 unmittelbar mit der geerdeten
Klemme K2 verbunden.
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Wie die Figur 1 erkennen läßt, enthält das Auswerteteil AT eingangsseitig
zwei Differenz-Transformatoren DT1 und DT2, die jeweils zwei Primärwicklungen Wpll
und Wpl2 sowie Wp21 und Wp22 aufweisen. Dabei ist die Primärwicklung Vp11 des einen
Differenz-Transformators DT1 mit ihrem einen Ende mit dem Anschlußpunkt A4 verbunden,
während ihr anderes Ende mit den Wicklungen Wp21 und Wp22 des weiteren Differenz-Transformators
DT2 in Verbindung steht. Die Primärwicklung Wp12
ist einerseits
mit einem Ende der Wicklung Wp21 und andererseits mit dem Anschlußpunkt A2 verbunden,
während die Primärwicklung Wp22 an die Anschlußpunkte A1 und A3 angeschlossen ist.
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Beide Differenz-Transformatoren DT1 und DT2 weisen eine mittenangezapfte
Sekundärwicklung Wsl und Ws2 auf deren Wicklungsenden unter Bildung einer Zweiweg-Gleichrichterschaltung
mit Gleichrichtern G11 und G12 bzw. G21 und G22 verbunden sind, die gegensinnig
auf eine von einem Relais B mit zwei Wicklungen gebildete Auslöseschaltung einwirken.
Dieses Relais B schließt bei einem Erdschluß mit seinem Kontakt b einen Stromkreis
und gibt damit ein Auslösesignal ab.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung arbeitet in folgender Weise:
Von dem Hilfstransformator HT wird ständig eine Hilfswechselspannung Uh in den Überwachungskreis
eingespeist, wodurch Ströme J1 und J2 über die Widerstände R2 und R3 dem Auswerteteil
AU zufließen. Außerdem fließt in den Auswerteteil AT ein Strom J3, dessen Größe
vom Isolationswiderstand RE im zu überwachenden Läuferkreis der Gleichstrommaschine
abhängig ist. In dem Auswerteteil AT werden aus den Strömen J1 bis J3 Differenzströme
J3 - J1 und J2 - J1 gebildet; die Differenzströme lassen sich auch durch die Differenzen
## .Uh - R1.Uh und R2.Uh - R1.Uh, wenn mit ## der Leitwert gemäß Figur 1 oder 3
bezeichnet wird. Die sekundärseitig auftretenden beiden Differenzströme werden gleichgerichtet
und wirken gegensinnig auf das Relais 3 ein, das beim Überwiegen des Differenzstromes
J2 - J1 wegen der dadurch gekennzeichneten defekten Isolation im Läuferkreis anspricht
und eine Auslösung bewirkt.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung beruht dabei auf der Erkenntnis,
daß sich ausgehend von dem in der Figur 3 dargestellten Ersatzschaltbild des zu
überwachenden Läuferkreis es und des Bandpasses - CE bezeichnet wiederum die Erdkapazität
und
R:E den Isolationswiderstand im Läuferkreis, während Gp1 bis Gp3 die Ersatzwiderstände
des Bandpasses.
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bei der Frequenz der Hilfswechselspannung Uh sind, und G1 der Reziprokwert
des Widerstandes R1 ist - ein Leitwertdiagramm ## /G1 ergibt, wie es in der Figur
4 dargestellt ist. Man erkennt anhand dieses Leitwertdiagramms, daß die Kurven tu
.CE/G1 = const und GE/Gi = const zwei sich orthogonal schneidende Kreisscharen darstellen.
Ferner erkennt man, daß sich bei GE/G1 = const trotz Änderung der Kapazität CE eine
Ortskurve für den Leitwert ## ergibt, die mit dem Kreis GE/G1 identisch ist. Wählt
man also einen bestimmten Kreis GE/Gi = const als Grenzlinie, dann ist die sntscheidung
"Isolation gesund oder defekt" unabhängig von der Kapazität CE des Läuferkreises
gegen Erde. Der Außenraum des Grenzkreises GK kennzeichnet die gesunde, der Innenraum
die defekte Isolation. Durch die Zeiger d und- ## gekennzeichnete Verhältnisse zeigen
also eine gesunde Isolation an.
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Durch den Widerstand R2 (vergl. Fig. 1) wird der rechte Schnittpunkt
des Grenzkreises GK mit der reellen Achse festgelegt, während durch den Widerstand
R3 der Mittelpunkt M des Grenzkreises GK und damit die Große seines Durchmessers
bestimmt ist. Es ist dabei zweckmäßig, die Widerstände R2 und R3 einstellbar auszuführen,
damit sich in einfacher Weise durch Vergrößern oder Verkleinern der Widerstandswerte
der Grenzkreis vergrößern oder verkleinern läßt; damit kann in einfacher Weise der
Ansprechwert den jeweiligen Verhältnissen entsprechend eingestellt werden.
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In der Figur 2 ist ein AusfUhrungsbeispiel lediglich eines Auswerteteils
dargestellt. Das eingangsseitig wiederum zwei Differenz-Transformatoren DT3 und
DT4 enthaltende Auswerteteil AT1 ist in der im Zusammenhang mit der Pigur 1 beschriebenen
Weise über die Anschlußpunkte Al bis A4 mit den übrigen Teilen der Schaltungsanordnung,
wie Hilfstransformator, Widerstandsanordnung, Bandpaß und zu überwachender
Läuferkreis,
verbunden und weist in den Sekundärkreisen der Differenz-Transformatoren DT3 und
DT4 wiederum aus Gleichrichtern G31 und G32 sowie G41 und G42 gebildete Zweiweg-Gleichrichterschaltungen
auf, die im Schaltungspunkt P6 miteinander verbunden sind. Zwischen diesem Punkt
P6 und einem mit den Mittenanzapfungen der Sekundärwicklungen Ws3 und Ws4
der Differenz-Transformatoren DT3 und DT4 Punkt P7 liegt ein Widerstand Rm, an dem.entsprechend
der jeweiligen Stärke der von den Differenz-Transformatoren DT3 und DT4 sekundärseitig
abgegebenen Differenzströme eine Spannung Um abfällt. Mit dieser Spannung wird ein
Differenzverstärker DV gesteuert, dem ein Stromtrigger St nachgeordnet ist. Eine
derartige Ausbildung des Auswerteteiles zeichnet sich durch eine verhältnismäßig
große Empfindlichkeit aus und gewährleistet ein relativ schnelles Auslösen.
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Durch die Ereindung ist eine Schaltungsanordnung zur Überwachung des
Läuferkreises von Gleichstrommaschinen geschaffen, die durch eine vorteilhaft hohe
Empfindlichkeit ausgezeichnet ist und die in ihrer Arbeitsweise durch Störspannungen
infolge Gleichrichtererregung oder rotierenden Erdschlusses nicht beeinträchtigt
iat. Außerdem arbeitet die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung unbeeinflußt von
Änderungen der KapazitRt des Läuferkreises gegen Erde.
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4 Figuren 15 Anspruche