Überwachungsvorrichtung für eine Messverstärkerstrecke

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überprüfung einer Verstärkerstrecke. Eine derartige Verstärkerstrecke wird verwendet beispielsweise im Zusammenhang mit Meßwandlern, um Spannungsmessungen vorzunehmen. Zu Meßzwecken wird die Spannung von Hochspannungslei tern heruntergesetzt, beispielsweise nach dem transformatorischen Prinzip oder durch kapazitive Teiler, und die heruntergesetzten Spannungen werden zur Netzüberprüfung gemessen. Dazu ist es notwendig, die zu messenden Spannungen zu verstärken. Wird nun am Ende der Verstärkerstrecke kein Signal erhalten, kann das Fehlen eines Signals auf dem Fehlen der Eingangsspannung beruhen oder aber auf einem Ausfall der Verstärkerstrecke.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verstärkerstrecke auf ihre Funktionsfähigkeit zu überwachen.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Eingangssignal in die Verstärkerstrecke mit dem Ausgangssignal verglichen wird.

Die Verstärkerstrecke dient dazu, einerseits die Anpassung an den Spannungsteiler, beispielsweise einem kapazitiven Teiler, und an die Kabelkapazität zu ermöglichen, andererseits muß die Bereitstellung der für Schutz- und Verrechnungszwecke benötigten Ausgangsleistung gewährleistet sein. Es kann also davon ausgegangen werden, daß zwischen dem Eingangssignal in die Verstärkerstrecke und dem Ausgangssignal ein vorgegebenes Verhältnis besteht. Erfindungsgemäß wird dieses Verhältnis zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal überprüft.

Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Überprüfungsverfahrens sieht eine Spannungsvergleichsschaltung vor, der die beiden Signale, nämlich das Eingangs- und das Ausgangssignal, zugeführt werden. Diese Spannungsvergleichsschaltung gibt über eine Logik ein Signal ab, wenn der Vergleichswert nicht dem erwarteten Sollwert entspricht.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß die Spannungsvergleichsschaltung einen analogen Komparator mit einem Differenzverstärker aufweist. In diesem Fall ist keine Digitalisierung der Eingangs- oder Ausgangswerte notwendig, und ein analoger Komparator ist in seiner Arbeitsgeschwindigkeit höher als eine digitale Vergleichsschaltung.

Eine andere Möglichkeit ist es, daß die zu vergleichenden Signale digitalisiert werden und einem Mikrocomputer zur Durchführung des Vergleichs zugeführt werden. Die Verwendung eines Mikrokomputers bietet den Vorteil, daß diese Recheneinheit mit anderen Aufgaben zusätzlich betraut werden kann und somit die Anwendungsmöglichkeiten sehr stark erweitert.

Eine besondere Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, daß bei einem 3-phasigen Hochspannungsnetz für jede Phase eine Verstärkerstrecke vorgesehen ist, eine weitere Verstärkerstrecke einer Anordnung zum Erfassen eines Erdschlusses zugeordnet ist, und diesen Verstärkerstrecken mindestens eine redundante Verstärkerstrecke parallel geschaltet ist, die bei einem Ausfall der Verstärkerstrecken diese ersetzen kann.

Bei Hochspannungsnetzen und Energieverteilungsnetzen werden außerordentlich hohe Ansprüche an die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der entsprechenden Bauteile gestellt. Von der Funktionsfähigkeit der diesen Netzen zugeordneten Meßgeräte hängen so weitreichende Entscheidungen wie das Abschalten ganzer Hochspannungsnetzbereiche und ähnliches ab. Die Ausfallswahrscheinlichkeit elektronischer Komponenten ist so hoch, daß die dadurch bedingte Fehlerhäufigkeit nicht in dem geforderten Bereich liegt. Hierbei ist es erfindungsgemäß vorgesehen, zusätzlich zu den für die Meßgeräte notwendigen elektronischen Verstärkerstrecken mindestens eine zusätzliche Verstärkerstrecke vorzusehen, die bei dem Ausfall einer Verstärkerstrecke an deren Stelle treten kann. Bislang war es notwendig, mit Redundanzen zu arbeiten, d. h., jeder der vier Verstärkerstrecken mindestens eine weitere zuzuordnen, die bei einem Ausfall die Funktion der ausgefallenen Verstärkerstrecke übernehmen kann. Außerdem ist es nicht möglich, lediglich bei Vergleich der Ausgangsgrößen der redundanten Einrichtungen bei Spannungsungleichheit eine zuverlässige Aussage zu treffen, welche der ungleichen Spannungswerte der meßtechnisch richtige ist. Die Erfindung ermöglicht es nunmehr, daß durch einen Vergleich zwischen der Eingangs- und der Ausgangsgröße eine eindeutige Aussage über die richtige Funktion gemacht werden kann. Zudem werden bei der 3-phasigen Ausführung statt mindestens acht Verstärkerstrecken bei redundanter Ausführung nunmehr nur noch fünf benötigt, so daß hier eine Kostenersparnis eintritt, bzw. wenn mehr als fünf Verstärkerstrecken vorgesehen werden, die Zuverlässigkeit durch erhöhte Redundanzen stark vergrößert wird.

Dabei ist es vorgesehen, daß der Mikrocomputer Schaltorgane betätigt, mit Hilfe deren die Parallelschaltung durchgeführt wird. Der nach einer bevorzugten Ausführungsform eingesetzte Mikrocomputer kann durch seine Analyse erfassen, welche der Verstärkerstrecken schadhaft geworden ist, und durch entsprechende Schalter kann die redundante Verstärkerstrecke an die Stelle jeder der benötigten vier Verstärkerstrecken geschaltet werden.

Es erweist sich als günstig, daß in dem Spannungsteiler Sensoren zur Erfassung der Temperatur und/oder des Gasdruckes vorgesehen sind und diese Meßwerte dem Mikrocomputer zur Verarbeitung zugeführt werden, um dadurch verursachte Effekte zu kompensieren. Diese Betriebsbedingungen des Spannungsteilers, nämlich die Temperatur oder auch der Gasdruck bei einer SF₆-Atmosphäre führt zu Änderungen der Eingangsgröße in die Verstärkerstrecke, und es ist wünschenswert, diese Effekte zu kompensieren. Eine Möglichkeit ist, daß der Verstärkungsfaktor durch den Mikrocomputer veränderbar ist. Der Mikrocomputer kann also die entsprechenden Informationen über Temperatur und/oder Gasdruck verarbeiten und in geeigneter Weise den Verstärkungsfaktor der Verstärkerstrecke einregulieren, um somit trotz Änderungen der Eingangsgröße den gewünschten Ausgangswert zu erhalten.

Im folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung, die ein Beispiel für eine Ausführungsform darstellt, weiter erläutert werden.

In dem Schaltbild ist ein 3-phasiges Netz 28, und zwar ein Hochspannungsnetz, dargestellt, dessen Spannungen zu Meßzwecken über einen kapazitiven Spannungsteiler 1 heruntergespannt werden. An dem kapazitiven Spannungsteiler werden über die Verstärkerstrecken 2, 3, 4, 5 und 6 die Spannungen abgegriffen, wobei die Strecken 2, 3 und 4 je einer Phase der Hochspannungen 28 zugeordnet sind. Die Verstärkerstrecke 5 erfaßt die geometrische Summe aus den drei Phasen, so daß ein Erdschluß festgestellt werden kann. Die Verstärkerstrecke 6 ist als Redundanz vorgesehen. Vor jeder Verstärkerstrecke befinden sich Schalter, mit Hilfe deren die Verstärkerstrecken angeschlossen werden können. Für die Verstärkerstrecke 2 ist ein Schalter zur Verbindung mit der einen Phase, für die Verstärkerstrecke 3 ein Schalter zur Verbindung mit der zweiten Phase und für die Verstärkerstrecke 4 ein Schalter zur Verbindung mit der dritten Phase vorgesehen. Für die Verstärkerstrecke 5 ist ein Schalter, der mit allen drei Phasen gleichzeitig verbindet, vorgesehen, und die Verstärkerstrecke 6 besitzt drei Schalter, die wahlweise entweder alle zusammen oder jede einzeln mit einer der Phasen verbinden können. Mit den einzelnen Phasen muß verbunden werden, wenn die redundante Verstärkerstrecke 6 die Stellen einer der Verstärkerstrecken 2 bis 4 einnehmen soll, mit allen drei Phasen gleichzeitig muß verbunden werden, wenn die Verstärkerstrecke 6 an die Stelle der Verstärkerstrecke 5 treten soll.

Die Verstärkerstrecken sind folgendermaßen aufgebaut:

• Sie weisen zuerst einen Vorverstärker 7 auf, der zur leistungslosen Anpassung an den kapazitiven Teiler dient. Weiterhin kompensiert er die Kapazität des Kabels zwischen dem kapazitiven Teiler und dem Vorverstärker und ermöglicht die Einstellung des zweckmäßigen Frequenzbereiches zur Unterdrückung von Störungen. Der Vorverstärker 7 besitzt im betriebsmäßigen Frequenzbereich (in der Regel 50 Hz) einen hohen, bei Gleichspannungen einen niedrigen Eingangswiderstand. Der niedrige Eingangswiderstand für Gleichspannungen dient dazu, Restladungen auf den Teilerkapazitäten bei Netzabschaltungen kurzfristig abzubauen.

Dem Vorverstärker 7 folgt eine Potentialtrennstufe 8, die das Auftreten von Erdschleifen zwischen dem Vorverstärker 7 und dem Endverstärker 9 verhindern soll. Auf die Potentialtrennstufe 8 folgt der Endverstärker 9, der ein Leistungsverstärker ist. Auch bei nicht ohm'scher Belastung muß die Signaltreue dieses Endverstärkers 9 nach Betrag und Phase erhalten bleiben. Diese Verstärkerstrecken sind bei den Zweigen 2, 3, 4 und 5 mit einem Endschalter von den dahinterliegenden Anordnungen L₁, L₂₁ L₃ und e-n (versehen mit dem Bezugszeichen_-10) trennbar, während der redundante Verstärkerzweig 6 vier einzeln betätigbare Schalter besitzt, mit Hilfe deren er mit jedem der Zweige L₁, L₂, L₃ oder e-n verbunden werden kann, je nach dem welche Verstärkerstrecke die Redundanz 6 ersetzen soll.

Die Eingangsspannungen werden vor Zuführung zu den Vorverstärkern abgenommen, ebenso die Ausgangsspannungen hinter den Endverstärkern 9. Die beiden zusammenehörenden Größen werden jeweil einer Bewertungs- schaltung 29 zugeführt, in der sie in eine für den Vergleich geeignete Darstellung gebracht werden. Die Bewertungsschaltung 29 kann beispielsweise ein Widerstandsnetzwerk sein, mit Hilfe dessen Eingangs- und Ausgangsspannung auf identische Werte gebracht werden, um anschließend in einem analogen Komparator verglichen zu werden. Es ist natürlich genau so möglich, die Meßwerte zu digitalisieren und sie dann in dem Mikroprozessor 23 zu vergleichen.

Der Mikroprozessor 23 besitzt Bereiche 11 bis 22, mit Hilfe deren er neben dem Spannungsvergleich zusätzliche Aufgaben durchführen kann.

Die Bereiche 11 und 12 des Mikrocomputers dienen zur Überwachung und Steuerung der eigenen Stromversorgung, nämlich von der Stationsbatterie 25 über das Schaltnetzteil 26, das den Mikrocomputer mit den Versorgungsspannungen 27 versorgt. Mit 24 sind Puffer bezeichnet, die einen kurzzeitigen Netzausfall überbrücken können. Der Bereich 13 des Mikrocomputers dient zum erfindungsgemäßen Vergleich der Eingangsgrößen in die Verstärkerstrecken mit den Ausgangsgrößen und zur dementsprechenden Abgabe von Signalen, falls eine Abweichung zwischen Ausgangs- und Eingangsgröße von dem erwarteten Wert auftritt.

In dem Spannungsteiler können Sensoren A untergebracht werden, die beispielsweise zur Erfassung der Temperatur in dem Spannungsteiler oder auch zur Erfassung des Gasdrucks, falls eine SF₆-Atmosphäre verwendet wird, dienen. Diese Parameter beeinflussen das Teilerverhältnis und somit die Eingangsspannung in die Vorverstärker. Der Mikroprozessor berechnet den Korrekturfaktor, um den Temperaturgang des kapazitiven Teilers zu kompensieren, und kann dann über den Bereich 15 den Verstärkungsfaktor der Vorverstärker 7 beinflussen zum Ausgleich der äußeren Parameter. Weiterhin kann mit Hilfe des Bereichs 15 die Eingangsspannung überwacht werden und dementsprechend der Verstärkungsfaktor darauf abgestimmt werden, der Bereich 16 des Mikroprozessors 23 überwacht die Belastung der Ausgangsspannung. Der Bereich 17 betätigt die Schaltorgane, mit denen die einzelnen Verstärkerstrecken 2 bis 6 ein- und aus- bzw. umgeschaltet werden. Wenn beispielsweise die Verstärkerstrecke 2 als schadhaft erkannt wird, werden der Eingangs- und der Ausgangsschalter der Verstärkerstrecke 2 aufgetrennt und in der redundanten Verstärkerstrecke wird der Eingangsschalter, der der Verstärkungsstrecke 2 zugeordneten Phase angeschlossen ist, eingeschaltet, und ebenso der Ausgangsschalter betätigt, der mit den Meßvorrichtungen, die durch die Verstärkungsstrecke 2 angesteuert werden sollen, verbunden ist. Somit ersetzt die Verstärkerstrecke 6 die Verstärkerstrecke 2. Mit 18 ist eine Prüfroutine des Mikroprozessors bezeichnet, die zur Selbstüberwachung dient. Dem Bereich 20 können über die Stromeingänge 19 Aussagen über die in den Leitern fließenden Ströme zugeführt werden, so daß in dem Bereich 20 Netzzustandsberechnungen möglich sind und an den Ausgang 21 Zähler oder auch Relais angeschlossen werden können. Mit 22 ist ein Alarmausgang bezeichnet, der über den Ausfall von Verstärkerstrecken informiert.