Überwachungsvorrichtung für eine Messverstärkerstrecke

Die Erfindung betrifft eine Messverstärkerschaltung für eine Spannungsmesseinrichtung für mehrphasige Hochspannungsanlagen, mit einem jeweils eine Primär-Hochspannung in eine niedrigere Eingangsspannung umwandelnden kapazitiven Spannungsteiler, jeweils einen Vorverstärker und einen Endverstärker aufweisenden Verstärkerstrecken, Vorrichtungen zur Überwachung der Eingangs- und Ausgangsspannungen jeder Verstärkerstrecke sowie Vorrichtungen zu deren Ersatz.

Bei Hochspannungsnetzen und Energieverteilungsnetzen werden ausserordentlich hohe Ansprüche an die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der entsprechenden Bauteile gestellt. Von der Funktionsfähigkeit der zugeordneten Messgeräte hängt das Abschalten ganzer Netzbereiche ab. Die Ausfallswahrscheinlichkeit elektronischer Komponenten ist so hoch, dass die dadurch bedingte Fehlerhäufigkeit nicht in dem geforderten Bereich liegt.

Bei der aus der DE-C 971 557 bekannten Messverstärkerschaltung der eingangs genannten Art mit einer stark gegengekoppelten Röhrenverstärkeranordnung können die Röhrenstufen jeweils doppelt vorgesehen sein, wobei eine Überwachungseinrichtung jeweils bei Ausfall einer Röhrenstufe auf die Ersatz-Röhrenstufe umschaltet.

Dabei ist jedoch für jede Röhrenstufe eine eigene Ersatz-Röhrenstufe erforderlich. Abgesehen davon, dass Röhrenverstärker heutigen Anforderungen nicht mehr genügen, ist es bei der bekannten Schaltung nicht möglich, durch Vergleich der Spannungswerte zuverlässig festzustellen, welcher der Spannungswerte messtechnisch richtig ist.

In F. Vilbig «Hochfrequenz-Messtechnik», 1953, Seiten 668 und 669 ist ferner eine Überwachungsvorrichtung beschrieben, bei der an die gegenüberliegenden Plattenpaare einer Braun'schen Röhre die Eingangs- und Ausgangsspannungen einer Verstärkerschaltung zum optischen Vergleich angelegt werden, wobei eine Bedienungsperson das sich ergebende Bild mit einem von Messungen an einer Verstärkerstrecke mit den gewünschten Eigenschaften bekannten Bild vergleichen muss. Dies erlaubt jedoch keinen selbsttätigen Vergleich der Eingangs- und Ausgangsspannung und keine selbsttätige Fehlerbehebung.

Aus der DE-B-2 049 259 ist schliesslich ein System zur selbsttätigen Prüfung von Video-Studiogeräten bekannt, bei welchem in die Video-Signale während der vertikalfrequenten Austastlücke Testsignale eingeblendet und spezifische Video- Übertragungsparameter überprüft werden. Diese bekannte Schaltung besitzt jedoch weder Verstärkereinrichtungen, noch Vergleicheinrichtungen für Istwerte und Sollwerte.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Messverstärkerschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine zuverlässige Erkennung der jeweils schadhaften Verstärkerstrecke und eine selbsttätige Zuschaltung der Ersatz-Verstärkerstrecke gewährleistet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Messverstärkerschaltung der eingangs genannten Art erfindungsgemäss gekennzeichnet durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Diese Messverstärkerschaltung ermöglicht eine einfache und zuverlässige Überwachung der Funktionsfähigkeit der Verstärkerstrecken mit selbsttätiger Fehlererkennung und -behebung. Der Mikrocomputer ermittelt, welche Verstärkerstrecke schadhaft ist, und schaltet selbsttätig die Ersatz-Verstärkerstrecke an deren Stelle. Bei einem 3-phasigen Netz werden anstelle von acht Verstärkerstrecken nur noch fünf benötigt. Wenn man mehr als fünf Verstärkerstrecken vorsieht, wird die Zuverlässigkeit noch vergrössert.

Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Messverstärkerschaltung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Der Mikrocomputer ist vorzugsweise auf den Vergleich digitalisierter Ist- und Sollwerte ausgelegt und kann zusätzlich andere Aufgaben erfüllen, wodurch die Anwendungsmöglichkeiten stark erweitert werden. Die Spannungsvergleichsschaltung kann auch einen analogen Komparator und einen Differenzverstärker aufweisen. Die Messverstärkerschaltung kann zusätzlich eine Verstärkerstrecke mit einer Vorrichtung zur Erfassung von Erdschlüssen aufweisen.

Da Veränderungen der Betriebsbedingungen des Spannungsteilers, nämlich die Temperatur oder der Gasdruck einer SF_e-Atmosphäre zu Änderungen der Eingangsgrösse in die Verstärkerstrecke führen, können im Spannungsteiler zweckmässig Sensoren zur Erfassung der Temperatur und/oder des Gasdruckes vorgesehen sein, deren Messwerte dem Mikrocomputer zugeführt werden, um dadurch verursachte Effekte zu kompensieren. Der Mikrocomputer kann die entsprechenden Informationen über Temperatur und/ oder Gasdruck verarbeiten und in geeigneter Weise den Verstärkungsfaktor der Verstärkerstrecke einregulieren, um somittrotz Änderungen der Eingangsgrösse den gewünschten Ausgangswert zu erhalten.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Messverstärkerschaltung anhand der beigefügten Zeichnung weiter erläutert.

Diese zeigt ein Schaltbild mit einem 3-phasigen Hochspannungsnetz 28, dessen Spannungen zu Messzwecken über einen kapazitiven Spannungsteiler 1 heruntergespannt werden. An diesem werden über die Verstärkerstrecken 2, 3, 4, 5 und 6 Spannungen abgegriffen, wobei die Verstärkerstrecken 2, 3 und 4 je einer Phase des Hochspannungsnetzes 28 zugeordnet sind und die Verstärkerstrecke 5 die geometrische Summe aus den drei Phasen erfasst, so dass ein Erdschluss festgestellt werden kann. Die Ersatz-Verstärkerstrekke 6 ist zum Ersatz einer ausgefallenen Verstärkerstrecke vorgesehen. Der Verstärkerstrecke 2 ist ein Schalter zur Verbindung mit der ersten Phase, der Verstärkerstrecke 3 ein Schalter zur Verbindung mit der zweiten Phase und der Verstärkerstrecke 4 ein Schalter zur Verbindung mit der dritten Phase zugeordnet und für die Verstärkerstrecke 5 ein Schalter vorgesehen, der mit allen drei Phasen gleichzeitig verbindet. Der Ersatz-Verstärkerstrecke 6 sind drei Schalter zugeordnet, die wahlweise entweder gemeinsam mit allen drei Phasen oder jeweils einzeln mit einer der Phasen verbinden können. Mit den einzelnen Phasen muss verbunden werden, wenn die Ersatz-Verstärkerstrecke 6 eine der Verstärkerstrecken 2 bis 4 ersetzen soll. Mit allen drei Phasen gleichzeitig muss verbunden werden, wenn die Ersatz-Verstärkerstrecke 6 an die Stelle der Verstärkerstrecke 5 treten soll.

Die Verstärkerstrecken weisen einen Vorverstärker 7 auf, der zur leistungslosen Anpassung an den kapazitiven Teiler dient, die Kapazität des Kabels zwischen dem kapazitiven Teiler und dem Vorverstärker kompensiert und die Einstellung des zweckmässigen Frequenzbereiches zur Unterdrückung von Störungen ermöglicht. Der Vorverstärker 7 besitzt im betriebsmässigen Frequenzbereich (in der Regel 50 Hz) einen hohen und 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 nichtohm'scher Belastung muss die Signaltreue dieses Endverstärkers 9 nach Betrag und Phase erhalten bleiben. Die Verstärkerstrecken 2, 3, 4 und 5 sind durch einen Endschalter von den nachgeschalteten Anordnungen L" L₂, L₃ und e-n (versehen mit dem Bezugszeichen 10) trennbar, während die Ersatz-Verstärkerstrecke 6 durch vier einzeln betätigbare Schalter je nach Bedarf wahlweise mit einem der Zweige L" L_2' L₃ oder e-n verbunden werden kann.

Die Eingangsspannungen werden vor der Zuführung zu den Vorverstärkern und die Ausgangsspannungen hinter den Endverstärkern 9 abgenommen. Die beiden zusammengehörenden Grössen werden jeweils einer Bewertungsschaltung 29 zugeführt, in der sie in eine für den Vergleich geeignete Darstellung gebracht werden. Die Bewertungsschaltung 29 kann beispielsweise ein Widerstandsnetzwerk sein, mit dessen Hilfe 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 im Mikrocomputer 23 zu vergleichen.

Der Mikrocomputer 23 besitzt Bereiche 11 und 12 zur Überwachung und Steuerung der eigenen Stromversorgung 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. Die Spannungs-Vergleichsschaltung 13 des Mikrocomputers dient zum Vergleich der Istwerte der Eingangs- und Ausgangsspannung und zum Vergleich des Ist-Vergleichswerts mit einem Sollwert sowie zur Abgabe eines logischen Signals, falls eine Abweichung des Ist-Vergleichswerts vom Sollwert auftritt.

Im Spannungsteiler können Sensoren A untergebracht werden, die beispielsweise zur Erfassung der Temperatur im Spannungsteiler oder zur Erfassung des Gasdrucks dienen, falls eine SF₆-Atmosphäre verwendet wird. Diese Parameter beeinflussen das Teilerverhältnis und somit die Eingangsspannung in die Vorverstärker. Der Mikrocomputer 23 berechnet den Korrekturfaktor zur Kompensierung des Temperaturganges des kapazitiven Teilers und kann dann über seinen Bereich 15 zum Ausgleich der äusseren Parameter den Verstärkungsfaktor der Vorverstärker 7 beeinflussen. Mit Hilfe des Bereichs 15 kann die Eingangsspannung überwacht und der Verstärkungsfaktor darauf abgestimmt werden. Der Bereich 16 des Mikrocomputers 23 überwacht die Belastung der Ausgangsspannung und 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 zum Zuschalten der Ersatz-Verstärkerstrecke 6 der an die der Verstärkungsstrecke 2 zugeordneten Phase angeschlossene Eingangsschalter eingeschaltet und der Ausgangsschalter betätigt, der mit den durch die Verstärkungsstrecke 2 anzusteuernden Messvorrichtungen verbunden ist. Somit ersetzt die Ersatz-Verstärkerstrecke 6 die Verstärkerstrecke 2. Eine Prüfroutine 18 des Mikrocomputers 23 dient zur Selbstüberwachung. Über die Stromeingänge 19 können dem Bereich 20 Aussagen über die in den Leitern fliessenden Ströme zugeführt werden, so dass im Bereich 20 Netzzustandsberechnungen möglich sind. An den Ausgang 21 können Zähler oder Relais angeschlossen werden. Ein Alarmausgang 22 informiert über den Ausfall von Verstärkerstrecken.