Beschreibung Verfahren sowie Meßeinheit zur Überprüfung des Vorliegens ei- ner Nulleiterverbindung zwischen einem Vierleiternetz und ei- ner Meßeinheit Die Erfindung betrifft Verfahren zur Überprüfung des Vorlie- gens einer Nulleiterverbindung zwischen einem Vierleiternetz und einer Meßeinheit nach den Oberbegriffen der Patentansprü- che 1 und 6. Ferner betrifft die Erfindung eine Meßeinheit zur Überprüfung des Vorliegens einer Nulleiterverbindung zwi- schen einem Vierleiternetz und einer Meßeinheit mit den Merk- malen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 8.

Aus der EP-OS 0 554 484 ist ein Drehstromnetzteil bekannt, bei dem zur Vermeidung sättigungsbedingter Überlastungen bei einem Erdschluß eines Phasenleiters eine strombegrenzende Stromquelle vorgesehen ist.

An Vierleiternetze angeschlossene Meßeinheiten (z. B. elektro- nische Energieverbrauchszähler) werden in Vierleiternetzen an die drei Phasen (Ll, L2, und L3) sowie bei ordnungsgemäßem Anschluß zusätzlich an den Nulleiter N des Vierleiternetzes angeschlossen.

Bei ordnungsgemäß vorliegender Nulleiterverbindung zwischen der Meßeinheit und dem Vierleiternetz können die Meßspannun- gen über die Meßeinheit in Bezug auf das Potential des Null- leiters ermittelt werden.

Aus der DE 43 39 241 C2 ist bekannt, den nachgebildeten Sternpunkt eines Drehstromnetzes mit einem vorgegebenen Schwellwert zu vergleichen. Beim Auftreten einer Verlage- rungsspannung wird ein durch eine Schaltungsanordnung erzeug-

tes Ausfallsignal erzeugt. Anwendungsgebiet sind mobile Ein- richtungen, z. B. Netzversorgungen in Baucontainern.

Aus der DE 39 28 551 A1 ist eine Schaltungsanordnung für ei- nen Generator in der Energieerzeugung bekannt, wobei in Ab- hängigkeit von der Grundschwingung der Verlagerungsspannung und der dritten Harmonischen eine Aussage über einen Erd- schluß und einen Windungsschluß gemacht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren zur Über- prüfung des Vorliegens einer ordnungsgemäß angeschlossenen Nulleiterverbindung zwischen einem Vierleiternetz und einer Meßeinheit sowie eine zu diesem Zweck verwendete Meßeinheit anzubieten.

Die Aufgabe wird für das Verfahren zum einen durch die kenn- zeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 in Verbindung mit dem Oberbegriff gelöst. Vorteilhafte Verfahrensvarianten wer- den durch die Unteransprüche 2 bis 5 realisiert.

Die Aufgabe wird ferner durch die Merkmale des kennzeichnen- den Teil des nebengeordneten Patentanspruchs 6 in Verbindung mit dem Oberbegriff gelöst.

Für die Meßeinheit wird die Aufgabe durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 7 in Verbindung mit dem Oberbegriff gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Meßeinheit werden in den Unteransprüchen 8 bis 12 realisiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren nach Patentanspruch 1 ermög- licht es, das Nichtvorliegen einer ordnungsgemäß angeschlos- senen Nulleiterverbindung zwischen Meßeinheit und Vierleiter- netz zu ermitteln, indem überprüft wird, ob die dritte Harmo- nische der Netzfrequenz des Drehstromnetzes vorliegt.

Bei einer nicht ordnungsgemäß vorliegenden Nulleiterverbin- dung zwischen der Meßeinheit und dem Vierleiternetz kann am Sternpunkt S, an dem die an den drei Phasen Ll, L2 und L3 des Drehstromnetzes angeschlossenen Meßleitern M1, M2 und M3 zu- sammengeführt sind, die dritte Harmonische der Netzfrequenz des Drehstromnetzes festgestellt werden.

Diese dritte Harmonische wird in der Meßeinheit durch das Drehstromnetzteil der Meßeinheit erzeugt. Dies geschieht in- folge der Gleichrichtung im Spannungskreis des Drehstrom- netzteils. Es wird also vorliegend ein Verzerrungs-oder Schmutzeffekt des Netzteils vorteilhaft genutzt.

Das erfindungsgemäße Verfahren nach Patentanspruch 1 ermög- licht es nun, unter Verwendung der abgegriffenen Spannungen Ul, U2 und U3 an den drei Phasen L1, L2 und L3 festzustellen, ob eine ordnungsgemäß angeschlossene Nulleiterverbindung vor- liegt oder nicht.

Es werden damit auch die bei einer normalen Messung ermittel- ten Meßgrößen verwendet, ohne das weitere oder zusätzliche Informationen benötigt werden.

Falls nun keine Nulleiterverbindung zwischen der Meßeinheit und dem Vierleiternetz besteht, kann die dritte Harmonische Schwingung, die durch das Netzteil in der Meßeinheit hervor- gerufen wurde, nicht mehr über eine derartige Nulleiterver- bindung in den Nulleiter des Drehstromnetzes zurückfließen.

Vielmehr kann bei einer Zusammenfassung der abgegriffenen Spannungen Ul, U2 und U3 ein Spannungssignal mit der Frequenz der dritten Harmonischen der Netzfrequenz des Vierleiternet- zes festgestellt werden. Dabei schwingen die einzelnen Span- nungen U1, U2 und U3 in gleicher Phase mit der dritten Harmo- nischen der Drehstromnetzfrequenz. Das zusammengefaßte Signal aus U1, U2 und U3 weist ferner sich weitgehend oder vollstän-

dig aufhebende Schwingungsanteile der Spannungsgrößen U1, U2 und U3 der Netzfrequenz auf. Die sich aufgrund ihr Gleichpha- sigkeit bei der Zusammenfassung verstärkenden Signale U1, U2 und U3 werden nun vorteilhafterweise einem Hochpaß zugeführt, um Frequenzen unterhalb der dritten Harmonischen, insbesonde- re die Drehstromnetzfrequenz selbst, herauszufiltern.

Vorteilhafterweise erfolgt weiterhin eine Gleichrichtung des Gesamtsignals von U1, U2 und U3 der dritten Harmonischen, so daß keine Frequenz zur Beurteilung des Spannungsgesamtsignals sondern eine Gleichspannungsschwellwertbetrachtung erfolgen kann. Zur weiteren Glättung und Ausmittelung kann das Span- nungsgesamtsignal durch einen Tiefpaßfilter hindurchgeführt werden.

Insgesamt kann also die bei Nichtvorliegen einer ordnungsge- mäß angeschlossenen Nulleiterverbindung zwischen Meßeinheit und Vierleiternetz auftretende dritte Harmonische in den ab- gegriffenen Spannungen Ul, U2 und U3 nach einer Aufaddition zu einer Gesamtspannung entweder durch Frequenzdetektierung oder durch Gleichrichtung und Schwellwertbeurteilung ermit- telt werden. Das im nebengeordneten Patentanspruch 6 be- schriebene Verfahren sieht eine Ermittlung einer nicht ord- nungsgemäß angeschlossenen Nulleiterverbindung zwischen der Meßeinheit und dem Drehstromnetzteil durch Vergleich der Pha- senlagen der abgegriffenen Spannungen U1, U2 und U3 vor.

Die bei nicht vorliegender Nulleiterverbindung auftretende dritte Harmonische tritt gleichphasig in den abgegriffenen Spannungen U1, U2 und U3 auf, so daß ein Unterschied zu den bei ordnungsgemäß vorliegender Nulleiterverbindung mit Pha- senverschiebung auftretender Spannungssignale U1, U2 und U3 vorliegt.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren nach Patentanspruch 6 wird demnach die Phasenlage der Teilspannungen U1, U2 und U3 beob- achtet, während beim erfindungsgemäßen Verfahren nach Patent- anspruch 1 die Frequenz der zu einem Gesamtsignal zusammenge- faßten Teilsignale Ul, U2 und U3 bzw. ein aus dem Spannungs- gesamtsignal ermittelter Schwellwert beurteilt wird.

Die erfindungsgemäße Meßeinheit mit den Merkmalen des Patent- anspruchs 7 weist eine Schwellwerteinheit auf. Beim Nichtvor- liegen einer ordnungsgemäß angeschlossenen Nulleiterverbin- dung zwischen der Meßeinheit und dem Vierleiternetz treten im Sternpunkt S der Meßleitungen Ml, M2 und M3 für jedes Teil- spannungssignal U1, U2 und U3 die bereits beschriebenen drit- ten Harmonischen auf, die sich aufgrund ihrer Gleichphasig- keit verstärken.

Über die Schwellwerteinheit wird nun ermöglicht, ein derartig verstärktes Gleichspannungssignal bei Einstellung eines ent- sprechenden Schwellwertes zu detektieren.

Im Normalbetrieb mit ordnungsgemäß vorliegender Nulleiterver- bindung treten nur die sich aufgrund ihrer Gleichphasigkeit nicht verstärkenden Teilspannungssignale U1, U2 und U3 mit der Netzfrequenz auf, welche die in der Schwellwerteinheit eingestellte Schwelle nicht übersteigen. Nach einer Addition der Einflußspannungssignale Ul, U2 und U3 zu einem verstärk- ten Spannungsgesamtsignal mit der Frequenz der dritten Harmo- nischen, durchläuft das Gesamtspannungssignal ein Hochpaßfil- ter um niedrigere Frequenzen insbesondere Signale mit der Netzfrequenz herauszufiltern.

Über eine Gleichrichtung des Spannungsgesamtsignals in einem Gleichrichter sowie eine darauffolgende Ausmittelung und Glättung in einem Tiefpaßfilter wird ein Eingangssignal für die Schwellwerteinheit ermittelt.

Bei einer Anzeigeeinheit kann an der Meßeinheit sichtbar ge- macht werden, ob eine ordnungsgemäße Nulleiterverbindung zwi- schen der Meßeinheit und dem Vierleiternetz vorliegt oder nicht.

Über eine in die Meßeinheit integrierte Fernabfrageeinheit kann jederzeit festgestellt werden, ob eine ordnungsgemäße Nulleiterverbindung zwischen Meßeinheit und Vierleiternetz vorliegt oder nicht.

Eine alternative Lösung der Aufgabe bezüglich des Verfahrens ist in Patentanspruch 13 angegeben. Der erfinderische Grund- gedanke dabei ist, daß bei einer fehlerhaften Nulleiterver- bindung ein charakteristisches Frequenzsignal am Sternpunkt eines Drehstromnetzes, insbesondere eines Dreiphasen-Vierlei- terstromnetzes, auftritt. Diese charakteristische Frequenz, nämlich die dritte Harmonische, wird mit dem vorliegenden Verfahren ermittelt und als Information für das Vorliegen ei- nes Fehlers verwendet. Die Frequenz dient quasi als Fehlerin- dikator.

Dabei ist es besonders einfach, wenn zur Überwachung ein von der Summenspannung abgeleitetes Signal, z. B. ein von der Fre- quenz abhängiges Gleichsignal, mit einem vorgegebenen Grenz- wert verglichen wird. Das Überschreiten des Grenzwertes sym- bolisiert dann das Auftreten der charakteristischen Frequenz.

In Abhängigkeit von der Grenzwertüberschreitung wird dann das Fehlersignal für die fehlerhafter Nulleiterverbindung er- zeugt. Diese Grundgedanken lassen sich selbstverständlich vorteilhaft mit den oben angegebenen Ausbildungen der übrigen Patentansprüche günstig kombinieren.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen :

FIG. 1 eine an ein Vierleiternetz angeschlossene Meßein- heit, bestehend aus einem Drehstromnetzteil und einem Meßsystem sowie FIG. 2 ein Prinzipschaltbild der Meßeinheit.

FIG. 1 zeigt das Vierleiternetz 2 mit den drei Phasen L1, L2 und L3 sowie dem Nulleiter N. Die Meßeinheit 3, besteht aus dem Drehstromnetzteil 1 und dem Meßsystem 3a und ist an das Vierleiternetz 2 angeschlossen.

Zur Ermittlung von Meßgrößen (z. B. Spannungswerte, Energie- verbrauch, Leistung etc.) ist die Meßeinheit 3, die bei- spielsweise als elektronischer Energieverbrauchszähler ausge- bildet ist, über die Meßleitungen Ml, M2 und M3 mit den Lei- tern L1, L2 und L3 verbunden.

Die Meßleiter M1, M2 und M3 bestehen zur Spannungsteilung aus Widerständen R1, R2 und R3 sowie R10, R20 und R30, zwischen denen die Spannungen U1, U2 und U3 abgegriffen werden.

Bei ordnungsgemäßem Anschluß ist die Meßeinheit 3 mit ihrem Sternpunkt S, an dem die Meßleitungen M1, M2 und M3 zusammen- geführt werden, über die Meßleitung M4 mit dem Nulleiter N (gestrichelt gezeichnet) verbunden.

Die bei der Messung auftretende dritte Harmonische wird bei einer vorliegenden Nulleiterverbindung (also durchgezogen ge- zeichnetem Nulleiter N) vom Sternpunkt S in den Nulleiter N des Vierleiternetzes zurückgeleitet.

Bei einer nicht vorliegenden Nulleiterverbindung-also ohne den hinwegzudenkenden Nulleiter N-ist in den abgegriffenen Spannungen U1, U2 und U3 gegenüber den Sternpunkt S die nun-

mehr nicht abgeführte dritte Harmonische der Netzfrequenz des Vierleiternetzes feststellbar.

Die drei gleichphasigen Teilsignale U1, U2 und U3 der dritten Harmonischen verstärken sich bei Addition, während die zu- sätzlich vorliegenden Signale Ul, U2 und U3 im Drehstromnetz- frequenzbereich sich aufgrund ihrer Phasenverschiebung weit- gehend oder völlig aufheben.

In der Meßeinheit 3 kann nun entweder an der Signalstärke der aufaddierten Teilsignale Ul, U2 und U3 oder an deren Frequenz (nämlich der dritten Harmonischen gegenüber der Drehstrom- netzfrequenz) oder der Phasenlage der einzelnen Teilspannun- gen U1, U2 und U3 (nämlich Gleichphasigkeit im Vergleich zu den Teilspannungssignalen bei Netzfrequenz) ermittelt werden, daß die Nulleiterverbindung über den Nulleiter N nicht vor- liegt.

In FIG. 2 wird in einem Prinzipschaltbild die Verarbeitung der Teilspannungen U1, U2 und U3 in der Meßeinheit 3 verdeut- licht. Zunächst erfolgt eine Zusammenführung von U1, U2 und U3 zur Gesamtspannung Ugesamt, welche beim Vorliegen einer nicht ordnungsgemäßen Nulleiterverbindung (also fehlendem Nulleiter N) durch die Gleichphasigkeit der Signale der drit- ten Harmonischen von U1, U2 und U3 eine Signalverstärkung ge- genüber den Einzelsignalen erfährt.

Ugesamt durchläuft nun den Hochpaßfilter 4, wobei niedrigere Frequenzen, insbesondere Signalanteile mit der Drehstromnetz- frequenz herausgefiltert werden. Nach Gleichrichtung im Gleichrichter 5 und Ausmittelung und Glättung im Tiefpaßfil- ter 6 liegt in der Schwellwerteinheit 7 ein Gleichspannungs- signal vor, das aufgrund seiner im Falle des vorliegenden der dritten Harmonischen vorhandenen Signalstärke einen einstell- baren Schwellwert übertrifft, während die mit der Drehstrom-

netzfrequenz schwingenden Teilsignale U1, U2 und U3 sich nicht aufaddieren und somit keine Signalverstärkung stattfin- det.

Das Nichtvorliegen einer Nulleiterverbindung zwischen der Meßeinheit 3 und dem Vierleiternetz-und somit das Fehlen eines Nulleiters N,-kann in der Anzeigeeinheit 8 sichtbar gemacht werden.

Über die Fernabfrageeinheit 9 kann jederzeit ermittelt wer- den, ob die Meßeinheit 3 über eine ordnungsgemäße Nulleiter- verbindung mit dem Nulleiter des Drehstromnetzteils und des Vierleiternetzes verbunden ist.