DE10106200C1 - Verfahren und Einrichtung zur Isolationsüberwachung ungeerdeter elektrischer Netze - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zur Isolationsüberwachung ungeerdeter elektrischer Netze

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Abstract

Verfahren zur Überwachung des Isolationswiderstandes von elektrischen Wechselspannungsnetzen mit vorhandenen ohmschen und kapazitiven Isolationswiderstand zur Erde und mit einer über ohme Netzankopplung zwischen Erde und Netz eingekoppelten Meßspannung, die eine Impulswechselspannung ist. Dabei wird für jeden Impulsspannungswert die Netzzeitkonstante und nach dem Vielfachen derselben der zwischen Erde und Netz fließende Meßstrom erfaßt und mit einem Kontrollwert zur Vermeidung von Meßfehlern verglichen. Bei Übereinstimmung von Meßstrom und berechnetem Kontrollwert ist der Meßwert fehlerfrei und die Meßwertdifferenz zweier aufeinander folgender fehlerfreier Meßwerte des Meßstromes werden zur Bestimmung des ohmschen Isolationswiderstandes zwischen Netz und Erde benutzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Isolationsüberwachung von ungeerdeten Gleich- oder Wechselspannungsnetzen mit einer über eine ohmsche Netzankopplung zwischen Netz und Erde eingekoppelten und in Betrag und Dauer wechselnden Impulswechselspannung mit Erfassung des Meßstromes im eingeschwungenen Zustand des Meßstromes und Bestimmung des ohmschen Isolationswiderstandes aus der Differenz von jeweils zwei aufeinanderfolgenden Meßwerten des über das Netz und Erde fließenden Meßstromes sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
In elektrischen Netzen treten Ableitströme aufgrund von Isolationsfehlern auf. Der ohmsche Teil des Isolationswiderstandes wird durch Anordnung einer Netzankopplung zwischen Netz und Erde mit einer dem Netz überlagerten Meßgleichspannung gemessen. Der durch die Meßgleichspannung über die Netzankopplung, das Netz und den Isolationswiderstand fließende Meßstrom ist ein Abbild der Größe des ohmschen Isolationswiderstandes. Fehlerhafte Messungen können insbesondere durch in den Netzen vorhandene Gleichspannungs-Komponenten und durch vorhandene unterschiedliche und schwankende Zeitkonstanten der Netze sowie anderer Meßwertfehler entstehen.
Zur Vermeidung derartiger Meßfehler sind durch DE 43 39 946 A1 Verfahren bekannt, die statt einer stabilen Meßgleichspannung Impulswechselspannungen mit unterschiedlichen Impulsspannungswerten verwenden.
Zur Verkürzung der Meßzeit und zur Vermeidung des kapazitiven Einflusses des Isolationswiderstandes wird bei einem Impulsspannungswert der maßgebende Meßstrom-Meßwert nach dem Einschwingen des Meßstromes erfaßt und aus der Differenz zweier aufeinanderfolgender Meßstrom-Meßwerten wird der tatsächliche ohmsche Anteil des Isolationswiderstandes des Netzes gegen Erde bestimmt. Dazu wird der Meßstrom bei einer Impulswechselspannung fortlaufend gemessen und bei aufeinanderfolgend gleichen Meßwerten der letzte Meßstrom gespeichert und die Meßspannung auf den nächsten Impulsspannungswert umgeschalten. Aus der Differenz zweier aufeinanderfolgender Meßstrom-Meßwerten wird der ohmsche Isolationswiderstand bestimmt und dadurch der Einfluß der Gleichspannungsstörkomponente ausgeschlossen. Bei auftretenden Störfrequenzen wird der aktuelle Meßzyklus abgebrochen. Die Ermittlung des Isolationswiderstandes erfolgt bei jeden zweiten Meßzyklus.
Die bekannten Verfahren weisen jedoch der. Nachteil auf, daß mögliche Meßfehler nicht erkannt werden bzw. solche bei auftretenden Störfrequenzen zum sofortigen Abbruch des laufenden Meßzyklussees führen.
Die Erfindung stellt sich deshalb die Aufgabe, ein Verfahren zur Messung des Isolationswiderstandes zu schaffen, bei dem beliebige Meßfehler erkannt werden und in laufenden Meßzyklussen zu gültigen Meßergebnissen führen.
Dies wird dadurch erreicht, daß eine Impulswechselspannung variabel bezüglich ihrer Länge und Höhe als Meßspannung dient und daß während eines Impulsspannungswertes gleichzeitig ein Kontrollwert mit einem Meßwert des Meßstromes nach einem Vielfachen der Zeitkonstanten des Netzes verglichen wird. Bei Übereinstimmung der beiden Werte wird die Messung als fehlerfrei erkannt und an der Impulsspannungsquelle wird ein neuer Spannungswert moduliert. Treten Differenzen zwischen Meßwert und Kontrollwert auf, wird der Meßwert ignoriert und die Messung durch Ermittlung eines neuen Kontrollwertes und neuen Meßwertes fortgeführt. Bei Erreichen einer maximalen Meßzeit, von 2 Sekunden wird ein Fehlersignal ausgegeben, die aktuelle Messung wird abgebrochen und der Meßvorgang beginnt von neuen.
Zur Vermeidung von Meßfehlern wird weiterhin vorgeschlagen, daß für jeden Impulsspannungswert aus drei Meßwerten des Meßstromes die Zeitkonstante des Netzes ermittelt wird und nach einem Vielfachen der ermittelten Zeitkonstante ein Vergleich des Meßwertes des Meßstromes mit einem berechneten Kontrollwert erfolgt. Nach dem Vergleich zwischen Kontrollwert und Meßwert wird der Isolationswiderstand aus der Differenz zweier fehlerfreier und aufeinanderfolgenden Meßwerten des Meßstromes ermittelt. Bei auftretenden Differenzen zwischen Meßwert und Kontrollwert erfolgt die Ermittlung der Zeitkonstanten des Netzes sowie die Messung des Meßstromes erneut und die neuen Werte werden verglichen. Bei weiter bestehenden Differenzen zwischen Kontrollwert und Meßwert über einen Grenzwert hinaus wird die aktuelle Messung abgebrochen und Fehler signalisiert. Danach wird ein neuer Impulswechsel­ spannungswert vorgegeben und ein neuer Meßzyklus beginnt.
Eine geeignete Einrichtung zur Realisierung des beschriebenen Verfahrens ist, daß die Impulsspannungsquelle als Digital- Analog Wandler mit Endstufenverstärker ausgeführt ist und über serielle Datenleitungen direkt von einem Mikrorechner eine in Höhe und Dauer programmierbare Impulsspannung erzeugt. Durch den Mikrorechner wird nach einem neuen Impulsspannungswert aus drei zyklischen Meßwerten des Meßstromes die aktuelle Zeitkonstante des Netzes berechnet und daraus ein Meßstrom-Kontrollwert im eingeschwungenen Zustand des Meßstromes berechnet. Dieser Meßstrom- Kontrollwert wird mit dem Meßwert des Meßstromes verglichen, der nach einem Vielfachen der Zeitkonstante tatsächlich gemessen wird. Bei auftretenden Differenzen zwischen beiden Werten wird die Messung als fehlerhaft erkannt und der Meßzyklus fortgeführt. Der Mikrorechner übernimmt alle Berechnungen und Steuerungen. Über vorhandene Schnittstellen des Mikrorechners können alle erfolgten Auswertungen und Ergebnisse angezeigt werden.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert und es zeigen:
Fig. 1 Übersichtsplan einer Einrichtung zur Isolationsüberwachung
Fig. 2 Zeitlicher Verlauf des Meßstromes mit Vergleich Meßwert-Kontrollwert ohne Fehler
Fig. 3 Zeitlicher Verlauf der Impulsspannung
Fig. 4 Zeitlicher Verlauf des Meßstromes mit Vergleich Meßwert-Kontrollwert mit Fehler
Fig. 5 Programmablaufplan des Mikrorechners
Gemäß Fig. 1 kann ein ungeerdetes Netz 1 aus zwei Netzleitern 2 bestehen, die von einer Netzspannungsquelle 3 mit Gleich oder Wechselspannung UAC/DC versorgt werden. Der ohmsche Isolationswiderstand RE und kapazitive Isolationswiderstand CE ist stets vorhanden und soll fehlerfrei überwacht werden und bei auftretenden Fehler signalisiert werden. Das erfolgt mit einer Isolationsüberwachungseinrichtung 4.
Die Isolationsüberwachungseinrichtung 4 besteht aus einer Netzankopplung 13, einer Bandsperre 14, einem Digital Analog Wandler 6 mit Endverstärker 7, einem Meßwiderstand 5, einem Analog Digital Wandler 8 mit integrierendem Meßverfahren und digitalen Filter und einem Mikrorechner 9.
Wird über die Netzankopplung 13 eine Impulswechselspannung UI zwischen Netzleiter 2 und Erde E angelegt, kann der Isolationswiderstand RE des eingeschwungenen Netzes bei Eliminierung vorhandener Gleichspannungen auf der Netzleitung 2 bei unterschiedlicher Impulsspannungen UI über den Meßstrom IM aus der Differenz der beiden Meßströme IM nach folgender Gleichung ermittelt werden:
Der Innenwiderstand Ri ist der Innenwiderstand der Meßanordnung. Die Berechnung erfolgt in dem Mikrorechner 9. Aufgrund des vorhandenen kapazitiven Isolationswiderstandes CE ist ein Einschwingverhalten des Meßstromes vorhanden. Zur Vermeidung von Meßfehlern wird über die Zeitkonstante des Netzes für den Meßstrom ein Kontrollwert berechnet und mit einem Meßwert bei eingeschwungenen Meßstrom verglichen. Dazu wird aus zeitlich drei äquidistanten Messungen des Meßstromes IM die Zeitkonstante τ des Netzes nach folgender Formel berechnet:
Der Kontrollwert des Meßstromes wird nach der folgenden Formel berechnet:
Die Messung des Meßstromes IM erfolgt über die Meßspannung UM an den Meßwiderstand 5.
In Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf der dem Meßstrom IM proportionalen Meßspannung UM bei verschiedenen Impulsspannungswerten UI ohne auftretende Meßfehler dargestellt. Bei einem ersten Impulsspannungswert UI1 erfolgen zur Zeit t1 bis t3 drei Messungen der Meßspannung UM1 bis UM3. Daraus wird im Mikrorechner die Zeitkonstante τ1 und der Meßspannungs-Kontrollwert UK4 berechnet. Dieser wird mit dem Meßspannungs-Meßwert UM4 im eingeschwungenen Zustand des Meßstromes IM nach Ablauf eines Vielfachen der Zeitkonstante τ1 des Netzes zum Zeitpunkt t4 in dem Mikrorechner 9 verglichen. Ist die Differenz des Meßspannungs-Kontrollwertes UK4 und dem Meßspannungs- Meßwert UM4 gleich oder annähernd Null, ist die Messung fehlerfrei und durch Ausgabe eines neuen Bitwortes über die serielle Datenleitung 11 zum Digital Analog Wandler 6 mit Endverstärker 7 erfolgt die Umschaltung auf einen neuen Impulsspannungswert UI2. Bei dem Impulsspannungswert UI2 erfolgen zur Zeit t5 bis t7 in analoger Weise wieder drei Messungen der Meßspannung UM5 bis UM7, aus denen in gleicher Art und Weise die Zeitkonstante τ5 und der Meßspannungs- Kontrollwert UK8 berechnet wird und bei einer Differenz von annähernd Null zwischen Meßspannungs-Kontrollwert UK8 und Meßspannungs-Meßwert UM8 wird aus den Meßspannungs-Meßwert UM4 und dem Meßspannungs-Meßwert UM8 die Differenz der letzten zwei Meßspannungen als Meßspannungs-Differenz ΔUM4/8 gebildet. Diese ist ein Maß für den ohmschen Isolationswiderstand RE.
Der zeitliche Verlauf der Impulsspannung UI ist aus Fig. 3 ersichtlich. Dabei beträgt der Impulsspannungswert UI1 den 2- fachen Wert des Impulsspannungswertes UI2.
Es können Meßfehler aus verschiedenen Ursachen auftreten und dann einen zeitlichen Verlauf der Meßspannung UM nach Fig. 4 haben. Im eingeschwungenen Zustand des Meßstromes (IM) besteht zum Zeitpunkt t4 eine Differenz z fischen Meßspannungs-Kontrollwert UK4 und Meßspannungs-Meßwert UM4, das heißt UK4 ist ungleich UM4. Diese Differenz wird im Mikrorechner 9 als Fehler diagnostiziert und die Messung bei gleichen Impulsspannungswert UI wird fortgeführt. Dabei erfolgt eine Verdoppelung der Zwischenzeit zwischen zwei Messungen tm und in den Meßzeiten t5 und t6 werden zwei neue Meßspannungs-Meßwerte UM5 und UM6 ermittelt. Aus den drei letzten Meßspannungs-Meßwerten UM4 bis UM6 wird eine neue Zeitkonstante τ4 und daraus ein neuer Meßspannungs- Kontrollwert UK7 berechnet. Der Vergleich zwischen Meßspannungs-Kontrollwert UK7 und Meßspannungs-Meßwert UM7 erfolgt zum Zeitpunkt t7 nach Ablauf eines Vielfachen der Zeitkonstante τ4 in bereits beschriebener Art und Weise. Die fehlerfreie Messung wird erkannt, wenn die Differenz zwischen Meßspannungs-Kontrollwert UK7 und der Meßspannungs-Meßwert UM7 annähernd Null ist. Dann wird ein neuer Wert der Impulswechselspannung UI modifiziert.
Die letzte Zwischenzeit zwischen zwei Messungen tm wird für die folgenden Messungen beibehalten. Erfolgen nachfolgend fehlerfreie Messungen, wird bei jeder fehlerfreien Messung ein Fehlerzählfaktor Z um den Wert Eins reduziert und bei Unterschreitung eines bestimmten Wertes erfolgt die Halbierung der Zwischenzeit zwischen zwei Messungen tm.
Nach Fig. 5 erfolgt der Programmablauf zur Bestimmung des ohmschen Isolationswiderstandes RE im Mikrorechner 9. Bei Programmstart werden die Grundeinstellungen für die Impulsspannung UI, die erste Meßzeit tn und die erste Zwischenzeit zwischen zwei Meßpunkten tm eingestellt. Dann erfolgen drei Messungen der Meßspannung UM zu den Zeitpunkten t1 bis t3. Aus diesen drei Meßspannungen UM1 bis UM3 wird über die Zeitkonstante T der Meßspannungs-Kontrollwert UK4 berechnet. Zum nächsten Meßzeitpunkt t4 wird der Meßspannungs-Meßwert UK4 gemessen und mit der Meßspannungs- Kontrollwert UK4 verglichen. Ist die Differenz Null, erfolgt die Berechnung des Isolationswiderstand der aktuellen Messung Rneu. Nachfolgend wird der Isolationswiderstand der vorherigen Messung Ralt und der Isolationswiderstand der aktuellen Messung Rneu verglichen.
Beträgt die Differenz Null bzw. maximal 10%, wird der Isolationswiderstand RE als Mittelwert berechnet und ausgegeben. Bei einem Fehlerzählfaktor Z größer Null wird sofort eine neue Impulsspannung UI eingestellt und die nächste Messung beginnt mit gleicher Zwischenzeit zwischen zwei Messungen tm in gleicher Art und Welle, wobei der ohmsche Isolationswiderstand RE bei jedem Impulsspannungswert UI berechnet wird.
Bei auftretenden Differenzen zwischen dem Meßspannungs- Kontrollwert UK und der Meßspannung UM wird der Fehlerzählfaktor Z auf den Wert 10 gesetzt und die Zwischenzeit zwischen zwei Messungen tm wird verdoppelt und die Messung wird weitergeführt.
Bei fehlerfreien Vergleich am Ende jeder Messung wird der Fehlerzählfaktor Z jeweils um den Faktor 1 verringert und bei Unterschreiten der Zahl 5 wird außerdem die Zwischenzeit zwischen zwei Messungen tm halbiert.
Übersteigt die Zwischenzeit zwischen zwei Messungen tm den Wert von 2 Sekunden, wird Fehler ausgegeben und eine neue Messung gestartet.
Bezugszeichenliste I
1
ungeerdetes Netz
2
Netzleiter
3
Netzspannungsquelle
4
Isolationsüberwachungseinrichtung
5
Meßwiderstand
6
Digital Analog Spannungsquelle
7
Endverstärker
8
Analog Digital Wandler
9
Mikrorechner
10
Dateneingangsleitung
11
Serielle Datenausgangsleitung
12
Externe Schnittstellen
13
Netzankopplung
14
Bandsperre
Bezugszeichenliste II
IRi Innenwiderstand der Meßschaltung
RE ohmscher Isolationswiderstand
CE kapazitiver Isolationswiderstand
E Erde
UI Impulswechselspannung
UM Meßspannungs-Meßwert
ΔUM Differenz-Meßspannung
ΔUI Differenz Impulsspannung
ΔI Differenz Meßströme
UK Meßspannungs-Kontrollwert
UAC/DC Gleich- oder Wechselspannung
IM Meßstrom
Ralt Isolationswiderstand der vorherigen Messung
Rneu Isolationswiderstand der aktuellen Messung
τ Zeitkonstante
tm Zwischenzeit zwischen zwei Messungen
z Fehlerzählfaktor

Claims (10)

1. Verfahren zur Isolationsüberwachung von ungeerdeten Gleich- oder Wechselspannungsnetzen, für einer über eine ohmsche Netzankopplung zwischen. Netz und Erde eingekoppelten und in Betrag und Dauer wechselnden Impulswechselspannung mit Erfassung des Meßstromes im eingeschwungenen Zustand des Meßstromes und Bestimmung des ohmschen Isolationswiderstandes aus der Differenz von jeweils zwei aufeinander folgenden Meßwerten des über das Netz und Erde fließenden Meßstromes dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Impulsspannungswert aus drei im gleichen Zeitabstand ermittelten Meßspannungsmeßwerten i1, i2, i3 die Zeitkonstante des Netzes und dass aus einem der Meßspannungswerte bei einem Vielfachen der Zeitkonstante eine Kontroll-Meßspannung im Einschwingzustand vorab ermittelt wird, dass nach diesem festen Vielfachen der Zeitkonstante die tatsächliche Meßspannung erfaßt wird und mit der Kontroll-Meßspannung verglichen wird, daß nachfolgend auf einen neuen Impulsspannungswert, umgeschaltet Wird, wenn die Vergleichsdifferenz annähernd Null ist und dass bei einer maßgebenden Differenz der Vorgang in analoger Weise wiederholt wird und bei wiederholt auftretenden Differenzen ein Fehlersignal gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitkonstante T über die Formel
ermittelt wird
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Differenzwert zwischen Kontrollwert und Meßwert der Meßzyklus weitergeführt wird und die Zwischenzeit zwischen zwei Messungen bei jedem Fehlersignal verdoppelt wird, eine neue Kontroll- Meßspannung über das Vielfache der reuen Zeitkonstante durch zwei zusätzliche Messwerte des Meßstromes bei gleicher Impulsspannung vorab ermittelt wird und bei wiederholten fehlerfreien Messungen die Zwischenzeit zwischen zwei Messungen halbiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Meßstrom proportionale Meßspannung zu jeden Meßzyklus als Mittelwert mehrere Meßwerte durch Anordnung eines Analog Digital Wandlers mit integrierenden Meßverfahren und digitalen Filter gebildet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen eines Grenzwertes fehlerhafter Messungen zwischen Kontrollwert und Meßwert über den Mikrorechner ein Fehlersignal ausgegeben und die Messung erneut begonnen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im laufenden Betrieb bei jeder Impulsspannung der ohmsche Isolationswiderstand ermittelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß festgestellte Meßfehler zu einer Verlängerung des Meßvorganges bei gleicher Impulsspannung führen und bei fehlerfreien Messungen die Zwischenzeit zwischen zwei Messungen verkürzt wird.
8. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Impulsspannungsquelle, die über ein ohmsche Netzankopplung und einem Meßwiderstand (5) zwischen ein zu überwachendes Netz und Erde ausgeführt ist und die aus der Differenz von zwei aufeinander folgende Meßstrom Meßwerten den ohmschen Isolationswiderstand (RE) des Netzes bestimmt, dadurch gekennzeichnet daß die Impulsspannungsquelle als programmierbare Spannungsquelle (6) ausgebildet ist, die in Abhängigkeit der Bitfolge auf einer seriellen Datenleitung (11) verschiedene Impulspannungen erzeugen kann und dort eine Auswerteinheit (89) durch Analog- Wandler (8) und Mikrorechner (9) derart ausgebildet ist, daß bei Übereinstimmung von Kontroll-Meßspannung (Uk) und Meßwert (Um) das Ende des Einschwingvorganges ist und ein neuer Impulsspannungswert modifiziert ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronik mit Analog Digital Wandler und Mikrorechner so ausgebildet ist, daß sie zu Beginn des Einschwingvorganges des Meßstromes aus drei Messungen des Meßstromes die Zeitkonstante und einen Kontrollwert ermittelt und einen Vergleich der Kontroll-Meßspannung mit dem Meßwert durchführt und das Ergebnis des Vergleiches auf die Zwischenzeit zwischen zwei Messungen wirkt und auswertet.
10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Meßwerterfassung ein Wandler mit integrierenden Meßverfahren und digitalen Filter verwendet ist.
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