DE102010030475A1 - Method and device for determining the insulation resistance of an ungrounded electrical network - Google Patents

Method and device for determining the insulation resistance of an ungrounded electrical network Download PDF

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    • G01R27/18—Measuring resistance to earth, i.e. line to ground

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Isolationswiderstandes (RISO) eines ungeerdeten elektrischen Netzes (1). Dabei wird eine Messspannung (UP) über einen Spannungsteiler (3) in das Netz (1) eingespeist. Ein nach Anlegen der Messspannung (UP) fließender Messstrom (Im) oder eine davon abgeleitete Größe wird zu zumindest drei unterschiedlichen Zeitpunkten (t1, t2, t3) während eines Einschwingvorganges des Netzes (1) gemessen und aus den mindestens drei Messungen wird ein mathematisches Gleichungssystem aufgestellt, welches den Isolationswiderstand (RISO), eine Netzableitkapazität (CA) und eine Netzinduktivität (LL) als Unbekannte aufweist. Abschließend wird das Gleichungssystem aufgelöst.The invention relates to a method and a device for determining the insulation resistance (RISO) of an ungrounded electrical network (1). A measurement voltage (UP) is fed into the network (1) via a voltage divider (3). A measuring current (Im) flowing after application of the measuring voltage (UP) or a quantity derived from it is measured at at least three different times (t1, t2, t3) during a transient process of the network (1) and a mathematical system of equations is created from the at least three measurements set up, which has the insulation resistance (RISO), a system leakage capacitance (CA) and a system inductance (LL) as unknowns. Finally the system of equations is solved.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Isolationswiderstandes eines ungeerdeten elektrischen Netzes.The invention relates to a method and a device for determining the insulation resistance of an ungrounded electrical network.

Stand der TechnikState of the art

Unter einem Isolationswiderstand eines elektrischen Netzes versteht man den ohmschen Widerstandsanteil zwischen elektrischen Leitern untereinander beziehungsweise gegenüber dem Erdpotential. Zum Schutz von Personen und zur Vermeidung von Sachschäden durch unkontrolliert fließende Fehlerströme werden durch technische Richtlinien und Normen einzuhaltende Grenzwerte vorgegeben.An insulation resistance of an electrical network is understood to be the ohmic resistance component between electrical conductors with respect to one another or with respect to the ground potential. In order to protect persons and to prevent damage to property caused by uncontrolled flowing fault currents, limit values must be set by technical guidelines and standards.

Grundsätzlich sind zahlreiche Messmethoden zur Bestimmung des Isolationswiderstandes eines ungeerdeten elektrischen Netzes bekannt. So ist zum Beispiel aus der DE 43 39 946 A1 ein Verfahren zur Isolationsüberwachung von ungeerdeten elektrischen Gleich- und Wechselstromnetzen mit einer Impulswechselspannung, die über eine ohmsche Netzankopplung zwischen Netz und Erde an das zu überwachende Netz angelegt wird, bekannt. Dabei wird für jeden Impulsspannungswert der nach dem Einschwingen des Netzes auf diesen Impulsspannungswert fließende Messstrom, der von der Größe des Isolationswiderstandes des Netzes abhängig ist, direkt oder indirekt als Messstrom-Messwert erfasst und jeweils die Messwertdifferenz zweier aufeinanderfolgender Messstrom-Messwerte zur Bestimmung des ohmschen Isolationswiderstandes zwischen Netz und Erde benutz. Zur Verkürzung der Messzeit wird für jeden Impulsspannungswert der zeitliche Verlauf des vom momentanen Netz abhängigen Einschwingvorganges des Messstroms bis zum Erreichen des Einschwingzustandes überwacht, so dass unmittelbar nach Erreichen der Einschwingzustände die zugehörigen Messstrom-Messwerte erfasst werden und dann unverzüglich der jeweilige Impulsspannungswert auf den zeitlich nächsten Impulsspannungswert umgeschaltet wird.Basically, numerous measuring methods for determining the insulation resistance of an ungrounded electrical network are known. So is for example from the DE 43 39 946 A1 a method for monitoring the insulation of ungrounded electrical DC and AC networks with an AC pulse voltage, which is applied via a resistive network coupling between the network and earth to the network to be monitored known. In this case, for each pulse voltage value, the measured current flowing after the transient of the network to this pulse voltage value, which is dependent on the size of the insulation resistance of the network, detected directly or indirectly as a measured current measured value and respectively the measured value difference of two successive measuring current measured values for determining the ohmic insulation resistance between network and earth. In order to shorten the measuring time, the chronological progression of the transient of the measuring current is monitored for each pulse voltage value, so that the associated measuring current measured values are detected immediately after reaching the transient states and then immediately the respective pulse voltage value to the next time Pulse voltage value is switched.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Bestimmung des Isolationswiderstandes eines ungeerdeten elektrischen Netzes bei dem es nicht mehr notwendig ist, den Einschwingvorgang des Netzes abzuwarten, um den Isolationswiderstand bestimmen zu können. Dazu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Messspannung, vorteilhaft eine Rechteck-Wechselspannung, über einen Spannungsteiler in das Netz eingespeist wird und ein nach Anlegen der Messspannung fließender Messstrom oder eine davon abgeleitete Größe zu zumindest drei unterschiedlichen Zeitpunkten noch während eines Einschwingvorganges des Messstromes gemessen wird. Anschließend wird abhängig von den mindestens drei Messergebnissen der Isolationswiderstand bestimmt. Dies kann beispielsweise mit Hilfe eines mathematischen Gleichungssystems erfolgen, welches den Isolationswiderstand, eine Netzableitkapazität und eine Netzinduktivität als Unbekannte aufweist. Der Isolationswiderstand wird letztendlich durch Auflösung des Gleichungssystems bestimmt. Vorteilhaft wird dazu ein computerbasiertes elektronisches System eingesetzt. Alternativ kann der Isolationswiderstand beispielsweise auch durch Auslesen des Isolationswiderstandes aus einem Kennfeld in Abhängigkeit der mindestens drei Messergebnisse erfolgen.The present invention provides a method for determining the insulation resistance of an ungrounded electrical network in which it is no longer necessary to wait for the transient of the network in order to determine the insulation resistance can. For this purpose, it is provided according to the invention that the measuring voltage, advantageously a square-wave AC voltage, is fed into the network via a voltage divider and a measured current flowing after application of the measuring voltage or a quantity derived therefrom is measured at least three different times during a transient of the measuring current , Subsequently, the insulation resistance is determined depending on the at least three measurement results. This can be done, for example, by means of a mathematical equation system which has the insulation resistance, a system leakage capacitance and a network inductance as unknown. The insulation resistance is ultimately determined by solving the equation system. Advantageously, a computer-based electronic system is used for this purpose. Alternatively, the insulation resistance, for example, by reading the insulation resistance from a map depending on the at least three measurement results.

Die vorliegende Erfindung schafft auch eine Vorrichtung zur Bestimmung des Isolationswiderstandes eines ungeerdeten elektrischen Netzes mit einer Spannungsquelle zur Einspeisung der Messspannung, vorteilhaft einer Rechteck-Wechselspannung, in das Netz, einem Spannungsteiler, über welchen die Messspannung in das Netz eingespeist wird, und einer Messeinrichtung zum Messen eines nach Anlegen der Messspannung fließenden Messstromes oder einer davon abgeleiteten Größe zu zumindest drei unterschiedlichen Zeitpunkten während eines Einschwingvorganges des Messstroms. Außerdem ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, welche abhängig von den mindestens drei Messungen den Isolationswiderstand bestimmt. Insbesondere kann die Auswerteeinheit den Isolationswiderstand mit Hilfe eines mathematischen Gleichungssystems bestimmen, welches den Isolationswiderstand, eine Netzableitkapazität und eine Netzinduktivität als Unbekannte aufweist.The present invention also provides a device for determining the insulation resistance of an ungrounded electrical network with a voltage source for feeding the measuring voltage, advantageously a rectangular AC voltage, in the network, a voltage divider, via which the measuring voltage is fed into the network, and a measuring device for Measuring a measured current flowing after application of the measuring voltage or a variable derived therefrom at at least three different times during a transient of the measuring current. In addition, an evaluation unit is provided, which determines the insulation resistance depending on the at least three measurements. In particular, the evaluation unit can determine the insulation resistance with the aid of a mathematical equation system which has the insulation resistance, a network leakage capacitance and a network inductance as unknown.

Der zeitliche Verlauf des durch die Spannungsquelle zugeführten Messstromes ist von den Parametern des zu messenden Netzes abhängig. Der Erfindung liegt der Grundgedanke zugrunde, dass durch Messung dieses zeitlichen Verlaufs die Gesamt-Netzinduktivität, die Gesamt-Netzableitkapazität und der Gesamt-Isolationswiderstand des Netzes berechnet werden kann. Für die notwendigen Messungen muss der eingeschwungene Zustand des Messstromes nicht abgewartet werden, so dass der Isolationswiderstand sehr frühzeitig bestimmt werden kann.The time profile of the measuring current supplied by the voltage source depends on the parameters of the network to be measured. The invention is based on the basic idea that the total network inductance, the total system leakage capacitance and the total insulation resistance of the network can be calculated by measuring this time profile. For the necessary measurements, the steady state of the measuring current does not have to be awaited, so that the insulation resistance can be determined very early.

Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Further features and advantages of embodiments of the invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying figures.

Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Isolationswiderstandes eines ungeerdeten elektrischen Netzes und 1 a schematic representation of a device according to the invention for determining the insulation resistance of an ungrounded electrical network and

2 eine grafische Darstellung des zeitlichen Verlaufes des Messstroms. 2 a graphic representation of the time course of the measuring current.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Bestimmung des Isolationswiderstandes RISO eines ungeerdeten elektrischen Netzes 1, beispielsweise des Isolationswiderstandes zwischen einem Hochspannungs- und einem Niederspannungsnetz eines Mehrspannungs-Bordnetzes in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Netz 1, welches über eine positive Versorgungsschiene T+ bzw. einer negativen Versorgungsschiene T– mit elektrischer Energie versorgbar ist, ist in Form eines Ersatzschaltbildes dargestellt und umfasst Netzinduktivitäten LL1 und LL2 in der positiven Versorgungsschiene T+ bzw. der negativen Versorgungsschiene T–, Netzableitkapazitäten CA1 und CA2, welche zwischen der positiven Versorgungsschiene T+ und dem Massepotential bzw. zwischen der negativen Versorgungsschiene T– und dem Massepotential liegen sowie Isolationswiderstände RISO1 und RISO2, welche parallel zu den Netzableitkapazitäten CA1 bzw. CA2 liegen. Zwischen der positiven Versorgungsschiene T+ und der negativen Versorgungsschiene T– ist eine nicht dargestellte Last angeschlossen. 1 schematically shows a device for determining the insulation resistance R ISO of an ungrounded electrical network 1 For example, the insulation resistance between a high voltage and a low voltage network of a multi-voltage electrical system in a hybrid or electric vehicle, according to an embodiment of the invention. The network 1 , which can be supplied with electrical energy via a positive supply rail T + or a negative supply rail T-, is shown in the form of an equivalent circuit diagram and includes network inductances L L1 and L L2 in the positive supply rail T + and the negative supply rail T-, network discharge capacities C A1 and C A2 , which lie between the positive supply rail T + and the ground potential or between the negative supply rail T and the ground potential and insulation resistances R ISO1 and R ISO2 , which are parallel to the system discharge capacitances C A1 and C A2 . Between the positive supply rail T + and the negative supply rail T- a load, not shown, is connected.

Eine Spannungsquelle 2 speist in das Netz 1 über einen Spannungsteiler 3 eine vorgegebene Messspannung UP, insbesondere eine Rechteck-Wechselspannung, ein. Der Spannungsteiler 3 wird dabei durch zwei Widerstände RST1 und RST2 gebildet, welche in Reihe zwischen die positive Versorgungsschiene T+ und die negative Versorgungsschiene T– geschaltet sind. Der Spannungsteiler kann selbstverständlich auch mehr als zwei Widerstände umfassen.A voltage source 2 feeds into the net 1 via a voltage divider 3 a predetermined measurement voltage U P , in particular a rectangular AC voltage, a. The voltage divider 3 is formed by two resistors R ST1 and R ST2 , which are connected in series between the positive supply rail T + and the negative supply rail T-. Of course, the voltage divider can also comprise more than two resistors.

Alternativ oder zusätzlich zu ohmschen Widerständen, kann der Spannungsteiler z. B. auch mit Hilfe von Kapazitäten und/oder Induktivitäten gebildet werden. Entscheidend für die Verwendbarkeit ist lediglich deren spannungsteilende Funktion.Alternatively or in addition to ohmic resistors, the voltage divider z. B. also be formed by means of capacitors and / or inductors. Decisive for the usability is only their voltage-dividing function.

Die eingespeiste Messspannung UP verändert eine Spannung an einem Mittelpunkt M des Spannungsteilers 3. Um diese Spannung zu erzeugen, muss die Spannungsquelle 2 einen Messstrom Im zuführen. Der zeitliche Verlauf dieses Messstroms (vgl. 2) ist abhängig von allen genannten Induktivitäten, Kapazitäten und Widerständen. Dabei ergibt sich für den Messstrom Im insbesondere aufgrund der kapazitiven und induktiven Anteile ein Einschwingvorgang, welcher in 2 für einen einzelnen Rechteckimpuls dargestellt ist. Da die Parameter der Spannungsquelle 2 und des Spannungsteilers 3 als bekannt vorauszusetzen sind, ist der zeitliche Verlauf des Messstromes Im nur noch von Netzgrößen abhängig. Es ergibt sich: Im = f(LL, CA, RISO, t) mit LL = f(LL1, LL2) Gesamt-Netzinduktivität CA = f(CA1, CA2) Gesamt-Netzableitkapazität RISO = f(RISO1, RISO2) Gesamt-Isolationswiderstand t Zeit The fed measurement voltage U P changes a voltage at a midpoint M of the voltage divider 3 , To generate this voltage, the voltage source must be 2 to supply a measuring current I m . The time course of this measuring current (cf. 2 ) depends on all mentioned inductances, capacities and resistances. In particular, due to the capacitive and inductive components, a transient effect is produced for the measuring current I m , which in 2 is shown for a single square pulse. Because the parameters of the voltage source 2 and the voltage divider 3 are to be assumed as known, the time course of the measuring current I m only depends on grid sizes. It follows: I m = f (L L , C A , R ISO , t) With L L = f (L L1 , L L2 ) Total line inductance C A = f (C A1 , C A2 ) Total leakage capacitance R ISO = f (R ISO1 , R ISO2 ) Total insulation resistance t Time

Mit Hilfe einer Messeinrichtung 4, welche den Messstrom Im direkt oder indirekt über die Messung einer von dem Messstrom Im abgeleiteten Größe messen kann, werden nach Anlegen der Messspannung UP, aber noch während des Einschwingvorgangs des Messstroms Im mindestens drei Messungen durchgeführt. Gemäß 2 werden diese beispielhaft zu Zeitpunkten t1, t2 und t3 vorgenommen. Basierend auf den Ergebnissen dieser mindestens drei Messungen kann ein mathematisches Gleichungssystem aufgestellt werden. IM1(t1) = f(LL, CA, RISO, t1) IM2(t2) = f(LL, CA, RISO, t2) IM3(t3) = f(LL, CA, RISO, t3) With the help of a measuring device 4 Which can I m directly or indirectly measuring current measured via the measurement of I m derived from the measured current value, after application of the measurement voltage U P, but still I m conducted at least three measurements during the transient of the measuring current. According to 2 These are made by way of example at times t 1 , t 2 and t 3 . Based on the results of these at least three measurements, a mathematical equation system can be set up. I M1 (t 1 ) = f (L L , C A , R ISO , t 1 ) I M2 (t 2 ) = f (L L , C A , R ISO , t 2 ) I M3 (t 3 ) = f (L L , C A , R ISO , t 3 )

Dieses Gleichungssystem umfasst drei Gleichungen mit drei Unbekannten LL, CA und RISO und kann mit Hilfe mathematischer Methoden durch eine Auswerteeinheit 5, insbesondere durch ein computerbasiertes elektronisches System nach den drei Unbekannten aufgelöst werden. Dabei ergibt sich auch der gesuchte Wert des Isolationswiderstandes RISO. Dem Fachmann sind zahlreiche mathematische Methoden zur Auflösung eines derartigen Gleichungssystems bekannt, von denen je nach konkretem Anwendungsfall eine geeignete ausgewählt werden kann.This equation system comprises three equations with three unknowns L L , C A and R ISO and can be determined by mathematical methods by an evaluation unit 5 , in particular by a computer-based electronic system after the three unknowns are resolved. This also results in the sought value of the insulation resistance R ISO . Numerous mathematical methods for the resolution of such a system of equations are known to the person skilled in the art, of which a suitable one can be selected depending on the specific application.

Weitere Messungen des Messstroms Im während der Einschwingphase können zum Beispiel zu Plausibilitätsprüfungen genutzt werden.Further measurements of the measuring current I m during the transient phase can be used, for example, for plausibility checks.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 4339946 A1 [0003] DE 4339946 A1 [0003]

Claims (7)

Verfahren zur Bestimmung des Isolationswiderstandes (RISO) eines ungeerdeten elektrischen Netzes (1) bei dem – eine Messspannung (UP) über einen Spannungsteiler (3) in das Netz (1) eingespeist wird, – ein nach Anlegen der Messspannung (UP) fließender Messstrom (Im) oder eine davon abgeleitete Größe zu zumindest drei unterschiedlichen Zeitpunkten (t1, t2, t3) während eines Einschwingvorganges des Netzes (1) gemessen wird und – abhängig von den mindestens drei Messergebnissen der Isolationswiderstand (RISO) bestimmt wird.Method for determining the insulation resistance (R ISO ) of an ungrounded electrical network ( 1 ) in which - a measuring voltage (U P ) via a voltage divider ( 3 ) into the network ( 1 ) is fed to a measuring current (I m ) flowing after application of the measuring voltage (U P ) or a variable derived therefrom at at least three different times (t 1 , t 2 , t 3 ) during a transient of the network ( 1 ) is measured and - depending on the at least three measurement results of the insulation resistance (R ISO ) is determined. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Isolationswiderstand (RISO) mit Hilfe eines mathematischen Gleichungssystems, welches den Isolationswiderstand (RISO), eine Netzableitkapazität (CA) und eine Netzinduktivität (LL) als Unbekannte aufweist, bestimmt wirdThe method according to claim 1, wherein the insulation resistance (R ISO ) is determined by means of a mathematical equation system which has the insulation resistance (R ISO ), a network leakage capacitance (C A ) and a network inductance (L L ) as unknowns Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Isolationswiderstand (RISO) mit Hilfe eines computerbasierten elektronischen Systems bestimmt wird.Method according to claim 2, wherein the insulation resistance (R ISO ) is determined by means of a computer-based electronic system. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Messspannung eine Rechteck-Wechselspannung ist.Method according to one of claims 1 or 2, wherein the measuring voltage is a rectangular AC voltage. Vorrichtung zur Bestimmung des Isolationswiderstandes (RISO) eines ungeerdeten elektrischen Netzes (1) mit – einer Spannungsquelle (2) zur Einspeisung einer Messspannung (UP) in das Netz (1), – einem Spannungsteiler (3), über welchen die Messspannung (UP) in das Netz (1) eingespeist wird, – einer Messeinrichtung (4) zum Messen eines nach Anlegen der Messspannung (UP) fließenden Messstromes (Im) oder einer davon abgeleiteten Größe zu zumindest drei unterschiedlichen Zeitpunkten (t1, t2, t3) während eines Einschwingvorganges des Netzes (1), und – einer Auswerteeinheit (5), welche abhängig von den mindestens drei Messungen den Isolationswiderstand (RISO) bestimmt.Device for determining the insulation resistance (R ISO ) of an ungrounded electrical network ( 1 ) with - a voltage source ( 2 ) for feeding a measuring voltage (U P ) into the network ( 1 ), - a voltage divider ( 3 ), via which the measuring voltage (U P ) in the network ( 1 ), - a measuring device ( 4 ) for measuring a measuring current (I m ) or a variable derived therefrom after application of the measuring voltage (U P ) at at least three different times (t 1 , t 2 , t 3 ) during a transient of the network ( 1 ), and - an evaluation unit ( 5 ), which determines the insulation resistance (R ISO ) depending on the at least three measurements. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Auswerteeinheit (5) den Isolationswiderstand (RISO) mit Hilfe eines mathematischen Gleichungssystems, welches den Isolationswiderstand (RISO, eine Netzableitkapazität (CA) und eine Netzinduktivität (LL) als Unbekannte aufweist, bestimmt.Apparatus according to claim 4, wherein the evaluation unit ( 5 ) the insulation resistance (R ISO ) using a mathematical equation system, which has the insulation resistance (R ISO , a Netzableitkapazität (C A ) and a network inductance (L L ) as unknown, determined. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Spannungsquelle (2) eine Rechteck-Wechselspannung in das Netz (1) einspeist.Device according to one of claims 4 or 5, wherein the voltage source ( 2 ) a rectangular AC voltage in the network ( 1 ) feeds.
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