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Die Erfindung betrifft ein Isolationsfehlersuchgerät zur Isolationsfehlerlokalisierung in einem ungeerdeten Stromversorgungsnetz, mit genau einem Messkanal und mindestens einer Strommesseinrichtung sowie einer Auswerteeinrichtung.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Isolationsfehlerlokalisierung in einem ungeerdeten Stromversorgungsnetz, mit einem Prüfgerät zur Erzeugung eines Prüfstroms und mit einem erfindungsgemäßen Isolationsfehlersuchgerät.
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Um eine hohe Verfügbarkeit und Betriebssicherheit der elektrischen Stromversorgung sicherzustellen sowie die Personensicherheit im Bereich elektrischer Anlagen zu gewährleisten, ist es notwendig, Isolationsfehler in Leitungsnetzen zu erkennen, bevor die Anlage automatisch abschaltet oder bei Berührung eines aktiven Leiters gefährliche Körperströme fließen können. Zur Stromversorgung wichtiger Anlagen und Verbraucher, z. B. in medizinisch genutzten Räumen, werden daher ungeerdete Netze (IT-Systeme) mit Isolationsüberwachung eingesetzt. Wegen des im Idealfall unendlich großen Impedanzwertes zwischen Leiter und Erde, fließt bei einem Isolationsfehler kein Kurzschlussstrom, sodass die Spannungsversorgung bei diesem einpoligen Erdschluss („erster Fehler”) noch sichergestellt ist. Auch der Personenschutz ist gewährleistet, da bei Berühren eines aktiven Leiters kein geschlossener Stromkreis mit einem über die (geerdete) Person fließenden Strom entstehen kann.
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Wird das Stromversorgungsnetz bei Vorliegen eines „ersten Fehlers” weiter betrieben, dann ist auf Grund dieses Fehlers aus dem bisher ungeerdeten Netz ein geerdetes System entstanden, sodass ein weiterer Fehler zur Abschaltung der Anlage oder die Berührung eines aktiven Leiters zu einem gefährlichen Körperstrom führen kann. Eine schnelle Lokalisierung und Beseitigung von Isolationsfehlern ist daher erforderlich.
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Isolationsüberwachungsgeräte überwachen das Isolationsniveau des IT-Netzes und erzeugen eine Warnmeldung, sobald der Isolationswiderstand einen vorbestimmten Ansprechwert unterschreitet. Mit dieser Meldung startet in fest installierten Systemen automatisch eine Isolationsfehlersuche mit Hilfe einer Isolationsfehlersucheinrichtung. Diese besteht aus einem Isolationsüberwachungsgerät (mit Prüfstromgenerator) oder einem besonderen Prüfgerät sowie einem Isolationsfehler-Auswertegerät in Verbindung mit einem oder mehreren Messstromwandlern. Das Isolationsüberwachungsgerät oder das Prüfgerät überlagert dem Netz eine Messspannung, die in einer fehlerhaften Leitung zu einem dem Isolationsfehler proportionalen Prüfstrom führt. Dieses Prüfstromsignal wird von allen Messstromwandlern, die in einem fehlerbehafteten Leitungsabgang liegen, erfasst und durch ein Isolationsfehler-Auswertegerät ausgewertet und angezeigt. Durch die Zuordnung Messstromwandler/Stromkreis bzw. Leitungsabgang kann der Fehlerort lokalisiert werden.
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Als nachteilig erweist sich, dass im Fall eines schadhaften Verbrauchers mit Fehlersucheinrichtungen, die zumeist in Schaltschränken eingebaut sind, zwar der fehlerhafte Leitungsabgang ermittelt werden kann, ein direkter Bezug zu der jeweiligen Steckdose, an die der fehlerhafte Verbraucher angeschlossen ist, aber nicht gegeben ist. Dies gilt für alle elektrischen Anlagen, die als IT-Netze, nicht nur in Gebäuden, sondern auch auf Schiffen oder in Fahrzeugen installiert sind. Die eingesetzten Fehlersucheinrichtungen erkennen lediglich den fehlerhaften Stromabgang, nicht aber den entsprechenden Verbraucher, da diese weit verzweigt an Unterverteilanlagen angeschlossen sind. Zur genauen Lokalisierung wird in Ergänzung zu dem fest installierten Fehlersuchsystem zusätzlich eine manuelle Isolationsfehlersuche mit portablen Fehlersuchsystemen durchgeführt. Die nachträgliche Lokalisierung erlaubt dann die Lokalisierung in untergeordneten Leitungsabgängen bis hin zu einzelnen Verbraucheranschlüssen. Alternativ kann durch Trennen einzelner Verbraucher vom Netz und unter gleichzeitiger Beobachtung des fest installierten Fehlersuchsystems der fehlerhafte Verbraucher lokalisiert werden. Insgesamt betrachtet gestaltet sich die Isolationsfehlersuche sehr aufwendig und kann nur von einer Elektrofachkraft durchgeführt werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, den Prozess der Isolationsfehlersuche zur Lokalisierung eines fehlerhaften Verbrauchers effizienter zu gestalten und zu vereinfachen.
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Strommesseinrichtung und die Auswerteeinrichtung als eine integrierte bauliche Einheit in Form eines Anbauteils oder eines Adapterteils ausgebildet sind.
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Das Isolationsfehlersuchgerät weist genau einen Messkanal auf und besteht erfindungsgemäß aus mindestens einer Strommesseinrichtung und einer Auswerteeinrichtung, die in einer baulichen Einheit integriert sind. In Form eines Anbauteiles oder eines Adapterteils kann diese bauliche Einheit direkt an der Verbraucherzuleitung oder an der Unterverteilung installiert sein. Das über einen möglichen Isolationsfehler fließende Prüfstromsignal wird von der Strommesseinrichtung erfasst und sofort an gleicher Stelle von der Auswerteeinrichtung als Fehler signalisiert. Damit ist die Möglichkeit gegeben, auftretende Isolationsfehler gezielt dem verursachenden Verbraucher direkt zuordnen zu können. Ein Isolationsfehler kann auch von nicht fachkundigem Personal bemerkt werden und eine nachfolgende meist aufwändige manuelle Lokalisierung des Isolationsfehlers mit portablen Fehlersuchsystemen kann entfallen.
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In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen kann die integrierte bauliche Einheit aus Strommesseinrichtung und Auswerteeinrichtung ein Adapterteil sein, welches als Zwischenstecker zum Aufstecken auf eine schutzkontakt-kompatible Steckverbindung ausgebildet ist oder ein Anbauteil sein, welches als Steckdose mit einer schutzkontakt-kompatiblen Steckverbindung ausgebildet ist, oder das in ein Gehäuse zur normgerechten Montage an einer Hutschiene integriert ist oder das mit elektrischen Kontakten zum direkten Anschluss von elektrischen Zuleitungen ausgebildet ist.
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Bei einer Ausbildung als Adapterteil ist eine nachträgliche Installation problemlos möglich, da das Adapterteil in Form eines Zwischensteckers lediglich an der Schutzkontaktsteckdose in die Verbraucherzuleitung eingefügt werden muss. Eine Elektrofachkraft ist für diese Maßnahme nicht erforderlich.
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Auch kann das integrierte Anbauteil selbst als Schutzkontakt-Steckdose ausgebildet sein. In diesem Fall dient das Anbauteil ohne weiteren Verdrahtungsaufwand als handelsübliche Schutzkontakt-Steckdose und erweitert deren Funktion um die Möglichkeit der Isolationsfehlersuche.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführung des Anbauteils ist dessen Integration in ein Gehäuse zur normgerechten Montage an einer Hutschiene, beispielsweise in einem Schaltschrank einer Unterverteilung. Damit kann an einer zentralen Stelle gezielt eine fehlerhafte Verbraucherzuleitung erkannt und signalisiert werden Weiterhin ist eine Ausbildung des Anbauteils mit elektrischen Kontakten zum direkten Anschluss von elektrischen Zuleitungen von Vorteil. Ohne Auftrennen der Zuleitung kann das Anbauteil in dieser Ausführung an der zu prüfenden Anschlussleitung angebracht werden, wobei die Strommesseinrichtungen als – vorzugsweise teilbare – Messstromwandler ausgeführt sind und die Kontaktierung der Leiter durch Kontaktdorne erfolgen kann. Auch diese Ausführungsform eignet sich ohne umfangreiche Installationsarbeiten für eine nachträgliche Montage.
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Mit Ausnahme der Ausführung als Anbauteil mit direkter Kontaktierung der elektrischen Zuleitungen ist die Strommesseinrichtung zweckmäßigerweise als Shunt-Widerstand zur Messung eines Laststroms ausgebildet. Dies erlaubt zusätzlich – neben der Erfassung des Prüfstroms durch weitere Strommesseinrichtungen – die Messung des Laststroms nach Betrag und Winkel und dient der Feststellung einer Überlast auf der überwachten Leitung.
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Die Strommesseinrichtungen sind vorteilhafterweise als Messstromwandler ausgebildet. Neben der vorrangigen Erfassung des Prüfstroms ermöglicht eine Umschaltung der Betriebsart auch die Messung eines Differenzstroms oder eines Laststroms. Da bei einem ohmschen Isolationsfehler in ungeerdeten Systemen zumeist auch ein Differenzstrom über die Ableitkapazitäten des Netzes fließt, vermittelt dessen Erkennung eine höhere Zuverlässigkeit bei der Isolationsfehlersuche. Zudem kann das Gerät in dem Differenzstrom- und dem Laststrommodus auch in geerdeten Stromversorgungssystemen eingesetzt werden.
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Mit Vorteil weist das Gerät eine Netzankopplungsschaltung zur Netzspannungsmessung und zur Erdspannungsmessung auf. Die Netzspannungsmessung mit Betrag und Winkel bietet die Möglichkeit, bei Unter- oder Überspannung in der Zuleitung eine Warnmeldung auszugeben. Weiterhin kann mit Hilfe der Netzspannungsmessung und einer Erdspannungsmessung nach dem Unsymmetrieverfahren (U12 = U1E + U2E, wobei U12 die Spannung zwischen den Leitern und U1E bzw. U2E jeweils die Spannung gegen Erde ist) ein fehlerhafter Verbraucher beim Einstecken erkannt werden (Erdschlussschnellerkennung).
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Durch die phasenrichtigen Messungen des Laststroms und der Netzspannung können die Wirkleistung und die Scheinleistung bzw. der Leistungsfaktor eines angeschlossenen Verbrauchers ermittelt werden.
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Weiterhin wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Vorrichtung zur Isolationsfehlerlokalisierung in einem ungeerdeten Stromversorgungsnetz mit einem Prüfgerät zur Erzeugung eines Prüfstroms ein erfindungsgemäßes Isolationsfehlersuchgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 17 aufweist. Diese erfindungsgemäße Vorrichtung stellt somit eine vollständige Isolationsfehlersucheinrichtung dar, welche die Aktivierung eines Prüfstromsignals durch das Prüfgerät und die Erfassung und Auswertung des Prüfstromsignals durch das erfindungsgemäße Isolationsfehlersuchgerät umfasst.
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In vorteilhafter Weise weist die Vorrichtung ein Signalisierungsgerät zur Anzeige der Messwerte sowie zur optischen und/oder akustischen Darstellung von Warn- und Statusmeldungen auf. Ein oder mehrere derartige Signalisierungsgeräte ermöglichen die Anzeige bzw. die Darstellung der von einem oder mehreren Isolationsfehlersuchgerät(en) erfassten und an das Signalisierungsgerät übertragenen Werte. Diese Werte können beispielsweise der Laststrom, der Differenzstrom, der Prüfstrom, die Netzspannung U12, die Wirkleistung, die Scheinleistung oder die entnommene Energie sein kann.
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Zur Auswertung der von separaten Messstromwandlern aufgenommenen Ströme weist die Vorrichtung ein zentrales Auswertegerät zur Verarbeitung der Daten mehrerer Messkanäle auf. Das Auswertegerät umfasst eine dem Signalisierungsgerät entsprechende Signalisierungseinheit zur Anzeige der Messwerte sowie zur optischen und/oder akustischen Darstellung von Warn- und Statusmeldungen. Alternativ oder zusätzlich können die über die Strommesseinrichtung des erfindungsgemäßen Isolationsfehlersuchgerätes erfassten Größen auch zentral in dem Auswertegerät verarbeitet werden.
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Zwischen dem erfindungsgemäßen Isolationsfehlersuchgerät und dem Signalisierungsgerät und/oder zwischen dem erfindungsgemäßen Isolationsfehlersuchgerät und dem Auswertegerät ist eine Datenübertragungsstrecke eingerichtet. Diese Datenübertragung erlaubt die Auswertung und Darstellung der mit dem Isolationsfehlersuchgerät dezentral erfassten Größen an zentraler Stelle mit dem vorbeschriebenen Auswerte- bzw. Signalisierungsgerät. Dabei kann die Datenübertragungsstrecke leitungsgebunden oder drahtlos mit Sende- und Empfangseinrichtungen ausgebildet sein. Als leitungsgebundene Übertragungsverfahren kommen dem Leitungsnetz überlagerte modulierte Trägersignale wie z. B. Powerline Communication oder eigene für die Datenübertragung vorgesehene Leitungen wie z. B. Ethernet in Frage. Eine drahtlose Datenübertragung kann beispielsweise über Funksignale z. B. nach einem (Mobil-)Funk-Standard oder über Infrarot-Signale erfolgen. Dazu weisen das Isolationsfehlersuchgerät, das Auswertegerät sowie das Signalisierungsgerät jeweils eine dem Übertragungsverfahren entsprechende Sende- und Empfangseinrichtung auf.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung an Hand von Beispielen erläutern.
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Es zeigen:
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1: ein funktionales Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Isolationsfehlersuchgerätes;
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2: einen Steckdoseneinsatz einer Ausführungsform als Steckdose mit einer schutzkontakt-kompatiblen Steckverbindung;
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3: eine Ausführungsform als Anbauteil in einem Gehäuse zur normgerechten Montage an einer Hutschiene.
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1 zeigt in einem funktionalen Blockschaltbild den prinzipiellen elektrischen Aufbau des erfindungsgemäßen Isolationsfehlersuchgerätes 2 zur Isolationfehlerlokalisierung in einem ungeerdeten Stromversorgungsnetz 4. Das ungeerdete Stromversorgungsnetz 4 ist eine aus den Leitern L1 und L2 gebildete Verbraucherzuleitung 4, die über einen Transformator 6 aus dem geerdeten Netz 8 gespeist wird und einen Verbraucher 10 versorgt. Die Verbraucherzuleitung 4 kann je nach Anwendungsfall ein Kabelabschnitt 4 einer festverlegten Installation eines IT-Netzes oder ein beliebiger freier Kabelabschnitt 4 sein. Im Fall einer Ausführung des Isolationsfehlersuchgerätes als Adapterteil ist das Isolationsfehlersuchgerät 2 zwischen einer Steckverbindung 12 des Kabelabschnitts 4 an eine Schutzkontaktsteckdose 12 und einer Steckverbindung 14 des Verbrauchers 10 an dem Kabelabschnitt 4 angeordnet.
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Das Isolationsfehlersuchgerät 2 umfasst eine oder mehrere Strommesseinrichtungen 20, eine Netzankopplungsschaltung 22 und eine Auswerteeinrichtung 24. Die Strommesseinrichtungen 20 sind als Shunt-Widerstand 26 zur Messung eines Laststroms sowie als Messstromwandler 28 zur Erfassung eines Prüfstroms oder eines Differenzstroms ausgebildet.
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Die Netzankopplungsschaltung 22 weist zur Netzspannungsmessung einen mit einem aktiven Leiter L1 verbundenen ersten Ankopplungszweig mit einem Ankoppelwiderstand RA1 und einem Messwiderstand RM1 sowie zur Erdspannungsmessung einen mit Erdpotential verbundenen zweiten Ankopplungszweig mit einem Ankoppelwiderstand RA2 und einem Messwiderstand RM2 auf.
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Zur Differenzstrommessung, zur Prüfstrommessung, zur Laststrommessung sowie zur Netzspannungsmessung und zur Erdspannungsmessung weist die Auswerteeinrichtung 24 jeweils einen Signalweg mit einer Verstärkerschaltung und einer nachfolgenden Filterschaltung auf. Dabei wird bei der Differenzstrommessung das erfasste Messsignal über eine eingangsseitig mit der Strommesseinrichtung 20, 28 verbundene erste Verstärkerschaltung 32 und eine nachfolgende erste Filterschaltung 34 geführt.
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Zur Prüfstrommessung weist die Auswerteeinrichtung eine eingangsseitig mit dem Ausgang der ersten Filterschaltung 34 verbundene zweite Filterschaltung 36 und eine nachfolgende Differenziererschaltung 38 auf; zur Laststrommessung besitzt die Auswerteeinrichtung eine eingangsseitig mit dem Shunt-Widerstand 26 verbundene zweite Verstärkerschaltung 40 und eine nachfolgende dritte Filterschaltung 42.
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Die Netzspannungsmessung erfolgt über eine eingangsseitig mit dem ersten Ankopplungszweig zwischen dem Ankoppelwiderstand RA1 und dem Messwiderstand RM1 verbundene dritte Verstärkerschaltung 44 und eine nachfolgende vierte Filterschaltung 46.
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Zur Erdspannungsmessung ist eine eingangsseitig mit dem zweiten Ankopplungszweig zwischen dem Ankoppelwiderstand RA2 und dem Messwiderstand RM2 verbundene vierte Verstärkerschaltung 48 und eine nachfolgende fünfte Filterschaltung 50 vorgesehen.
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Die Ausgänge der ersten Filterschaltung 34, der dritten 42, der vierten 46 und der fünften Filterschaltung 50 sowie der Differenziererschaltung 38 werden jeweils über einen AD-Umsetzer 52 einem Mikroprozessor 54 mit einer Speichereinheit 56 zugeführt.
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Alternativ zu den in 1 dargestellten analogen Filterschaltungen 34, 36, 42, 46 und 50 kann die Signalfilterung auch in dem Mikroprozessor 54 auf digitaler Ebene mit Algorithmen der digitalen Signalverarbeitung durchgeführt werden.
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Das Isolationsfehlersuchgerät 2 ist zur Übertragung von Messwerten und von Warn- und Statussignalen mit einer Datenschnittstelle 60 ausgestattet, die eine Sende- und Empfangseinrichtung zur leitungsgebunden oder zur drahtlosen Datenübertragung aufweist. Eine LED-Meldeanzeige 62 signalisiert den Betriebszustand des Gerätes 2 und warnt bei auftretenden Isolationsfehlern.
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Des Weiteren besitzt das erfindungsgemäße Isolationsfehlersuchgerät 2 eine Prüfeinrichtung 64 zum Testen der Differenzstromauslösung sowie Netzteil 66 zur eigenen Energieversorgung aus dem Stromversorgungsnetz.
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2 beruht auf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Isolationsfehlersuchgerätes 2 als Steckdose und zeigt eine Leiterplatte 68 als Steckdoseneinsatz 70 mit einer schutzkontakt-kompatiblen Steckverbindung. Die aktiven Leiter L1 und L2 sind als Steckkontakte 72 ausgebildet und werden von dem Messstromwandler 28 umschlossen, während der Erdleiter als Schutzkontakt 76 funktionsgemäß um den Messstromwandler 28 herumgeführt ist. Die fest installierten Stromleitungen werden über die Leiteranschlüsse 78 mit der Leiterplatte 68 verbunden und über Leiterbahnen 80 zu den Kontakten 72, 76 geführt.
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Auf der Leiterplatte 68 ist der Shunt-Widerstand 26 in eine Leiterbahn 80 des Leiters L1 eingefügt. Zur Signalisierung eines Alarms ist eine LED-Meldeanzeige 62 als Signalisierungseinrichtung 62 mit der Leiterplatte 68 elektrisch verbunden.
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3 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Isolationsfehlersuchgerätes 2 als Anbauteil in einem Gehäuse 82 zur normgerechten Montage an einer Hutschiene, beispielsweise in einem Schaltschrank. Auch in dieser Ausführungsform sind die Strommesseinrichtungen, die Netzankopplungsschaltung und die Auswerteeinrichtung ähnlich der Ausführung als Steckdose auf einer in dem Gehäuse 82 montierten Leiterplatte 68 angeordnet.
