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Die Erfindung betrifft eine elektrische Vorrichtung zur Überwachung und Prüfung von ungeerdeten IT-Stromversorgungssystemen, mit messtechnischen Einrichtungen zur Erfassung und Bestimmung schutztechnischer Kenngrößen des IT- Stromversorgungssystems und mit Signalisierungseinrichtungen zur Anzeige der Kenngrößen und von Warnmeldungen.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung und Prüfung von ungeerdeten IT-Stromversorgungssystemen, mit messtechnischer Erfassung und Bestimmung schutztechnischer Kenngrößen des IT-Stromversorgungssystems sowie mit der Signalisierung der Kenngrößen und von Warnmeldungen.
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Um eine hohe Verfügbarkeit und Betriebssicherheit der elektrischen Stromversorgung sicherzustellen sowie die Personensicherheit im Bereich elektrischer Anlagen zu gewährleisten, insbesondere z.B. in medizinisch genutzten Räumen, kommen in zunehmendem Maße Stromversorgungsnetze zum Einsatz, deren aktive Teile von dem Erdpotential getrennt oder über eine ausreichend hohe Impedanz mit Erde verbunden sind (IT-Systeme). Wegen des im Idealfall unendlich großen Impedanzwertes zwischen Leiter und Erde, fließt in ungeerdeten IT-Systemen bei einem Isolationsfehler kein Kurzschlussstrom, sodass die Spannungsversorgung bei diesem einpoligen Erdschluss eines aktiven Außenleiters („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. Reale Leitungsanlagen weisen auf Grund ihres geometrischen Aufbaus eine natürliche Ableitkapazität auf, die zusammen mit den Ableitkapazitäten der angeschlossenen Betriebsmittel eine Gesamtkapazität des zu überwachenden Netzes bildet, so dass bei Auftreten eines ersten Fehlers ein geschlossener Stromkreis entsteht, in dem ein Fehlerstrom fließen kann. Dieser kapazitive Fehlerstrom muss so klein gehalten werden, dass keine gefährliche Berührspannung auftritt.
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Wird das Stromversorgungsnetz bei Vorliegen eines „ersten Fehlers“ weiter betrieben, dann ist auf Grund dieses Fehlers aus dem bisher ungeerdeten System ein geerdetes Netz entstanden, sodass ein weiterer Fehler zur Abschaltung der Anlage oder die Berührung eines aktiven Leiters zu einem gefährlichen Körperstrom führen kann. Ein erster Fehler ist so schnell wie praktisch möglich zu beseitigen. Als weitere Schutzmaßnahme ist daher eine ständige Überwachung des Isolationszustandes erforderlich.
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In der Norm DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2007-06 sind Schutzmaßnahmen zum Schutz gegen elektrischen Schlag bei der Errichtung von Niederspannungsanlagen festgelegt. Die für IT-Systeme geltenden Vorschriften in Kapitel 411.6 umfassen gemäß Abschnitt 411.6.2 den Nachweis der Einhaltung einer dauernd zulässigen Berührspannung U
B durch Berechnung oder Messung eines Fehlerstroms I
d bei Auftreten eines ersten Fehlers. Danach tritt keine gefährliche Berührspannung U
B auf, wenn die Bedingungen
erfüllt sind.
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Dabei sind
- RA
- die Summe der Widerstände in Ohm (Ω) des Erders (RAE) und des Schutzleiters (Schutzleiterwiderstand RPE) zum jeweiligen Körper,
- Id
- der Fehlerstrom in Ampere (A) beim ersten Fehler mit vernachlässigbarer Impedanz (impedanzloser erster Fehler) zwischen einem Außenleiter und einem Körper, wobei der Wert Id die Ableitströme und die Gesamtimpedanz der elektrischen Anlage gegen Erde berücksichtigt.
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Daneben muss eine ständige Isolationsüberwachung durchgeführt werden, um das Auftreten eines ersten Fehlers zwischen einem aktiven Teil und einem geerdeten Körper oder gegen Erde zu melden. Ein Isolationsüberwachungsgerät misst den Isolationswiderstand des IT-Systems kontinuierlich und signalisiert das Unterschreiten eines voreingestellten Ansprechwertes optisch und akustisch.
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Weiterhin sind elektrische Niederspannungsanlagen nach DIN VDE 0100-600 (VDE 0100-600):2008 während der Errichtung und nach Fertigstellung einer Erstprüfung zu unterziehen. Im Rahmen dieser Erstprüfung ist eine Messung des Isolationswiderstands des IT-Systems mit Messspannungen durchzuführen, die von der Messspannung abweicht, die von einem Isolationsüberwachungsgerät während der ständigen Isolationsüberwachung aufgeschaltet wird.
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Darüber hinaus enthält die DIN VDE 0105-100 (VDE 0105-100):2008 Anforderungen an die wiederkehrende Prüfung elektrischer Anlagen, mit denen festgestellt werden soll, ob die Anlage und alle dazugehörenden elektrischen Betriebsmittel sich in einem ordnungsgemäßen Zustand für den Anlagenbetrieb befinden. Zur Beurteilung der elektrischen Sicherheit der Anlage sind daher auch im Rahmen der wiederkehrenden Prüfungen schutztechnische Kenngrößen des IT- Stromversorgungssystems wie beispielsweise der Isolationswiderstand oder die Berührspannung bei Auslöse-Fehlerstrom zu ermitteln.
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Aus den in den oben zitierten Normen festgelegten Anforderungen ergibt sich eine Vielzahl messtechnischer Aufgaben, die von sehr spezifischen, der jeweiligen Aufgabe und ihren Prüfbedingungen angepassten Mess- und Prüfgeräten erfüllt werden. Für derartige Geräte sind in der Normenreihe DIN EN 61557 - Geräte zum Prüfen, Messen oder Überwachen von Schutzmaßnahmen -Anforderungen, beispielsweise zur Messung des Isolationswiderstands oder des Erdungswiderstands, festgeschrieben. Danach wird zunächst mit einem Erdungswiderstandsmessgerät bei der Erstprüfung der Erdungswiderstand (DIN EN 61557-5) und mit einem Isolationswiderstandsmessgerät der Isolationswiderstand (DIN EN 61557-2) ermittelt. Zusätzlich ist der Schutzleiterwiderstand (DIN EN 61557-4) rechnerisch zu bestimmen. Im Betriebszustand des IT-Systems wird der Fehlerstrom Id festgestellt und eine ständige Überwachung des Isolationszustands mit dem Isolationsüberwachungsgerät durchgeführt. Mit den ermittelten Messwerten ist dann die Einhaltung der Forderungen manuell zu prüfen.
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Als nachteilig erweist sich, dass nach dem Stand der Technik für die Erstprüfung, die wiederkehrende Prüfung sowie für die ständige Isolationsüberwachung jeweils verschiedene Mess- und Prüfvorrichtungen verwendet werden und dadurch die Umsetzung der messtechnischen Aufgaben kosten- und zeitaufwändig ist.
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Aus der Gebrauchsmusteranmeldung
DE 297 06 736 U1 ist ein mobiles Vielfachmessgerät zur Durchführung von Messaufgaben gemäß den europäischen Normen und den DIN VDE Normen bekannt, wobei das Gerät den Grundaufbau eines zweipoligen Spannungsprüfers für Spannungen bis 400V aufweist und aus einem in der Hand tragbaren Vielfachmessgerät und zwei Messspitzenbesteht. Mit dem Grundgerät kann ein Zusatzgerät für die zweite Hand durch eine mehradrige flexible Leitung verbunden werden, um entsprechend der Messaufgabe eingerichtet oder erweitert werden zu können. Für eine normgerechte, ständige Überwachung und Prüfung eines ungeerdeten IT-Stromversorgungssystem ist dieses Gerät nicht vorgesehen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur normgerechten Überwachung und Prüfung von ungeerdeten IT-Stromversorgungssystemen mit ihren messtechnischen Einrichtungen sowie ein entsprechendes Verfahren derart weiterzuentwickeln, dass die normativ geforderten messtechnischen Aufgaben der Erstprüfüng und der wiederkehrenden Prüfungen sowie eine ständige Isolationsüberwachung mit möglichst wenig Zeit- und Kostenaufwand durchführbar sind.
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die messtechnischen Einrichtungen als Einrichtungen zur ständigen Isolationsüberwachung des IT-Stromversorgungssystems und als Einrichtungen zur normgemäßen Ausführung messtechnischer Prüfungen für eine Erstprüfung und für wiederkehrende Prüfungen des IT-Stromversorgungssystems ausgeführt sind und in eine gemeinsame bauliche Einheit integriert sind.
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Die messtechnischen Einrichtungen, die vorschriftsgemäß zur ständigen Isolationsüberwachung des IT-Stromversorgungssystems erforderlich sind, und die messtechnischen Einrichtungen, die zur normgemäßen Ausführung messtechnischer Prüfungen für eine Erstprüfung und für wiederkehrende Prüfungen des IT-Stromversorgungssystems notwendig sind, sind erfindungsgemäß in eine gemeinsame Geräteeinheit integriert. Mit einem einzigen Gerät können damit sowohl die ständige IsolationsÜberwachung als auch die Erstprüfung und die wiederkehrenden Prüfungen durchgeführt werden. Dadurch ergeben sich insbesondere für die (einmalige) Erstprüfung erhebliche Kostenvorteile, da auf vorhandene für die ständige Überwachung des IT-Systems ohnehin vorhandene Geräte zurückgegriffen werden kann.
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In vorteilhafter Ausgestaltung weisen die messtechnischen Einrichtungen Mittel zur Messung des Isolationswiderstands für eine Erstprüfung mit einer von der Messspannung zur ständigen Isolationsüberwachung abweichenden Messspannung auf. Da im Rahmen der Erstprüfung ebenfalls eine Messung des Isolationswiderstands vorgeschrieben ist, die allerdings mit einer von der ständigen Isolationsüberwachung abweichenden Messspannung durchzuführen ist, sind die messtechnischen Einrichtungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zweckmäßigerweise so ausgeführt, dass auch eine Messung des Isolationswiderstands mit dieser abweichenden Spannung, z.B. 500V, möglich und damit diese Messaufgabe auch im Zuge einer Erstprüfung mit dem gleichen Gerät durchführbar ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen die messtechnischen Einrichtungen mit Vorteil Mittel zur Bestimmung eines Fehlerstroms Id während des Betriebs des IT-Stromversorgungssystems auf. Durch die Integration dieser Mittel zur Erfassung und Bestimmung schutztechnischer Kenngrößen des IT-Stromversorgungssystems in die gemeinsame bauliche Einheit, können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowohl die bei Erst- und wiederkehrenden Prüfungen als auch während des Betriebs geforderten Werte, wie den Fehlerstrom Id, aktuell ermittelt werden.
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Als besonders vorteilhaft erweist sich, dass die messtechnischen Einrichtungen Mittel aufweisen zur messtechnischen Überprüfung der normativ geforderten Bedingungen RA·Id ≤ 50 V für Wechselstromsysteme und RA·Id ≤ 120 V für Gleichstromsysteme. In Verbindung mit den Mitteln zur Bestimmung des Erdungswiderstands RA und des Fehlerstroms Id kann damit die einzuhaltende Bedingung an eine dauerhaft zulässige Berührspannung während des Betriebs bei Auftreten eines ersten Fehlers nachgewiesen werden und eine Bestätigung der Einhaltung erfolgen.
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In zweckmäßiger Ausführung besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine gemeinsame Steuereinheit zur Ablaufkontrolle der Überwachungs- und Prüfungsfunktionen für die ständige Isolationsüberwachung des IT-Stromversorgungssystems und für die normgemäße Ausführung messtechnischer Prüfungen für eine Erstprüfung und für wiederkehrende Prüfungen des IT-Stromversorgungssystems. Mit dieser übergeordneten Steuereinheit können die messtechnischen Aufgaben der Erst- und wiederkehrenden Prüfungen sowie die ständige Isolationsüberwachung automatisiert entsprechend den normativen Vorgaben ablaufen.
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Mit Vorteil ist die Vorrichtung mit einer Anschlussvorrichtung zum Anschließen einer Messsonde für die Bestimmung eines Widerstands des Erders RAE versehen, sodass mit dem erfindungsgemäßen Gerät zuverlässig der Erdungswiderstand RA bei der Erstprüfung des IT-Systems ermittelt werden kann.
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Bezogen auf ein Verfahren wird die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 7 dadurch gelöst, dass die messtechnische Erfassung, Bestimmung und Signalisierung schutztechnischer Kenngrößen zur ständigen Isolationsüberwachung des IT-Stromversorgungssystems und zur normgemäßen Ausführung messtechnischer Prüfungen für eine Erstprüfung und für wiederkehrende Prüfungen des IT-Stromversorgungssystems mit derselben integrierten baulichen Einheit durchgeführt werden.
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Die Durchführung der normativ geforderten messtechnischen Aufgaben der Erstprüfung und der wiederkehrenden Prüfungen sowie eine ständige Isolationsüberwachung gestaltet sich unter Verwendung nur einer Vorrichtung, nämlich der integrierten baulichen (Geräte-)Einheit erheblich weniger zeit- und kostenintensiv. Der Grundgedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht somit darin, sämtliche (normativ) erforderlichen Arbeitsschritte mit nur einem Gerät durchzuführen zu können. Ein Gerätewechsel und der damit verbundene messtechnische und logistische Aufwand entfällt.
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In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung umfasst die Signalisierung die Anzeige eines zur Erfüllung einer normativen Forderung erforderlichen aktuell ermittelten Wertes sowie eine Meldung über die Einhaltung der normativ vorgegebenen Werte. Damit erhält der Benutzer eine direkte sofortige Rückmeldung über das Messergebnis und dessen Interpretation in Bezug auf die Einhaltung der Vorschriften.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielhaft erläutert. Es zeigt die
- 1: eine in einem IT-System installierte erfindungsgemäße elektrische Vorrichtung.
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Die 1 verdeutlicht die messtechnischen Zusammenhänge bei einer ständigen Isolationsüberwachung eines IT-Stromversorgungsnetzes 2 sowie bei dessen Erst- und wiederkehrender Prüfung.
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Dargestellt ist ein IT-Stromversorgungsnetz 2 mit zwei aktiven Leitern L1 und L2, an das als Verbraucher ein elektrisches Betriebsmittel 4 angeschlossen ist, dessen Körper 6 über einen Schutzleiter PE geerdet ist. Das Netz 2 selbst ist als ungeerdetes IT-System 2 ausgeführt, was dadurch ersichtlich ist, dass die aktiven Leiter L1 und L2 des Stromversorgungsnetzes 2 von Erde 15 getrennt sind.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 8 zur Überwachung und Prüfung des IT-Stromversorgungssystems 2 ist mit den Leitern L1 und L2 einerseits und mit dem Schutzleiter PE andererseits verbunden. Das IT-Stromversorgungsnetz 2, das Betriebsmittel 4 und die erfindungsgemäße Vorrichtung 8 sind jeweils über Sicherungen F1 bis F6 abgesichert. Mit einem Netzschalter 10 können die Betriebsmittel 4 von dem IT-Stromversorgungsnetz 2 getrennt werden. Der Widerstand des Schutzleiters PE zum Körper 6 des Betriebsmittels 4 ist durch den Schutzleiterwiderstand RPE verkörpert, wobei der Schutzleiter PE über eine Erdungsschiene 12 und einen Erder 14 Ströme in das Erdreich 15 ableitet. Ein Erdungswiderstand RA ergibt sich aus der Summe des Widerstands des Erders RAE und dem Schutzleiterwiderstand RPE. Zur Ermittlung des Erdungswiderstands RA weist die Vorrichtung 8 eine Anschlussvorrichtung 16 zum Anschließen einer Messsonde 18 auf.
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In dem dargestellten Beispiel eines ersten Fehlers 20 zwischen dem aktiven Leiter L1 und dem Schutzleiter PE fließt ein Fehlerstrom Id über den ersten Fehler 20 mit dem Isolationswiderstand RF und den Erdungswiderstand RA und erzeugt zwischen Erde 15 und zu berührenden Körper 6 des elektrischen Betriebsmittels 4 eine Berührspannung UB. Der Stromkreis schließt sich über die natürliche Netzableitkapazität (nicht dargestellt) des aktiven Leiters L2 gegen Erde 15. Die Berührspannung ist ungefährlich, solange die Bedingungen RA·Id ≤ 50 V für Wechselstromsysteme und RA·Id ≤ 120 V für Gleichstromsysteme erfüllt sind.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 8 erlaubt durch Bestimmung des Erdungswiderstands RA und des Fehlerstroms Id die Überprüfung dieser Bedingungen bei einem ersten Fehler 20. Die Ermittlung des Erdungswiderstands RA kann außerhalb dieser Bedingungen auch im Rahmen einer Erst- und wiederkehrenden Prüfung erfolgen.
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Daneben führt die erfindungsgemäße Vorrichtung 8 während des Betriebs eine vorgeschriebene ständige Isolationsüberwachung des IT-Systems 2 durch. Dabei wird kontinuierlich der Widerstand in dem überwachten Netz 2, einschließlich der Widerstände aller daran angeschlossenen Betriebsmittel 4 gegen Erde 15 gemessen (Isolationswiderstand) und das Unterschreiten eines voreingestellten Ansprechwertes mittels einer Signalisierungseinrichtung 24 optisch und/oder akustisch als Warnmeldung angezeigt. Daneben kann auch explizit eine Anzeige des gemessenen Wertes erfolgen. Zudem ist das Gerät 8 in der Lage, die Messung des Isolationswiderstands für eine Erstprüfung mit einer von der Messspannung zur ständigen Isolationsüberwachung abweichenden Messspannung vorzunehmen.
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Mittels der Signalisierungseinrichtung 24 ist es weiterhin möglich, sowohl die Einhaltung der normativ festgelegten Bedingungen für eine Erst- und wiederkehrenden Prüfung nach DIN VDE 0100-600 und DIN VDE 0105-100 als auch die Einhaltung der Bedingungen für Schutzmaßnahmen zum Schutz gegen elektrischen Schlag nach DIN VDE 0100-410 zu signalisieren. Der Benutzer bekommt somit eine umfassende Information über das Ergebnis der absolvierten Prüfaufgaben.
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Die Abläufe sämtlicher Überwachungs- und Prüfungsaufgaben werden von einer gemeinsamen Steuereinheit 30 kontrolliert, welche vorzugsweise einen Mikroprozessor aufweist.