DE102016205414B4

DE102016205414B4 - Erdisoliertes Spannungsnetz mit mindestens einer Messeinrichtung, um einen Isolationswiderstand zwischen spannungsführenden Leitungen und Erde zu überwachen

Info

Publication number: DE102016205414B4
Application number: DE102016205414.7A
Authority: DE
Inventors: Martin Obholz; Johann Heyen; Christian Arndt; Andreas Ortner; Erik Hahn
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-04-01
Filing date: 2016-04-01
Publication date: 2024-03-07
Anticipated expiration: 2036-04-02
Also published as: DE102016205414A1

Abstract

Erdisoliertes Spannungsnetz (1), umfassend eine Spannungsquelle (2), mindestens einen Verbraucher (3), der über mindestens zwei spannungsführenden Leitungen (4, 5) mit der Spannungsquelle (2) verbunden ist, sowie mindestens eine Messeinrichtung (6) um einen Isolationswiderstand zwischen den spannungsführenden Leitungen (4, 5) und Erde (8) zu überwachen, wobei die Messeinrichtung (6) ein ferrimagnetisches oder ferromagnetisches Element (7) aufweist, das die spannungsführenden Leitungen (4, 5) radial umschließt, wobei die Messeinrichtung (6) derart ausgebildet ist, dass mindestens die Temperatur als Parameter des Elements (7) erfasst wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein erdisoliertes Spannungsnetz mit mindestens einer Messeinrichtung, um einen Isolationswiderstand zwischen spannungsführenden Leitungen und Erde zu überwachen.
Erdisolierte Spannungsnetze werden auch als IT-Systeme (isolare terra) bezeichnet. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet solcher erdisolierten Spannungsnetze ist beispielsweise das Traktionsnetz eines Elektro-, Hybrid- oder Brennstoffzellen-Fahrzeuges. Dabei ist eine Hochvolt-Gleichspannungsquelle mit einem Wechselrichter verbunden, der dann üblicherweise eine mehrphasige Wechselspannung für eine Elektromaschine zur Verfügung stellt. Die Hochvolt-Spannung liegt dabei über 60 V und kann durchaus mehrere 100 V betragen. Daher sind solche Spannungsnetze hinsichtlich ihrer Isolation gegen Erde bzw. Masse zu überprüfen und gegebenenfalls im Fehlerfall abzuschalten. Dabei werden beispielsweise diskrete hochohmige Isolationswiderstände im MΩ-Bereich zwischen den spannungsführenden Leitungen und Erde geschaltet, um die Isolation bzw. den Isolationswiderstand zu messen. Nachteilig an dieser Form der Überwachung des Isolationswiderstandes ist, dass durch die Isolationswiderstände eine galvanische Verbindung zur Erde gebildet wird.
Aus der DE 199 43 802 A1 ist eine allstromsensitive Fehlerstrom-Schutzeinrichtung bekannt, mit einem Summenstromwandler und mit einer Steuerwicklung um den Summenstromwandler, die mit einem Wechselspannungs-Generator verbunden ist. Weiter ist der Summenstromwandler mit einer Auswerteeinheit verbunden, wobei zur unabhängigen Erfassung eines glatten Gleichfehlerstromes und eines Wechselfehlerstromes/pulsierenden Gleichfehlerstromes ein einziger Summenstromwandler vorgesehen ist, wobei zur Erfassung des Wechselfehlerstromes/ pulsierenden Gleichfehlerstromes die Auswerteeinheit zur Auswertung einer in der Steuerwicklung induzierten Spannung ausgebildet ist, wobei zur Erfassung des glatten Gleichfehlerstromes die Auswerteeinheit zur Auswertung der durch den Gleichfehlerstrom hervorgerufene Änderung im Magnetisierungszustand des Kerns des Summenstromwandlers ausgebildet ist.
Aus der US 2013 / 0 234 722 A1 ist ein Stromwandler bekannt, der die stromführenden Leitungen radial umschließt, wobei der Stromwandler ferro- oder ferrimagnetische Elemente aufweisen kann.
Aus der DE 198 42 470 A1 ist eine Fehlerstrom-Schutzeinrichtung bekannt, mit einem Summenstromwandler enthaltenden netzspannungsunabhängigen Fehlerstrom-Auslösekreis und einem netzstromversorgten Überlast-Auslösekreis, wobei der Fehlerstrom-Auslösekreis und der Überlast-Auslösekreis ein gemeinsames Auslöserelais zur Betätigung einer ein Leiternetz schaltenden Schaltmechanik enthalten. Weiter umfasst der Überlast-Auslösekreis eine mit einem Temperatursensor verbundene sowie einer Schwellwertschaltung vorgeschaltete Auswerteschaltung zur Ermittlung des Lastzustandes. Dabei ist der Temperatursensor vorzugsweise im Bereich des Summenstromwandlers angeordnet.
Aus der DE 196 22 409 A1 ist ein Fehlerstromschutzschalter mit einem Summenstromwandler zur Erfassung von Fehlerströmen auf Stromversorgungsleitungen bekannt, mit einem Auslöserelais, durch welches in den Stromversorgungsleitungen geschaltete Schalter betätigbar sind. Weiter ist ein Schwingkreis vorgesehen, der die Sekundärspule des Summenstromwandlers erhält.
Aus der DE 10 2014 209 143 A1 ist ein potentialfreies (erdisoliertes) Gleichspannungsnetz bekannt, umfassend eine Gleichspannungsquelle, einen Wechselrichter sowie mindestens einen an den Wechselrichter angeschlossenen elektrischen Verbraucher, wobei zwischen dem elektrischen Verbraucher und Masse sich mindestens eine parasitäre Kapazität ausbildet. Dabei ist zwischen der Gleichspannungsquelle und dem Wechselrichter eine Gleichtaktinduktivität angeordnet, die als Gleichtaktdrossel oder Ferrithülse ausgebildet ist. Dabei ist die Gleichtaktdrossel vorzugsweise mit einem Kern ausgebildet, der aus Ferrit oder nanokristallinem Material besteht.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein erdisoliertes Spannungsnetz zu schaffen, das ohne galvanische Verbindung zur Erde einen Isolationswiderstand überprüfen kann.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein erdisoliertes Spannungsnetz mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das erdisolierte Spannungsnetz umfasst eine Spannungsquelle, mindestens einen Verbraucher, der über mindestens zwei spannungsführende Leitungen mit der Spannungsquelle verbunden ist, sowie mindestens eine Messeinrichtung, um einen Isolationswiderstand zwischen den spannungsführenden Leitungen und Erde zu überwachen.
Dabei weist die Messeinrichtung ein ferrimagnetisches oder ferromagnetisches Element auf, das die spannungsführenden Leitungen radial umschließt, wobei die Messeinrichtung derart ausgebildet ist, dass mindestens ein Parameter des Elements erfasst wird. Somit kann auf eine galvanische Verbindung zwischen den Leitungen und Erde verzichtet werden. Dabei wird ausgenutzt, dass ferrimagnetische oder ferromagnetische Werkstoffe ein Sättigungsverhalten aufweisen, was zu einer Impedanzänderung führt, was wiederum einen Temperaturanstieg zur Folge hat. Kommt es nun zu einer Verringerung des Isolationswiderstandes zwischen einer Leitung und Erde, ist der Strom durch das Element nicht mehr symmetrisch, was zu einer Sättigung des Elements führt, die dann anhand eines Parameters erfassbar ist. Aufgrund der Sättigung des Elements kann dann indirekt auf den Isolationswiderstand geschlossen werden. Durch entsprechende Wahl des Material des Elements und der Aufbauparameter wie beispielsweise geometrische Abmessungen des Elements lässt sich das Sättigungsverhalten abstimmen.
Wie bereits ausgeführt, führt die Sättigung zu einem Temperaturanstieg in dem Element. Daher ist die Messeinrichtung derart ausgebildet, dass die Temperatur des Elements als Parameter erfasst wird. Dabei kann die Messeinrichtung weiter derart ausgebildet sein, dass ein Temperaturanstieg erfasst wird. Durch die Betrachtung des zeitlichen Gradientens der Temperatur können Temperaturerhöhungen aufgrund der Sättigung besser von Temperaturerhöhungen aufgrund anderer Umgebungsparameter unterschieden werden, beispielsweise Temperaturerhöhungen aufgrund ohmscher Verluste der Leitungen oder anderer Komponenten.
Vorzugsweise ist die Spannungsquelle eine Hochvolt-Gleichspannungsquelle wie beispielsweise eine Hochvolt-Batterie.
Ergänzend kann die Messeinrichtung derart ausgebildet sein, dass der Parameter die Impedanz ist. Hierzu wird beispielsweise das Element mit einer Wechselspannung bei einer geeigneten Frequenz beaufschlagt und die Impedanz des Elements bestimmt.
In einer weiteren ergänzenden Ausführungsform ist das Element als Teil eines Schwingkreises verschaltet, wobei die Messeinrichtung derart ausgebildet ist, einen Parameter des Schwingkreises zu erfassen, wobei vorzugsweise eine Resonanzfrequenz und/oder eine Bandbreite des Schwingkreises erfasst wird. Das Element stellt dabei primär eine Induktivität dar. Die notwendige Kapazität kann dabei die parasitäre Kapazität der Leitungen gegen Masse sein und/oder ein zusätzlicher diskreter Kondensator. Aufgrund der Sättigung ändert sich die Impedanz des Elements, was zu einer Verschiebung der Resonanzfrequenz führt und zu einer Verbreitung der Bandbreite des Schwingkreises.
In einer weiteren Ausführungsform werden Kondensatoren an die spannungsführenden Leitungen gegen Erde geschaltet. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn ferrimagnetische oder ferromagnetische Werkstoffe in die Leitung geschaltet werden, beispielsweise in Form von Spulen. Diese haben dann gegebenenfalls einen abschwächenden Einfluss auf das Element, was durch die Kondensatoren kompensiert werden kann.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet des erdisolierten Spannungsnetzes ist ein elektrisches Traktionsnetz eines Elektro-, Hybrid- oder Brennstoffzellen-Fahrzeug.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines erdisolierten Spannungsnetzes.
In der 1 ist ein erdisoliertes Spannungsnetz 1 dargestellt, das eine Spannungsquelle 2 und mindestens einen Verbraucher 3 aufweist, der über zwei spannungsführende Leitungen 4, 5 mit der Spannungsquelle 2 verbunden ist. An den spannungsführenden Leitungen 4, 5 ist jeweils ein Kondensator C1, C2 angeordnet. Weiter umfasst das erdisolierte Spannungsnetz 1 eine Messeinrichtung 6 mit einem ferrimagnetischen oder ferromagnetischen Element 7, das die spannungsführenden Leitungen 4, 5 radial umschließt. Beispielsweise ist das Element 7 als Ferrit-Ring ausgebildet. Zwischen dem erdisolierten Spannungsnetz 1 und Erde 8 bildet sich eine parasitäre ohmsche und kapazitive Kopplung aus, was gestrichelt durch die parasitäre Kapazität C_P und den parasitären Widerstand R_P dargestellt ist. Im Idealfall fließt dabei der gleiche Strom von der Spannungsquelle 2 durch das Element 7 zum Verbraucher 3 wie Strom vom Verbraucher 3 durch das Element 7 zur Spannungsquelle 2 zurück. Die magnetischen Felder aufgrund des Stromflusses heben sich dabei auf. Wird nun die Isolation zwischen einer der spannungsführenden Leitungen 4, 5 gegen Erde 8 verschlechtert, fließt ein Teil des Stromes ab und die Stromflüsse sind nicht mehr im vollkommenen Gegentakt. Dies führt dazu, dass das Element 7 in die magnetische Sättigung gerät. Dies führt zu einer Änderung der Impedanz, nämlich zu einer Erhöhung. Liegt nun über die Messeinrichtung 6 eine Spannung an dem Element 7 an, so kann diese Änderung der Impedanz ermittelt werden. Alternativ kann die Änderung der Temperatur des Elements 7 erfasst werden. Bei einer erfassten signifikanten Änderung der Impedanz und/oder Temperatur des Elements 7 kann dann die Messeinrichtung 6 auf einen Fehler in der Isolation schließen und eine Alarmmeldung generieren und/oder die Spannungsquelle 2 abschalten, indem beispielsweise ein nicht dargestelltes Relais in einer der spannungsführenden Leitungen 4, 5 geöffnet wird, wobei vorzugsweise die Spannungsquelle 2 allpolig abgeschaltet wird.
Des Weiteren kann alternativ oder ergänzend die Änderung eines Parameters eines Schwingkreises unter Einschluss des Elements 7 und der parasitären Kapazität C_P bestimmt werden. Wie bereits ausgeführt, führt eine Änderung der Isolation zu einer Änderung der Impedanz des Elements 7. Dies führt zu einer Veränderung einer Resonanzfrequenz des Schwingkreises als auch zu einer Änderung der Bandbreite. Diese Änderungen können dann von der Messeinrichtung 6 ermittelt werden und daraus auf eine Änderung der Isolation geschlossen werden.

Claims

Erdisoliertes Spannungsnetz (1), umfassend eine Spannungsquelle (2), mindestens einen Verbraucher (3), der über mindestens zwei spannungsführenden Leitungen (4, 5) mit der Spannungsquelle (2) verbunden ist, sowie mindestens eine Messeinrichtung (6) um einen Isolationswiderstand zwischen den spannungsführenden Leitungen (4, 5) und Erde (8) zu überwachen, wobei die Messeinrichtung (6) ein ferrimagnetisches oder ferromagnetisches Element (7) aufweist, das die spannungsführenden Leitungen (4, 5) radial umschließt, wobei die Messeinrichtung (6) derart ausgebildet ist, dass mindestens die Temperatur als Parameter des Elements (7) erfasst wird.
Erdisoliertes Spannungsnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (2) eine Hochvolt-Gleichspannungsquelle ist.
Erdisoliertes Spannungsnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (6) derart ausgebildet ist, dass zusätzlich die Impedanz des Elements (7) als Parameter erfasst wird.
Erdisoliertes Spannungsnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (7) als Teil eines Schwingkreises verschaltet ist, wobei die Messeinrichtung (6) derart ausgebildet ist, zusätzlich einen Parameter des Schwingkreises zu erfassen.
Erdisoliertes Spannungsnetz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter des Schwingkreises einer Resonanzfrequenz und/oder eine Bandbreite des Schwingkreises erfasst wird.
Erdisoliertes Spannungsnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den spannungsführenden Leitungen (4, 5) jeweils mindestens ein Kondensator (C1, C2) angeordnet ist.