DE4339946A1 - Verfahren und Einrichtung zur Isolationsüberwachung vom ungeerdeten Gleich- und Wechselstromnetzen - Google Patents
Verfahren und Einrichtung zur Isolationsüberwachung vom ungeerdeten Gleich- und WechselstromnetzenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Isolationsüberwachung von ungeerdeten Gleich- und
Wechselstromnetzen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und eine zum Durchführen
dieses Verfahrens geeignete Einrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 21.
Demnach befaßt sich die Erfindung mit der Isolationsüberwachung von ungeerdeten
Gleichstromnetzen und Wechselstromnetzen im Betrieb und insbesondere auch von sol
chen Wechselstromnetzen, in denen durch angeschlossene Gleich- Wechsel- oder sonsti
ge Stromrichter Ableitgleichströme sowie nieder- und hochfrequente Anteile auftreten, die
über den unvermeidbaren ohmschen Teil des Isolationswiderstands zwischen Netz und
Erde fließen.
In reinen Wechselstromnetzen kann der ohmsche Teil des Isolationswiderstands des Net
zes im Betrieb dadurch gemessen werden, daß dem Netz über eine ohmsche Netzankopp
lung zwischen Netz und Erde eine konstante Meßgleichspannung überlagert wird. Der auf
grund dieser Meßgleichspannung über die Netzankopplung, das Netz und den ohmschen
Isolationswiderstand fließende Meßgleichstrom ist hinsichtlich seiner Größe proportional zur
Größe des ohmschen Isolationswiderstandes, so daß dieser Widerstand aus dem Meß
gleichstrom bzw. einem hieraus abgeleiteten Meßstrom-Meßwert, wie einer Spannung, be
stimmt werden kann. Dabei können störende Frequenzeinflüsse durch einen Tiefpaß aus
gefiltert werden.
In Gleichstromnetzen und in Wechselstromnetzen, in denen die erwähnten Ableitgleich
ströme auftreten können, addiert (oder subtrahiert) sich zum Meßgleichstrom eine auf ei
nem Ableitgleichstrom beruhende Gleichstrom-Störkomponente, die bei Verwendung einer
Meßgleichspannung zu Fehlmessungen führt. Zur Eliminierung dieser Störkomponente
kann dem Netz statt einer Meßgleichspannung eine Impulswechselspannung mit unter
schiedlichen Impulsspannungswerten überlagert werden. Um zusätzlich auch den kapaziti
ven Einfluß des Isolationswiderstandes zu eliminieren, wird der jeweilige Meßstrom-Meß
wert stets erst nach dem Einschwingen des Netzes auf den jeweiligen Impulsspannungs
wert erfaßt. Aus der Differenz zweier aufeinanderfolgender Meßstrom-Meßwerte wird dann
der ohmsche Isolationswiderstand bestimmt. Durch die Differenzbildung entfällt der Einfluß
der Störkomponente.
Solche Verfahren mit Impulsüberlagerung sind beispielsweise in DE 33 46 387 C2, DE 25
09 661 C2 und in der deutschen Offenlegungsschrift 26 18 303 beschrieben. Sie haben je
doch den Nachteil, daß der Meßtakt eines dabei benutzten Impulsgenerators für die Erzeu
gung der Impulswechselspannung stets fest auf den maximal zu erwartenden kapazitiven
Isolationswiderstand (Ableitkapazität) zwischen Netz und Erde abgestimmt werden muß
(das heißt daß die maximal zu erwartende Zeitkonstante zum Einschwingen der Meßspan
nung auf das Netz berücksichtigt werden muß). Dieses führt zu teils extrem langen Meßzei
ten. Wenn zur Verkürzung der Meßzeit ein kürzerer Meßtakt, also eine größere Impulsfolge
frequenz, gewählt wird, können sich erhebliche Meßwertverfälschungen ergeben.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Isolations
überwachung von ungeerdeten Gleich- und Wechselstromnetzen gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 und eine zum Durchführen dieses Verfahrens geeignete Einrichtung gemäß
dem Oberbegriff von Anspruch 21 so zu gestalten, daß sich bei einfacher Handhabung und
mit einfachen Maßnahmen bei beliebigen ungeerdeten Netzen unter Vermeidung von Meß
wertverfälschungen kürzere Meßzeiten erzielen lassen.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich ein Verfahren zur Isolationsüberwachung
von ungeerdeten Gleich- und Wechselstromnetzen der im Oberbegriff von Anspruch 1 ge
nannten Art erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen dieses Anspruchs aufgeführten
Merkmale aus.
Erfindungsgemäß werden somit die Einzelimpulse der Impulswechselspannung hinsichtlich
ihrer Länge an das jeweils vorhandene Netz stets so angepaßt daß unverzüglich dann auf
den nächsten Impulsspannungswert umgeschaltet wird, wenn der laufend überwachte Ein
schwingvorgang beendet ist. Dadurch erfolgt eine ständige Anpassung des Meßverfahrens
an die momentanen Netzverhältnisse, so daß sich optimal kurze Meßzeiten erzielen lassen,
ohne daß irgendeine Gefahr von Fehlmessungen besteht. Auf diese Weise entfällt die Not
wendigkeit der Verwendung einer Impulswechselspannung mit auf die ungünstigsten Netz
verhältnisse anzupassender und dadurch notwendigerweise relativ kleiner sowie konstanter
Impulsfolgefrequenz. Das Meßergebnis des ohmschen Isolationswiderstandes kann nach
dem neuen Verfahren bereits nach einer Meßzeit erzielt werden, die je nach Größe der
ohmschen und kapazitiven Teile des Isolationswiderstandes im Optimalfall nur etwa 10%
der Meßzeit bei herkömmlichen Verfahren entspricht. Dieser Wert steigt zwar mit größer
werdendem ohmschen Isolationswiderstand an, doch ist auch bei ungünstigeren Verhältnis
sen eine deutliche Zeitersparnis von beispielsweise etwa 50% erzielbar. Die Verwendung
einer Impulsüberlagerung mit einem "adaptiven Meßimpuls" im Sinne dieser Erfindung führt
auch zu einer einfacheren Handhabung des Meßverfahrens, weil sich das Verfahren hin
sichtlich der jeweiligen Impulslängen stets selbsttätig anpassen kann.
Die weiteren Ausgestaltungen gemäß den Ansprüchen 2 und 3 sehen zur Überwachung der
Einschwingvorgänge auf die verschiedenen Impulsspannungswerte einzelne Meßproben zu
bestimmten Meßzeitpunkten oder aber zur meßtechnischen Eliminierung von Störfrequen
zen solche Meßproben vor, die durch Mittelwertbildung in bestimmten Meßintervallen erhal
ten werden. Da in vielen Netzen solche Störfrequenzen auftreten, hat sich die Mittelwertbil
dung in praktischen Versuchen besonders bewährt.
Gemäß den Weiterbildungen der Ansprüche 4 und 5 sollten die Zeitabstände der Meßzeit
punkte bzw. die Längen der Mittelwert-Meßintervalle bei der Überwachung eines jeden Ein
schwingvorgangs mit der Zeit größer werden. Hierdurch soll verhindert werden, daß der
Überwachungsvorgang vorzeitig dadurch abgebrochen wird, weil zu kleine, nicht mehr oh
ne weiteres meßbare Unterschiede der Meßproben auftreten. Durch das Vergrößern der
Zeitabstände bzw. Meßintervalle wird erreicht, daß sich während des Einschwingvorgangs
stets ausreichend große Meßproben-Unterschiede ergeben und somit das Ende des Ein
schwingvorgangs sicher erfaßbar ist. Zur Reduzierung der Meßzeit sollte anfangs ein mög
lichst kleiner Startwert gewählt werden, der bei den ungünstigsten Netzverhältnissen, also
bei großer Zeitkonstante, gerade noch ein sicheres meßtechnisches Feststellen des Ein
schwingvorgangs ermöglicht.
Die Startwerte des Meßproben - Zeitabstands bzw. des Mittelwert - Meßintervalls lassen
sich unter Berücksichtigung der jeweiligen Netzverhältnisse bevorzugt nach den Vorschrif
ten der Ansprüche 6 bis 8 wählen.
Die während der Überwachung eines jeden Einschwingvorgangs erfolgende Vergrößerung
der Meßproben - Zeitabstände bzw. der Mittelwert-Meßintervalle sollte zur Vereinfachung
des Verfahrens und zur Erzielung einwandfreier Meßergebnisse bevorzugt nach den Vor
schriften der Ansprüche 9 bis 11 erfolgen. Nach den Ansprüchen 10 und 11 kann erreicht
werden, daß der Überwachungsvorgang bei einer maximalen meßtechnischen Auflösung
von etwa 1% nicht vor Erreichen der ca. 64fachen Zeitkonstante des Einschwingvorgangs
endet, also nicht zu früh abgebrochen wird.
Die Weiterbildung von Anspruch 12 erhöht die Meßsicherheit und schaltet Fehlmessungen
aus, beispielsweise solche aufgrund sich ändernder Netzverhältnisse.
Mit den bevorzugten Weiterbildungen der Ansprüche 13 bis 16 lassen sich sehr günstige
Verhältnisse für die Mittelwertbildung erzielen, indem die anfänglich angenommene Störfre
quenz zur Bestimmung des jeweiligen Startwerts des Mittelwert-Meßintervalls dann, wenn
sich kein eindeutiges Meßergebnis erzielen läßt, innerhalb einer bestimmten Grenze so
lange verkleinert wird, bis ein sicheres Meßergebnis vorliegt. Für den nächsten Meßzyklus
kann die tatsächliche Größe einer vorhandenen größeren Störfrequenz gemessen und dann
sofort bei der Festlegung des Startwerts berücksichtigt werden.
Gemäß den Ansprüchen 17 bis 20 können sehr verschiedene Arten von Impulswechsel
spannungen eingesetzt werden. Wichtig ist dabei lediglich, daß die Einschwingvorgänge
auf verschiedene Impulsspannungswerte erfolgen, beobachtet und durch Differenzbildung
ausgewertet werden, wodurch die störenden Ableitgleichströme meßtechnisch eliminiert
werden.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich ferner eine zum Durchführen des obigen
Verfahrens geeignete Einrichtung der im Oberbegriff von Anspruch 21 genannten Art erfin
dungsgemäß durch die im Kennzeichen dieses Anspruchs aufgeführten Merkmale aus.
Die Impulswechselspannungsquelle ist demnach nicht wie beim Stand der Technik als ein
Impulsgenerator mit fester Impulsfolgefrequenz ausgebildet, sondern als eine durch ein
Steuersignal umsteuerbare Spannungsquelle mit verschiedenen Gleich- bzw.
Impulsspannungswerten. Das Umsteuern der Spannungsquelle auf die verschiedenen
Gleichspannungswerte erfolgt jeweils beim Erreichen des von der Auswerteeinheit
überwachten Einschwingzustandes. Eine solche Einrichtung ist besonders einfach zu
handhaben und paßt sich selbst den jeweiligen Netzverhältnissen optimal an, und zwar
auch dann, wenn sich die Netzverhältnisse im Laufe der Zeit ändern.
Gemäß der Weiterbildung von Anspruch 22 ist es mit einem integrierten programmierbaren
Mikrokontroller möglich, eine möglichst "intelligente" und flexible Auswerteinheit mit einer
geringen Anzahl von Bauteilen zu erstellen. Der Mikrokontroller enthält nahezu alle erforder
lichen Schaltungsteile (AD-Wandler, Datenspeicher, Timer, Eingangs-
Ausgangsschaltungen, Programmspeicher etc) in einem Gehäuse. Nach der Ana
log/Digital-Wandlung der Meßproben, Meßstrom-Meßwerte und Meßwertdifferenzen kön
nen alle erforderlichen Auswertungen und Aktivitäten über ein in dem Programmspeicher
des Mikrokontrollers befindliches Ablaufprogramm gesteuert werden. Parameter und Ein
stellungen können auf einem Display angezeigt, über ein Interface (Tastatur, serielle
Schnittstelle) eingegeben bzw. verändert und in einem elektrisch löschbaren Festwertspei
cher (EEPROM) gespeichert werden.
Die Ausgestaltungen der Ansprüche 23 und 24 ermöglichen es, daß der Mikrokontroller die
Einschwingvorgänge genau überwachen und den ohmschen Teil des Isolationswiderstan
des aus der Differenzbildung der Subtrahierschaltung bestimmen kann. Das Einschwingen
könnte grundsätzlich immer am Ausgangssignal des aktiven Gleichrichters überwacht wer
den. Gemäß Anspruch 25 wird jedoch das Einschwingen auf den positiven Gleichspan
nungswert am Ausgang der Subtrahierschaltung überwacht, weil dieses nicht durch
Ableitgleichströme beeinflußte kleinere Differenzsignal eine genauere Überwachung über
die Analog/Digital-Wandlung ermöglicht.
Eine Gleichspannungsquelle gemäß den Ansprüchen 26 bis 28 arbeitet zuverlässig und ist
besonders leicht sowie preiswert herstellbar. Ein DC/DC-Wandler ermöglicht das Erzeugen
einer relativ großen Brückenversorgungsgleichspannung aus einer relativ kleinen Ein
gangsgleichspannung. Es ist besonders bevorzugt, versorgungsseitig und steuersignalsei
tig galvanische Trennungen gemäß den Ansprüchen 29 bis 31 vorzusehen.
Die Maßnahmen der Ansprüche 32 bis 35 ermöglichen eine wirksame Überwachung auf
einen korrekten Anschluß der Einrichtung an das Netz sowie an Erde und auf eine
korrekte Arbeitsweise der Auswerteeinheit. Hierdurch können Fehlanschlüsse und
Meßfehler sicher vermieden werden.
Gemäß Anspruch 36 kann dieselbe Einrichtung zweipolig an ein Gleichstromnetz oder
dreipolig an ein Wechselstromnetz angekoppelt werden. Die hiervon abhängige Innen
widerstandsänderung kann über die Ankoppelart eingegeben oder über die Netzspan
nungsform (AC oder DC) selbsttätig erfaßt sowie berücksichtigt werden.
Ein gemäß den Ansprüchen 37 und 38 bevorzugter Tiefpaß sorgt dafür, daß höherfrequente
Störfrequenzen, wie auch die Netzfrequenz, von dem Meßstrompfad ferngehalten werden
können. Die den Tiefpaß durchlaufenden niederfrequenten Störfrequenzsignale können
durch die erwähnte Mittelwertbildung meßtechnisch eliminiert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend unter anderem an zeichnerisch dargestellten Ausführungs
beispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung in einer prinzipiellen Über
sichtsdarstellung,
Fig. 2 eine für eine Differenzbildung sorgende Subtrahierschaltung als Einzelteil der
Einrichtung aus Fig. 1,
Fig. 3 Einschwingvorgänge auf positive und negative Impulsspannungswerte mit ei
ner Entnahme von Meßproben zu bestimmten Meßzeitpunkten,
Fig. 4 einen sich auf einen positiven Impulsspannungswert beziehenden Teil der
Einschwingvorgänge mit einer Entnahme von Meßproben, die zur Eliminierung von Störfre
quenzen durch Mittelwertbildung in bestimmten Meßintervallen gewonnen werden,
Fig. 5 eine Prüfschaltung zum Überwachen eines korrekten Erdanschlusses und ei
ner korrekten Arbeitsweise einer Auswerteeinheit der Einrichtung,
Fig. 6 eine steuerbare Schaltung zum Erzeugen einer großen Ausgangsspannung
mit gleich großen positiven und negativen Impulsspannungswerten aus einer kleinen Ein
gangsgleichspannung,
Fig. 7 in einer Vergleichsdarstellung den deutlichen zeitlichen Vorteil des erfin
dungsgemäßen Verfahrens mit einem "adaptiven" (längenmäßig angepaßten) Meßimpuls
gegenüber dem bekannten Verfahren mit einem "statischen" (längenmäßig konstanten)
Meßimpuls,
Fig. 8 ein erstes Ablaufdiagramm zum Bestimmen des ohmschen Teils des Isolati
onswiderstandes und
Fig. 9 ein vom ersten Ablaufdiagramm aufgerufenes zweites Ablaufdiagramm zum
Bestimmen von Meßstrom-Meßwerten.
Zunächst wird auf das bekannte Verfahren mit einer Impulsüberlagerung von Meßimpulsen
konstanter Impulsfolgefrequenz näher eingegangen.
In Fig. 1 weist ein allgemein mit 10 bezeichnetes ungeerdetes Gleich- oder Wechselstrom
netz im vorliegenden Fall zwei Netzleiter 12 auf, die von einer Netzspannungsquelle 14 mit
Gleich- oder Wechselspannung (UDC, UAC) beaufschlagt sind. Ein unvermeidbarer Isolati
onswiderstand mit ohmschen und kapazitiven Teilen Re, Ce stellt auch bei korrekten Netz
verhältnissen eine gewisse Netzableitung zwischen den Netzleitern 12 und Erde E dar. Die
Größe des ohmschen Teils Re dieses Isolationswiderstands muß überwacht werden. Das
erfolgt mittels einer Impulsüberlagerung. Zu diesem Zweck wird eine Überwachungseinrich
tung 16 über eine ohmsche Netzankopplung 24 mit den Netzleitern 12 und Erde E verbun
den.
Legt man gemäß Fig. 1 einen Meßimpuls mit einem Impulsspannungswert Up-Impulswech
selspannungsquelle 20 - über eine ohmsche Netzankopplung 24 zwischen die Netzleiter 12
des Netzes 10 und Erde E, so fließt über den Isolationswiderstand ein Meßstrom, der nach
dem Einschwingvorgang proportional zum ohmschen Teil Re des unvermeidbaren Isolati
onswiderstands (Parallelschaltung von Re, Ce) zwischen dem Netz sowie Erde ist und der
vom Innenwiderstand Ri der Meßeinrichtung (hierzu gehört der ohmsche Widerstand der
Netzankopplung) abhängt. An einem Meßwiderstand Rm - Widerstand 22 - kommt es zu ei
nem Spannungsabfall Um, aus dem man den ohmschen Teil Re des Isolationswiderstands
zwischen dem zu überwachenden Netz 12 und Erde E wie folgt berechnen kann:
Der Einschwingvorgang beruht darauf, daß beim Einschalten des Meßimpulses zunächst der
kapazitive Teil Ce des Isolationswiderstandes auf den Spannungswert Up*Re/(Ri+Re)
aufgeladen werden muß, ehe der Meßstrom bzw. der hiervon abgeleitete Spannungsabfall
(Meßstrom-Meßwert) an Rm als ein Maß für den ohmschen Teil des Isolationswiderstandes
ausgewertet werden kann.
Bei in Betrieb befindlichen Gleich- und Wechselstromnetzen überlagern Ableitgleichströme
das Meßergebnis, nämlich den Meßstrom-Meßwert. Deshalb werden bei der bekannten Im
pulsüberlagerung dem Netz nacheinander zwei Meßimpulse mit unterschiedlichen
Impulsspannungswerten überlagert und die zugehörigen Meßstrom-Meßwerte erfaßt. Durch
Differenzbildung dieser Meßstrom-Meßwerte entfällt der Einfluß der Ableitgleichströme.
Wenn beispielsweise zwei Meßimpulse mit gegenpoligen Impulsspannungswerten benutzt
werden, läßt sich aus den beiden Spannungsabfällen Um1, Um2 an Rm der für die Bestim
mung von Re maßgebliche Wert Um wie folgt berechnen:
Die Subtraktion der beiden Spannungen erfolgt in bekannter Weise über eine sogenannte
Sample & Hold-Schaltung gemäß Fig. 2. Zunächst wird die erste Spannung Um1 bei ge
schlossenem Schalter S2 angelegt und die Kondensatoren C1 und C2 laden sich auf die
Spannung Um1 auf. Dann werden der Schalter S2 geöffnet und die zweite Spannung Um2
angelegt. Dabei wird der Kondensator C1 auf die zweite Spannung Um2 aufgeladen,
während der Kondensator C2 seine vorherige Spannung Um1 beibehält. Am Ausgang der
Sample & Hold-Schaltung - bzw. am Eingang eines nachgeschalteten Meßverstärkers (siehe
Fig. 1) - ergibt sich nun die auszuwertende Differenzspannung Um1-Um2 . .
Der wesentliche Nachteil des bekannten Impulsüberlagerungsverfahrens besteht darin, daß
die Impulsdauer der mit einem fest eingestellten Impulsgenerator erzeugten Meßimpulse an
die Länge des längst möglichen Einschwingvorgangs und damit auch an den maximal mögli
chen kapazitiven Teil Ce des Isolationswiderstandes angepaßt werden muß. Wenn nämlich
die Messungen vor dem Erreichen der Einschwingzustände erfolgen, treten deutliche Meß
fehler bezüglich Re auf. Die Messungen können jeweils erst nach einer Meßzeit tmess vorge
nommen werden, die etwa der 6-fachen Zeitkonstante entspricht und sich aus folgender For
mel ergibt:
tmess=6 * Re || Ri Ce
Hierbei stellt Re || Ri den Widerstand der Parallelschaltung von Re und Ri dar. Da die Meß
größe Re maximal unendlich groß sein kann, beträgt tmess als einzustellende Mindestdauer
für die einzelnen Meßimpulse 6 * Ri * Ce. Für einen vollen Meßzyklus (Differenzbildung der
Meßstrom-Meßwerte bei zwei aufeinanderfolgenden Meßimpulsen) gilt dem nach wenigstens
die doppelte Mindestdauer.
Es folgt nunmehr die Beschreibung der Besonderheiten der vorliegenden Erfindung.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden keine fest eingestellten Meßimpulse mehr
verwendet. Statt dessen werden die einzelnen Einschwingvorgänge auf verschiedene Impuls
spannungswerte laufend überwacht, und die Meßimpulse werden jeweils sofort nach Errei
chen der Einschwingzustände und nach Durchführung der Messungen beendet. Es werden
sozusagen "adaptive" Meßimpulse verwendet, deren zeitliche Länge laufend den jeweils vor
handenen Netzverhältnissen, nämlich den Größen von Ce und Re, angepaßt wird. Hierdurch
lassen sich optimal kurze Meßzeiten erzielen.
Aus Fig. 7 ist für ein Beispiel (Ce = 50 µF) der deutliche zeitliche Vorteil des erfindungs
gemäßen Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik dargestellt. Während nach dem
Stand der Technik eine (auf Ce eingestellte) konstante Meßzeit tmess von 100% vorliegt
verkleinert sich die Meßzeit nach der Erfindung mit kleiner werdendem Re bis auf unter 10%.
Für übliche Größen von Re vermindert sich die Meßzeit tmess auf etwa 50% bis 10%.
In den Fig. 3 und 4 ist für den Fall ohne Störfrequenzen (Fig. 3) und mit Störfrequenzen
(Fig. 4) dargestellt, wie die Einschwingvorgänge der Spannung an Rm überwacht werden.
Zu Beginn eines jeden Meßimpulses steigt die Spannung beim Aufladen von Ce steil an
(begrenzt durch den Innenwiderstand Ri und leicht gedrosselt durch die Drossel 26), um
dann nach einer e-Funktion auf den zu messenden Endwert Um1 bzw. Um2 (Meßstrom-
Meßwert im eingeschwungenen Zustand) abzufallen bzw. bei negativem Impulsspannungs
wert anzusteigen.
Gemäß Fig. 3 werden bei jedem Meßimpuls zu bestimmten Meßzeitpunkten t₀ bis t₆ Meß
proben der Spannung an Rm genommen. Wenn der Unterschied zweier aufeinanderfolgen
der Meßproben Uai und Ubi ausreichend klein oder nicht mehr meßbar ist, gilt der Ein
schwingvorgang als beendet, und es wird der Meßstrom-Meßwert Um1 bzw. Um2 erfaßt.
Gemäß Fig. 4 werden die Meßproben dadurch erfaßt, daß in bestimmten Mittelwert-Meßinter
vallen zwischen t₀ und t₁; t₁und t₂ etc. eine arithmetische Mittelwertbildung der Spannung an
Rm erfolgt. Hierdurch lassen sich Störfrequenzen meßtechnisch eliminieren. Wenn der Un
terschied zweier aufeinanderfolgender Meßproben Uai und Ubi ausreichend klein oder nicht
mehr meßbar ist, gilt der Einschwingvorgang als beendet, und es wird der Meßstrom-Meß
wert Um1 bzw. Um2 erfaßt.
Die Abstände der Meßzeitpunkte bzw. die Längen der Mittelwert-Meßintervalle vergrößern
sich mit der Zeit von einem Startwert tn0 bzw. tn0stör ausgehend. Der Startwert sollte zwar
möglichst klein sein damit kurze Einschwingvorgänge (Re und/oder Ce klein) möglichst
schnell erfaßt werden können. Der Startwert muß aber ausreichend groß sein, damit bei
langen Einschwingvorgängen (Re und/oder Ce groß) diese wegen der kleinen Unterschiede
der Meßproben und der begrenzten Meßauflösung nicht sofort als beendet behandelt
werden.
Wenn bei dem Meßverfahren eine maximale digitale Meßauflösung a (die noch meßbare
minimale prozentuale Meßwertänderung) angenommen wird - beispielsweise eine Meßauf
lösung von 0,01 (wie bei Verwendung einer Analog/Digital-Wandlung mit einem Wert von
maximal 800 bit und mit minimal 8 bit Auflösung) - ergibt sich der zu wählende Startwert tn0
aus folgendem Formelzusammenhang:
tn0 = - LN (1-a) * Ri * Cemax
tn0 = - LN (1-0,01) * Ri * Cemax
Hierin ist Cemax die maximal zu erwartende Netzableitkapazität (kapazitiver Teil Ce des
Isolationswiderstandes; Ce beträgt beispielsweise etwa 150 µF).
Dieser Startwert muß dann auf tn0stör vergrößert werden, wenn sich aufgrund einer vorhan
denen Störfrequenz fstör der Wert von tn0stör größer erweist als tn0. Der neue größere Start
wert ergibt sich aus folgender Formel:
tnstör = 1/fstör
Dieser Startwert stellt bei niederfrequenten Störsignalen sicher, daß eine ausreichend lange
Zeit für die Mittelwertbildung vorliegt und keine durch die Störfrequenz bedingten Fehlmes
sungen auftreten. Am Anfang wird ein bestimmter Anfangswert der Störfrequenz von bei
spielsweise 25 Hz angenommen - falls die tatsächliche Störfrequenz anders, insbesondere
kleiner, sein sollte, erfolgt im Laufe des Meßverfahrens eine selbsttätige Anpassung.
Nach Festliegen des Startwertes werden bei der digitalen Überprüfung eines jeden Ein
schwingvorgangs jeweils zwei aufeinanderfolgende Mittelwert-Meßproben aus den Einzel
werten Uai und Ubi nach folgendem Formelzusammenhang gebildet und verglichen:
Der Einschwingzustand auf den Impulsspannungswert eines Meßimpulses liegt unter Be
rücksichtigung einer maximalen Meßauflösung a=0,01=8 bit dann vor, wenn folgende Glei
chung erfüllt ist:
Nach jeder Kontrolle der Einschwingbedingung muß die Zeit tn (Zeitabstand benachbarter
Meßzeitpunkte bzw. die Länge des Mittelwert-Meßintervalls) für die nächste Kontrolle um ei
nen bestimmten Faktor f vergrößert werden, damit die Einschwingbedingung nicht vor Errei
chen einer Periodendauer von ca. 6 Zeitkonstanten, also 6 * T, den Meßimpuls beendet.
Aus der Grundgleichung der e-Funktion kann man ableiten, daß zwischen den Zeitpunkten
von 6 Zeitkonstanten und 4,38 Zeitkonstanten eine Wertedifferenz von 1% (8bit=1%) besteht.
Dies bedeutet, daß die Zeit tn bei Messung des Endwertes, also bei Feststellung des Ein
schwingzustandes, ca. 6T-4.38T=1.62T betragen sollte. Daraus läßt sich ein optimierter
Faktor f = 1,66 für die Vergrößerung der Zeit tn bis zum Feststellen der Einschwingbedin
gung ableiten.
Grundsätzlich ist es bei diesem Verfahren so, daß der nach der Differenzbildung berechnete
Wert des ohmschen Isolationswiderstandes erst dann als richtiger Endwert verwertet wird,
wenn die in zwei aufeinanderfolgenden Meßzyklen festgestellten Endwerte oder die
Differenzwerte übereinstimmen. Damit lassen sich Fehlmessungen vermeiden, die
beispielsweise darauf beruhen, daß sich die Netzverhältnisses zwischenzeitlich verändert
haben oder daß die tatsächliche Störfrequenz fstör von dem angenommenen Anfangswert von
25 Hz meßwertverfälschend abweicht.
Wenn bei einem Meßzyklus keine zwei übereinstimmenden Differenz- oder Endwerte für den
ohmschen Isolationswiderstand feststellbar sind (wie beim Auftreten sehr niederfrequenter
Störsignale infolge einer dann vorhandenen Fehlanpassung der Meßintervalle an die Störfre
quenz), wird der Startwert tn0stör (Meßintervall für die Mittelwertbildung der Meßprobe) für
den nächsten Meßzyklus jeweils vergrößert, wie durch Halbierung von tstör verdoppelt. Diese
Veränderung wird so oft fortgesetzt, bis zwei gleiche Endwerte festgestellt werden oder bis
ein Minimalwert der Störfrequenz von beispielsweise 0,1 Hz erreicht ist. Damit erfolgt eine
selbsttätige Anpassung der Meßintervalle an die tatsächliche Störfrequenz.
Dieses hat aber zur Folge, daß sich die Meßzeit entsprechend der Störfrequenz verlängert.
Um die Meßzeit nach einem Meßzyklus schnell wieder einer größeren Störfrequenz anzu
passen, wird am Ende eines Meßzyklus durch Zeitmessung zwischen Maximal - und Mini
malwerten die ungefähre Größe der Störfrequenz bestimmt. Ergibt sich eine tatsächliche
Störfrequenz größer fstör, so werden fstör entsprechend angepaßt und damit das Mittelwert-
Meßintervall bzw. die Meßzeit entsprechend verkürzt.
Es folgt jetzt eine Beschreibung verschiedener Schaltungsdetails der Einrichtung nach der
vorliegenden Erfindung.
Gemäß Fig. 1 enthält ein Schaltungsteil 18 der Meßeinrichtung 16 die hintereinander zwi
schen Erde E und die Netzleiter 12 geschalteten, oben erwähnten Teile 20, 22 und 24.
Zwischen der im vorliegenden Fall vier ohmsche Widerstände aufweisenden Netzankopp
lung 24 und dem Meßwiderstand 22 bzw. Rm befindet sich ein Tiefpaß mit einer Drossel 26
und einem mit Erde E verbundenen Kondensator 27. Der Tiefpaß sorgt für ein Ausfiltern der
höherfrequenten Störanteile, wie auch der Netzfrequenz, aus dem Meßzweig.
Die Spannung am Meßwiderstand Rm bzw. 22 wird einer Subtrahierschaltung 28 mit einem
eingangsseitigen Widerstand R und einem an diesen angeschlossenen Subtrahierglied in
Form einer Sample & Hold-Schaltung zugeleitet, die zwei Kondensatoren C1, C2 und einen
den Kondensator C2 im geschlossenen Zustand überbrückenden Schalter S2 aufweist. Das
Subtrahierglied, das der Einzelheit aus Fig. 2 entspricht und entsprechend arbeitet, ist aus
gangsseitig an einen nicht bezeichneten Meßverstärker angeschlossen, von dem aus das der
Meßwertdifferenz Um1-Um2 entsprechende Ausgangssignal U1 zu einem Analog/Digital-
Wandler A/D eines programmierbaren Mikrokontrollers 34 gelangt. Wie es bereits oben er
läutert wurde, ist der vom Mikrokontroller 34 gesteuerte Schalter S2 zunächst geschlossen,
bis nach erfolgtem Einschwingen Um1 in C2 gespeichert ist. Danach wird S2 geöffnet, und
Um2 wird nach dem Einschwingen in C1 gespeichert.
Ein den Kondensator C2 im Schließzustand überbrückender, ebenfalls vom Mikrokontroller
34 gesteuerter Schalter S1, dient lediglich dem Zweck, die Funktion des Subtrahiergliedes
für den Fall auszuschalten, daß eine Differenzbildung nicht erforderlich ist, beispielsweise
dann, wenn in einem Wechselstromnetz aufgrund fehlender Stromrichter oder dergleichen
keine störenden Ableitgleichströme im Netz 12 auftreten. Dann kann die Schaltung 28 die
Spannung an Rm direkt zum Mikrokontroller 34 leiten.
Die Spannung am Meßwiderstand Rm bzw. 22 wird außerdem einer aktiven Gleichrichter
schaltung 30 mit einem nicht bezeichneten Meßverstärker und einem daran angeschlossenen
Gleichrichterglied zugeleitet. Dessen ebenfalls dem Analog/Digital-Wandler A/D des Mikro
kontrollers 34 zugeleitete Ausgangssignal U2 stellt die gleichgerichteten Einschwingvorgän
ge der Spannung an Rm dar. Somit ist es mit diesem Signal U2 und dem Mikrokontroller
34 grundsätzlich möglich, alle positiven und negativen Einschwingvorgänge zu überwachen
und die Einschwingzustände festzustellen. Aus Gründen der Erhöhung der Meßgenauigkeit
wird jedoch das durch Ableitgleichströme verfälschte Signal U2 nur zur Behandlung der
negativen Einschwingvorgänge benutzt, während die positiven Einschwingvorgänge an dem
kleineren nicht durch Ableitgleichströme verfälschten Differenzsignal U1 verfolgt werden.
Sobald der Mikrokontroller 34 durch die Meßprobenvergleiche einen Einschwingzustand
feststellt, leitet er über eine Steuerleitung 36 ein Steuersignal S zu der Impulswechselspan
nungsquelle 20, die im vorliegenden Fall als eine umsteuerbare Spannungsquelle ausgebil
det ist. Diese erzeugt in Abhängigkeit von dem Steuersignal S im vorliegenden Fall ab
wechselnd einen positiven und einen negativen Gleichspannungswert (gleich große positive
und negative Impulsspannungswerte der Impulswechselspannung): Der jeweilige Impuls
spannungswert bleibt stets solange erhalten, bis ein weiteres Steuersignal S eintrifft. Da
durch wird die Impulslänge der Meßimpulse durch den Mikrokontroller 34 immer den tat
sächlichen Netzverhältnissen angepaßt, was zu einer optimalen Verkürzung der Meßzeiten
führt.
Sobald der Mikrokontroller 34 durch die Auswertung von U1 feststellt, daß zwei aufeinan
derfolgende Differenzwerte oder hieraus zu berechnende Endwerte für den ohmschen
Isolationswiderstand Re im wesentlichen gleich groß sind, wird der letzte Wert von U1 für
Re ausgewertet, und der Wert von Re wird über eine Leitungsverbindung 38 einem
Interface 40 mit Einzelgliedern 42 zugeleitet. Die Einzelglieder können außer einem LCD-
Display beispielsweise ein Auslöserelais für einen Fehlerfall, Bedientasten, eine serielle
Schnittstelle und dergleichen mehr enthalten.
Über einen eingangsseitig an die Netzankopplung 24 und ausgangsseitig an den Ana
log/Digital-Wandler A/D angeschlossenen Differenzverstärker 32 wird die Netzspannung an
den Netzleitern 12 erfaßt. Dadurch kann der Mikrokontroller 34 feststellen, ob die Meßein
richtung tatsächlich an das zu überwachende Netz angeschlossen ist. Außerdem kann der
Mikrokontroller 34 hierdurch über die Kurvenform feststellen, ob die Meßeinrichtung an ein
Gleichstromnetz (mit einer zweipoligen Netzankopplung) oder an ein Wechselstromnetz
(mit einer dreipoligen Netzankopplung) angeschlossen ist. Je nach Art des Netzes und des
damit zusammenhängenden Innenwiderstandes der Netzankopplung kann dann eine
selbsttätige Widerstandskorrektur vorgenommen werden. Statt dessen ist es aber auch
möglich, die Art der Netzankopplung dem Mikrokontroller 34 über das Interface 40 manuell
einzugeben.
Mit einer Prüfschaltung gemäß Fig. 5 kann überprüft werden, ob die Meßeinrichtung an Er
de E angeschlossen ist und richtig arbeitet. Ein Prüfschalter Sp kann die Verbindung des
Meßwiderstands Rm bzw. 22 mit der Drossel 26 aufheben und den Meßwiderstand statt
dessen mit einem an eine Kontrollerde KE angeschlossenen ohmschen Prüfwiderstand Rp
verbinden. Dieser ist so ausgelegt daß er einen satten Erdschluß des zu überwachenden
Netzes 10 simuliert. Damit muß die Auswerteeinheit der Meßeinrichtung einen ohmschen
Isolationswiderstand Re = 0 Ohm anzeigen, wenn ein korrekter Erdanschluß vorliegt und
die Auswerteeinheit korrekt arbeitet.
Ein praktisches Ausführungsbeispiel für die als umsteuerbare Spannungsquelle ausgebil
dete Impulsspannungsquelle 20 ist in Fig. 6 dargestellt. Eine aus vier MOS-Feldeffektran
sistoren 48, 50, 52, 54 bestehende Brückenschaltung 46 liefert über ihre Brückenendpunkte
eine Ausgangsgleichspannung, die je nachdem, ob die diagonalen Transistoren 48, 54 oder
50, 52 durchgeschaltet sind, entweder +27 V oder -27 V beträgt. Die zwischen diesen Wer
ten umschaltbare Ausgangsgleichspannung stellt die Impulsspannungswerte der Impuls
wechselspannung dar. Die Brückenmittelpunkte sind an den Ausgang einer Gleichspan
nungsquelle 44 angeschlossen. Diese erzeugt im vorliegenden Fall aus einer kleinen Ein
gangsgleichspannung von 12 V über einen galvanisch trennenden DC/DC-Wandler 56 eine
Gleichspannung von 30V, aus der die stabilisierte Gleichspannung von 27V erzeugt wird.
Die Steuerelektroden der Feldeffekttransistoren sind an den Ausgang einer Steuerlogik 58
angeschlossen, welche für das wechselseitige Durchschalten und Sperren der diagonalen
Feldeffekttransistoren sorgt. Als Eingangssignal der Steuerlogik 58 dient das über die Steu
erleitung 36 von dem Mikrokontroller 34 kommende Steuersignal S, welches der Steuerlogik
über einen galvanisch trennenden Optokoppler 60 zugeleitet wird.
Die in den Fig. 8 und 9 dargestellten Ablaufdiagramme stellen wesentliche Schritte des Ge
samtablaufs des Meßverfahrens dar.
Im Ablaufdiagramm von Fig. 8 wird zunächst eine Grundeinstellung mit Vorgabewerten für
fstör und Cemax gewählt. Dann wird für jeden von zwei aufeinanderfolgenden Meßimpulsen
das Ablaufdiagramm von Fig. 9 aufgerufen, um aus jeweils zwei durch Mittelwertbildung
erhaltenen Meßproben die Einschwingbedingung zu überprüfen und für die beiden
Meßimpulse jeweils den im Einschwingzustand maßgeblichen letzten Meßstrom-Meßwert
Um1 (erster Impuls), Um2 (zweiter Impuls) zu bestimmen. Hieraus wird dann ein erster
Isolationswert Re1 für Re berechnet. Der ganze Vorgang wird anschließend wiederholt, um
einen zweiten Isolationswert Re2 für Re zu bestimmen. Wenn Re1 und Re2 betragsmäßig
ganz oder nahezu übereinstimmen, wird davon ausgegangen, daß das Ergebnis richtig ist,
und es wird der Mittelwert von Re1, Re2 als Maß für Re berechnet. Wenn allerdings keine
übereinstimmenden Re1 und Re2 festgestellt werden konnten, wird mit halbiertem fstör neu
begonnen. Nach der Berechnung von Re erfolgt vor Beginn eines neuen Meßzyklus
erforderlichenfalls eine sofortige Festlegung von fstör auf den im Ablaufdiagramm von Fig.
9 festgestellten größeren Wert fmeß des Störsignals.
Bei dem Ablaufdiagramm aus Fig. 9 wird zunächst der Startwert tn0 der Meßintervalle für
die Mittelwerterzeugung der Meßproben ermittelt. Dann werden jeweils zwei aufeinanderfol
gende Meßproben verglichen. Dieser Vorgang wird unter Vergrößerung der Meßintervalle
so oft wiederholt, bis zwei Meßproben übereinstimmen und die letzte Meßprobe als Meß
strom-Meßwert Um übernommen wird.
Claims (38)
1. Verfahren zur Isolationsüberwachung von ungeerdeten, einen unvermeidbaren ohm
schen so wie kapazitiven Isolationswiderstand zwischen Netz und Erde aufweisen
den elektrischen Gleichstromnetzen und Wechselstromnetzen - insbesondere sol
chen mit angeschlossenen Gleichrichtern und sonstigen Stromrichtern -
mit einer abwechselnd verschiedene Impulsspannungswerte aufweisenden Impuls wechselspannung, die über eine ohmsche Netzankopplung zwischen Netz und Erde an das zu überwachende Netz als Meßspannung angelegt wird,
wobei für jeden Impulsspannungswert der nach dem Einschwingen des Netzes auf diesen Impulsspannungswert zwischen Netz und Erde fließende Meßstrom, der von der Größe des ohmschen Isolationswiderstands des Netzes gegenüber Erde und von dem Impulsspannungswert abhängig ist, direkt oder indirekt als Meßstrom- Meßwert erfaßt wird
und wobei jeweils die Meßwertdifferenz zweier aufeinanderfolgender Meßstrom- Meßwerte zur Bestimmung des ohmschen Isolationswiderstands zwischen Netz und Erde benutzt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß für jeden Impulsspannungswert der Meßspannung der zeitliche Verlauf des vom momentanen Netz abhängigen Einschwingvorgangs des Meßstroms oder ei ner hiervon abgeleiteten Größe wie einer Spannung, bis zum Erreichen des Ein schwingzustands überwacht wird,
daß unmittelbar nach Erreichen der Einschwingzustände die zugehörigen Meß strom-Meßwerte erfaßt werden
und daß dann unverzüglich der jeweilige Impulsspannungswert der Impulswech selspannung auf ihren zeitlich nächsten Impulsspannungswert umgeschaltet wird.
mit einer abwechselnd verschiedene Impulsspannungswerte aufweisenden Impuls wechselspannung, die über eine ohmsche Netzankopplung zwischen Netz und Erde an das zu überwachende Netz als Meßspannung angelegt wird,
wobei für jeden Impulsspannungswert der nach dem Einschwingen des Netzes auf diesen Impulsspannungswert zwischen Netz und Erde fließende Meßstrom, der von der Größe des ohmschen Isolationswiderstands des Netzes gegenüber Erde und von dem Impulsspannungswert abhängig ist, direkt oder indirekt als Meßstrom- Meßwert erfaßt wird
und wobei jeweils die Meßwertdifferenz zweier aufeinanderfolgender Meßstrom- Meßwerte zur Bestimmung des ohmschen Isolationswiderstands zwischen Netz und Erde benutzt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß für jeden Impulsspannungswert der Meßspannung der zeitliche Verlauf des vom momentanen Netz abhängigen Einschwingvorgangs des Meßstroms oder ei ner hiervon abgeleiteten Größe wie einer Spannung, bis zum Erreichen des Ein schwingzustands überwacht wird,
daß unmittelbar nach Erreichen der Einschwingzustände die zugehörigen Meß strom-Meßwerte erfaßt werden
und daß dann unverzüglich der jeweilige Impulsspannungswert der Impulswech selspannung auf ihren zeitlich nächsten Impulsspannungswert umgeschaltet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Überwachen des
Einschwingvorgangs an bestimmten, aufeinanderfolgenden Meßzeitpunkten Meß
proben des Meßstroms oder einer hiervon abgeleiteten Größe genommen werden,
daß der Einschwingvorgang als beendet gilt, sobald sich zwei aufeinanderfolgende
Meßproben ausreichend wenig voneinander unterscheiden, und daß für die
Auswertung die letzte Meßprobe als der entsprechende Meßstrom-Meßwert
berücksichtigt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Überwachen des
Einschwingvorgangs zur auswertungsmäßigen Unterdrückung insbesondere einer
niederfrequenten Störungsgröße, die den Meßstrom oder eine hiervon abgeleitete
Größe überlagert, durch arithmetische Mittelwertbildung in bestimmten, unmittelbar
aufeinanderfolgenden Meßintervallen erhaltene Meßproben des Meßstroms oder ei
ner hiervon abgeleiteten Größe genommen werden, daß der Einschwingvorgang als
beendet gilt, sobald sich zwei aufeinanderfolgende Meßproben ausreichend wenig
voneinander unterscheiden, und daß für die Auswertung die letzte Meßprobe als
der entsprechende Meßstrom-Meßwert berücksichtigt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim
Überwachen des Einschwingvorgangs die Meßproben in mit der Zeit größer
werdenden Zeitabständen der Meßzeitpunkte bzw. in längeren Mittelwert-
Meßintervallen genommen werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zu Beginn des
Überwachungsvorgangs benutzte Startwert des Zeitabstands zweier aufeinander
folgender Meßproben bzw. der Länge des Mittelwert-Meßintervalls gerade so groß
gewählt wird, daß der größenmäßige Unterschied dieser Meßproben unter Berück
sichtigung des Einschwingvorgangs für die größten zu erwartenden Werte des ka
pazitven und ohmschen Isolationswiderstandes noch sicher feststellbar ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Startwert des Meß
proben-Zeitabstands bzw. des Mittelwert-Meßintervalls unter Berücksichtigung
eines unendlich großen ohmschen Isolationswiderstandes gewählt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Startwert des Meß
proben-Zeitabstands bzw. des Mittelwert-Meßintervalls nach der Formel
fn0 = - LN (1-a) * Ri * Cemax
selbsttätig bestimmt und gewählt wird, wobei LN der natürliche Logarithmus des Klammerwertes, Ri der ohmsche Innenwiderstand der Netzankopplung für die Im pulswechselspannung, Cemax der zu erwartende maximale kapazitive Isolationswi derstand und a die gerade noch meßbare minimale prozentuale Werteänderung (maximale Meßauflösung) der ersten Meßprobe sind.
selbsttätig bestimmt und gewählt wird, wobei LN der natürliche Logarithmus des Klammerwertes, Ri der ohmsche Innenwiderstand der Netzankopplung für die Im pulswechselspannung, Cemax der zu erwartende maximale kapazitive Isolationswi derstand und a die gerade noch meßbare minimale prozentuale Werteänderung (maximale Meßauflösung) der ersten Meßprobe sind.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Startwert des Meß
proben-Zeitabstands bzw. des Mittelwert-Meßintervalls nach der Formel
fn0stör = 1/fstörselbsttätig bestimmt und gewählt wird, sofern dieser Startwert aufgrund
der auftretenden Störfrequenz fstör größer als der sich aus der Glei
chungfn0 = -LN (1-a) * Ri * Cemaxergebende Starten ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Größe bzw. Länge des zeitlich jeweils nächsten Meßproben-Zeitabstands bzw.
Mittelwert-Meßintervalls um einen konstanten Faktor gegenüber dem jeweils vorhe
rigen Meßproben-Zeitabstand bzw. Mittelwert-Meßintervall vergrößert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß für die Vergrößerung der
Meßproben-Zeitabstände bzw. der Mittelwert-Meßintervalle ein konstanter Faktor
von ca. 1,5 bis 1,7 gewählt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß für die Vergrößerung
der Meßproben-Zeitabstände bzw. der Mittelwert-Meßintervalle ein optimierter
konstanter Faktor von 1,66 gewählt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß erst
dann, wenn die Meßwertdifferenzen zweier zeitlich aufeinanderfolgender Paare von
jeweils zwei aufeinanderfolgenden Meßstrom-Meßwerten weitgehend gleich groß
sind, aus der letzten Meßwertdifferenz der ohmsche Isolationswiderstand bestimmt
wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei
der Bestimmung des Startwerts des Mittelwert-Meßintervalls von einem anfängli
chen Frequenzwert für die Störfrequenz ausgegangen wird, wie beispielsweise von
25 Hz bei einer Netzfrequenz von 50 Hz, und daß dann, wenn innerhalb dieses
Meßzyklus für den ohmschen Isolationswiderstand nicht zwei im wesentlichen gleich
große, aufeinanderfolgende Meßwertdifferenzen zweier zeitlich aufeinanderfolgen
der Meßstrom-Meßwerte, also auch nicht zwei im wesentlichen gleich große
aufeinanderfolgende Ergebnisse für den ohmschen Isolationswiderstand,
feststellbar sind, diese Meßwertdifferenz unberücksichtigt bleibt und der anfängliche
Frequenzwert für den Startwert des Mittelwert-Meßintervalls des nächsten
Meßzyklus selbsttätig verkleinert bzw. das Mittelwert-Meßintervall vergrößert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzwert für
die Störfrequenz für den jeweils nächsten Meßzyklus um einen bestimmten Faktor
so lange verkleinert, wie halbiert, wird, bis entweder zwei im wesentlichen gleich
große aufeinanderfolgende Ergebnisse für den ohmschen Isolationswiderstand ge
funden werden oder bis eine untere Frequenzwert-Grenze für die Störfrequenz, wie
etwa 0,1 Hz, erreicht ist.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß nach erfolgter
Verkleinerung des Frequenzwerts für die Störfrequenz am Ende des Meßzyklus für
den ohmschen Isolationswiderstand, also am Ende des Einschwingvorgangs, die
ungefähre Größe der Störfrequenz durch Zeitmessung zwischen den Maximal- und
Minimalwerten ermittelt und hiervon abhängig der Startwert des Mittelwert-Meßin
tervalls für den nächsten Meßzyklus entsprechend festgelegt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn eine tat
sächliche Störfrequenz ermittelt wird, die größer als der anfängliche Frequenzwert
ist, der Startwert des Mittelwert-Meßintervalls entsprechend verkleinert wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß als
Impulswechselspannung eine solche mit verschiedenen Impulsspannungswerten,
insbesondere mit zwei Impulsspannungswerten, entgegengesetzter Polarität be
nutzt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß betragsmäßig gleich
große Impulsspannungswerte benutzt werden.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß als
Impulswechselspannung eine solche mit betragsmäßig unterschiedlich großen Im
pulsspannungswerten, insbesondere mit zwei Impulsspannungswerten, gleicher
oder entgegengesetzter Polarität benutzt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß als
Impulswechselspannung eine solche mit betragsmäßig unterschiedlich großen Im
pulsspannungswerten, insbesondere mit zwei Impulsspannungswerten, benutzt
wird, wobei einer der Impulspannungswerte 0 V beträgt.
21. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem oder mehreren der An
sprüche 1 bis 20,
mit einer Meßimpulse erzeugenden Impulswechselspannungsquelle (20), die über
einen ohmschen Meßwiderstand (Rm; 22) und eine ohmsche Netzankopplung (24)
zwischen ein zu überwachendes ungeerdetes elektrisches Netz (10, 12) und Erde
(E) schaltbar ist,
ferner mit einer an den Meßwiderstand angeschlossenen Auswerteeinheit, die den
jeweils am Ende des Einschwingvorgangs eines jeden Meßimpulses am Meßwi
derstand auftretenden Meßstrom-Meßwert (Um1, Um2) erfaßt und die aus der
Meßwertdifferenz (Um1-Um2) jeweils zweier aufeinanderfolgender Meßstrom-
Meßwerte den ohmschen Isolationswiderstand (Re) zwischen dem zu überwachen
den Netz und Erde bestimmt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Impulswechselspannungsquelle als eine umsteuerbare Spannungsquelle (20) ausgebildet ist, die in Abhängigkeit von einem Steuersignal (S; 36) jeweils ei nen von mehreren, insbesondere von zwei, verschiedenen Gleich- bzw. Impulsspannungswerten erzeugen kann,
und daß die Auswerteeinheit (28, 34) so ausgebildet ist, daß sie den elektrischen Einschwingvorgang auf einen Gleichspannungswert am Meßwiderstand (Rm; 22) erfaßt und am Ende eines jeden Einschwingvorgangs die umsteuerbare Span nungsquelle auf den anderen Gleich- bzw. Impulsspannungswert umsteuert.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Impulswechselspannungsquelle als eine umsteuerbare Spannungsquelle (20) ausgebildet ist, die in Abhängigkeit von einem Steuersignal (S; 36) jeweils ei nen von mehreren, insbesondere von zwei, verschiedenen Gleich- bzw. Impulsspannungswerten erzeugen kann,
und daß die Auswerteeinheit (28, 34) so ausgebildet ist, daß sie den elektrischen Einschwingvorgang auf einen Gleichspannungswert am Meßwiderstand (Rm; 22) erfaßt und am Ende eines jeden Einschwingvorgangs die umsteuerbare Span nungsquelle auf den anderen Gleich- bzw. Impulsspannungswert umsteuert.
22. Einrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit
einen integrierten programmierbaren Mikrokontroller (34) aufweist, der unter ande
rem das Steuersignal (S; 36) für die umsteuerbare Spannungsquelle (20) und ein
Anzeige- und/oder ein Überwachungssignal für den ohmschen Isolationswiderstand
(Re) erzeugt.
23. Einrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrokon
troller (34) mit seinem Analog/Digital-Wandler (A/D) über eine die Meßwertdifferenz
(Um1-Um2) der Meßstrom-Meßwerte (Um1, Um2) erfassende Subtrahierschal
tung (28) an den Meßwiderstand (22) angeschlossen ist.
24. Einrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der
Mikrokontroller (34) mit seinem Analog/Digital-Wandler (A/D) über einen die Span
nung (Um) am Meßwiderstand (22) erfassenden aktiven Gleichrichter (30) an den
Meßwiderstand (22) angeschlossen ist und daß das Ausgangssignal des aktiven
Gleichrichters dem Mikrokontroller als Eingangssignal zur Überwachung der Ein
schwingvorgänge dient.
25. Einrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal
des aktiven Gleichrichters (30) dem Mikrocontroller (34) als Eingangssignal jeweils
zur Überwachung des Einschwingvorgangs auf einen negativen Gleich- bzw.
Impulsspannungswert der Impulswechselspannung dient und daß das von
störenden Ableitgleichströmen befreite Ausgangssignal der Subtrahierschaltung
(28) dem Mikrocontroller als Eingangssignal jeweils zur Überwachung des
Einschwingvorgangs auf einen positiven Gleich- bzw. Impulsspannungswert der
Impulswechselspannung dient.
26. Einrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die
umsteuerbare Spannungsquelle (20) eine Gleichspannungsquelle (44) aufweist, de
ren Ausgangsspannung bezüglich ihrer Polarität umschaltbar ist.
27. Einrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungs
quelle (44) an die Brückenmittelpunkte einer aus vier Schaltern (48, 50, 52, 54) be
stehenden Brückenschaltung (46) angeschlossen ist, daß in Abhängigkeit von dem
Steuersignal (S; 36) abwechselnd jeweils zwei diagonal gegenüberliegende Schal
ter (48, 54; 50, 52) über ihre Steueranschlüsse durchschaltbar sind und daß die
Brückenendpunkte als Ausgang der umsteuerbaren Spannungsquelle (20) dienen.
28. Einrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (48, 50,
52, 54) als MOS-Feldeffekttransistoren ausgebildet sind.
29. Einrichtung nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleich
spannungsquelle (44) einen eine kleinere Eingangsgleichspannung vergrößernden
DC/DC-Wandler (56) mit galvanischer Trennung zwischen seinen Ein- und Aus
gängen aufweist.
30. Einrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 29, daß eine ausgangsseitig an Steu
eranschlüsse der Schalter (48, 50, 52, 54) angeschlossene Steuerlogik (58) ein
gangsseitig galvanisch getrennt an das Steuersignal (S; 36) angeschlossen ist.
31. Einrichtung nach Anspruch 30, gekennzeichnet durch einen Optokoppler (60) am
Eingang der Steuerlogik (58).
32. Einrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß
diese mit Mitteln zur Überwachung eines korrekten Anschlusses der Einrichtung an
das zu überwachende Netz und an Erde ausgebildet ist.
33. Einrichtung nach Anspruch 32, daß diese zur Überwachung ihres korrekten Netzan
schlusses eine mehrpolige Netzankopplung (24) aufweist und daß ein an die Netz
ankopplung mehrpolig angeschlossenes Glied, wie ein Differenzverstärker (32), die
Netzspannung erfaßt sowie dem Mikrokontroller (34) zuleitet.
34. Einrichtung nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, daß diese zur
Überwachung ihres korrekten Erdanschlusses und der korrekten Arbeitsweise ihrer
Auswerteeinheit eine Prüfschaltung aufweist, die mit einem Prüfschalter (Sp) ausge
bildet ist, der die Verbindung des Meßwiderstands (22) mit dem zu überwachenden
Netz (12) vorübergehend aufhebt und der statt dessen eine vorübergehende Verbin
dung über einen definierten ohmschen Prüfwiderstand (Rp) mit einer Kontrollerde
(KE) herstellt.
35. Einrichtung nach Anspruch 34, gekennzeichnet durch einen solchen Widerstands
wert des Prüfwiderstands (Rp), daß die Auswerteeinheit (28, 34) bei korrekter Ar
beitsweise derselben und bei korrektem Erdanschluß der Einrichtung einen gegen
Null gehenden ohmschen Isolationswiderstand anzeigt.
36. Einrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 35, gekennzeichnet durch ein Vorga
bemittel zur manuellen Eingabe oder zur selbsttätigen Erfassung einer zweipoligen
Netzankopplung (24) der Einrichtung an ein Gleichstromnetz oder einer dreipoligen
Netzankopplung der Einrichtung an ein Wechselstromnetz und durch ein Korrek
turmittel zum Berücksichtigen der sich daraus ergebenden unterschiedlichen Wi
derstandsverhältnisse der Netzankopplung und damit des Innenwiderstands bei der
Auswertung des ohmschen Isolationswiderstandes (Re).
37. Einrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß die
Netzankopplung (24) einen Tiefpaß (26, 27) aufweist.
38. Einrichtung nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiefpaß eine im
Meßstrompfad befindliche Drossel (26) und einen diese mit Erde verbindenden
Kondensator (27) aufweist.
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