WO2011160881A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des isolationswiderstandes eines ungeerdeten elektrischen netzes - Google Patents
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- WO2011160881A1 WO2011160881A1 PCT/EP2011/057140 EP2011057140W WO2011160881A1 WO 2011160881 A1 WO2011160881 A1 WO 2011160881A1 EP 2011057140 W EP2011057140 W EP 2011057140W WO 2011160881 A1 WO2011160881 A1 WO 2011160881A1
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- G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
- G01R27/16—Measuring impedance of element or network through which a current is passing from another source, e.g. cable, power line
- G01R27/18—Measuring resistance to earth, i.e. line to ground
Definitions
- the invention relates to a method and a device for determining the insulation resistance of an ungrounded electrical network.
- An insulation resistance of an electrical network is understood to be the ohmic resistance component between electrical conductors with respect to one another or with respect to the ground potential.
- limit values In order to protect persons and to prevent damage to property caused by uncontrolled flowing fault currents, limit values must be set by technical guidelines and standards.
- the chronological progression of the transient process of the measuring current which depends on the instantaneous network, until reaching the transient state is determined for each pulse voltage value monitored, so that immediately after reaching the transient conditions, the associated measuring current measured values are detected and then immediately the respective pulse voltage value is switched to the temporally next pulse voltage value.
- the present invention provides a method for determining the insulation resistance of an ungrounded electrical network in which it is no longer necessary to wait for the transient of the network in order to determine the insulation resistance can.
- the measuring voltage advantageously a rectangular alternating voltage
- the measuring voltage or a variable derived therefrom is fed into the network via a voltage divider and a measuring current flowing after applying the measuring voltage or a variable derived therefrom at least three different times during a transient of the measuring current is measured.
- the insulation resistance is determined depending on the at least three measurement results.
- This can be done, for example, by means of a mathematical equation system which has the insulation resistance, a system leakage capacitance and a network inductance as unknown.
- the insulation resistance is ultimately determined by solving the equation system.
- a computer-based electronic system is used for this purpose.
- the insulation resistance for example, by reading the insulation resistance from a map depending on the at least three measurement results.
- the present invention also provides a device for determining the insulation resistance of an ungrounded electrical network with a voltage source for feeding the measuring voltage, preferably a rectangular AC voltage, in the network, a voltage divider, via which the measuring voltage is fed into the network, and a Measuring device for measuring a flowing after applying the measuring voltage measuring current or a variable derived therefrom at least three different times during a transient of the measuring current.
- a voltage source for feeding the measuring voltage, preferably a rectangular AC voltage, in the network
- a voltage divider via which the measuring voltage is fed into the network
- a Measuring device for measuring a flowing after applying the measuring voltage measuring current or a variable derived therefrom at least three different times during a transient of the measuring current.
- an evaluation unit is provided, which determines the insulation resistance depending on the at least three measurements.
- the evaluation unit can determine the insulation resistance with the aid of a mathematical equation system. men, which has the insulation resistance, a Netzableitkapaztician and a network inductance as
- the time profile of the measuring current supplied by the voltage source depends on the parameters of the network to be measured.
- the invention is based on the basic idea that the total network inductance, the total system leakage capacitance and the total insulation resistance of the network can be calculated by measuring this time profile. For the necessary measurements, the steady state of the measuring current does not have to be awaited, so that the insulation resistance can be determined very early.
- Fig. 1 is a schematic representation of a device according to the invention for determining the insulation resistance of an ungrounded electrical network
- Fig. 2 is a graphical representation of the time course of the measuring current. Description of the embodiments
- the network 1 schematically shows a device for determining the insulation resistance Riso of an ungrounded electrical network 1, for example the insulation resistance between a high-voltage and a low-voltage network of a multi-voltage vehicle electrical system in a hybrid or electric vehicle, according to an embodiment of the invention.
- the network 1 which can be supplied with electrical energy via a positive supply rail T + or a negative supply rail T-, is shown in the form of an equivalent circuit diagram and includes network inductances L L i and L L 2 in the positive supply.
- a voltage source 2 feeds into the network 1 via a voltage divider 3 a predetermined measuring voltage U P , in particular a rectangular alternating voltage.
- the voltage divider 3 is formed by two resistors R STI and R ST2 , which are connected in series between the positive supply rail T + and the negative supply rail T-.
- the voltage divider can also comprise more than two resistors.
- the voltage divider can also be formed, for example, with the aid of capacitances and / or inductances. Decisive for the usability is only their voltage-dividing function.
- the fed measuring voltage U P changes a voltage at a midpoint M of the voltage divider 3.
- the voltage source 2 must supply a measuring current l m .
- the time profile of this measuring current (see Figure 2) is dependent on all mentioned inductances, capacitances and resistances. This results in a measuring transient l m, in particular due to the capacitive and inductive components, a transient, which is shown in Figure 2 for a single square pulse. Since the parameters of the voltage source 2 and the voltage divider 3 are assumed to be known, the time course of the measuring current l m is only dependent on grid sizes. The result is: f (L L , C A , R ISO , t)
- a measuring device 4 which m can be measured by measuring a derived from the measurement current I m size the measuring current l directly or indirectly, at least three measurements are carried out after application of the measurement voltage U P, but even during the transient of the measuring current l m. According to FIG. 2, these are performed by way of example at times ti, t 2 and t 3 . Based on the results of these at least three measurements, a mathematical equation system can be set up.
- ⁇ M3 (3) f (JL'C A , Rj S o, t 3 )
- This equation system comprises three equations with three unknowns L L , C A and Riso and can be resolved by means of mathematical methods by an evaluation unit 5, in particular by a computer-based electronic system for the three unknowns.
- Numerous mathematical methods for the resolution of such a system of equations are known in the art, of which a suitable one can be selected depending on the specific application.
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Isolationswiderstandes (RISO) eines ungeerdeten elektrischen Netzes (1). Dabei wird eine Messspannung (UP) über einen Spannungsteiler (3) in das Netz (1) eingespeist. Ein nach Anlegen der Messspannung (UP) fließender Messstrom (lm) oder eine davon abgeleitete Größe wird zu zumindest drei unterschiedlichen Zeitpunkten (t1, t2, t3) während eines Einschwingvorganges des Netzes (1) gemessen und aus den mindestens drei Messungen wird ein mathematisches Gleichungssystem aufgestellt, welches den Isolationswiderstand (RISO), eine Netzableitkapazität (CA) und eine Netzinduktivität (LL) als Unbekannte aufweist. Abschließend wird das Gleichungssystem aufgelöst.
Description
Beschreibung Titel
Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Isolationswiderstandes eines ungeerdeten elektrischen Netzes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Isolationswiderstandes eines ungeerdeten elektrischen Netzes.
Stand der Technik
Unter einem Isolationswiderstand eines elektrischen Netzes versteht man den ohmschen Widerstandsanteil zwischen elektrischen Leitern untereinander beziehungsweise gegenüber dem Erdpotential. Zum Schutz von Personen und zur Vermeidung von Sachschäden durch unkontrolliert fließende Fehlerströme werden durch technische Richtlinien und Normen einzuhaltende Grenzwerte vorgegeben.
Grundsätzlich sind zahlreiche Messmethoden zur Bestimmung des Isolationswiderstandes eines ungeerdeten elektrischen Netzes bekannt. So ist zum Beispiel aus der DE 43 39 946 A1 ein Verfahren zur Isolationsüberwachung von ungeerdeten elektrischen Gleich- und Wechselstromnetzen mit einer Impulswechselspannung, die über eine ohmsche Netzankopplung zwischen Netz und Erde an das zu überwachende Netz angelegt wird, bekannt. Dabei wird für jeden Impulsspannungswert der nach dem Einschwingen des Netzes auf diesen Impulsspannungswert fließende Messstrom, der von der Größe des Isolationswiderstandes des Netzes abhängig ist, direkt oder indirekt als Messstrom-Messwert erfasst und jeweils die Messwertdifferenz zweier aufeinanderfolgender Messstrom- Messwerte zur Bestimmung des ohmschen Isolationswiderstandes zwischen Netz und Erde benutz. Zur Verkürzung der Messzeit wird für jeden Impulsspannungswert der zeitliche Verlauf des vom momentanen Netz abhängigen Einschwingvorganges des Messstroms bis zum Erreichen des Einschwingzustandes
überwacht, so dass unmittelbar nach Erreichen der Einschwingzustände die zugehörigen Messstrom-Messwerte erfasst werden und dann unverzüglich der jeweilige Impulsspannungswert auf den zeitlich nächsten Impulsspannungswert umgeschaltet wird.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Bestimmung des Isolationswiderstandes eines ungeerdeten elektrischen Netzes bei dem es nicht mehr not- wendig ist, den Einschwingvorgang des Netzes abzuwarten, um den Isolationswiderstand bestimmen zu können. Dazu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Messspannung, vorteilhaft eine Rechteck-Wechselspannung, über einen Spannungsteiler in das Netz eingespeist wird und ein nach Anlegen der Messspannung fließender Messstrom oder eine davon abgeleitete Größe zu zu- mindest drei unterschiedlichen Zeitpunkten noch während eines Einschwingvorganges des Messstromes gemessen wird. Anschließend wird abhängig von den mindestens drei Messergebnissen der Isolationswiderstand bestimmt. Dies kann beispielsweise mit Hilfe eines mathematischen Gleichungssystems erfolgen, welches den Isolationswiderstand, eine Netzableitkapazität und eine Netzinduktivität als Unbekannte aufweist. Der Isolationswiderstand wird letztendlich durch Auflösung des Gleichungssystems bestimmt. Vorteilhaft wird dazu ein computerbasiertes elektronisches System eingesetzt. Alternativ kann der Isolationswiderstand beispielsweise auch durch Auslesen des Isolationswiderstandes aus einem Kennfeld in Abhängigkeit der mindestens drei Messergebnisse erfolgen.
Die vorliegende Erfindung schafft auch eine Vorrichtung zur Bestimmung des Isolationswiderstandes eines ungeerdeten elektrischen Netzes mit einer Spannungsquelle zur Einspeisung der Messspannung, vorteilhaft einer Rechteck- Wechselspannung, in das Netz, einem Spannungsteiler, über welchen die Mess- Spannung in das Netz eingespeist wird, und einer Messeinrichtung zum Messen eines nach Anlegen der Messspannung fließenden Messstromes oder einer davon abgeleiteten Größe zu zumindest drei unterschiedlichen Zeitpunkten während eines Einschwingvorganges des Messstroms. Außerdem ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, welche abhängig von den mindestens drei Messungen den Isolationswiderstand bestimmt. Insbesondere kann die Auswerteeinheit den Isolationswiderstand mit Hilfe eines mathematischen Gleichungssystems bestim-
men, welches den Isolationswiderstand, eine Netzableitkapazität und eine Netzinduktivität als Unbekannte aufweist.
Der zeitliche Verlauf des durch die Spannungsquelle zugeführten Messstromes ist von den Parametern des zu messenden Netzes abhängig. Der Erfindung liegt der Grundgedanke zugrunde, dass durch Messung dieses zeitlichen Verlaufs die Gesamt-Netzinduktivität, die Gesamt-Netzableitkapazität und der Gesamt- Isolationswiderstand des Netzes berechnet werden kann. Für die notwendigen Messungen muss der eingeschwungene Zustand des Messstromes nicht abgewartet werden, so dass der Isolationswiderstand sehr frühzeitig bestimmt werden kann.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
Kurze Beschreibung der Figuren Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Isolationswiderstandes eines ungeerdeten elektrischen Netzes und
Fig. 2 eine grafische Darstellung des zeitlichen Verlaufes des Messstroms. Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Bestimmung des Isolationswiderstandes Riso eines ungeerdeten elektrischen Netzes 1 , beispielsweise des Isolationswiderstandes zwischen einem Hochspannungs- und einem Niederspannungsnetz eines Mehrspannungs-Bordnetzes in einem Hybrid- oder Elektrofahr- zeug, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Netz 1 , welches über eine positive Versorgungsschiene T+ bzw. einer negativen Versorgungsschiene T- mit elektrischer Energie versorgbar ist, ist in Form eines Ersatzschaltbildes dargestellt und umfasst Netzinduktivitäten LLi und LL2 in der positiven Versor-
gungsschiene T+ bzw. der negativen Versorgungsschiene T-, Netzableitkapazitäten CAi und CA2, welche zwischen der positiven Versorgungsschiene T+ und dem Massepotential bzw. zwischen der negativen Versorgungsschiene T- und dem Massepotential liegen sowie Isolationswiderstände R|SOi und Riso2, welche parallel zu den Netzableitkapazitäten CAi bzw. CA2 liegen. Zwischen der positiven Versorgungsschiene T+ und der negativen Versorgungsschiene T- ist eine nicht dargestellte Last angeschlossen.
Eine Spannungsquelle 2 speist in das Netz 1 über einen Spannungsteiler 3 eine vorgegebene Messspannung UP, insbesondere eine Rechteck- Wechselspannung, ein. Der Spannungsteiler 3 wird dabei durch zwei Widerstände RSTI und RST2 gebildet, welche in Reihe zwischen die positive Versorgungsschiene T+ und die negative Versorgungsschiene T- geschaltet sind. Der Spannungsteiler kann selbstverständlich auch mehr als zwei Widerstände umfassen. Alternativ oder zusätzlich zu ohmschen Widerständen, kann der Spannungsteiler z.B. auch mit Hilfe von Kapazitäten und/oder Induktivitäten gebildet werden. Entscheidend für die Verwendbarkeit ist lediglich deren spannungsteilende Funktion.
Die eingespeiste Messspannung UP verändert eine Spannung an einem Mittelpunkt M des Spannungsteilers 3. Um diese Spannung zu erzeugen, muss die Spannungsquelle 2 einen Messstrom lm zuführen. Der zeitliche Verlauf dieses Messstroms (vgl. Figur 2) ist abhängig von allen genannten Induktivitäten, Kapazitäten und Widerständen. Dabei ergibt sich für den Messstrom lm insbesondere aufgrund der kapazitiven und induktiven Anteile ein Einschwingvorgang, welcher in Figur 2 für einen einzelnen Rechteckimpuls dargestellt ist. Da die Parameter der Spannungsquelle 2 und des Spannungsteilers 3 als bekannt vorauszusetzen sind, ist der zeitliche Verlauf des Messstromes lm nur noch von Netzgrößen abhängig. Es ergibt sich: — f(LL , CA , RISO , t)
Gesamt-Netzinduktivität
Gesamt-Netzableitkapazität
Gesamt-Isolationswiderstand
t Zeit
Mit Hilfe einer Messeinrichtung 4, welche den Messstrom lm direkt oder indirekt über die Messung einer von dem Messstrom lm abgeleiteten Größe messen kann, werden nach Anlegen der Messspannung UP, aber noch während des Einschwingvorgangs des Messstroms lm mindestens drei Messungen durchgeführt. Gemäß Figur 2 werden diese beispielhaft zu Zeitpunkten ti, t2 und t3 vorgenommen. Basierend auf den Ergebnissen dieser mindestens drei Messungen kann ein mathematisches Gleichungssystem aufgestellt werden.
^M3 ( 3 ) = f(J-L ' CA , RjSo , t3 )
Dieses Gleichungssystem umfasst drei Gleichungen mit drei Unbekannten LL, CA und Riso und kann mit Hilfe mathematischer Methoden durch eine Auswerteeinheit 5, insbesondere durch ein computerbasiertes elektronisches System nach den drei Unbekannten aufgelöst werden. Dabei ergibt sich auch der gesuchte Wert des Isolationswiderstandes RiSo- Dem Fachmann sind zahlreiche mathematische Methoden zur Auflösung eines derartigen Gleichungssystems bekannt, von denen je nach konkretem Anwendungsfall eine geeignete ausgewählt werden kann.
Weitere Messungen des Messstroms lm während der Einschwingphase können zum Beispiel zu Plausibilitätsprüfungen genutzt werden.
Claims
1. Verfahren zur Bestimmung des Isolationswiderstandes (Riso) eines ungeerdeten elektrischen Netzes (1) bei dem
- eine Messspannung (UP) über einen Spannungsteiler (3) in das Netz (1) eingespeist wird,
- ein nach Anlegen der Messspannung (UP) fließender Messstrom (lm) oder eine davon abgeleitete Größe zu zumindest drei unterschiedlichen Zeitpunkten (t-ι, t2, t3) während eines Einschwingvorganges des Netzes (1 ) gemessen wird und
- abhängig von den mindestens drei Messergebnissen der Isolationswiderstand (Riso) bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Isolationswiderstand (Riso) mit Hilfe eines mathematischen Gleichungssystems, welches den Isolationswiderstand (Riso), eine Netzableitkapazität (CA) und eine Netzinduktivität (LL) als Unbekannte aufweist, bestimmt wird
2. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Isolationswiderstand (Riso) mit Hilfe eines computerbasierten elektronischen Systems bestimmt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Messspannung eine Rechteck-Wechselspannung ist.
4. Vorrichtung zur Bestimmung des Isolationswiderstandes (Riso) eines ungeerdeten elektrischen Netzes (1 ) mit
- einer Spannungsquelle (2) zur Einspeisung einer Messspannung (UP) in das Netz (1),
- einem Spannungsteiler (3), über welchen die Messspannung (UP) in das Netz (1) eingespeist wird,
- einer Messeinrichtung (4) zum Messen eines nach Anlegen der Messspannung (UP) fließenden Messstromes (lm) oder einer davon abgeleite- ten Größe zu zumindest drei unterschiedlichen Zeitpunkten (t^ t2, t3) während eines Einschwingvorganges des Netzes (1), und
- einer Auswerteeinheit (5), welche abhängig von den mindestens drei Messungen den Isolationswiderstand (Riso) bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Auswerteeinheit (5) den Isolationswiderstand (Riso) mit Hilfe eines mathematischen Gleichungssystems, welches den Isolationswiderstand (Riso), eine Netzableitkapazität (CA) und eine Netzinduktivität (LL) als Unbekannte aufweist, bestimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Spannungsquelle (2) eine Rechteck-Wechselspannung in das Netz (1 ) einspeist.
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