DE102010030475A1

DE102010030475A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Isolationswiderstandes eines ungeerdeten elektrischen Netzes

Info

Publication number: DE102010030475A1
Application number: DE201010030475
Authority: DE
Inventors: Andreas Trautmann; Vicente Garcia Alvarez; Dragan Mikulec
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-06-24
Filing date: 2010-06-24
Publication date: 2012-01-19
Also published as: WO2011160881A1

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 (Im) 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

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 notwendig 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 zumindest 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 Messspannung 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 bestimmen, 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:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Isolationswiderstandes eines ungeerdeten elektrischen Netzes und
2 eine grafische Darstellung des zeitlichen Verlaufes des Messstroms.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Bestimmung des Isolationswiderstandes R_ISO eines ungeerdeten elektrischen Netzes 1, beispielsweise des Isolationswiderstandes zwischen einem Hochspannungs- und einem Niederspannungsnetz eines Mehrspannungs-Bordnetzes in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug, 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 L_L1 und L_L2 in der positiven Versorgungsschiene T+ bzw. der negativen Versorgungsschiene T–, Netzableitkapazitäten C_A1 und C_A2, welche zwischen der positiven Versorgungsschiene T+ und dem Massepotential bzw. zwischen der negativen Versorgungsschiene T– und dem Massepotential liegen sowie Isolationswiderstände R_ISO1 und R_ISO2, welche parallel zu den Netzableitkapazitäten C_A1 bzw. C_A2 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 U_P, insbesondere eine Rechteck-Wechselspannung, ein. Der Spannungsteiler 3 wird dabei durch zwei Widerstände R_ST1 und R_ST2 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 U_P verändert eine Spannung an einem Mittelpunkt M des Spannungsteilers 3. Um diese Spannung zu erzeugen, muss die Spannungsquelle 2 einen Messstrom I_m zuführen. Der zeitliche Verlauf dieses Messstroms (vgl. 2) ist abhängig von allen genannten Induktivitäten, Kapazitäten und Widerständen. Dabei ergibt sich für den Messstrom I_m insbesondere aufgrund der kapazitiven und induktiven Anteile ein Einschwingvorgang, welcher in 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 I_m nur noch von Netzgrößen abhängig. Es ergibt sich: I_m = f(L_L, C_A, R_ISO, t)

mit L_L = f(L_L1, L_L2) Gesamt-Netzinduktivität

C_A = f(C_A1, C_A2) Gesamt-Netzableitkapazität

R_ISO = f(R_ISO1, R_ISO2) Gesamt-Isolationswiderstand

t Zeit
Mit Hilfe einer Messeinrichtung 4, welche den Messstrom I_m direkt oder indirekt über die Messung einer von dem Messstrom I_m abgeleiteten Größe messen kann, werden nach Anlegen der Messspannung U_P, aber noch während des Einschwingvorgangs des Messstroms I_m mindestens drei Messungen durchgeführt. Gemäß 2 werden diese beispielhaft zu Zeitpunkten t₁, t₂ und t₃ vorgenommen. Basierend auf den Ergebnissen dieser mindestens drei Messungen kann ein mathematisches Gleichungssystem aufgestellt werden. I_M1(t₁) = f(L_L, C_A, R_ISO, t₁) I_M2(t₂) = f(L_L, C_A, R_ISO, t₂) I_M3(t₃) = f(L_L, C_A, R_ISO, t₃)
Dieses Gleichungssystem umfasst drei Gleichungen mit drei Unbekannten L_L, C_A und R_ISO 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 R_ISO. 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 I_m während der Einschwingphase können zum Beispiel zu Plausibilitätsprüfungen genutzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4339946 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Isolationswiderstandes (R_ISO) eines ungeerdeten elektrischen Netzes (1) bei dem – eine Messspannung (U_P) über einen Spannungsteiler (3) in das Netz (1) eingespeist wird, – ein nach Anlegen der Messspannung (U_P) fließender Messstrom (I_m) oder eine davon abgeleitete Größe zu zumindest drei unterschiedlichen Zeitpunkten (t₁, t₂, t₃) während eines Einschwingvorganges des Netzes (1) gemessen wird und – abhängig von den mindestens drei Messergebnissen der Isolationswiderstand (R_ISO) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Isolationswiderstand (R_ISO) mit Hilfe eines mathematischen Gleichungssystems, welches den Isolationswiderstand (R_ISO), eine Netzableitkapazität (C_A) und eine Netzinduktivität (L_L) als Unbekannte aufweist, bestimmt wird
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Isolationswiderstand (R_ISO) mit Hilfe eines computerbasierten elektronischen Systems bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Messspannung eine Rechteck-Wechselspannung ist.
Vorrichtung zur Bestimmung des Isolationswiderstandes (R_ISO) eines ungeerdeten elektrischen Netzes (1) mit – einer Spannungsquelle (2) zur Einspeisung einer Messspannung (U_P) in das Netz (1), – einem Spannungsteiler (3), über welchen die Messspannung (U_P) in das Netz (1) eingespeist wird, – einer Messeinrichtung (4) zum Messen eines nach Anlegen der Messspannung (U_P) fließenden Messstromes (I_m) oder einer davon abgeleiteten Größe zu zumindest drei unterschiedlichen Zeitpunkten (t₁, t₂, t₃) während eines Einschwingvorganges des Netzes (1), und – einer Auswerteeinheit (5), welche abhängig von den mindestens drei Messungen den Isolationswiderstand (R_ISO) bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Auswerteeinheit (5) den Isolationswiderstand (R_ISO) mit Hilfe eines mathematischen Gleichungssystems, welches den Isolationswiderstand (R_ISO, eine Netzableitkapazität (C_A) und eine Netzinduktivität (L_L) als Unbekannte aufweist, bestimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Spannungsquelle (2) eine Rechteck-Wechselspannung in das Netz (1) einspeist.