DE4109586C2 - Schaltungsanordnung zur Isolationsüberwachung ungeerdeter Niederspannungsnetze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Isola­ tionsüberwachung ungeerdeter ein- oder mehrphasiger Wechsel­ spannungsnetze und aus diesen gespeister Gleichspannungsnetze mit einer einpolig zwischen dem Wechselspannungsnetz und Erdpotential angeordneten Gleichspannungsquelle mit einem in Reihe geschalteten Ankoppelwiderstand, wobei die Isolations­ widerstandswerte mittels einer Vergleichereinrichtung aus einer Meßspannung ermittelbar sind.

Eine derartig definierte Schaltungsanordnung ist aus der DE-PS-25 15 121 bekannt. Zur Messung des Isolationswiderstan­ des ist im Meßkreis eine ständig einwirkende Gleichspannungs­ quelle vorgesehen, mit der über ein Meßwiderstand im Falle von fehlerhaften Isolationswiderstandswerten innerhalb der zu überwachenden Wechselspannungsnetze entsprechende Spannungsver­ änderungen durch eine Vergleichereinrichtung feststellbar sind. Ein fehlerhafter Isolationswiderstandswert innerhalb des zu überwachenden Wechselspannungsnetzes, beispielsweise verursacht durch einen Erdschluß über einen Leiter des Wechselspannungsnetzes bzw. des Gleichspannungsnetzes, bewirkt eine Stromveränderung, die sich gegenüber den fehlerfreien Isolationswerten der Leiter als eine Spannungserhöhung am Meßwiderstand auswirkt. Tritt allerdings ein Erdschluß im aus dem Wechselspannungsnetz gespeisten Gleichspannungsnetz auf, also Erdschluß mit der Plus- oder Minusleitung der Gleichspan­ nung, so überlagert die Gleichspannungsquelle je nach Größe des Erdschlußwiderstandes die Gleichspannung ganz oder teil­ weise. Diese Überlagerungsvorgänge sind wegen der sehr unter­ schiedlichen Größen der Spannungswerte nur sehr ungenau zu erfassen.

Darüber hinaus können auch Fehlaussagen über die Isolations­ widerstandswerte entstehen, wenn der Ankoppelwiderstand de­ fekt ist bzw. sein Wert gegen unendlich steigt. In diesem Zu­ stand ist ein gegebenenfalls vorhandener Isolationsfehler im Netz - Wechselspannung oder Gleichspannung - nicht erkennbar. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ei­ ne Schaltungsanordnung zur Verwirklichung eines Meßprinzips anzugeben, bei dem durch Isolationsfehler auftretende Mängel unter allen Umständen als Fehler im Netz erkannt und darüber hinaus Meßunsicherheiten durch sehr unterschiedliche Span­ nungsgrößen weitestgehend eliminiert sind.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, daß die Schal­ tungsanordnung einen aus dem Ankoppelwiderstand und zwei Wi­ derständen gebildeten ersten Spannungsteiler zur Erzeugung einer ersten Meßspannung und einen dem ersten Spannungsteiler parallel geschalteten, aus einem Vorwiderstand und einem Meß­ widerstand gebildeten, zweiten Spannungsteiler zur Erzeugung einer zweiten Meßspannung enthält, daß die jeweiligen Meß­ spannungen einem Analog/Digital-Wandler einer Mikroprozes­ soreinrichtung übertragen werden, und daß aus den jeweiligen Meßspannungen und einer aus einer Speisespannung abgeleiteten Referenzspannung die Isolationswiderstandswerte von der Mi­ kroprozessoreinrichtung ermittelbar sind.

Mit dem Vorsehen von zwei Spannungsteilern innerhalb des Meß­ kreises können sämtliche nur denkbare Fehlerfälle auch als Fehler ermittelt werden, unabhängig davon, ob ein Isolations­ fehler im Gleichspannungs- oder im Wechselspannungsnetz auf­ tritt, oder die im Meßkreis liegenden Widerstände - Ankoppel­ widerstand, Vorwiderstand - defekt sind. Das bedeutet, daß sowohl die Widerstände als auch die jeweiligen Meßspannungen praktisch selbsttätig überwacht sind, so daß beispielsweise durch Entfernen des Ankoppelwiderstandes und dem damit ver­ bundenen Erreichen des Widerstandswertes unendlich statt ei­ ner Nichtbewertung durch Einwirken der Gleichspannungsquelle auf die Mikroprozessoreinrichtung der sog. Kurzschlußfall signalisiert werden kann.

Mit der zur Ermittlung der Isolationswiderstandswerte heran­ gezogenen Referenzspannung, die ebenfalls durch einen ent­ sprechend definierten Spannungsteiler aus der vom Wechsel­ spannungsnetz gespeisten Speisespannung gebildet ist, läßt sich darüber hinaus die Temperaturabhängigkeit der Meßwerte vollständig eliminieren, wenn die Meßspannungen und die Refe­ renzspannung den gleichen Störbeeinflussungen ausgesetzt sind.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Meßwiderstand durch einen Meßbereichsum­ schalter veränderbar ist, so daß ein universeller Gebrauch dieser Schaltungsanordnung im gesamten Meßspannungsbereich gewährleistet ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Gleichspannungsquelle durch Kurzschluß Über­ brückbar ist. Mit dieser Maßnahme ist in einfacher Weise festzustellen, ob trotz des Kurzschließens der Gleichspan­ nungsquelle noch ein Gleichstrom über den Meßwiderstand fließt und gegebenenfalls welche Polarität die sich dement­ sprechend am Meßwiderstand einstellende Meßspannung aufweist. Mit diesem Meßvorgang sind die Isolationswiderstände der Lei­ tungen der Gleichspannungsnetze erfaßt, ohne daß diese beim Meßvorgang durch die Gleichspannungsqelle Überlagert werden.

Die Meßumschaltung und die Überbrückung der Gleichspannungs­ quelle erfolgen gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestal­ tung der Erfindung durch Steuerbefehle der Mikroprozessorein­ richtung, die sich aus den durchzuführenden Meßfolgen anhand der sich einstellenden Betriebszustände ergeben.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die von der Mikroprozessoreinrichtung ermittelten Isola­ tionswiderstandswerte durch eine Anzeigeeinrichtung numerisch anzuzeigen und bei Unterschreitung eines einstellbaren Grenz­ wertes durch ein zusätzliches Signal zu markieren. Mit dieser Maßnahme kann auf besonders gravierende Fehler, insbesondere bei Unterschreitung von kritischen Grenzwerten, schnell rea­ giert und durch entsprechende Abschaltvorgänge um Abhilfe ge­ sorgt werden.

Die Ausgestaltung der Mikroprozessoreinrichtung mit einer Fernanzeige ist gemäß einer zusätzlichen vorteilhaften Ausge­ staltung der Erfindung vorgesehen, um ein den ermittelten Isolationswiderstandswert proportionales Signal zur Ansteue­ rung eines Analoganzeigegerätes zu übertragen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sieht vor, daß die Netzparameter, wie Netzart, Nennspannung, Isolationswiderstand und die Gerätepa­ rameter, wie Referenzspannung, Prüfspannung, Innenwiderstand der Meßanordnung, durch eine Permanent-Speichereinrichtung speicherbar sind. Damit können die Toleranzen der in der Meß­ anordnung verwendeten Bauelemente weitestgehend vernachläs­ sigt werden, da die Netzparameter und die Geräteparameter mit ihren tatsächlich vorhandenen Ist-Werten erfaßt und zur Be­ rechnung der jeweiligen Isolationswiderstände in den einzel­ nen Meßphasen stets herangezogen werden können.

In diesem Zusammenhang sind als weitere vorteilhafte Ausge­ staltungen der Erfindung vorgesehen, daß mit der Gleichspa­ nungsquelle in Reihe mit einem zwei unterschiedliche Werte annehmenden Fehlerwiderstand die Geräteparameter als Eichmaß vorgebbar sind und daß das Eichmaß vor jeder Messung durch eine Ist-Vergleichsmessung überprüfbar ist. Zur Fernüberwa­ chung und Fernsteuerung dieser Netze kann die erfindungsgemä­ ße Schaltungsanordnung zusätzlich noch mit einer UART- Schnittstelle ausgestattet sein, so daß sowohl die Messung selbst als auch die dazu notwendigen Steuervorgänge von über­ geordneten Schaltwarten veranlaßt werden können.

Um die ständige Funktionsfähigkeit der Schaltungsanordnung, insbesondere vor jeder Messung, sicherzustellen, ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vor­ gesehen, einen - hochohmigen mit Erdpotential verbundenen - Fehlerwiderstand bekannter Größe an einen Leiter des Wechsel­ spannungsnetzes mittels der Mikroprozessoreinrichtung anzu­ schalten. Fließt der dem Fehlerwiderstand entsprechende Strom, so können keine Stromkreisuntersuchungsergebnisse innerhalb der Meßanordnung vorliegen, die fälschlicherweise korrekte Isolationswiderstände angeben.

Die Erfindung wird in einem durch zwei Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert, wobei die Fig. 1 den prinzipiellen Schaltungsaufbau erkennen läßt, während die Fig. 2 nähere Einzelheiten der Meßkreise und deren Verknüpfung untereinander zeigt.

In der Fig. 1 ist das mehrphasige Wechselspannungsnetz NSP mit den Leitungen L1 bis L3 dargestellt, das ohne einen Schutzleiter ausgestattet ist. Die Leiter L1 bis L3 sind in bekannter Weise mit den nicht näher bezeichneten Gleichrich­ tern verbunden, die die Gleichspannung UB erzeugen. Weiterhin ist angedeutet, daß die Leitung L1 mit der Meßschaltung MS in Verbindung steht, und daß die Meßschaltung MS mit der einpo­ lig an Erde angeschalteten Gleichspannungsquelle UZ eine Rei­ henschaltung bildet. Die Meßschaltung MS ist mit ihrem Aus­ gang, an dem sich die Meßspannung UM einstellt, mit dem Ana­ log/Digital-Wandler AD verbunden, um die Meßspannung UM als Digitalwert der Mikroprozessoreinrichtung ME zuzuführen. Die Mikroprozessoreinrichtung ME ist u. a. mit der Anzeigeein­ richtung AZ ausgestattet, auf der die mit der Meßschaltung ermittelten Isolationswiderstandswerte zur Anzeige gebracht werden. Des weiteren ist angedeutet, daß die Gleichspannungs­ quelle UZ unter dem Steuereinfluß der Mikroprozessoreinrich­ tung ME steht, mit der der Kurzschluß K innerhalb eines Meß­ vorganges gesteuert wird. Weiterhin sind mit den unterbroche­ nen Linien bestimmte Fehlerzustände innerhalb der zu überwa­ chenden Wechselspannungs- und Gleichspannungsnetze angedeu­ tet, wobei mit dem Fehlerwiderstand RF1 Erdschlüsse auf den Leitungen L1 bis L3 des Wechselspannungsnetzes NSP gemeint sind, während die Fehlerwiderstände RF2 und RF3 die Erd­ schlüsse an der Plus- und Minusleitung der Gleichspannung UB entsprechen.

Die Fig. 2 läßt nähere Einzelheiten der Meßschaltung erken­ nen, wobei lediglich die zum Verständnis wichtigsten Schalt­ mittel dargestellt sind. Die Meßschaltung zeigt den an die Leitung L... des Wechselspannungsnetzes angeschalteten An­ koppelwiderstand R1, der mit den Widerständen R2 und R3 den ersten Spannungsteiler zur Erzeugung der ersten Meßspannung UM1 bildet. Weiterhin ist in der Meßschaltung der Vorwider­ stand RV ebenfalls mit der Leitung L... des Wechselspan­ nungsnetzes verbunden, und bildet mit dem Meßwiderstand RM den zweiten Spannungsteiler zur Erzeugung der zweiten Meß­ spannung UM2. Parallel zu den Widerständen R2, R3 ist in Rei­ he mit dem Ankoppelwiderstand R1 die Gleichspannungsquelle UZ mit dem nicht näher bezeichneten Begrenzungswiderstand ge­ schaltet, wobei der Minuspol der Gleichspannungsquelle UZ auf das Erdpotential bezogen den gemeinsamen Anschluß der beiden Spannungsteiler bildet. Weiterhin ist ersichtlich, daß die erste Meßspannung UM1 und die zweite Meßspannung UM2 dem Ana­ log/Digital-Wandler AD Übertragen werden, der die Werte die­ ser beiden Meßspannungen UM1, UM2 in bekannter Weise in Digi­ talwerte umwandelt und zur Weiterverarbeitung der Mikropro­ zessoreinrichtung überträgt. Des weiteren ist ersichtlich, daß der Analog/Digital-Wandler AD durch die Speisespannung US versorgt wird und die Referenzspannung UR durch einen nicht näher bezeichneten Spannungsteiler erzeugt wird, wobei die Speisespannung US mit ihrem Minusanschluß ebenfalls mit dem Erdpotential verbunden ist.

Der Meßwiderstand RM kann mit dem Meßbereichsumschalter U durch Parallelschalten eines nicht bezeichneten weiteren Widerstandes verändert werden. Mit der unterbrochenen Linie ist angedeutet, daß zwischen der Leitung L... und dem Erdpo­ tential der Fehlerwiderstand RF wahlweise zuschaltbar ist, um damit die Prüffunktionsfähigkeit der Meßschaltung im Bedarfs­ falle zu überprüfen bzw. die Eichung der Meßschaltung - und damit die Festlegung der Meßgeräteparameter - festzulegen.

Claims (11)

1. Schaltungsanordnung zur Isolationsüberwachung ungeerdeter ein- oder mehrphasiger Wechselspannungsnetze und aus diesen gespeister Gleichspannungsnetze mit einer einpolig zwischen dem Wechselspannungsnetz und Erdpotential angeordneten Gleichspannungsquelle mit einem in Reihe geschalteten Ankop­ pelwiderstand, wobei die Isolationswiderstandswerte mittels einer Vergleichereinrichtung aus einer Meßspannung ermittel­ bar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schal­ tungsanordnung einen aus dem Ankoppelwiderstand (R1) und zwei Widerständen (R2 und R3) gebildeten ersten Spannungsteiler zur Erzeugung einer ersten Meßspannung (UM1) und einen dem ersten Spannungsteiler parallel geschalteten, aus einem Vor­ widerstand (RV) und einem Meßwiderstand (RM) gebildeten, zweiten Spannungsteiler zur Erzeugung einer zweiten Meßspan­ nung (UM2) enthält, daß die jeweiligen Meßspannungen (UM1, UM2) einem Analog/Digital-Wandler (A/D) einer Mikroprozessor­ einrichtung (ME) übertragen werden, und daß aus den jeweili­ gen Meßspannungen (UM1, UM2) und einer aus einer Speisespan­ nung (US) abgeleiteten Referenzspannung (UR) die Isolations­ widerstandswerte von der Mikroprozessoreinrichtung (ME) er­ mittelbar sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand (RM) durch einen Meßbereichsumschalter (U) ver­ änderbar ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsquelle (ZU) durch Kurzschluß (K) überbrückbar ist.

4. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßbereichsumschalter (U) und der Kurzschluß (K) durch netzzustandsabhängige Steuerbefehle der Mikroprozessor­ einrichtung (ME) schaltbar sind.

5. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Mikroprozessoreinrichtung (ME) ermittelten Isolations­ widerstandswerte durch eine Anzeigeeinrichtung (A2) numerisch angezeigt und bei Unterschreitung eines einstellbaren Grenzwertes durch ein zusätzliches Signal markiert sind.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroprozessoreinrichtung (ME) einen Signalausgang zur Fern­ anzeige aufweist, der ein dem ermittelten Isolationswider­ standswert proportionales pulsdauermoduliertes Signal zur Ansteuerung eines Analoganzeigegerätes überträgt.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Netz­ parameter, wie Netzart, Nennspannung, Isolationswiderstand und die Geräteparameter, wie Referenzspannung, Prüfspannung, Innen­ widerstand der Meßanordnung, durch eine Permanent-Speicher­ einrichtung speicherbar sind.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Gleichspannungsquelle (UZ) in Reihe mit einem zwei unterschied­ liche Werte annehmenden bekannten Fehlerwiderstand (RF) die Geräteparameter als Eichmaß vorgebbar sind.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Eichmaß vor jeder Messung durch eine Ist-Vergleichsmessung überprüfbar ist.

10. Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen An­ sprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schal­ tungsanordnung mit einer UART-Schnittstelle zur Fern-Über­ wachung der Stromnetze ausgestattet ist.

11. Schaltungsanordnung nach einem der vorangegeangenen An­ sprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Be­ triebszustand durch einen von der Mikroprozessoreinrichtung (ME) wirksam schaltbaren Fehlerwiderstand (RF) bekannter Grö­ ße die Schaltungsanordnung ständig auf ihre Funktionsfähig­ keit überprüfbar ist.