Die Erfindung betrifft eine Messanordnung mit einem Erdungspunkt zur Ermittlung des Isolationswiderstandes (R_iso) einer unter Spannung stehenden elektrischen Vorrichtung oder einer Anlage mit einer Versorgungsspannung (U_B) mit einem Pluspol und einem Minuspol, wobei zwei Schalter (S₁ und S₂) oder ein entsprechender Umschalter vorhanden sind, die jeweils einen Strompfad zwischen einem der beiden Pole und dem Erdungspunkt herstellen, um bei Auftreten ein oder mehrerer Isolationsfehler mit beliebigem Potentialbezug den sich insgesamt ergebenden Isolationswiderstand (R_iso) zu ermitteln.

In elektrischen Anlagen können durch Feuchtigkeit, Verschmutzung, Kurzschlüsse oder andere Ursachen Fehler in der Isolation zwischen einem spannungsführenden Anlagenteil und Erde auftreten.

Bei geerdeten elektrischen Anlagen entsteht durch einen solchen Fehler unmittelbar ein Stromfluss in der Erdverbindung, so dass die Isolation z.B. durch eine Strommessung in der Erdverbindung überwacht und der Fehler sofort behoben werden kann. Schwieriger ist die Überwachung in ungeerdeten Geräten oder Anlagen, wo die Erdverbindung erst durch die Verbindung mit einer anderen, geerdeten Anlage (z.B. Zuschaltung auf das öffentliche Netz) oder durch Berührung eines Anlagenteils entsteht. Ein Isolationsfehler führt hier zunächst zu keinem Stromfluss. Wird die Anlage jedoch nun (an einem anderem Punkt) berührt, ist durch die doppelte Verbindung nach Erde ein Stromkreis geschlossen, in dem gefährliche Körperströme fließen können. Ein ähnliches Problem tritt auf, wenn die Anlage mit einer geerdeten Vorrichtung verbunden wird: Hier fließt ein Strom über beide Vorrichtungen und kann diese beschädigen. Um solche Fehler zu vermeiden, ist es sinnvoll, regelmäßig den Isolationswiderstand der Anlage zu messen, damit bei Unterschreiten eines Grenzwertes geeignete Maßnahmen ergriffen werden können.

Zur Darstellung des Isolationszustands eines spannungsführenden Gerätes bzw. einer spannungsführenden Anlage sind verschiedene Ersatzschaltbilder (ESB) gebräuchlich. Bei Anlagen, die ausschließlich aus Plus- und Minuspol bestehen, wie z.B. Stromschienensystemen, ist es sinnvoll, alle Erdschlüsse am Pluspol in einem Widerstand Rp und alle Erdschlüsse am Minuspol in einem Widerstand R_n zusammenzufassen (Fig. 2). Bei Vorrichtungen, in denen auch beliebige Zwischenpotentiale auftreten, wie z.B. einem PV-Generator, kann es dagegen sinnvoller sein, ein ESB aus dem Isolationswiderstand R_iso und dem Potential U_x, auf dem ein Erdschluss auftritt, zu verwenden. Grundsätzlich sind beide ESB gleichwertig und können ineinander umgerechnet werden, so entspricht z.B. R_iso der Parallelschaltung aus R_n und R_p. Auch Fehlerfälle mit mehreren Erdschlüssen auf verschiedenen Potentialen können durch beide ESB erfasst werden. R_iso entspricht dabei immer der Parallelschaltung aller Leckwiderstände, während U_x bzw. das Verhältnis R_n/R_p einen Anhaltspunkt für die Lage der Erdschlüsse gibt.

Der Isolationswiderstand ist unproblematisch zu messen, wenn nur ein Isolationsfehler R_p zwischen Pluspol und Erde oder ein Isolationsfehler R_n zwischen Minuspol und Erde auftritt. Hierzu muss nur die Erde (PE) jeweils über bekannte, hochohmige Widerstände R_aux1, R_aux2 mit den beiden Polen verbunden werden und zwei der drei Spannungen

• Pluspol gegen Erde (U₁)
• Erde gegen Minuspol (U₂)
• Pluspol gegen Minuspol (U_B)

Treten gleichzeitig Isolationsfehler R_p und R_n auf, funktioniert das beschriebene Verfahren nicht mehr, da damit jeweils nur ein Wert R_n oder R_p ermittelt werden kann. Auch ein Erdschluss, der auf einem anderen Potential als Plus- oder Minuspol entsteht, kann nicht mit einem Ersatzschaltbild aus nur einem Widerstand beschrieben werden.

In der EP 1 265 076 wird daher ein erweitertes Verfahren beschrieben, bei dem zunächst die obige Messung durchgeführt wird, und anschließend über ein Schaltelement ein bekannter Widerstand zwischen Erde und einen der beiden Pole geschaltet wird, wonach wiederum Spannungsmessungen durchgeführt werden. Nachteilig an dieser Anordnung ist die geringe Messgenauigkeit, falls ein niederohmiger Isolationsfehler parallel zum geschalteten Zweig bestimmt werden soll. Durch das Parallelschalten des bekannten, hochohmigen Widerstands ändern sich die Spannungsverhältnisse nur geringfügig, so dass eine im Verhältnis zum Messbereich der Spannungsmessung sehr kleine Spannungsänderung ausgewertet werden muss. Der relative Messfehler steigt dadurch stark an.

Ein niederohmiger Isolationsfehler kann besser ausgewertet werden, wenn z.B. bei einem Isolationsfehler von Plus nach Erde der bekannte, hochohmige Widerstand zum Minuspol geschaltet wird und umgekehrt. In der DE 35 13 849 ist dies so vorgesehen, allerdings wird die zusätzliche Messung mit einem geschlossenem Schalter erst dann durchgeführt, wenn bei der Messung mit geöffneten Schaltern bereits Grenzwerte überschritten werden. Erdschlüsse, die nicht direkt am Plus- oder Minuspol auftreten, sondern auf Potentialen dazwischen, werden mit dieser Methode nicht unbedingt gefunden. So würde z.B. ein Erdschluss in der Mitte eines Photovoltaik-Generators zu keiner Änderung der gemessenen Spannung bei geöffneten Schaltern führen, so dass erst gar keine Messung bei geschlossenem Schalter durchgeführt würde und damit der Erdschluss nicht erkannt werden könnte. In den Zeichnungen zur DE 35 13 849 sind Umschalter abgebildet, die eine offene Mittelstellung besitzen, d.h. die Funktion entspricht der von zwei einzelnen Schaltern, die nicht gleichzeitig geschlossen werden können. Das Verfahren ist beispielsweise zum Überwachen der lsolationswiderstände einer elektrischen Anlage mit einer erdfreien Stromversorgung einer Fernmelde- oder signaltechnischen Einrichtung bekannt. Hierbei sind Gestelle zum Aufnehmen von Baugruppen vorhanden, die geerdet sind.

In der EP 0 833 423 wird die gleiche elektrische Anordnung beschrieben wie in der DE 35 13 849 , der Messablauf ist aber generell so definiert, dass ein Messzyklus eine Messung bei zwei geöffneten Schaltern und eine Messung mit einem geöffneten und einem geschlossenen Schalter umfasst. In der Schrift ist nicht angegeben, welcher der beiden Schalter geschlossen werden soll; sinnvoller Weise wird diese Entscheidung aber wie in der DE 35 13 849 getroffen. Setzt man ideale Messeinrichtungen voraus, könnte man mit diesem Verfahren beliebige Erdschlüsse exakt bestimmen. Dazu werden die in der Schrift angegebenen Berechnungsvorschriften $$R_{L1}=R_s\left(\frac{v_1}{v_2},\cdot ,\frac{v_2ʹ}{v_1ʹ},-,1\right)$$ $$R_{L2}=R_s\left(\frac{v_2ʹ}{v_1ʹ},-,\frac{v_2}{v_1}\right)$$

verwendet. Nachteilig ist, dass zur Berechnung der Leckwiderstände R_n (R_L1) und R_p (R_L2) die Messung von jeweils zwei Momentanwerten zwei verschiedener Spannungen und die Kenntnis des genauen Wertes des zugeschalteten Widerstands nötig ist. Da alle Messgrößen in der Praxis mit einem Messfehler behaftet sind, gehen die Messfehler beider Spannungen in die berechneten Widerstandswerte ein.

Diese Anordnung wird beispielsweise bei einem DC-System für die Londoner Untergrundbahn eingesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messanordnung zu schaffen, mit der eine genaue Messung des Isolationswiderstandes R_iso möglich ist, auch wenn jeweils Leckwiderstände nach Plus und nach Minus, R_p und R_n, gleichzeitig auftreten oder ein Leckwiderstand auf einem Zwischenpotential auftritt. Um den Einfluss möglicher Messfehler klein zu halten, sollen dabei möglichst wenige Messgrößen zur Berechnung von R_iso herangezogen werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Hierzu ist der Messablauf gegenüber dem Verfahren aus EP 0 833 423 so geändert, dass ein Messzyklus sowohl eine Messung mit geöffnetem Schalter S₁ und geschlossenem Schalter S₂ als auch eine Messung mit geöffnetem Schalter S₂ und geschlossenem Schalter S₁ umfasst.

In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 2 kann der sonstige Aufbau unverändert gelassen werden, insbesondere werden zwei hochohmige Widerstände R_S mit bekanntem, gleichem Wert in Reihe mit den beiden Schaltern verwendet. Wie leicht herzuleiten und zu überprüfen ist, können die Leckwiderstände R_n und R_p dann über die Beziehungen $$R_p=R_s\left(\frac{U_2}{U_2ʹ},-,1\right)$$ $$R_n=R_s\left(\frac{U_1ʹ}{U_1},-,1\right)$$

bestimmt werden. Dabei stellen die ungestrichenen Größen U₁, U₂ Messwerte bei geschlossenem Schalter S₁ und geöffnetem Schalter S₂ dar, während die gestrichenen Größen U1', U2' für die Messwerte bei geöffnetem Schalter S₁ und geschlossenem Schalter S₂ stehen.

In der Nomenklatur der EP 0 833 423 würden sich die Beziehungen $$R_{L1}=R_s\left(\frac{v_2}{v_2ʹ},-,1\right)$$ $$R_{L2}=R_s\left(\frac{v_1ʹ}{v_1},-,1\right)$$

ergeben. In beide Gleichungen geht jeweils nur noch eine Messgröße und damit nur noch ein Messfehler ein, so dass die Messgenauigkeit verbessert wird. Zur Bestimmung des Wertes für R_iso muss in bekannter Weise die Parallelschaltung aus R_n und R_p bestimmt werden.

Durch die erfindungsgemäße Messanordnung ist es möglich, den Isolationswiderstand mit hoher Genauigkeit zu messen. Durch das erfindungsgemäße Schalten der Schalter ergeben sich sehr handliche Gleichungen, die von einer Recheneinheit leicht und schnell berechnet werden können.

Ein wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine Messung mit hoher Genauigkeit auch dann möglich ist, wenn mehrere Leckwiderstände vorhanden sind. Die Messanordnung arbeitet also auch dann einwandfrei, wenn Leckwiderstände R_n und R_p gleichzeitig auftreten oder ein Isolationsfehler an einer Stelle auftritt, die nicht auf dem positiven oder dem negativen Pol liegt, beispielsweise in der Mitte eines Solargenerators. Mit einer einfachen Anordnung nach dem Stand der Technik, wie in Figur 2 beschrieben, wären die ermittelten Isolationswiderstände höher als tatsächlich, so dass der Benutzer sich fälschlicherweise in Sicherheit wiegen würde. Selbst mit den verbesserten Anordnungen nach EP 1 265 076 , DE 35 13 849 und EP 0 833 423 ist nur eine schlechtere Messgenauigkeit möglich, so dass mit der erfindungsgemäßen, verbesserten Messung geringere Sicherheitsaufschläge erforderlich sind, was bedeutet, dass bei einem einzuhaltenden Grenzwert für R_iso die Anlagenausfallhäufigkeit geringer ist. Damit ergibt sich eine höhere Verfügbarkeit der Anlage bei hohem Sicherheitsstandard für den Anlagenbetreiber.

In einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 3 kann man die beiden Spannungsmessvorrichtungen durch eine einzige Strommessvorrichtung zwischen dem Verbindungspunkt der beiden Schalter und Erde ersetzen (Fig. 4). Die beiden Widerstände R_S werden dann für die Messung nicht mehr benötigt, so dass auch ihre Toleranzen nicht mehr in die Messgenauigkeit eingehen. Wie bei der ersten Ausgestaltung läuft die Messung so ab, dass ein PE-Leiter (Erde) über ein Schaltglied, beispielsweise ein Relais nacheinander mit dem Plus- und dem Minuspol der Versorgungsspannung verbunden wird, wobei jetzt jeweils die Ströme in den geschalteten Verbindungen gemessen werden.

Wenn I_PE der Strom bei geschlossenem Schalter S₁ und geöffnetem Schalter S₂ und I_PE' der Strom bei geschlossenem Schalter S₂ und geöffnetem Schalter S₁ ist, ergibt sich $$R_n=\frac{U_B}{I_{PE}}$$ $$R_p=\frac{U_B}{-I_{PE}ʹ}$$ $$R_{\mathit{iso}}=\frac{U_B}{I_{PE}-I_{PE}ʹ}$$

Ein Offsetfehler der Strommessung hat durch die Differenzmessung keinen Einfluß auf den ermittelten R_iso-Wert, so dass die Messgenauigkeit wiederum verbessert wird.

In einer bevorzugten dritten Ausgestaltung gemäß Anspruch 4 der Erfindung wird die aufwendige potentialfreie Strommessung an einen der beiden Pole der Anlage verlegt, so dass die Auswertung leichter durch einen Mikroprozessor mit entsprechendem Bezugspotential erfolgen kann (Fig. 5). Dazu wird ein Schalter S₂ nicht direkt an einen Pol angeschlossen, sondern über eine Stromquelle, die eine im Verhältnis zur Betriebsspannung U_B vernachlässigbare Versorgungsspannung benötigt. Diese wird durch einen entsprechend angesteuerten Transistor, z.B. einen bipolaren Transistor mit möglichst hoher Stromverstärkung oder einen Feldeffekttransistor, zur Verfügung gestellt. Der Kollektor- bzw. Drainanschluss des Transistors wird mit dem nicht mit PE verbundenen Anschluss des zweiten Schalters S₁ verbunden. Zwischen diesem Verbindungspunkt und dem zweiten Pol wird eine Strommesseinrichtung angeschlossen. Wenn I_plus der Strom bei geschlossenem Schalter S₁ und geöffnetem Schalter S₂ und I_plus' der Strom bei geschlossenem Schalter S₂ und geöffnetem Schalter S₁ ist, ergibt sich $$R_n=\frac{U_B}{I_{\mathit{plus}}-I_{\mathit{const}}}$$ $$R_p=\frac{U_B}{{-I}_{\mathit{plus}}ʹ+I_{\mathit{const}}}$$ $$R_{\mathit{iso}}=\frac{U_B}{I_{\mathit{plus}}-I_{\mathit{plus}}ʹ}$$

Wiederum durch die Differenzmessung gehen sowohl Offsetfehler der Strommessung wie auch Streuungen der Stromquelle nicht in die Berechnung ein, so dass auch hier eine hohe Messgenauigkeit erzielt wird. Zur einfachen Auswertung der Messung durch einen Mikrocontroller kann der Strom l_plus über einen Shunt geführt werden, der an einen A/D-Wandler im Mikrocontroller angeschlossen ist. Der Mikrocontroller kann dann nacheinander die Messwerte für U_B, l_plus und l_plus aufnehmen und die Berechnung von R_iso vornehmen.

Besonders vorteilhaft stellt sich die Messung des Isolationswiderstandes bei Photovoltaik-Anlagen zur elektrischen Energieerzeugung dar. Durch eine präzise Überwachung auf Erdschlüsse kann eine Gefährdung von Personen oder empfindlichen elektronischen Geräten rechtzeitig erkannt werden, selbst wenn mehrere Isolationsfehler auf unterschiedlichen Potentialen auftreten.

Besonders vorteilhaft ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Messanordnung bei transformatorlosen Wechselrichtern. Für diese Wechselrichter sind niederohmige Erdschlüsse auch in der Generatormitte eine Gefahr, da hierdurch der Wechselrichterausgang praktisch kurzgeschlossen wird. Die resultierenden hohen Ströme können zur Beschädigung bzw. Zerstörung der Leistungshalbleiter führen. Schäden an den Halbleitern des Wechselrichters können zwar durch andere Sicherheitsmaßnahmen wie Stromüberwachung vermieden werden, die Fehlerursache würde aber nicht angezeigt. Die Suche nach dem Fehler wäre dann langwierig und kostspielig, wenn keine Messung des Isolationswiderstandes erfolgt. Die erfindungsgemäße Isolationswiderstandsmessung kann rechtzeitig den Fehler anzeigen sowie das Zuschalten des Wechselrichters auf das öffentliche Netz verhindern. Durch die Erfindung können insbesondere transformatorlose Wechselrichter zuverlässig geschützt und Ausfallzeiten wirksam verkürzt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielhaft näher erläutert.

Fig. 1

zeigt den Aufbau einer netzgekoppelten Photovoltaik-Anlage mit Isolationsfehlern;

Fig. 2

zeigt das Ersatzschaltbild einer Anlage mit einer einfachen Messanordnung zur Bestimmung eines einzelnen Leckwiderstands R_n oder R_p;

Fig. 3

zeigt eine Darstellung der Erfindung in einer ersten Ausgestaltung mit Spannungsmessung;

Fig. 4

zeigt eine Darstellung der Erfindung in einer zweiten Ausgestaltung mit einer Strommessung;

Fig. 5

zeigt eine Darstellung der Erfindung in einer dritten Ausgestaltung mit einer indirekten Strommessung mit Hilfe einer Konstantstromquelle und eines Transistors;

Fig. 1 zeigt eine netzgekoppelte Photovoltaik-Anlage als Beispiel für eine auf Isolationsfehler zu überwachende Anlage. Bestandteile der Anlage sind ein Photovoltaik-Generator 1 aus mehreren Solarzellen 2 und ein Wechselrichter 3, der an ein Wechselspannungsnetz 4, das mit der Erde 5 verbunden ist, angeschlossen ist. Die Anlage besitzt einen Pluspol 6 und einen Minuspol 7. Der Wechselrichter 3 besteht beispielsweise aus einem Pufferkondensator 8, Leistungshalbleitern 9, Speicherdrosseln 10 und einer Vorrichtung zur Netzzuschaltung 11.

Weiterhin sind als Beispiele für mögliche Isolationsfehler im Photovoltaik-Generator oder Wechselrichter ein Leckwiderstand R_p 12 zwischen Pluspol 6 und Erde 5, ein Leckwiderstand R_n 13 zwischen Minuspol 7 und Erde 5 sowie ein Leckwiderstand R_x 14 von einem beliebigen Potential nach Erde 5 eingezeichnet. Es gilt: $$R_{\mathit{iso}}=\frac{1}{\frac{1}{R_p}+\frac{1}{R_n}+\frac{1}{R_x}}$$

Das Vorhandensein der Isolationsfehler führt bei Berührung von Anlagenteilen zu Körperströmen und damit zur Gefährdung von Personen. Beim Zuschalten des Netzes ergibt sich ein Stromfluss durch die gesamte Anlage, was zur Beschädigung bzw. Zerstörung der Bauteile der Anlage führen kann.

Ein einzelner Isolationsfehler am Plus- oder Minuspol, d.h. ein einzelner Leckwiderstand R_p oder R_n, kann mit einer einfachen Anordnung nach Fig. 2 bestimmt werden. Dazu sind Hilfswiderstände R_aux1 und R_aux2 erforderlich. Da Rp bzw. R_n zu einem der bekannten, hochohmigen Widerstände R_aux1 und R_aux2 parallel liegt, kann mit Hilfe der Spannungsteilerregel der Wert der Parallelschaltung und damit auch der Wert von R_n bzw. R_p ermittelt werden.

Fig. 3 zeigt eine erste Ausgestaltung der Erfindung. Der gezeigte Aufbau wird auch in der EP 0 833 423 verwendet. Erfindungsgemäß wird jedoch ein Messzyklus so definiert, dass eine erste Messung bei geschlossenem Schalter S₁ und geöffnetem Schalter S₂ und anschließend eine zweite Messung bei geschlossenem Schalter S₂ und geöffnetem Schalter S₁ durchgeführt wird. Dadurch ergeben sich, wie bereits ausgeführt wurde, einfache Gleichungen mit wenig Fehlereinflüssen.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausgestaltung der Erfindung. Hierbei ist eine Strommesseinrichtung zwischen Erde 5 und dem Verbindungspunkt der beiden Schalter vorgesehen, um den Strom zur Berechnung des Isolationswiderstandes zu messen. Der Messzyklus bleibt gegenüber der Vorschrift zu Fig. 3 unverändert.

Fig. 5 zeigt eine bevorzugte dritte Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser erfolgt eine indirekte Strommessung. Die Schaltung nutzt eine zusätzliche Konstantstromquelle, die den konstanten Strom I_const liefert. Der Schalter S₂ wird nicht direkt auf den Pluspol geschaltet, sondern über die Stromquelle. Zusätzlich ist ein MOSFET mit geeigneter Ansteuerung U_G den beiden Schaltern S₁ und S₂ parallel geschaltet. Von Vorteil ist hierbei, dass statt des Stromes I_PE mit Bezug zur Erde 5 ein Strom l_plus mit Bezug zum Pluspol der Anlage gemessen wird. Der Strom kann so, z.B. über einen Shunt, gut mit einem Mikroprozessor gemessen werden, dessen Bezugspotential auf diesem Pol liegt. Wie auch bei der Ausgestaltung nach Fig. 4 ist bei dieser Lösung eine genaue Messung ohne hochpräzise Widerstände möglich.

Mit dem vorgestellten Verfahren und den beschriebenen Messanordnungen kann also der Isolationswiderstand R_iso eines unter Spannung stehenden elektrischen Gerätes oder einer Anlage mit einem Pluspol 6 und einem Minuspol 7 bestimmt werden. Beide Schalter S₁, S₂ stellen beim Schließen jeweils einen Strompfad zwischen Erde und einem der beiden Pole 6,7 her. Mit dieser Anordnung können Isolationsfehler an beiden Polen 6,7, auf beliebigen Potentialen dazwischen sowie beliebige Kombinationen dieser Fehlerfälle erfasst werden. Der sich insgesamt ergebende Isolationswiderstand kann in einfacher Weise sehr genau ermittelt werden.

1

Photovoltaik-Generator

2

Solarzellen

3

Wechselrichter

4

Wechselspannungsnetz

5

Erde (PE)

6

Pluspol

7

Minuspol

8

Pufferkondensator

9

Leistungshalbleiter

10

Speicherdrossel

11

Vorrichtung zur Netzzuschaltung

12

Stromquelle

13

Transistor

R_iso

Isolationswiderstand

Rp

Leckwiderstand am Pluspol

R_n

Leckwiderstand am Minuspol

R_x

Leckwiderstand auf Zwischenpotential

U_B

Betriebsspannung der Anlage vom Plus- zum Minuspol

U_x

Ersatzspannung zur Beschreibung der Lage von Isolationsfehlern

U₁

Spannung zwischen Pluspol und Erde

U₂

Spannung zwischen Erde und Minuspol

R_aux1

erster Hilfswiderstand in einfacher Messschaltung

R_aux2

zweiter Hilfswiderstand in einfacher Messschaltung

S₁

erster Schalter

S₂

zweiter Schalter