Überwachungseinrichtung für ein Stromnetz , Stromnetz sowie Verfahren zum Überwachen eines Stromnetzes

Die vorliegende Erfindung betri f ft eine Überwachungseinrichtung für ein Stromnetz , insbesondere für ein IT- Stromnetz , bevorzugt für ein IT-Gleichstromnetz . Ferner betri f ft die Erfindung ein Stromnetz , insbesondere ein IT-Stromnetz , bevorzugt ein IT-Gleichstromnetz , sowie ein Verfahren zum Überwachen eines solchen Stromnetzes .

In vielen Anwendungsbereichen der Elektrotechnik werden IT-Stromnetze verwendet . Dabei handelt es sich um ein Spannungsnetz innerhalb einer Elektroinstallation, bei welchem keine galvanische Verbindung zwischen aktiven Leitern und geerdeten Teilen besteht . Mit anderen Worten sind die aktiven Leiter gegenüber dem Erdpotential isoliert .

Um die I solationsspannung in einem solchen Stromnetz zu reduzieren, kann ein zentraler Massepunkt gesetzt werden . Das bedeutet , dass aus dem IT-Stromnetz praktisch ein sogenanntes TN-Netz wird, das heißt es besteht eine galvanische Verbindung zwischen elektrischen Leitern und dem Erdpotential . Insbesondere kann in einem Gleichstromnetz der Minuspol der Spannungsquelle mit dem Erdpotential galvanisch verbunden sein .

Bei einer solchen Anordnung besteht j edoch grundsätzlich die Gefahr, dass ein zweiter, ungewollter Erdschluss auftritt . Dieser kann beispielsweise durch eine Unterschrei- tung von Kriechstrecken in Folge von Verschmutzung oder durch eine Unterschreitung von Luftstrecken von Komponenten durch eine Spannungserhöhung erfolgen . In diesem Fall kann j e nach Lage der beiden Erdschlüsse , insbesondere in einem Netz mit in Reihe geschalteten Quellen, eine Umpolung der im Verbraucher anliegenden Gleichspannung oder gar eine Verdopplung der Versorgungsspannung stattfinden . Gleichermaßen kann j e nach Lage der Erdschlüsse eine Überbrückung von Schutzorganen statt finden .

Um sich vor diesem Risiko zu schützen, hat ein Betreiber eines solchen Stromnetzes vor dem Zuschalten der beabsichtigten Erdung, das heißt vor dem Wechseln von einem IT-Netz zu einem TN-Netz , die Möglichkeit , den I solations zustand seiner Anlage zu prüfen . Konkret kann dies dadurch geschehen, dass der Widerstand zwischen den einzelnen Phasen und dem Erdpotential gemessen wird . Wird der Grenzwert des I solationswiderstands unterschritten, so kann das Umschalten von einem IT-Netz zu einem TN-Netz unterbleiben .

Diese Vorgehensweise hat sich grundsätzlich bewährt . Jedoch besteht nach dem Zuschalten dieser gewollten Erdung für den Betreiber der Anlage keine Möglichkeit mehr, den Isolationswiderstand kontinuierlich zu überwachen . Auch wird dabei die Überbrückung einer Luftstrecke zwischen zwei spannungsbeaufschlagten Komponenten nicht detek- tiert . Einen solchen Fehler kann der Betreiber erst erkennen, wenn es zu einer Abschaltung durch entsprechende Sicherheitsorgane kommt .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Überwachungseinrichtung für ein Stromnetz zu schaf fen, welche die vorgenannten Nachteile vermeidet und insbesondere eine kontinuierliche Überwachung des I solations zustands eines Stromnetzes ermöglicht .

Diese Aufgabe ist bei einer Überwachungseinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst , dass diese eine Erdungsleitung, die von einem Anzapfende , an welchem die Erdungsleitung an einer Leitung oder einer Komponente eines Stromnetzes angeschlossen werden kann, zu einem Erdungsende , welches galvanisch mit dem Erdpotential verbunden oder verbindbar ist , verläuft , wobei in der Erdungsleitung ein Erdungsschalter angeordnet ist , der geöf fnet und geschlossen werden kann, um wahlweise eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Anzapfende und dem Erdungsende zu unterbrechen oder herzustellen, und eine Messeinrichtung besitzt , welche ausgebildet und geeignet ist , einen über die Erdungsleitung fließenden Isolationsstrom zu messen, wenn der Erdungsschalter geschlossen ist , so dass der Erdungsschalter bei Überschreiten eines Schwellenwertes für den I solationsstrom geöf fnet werden kann, um Beschädigungen an Leitungen oder Komponenten des Stromnetzes zu verhindern .

Dementsprechend wird die Aufgabe bei einem Verfahren zum Überwachen eines Stromnetzes , insbesondere eines IT- Stromnetzes , bevorzugt eines IT-Gleichstromnetzes , wobei an das Stromnetz eine erfindungsgemäße Überwachungsein- richtung angeschlossen ist , dadurch gelöst , dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst :

- Messen des I solationsstroms , welcher über die Erdungsleitung fließt , mittels der Messeinrichtung;

- Öf fnen des Erdungsschalters , wenn ein bestimmter Schwellenwert des I solationsstroms überschritten wird, um den Stromfluss über die Erdungsleitung zu unterbrechen .

Der Erfindung liegt somit die grundsätzliche Überlegung zugrunde , eine Erdungsleitung an das Stromnetz anzuschließen und kontinuierlich den I solationsstrom, welcher über diese Erdungsleitung fließt , zu überwachen . Der Erdungsschalter kann beim Überschreiten eines bestimmten Messwertes geöf fnet werden . Das Öf fnen des Erdungsschalters kann automatisiert erfolgen oder über ein Signal , aufgrund dessen ein Bediener den Erdungsschalter manuell öf fnet . Dadurch wird verhindert , dass eine ungewollte zweite Erdung an einer anderen Stelle im Stromnetz bei Komponenten zu Beschädigungen führen kann .

In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Überwa- chungseinrichtung kann die Messeinrichtung eine Hallsonde umfassen, um den durch die Erdungsleitung fließenden I solationsstrom zu ermitteln . Eine solche Hallsonde basiert auf dem Prinzip, dass durch einen Stromfluss stets ein Magnetfeld erzeugt wird . Die Stärke dieses Magnetfeldes kann ermittelt werden und somit ein unmittelbarer Rückschluss auf den durch die Erdungsleitung fließenden Strom gezogen werden . Eine solche Hallsonde , die auch als Durchsteckstromwandler bezeichnet wird, stellt eine einfache Möglichkeit dar, den I solationsstrom in der Erdungsleitung zu messen .

Bevorzugt ist die Hallsonde niederohmig ausgebildet . Das bedeutet , dass sie nur einen geringen elektrischen Widerstand aufweist , wodurch nur eine geringe Spannung über die Hallsonde abfällt . Dementsprechend ist im Normalbetrieb das Stromnetz über die Erdungsleitung sicher geerdet .

Die Messeinrichtung kann Anzeigemittel zum Anzeigen des über die Erdungsleitung fließenden I solationsstroms aufweisen . Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde , den I solationsstrom, welcher über die Erdungsleitung fließt , permanent zu überwachen und anzuzeigen . Dabei kann es sich insbesondere um optische Anzeigemittel handeln, beispielsweise eine Digitalanzeige oder eine Analoganzeige . Die Messeinrichtung kann auch mit einer Steuerungseinheit verbunden sein, welche den Messwert des Isolationsstroms kontinuierlich auswertet . Ferner können Alarmierungsmittel , insbesondere optische und/oder akustische Alarmierungsmittel , vorgesehen sein, um einen Bediener beim Überschreiten des Schwellenwertes für den I solationsstrom zu alarmieren . Dementsprechend kann vorgesehen sein, dass der Erdungsschalter manuell durch einen Bediener geöf fnet wird, wenn ein Schwellenwert des I solationsstroms überschritten wird . Mit anderen Worten wird ein optischer bzw . akustischer Alarm ausgelöst , wenn der I solationsstrom zu groß wird, so dass ein Bediener den Erdungsschalter öf fnen kann . In diesem Fall wird der Stromfluss über die Erdungsleitung unterbunden, so dass ein doppelter Erdschluss vermieden werden kann . Eine mögliche Erdung findet dann ausschließlich über den ungewollten zweiten Erdschluss statt . Die Beschädigung von Komponenten kann damit verhindert werden .

Alternativ oder ergänzend kann eine Schutzeinrichtung vorgesehen sein, welche ausgebildet ist , die Messeinrichtung automatisch vor einer Überlast durch zu hohe Ströme zu schützen . In konkreter Ausgestaltung kann die Schutzeinrichtung Betätigungsmittel aufweisen, welche ausgebildet und geeignet sind, den Erdungsschalter automatisiert zu öf fnen, wenn der Schwellenwert für den I solationsstrom überschritten wird . Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann dementsprechend vorgesehen sein, dass der Erdungsschalter automatisiert geöf fnet wird, wenn ein Schwellenwert des I solationsstroms überschritten wird . Durch einen solchen automatisierten Mechanismus zum Öf fnen des Erdungsschalters können individuelle Bedienungs fehler ausgeschlossen werden, beispielsweise wenn ein Bediener unkonzentriert oder gerade abgelenkt ist . Auch auf diese Weise kann sicher verhindert werden, dass bei einer ungewollten zweiten Erdung an einer anderen Stelle im Stromnetz Komponenten beschädigt werden . Die Schutzeinrichtung kann einen parallel zur Messeinrichtung geschalteten ström- oder spannungsabhängigen Widerstand aufweisen, um die Messeinrichtung vor Überlast zu schützen . Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde , dass bei einem hohen Stromfluss über die Erdungsleitung der Strom im Wesentlichen nicht über die Messeinrichtung fließen soll , sondern über einen parallel zu diesem geschalteten veränderlichen Widerstand . Das bedeutet , dass im Normalbetrieb der Widerstand, welcher parallel zur Messeinrichtung geschaltet ist , relativ hoch ist verglichen mit dem Widerstand der Messeinrichtung, so dass im Normalbetrieb der I solationsstrom fast ausschließlich über die Messeinrichtung fließt . Tritt nun ein weiterer, ungewollter Erdschluss im Stromnetz auf , so geht dies mit einer Erhöhung der Spannung zwischen dem Anzapfende der Überwachungseinrichtung und dem Erdungsende der Überwachungseinrichtung einher . Der parallel zur Messeinrichtung geschaltete Widerstand ist dabei so ausgestaltet , dass er sich bei steigender anliegender Spannung verringert , so dass nunmehr der hohe ( Fehler- ) Strom fast ausschließlich über diesen spannungsabhängigen Widerstand fließt und nicht über die Messeinrichtung . Auf diese Weise kann die Messeinrichtung sicher vor Überlast geschützt werden .

In konkreter Ausgestaltung kann die Messeinrichtung erdungsseitig von dem Erdungsschalter in der Erdungsleitung liegen .

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Stromnetz der eingangs genannten Art mit einer an einer Leitung oder an einer Komponente des Stromnetzes angeschlossenen Überwachungseinrichtung wie zuvor beschrieben . Das Stromnetz kann dabei mehrere in Reihe geschaltete Spannungsquellen aufweisen, wobei die Überwachungseinrichtung zwischen zwei in Reihe geschalteten Spannungsquellen angeschlossen sein kann . Für die weitere Ausgestaltung der Erfindung wird auf die Unteransprüche sowie auf die Beschreibung eines Aus führungsbeispiels eines Aus führungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung verwiesen . In der Zeichnung zeigen :

Figur 1 eine Uberwachungseinrichtung für ein IT-Strom- netz gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Figur 2 ein Stromnetz mit der Uberwachungseinrichtung aus Figur 1 .

Die Figur 1 zeigt eine Uberwachungseinrichtung 1 für ein IT-Gleichstromnetz gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Erdungsleitung 2 .

Die Erdungsleitung 2 verläuft von einem Anzapfende 3 , an welchem die Erdungsleitung 2 an einer Leitung oder Komponente des IT-Gleichstromnetzes angeschlossen werden kann, zu einem Erdungsende 4 , welches galvanisch mit dem Erdpotential verbunden ist .

In der Erdungsleitung 2 ist ein Erdungsschalter 5 angeordnet , der durch manuelle Betätigung geöf fnet und geschlossen werden kann . Dadurch kann wahlweise eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Anzapfende 3 und dem Erdungsende 4 unterbrochen bzw . hergestellt werden .

Erdpotentialseitig von dem Erdungsschalter 5 befindet sich eine Messeinrichtung 6 und in Parallelschaltung zu dieser eine Schutzeinrichtung 7 . Die Messeinrichtung umfasst eine Hallsonde 8 , mittels derer der I solationsstrom, welcher über die Erdungsleitung 2 fließt , gemessen werden kann . Dazu ist die Hallsonde niederohmig ausgebildet , so dass das Stromnetz auch über die Hallsonde 8 geerdet wird .

Die parallel zur Messeinrichtung 6 geschaltete Schutzeinrichtung 7 umfasst einen spannungsabhängigen Widerstand 9, welcher derart ausgestaltet ist , dass der elektrische Widerstand mit zunehmender anliegender Spannung sinkt .

In Figur 2 ist ein einfaches IT-Gleichstromnetz mit einer Überwachungseinrichtung 1 wie zuvor beschrieben, dargestellt . Das Stromnetz umfasst eine Gleichspannungsquelle 10 und als Verbraucher einen Motor 11 . In der Nähe des Minuspols der Gleichspannungsquelle 10 ist die Überwachungseinrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung angebracht . Konkret ist das Anzapfende 3 an der Leitung des Gleichstromnetzes angeschlossen .

Solange der Erdungsschalter 5 geöf fnet ist , ist die elektrische Verbindung zwischen dem Anzapfende 3 und damit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle 10 auf der einen Seite und dem auf Erdpotential gehaltenen Erdungsende 4 unterbrochen . In diesem Fall handelt es sich um ein IT- Stromnetz , was bedeutet , dass die elektrischen Leiter im Stromnetz von dem Erdpotential isoliert sind .

Soll eine Erdung vorgenommen werden, so kann der Erdungsschalter 5 geschlossen werden . In diesem Fall ist der Minuspol der Gleichspannungsquelle 10 mit dem Erdpotential elektrisch leitend verbunden . Das IT-Stromnetz wird dabei in ein TN-Netz umgewandelt . Im Normalbetrieb fließt ein bestimmter I solationsstrom über die Überwachungseinrichtung 1 .

Kommt es nun zu einem unerwarteten Erdschluss an einer anderen Stelle im Stromnetz , so kann sich j e nach Lage des zweiten Erdschlusses die Spannung im System verändern, so dass ein hoher Strom über die Erdungsleitung 1 fließen würde . In diesem Fall können Alarmierungsmittel vorgesehen sein, durch welche der Bediener veranlasst wird, den Erdungsschalter 5 zu öf fnen, um den doppelten Erdschluss zu unterbinden und somit Beschädigungen und Komponenten des Stromnetzes zu verhindern . Ein solches Öf fnen des Erdungsschalters 5 kann grundsätzlich auch automatisiert erfolgen, sobald die Hallsonde 8 die Überschreitung eines Schwellenwertes für den I solationsstrom f eststellt .

Sollte ein Bediener es versäumen, den Erdungsschalter 5 zu öf fnen, wird die Messeinrichtung 6 vor einer Überlast geschützt . Denn bei einem doppelten Erdschluss erhöht sich die zwischen Anzapfende 3 und Erdungsende 4 der Erdungsleitung 1 anliegende Spannung, so dass sich der elektrische Widerstand des spannungsabhängigen Widerstands 9 verringert . Dies hat zur Folge , dass der über die Erdungsleitung 1 fließende hohe Fehlerstrom nicht über die Messeinrichtung 6 fließt , sondern über den parallel zu dieser geschalteten Widerstand 9 . Auf diese Weise kann eine Beschädigung der Messeinrichtung 6 verhindert werden .

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde , so ist die Erfindung nicht durch die of fenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .