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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Schutzleiters eines Versorgungsnetztes und eine dementsprechend konfigurierte Überwachungseinrichtung.
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Der Schutzleiter übernimmt in Elektroinstallationen eine wesentliche Rolle und, wie sein Name schon andeutet, bietet einen Schutz vor elektrischem Schlag. In Fällen, in denen es durch einen Gerätefehler zu einer Verbindung zwischen einem aktiven bzw. spannungsführendem Leiter mit einem leitfähigen Teil des Gerätes kommt, beispielsweise einem metallischen Gehäuse, zieht der Schutzleiter dieses ansonsten unter Spannung stehende Teil auf Erdpotenzial. Dadurch kann verhindert werden, dass bei Berührung des fehlerhaft unter Spannung stehenden Teils ein lebensbedrohlicher Strom durch den Körper eines Menschen gegen Erde fließt.
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Da dem Thema eine große Bedeutung im Hinblick auf Betriebssicherheit von Elektrogeräten zukommt, sind aus dem Stand der Technik zahlreiche Systeme und Verfahren zum Überwachen einer Intakten Schutzleitung bekannt. Beispielsweise ist in Druckschrift
DE 10 2011 108 716 A1 ein System offenbart, welches eine Lokalisierung und Identifikation eines Isolierungsfehlers für ein elektrisches Leistungssystem mit isoliertem Nullleiter ermöglicht. Dazu werden zwei Frequenzen in ein Leistungssystem injiziert, so dass eine entsprechende Spannung mittels Impedanzmessung ermittelt wird. Zweckmäßigerweise sind beide Frequenzen niedriger als die Frequenz F
0 des Leistungssystems und Mehrfache, speziell ein ganzzahliges Vielfaches voneinander.
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Ferner offenbart Druckschrift
US 4,528,497 A ein Verfahren und eine Messvorrichtung zum separaten Leitungsüberwachen von Erdungsfehlern in einem nicht geerdeten Energieverteilungssystem, wobei der maximale Strom innerhalb einer Schleife mit niedriger Impedanz zwischen einem Leiter und der Erdung angezeigt wird. In dem Verfahren werden zwei Messsignale mit bekannten, aber unterschiedlichen Frequenzen verwendet, welche sich von der Netzfrequenz unterscheiden und nicht harmonisch zusammenhängen, um ein Spannungsantwortsignal zu ermitteln.
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Druckschrift
DE 10 2019 132 071 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Überwachen eines Versorgungsnetzes mit aktiven Leitern und einem Schutzleiter. Die Vorrichtung weist einen Stromsteller auf, wobei der Stromsteller dazu ausgebildet ist, bei Anschluss des Versorgungsnetzes einen Stromfluss in einer Stromschleife einzuleiten, welche unter anderem den Schutzleiter und einen aktiven Leiter umfasst. Ferner ist eine Signalerfassungsanordnung vorgesehen und dazu ausgebildet, ein erstes Signal an einem vorgegebenen Punkt der Stromschleife zu erfassen und einer Auswertevorrichtung eine Information über die Impedanz der Stromschleife bereitzustellen. Durch Auswerten dieser Information kann ermittelt werden, ob der Schutzleiteranschluss sehr schlecht oder nicht vorhanden ist.
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Obgleich die in der zuvor erwähnten Druckschrift offenbarte Überwachungsvorrichtung eine zuverlässige Erkennung bietet, ob der Schutzleiter schlecht oder gar nicht vorhanden ist, so kann es zu Problemen kommen, wenn mehrere solcher Überwachungsvorrichtungen in Elektrogeräten verwendet werden, die parallel an einem Netzanschluss betrieben werden. Ein solches Szenario kann sich beispielsweise in gleichzeitig in einem Teil einer Wohnsiedlung angeschlossenen und verwendeten Ladeboxen bzw. Ladegeräte oder insbesondere in einem Ladepark mit mehreren Ladepunkten ergeben. Werden mehrere solcher Elektroinstallationen gleichzeitig an einem Netzanschuss (damit ist beispielsweise eine gemeinsame Sekundärseite eines lokalen Niederspannungs-Transformators gemeint) betrieben, so tritt in Abhängigkeit von der Anzahl der gleichzeitig das Versorgungsnetz vermessenden Überwachungsvorrichtungen ein unbekannter Spannungsabfall über die Schutzleiterstrecke auf, die Teil der Überwachungs-Stromschleife in allen Überwachungsvorrichtungen ist. Dadurch kann das Messergebnis zur Bestimmung der Impedanz je nach Fall mehr oder minder stark verfälscht werden, wodurch es zu Fehlfunktionen kommen kann, wie etwa unnötigen Sicherheitsabschaltungen der Ladevorgänge aufgrund eines vermeintlich degradierten Schutzleiters.
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Im Lichte des vorgenannten Standes der Technik kann die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin gesehen werden, ein Verfahren und eine entsprechende Messvorrichtung bereitzustellen, die es ermöglichen, mehrere Einheiten gleichzeitig zuverlässig und fehlerfrei an einem Netzanschluss zu betreiben, wie es etwa in einem Ladepark vorkommen kann.
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Diese Aufgabe wird mittels des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.
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Die vorliegende Erfindung basiert hinsichtlich ihrer hardwaremäßigen Implementierung auf dem PE-Monitor (Schutzleiter-Überwachungsvorrichtung) welcher in der im einleitenden Teil dieser Beschreibung angeführten Patentanmeldung
DE10 2019 132 071 A1 offenbart ist. Das in Zusammenhang mit dem PE-Monitor erwähnte Betriebsverfahren ist jedoch dahingehend beschränkt, dass nur ein solcher PE-Monitor fehlerfrei an einem Netzanschlusspunkt betrieben werden kann. Die vorliegende Erfindung baut auf dem in der genannten Druckschrift offenbarten PE-Monitor auf und stellt ein erfindungsgemäßes Betriebsverfahren für diesen Bereit, wodurch mehrere derartige PE-Monitore gleichzeitig fehlerfrei in einem (lokalen) Versorgungsnetz betreiben werden können.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt die Messung des Schleifenwiderstandes in zwei Messungen, welche in einem PE-Monitor parallel und unabhängig voneinander durchgeführt werden können. So gibt es die Schleifenwiderstandsmessung in einer schnellen, kontinuierlich durchgeführten ersten Variante, und in einer langsamen, in zeitlichen Abständen durchgeführten zweiten Variante. Die Begriffe „schnell“ und „langsam“ stellen hierbei auf die Detektions- bzw. Reaktionsgeschwindigkeit der beiden Messvarianten auf eine sich plötzlich einstellende Veränderung der Impedanz ab.
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Wie nachfolgend erläutert, liefert die erste Variante ein im Verglich zur zweiten Variante genaueres Messergebnis. Schleichende Veränderungen des Schutzleitergüte und damit der Schleifenimpedanz können mittels der langsamen Messvariante und mittels eines exakten Schwellwerts erfasst werden. Plötzlich auftretende Änderungen, wie etwa das Abreisen des Schutzleiters, werden durch die schnelle Messvariante erfasst und mit einem entsprechend höher angesetztem Schwellwert verglichen. Eine kontinuierliche Überwachung des Schutzleiters durch mehrere Einheiten wird ermöglicht und erlaubt so eine Abschaltung der dazugehörigen Elektroinstallation, z.B. einer Ladesäule, innerhalb einer sehr kurzen Zeit, etwa innerhalb eines Zeitfensters von 40ms.
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In verschiedenen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Überwachen eines Schutzleiters eines Versorgungsnetzes bereitgestellt, wobei das Versorgungsnetz mindestens einen Phasenleiter, einen Neutralleiter und den Schutzleiter umfasst, wobei der Neutraleiter versorgungsnetzseitig mit dem Schutzleiter gekoppelt ist. Wie nachfolgend erläutert, kann das erfindungsgemäße Verfahren sowohl in einem TN-Netz verwendet werden, in dem im Normallfall eine niederohmige Verbindung zwischen dem N-Leiter und dem Schutzleiteranschluss vorhanden ist, als auch in einem TT-Netz, bei dem der Widerstandswert dieser Verbindung in vielen Fällen höher ausfällt. Ermöglicht wird dieses durch die Verwendung von zwei Varianten der Impedanzmessung, wovon eine einen genauen Messwert liefert, welcher zur Eichung bzw. zum Scharfstellen der zweiten Variante dienen kann. Die zweite Variante der Impedanzmessung kann dann schnell große Veränderungen/Abweichungen der Impedanz von deren genau ermitteltem Messwert detektieren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist Ermitteln eines ersten Wertes einer Schleifenimpedanz mittels einer ersten Messung, bei der ein erstes Testsignal mit einer ersten Frequenz kontinuierlich in eine Stromschleife eingespeist wird, welche den Neutralleiter und den Schutzleiter umfasst. Das erste Testsignal kann insbesondere einen ersten Prüfstrom, etwa einen Wechselstrom aufweisen, welcher in die Stromschleife eingespeist wird. Durch eine kontinuierliche Messung des Spannungsabfalls innerhalb der Stromschleife kann deren Impedanz überwacht werden. Die gemessene Spannungsänderung setzt sich dabei zusammen aus Spannungsabfällen über einen gemeinsamen Widerstand, der von allen potentiellen Überwachungsvorrichtungen, die an einen Netzanschlusspunkt angeschossen sind, erfasst wird, und einen lokalen bzw. individuellen Widerstand, der nur vom dem jeweiligen Überwachungsvorrichtung erfasst wird. Der individuelle Widerstand kann dabei alle Widerstände aufweisen, welche im Strompfad des Gerätes anfallen, in dem die Überwachungsvorrichtung verortet ist, zum Beispiel den Übergangswiderstand der Steckverbindung des Ladekabels im Falle einer elektrischen Ladevorrichtung. Der gemeinsame Widerstand ist hingegen auf der Seite des Versorgungsnetzes verortet und beträgt üblicherweise einige wenige Ohm (1-10 Ohm).
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist ferner Ermitteln eines zweiten Wertes der Schleifenimpedanz in einer zweiten Messung auf Basis eines zweiten Testsignals mit einer zweiten Frequenz auf, welches in zeitlichen Abständen in die Stromschleife eingespeist wird, wobei die zweite Frequenz von der ersten Frequenz unterschiedlich ist. Die zweite Messung entspricht grundsätzlich der ersten Messung, nur das hierbei das Testsignal a) eine andere Frequenz hat und b) nicht kontinuierlich, sondern in zeitlichen Abständen und daher nur für eine gewisse Dauer eingespeist wird. Demnach handelt es sich bei der zweiten Messung um eine intermittierend durchgeführte Messung. Daher kann die zweite Messung auch als Burst-Messung bezeichnet werden.
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Eine gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren konfigurierte Überwachungseinrichtung kann bei Anschluss an ein Versorgungsnetz gleich zu Beginn die erste Messung aktivieren und damit die Spannungsantwort kontinuierlich auswerten. Es erfolgt allerdings noch keine unmittelbare Bewertung, bis mindestens ein zweiter Wert der Schleifenimpedanz, bevorzugt eine vorbestimmte Anzahl an zweiten Werten der Schleifenimpedanz ermittelt worden sind.
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Die zwei Messungen erfolgen auf Basis von Testsignalen mit unterschiedlichen Frequenzen. Zweckmäßigerweise können die Frequenzen im Falle eines 50 zwischen 300 und 400 Hz liegen. Dieser Arbeitsbereich hat sich in Tests bewährt, da er einen guten Kompromiss zwischen einerseits einem gewünschten großen Filterabstand zur Netzfrequenz und anderseits einer möglichst kleinen Messfrequenz aufgrund kapazitiver Anteile der Impedanz darstellt durch üblicherweise zahlreiche in der betrachteten Versorgungsinfrastruktur verschaltete Kapazitäten. Ferner können die beiden Frequenzen zwischen zwei benachbarten Oberwellen der Netzfrequenz liegen, um Schwebungseffekte zu reduzieren, also beispielsweise bei 325 und 375 Hz für ein 50 Hz Versorgungsnetz System. Es sollte jedoch klar sein, dass die Zahlenwerte nur ein mögliches Anwendungsszenario darstellen und nicht als einschränkend für den Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens zu sehen sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Frequenz der Testsignale derart gewählt werden, dass die Nullstellen der Netzspannung mit Nullstellen der Testsignale zusammenfallen bzw. mit diesen synchronisiert sind. Das bedeutet, dass die Frequenz der Testsignale einem Vielfachen der Netzfrequenz entspricht. Die Synchronisation der Nullstellen der Netzspannung mit den entsprechenden Nullstellen der Testsignale (Hinweis: da die Frequenz der Testsignale stets größer ist als die Frequenz der Netzspannung, fallen logischerweise nicht alle Nullstellen der Testsignale mit Nullstellen der Netzspannung zusammen) sorgt für ein automatisches „Nachziehen“ der Frequenz der Testsignale, falls die Netzfrequenz eine Drift aufweist. Dabei können die Nullstellen der Netzspannung als Startpunkte für die Generierung der Testsignale verwendet werden. Durch die Synchronisation von Nullstellen der Netzspannung mit Nullstellen der Testsignale können diese besser herausgefiltert und damit von der Netzspannung und deren Oberwellen getrennt werden.
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In einem weiteren Schritt weist das erfindungsgemäße Verfahren Ausgeben eines Fehlersignals auf, wenn i) der erste Wert der Schleifenimpedanz über einem ersten Schwellenwert liegt; und/oder ii) der zweite Wert der Schleifenimpedanz über einem zweiten Schwellenwert liegt, wobei der erste Schwellenwert größer ist als der zweite Schwellenwert. Die Ausgabe des Fehlersignals kann beispielsweise bewirken, dass die dazugehörige Elektroinstallation den Benutzer über eine nicht ausreichend vorhandenen Schutz vor Stromschlag warnt oder sogar die Inbetriebnahme verweigert wird und beispielsweise ein Ladevorgang eines Elektroautos nicht startet.
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Da die erste Messung von mehreren Teilnehmern durchgeführt wird, die gemeinsam an einen Netzanschlusspunkt angeschlossen sind, ist damit zu rechnen, dass weitere Überwachungseinheiten bereits ein erstes Testsignal in Form eines Prüfstroms durch den gemeinsamen Widerstand aussenden. Der gemessene erste Wert der Schleifenimpedanz wird daher als mit einem Fehler behaftet angesehen aufgrund des unbekannten Spannungsabfalls über den gemeinsamen Widerstand. Er wird daher zunächst als vorläufig betrachtet und wird mit dem Ergebnis der zweiten Messung in Relation gesetzt.
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Es kann davon ausgegangen werden, dass Fehler durch den Beitrag des unbekannten Spannungsabfalls über den gemeinsamen Widerstand in erster Näherung mit der Anzahl der die Schleifenimpedanz bestimmenden Teilnehmern skaliert. Da jedoch der gemeinsame Widerstand bei intaktem Versorgungsnetz üblicherweise eher klein ausfällt, ist der Fehlerbeitrag üblicherweise klein und der wertemäßige Abstand zu einem tatsächlichen Leitungsabriss groß. Durch einen entsprechend groß gewählten ersten Schwellenwert kann diesem Umstand Rechnung getragen werden und die erste, kontinuierlich ablaufende Messung kann eine Überwachung der Impedanz in Echtzeit bereitstellen, mittels welcher schnell große Impedanzsprünge detektiert werden können. Der erste Schwellenwert kann beispielsweise so gewählt werden, dass der Schutzleiterwiderstand erst dann als fehlerhaft oder ein Gefahrenpotential darstellend erachtet wird, wenn sein Wert einige Zehn bis einige wenige Hundert Ohm überschreitet. Hierdurch kann die Fehlertoleranz der ersten Messung gegenüber dem fehlerhaften Beitrag der Impedanz aus der Sphäre des Schutzleiters erhöht werden und das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber Fehlalarmen robuster gemacht werden.
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Wenn der erste Wert der Schleifenimpedanz mit dem zweiten Wert der Schleifenrelation in Relation gesetzt wird, können im Prinzip zwei Fälle unterschieden werden.
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Für den Fall, dass der gemeinsame Widerstand deutlich kleiner ist als der individuelle Widerstand erfolgt keine nennenswerte Abweichung der beiden Messergebnisse, also des ersten Wertes der Schleifenimpedanz vom zweiten Wert der Schleifenimpedanz, da keine bzw. nur ein sehr geringer Fehlerbetrag aus der Überlagerung der Spannungen an dem (relativ kleinen) gemeinsamen Widerstand stattfindet. Ein Abriss des lokalen Widerstands kann sofort erfasst werden. Ein Abriss des gemeinsamen Widertandes kann ebenfalls sofort erfasst werden. Ausgenommen ist hier der Fall, dass sich die Testströme exakt aufheben (diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird weiter unten erläutert). Das primäre Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in der Erkennung des lokalen Widerstands zur Erreichung der Schutzziele gesehen werden, da ein plötzlicher Abriss des Schutzleiterwiderstands am Netzanschlusspunkt als sehr selten eingeschätzt wird.
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In dem gegensätzlichen Fall, dass nämlich der gemeinsame Widerstand einen nennenswerten Beitrag aufweist und in etwa dem lokalen Widerstand entspricht oder sogar größer ist, liegt der mittels der ersten Messung ermittelte erste Wert der Schleifenimpedanz über dem zweiten Wert der Schleifenimpedanz, der mittels der zweiten Messung ermittelt worden ist und er ist abhängig von der Anzahl an Teilnehmern, die parallel eine erste Messung an dem gemeinsamen Versorgungsnetz durchführen. Unterscheidet sich Wert des gemeinsamen Widerstandes zwischen den beiden Messungen um mehr als den Faktor zwei, so kann davon ausgegangen werden, dass mehr als zwei Teilnehmer gleichzeitig eine erste Messung der Schleifenimpedanz an dem gemeinsam genutzten Versorgungsnetzteil vornehmen. Hier kann beispielsweise aus der Größe der Überhöhung des Wertes des gemeinsamen Widerstandes die Anzahl der parallel messenden Teilnehmer abgeschätzt werden und der im Rahmen der ersten Messung ermittelte (ungenaue) Wert auf Basis des im Rahmen der zweiten Messung ermittelten (exakten) Wertes korrigiert werden.
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Die zweite Messung, welche bei einer anderen Frequenz des Testsignals erfolgt, findet in zeitlichen Abständen statt. Dabei sendet die Überwachungseinrichtung ein Wellenpaket definierter Länge auf der für die zweite Messung vorgesehenen Frequenz aus und berechnet aus der Spannungsantwort den dazugehörigen zweiten Wert der Schleifenimpedanz. Die zweite Messung kann insbesondere in unregelmäßigen Abständen wiederholt werden, wodurch stochastisch betrachtete nach einer gewissen Zeit mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit korrekte bzw. exakte zweite Werte der Schleifenimpedanz ermittelt worden sind. Die Verwendung der zweiten Testfrequenz, also sozusagen des zweiten Testkanals, erfolgt daher in einer Art Zeitmultiplex-Verfahren. Zufällige Kollisionen zwischen zweiten Testsignalen unterschiedlicher Teilnehmer auf der zweiten Frequenz können z.B. durch einmalige Abweichungen in der Testreihe erkannt und verworfen werden. Die Wahrscheinlichkeit einer Kollision kann aktiv beeinflusst werden durch Vergrößerung des zufälligen Pausenabstands. Ferner können orthogonale Codes in der Modulation des zweiten Testsignals verwendet werden, um Kollisionen zu vermeiden und die Anzahl der zu einer Bestimmung eines zuverlässigen zweiten Wertes der Schleifenimpedanz nötigen Messzyklen zu reduzieren.
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Der mittels der zweiten Messung ermittele zweite Wert der Schleifenimpedanz kann als exakt angenommen werden. Daher kann der zweite Schwellenwert im Hinblick auf den Beitrag des Schutzleiters viel strenger gewählt werden als der erste Schwellenwert. Die zweite Messung erlaubt insbesondere die Erkennung schleichender Prozesse bei der Degradation des Schutzleiters, die zu einem langsamen und eher kleinskaligen Anstieg der gemessenen Schleifenimpedanz führen. Die Genauigkeit der zweiten Messung wird jedoch durch ein im Vergleich zur ersten Messung langsameres Ansprechen erkauft, da es unter umständen eine mehr oder minder große Anzahl von Warte- und Sendezyklen dauern kann, bis die zweite Messung einen genauen Messwert etablieren kann. Wegen der relativ geringen Aktualisierungsrate der zweiten Messung bei normaler Genauigkeit, die eine exakte Messung des Schleifenwiderstands ermöglicht, ist die zweite Messung für sich alleine genommen zu langsam für eine Reaktion im Falle eines gefährdenden Ereignisses, etwa eines kompletten Versagens des Schutzleiters. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden daher gewissermaßen zwei komplementäre Messverfahren kombiniert, um insgesamt ein hinsichtlich Aktualisierungsrate und Genauigkeit optimal arbeitendes Verfahren bereitzustellen. Insbesondere kann der zweite Wert der Schleifenimpedanz zur Kalibrierung der kontinuierlichen ersten Messung, also etwa zur dynamischen Einstellung des ersten Schwellenwertes, verwendet werden.
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Im Allgemeinen kann davon ausgegangen werden, dass die Schleifenimpedanz bei Vernachlässigung und/oder Vermeidung kapazitiver Anteile durch den Realteil, also den Widertand, dominiert wird. Da es sich bei den zu ermittelnden Widerständen um eher kleine Werte handelt, sollten die Frequenzen der Testsignale nicht zu hoch gewählt werden, da sonst der Beitrag der Scheinwiderstände einen dominanten Beitrag zur Impedanz liefern kann und es schwierig sein kann, den Realteil der Impedanz aufzulösen. Daher werden im Rahmen dieser Beschreibung die Begriffe Widerstand und Impedanz synonym verwendet unter der Annahme eines dominanten Beitrags des Realteils des komplexen Impedanzwertes.
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Ferner sei drauf hingewiesen, dass es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht darauf ankommt, einen exakten Wert für den mit dem Schutzleiter korrelierten gemeinsamen Widerstand zu ermitteln. Dieser in Korrelation mit den anderen Beiträgen zum Widerstand in der betrachteten Leiterschleife gesetzt werden, deren Werte ohnehin üblicherweise bekannt sind, da sie in Echtzeit überwacht werden. Bei Elektroinstallationen, insbesondere bei Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge, handelt es sich üblicherweise um stabile Infrastrukturen, welche den überwiegenden Teil der Zeit ordnungsgemäß funktionieren. Das vorliegende Verfahren hat das Ziel, dem sehr selten auftretenden Fall des Stromschlags vorzubeugen. Daher kann davon ausgegangen werden, dass die sozusagen nutzerseitigen Beiträge zur Schleifenimpedanz stabil und/oder ohnehin überwacht werden. Daher kann im Falle einer korreliert erfolgenden Überwachung der Elektroinstallation selbst und zusätzlich der Schleifenimpedanz ein Anstieg der Schleifenimpedanz der Sphäre des Schutzleiters zugeordnet werden, wenn die Überwachung der Elektroinstallation (z.B. einer Ladesäule) ergibt, dass diese selbst fehlerfrei arbeitet.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens können die erste Frequenz und die zweite Frequenz i) im Vergleich zueinander unterschiedlich sein und zusätzlich optional ii) jeweils von der Frequenz der vom Versorgungsnetz bereitgestellten Versorgungsspannung und deren Oberschwingungen unterschiedlich sein. Wie bereits beispielhaft angegeben, kann eine der Frequenzen beispielsweise 325 Hz und die entsprechend andere Frequenz 375 Hz betragen.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens können die zeitlichen Abstände, in denen das zweite Testsignal eingespeist wird, unregelmäßigen zeitliche Abständen entsprechen. Anders ausgedrückt können die zeitlichen Abstände, in denen das zweite Testsignal eingespeist wird, variabel sein und beispielsweise zufällig variieren, also auf Basis von Zufallszahlen bestimmt werden. Analog dazu kann alternativ oder zusätzlich die Zeitdauer, über die das zweite Testsignal eingespeist wird, ebenfalls unregelmäßig sein, also von Testzyklus zu Testzyklus variieren, beispielsweise zufällig.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dieses Detektieren aufweisen, ob ein Signal mit der zweiten Frequenz in der Stromschleife detektierbar ist. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann also die entsprechend konfigurierte Überwachungsvorrichtung überprüfen, ob ein anderer Teilnehmer gerade einen Prüfstrom bei der zweiten Frequenz in die Stromschleife einspeist und folglich eine zweite Messung im Rahmen der Schutzleiterprüfung durchführt.
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Anknüpfend an die im vorherigen Absatz beschriebene Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dieses so eingerichtet sein, dass die zweite Messung nur dann durchgeführt wird, wenn kein Signal bei der zweiten Frequenz in der Stromschleife detektiert wird. Hier wird also das zweite Testsignal nur eingespeist, wenn die zweite Frequenz als „frei“ detektiert wird, also der entsprechende Testkanal gerade nicht belegt. Dadurch kann zum einen verhindert werden, dass das eigene Testsignal durch Überlagerung mit dem anderen zweiten Testsignal zu einem verfälschten zweiten Wert der Schleifenimpedanz führt. Zum anderen kann so auch verhindert werden, dass die zweite Messung eines anderen Teilnehmers verfälscht wird.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dieses ferner Anpassen der Dauer des Einspeisens des zweiten Testsignals in Abhängigkeit von der Häufigkeit der Detektionen eines Signals mit der zweiten Frequenz in der Stromschleife aufweisen. Mit diesem Ansatz kann eine adaptive Anpassung der Dauer des Messzyklus an die Anzahl der an demselben Versorgungsnetzteil angeschlossenen Teilnehmer erreicht werden. Durch eine Verkürzung des Messzyklus kann die Belegungszeit des Testkanals bei der zweiten Frequenz reduziert werden, wodurch a) mehr Teilnehmer eine Chance erhalten, ihrerseits eine zweite Messung durchzuführen und/oder b) die Wartezeiten für die Teilnehmer reduziert werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dieses ferner Verändern der Phase des ersten Testsignals aufweisen, wenn der erste Wert der Schleifenimpedanz einen Wert annimmt, welcher in etwa dem Doppelten des zweiten Wertes der Schleifenimpedanz entspricht. Wie zuvor erwähnt, kann bei einem doppelt so großen Wert des gemeinsamen Widerstandes, der mittels der ersten Messung ermittelt worden ist, im Vergleich zu seinem mittels der zweiten Messung ermittelten Wert davon ausgegangen werden, dass mehr als zwei Teilnehmer gleichzeitig eine erste Messung bei der ersten Frequenz durchführen und folglich einen Stromfluss über den gemeinsamen Widerstand herbeiführen. In diesem Fall kann ein Teilnehmer, beispielsweise im nächsten oder einem vordefinierten nachfolgenden Messzyklus, die Phasenlage seines kontinuierlichen ersten Testsignals verändern. Die Veränderung der Phase kann bevorzugt eine Phasenverschiebung um 180° aufweisen, also ein Invertieren des Testsignals. Dadurch heben sich die Prüfströme über den gemeinsamen Widerstand von zwei Teilnehmern auf und der Wert mittels der der ersten Messung ermittelte Wert der Schleifenimpedanz bzw. des gemeinsamen Widerstandes sinkt.
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Durch das gezielte Umkehren der Phasenlage einzelner Überwachungsvorrichtungen kann zudem erreicht werden, dass der Messbereich der Spannungseingänge zur Spannungsmessung nicht überschritten wird. Ohne diese Maßnahme kann ein Szenario auftreten, bei dem beispielsweise Zehn Teilnehmer in Phase jeweils ein erstes Testsignal einspeisen und folglich eine zehnfach höhere Spannung über dem gemeinsamen Widerstand abfällt. Dadurch müsste für diesen Fall der Messbereichseingang verzehnfacht werden, wodurch die erzielbare Genauigkeit reduziert werden würde bei gleichbleibender Auflösung eines verwendeten AD-Wandlers. Durch einen Phasenflip kann dieses Problem umgangen werden.
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Das Ergebnis der ersten (schnellen) Messung kann mit dem zweiten Wert der Schleifenimpedanz aus der zweiten (langsamen) Messung kalibriert werden. Durch eine Vorgabe, dass beispielsweise nur einzelne Überwachungsvorrichtungen in seltenen Fällen die Phasenlage ihres jeweiligen Testsignals ändern dürfen, kann davon ausgegangen werden, dass der im Rahmen der ersten Messung ermittelte erste Wert der Schleifenimpedanz in zulässigerweise dem Messverfahren geschuldet maximal um den Faktor 2 von dem tatsächlich korrekten Wert abweicht. Dies ist für den Einsatzzweck des erfindungsgemäßen Verfahrens als Schutzleiter-Abrisserkennung ausreichend.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Phase des ersten Testsignals nach einer zufällig gewählten Zeitdauer verändert werden.
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In weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Überwachen eines Schutzleiters in einem Versorgungsnetz, wobei das Versorgungsnetz mindestens einen Phasenleiter, einen Neutralleiter und den Schutzleiter umfasst, wobei der Neutraleiter versorgungsnetzseitig mit dem Schutzleiter gekoppelt ist. Die Vorrichtung weist mindestens zwei Anschlüsse und einen dazwischen gekoppelten Signalgeber, um ein Testsignal in eine Stromschleife einzuspeisen, welche den Neutralleiter und den Schutzleiter umfasst, mindestens eine Einrichtung zur Messung einer Impedanz auf Basis des in die Stromschleife eingespeisten Testsignals, und eine Steuerungseinheit, welche mit dem Signalgeber und der mindestens einen Einrichtung zur Messung der Impedanz gekoppelt ist und eingerichtet ist das Verfahren zum Überwachen eines Schutzleiters in einem Versorgungsnetz gemäß dem in dieser Beschreibung offenbarten Verfahren.
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Wie bereits angemerkt, kann grundsätzlich zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens der in der Patentanmeldung
DE 10 2019 132 071 A1 offenbarte PE-Monitor samt der darin offenbarten elektrischen Ankopplung ans Versorgungsnetz verwendet werden. Zur Anpassung an das hier beschriebene erfindungsgemäße Betriebsverfahren könnte beispielsweise ein zweiter Signalgeber parallel zu dem einzigen dort offenbarten Signalgeber implementiert werden, so dass die erste Messung und die zweite Messung parallel und unabhängig voneinander durchgeführt werden können. Ferner bedarf es einer erfindungsgemäßen Anpassung der Regelungssoftware innerhalb der dort offenbarten Auswertevorrichtung.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
- 1 veranschaulicht in stark vereinfachter Form den das Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 2 zeigt ein Flussdiagramm, in dem ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht ist.
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In 1 ist ein eine stark vereinfachte Betriebsumgebung veranschaulicht, in der das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann. Es ist ein Ausschnitt eines TN-Netzes 1 gezeigt, bei dem bekanntermaßen eine Verbindung zwischen dem N-Leiter N und dem Schutzleiteranschluss PE mit einer, im Normalfall, niederohmigen Verbindung Rg vorhanden ist. In Ländern mit verbreitetem TT-Netz ist der Widerstandswert von Rg in vielen Fällen höher. Zwecks Veranschaulichung werden hierbei, wie zuvor erwähnt, vereinfacht Widerstände angenommen und keine komplexen Impedanzen. Ferner sind für die Funktionsbeschreibung der Erfindung nicht benötigte Leiter, beispielsweise die phasenführenden Leitungen L1-L3 und die übergeordneten Elektrogeräte samt ihren Anschlüssen weggelassen.
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In 1 ist ferner ein erster Teilnehmer 2 und ein zweiter Teilnehmer 3 repräsentiert, also jeweils eine Überwachungsvorrichtung, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren konfiguriert ist. Jeder Teilnehmer 2, 3 ist also eingerichtet, kontinuierlich ein erstes Testsignal und intermittierend ein zweites Testsignal in die jeweilige Stromschleife einzuspeisen und dabei die hervorgerufene Spannungsänderung zu messen. In dieser vereinfachten Darstellung umfasst die erste Stromschleife, in welcher der erste Teilnehmer 2 seine Messungen durchführt, den gemeinsamen Widerstand Rg und den ersten Widerstand R1. Analog dazu umfasst die zweite Stromschleife, in welcher der zweite Teilnehmer 3 seine Messungen durchführt, den gemeinsamen Widerstand Rg und den zweiten Widerstand R2. Folglich setzt sich die Spannungsänderung, die jeder Teilnehmer 2, 3 misst, zusammen aus dem Spannungsabfall über den gemeinsamen Widerstand Rg, welcher den von allen Teilnehmern 2, 3 gemeinsam genutzten Strompfad repräsentiert und von allen potentiellen Überwachungsvorrichtungen an einem Netzanschlusspunkt erfasst werden kann, und über den lokalen bzw. individuellen Widerstand R1 bzw. R2, der jeweils nur vom dem entsprechenden Teilnehmer 2, 3 erfasst werden kann. Dabei kann es beispielsweise um den Übergangswiderstand der Steckverbindung des Ladekabels handeln.
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Eine detaillierte Darstellung des Versorgungsnetzes sowie des Aufbaus einer entsprechenden Überwachungsvorrichtung kann beispielsweise
1 der
deutschen Patentanmeldung DE 10 2019 132 071 A1 entnommen werden, wobei die dort gezeigte Vorrichtung zum Überwachen eines Versorgungsnetzes zur Umsetzung des hier beschriebenen Verfahrens um einen zweiten Stromsteller ergänzt werden müsste (samt entsprechender Ansteuerung durch die Auswertevorrichtung), um parallel das erste Testsignal und das zweite Testsignal in die Stromschleife einzuspeisen.
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Bei Durchführung der ersten Messung durch den ersten und zweiten Teilnehmer 2, 3 bei der gleichen Frequenz und bei Synchronisation auf das Versorgungsnetz tritt an dem gemeinsamen Widerstand Rg in Abhängigkeit von der Anzahl der gleichzeitig angeschlossenen Teilnehmer 2, 3 ein unbekannter Spannungsabfall auf, der das Messergebnis verfälscht und zu Fehlfunktionen führt. Daher kombiniert das hier beschriebene erfindungsgemäße Verfahren eine langsame (auch „Burst“-Messung genannt) erste Messung mit einer schnellen, kontinuierlich durchgeführten zweiten Messung, um die schnell reagierende, kontinuierliche Erfassung der Schleifenimpedanz beizubehalten trotz mehrerer Teilnehmer 2, 3, die an ein Versorgungsnetz angeschlossen sind.
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In 2 ist ein Flussdiagramm 20 dargestellt, anhand dessen ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht ist.
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In einem ersten Schritt 21 weist das erfindungsgemäße Verfahren Ermitteln eines ersten Wertes einer Schleifenimpedanz mittels einer ersten Messung auf, bei der ein erstes Testsignal mit einer ersten Frequenz kontinuierlich in eine Stromschleife eingespeist wird, welche den Neutralleiter N und den Schutzleiter PE umfasst.
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In einem weiteren Schritt 22 weist das erfindungsgemäße Verfahren Ermitteln eines zweiten Wertes der Schleifenimpedanz in einer zweiten Messung auf Basis eines zweiten Testsignals mit einer zweiten Frequenz, welches in zeitlichen Abständen in die Stromschleife eingespeist wird, wobei die zweite Frequenz von der ersten Frequenz unterschiedlich ist
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In einem weiteren Schritt 23 weist das erfindungsgemäße Verfahren Ausgeben eines Fehlersignals auf, wenn i) der erste Wert der Schleifenimpedanz über einem ersten Schwellenwert liegt; und/oder ii) der zweite Wert der Schleifenimpedanz über einem zweiten Schwellenwert liegt; wobei der erste Schwellenwert größer ist als der zweite Schwellenwert.