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Isolationswiderstand (elektrisch)
Hierzu wird zwischen aktiven Teilen und Schutzleiter beziehungsweise berührbaren leitfähigen Teilen eine Prüfspannung angelegt und der resultierende Isolationswiderstand gemessen.
Ein ausreichender Isolationswiderstand stellt sicher, dass im bestimmungsgemäßen Betrieb keine gefährlichen Ableitströme auftreten können.
Ein zu geringer Isolationswiderstand kann – insbesondere in Verbindung mit einem zusätzlichen Schutzleiterfehler – dazu führen, dass an berührbaren leitfähigen Teilen unzulässig hohe Berührungsspannungen auftreten. Beim Berühren dieser metallischen Teile kann in diesem Fall ein gefährlicher Berührungsstrom über den menschlichen Körper zur Erde fließen.
Bei Geräten der Schutzklasse II stellt ein Isolationsfehler an berührbaren metallischen Teilen ein besonderes Risiko dar, da diese Geräte über keinen Schutzleiter verfügen und somit keine definierte Ableitung des Fehlerstroms erfolgen kann.
Die Messung des Isolationswiderstands erfolgt durch das Anlegen einer Gleichprüfspannung von in der Regel 500 V DC zwischen den stromführenden Leitern und Erde beziehungsweise berührbaren leitfähigen Teilen. Häufig werden dabei die stromführenden Leiter miteinander verbunden, sodass der Gesamtwiderstand der parallel geschalteten Isolationsstrecken ermittelt wird. Grundsätzlich aber aber auch die Messung in Einzelprüfschritten zwischen den einzelnen Leitungen möglich.
Da die Prüfung mit Gleichspannung durchgeführt wird, beeinflussen Isolationskapazitäten das Messergebnis nicht. Gemessen wird ausschließlich der ohmsche Anteil des Isolationswiderstands.
Bei größeren Isolationskapazitäten kann eine verlängerte Prüfzeit erforderlich sein, um das vollständige Aufladen der Isolationskapazitäten zu Beginn der Prüfung sicherzustellen. Dies kann abhängig vom Prüfling einige Zehntelsekunden in Anspruch nehmen.
Isolationswiderstandsprüfungen werden manuell durch Abtasten mehrerer Prüfpunkte mit Sicherheitsprüfpistolen durchgeführt. Meistens kommen aber vollautomatische Prüfgeräte mit umfangreichen Matrix‑ beziehungsweise Umschaltsystemen zum Einsatz. Dadurch erfolgt eine automatisierte Prüfung an mehreren Prüfpunkten nacheinander. Die Anzahl der Matrixpunkte ist systembedingt nahezu unbegrenzt.
Das Bild zeigt eine einfache Umschaltlösung, mit der verschiedene Prüfpunkte gegen einen zentralen Bezugspunkt, beispielsweise den Schutzleiter (PE), geprüft werden können.
Das Bild zeigt eine Zweileiter‑Matrix zur automatischen Prüfung sämtlicher Prüfpunktekombinationen nach dem Prinzip „jeder gegen jeden“.
Entladung nach der Isolationswiderstandsprüfung
Bei der Isolationswiderstandsprüfung wird die im Prüfling vorhandene Kapazität während der Prüfung aufgeladen. Nach dem Abschalten der Prüfspannung bleibt diese Ladung zunächst erhalten, sodass am Prüfling weiterhin eine gefährliche Restspannung anliegen kann. Dadurch besteht eine akute Berührungsgefahr für Personen und ein Risiko für nachfolgende Arbeitsschritte.
Aus diesem Grund ist es zwingend erforderlich, den Prüfling nach Abschluss der Prüfung kontrolliert zu entladen. Moderne Isolationswiderstandsprüfgeräte verfügen hierzu über integrierte Entladeeinrichtungen, die den Prüfling automatisch und sicher auf ein ungefährliches Spannungsniveau entladen. Erst nach vollständiger Entladung darf der Prüfling berührt oder weiterverarbeitet werden.
Eine zuverlässige und überwachte Entladung ist somit ein wesentlicher Bestandteil der Prüfung und unverzichtbar für die Sicherheit von Bedienpersonal und Prüfumgebung.
Die Isolationswiderstandsprüfung findet unter komplexer theoretischer Betrachtung an einem Ersatzschaltbild, bestehend aus 4 Basiskomponenten statt.
Diese sind:
- C = Kondensator zwischen den beiden Polen
- Rs = Oberflächenwiderstand
- Rpi+Cpi = Ersatzschaltbild des Polarisationsindex
- Riso = Isolationswiderstand
Warum?
Der Prüfling hat einen Isolationswiderstand zwischen den beiden Prüfpunkten. Dies ist der Widerstand Riso. Dieser Widerstand ist in der Regel sehr hoch und liegt bei einigen 100 MΩ bis zu 10 TΩ.
Des weiteren hat der Prüfling eine Kapazität zwischen den beiden Prüfpunkten. Diese bildet sich entweder zwischen den zu prüfenden Wicklungen oder von der Wicklung zum Körper aus. Zwischen den Wicklungen ist sie in der Regel kleiner als von der Wicklung zum Körper. Kapazitäten entstehen zwischen isolierten Metallflächen. Je größer die Flächen oder je geringer der Abstand der Metallflächen zueinander ist, um so größer ist die Kapazität. Im Stator bilden die Wicklungen die eine Metallfläche und das Blechpaket die andere. Je größer der Stator (die Baugröße) ist, umso größer werden die Flächen und somit die Kapazität.
Häufig hat ein Elektroprodukt blanke unisolierte elektrische Leiter. Dies gilt z.B. für einen Gleichstrommotor. Auf der Oberfläche der Leiter können sich elektrisch leitende Stäube ablagern und/oder Luftfeuchtigkeit niederschlagen. Dadurch ergibt sich eine Art Oberflächenwiderstand. Im Idealfall sollte er unendlich sein, aber manchmal kann er extrem niedrig werden (< 1 MΩ).
Elektrische Isolierstoffe wie z.B. Harze haben dipolähnliche Moleküle. Diese weisen somit eine +/- Polarisierung auf. Beim Anlegen einer Hochspannung DC, richten sich diese Moleküle am elektrischen Feld aus. Die Polarisierung erfordert eine gewisse Zeit. Dies soll mittels des RC-Gliedes nachgebildet werden.
Welche Ströme ergeben sich daraus?
Über das ohmsche Gesetz wird der Gesamt-Isolationswiderstand errechnet. Nach dem Anlegen der Prüfspannung ergibt sich ein Summenstrom (Iges), der aus 4 Einzelströmen besteht.
Summenstrom = Iges = Ic + Is + Ipi + Iiso
Dieser ist: Rgiso = Uhv/Iges
Die die beiden Ströme Ic und Ipi erst nach einiger Zeit zu Null werden, muss für die genaue Bestimmung des Isolationswiderstandes, erst diese Zeit abgewartet werden.
Das Aufladen des Kondensators erfolgt schnell und ist meistens nach wenigen Sekunden abgeschlossen. Ziel ist es, den Kondensator innerhalb von max. 30 Sekunden aufzuladen. Nach dieser Zeit ist Ic also 0.
Das Aufladen der Polarisationskapazität dauert erheblich länger. Im ungünstigsten Fall kann das an einem Elektromotor bis zu 10 Minuten dauern. Dadurch kann unter solchen Bedingungen erst nach 10 Minuten, der wahre Isolationswiderstand ermittelt werden.
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Normengremien
Aus rechtlichen Gründen können können wir in vielen Fällen keine verbindliche Aussage über die Prüfbedingungen machen. Maßgeblich für die Anwendung sind die aktuell gültigen Normen für Ihr zu prüfendes Produkt.
Die Norm kann, abhängig vom geografischen Einsatzort des Produkts, unterschiedlich sein. Weitere Informationen finden Sie unter anderem auch bei den unter aufgeführten Instituten.
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