CN103427797A - 脉冲发生器电路设备和生成脉冲信号的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及脉冲发生器电路设备和生成脉冲信号的方法，该脉冲信号用于IT网络中绝缘故障的搜索，该脉冲发生器电路设备包括：用于将IT网络电压变换到DC中间电路中的整流电路；用于接通和断开DC中间电路电压的具有触发信号输入的开关元件；以及在开关元件下游的用于生成待提供给IT网络的脉冲电流的电路装置。根据本发明的电路设备包括用于确定IT网络的绝缘阻抗的控制和评估逻辑电路并且还包括用于生成脉冲电流的电路装置，所述用于生成脉冲电流的电路装置被形成为允许根据所确定的绝缘阻抗来对脉冲电流进行动态调节的电流调节装置。

Description

脉冲发生器电路设备和生成脉冲信号的方法
技术领域
本发明涉及一种用于IT网路中绝缘故障定位的脉冲发生器电路设备，该脉冲发生器电路设备包括：用于将IT网络电压变换到直流（DC）中间电路中的整流电路；用于接通和断开DC中间电路电压的具有触发信号输入的开关元件；以及在开关元件下游的用于生成待提供给IT网络的脉冲电流的电路装置。
另外，本发明涉及一种生成用于IT网络中绝缘故障定位的脉冲信号的方法，该方法包括如下信号处理步骤：借助于整流电路来将IT网络电压变换到DC中间电路中；借助于具有触发信号输入的开关元件来触发地接通和断开DC中间电路电压；以及生成待提供给IT网络的脉冲电流。
背景技术
为了确保电力供应的高可用性和操作安全性，并且保证在电力设备的区域内的人身安全，正逐渐采用其有源部件与地电位隔离的供电网络。在这种被称为不接地IT系统的供电网络中，有源导体可能会具有不引起运行操作被中断的绝缘故障，这是因为，归因于在该第一故障情况下导体与地之间的理想的无限高的阻抗值，没有闭合电路能够形成。在本文中，IT系统的故障状态，尤其是机架（frame）故障或接地故障（指无源系统部件与导电操作部件的导电连接或有源导体与地的导电连接），将被理解为绝缘故障。
从该观点可以清楚看出：必须不断地监测待监测网络中的阻抗，包括所有所连接的操作部件的所有对地阻抗（绝缘阻抗），因为在另外的有源导体上的可能的另外故障（第二故障）可能会引起故障回路，而在故障回路中流动的故障电流与过电流保护电路相结合则会导致系统关闭。通过对不接地IT系统不断地进行绝缘监测，绝缘阻抗的下降可以被及时检测并报告。
根据现有技术，用于确定绝缘阻抗的测量过程在原理上基于将在绝缘监测装置中生成的IT网络的导体与地之间的测量电压进行叠加，使得产生与绝缘故障成比例的具体测量电流，该具体测量电流导致在绝缘监测装置的测量电阻上的相应电压降。如果作为下降的绝缘阻抗的结果以及因而作为较高的测量电流的结果，电压降超过特定值，则触发报告。相对于其中多个操作部件配备有电子元件的当今的现代网络中的可靠绝缘监测而言，为了防止例如由逆变器生成的直流分量所导致的测量失真，已经进一步不断地发展了测量方法。在不具有失真的直流分量的纯交流网络中，可以采用将测量DC电压进行叠加的方法，然而，在有故障的环境中，采用受控制的特定定时的测量电压以用于驱动脉冲信号。
当检测到绝缘阻抗的下降时，绝缘故障定位开始，绝缘监测装置或单独的测试装置生成测试电流并且将测试电流提供给IT网络。为了能够可靠地检测DC网络中的绝缘故障，并且由于可用的测量技术，所提供的用于绝缘故障定位的测试电流优选地也具有交变极性的脉冲状的流（脉冲电流），使得测试电流以交替的方式流经两个导体（L+和L-）。该测试电流信号由位于网络的有故障线缆出口的所有测量电流互感器进行检测，并且由绝缘故障分析装置进行分析和报告。借助于测量电流互感器/电路、相应的线缆出口的部署，可以定位故障位置。
在根据现有技术的该方法中，证实如下缺点：绝缘阻抗的确定和绝缘故障的定位呈现为两个分离的、独立的过程。结果，例如在已经启动的故障搜索期间，为了对绝缘阻抗进行新的测量，必须中断测试脉冲的供给，以便能够利用合适的测试电流来执行绝缘阻抗测量。因而，不能够以简单的方式在故障搜索期间同时确定绝缘阻抗。
此外，根据现有技术的装置提供了如下可能性：借助于相应的电路装置，例如电流调节器，使在脉冲持续时间内在故障搜索中的测试电流稳定；以及将测试电流限制至一个或多个最大值。但是这些配置仅构成将脉冲电流相对粗地调节以适应网络条件，使得通常生成不必要高的脉冲电流。在这期间，在发生器电路中可能发生过量的热累积，到目前为止，仅通过使用大型冷却体或过高温度停用来对抗过量的热累积。以不利的方式，这些对抗措施从而会由于操作中断而直接地或间接地导致成本的增加。
此外，在进行检查的IT系统被关闭的情况下，没有电压可用来驱动脉冲电流。此处，因此，用于生成测试电流的合适电压供给的问题作为原则问题呈现在面前。
发明内容
因此，本发明的目的是开发一种生成用于IT网络中绝缘故障定位的脉冲信号的脉冲发生器电路设备和方法，其简化了在进行绝缘监测的同时进行绝缘故障定位的过程，并且还在关闭的IT网络中可用或可应用。
该目的是针对与权利要求1的前序部分相关的电路设备，通过用于确定IT网络的绝缘阻抗的控制和评估逻辑电路和用于生成脉冲电流的电路装置来实现的，其中该用于生成脉冲电流的电路装置被形成为允许根据所确定的绝缘阻抗来对脉冲电流进行动态调节的电流调节设备。
根据本发明，将控制和评估逻辑电路集成到脉冲发生器电路设备中，在脉冲电流的生成期间，控制和评估逻辑电路能够确定所连接的IT网络的绝缘阻抗。因而，以有利的方式，产生借助于脉冲发生器电路设备能够同时进行绝缘阻抗确定和故障搜索的可能性。不必在故障搜索期间中断脉冲序列以便能够进行绝缘阻抗测量。
本发明的出发点是出于以下基本考虑：在绝缘故障的情况下，测试电流IT（脉冲电流）在电流电路中流动，该电流电路使IT网络电压或从IT网络电压获得的DC中间电路电压作为电源电压U0，并且电流电路的电阻由绝缘故障阻抗RF（在故障情况下的绝缘阻抗）与脉冲发生器的可变内阻RPG的串联连接所产生。如果此时要流过在一个脉冲持续时间内恒定的预定测试电流IT，则对于已知的DC中间电路电压U0而言，产生脉冲发生器的内阻RPG的特定值。脉冲发生器的内阻RPG可以在内部确定，使得根据欧姆定律和应用于线性网络的电流-电压关系，绝缘故障阻抗RF可以根据RF=（U0/IT）–RPG进行计算。为了在脉冲持续时间内以稳定的状态来生成恒定的脉冲电流，用于生成脉冲电流的电路装置被形成为电流调节装置，该电流调节装置允许对脉冲电流进行动态调节，并同时将所确定的绝缘阻抗值包含在内。归因于该自适应调节，脉冲电流可以被调节以适应待检查网络的电气状态，电气状态由所确定的绝缘阻抗来表示。一方面，脉冲电流因而处于能够准确确定绝缘阻抗的范围内；另一方面，自动产生将脉冲电流调节为适应网络条件的配置。
在有利的实施中，电流调节装置具有用于对脉冲电流进行动态调节的调节逻辑电路。调节逻辑电路在输入侧连接到用于确定IT网络的实际电流值的电流测量装置，并且还连接到用于将取决于绝缘阻抗的目标电流值包含在内的控制和评估逻辑电路；调节逻辑电路在输出侧提供校正值，校正值经由执行器来改变实际电流值，使得在执行器的输出产生经调节的输出电流值。
根据前述考虑事项，原则上可以借助于任何给定的恒定测试/脉冲电流来确定绝缘阻抗。然而，以下实际考虑事项导致能够改变测试电流的必要性：第一，测量范围受脉冲发生器的最小可达内阻RPG限制，并且还受可用电源电压U0限制；第二，基于电路构思，必须消除（太）高的热功率损耗；第三，在非线性行为的情况下，会出现对校正值具有高灵敏度和具有低灵敏度的执行器的操作范围，其中，在具有低灵敏度的范围内可以特别准确地确定脉冲发生器的内阻RPG。
因而，基于由电流测量装置确定的IT网络的实际电流值和从由控制和评估逻辑电路提供的所确定的绝缘阻抗导出的目标电流值，调节逻辑电路首先计算校正值。校正值经由执行器作用于实际电流值，执行器还被提供有在电流测量装置中所确定的IT网络实际电流值，使得产生了根据调节逻辑电路而改变的输出电流。
此外，为了确定绝缘阻抗的欧姆部分，控制和评估逻辑电路在输入侧连接到调节逻辑电路的校正值输出，并且连接到用于测量IT网络电压的电压测量装置；并且，在输出侧，控制和评估逻辑电路向调节逻辑电路传送目标电流值，并且向开关元件传送触发信号以用于接通和断开DC中间电路电压。
有利地，脉冲发生器电路设备包括用于确定IT系统的网络电压的电压测量装置。根据该网络电压并根据由调节逻辑电路提供的校正值，控制和评估逻辑电路可以确定绝缘阻抗的欧姆部分。从该欧姆部分导出的值被提供给调节逻辑电路作为可变的目标电流值，从而用作用于电流调节装置的指导值。
优选地，控制和评估逻辑电路还具有用于脉冲电流的外部提供目标系统值的输入和用于脉冲电流序列的外部提供全系统触发信号的输入。
因而，脉冲电流的目标系统值以及用于脉冲电流序列的全系统触发信号可以被提供给脉冲发生器电路设备，并且在计算调节逻辑电路的目标电流值时和在得出内部触发信号时被纳入考虑。
优选地，脉冲发生器电路设备具有另外的供电单元，该供电单元借助于来自另外的供电网络的外部供电电压来向DC中间电路提供电流隔离的（galvanically isolated）DC电压。因而，可以即使在关闭的IT系统中也能够生成（测试）电流并执行故障搜索。
还针对与权利要求6的前序部分相关的方法，通过借助于控制和评估逻辑电路来确定IT网络的绝缘阻抗，并且通过借助于电流调节装置来生成被提供给IT网络的脉冲电流，来实现本发明所基于的目的，使得根据所确定的绝缘阻抗来对脉冲电流进行动态调节。
对应于根据本发明的脉冲发生器电路设备的装置特征，作为根据本发明的方法步骤，要求保护的方法包括在进行绝缘故障搜索的同时对绝缘阻抗进行确定。另外，根据本发明，以通过目标电流值的变化将绝缘阻抗直接包含在内的方式对提供的脉冲电流进行动态调节。绝缘阻抗测量和绝缘故障定位并行发生具有如下优点：可以在绝缘故障定位期间以简单的方式重复地测试绝缘阻抗，并且可以采用因而所确定的绝缘阻抗值来对待被提供的脉冲电流进行调节。
因此，在优选实施方式中，借助于调节逻辑电路来进行对脉冲电流进行动态调节的电流调节，其中，基于由电流测量装置提供的IT网络的实际电流值和取决于绝缘阻抗并由控制和评估逻辑电路提供的目标电流值，调节逻辑电路计算校正值，该校正值借助于执行器来改变实际电流值，使得在执行器的输出上产生经调节的输出电流值。
因此，首先，借助于电流测量装置来确定在待检查的IT网络中实际流动的电流，并将该电流作为实际电流值提供给调节逻辑电路和执行器。关于目标值，调节逻辑电路从控制和评估逻辑电路接收取决于绝缘阻抗的目标电流值。根据所实施的控制行为，调节逻辑电路从这两个输入值计算校正值，基于校正值来限定测试电流，在该测试电流下可以尽可能准确地计算绝缘阻抗。校正值经由执行器来改变实际电流值，使得产生期望的经动态调节的输出电流值。例如，可以遵循以下策略：以使得提高约50%的校正值/校正值因子的方式来调节脉冲电流。在绝缘阻抗值变化的情况下，则这会留下足够的范围，从而不必立即重新调节测试电流。
优选地，为了确定绝缘阻抗的欧姆部分，将由调节逻辑电路提供的校正值和由电压测量装置提供的IT网络电压用作控制和评估逻辑电路中的输入值，其中，控制和评估逻辑电路将取决于所确定的绝缘阻抗而可变的目标电流值传送给调节逻辑电路。借助于电压/电流测量，绝缘阻抗的欧姆部分的确定与脉冲电流的提供同时进行，其中，IT网络电压由直接连接至IT网络的电压测量装置来确定。所需的电流值由调节逻辑电路所提供的校正值来表示。
优选地，根据如下准则中的一个或更多个准则来进行对脉冲电流的动态调节：a）使执行器的操作范围最优化，b）使校正值处于允许尽可能准确地确定绝缘阻抗的范围内，c）使执行器的功耗最小化。
控制行为因而可以被配置成如下效果：执行器工作于最优操作范围内，这意味着执行器在其调节范围的限值处不被激活，和/或所述控制可以被配置成使得执行器的功耗最小化。另外，脉冲电流的调节也可以以如下方式进行：使得校正值处于允许尽可能准确地确定绝缘阻抗的范围内，从而使得在该范围内的测量不确定度最小。
优选地，脉冲电流具有脉冲状的交变流。先前可用的和被采用的用于绝缘故障搜索的测量技术可以需要脉冲电流的脉冲状流。另外，脉冲具有交变极性，使得测试电流流经IT网络的两个导体，这是实用的。
为了即使在关闭的IT系统中驱动（脉冲）电流的网络电压源不可用的情况下也能够执行故障搜索，提出了借助于来自另外的供电网络的外部供电电压来向DC中间电路提供电流隔离的DC电压。
附图说明
另外的有利实施特征从以下描述和附图中获得，所述描述和附图借助于示例来说明本发明的优选实施方式。
图1示出了测试电流电路的等效电路图；
图2示出了根据本发明的脉冲发生器电路设备的功能框图；以及
图3示出了根据现有技术的脉冲发生器。
具体实施方式
图1示出了测试电流电路的简化等效电路图，所述测试电流电路用于利用恒定测试电流IT来确定IT网络的绝缘故障阻抗RF。电源电压U0驱动测试电流IT通过由绝缘故障阻抗RF和脉冲发生器的可变内阻RPG闭合的电路，其中所述电源电压U0可以是网络电压或所导出的中间电路电压。如果流过预定义的测试电流IT，则根据欧姆定律和应用在线性网络中的电流-电压关系，产生脉冲发生器的特定内阻RPG。可以根据脉冲发生器的内部值（见图2）来确定该内阻RPG，使得根据内阻RPG可以确定绝缘故障阻抗：RF=（U0/IT）-RPG。
图2示出了在IT系统中根据本发明的脉冲发生器电路设备2的功能框图。脉冲发生器2经由其系统连接件被连接至IT网络1的有源导体，并且经由接地连接件被连接至接地引线3。借助于整流电路4，IT网络1的交流电压首先被变换成DC中间电路电压，并且然后由开关元件5定时，使得其可以用作驱动脉冲电流的电压源。为了进行定时，内部触发信号tr1被提供给开关元件5。
脉冲电流IT由被形成为电流调节装置6的电路装置6进行动态调节，其中，根据先前确定的绝缘阻抗并且将目标电流值w1作为可变参考值来限定目标值。在该自适应调节的情况下，可以对产生的脉冲电流IT的值进行调节，使得在绝缘故障搜索的同时进行绝缘阻抗的确定。
电流调节装置6在功能上包括电流测量装置6a、执行器（actuator）6b以及调节逻辑电路6c。借助于电流测量装置6a来确定由定时的DC中间电路电压驱动的脉冲电流IT，并且将该脉冲电流IT作为实际电流值x提供给执行器6b和调节逻辑电路6c。除了实际电流值x之外，调节逻辑电路6c还从控制和评估逻辑电路8接收内部目标电流值w1，并且根据所实施的控制算法来计算校正信号y（校正值）。校正信号y被提供给执行器6b以改变实际电流值x，使得在执行器6b的输出处产生期望的脉冲电流IT。
从上述关于绝缘阻抗的确定的事实可以看出，可获得脉冲发生器的内阻RPG，并且该内阻RPG主要由执行器6b的阻抗来确定。所述阻抗由其借助于校正值y的激活而产生，其中，为了简单起见，此处假定是线性关系。根据高的校正值y，因为执行器6b是良导体，所以高的电导值导致控制的稳态。与此相反，对于低的校正值y，因为执行器6b用作阻断器（blocker），所以产生低的电导值。因而，（内部）电导值GPG可以通过由校正值y形成的因子进行调节：GPG=因子*目标电导值。因而，也可以获知脉冲发生器的内阻RPG：RPG=1/（因子*目标电导值）。
因而，预先可调节的脉冲电流IT流经（测试）电路，从脉冲发生器2流经接地引线3、绝缘故障和IT网络1的线路，流回脉冲发生器2。测试电流脉冲IT由所有的测量电流互感器来检测，测量电流互感器被固定安装在该电路中，或者被布置作为便携式测量电流互感器，以用于绝缘故障定位。
由控制和评估逻辑电路8限定的内部目标电流值w1取决于在控制和评估逻辑电路8中确定的绝缘阻抗值。为了计算该绝缘阻抗值，使用了由电压测量装置7测量的IT网络电压和由调节逻辑电路6c确定的校正值y。
在所示实施示例中，将用于测试电流IT的目标系统值w2和作为用于激活开关元件5的内部触发信号tr1的基础的外部全系统触发信号tr2作为外部信号提供给控制和评估逻辑电路8，其中，控制和评估逻辑电路8从目标系统值w2导出将绝缘阻抗包含在内情况下的内部目标电流值w1。
如果待检查的网络1处于关闭状态，则驱动电压可以取自供电单元10所耦接至的供电网络9。在IT网络1不具有电压的情况下，附加供电单元10将电流隔离的DC电压提供给驱动脉冲电流IT的DC中间电路。
在图3中，作为对比，示出了根据现有技术的脉冲发生器2。该脉冲发生器基本上包括三个功能块：整流电路4、开关元件5和被形成为简单电流调节器6的电路装置6。未提供闭环控制意义下的脉冲电流IT动态调节。

Claims (11)

1.一种用于IT网络中绝缘故障定位的脉冲发生器电路设备，包括：用于将IT网络电压变换到DC中间电路中的整流电路；用于接通和断开DC中间电路电压的具有触发信号输入的开关元件；以及在所述开关元件下游的用于生成待提供给所述IT网络的脉冲电流的电路装置，
其特征在于：用于确定所述IT网络的绝缘阻抗的控制和评估逻辑电路、以及用于生成所述脉冲电流的电路装置，所述用于生成脉冲电流的电路装置被形成为允许根据所确定的绝缘阻抗来对所述脉冲电流进行动态调节的电流调节装置。
2.根据权利要求1所述的电路设备，
其特征在于，
为了对所述脉冲电流进行动态调节，所述电流调节装置具有调节逻辑电路，所述调节逻辑电路在输入侧连接到用于确定所述IT网络的实际电流值的电流测量装置、以及用于将从所述绝缘阻抗导出的目标电流值包含在内的所述控制和评估逻辑电路，并且所述调节逻辑电路在输出侧提供校正值，所述校正值经由执行器来改变所述实际电流值，使得在所述执行器的输出上产生经调节的输出电流值。
3.根据权利要求1或2所述的电路设备，
其特征在于，
用于确定所述绝缘阻抗的欧姆部分的所述控制和评估逻辑电路在输入侧连接到所述调节逻辑电路的所述校正值输出、以及用于测量所述IT网络电压的电压测量装置，并且，在输出侧，所述控制和评估逻辑电路向所述调节逻辑电路传送目标电流值，并向所述开关元件传送内部触发信号以用于接通和断开所述DC中间电路电压。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的电路设备，
其特征在于，
所述控制和评估逻辑电路还具有用于所述脉冲电流的外部提供目标系统值的输入和用于脉冲电流序列的外部提供全系统触发信号的输入。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的电路设备，
其特征在于，
另外的供电单元，所述另外的供电单元借助于来自另外的供电网络的外部供电电压，向所述DC中间电路提供电流隔离的DC电压。
6.一种生成用于IT网络中绝缘故障定位的脉冲信号的方法，包括如下信号处理步骤：
-借助于整流电路将IT网络电压变换到DC中间电路中，
-借助于具有触发信号输入的开关元件来触发地接通和断开DC中间电路电压，
-生成待提供给所述IT网络的脉冲电流，
其特征在于，
-借助于控制和评估逻辑电路来确定所述IT网络的绝缘阻抗，
-借助于电流调节装置来生成被提供给所述IT网络的脉冲电流，使得根据所确定的绝缘阻抗来对所述脉冲电流进行动态调节。
7.根据权利要求6所述的方法，
其特征在于，
借助于调节逻辑电路来进行用于对所述脉冲电流进行动态调节的电流调节，所述调节逻辑电路根据由电流测量装置提供的所述IT网络的实际电流值以及取决于由所述控制和评估逻辑电路提供的绝缘阻抗的目标电流值来计算校正值，所述校正值经由执行器来改变所述实际电流值，使得在所述执行器的输出上产生经调节的输出电流值。
8.根据权利要求6或7所述的方法，
其特征在于，
为了确定所述绝缘阻抗的欧姆部分，将由所述调节逻辑电路提供的所述校正值和由所述电压测量装置提供的所述IT网络电压用作所述控制和评估逻辑电路的输入值，其中，所述控制和评估逻辑电路将所述目标电流值传送给所述调节逻辑电路，所述目标电流是取决于所确定的绝缘阻抗而可变的。
9.根据权利要求6至8中的任一项所述的方法，
其特征在于，
根据如下准则中的一个或更多个准则来进行对所述脉冲电流的动态调节：a）使所述执行器的操作范围最优化，b）使校正值处于允许尽可能准确地确定所述绝缘阻抗的范围内，c）使所述执行器的功耗最小化。
10.根据权利要求6至9中的任一项所述的方法，
其特征在于，
所述脉冲电流具有脉冲状的交变流。
11.根据权利要求6至10中的任一项所述的方法，
其特征在于，
在待监测的所述IT网络被关闭的情况下，借助于来自另外的供电网络的外部供电电压来向所述DC中间电路提供电流隔离的DC电压。
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