CN106066450B - 具有电压监控的绝缘监控装置及基于其的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于具有至少两个有效导体的非接地的单相或多相供电系统的绝缘电阻的符合标准的监控的绝缘监控装置及方法。根据本发明，绝缘监控装置包括用于永久地寄存用于至少一个有效导体的对地电势的导体电压的电压监控电路。如果在有效导体上检测到过电压，电压监控电路生成关闭信号以关闭供电系统。

Description

具有电压监控的绝缘监控装置及基于其的方法

技术领域

本发明涉及一种用于具有至少两个有效导体的非接地的单相或多相供电系统的绝缘电阻的符合标准的监控的绝缘监控装置及方法。

背景技术

当向电气设备提供能量时，如果需要满足在操作性、火、接触安全方面上的较高要求，使用网络类型的非接地供电系统(也被称为绝缘网络或IT系统)。在此类型的供电系统中，有效部分与地电势分离，即，对地隔离。这些网络的优势在于，在第一绝缘故障(如，接地故障或框架故障)的情况下电气设备的功能不会受到影响，因为在此第一故障的情况下，理想地无穷大阻抗值防止在网络的有效导体与地之间形成闭合电路。在三相IT系统中，外部导体L1、L2、L3以及(如果存在)中性导体N被称作有效导体。在没有中心抽头的单相IT系统中，两个外部导体L1和L2为有效导体；在有中心抽头的情况下，中点导体也为有效导体。

即使在第一绝缘故障发生时，IT供电系统的固有安全性因此确保由IT供电系统供电的负载(即，连接至IT供电系统的设备)的连续供电。

因此，连续地监控IT供电系统对地的电阻(绝缘电阻；在故障情况下也称为绝缘故障电阻或故障电阻)，因为在另一有效导体上的另一潜在故障(第二故障)将引起故障环路及由此产生的故障电流，与过流保护装置相关联，将导致装置的关闭以及操作的停滞。根据标准IEC 61557-8，通过绝缘监控装置监控IT供电系统，该绝缘监控装置连接于IT供电系统的有效导体中的至少一个与地之间。此外，绝缘监控装置通常包括具有测量电压源的绝缘电阻测量路径，该测量电压源将测量电压附加至有效导体与地之间的供电系统上。基于上升的测量电流，及时寄存并报告IT供电系统的绝缘状态的恶化。

因此，相比于接地供电系统，以1000至1000000的因数更快地检测到绝缘故障，以及此外，可检测对称的故障。而且，可以测量关闭系统中的绝缘电阻，以及，可进行绝缘监控而与系统是否为交流电、直流电或混合系统无关。尽管有这些优势，相比于接地供电系统仍相对较少地使用IT供电系统。造成此的一个原因是，过电压的问题，以下将描述该问题，并由本发明解决该问题。

在IT供电系统中，当低电阻绝缘故障发生在外部导体中的一个上时，存在这样的危险：发生对地电势的电势差(过电压)，为此未设计连接的设备(负载)。例如，在具有中性导体以及外部导体与中性导体之间为230V的标定电压的三相供电系统中的外部导体的完全接地(dead ground)故障的情况下，在两个无故障的外部导体上，对地的外部导体电压以1.73的因数增大至约400V的最大值。如果在连接的设备(负载)处未设计用于此增大的电势差的故障消除措施(如，Y电容)，此过电压成问题。

此外，在线的绝缘材料上存在较高的拉力，该线可能会永久地损坏。

然而，在全面计划为IT网络供电系统中，从一开始可以在连接至IT供电系统的负载中配置对地的故障消除措施以用于最大电势差，此为不利的，不利之处在于，一方面，对于装置的整个生命周期，必须确保未使用仅适于标定网络电压而不适于增大的电势差的(其他)负载。这反过来要求对所描述的过电压问题的技术理解，实际上，在现场常常难以获得该技术理解；在另一方面，仅通过替换所有不适于增大的电势差的负载(出于经济原因，这是不切实际的)，可将接地供电系统转换成非接地供电系统。

发明内容

因此，本发明的目的在于，解决在操作非接地的单相或多相供电系统时以及在以可能的最有成本效益的方式将接地供电系统转换成非接地供电系统时由过电压引起的上述的问题。

结合用于用于具有至少两个有效导体的非接地的单相或多相供电系统的绝缘电阻的符号标准的监控的绝缘监控装置达到此目的，该绝缘监控装置包括：电压监控电路，该电压监控电路检测有效导体的至少一个与地之间的导体电压并在检测到过电压时生成用于关闭供电系统的关闭信号。

根据本发明，本发明的想法基于：在根据标准所需的绝缘监控装置上装配电压监控电路，对于待被监控的有效导体，该电压监控电路永久地测量对地电势的各个电压，即，观测的有效导体与地之间的电压。如果在有效导体上检测到过电压，则电压监控电路生成关闭信号，该关闭信号可用作输出信号，且可在绝缘监控装置的外部被处理，以触发开关元件，(例如)以关闭供电系统。

除避免可从过电压对未被设计用于此类型的电势差的故障消除或绝缘装置的影响产生的风险之外，根据本发明的绝缘监控与电压监控的组合使用过电压为绝缘故障的大小的函数的相关性。完全接地故障(其为近乎0电阻绝缘故障)导致最大过电压并因此导致供电系统的关闭，然而高电阻绝缘故障仅触发根据标准所需的告警，正如传统绝缘监控装置中的情况。在此情况下，保留有足够时间以定位绝缘故障并在关闭发生之前修复该故障。

在有利的方式中，绝缘监控的安全相关利益因此与归因于过电压的危险的消除有关。以避免供电的关闭为目标的预防监控的原理保持完整。

根据本发明补充的具有电压监控电路的绝缘监控允许具有IT网络的结果优势的非接地供电系统的预期安装，甚至在另外地被保留为其他网络类型的应用实例中。

电压监控装置允许任意类型的设备的使用而无需知晓该设备的对地电势的电强度。

此外，根据本发明的方案理想地适于接地供电系统至非接地供电系统的转换。由于过电压不会发生在接地供电系统中，起初忽视此问题且此问题将仅在接地供电系统应被转换成非接地供电系统时发生。包括过电压情况下的关闭的根据本发明的绝缘监控具有这样的优势：供电系统可被转换而无需密切关注负载的电强度。可利用IT系统的所有优势，除在低电阻接地故障(完全接地故障，参见上文)情况下的操作。然而，由于在此接地故障的情况下接地供电系统也将立即关闭，此不会构成相对于(未转换的)接地供电系统的劣势。

在有利的实施例中，电压监控电路具有将各个有效导体连接至地以用于监控导体电压的至少一个电压测量路径。

由于通过电压监控电路中提供的电压测量路径(除经由用于绝缘电阻测量的绝缘电阻测量路径的连接之外)的绝缘监控装置的此附加耦合，在负载处可精确地寄存与故障消除装置处的电压相对应的那些对地电压。

电压监控电路(经由该电压监控电路，用于寄存导体电压的绝缘监控装置被耦合)中的电压测量路径的数量取决于供电系统的类型以及保护目标。除进行选择的有效导体的目标监控的可能性之外，通常尽可能全面地寄存测量的参数。此未必包含用于所有外部导体的电压测量路径的提供。因此，可以基于足够数量的外部导体电压的测量计算未知的电压。

因此，在具有两个外部导体的单相供电系统中，电压测量电路有利地包括两条电压测量路径，每条路径将一个外部导体连接至地。如果单相供电系统装配有中心抽头，优选地，三条电压测量路径分别将两个外部导体中的一个以及中点导体连接至地。

在具有三个外部导体的三相供电系统中，电压监控电路优选地包括三条电压测量路径，每条路径将三个外部导体中的一个连接至地。在额外存在中性导体的情况下，后者也可经由电压测量路径而被连接至地。

可直接地将电压测量路径的耦合点定位于馈电点的下游，且因此定位于负载侧的剩余电流保护装置的上游(从负载的方向上观察)或剩余电流保护装置的下游。

绝缘监控装置的负载侧耦合允许关闭供电(子)系统的监控，以便仅在无故障状态下连接关闭系统部分。可自动地或通过绝缘监控装置的激活信号发生该连接。然而，负载侧布置需要绝缘监控装置的单独的备用电压。

此外，电压测量路径形成耦合电阻和测量电阻的串联连接，电压测量装置被布置为与测量电阻并联。

在电压测量路径中，可通过电压测量装置测量位于串联连接至耦合电阻的测量电阻处的有效导体的导体电压。

在另一实施例中，电压测量路径与绝缘电阻测量路径被配置为具有串联连接的测量电压源的组合电阻测量路径。

为确定绝缘电阻并确定导体电压，根据它们各自的测量任务，提供单独的并联测量路径(即，绝缘电阻测量路径与电压测量路径)用于先前所描述的实施例中的各个有效导体。

然而，可不仅在功能上且在绝缘监控装置中的电路的方面上将两个测量任务整合。由对于各个有效导体的耦合电阻、测量电阻(具有并联连接的电压测量装置)以及测量电压源的串联连接组成的单个组合电阻测量路径允许为确定绝缘电阻和导体电压所需参数的组合寄存。

此外，电压监控电路有利地包括具有可调阈值检测器的评估装置。

为检测各个有效导体与地之间的过电压，在评估装置中提供阈值检测器，所述阈值检测器估计由电压测量装置传输的电压值。阈值检测器被配置为可调节的，以便可针对适于待被监控的供电系统的电压阈值的超过检查测量的电压值。因此，仅在确实存在归因于可能有害于系统的功能的过电压的后果或风险时，可相应地利用电气装置与连接的设备的指定容差并关闭供电系统。

此外，评估装置包括用于检测无危险的瞬变电压尖峰的瞬变检测装置。

瞬变检测装置防止短期干扰(如偶尔的电压尖峰)被错误地解释为永久过电压，这将导致不当的关闭。

优选地，电压监控电路包括具有用于提供模拟和/或数字开关信号的至少一个信号输出端的告警电路。

如果检测到过电压，生成用于关闭供电系统的开关信号。此任务由告警电路进行，该告警电路在绝缘监控装置的信号输出端提供模拟和/或数字形式的关闭信号以用于进一步的处理。

利用该开关信号，可控制随后的开关元件。例如，可以以开关控制电流的形式使用开关信号以控制机电式接触器，并且除关闭之外也可引起关闭供电(子)系统的受控再激活。

在另一实施例中，电压监控电路包括告警继电器。

结合剩余电流保护装置，通过由电压监控电路的告警继电器生成有意引起的触发电流可利用它的关闭功能。类似于基于按压剩余电流保护装置中的测试键而生成测试电流，触发电流触发剩余电流保护装置。

因此，商业上可用的剩余电流保护装置(剩余电流电路断路器)可被用作独立于制造商的极合算的关闭工具以关闭供电系统，有利地在根据本发明的绝缘监控装置与剩余电流保护装置之间无需通信(总线通信)。该告警继电器也可用于切换用于开关元件(接触器)的控制电流，经由内部控制信号或经由信号输出控制该告警继电器。

关于方法，结合用于具有至少两个有效导体的非接地的单相或多相供电系统的绝缘电阻的符合标准的监控的方法可达到此目的，其中测量至少一个有效导体与地之间的导体电压并在检测到过电压时生成用于关闭供电系统的关闭信号。

根据本发明的上述绝缘监控装置的实施基于用于具有至少两个有效导体的非接地的单相或多相供电系统的绝缘电阻的符合标准的监控的方法中描述的技术教示。在此方面，上述技术效果和由此产生的优势也适用于本方法特征。

在有效导体中的一个处检测到过电压情况下，导体电压的寄存与关闭信号的提供有助于非接地供电系统的预防性维修。由于根据本发明的这些措施，根据标准所需的传统绝缘监控装置的保护性功能有利地扩展至危险的过电压的监控。

在另一实施例中，设定电压阈值以检测有效导体与地之间的过电压。

此设定发生在阈值检测器中，且允许使得电压阈值适合于待被监控的供电系统。

有利地，在过电压的检测中忽视无危险的瞬变电压尖峰。

如果瞬变电压尖峰发生在测量的电压中，通过评估装置中的瞬变检测装置可检测到瞬变电压尖峰，且在作为过电压的解释方面上忽视该瞬变电压尖峰，以避免错误的关闭。

在另一优选实施例中，生成用于剩余电流保护装置的触发电流以触发剩余电流保护装置。

通过生成有意引起的触发电流，已存在的剩余电流保护装置可被触发。这样，提供合算的关闭选项，该关闭选项特别适于现有供电系统中的改装。

另一实施例包括用于开关元件的控制电流的生成。

结合任意类型的开关元件，特别地结合能够非手动再激活的开关元件，可传输控制电流形式的开关信号。为此，绝缘监控装置具有能够驱动对应的控制电流的信号输出端。

此外，可生成用于开关元件的控制电流，该控制电流用作再激活信号并引起关闭供电子系统的自动再激活。

如果绝缘监控装置持续监控关闭供电(子)系统中的绝缘，在低电阻绝缘故障时可再次自动地重连接它并因此消除导致过电压的原因。然而，在此应用的情况下，需要采取保护用户免受意外的重连接的安全措施。

附图说明

从以下的借助于示例示出本发明的优选实施例的描述和附图中，其他有利的实施例特征变得明显，其中：

图1示出非接地三相供电系统中的根据本发明的绝缘监控装置；

图2示出具有结合剩余电流保护装置的告警继电器的根据本发明的绝缘监控装置的实施例；

图3示出三相供电系统中的具有组合电阻测量路径及负载侧耦合的根据本发明的绝缘监控装置的实施例；

图4示出单相供电系统中的具有组合电阻测量路径及负载侧耦合的根据本发明的绝缘监控装的实施例；以及

图5示出与作为开关元件的连接器相连的根据本发明的绝缘监控装置的实施例。

具体实施方式

图1示出在具有外部导体L1、L2、L3及现存的中性导体N的非接地三相供电系统4中的根据本发明的绝缘监控装置2。非接地(IT)供电系统4与地电势(地)PE分离，然而连接至外部导体L1和中性导体N的负载6经由抑制电容C1和C2而连接至地。

绝缘监控装置2经由用于绝缘电阻测量的绝缘电阻测量路径7而三相连接至外部导体L1、L2和L3。中性导体N存在于此示例中，但其并未连接至绝缘监控装置2。

为测量电压，根据本发明的绝缘监控装置2包括电压监控电路8，该电压监控电路8包括用于外部导体L1、L2和L3的电压测量路径10a、10b和10c，所述电压测量路径中的每条由耦合电阻Ra1、Ra2、Ra3与测量电阻Rm1、Rm2、Rm3的串联连接组成。电压测量装置Vm1、Vm2、Vm3被布置为与测量电阻Rm1、Rm2、Rm3并联，由此测量发生在外部导体L1、L2和L3上的外部导体电压。

在示出的外部导体L2的完全接地故障12的情况下，非故障外部导体L1和L3上的对地PE的外部导体电压增大。在评估装置14中检测过电压，该评估装置14连接至电压测量装置Vm1、Vm2、Vm3且包括可调阈值检测器16。为避免响应于瞬变电压尖峰(其不表示永久的过电压)的错误决策，在评估装置14中执行瞬变检测器18。在真实过电压的情况下，告警电路20生成模拟和/或数字关闭信号，在信号输出端22处提供该关闭信号。

图2示出额外装配有作为开关元件与剩余电流保护装置26相连的告警继电器24的根据本发明的绝缘监控装置2的实施例。在检测到过电压的情况下，告警继电器24连接在剩余电流保护装置26的上游的外部导体L1、L2和L3中的一个与中性导体N或在剩余电流保护装置26的下游的外部导体L1、L2和L3中的另一个之间的电阻Rd。因此，生成流经电阻Rd的触发电流，该触发电流触发剩余电流保护装置26并中断供电系统4。生成的触发电流的大小取决于所使用的剩余电流保护装置26的响应差动电流且(例如)可为30mA的交流电。

图3示出三相供电系统4中的具有组合电阻测量路径11a至11d以及负载侧耦合的根据本发明的绝缘监控装置2的实施例。图1中示出的绝缘电阻测量路径7已与图1中所示的电压测量路径10a、10b、10c相组合以形成组合电阻测量路径11a、11b、11c。可选地，也可存在对于中性导体N的组合电阻测量路径11d。用测量电压源Up进一步补充电阻测量路径11a-11d，该测量电压源在供电系统4上添加测量电压以用于确定绝缘电阻。

在此应用中，具有集成的电压监控电路8的绝缘监控装置2被布置于负载侧的剩余电流保护装置26的下游(从负载6的方向上观察)且可连接至备用电压源Ub。

类似于图3所示出的，图4示出在具有中点抽头的单相供电系统4中的绝缘监控装置2的操作。组合电阻测量路径11a、11b用于确定绝缘电阻并用于测量导体电压且它们将外部导体L1、L2连接至地。中心抽头可可选地具有另一电阻测量路径11e，该电阻测量路径11e具有耦合电阻RaM、测量电阻RmM以及电压测量装置VmM。

基于图3中所示出的，图5示出与作为开关元件的连接器28相连的根据本发明的绝缘监控装置2的实施例。如在所示出的情况下，用于导体28的控制电流可从供电系统4提取(tapped)且可经由告警继电器24连接。可选地，由信号输出端22提供的关闭信号也可用作用于连接器28的控制电流。

Claims (14)

1.一种根据电气安全标准所需的包括测量电压源的用于具有至少两个有效导体(L1，L2，L3，N)的非接地单相或多相供电系统(4)的绝缘电阻的符合标准的监控的绝缘监控装置(2)，其特征在于，包括：

结合有所述绝缘电阻的符合标准的监控的附加电压监控电路(8)，用于通过寄存所述有效导体(L1，L2，L3，N)中的至少一个与地之间的导体电压补充所述绝缘电阻的监控并在检测到过电压时依据所述绝缘电阻的大小生成用于关闭所述供电系统的关闭信号。

2.如权利要求1所述的绝缘监控装置(2)，其特征在于，所述电压监控电路(8)具有至少一个电压测量路径(10a，10b，10c)，所述至少一个电压测量路径(10a，10b，10c)将各个有效导体(L1，L2，L3，N)连接至地以寄存所述导体电压。

3.如权利要求1或2所述的绝缘监控装置(2)，其特征在于，所述电压测量路径(10a，10b，10c)形成耦合电阻(Ra1，Ra2，Ra3，RaN)与测量电阻(Rm1，Rm2，Rm3，RmN)的串联连接，电压测量装置(Vm1，Vm2，Vm3，VmN)被布置为与所述测量电阻(Rm1，Rm2，Rm3，RmN)并联。

4.如权利要求1或2所述的绝缘监控装置(2)，其特征在于，所述电压测量路径(10a，10b，10c)与绝缘电阻测量路径(7)被配置为具有串联连接的测量电压源(Up)的组合电阻测量路径(11a，11b，11c，11d)。

5.如权利要求1或2所述的绝缘监控装置(2)，其特征在于，所述电压监控电路(8)包括具有可调阈值检测器(16)的评估装置(14)。

6.如权利要求5所述的绝缘监控装置(2)，其特征在于，所述评估装置(14)包括用于检测无危险的瞬变电压尖峰的瞬变检测装置(18)。

7.根据权利要求1或2所述的绝缘监控装置(2)，其特征在于，所述电压监控电路(8)包括具有用于提供模拟和/或数字开关信号的至少一个信号输出端(22)的告警电路(20)。

8.根据权利要求1或2所述的绝缘监控装置(2)，其特征在于，所述电压监控电路(8)包括告警继电器(24)。

9.一种通过根据电气安全标准所需的包括测量电压源的绝缘监控装置(2)进行具有至少两个有效导体(L1，L2，L3，N)的非接地单相或多相供电系统(4)的绝缘电阻的符合标准的监控的方法，其特征在于包括：

附加地结合所述绝缘电阻的符合标准的监控，测量所述有效导体中的至少一个与地之间的导体电压以补充所述绝缘电阻的监控；以及

在检测到过电压时，依据所述绝缘电阻的大小生成用于关闭所述供电系统(4)的关闭信号。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，设定电压阈值以用于检测所述有效导体与地之间的过电压。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，忽视无危险的瞬变电压尖峰。

12.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，包括：

生成用于剩余电流保护装置(26)的触发电流以触发所述剩余电流保护装置(26)。

13.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，包括：

生成用于开关元件的控制电流。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，包括：

生成用于所述开关元件的控制电流，所述控制电流用作再激活信号并使得关闭供电子系统被再激活。

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