CN106159912A

CN106159912A - 用于关闭非接地供电系统中呈现绝缘故障的装置部分的方法及装置

Info

Publication number: CN106159912A
Application number: CN201610302400.7A
Authority: CN
Inventors: 迪科尔·哈克尔; 奥利弗·沙佛
Original assignee: Bender GmbH and Co KG
Current assignee: Bender GmbH and Co KG
Priority date: 2015-05-11
Filing date: 2016-05-09
Publication date: 2016-11-23
Anticipated expiration: 2036-05-09
Also published as: US20160336732A1; DE102015208725B3; US10340680B2; CN106159912B

Abstract

本发明涉及一种用于在连接至待被关闭的装置部分的直流电路中的绝缘故障的情况下关闭非接地供电系统中设有连接的设备的装置部分的方法及装置。本发明基于，首先确定IT供电系统的绝缘电阻并测量存在于IT供电系统中的位移直流电压，然后通过测量的结果的组合估计确定是否存在归因于在可预确定时间间隔期间内发生的位移直流电压的对连接的设备的操作行为的扰乱性影响的风险。如果将预期到扰乱性影响，则立即将呈现绝缘故障的装置部分和直流电路及连接至其的设备一起关闭。

Description

用于关闭非接地供电系统中呈现绝缘故障的装置部分的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种用于在连接至待被关闭的装置部分的直流电路中的绝缘故障的情况下关闭非接地供电系统中设有连接的设备的装置部分的方法及装置。

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供电系统)。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(外部导体及中性导体)与地之间形成闭合电路。

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

因此，根据标准IEC 61557-8，通过绝缘监控装置IMD(该绝缘监控装置连接于IT供电系统的外部导体与地之间)，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、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。

例如，如果受控驱动系统被连接至IT供电系统作为设备或负载，则，除交流馈电之外，IT供电系统的装置部分还可包括直流电路，如用于向三相发动机供电的逆变器的DC中间电路。由于直流电路的绝缘的不佳状态，直流电流(DC)可流向地，这将导致IT供电系统中的外部导体与地之间的位移直流电压(位移DC电压)。此位移直流电压可对连接的负载的操作行为具有扰乱性的影响，该扰乱性的影响在不利的条件下将引起负载失败。根据连接至IT供电系统的哪个设备可仅受到确定大小的位移直流电压而无需遭受损害，从相关的推荐及标准(参见，例如，MIL-STD-1399-300B，章节5.2.12)中，此种位移直流电压可对操作行为具有负面影响的事实也是显而易见的。结合临界位移直流电压，即使低至100mA的直流电流也可导致敏感控制电路的失灵。

为了抵消位移直流电压对设备的扰乱性影响并触发具有直流电路与连接的设备的故障装置部分的关闭，从现有技术已知试图借助于AC/DC-敏感差动电流测量技术寄存危险的直流(剩余)电流的技术方案。

然而，在这种情况下，必须首先考虑，与在接地系统中不同，当前考虑的非接地供电系统中的剩余电流保护装置(RCD)的可靠功能绝大部分取决于目前网络泄漏电容的分布及大小。在所有装置中无法确保，在IT供电系统的稍微变化之后(例如在另一负载分支的连接之后)检查所有安装的剩余电流保护装置的功能性。

此外，必须考虑，由于大网络泄漏电容，在广泛的三相供电网络中可发生高达20A(RMS)的泄漏电流(MIL-STD-1399-300B，章节5.1.2)。这意味着，需要忍受大小为20A(RMS)的电容性泄漏电流而不进行关闭，同时需要100mA的另一剩余直流电流以造成引起直流电流的故障装置部分的快速关闭。

鉴于关于关闭时间的需求，IT供电系统的制造商及运营商使用剩余电流保护装置的特性作为定位点，即，期望关闭时间处于40ms至500ms的范围内。

例如，如果企图通过滤波解决测量及检测隐藏的剩余直流电流的问题，滤波的预期阶跃响应时间非常大，以至于无法满足关于关闭时间的需求。

通过模拟的实际测量及证实进一步示出，在第一绝缘故障的情况下，在连接的驱动系统中可发生对地的位移直流电压，即使在长期暴露之后，该连接的驱动系统的电压幅值(若短暂的)对于驱动系统尚非操作上危险的且对IT系统的其余部分中的负载并非临界的，这意味着驱动系统的快速关闭是不当的。在小位移直流电压情况下的过早关闭也将过度地减小驱动的可用性。然而，在驱动系统的长期暴露于绝缘故障下达数秒或甚至数分钟的时间段的情况下，可发生发动机的增大的压力及早期故障。

因此，应注意，待被满足的需求延伸至由从现有技术已知的差动电流测量技术所提供的实现的可能性之外。

发明内容

因此，本发明的目的在于，在连接至非接地供电系统的直流电路中的绝缘故障的情况下，引起具有直流电路及连接至其的设备的故障装置部分的关闭，以允许非接地供电系统的尽可能可靠的操作。

关于方法，实现此目的，其中方法包括以下方法步骤：确定非接地供电系统的绝缘电阻；对于非接地供电系统的所有外部导体，确定各个外部导体与地之间的位移直流电压；如果在可预确定时间间隔的期间内，获得的绝缘电阻值小于可预确定的绝缘电阻限值且获得的位移直流电压大于可预确定的直流电压限值，则关闭呈现绝缘故障的系统部分。

根据本发明，本发明的基本思想基于，首先确定IT供电系统的绝缘电阻以测量存在于IT供电系统中的位移直流电压，然后通过测量的结果的组合估计确定在可预确定时间间隔的持续时间内获得的位移直流电压是否造成对连接的设备的操作行为的扰乱性影响的风险。如果将预期到扰乱性影响，则立即将呈现绝缘故障的装置部分和直流电路及连接至其的设备一起关闭。

至于关闭准则，基于确定的绝缘电阻评估获得的位移直流电压。

如果IT供电系统的绝缘电阻值的水平足够高，即使存在位移直流电压，也无法引起对连接的负载的操作状态具有扰乱性影响的足够高的直流电流。

如果存在第一故障的情况且绝缘电阻值小于可预确定的绝缘电阻限值，在额外发生的位移直流电压将引起扰乱的情况下，只要未确实发生临界位移直流电压，无需进行关闭。现在，如果大于可预确定的直流电压限值的位移直流电压在此状态下确实发生并维持了可预确定的时间间隔，则将触发呈现绝缘故障的装置部分的快速关闭。

因此，根据IT供电系统的基本原理，根据本发明的方法允许IT供电系统继续在第一故障的情况下操作(只要第一故障对于连接的负载的操作状态为非临界的)，但是也考虑归因于位移直流电压的潜在发生的扰乱。

利用归因于位移直流电压的在待决的临界操作状态情况下的故障装置部分的选择性关闭并利用向无故障系统部分的供电的同时维护，就非接地供电系统的操作而言，如此操作的IT供电系统呈现尽可能可靠且经济的新的有利特性。

在优选的实施例中，具有相关联的可预确定时间间隔的可预确定直流电压限值被确定为具有相关联的第一时间间隔的第一直流电压限值与具有相关联的第二时间间隔的第二直流电压限值的OR连接，第一直流电压限值高于第二直流电压限值，且第一时间间隔短于第二时间间隔。

因此，形成两个直流电压限值/时间间隔对，该直流电压限值/时间间隔对为OR连接的，且被用作直流电压限值和时间间隔参考值，以评估获得的位移直流电压的扰乱可能性。通过第一直流电压限值和第一时间间隔，检测归因于高位移直流电压的扰乱性影响，由于其大小，甚至在短暂暴露的情况下，这可引起损坏。具有第二时间间隔的第二直流电压限值考虑较小的但在较长时间段内发生的位移直流电压的扰乱性影响且因此表示在显著较慢的响应行为处的显著较低的直流电压限值---时间间隔可以是数秒或甚至数分钟。一旦满足了两个成对的限值条件中的一个(OR连接)，则关闭呈现绝缘故障的装置部分。

在另一有利的实施例中，根据连接的设备的电气参数，设定可预确定的绝缘电阻限值(Ran)、可预确定的第一/第二直流电压限值以及可预确定的第一/第二时间间隔。

首要通过连接的设备对于发生的位移直流电压的敏感性或鲁棒性，确定待被设定的限值的大小。如果连接的负载忍受相对高的位移直流电压，则对应的直流电压限值可被设定为与小鲁棒负载相比的较高值。

此外，使用数字滤波算法及同步算法确定绝缘电阻及位移直流电压。

由于根据标准IEC 61557-8的强制的绝缘监控装置通常将对地的有效测量信号馈入IT供电系统，需要以这样的方式设计位移直流电压的确定：应用的测量信号不会错误地导致关闭或导致可接受的关闭时间的超过。此外，由不对称绝缘故障引起的位移交流电压(位移AC电压)也不能消极地影响位移直流电压的确定。

为了满足这些需求，执行数字滤波算法和同步算法以确定绝缘电阻及位移直流电压，所述算法允许期望信号分量的分离。

在另一实施例中，确定具有直流电路的关闭的装置部分的至少部分绝缘电阻，且如果该至少部分绝缘电阻达不到部分绝缘电阻限值，则阻止关闭的装置部分被连接。

在IT供电系统需要满足增加的可靠性需求的情况下，在装置部分被连接之前，确定所述装置部分的部分绝缘电阻。这优选地通过布置在装置部分中的一个或多个分离的绝缘监控装置(离线IMD)进行。

仅在关闭待被监控的装置部分时，离线IMD变得有效，且在装置部分被有效地操作时，离线IMD为闲置的。在关闭的装置部分被报告为呈现绝缘故障的情况下，可通过锁定电路阻止故障装置部分被连接。

如此，可预防性的避免对无故障装置部分的潜在的扰乱性影响。与在已知方案中使用测量差动电流(RCD)的技术不同，在本案中，无瞬时故障电流且无潜在扰乱性关闭尖峰生成。

关于装置，结合用于在连接至待被关闭的装置部分的直流电路中的绝缘故障的情况下关闭非接地供电系统中设有连接的设备的装置部分的装置进一步实现目的，其中，绝缘监控装置包括：电压测量装置，用于确定非接地供电系统的各个外部导体与地之间的位移直流电压；以及估计装置，用于绝缘电阻值与位移直流电压的组合估计。

在根据本发明的方法的实施中，根据本发明的装置包括：扩展的绝缘监控装置，其包括(优选地，在一个结构单元中)：电压测量装置，用于确定位移直流电压；以及估计装置，用于绝缘电阻值与位移直流电压的组合估计。

此外，装置可包括：开关装置，用于关闭呈现绝缘故障的装置部分。

控制关闭装置所需的控制信号由扩展的绝缘监控装置中的估计装置提供。

在另一实施例中，装置包括：一个或多个分离的离线绝缘监控装置(离线IMD)，用于确定关闭的装置部分的部分绝缘电阻。

通过离线IMD的关闭的装置部分的额外监控与增加的安全性及可靠性需求相适应。

结合离线IMD的设置，绝限监控装置具有锁定电路，该锁定电路通过通信装置连接至离线IMD。此种锁定逻辑避免故障装置部分被连接。

附图说明

可从以下描述及附图得出本发明的进一步理解，附图示出了本发明的示例性实施方式，其中：

图1示出根据现有技术的方法的实施方式；

图2示出通过根据本发明的装置的根据本发明的方法的实施方式；以及

图3示出根据本发明的方法的扩展实施方式。

具体实施方式

图1示出具有连接的设备的由三相交流馈电3组成的非接地供电系统(IT供电系统)2，装置部分6连接至三相交流馈电3，且该装置部分6能够被关闭并具有直流电路8和作为负载的电机，直流电路8和电机形成受控驱动系统，作为本案中的示例。

用于确定整个IT供电系统4的绝缘电阻Riso的传统的绝缘监控装置12布置在三相交流馈电4中。发生在直流电路8中的绝缘故障Riso2引起剩余直流电流，根据现有技术，该剩余直流电流通过差动电流测量技术被寄存在剩余电流保护装置14中。为了能够检测对负载10的潜在扰乱影响，负载10应甚至能够测量大小为100mA的最小剩余直流电流。由于由泄漏电容Ce2引起的泄漏电流也流过剩余电流保护装置14的差动电流测量装置(即，测量电流变流器)，且由于大泄漏电容，所述电容性泄漏电流可产生高达20A(RMS)的电流强度(尤其在广泛的网络中)，因此在20A(RMS)的电容性泄漏电流的情况下，差动电流测量装置必须能够测量100mA的额外直流电流。然而，当前可用的差动电流测量技术的测量的分辨率及准确率都不足以实现此目的。

用于IT供电系统2中的起作用的差动电流测量的另一先决条件在于，存在流过剩余电流保护装置14的测量电流变流器的返回路径，用于泄漏电流流经泄漏电容Ce2及用于剩余电流流经绝缘故障电阻Riso2。

例如，如果绝缘电阻Riso1及泄漏电容Ce1位于剩余电流保护装置14的下游(从馈电点看)，IT供电系统2中的泄漏及剩余电流将继续分别流过Ce1及Riso2，但不会被剩余电流保护装置14寄存且测量。

因此，存在于剩余电路保护装置14的测量电流变流器的返回路径中的阻抗的大小对差动电流测量结果具有显著影响且是误差的来源。

因此，如果要确定分别由Ce1及Riso2引起的泄漏及剩余电流，则在剩余电流保护装置14的测量电流变流器的返回路径中的绝缘电阻Riso1及泄漏电容Ce1必须被设计为呈现低电阻。

通过图2中示出的根据本发明的方法的实施方式可避免这些困难。根据本发明的装置包括：具有电压测量装置26及估计装置28的扩展的绝缘监控装置20。除IT供电系统2的绝缘电阻Riso之外，通过电压测量装置26确定归因于绝缘故障电阻Riso2引起的位移直流电压Uv。考虑获取到的绝缘电阻Riso(即结合测量的参数：绝缘电阻Riso及位移直流电压Uv)，在估计装置28中进行关于是否存在对负载10临界的操作状态的检查。仅在获得的绝缘电阻值Riso达不到可预确定的绝缘电阻限值Ran且位移直流电压Uv超过可预确定的直流电压限值Uan时，通过开关装置22，将呈现绝缘故障的装置部分6和直流电路8及负载10一起关闭。为此目的，估计装置28发送控制信号27至开关装置22。

图3示出根据本发明的方法的扩展实施方式。此处，通过布置在能够被关闭的装置部分6中的用于确定两个部分绝缘电阻的两个离线IMD30、32增补图2中示出的布置。仅在能够被关闭的装置部分6处于预期连接之前的关闭状态时，离线IMD30、32为有效的。如果关闭的装置部分6中的至少一个部分绝缘电阻被评估为临界的，则可通过扩展的绝缘监控装置20中的锁定电路29结合离线IMD30、32与扩展的绝缘监控装置20之间的通信装置34，避免装置部分6的连接及因此避免负载10的激活。

Claims

1.一种用于在连接至待被关闭的装置部分(6)的直流电路(8)中的绝缘故障的情况下关闭在非接地供电系统(2)中设有连接的设备的装置部分(6)的方法，包括方法步骤：

-确定所述非接地供电系统(2)的绝缘电阻(Riso)；

-对于所述非接地供电系统(2)的所有外部导体，确定各个外部导体与地之间的位移直流电压(Uv)；

-如果在可预确定时间间隔(Tan)的期间内，获得的所述绝缘电阻值(Riso)小于可预确定绝缘电阻限值(Ran)且获得的所述位移直流电压(Uv)大于可预确定直流电压限值(Uan)，则关闭呈现所述绝缘故障的所述装置部分(6)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，具有相关联的可预确定时间间隔(Tan)的所述可预确定直流电压限值(Uan)被确定为具有相关联的第一时间间隔的第一直流电压限值与具有相关联的第二时间间隔的第二直流电压限值的OR连接，所述第一直流电压限值高于所述第二直流电压限值且所述第一时间间隔短于所述第二时间间隔。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据所述连接的设备的电气参数，设定所述可预确定绝缘电阻限值(Ran)、所述可预确定第一/第二直流电压限值及所述可预确定第一/第二时间间隔。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，使用数字滤波算法及同步算法确定所述绝缘电阻(Riso)及所述位移直流电压(Uv)。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，确定具有直流电路(8)的关闭的装置部分(6)的至少部分绝缘电阻，且如果所述部分绝缘电阻达不到部分绝缘电阻限值，则阻止所述关闭的装置部分(6)被连接。

6.一种用于在连接至待被关闭的装置部分(6)的直流电路(8)中的绝缘故障的情况下关闭在非接地供电系统(2)中设有连接的设备的装置部分(6)的装置，包括用于确定所述非接地供电系统(2)的绝缘电阻(Riso)的绝缘监控装置(20)，其特征在于，所述绝缘监控装置(20)包括：

电压测量装置(26)，用于确定所述非接地供电系统(2)的各个外部导体与地之间的位移直流电压(Uv)；以及

估计装置(28)，用于所述绝缘电阻(Riso)与所述位移直流电压(Uv)的组合估计。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，包括：

开关装置(22)，用于关闭呈现所述绝缘故障的所述装置部分(6)。

8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，包括：

分离的离线绝缘监控装置(30，32)，用于确定关闭的装置部分的部分绝缘电阻。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述绝缘监控装置(20)包括：

通过通信装置(34)连接至所述离线绝缘监控装置(30，32)的锁定电路(29)。