CN108474819B - 用于三相负载的短路监测的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
改良的三相负载(250)的短路监测；本发明提供了一种用于连接到三相网络的三相负载(250)的短路监测装置(100)，包括至少一个设置在三相网络的相位的电流路径(101‑103)上的电流传感器(201‑203)和用于评估所述至少一个电流传感器(201‑203)的处理单元，每个电流传感器具有用于每个电流传感器(201‑203)的端子，相应的电流传感器(201‑203)通过连接线连接到至其上，其中，处理单元(400)设计成通过评估由电流传感器(201‑203)确定的测量值来检测三相负载(250)上的短路，其中评估包括对所确定的测量值的合理性检查，以便通过电气和/或电磁干扰来区分短路和对所确定的测量值的影响。此外，本发明提供了一种用于对连接到三相网络的三相负载(250)进行短路监测的相应方法。
Description
本发明总体涉及三相系统，尤其涉及一种用于三相负载短路监测的装置和方法。
在三相系统中，其也称为三相交流系统，出于电气安全的原因，需要对在三相系统(例如电动机、加热元件或灯具)中工作的三相负载进行短路监测。
为此，通常通过电流传感器监测电流路径中的电流强度，其中三相负载经由该电流路径与三相网络的导体连接，由此三相负载的短路通过测量电流强度的突然变化而变得明显。
交流电传感器也称为电流互感器，通常由环形磁芯组成并且设计类似于变压器。流过导体的交流电的交变磁场在测量线圈中感生出交流电流，其匝数的倒数与测量电流成比。
因此三相系统中的电流传感器提供输入信号的比例图像，其中转换器的工作原理基于例如Rogowski线圈、霍尔传感器或变压器。还已知的是，例如，设计用于具有大开口的交流电流钳，其可以折叠在待测电流导体上。
通过选择所涉及的线圈的匝数比，可以覆盖较大的测量范围而不会明显影响初级电路。根据该原理运行的电流互感器通常不需要外部能量来操作。
对于在三相系统中使用电流传感器进行短路监测，通常首先将电流数据记录为模拟值。检测所要检测电流数据的波形，例如，通过用于监测电动机电流的装置来检查可能的指示短路的突然变化。
例如，从DE102011001340A1中已知一种用于三相系统的三相负载的短路保护的电气设备，其中提供了用于检测三相负载短路的装置，其中用于检测短路的装置包括电流传感器，以及用于检测的开关阈值，该开关阈值设计为当超过预定义的开关阈值时检测到短路。
传感器的输出信号可能受到电气和/或电磁干扰的影响。直流电传感器适用于短路电流，由于有用信号的高转换速率而具有提供类似于故障的信号的特性。
通过在三相系统中进行开关操作，电流传感器的输出信号可能会受到磁耦合或电气耦合的干扰。例如，用于短路监测的装置通常以24V的工作电压运作，而三相网络的两个导体之间的电压大约为400V。这些电压差以及线路的耦合能力和线路的平行指向，在耦合中起着至关重要的作用。引起干扰的干扰电流通常经电缆传送给设备并流经设备接口。干扰电流也可以流经寄生电容，这与电缆屏蔽能力有关。其可以通过电流连接轻易到达设备内。以足够的电流隔离接口的足够小的Pikofarad寄生耦合能力就足够了。
从DE4329919A1中已知一种用于操作车辆中消费者的方法和设备，其中该设备包括开关元件，并且其中电流由每个开关元件检测并且单独监测以达到或超过预定的最大值。如果假定消费者范围内存在短路并且每次发生这种情况过多时实现关闭，则例如，由于干扰辐射而发生故障时也会实现关机。因此，短期干扰不会导致设备关闭，当超过最大电流时启动计时器，并且只有溢出在超过该预定时间的情况持续存在时，才会检测到错误。
DE4329919A1中描述的方法的缺点在于，短路检测具有时间延迟并且仅在短期干扰的情况下才能避免错误检测。
因此，本发明基于特定目的而示出如何改善三相负载的短路监测。
该目的通过独立权利要求的特征来解决，有利的实施例是从属权利要求的主题。
因此，用于连接到三相网络的三相负载的短路监测装置包括布置在三相网络的一个相位的电流路径中的至少一个电流传感器，用于评估至少一个电流传感器的测量值的处理单元，每个电流传感器具有用于每个电流传感器的端子，相应的电流传感器经由连接线连接到电流传感器，其中处理单元设计为通过评估由电流传感器得到的测量值来检测三相负载上的短路，并且其中评估包括对所确定的测量值的合理性检查，以便通过电气和/或电磁干扰来区分短路和对所确定的测量值的影响。
对于短路监测，特别有利的是，测量三相网络的几个或所有相位的电流路径中的电流。因此，该装置优选地包括多个，特别是三个电流传感器，每个电流传感器设置在三相网络的不同相位的电流路径中，并且每个电流传感器都经由连接线连接到处理单元的指定端子。换言之，在该实施例中，特别有利的是，短路监测装置的电流传感器设置在每个电流路径中。
在该装置的特别有利的实施例中提出，将电流传感器连接到处理单元的至少两条连接线经由耦合元件彼此连接。特别有利的是，将电流传感器连接到处理单元的所有连接线分别成对地经由单独的耦合元件互连。
特别地，耦合元件在连接线之间产生电容耦合，有利的是，它们因此各自构成至少一个电容器。
特别地，耦合元件用于将电气和/或电磁干扰均匀分布到连接线上，电气和/或电磁干扰耦合到用于短路监测的装置中，以便保持由干扰引起的、电流传感器所连接的处理单元的所有端子处的电压电平，而不管干扰耦合到哪个方向和哪个连接线路上。
电流传感器的有用信号，即电流测量的测量信号，不应受耦合元件的影响。因此，特别有利的是，耦合元件分别设计为高通滤波器，使得用于高频信号的连接线基本上都是短路的，然而，由连接线上的耦合元件传输的电流传感器的测量信号基本上不受影响。特别地，耦合元件调谐成具有50Hz频率的有用信号即不受影响。
为了进行短路监测，该装置优选地设计为通过电流传感器连续地或以预定的时间间隔，特别是周期性的确定电流测量值。有利的是，处理单元对电流传感器确定的测量值的评估包括对所确定的测量值的时间进程的评估，特别是检测信号过程中的突然变化。
优选地，处理单元设计成当至少一个确定的电流值或从多个已检测到的电流值中导出的值超过预定阈值并且所确定的电流值符合预定的合理性规则时，检测为短路。
在有利的实施例中，处理单元设计为在预定测量持续时间内将确定电流分布图的正半波和负半波的最大振幅作为导出值。
应该注意的是，处理单元可以设计为通过相应的模拟电路装置直接处理由电流传感器记录的模拟测量信号，或者将测量信号转换为数字数据，并且例如通过微控制器对其进行评估。
本发明的核心思想是对在电流传感器检测的测量信号的评估中对测量值进行合理性检查，以便通过电气和/或电磁干扰来区分短路和对所确定的测量值的影响。
在有利的实施例中，它作为待遵循的合理性规则提供出来，例如，由电流传感器确定的电流值在给定的时间点不都具有相同的符号。根据电流应用的三相负载和预期故障，可以定义更合适的合理性规则。
优选地，该设备包括控制输出，用于在处理单元检测到短路时提供控制信号，以在检测到短路时启动适当的措施，例如实现三相负载的安全切断。
该目的还通过用于对连接到三相网络的三相负载进行短路监测的方法来实现，该方法通过布置在三相网络的一个相位的电流路径中的至少一个电流传感器来确定测量值，并且通过处理单元评估所确定的测量值或由其导出的值以检测短路，其中评估包括确定的测量值的合理性检查，以便通过电气和/或电磁干扰来区分短路和对所确定的测量值的影响。
该方法提供与上述装置的有利实施例类似的有利实施例。
因此，有利的是，该方法提供了，通过多个(特别是三个)电流传感器进行测量值的确定，电流传感器分别设置在三相网络的不同相位的电流路径中，并且每个电流传感器都通过连接线连接到处理单元的指定端子，特别的是，电流传感器经由至少两条连接线连接到指定端子，经由耦合元件彼此连接，并且其中特别有利的是，经由其将电流传感器连接到处理单元的所有连接线经由单独的耦合元件成对地彼此连接。
优选地，测量值的确定基于连续地或者以预定的时间间隔，特别是周期性地进行，其中处理单元的评估优选地包括对所确定的测量值的时间进程的评估。
特别的是，如果至少一个确定的电流值或从多个检测到的电流值导出的值超过预定阈值并且确定的电流值符合预定的合理性规则，则处理单元检测为短路，其中要遵循的可信性规则规定，例如电流传感器的电流值在给定时间内并非具有全部相同的符号。
此外，有利的是，该方法提供，在处理单元检测到短路时，产生控制信号。有利的是，该方法提供的是通过控制信号来实现操作，例如显示错误信息、转发错误消息或安全切断三相负载。
将结合附图参照一些实施例更详细地解释本发明。相同的附图标记表示相同或相似的部件。在图中：
图1示意性阐释根据本发明的用于三相负载的短路监测的装置的优选实施例，
图2示意性阐释根据本发明的用于三相负载的短路监测的方法的优选实施例的步骤。
图1示出了三相系统10，其中三相负载250经由电流路径101、102和103连接到三相网络的导体(未在图1中示出)，其中在每种情况下电流流过的电流路径，由图1给出的标记I1、I2和I3表示。
三相负载250可以，例如，在星形或三角形电路连接中工作。在所示实施例中，三相负载250在星形电路中连接工作，其中星桥处于N电位，并与保护导体260连接。
提供了装置100，用于连接到三相网络的三相负载250的短路监测，其包括布置在三相网络的相位的电流路径中的三个电流传感器201、202和203以及用于评估电流传感器201、202和203的测量值的处理单元400，每个电流传感器201、202和203具有用于经由连接线连接到相应电流传感器的、每个电流传感器的端子401、402或403。此外，处理单元400为电流传感器提供了公共参考端子404。端子401、402或403中的一个与参考端子404之间的电压与由相应的电流传感器201、202或203测量的电流强度成比例。电流传感器201-203特别设计为电流互感器。然而，原则上可以使用任何已知的或预知类型的合适的电流传感器。
电流传感器201、202和203经由其分别连接到端子401、402和403的连接线、经由耦合元件305、306和307彼此成对连接。此外在所示实施例中，电流传感器201、202和203经由连接线连接到端子401、402和403，电流传感器201、202和203通过连接线分别经由耦合元件302、303和304连接到参考端子404。
装置100还包括用于将装置100连接到电源电压的端子410和420，在所示的示例性实施例中，其连接到电源450，通过电源450向处理单元400供应电能，并且其中端子420形成为接地端子。
在所示的实施例中，电流传感器201、202和203经由其连接到参考端子404的连接线进一步经由另一耦合元件连接到接地端子420。
特别的，耦合元件301-307导致连接线之间的电容耦合，有利的是，从而构成至少一个电容器。特别的，耦合元件301-307用于将耦合到设备100中的电气和/或电磁干扰均匀分布到连接线上，以保持电流传感器201-203所连接的处理单元的所有端子401-404处的\由干扰引起的电压电平，而不管干扰耦合到哪个方向和哪个连接线上。
处理单元400设置为通过评估由电流传感器201、202和203确定的测量值来检测三相负载上的短路，其中评估包括对所确定的测量值的合理性检查，以便通过电气和/或电磁干扰来区分短路和对所确定的测量值的影响。
该装置还包括控制输出405，用于在检测到短路时由处理单元400提供控制信号。
图2示意性阐释根据本发明的用于三相负载的短路监测的方法的优选实施例的步骤。
在步骤501中，通过电流传感器201、202和203在预定时间段内获取电流测量数据。根据检测到的电流测量数据，在步骤502中确定所有电流相位的正半波的最大幅度，并且在步骤503中确定所有电流相位的负半波的最大幅度。在步骤504中，将所确定的最大振幅分别与预定的短路电平进行比较，并且在步骤505中，执行检测到的电流测量数据的合理性检查。在步骤506中，根据所检测到的最大振幅与预定的短路电平的比较结果，并根据合理性检查的结果，对短路进行检测，当确定的最大振幅之一超过短路电平时并且遵守以合理性检查定义的合理性规则时，检测为短路，即，例如，在给定测量时间，并非所有电流读数都具有相同的符号，因为这表明短路电平过冲不是由于短路而是由于故障引起的。
因此，本发明提供了一种测量方法和一种直接指示测量系统，在其测量参数中，考虑测量对象的EMC特性(EMC：电磁兼容性)，并由此尽可能准确地并且在无响应的情况下检测干扰效应或测量信号，并且在发生故障时，考虑“友/敌”识别。
从测量值的时间过程中，经验表面，没有耦合链接301-307的情况下很难推断出决定设备是否受到干扰。
有利的是，本发明提供了通过硬件在电路之间选择性地耦合电气和/或电磁干扰，这导致在任何时候端子401、402和403处的干扰感应电压状态相同。
特别是在有用信号急剧上升的情况下，短路电流传感器和处理几乎没有时间来区分电气和/或电磁干扰的有用信号。
在所描述的设备100太高的情况下，检测影响设备和电路的正确工作的干扰，并防止经由控制输出405或系统响应进一步处理和触发监测阈值。
处理单元400连续检查数据和波形以查找短路中可能的突然变化。特别的，如果电流数据的最大振幅偏差超过指定的阈值，并且合理性检查表明不是所有电流数据都处于正或负半波时，存在短路。
有利的是，当在连续的一系列电流数据或样本中检测到短路时，触发事件“短路”。
合理性检查检测信号的正确时间。例如，三相系统中的三个电流不会有相同符号的比例模拟信号。合理性检查清楚地将有用信号与电气或电磁干扰区分开来。
附图标记列表
10 三相系统
100 短路监测装置
101-103 电流路径
201-203 电流互感器
250 三相负载
260 保护导体
301-307 耦合元件
400 处理单元
401-403 模拟电流测量信号的端子
404 模拟参考信号端子
405 输出
410、420 电源电压端子
450 电源
501-505 步骤
Claims (22)
1.一种用于连接到三相网络的三相负载(250)的短路监测装置(100)，包括：
-布置在三相网络的相位的电流路径(101-103)中的至少一个电流传感器(201-203)
-用于评估至少一个所述电流传感器(201-203)的测量值的处理单元(400)，每个所述电流传感器具有用于每个所述电流传感器(201-203)的端子(401-404)，相应的所述电流传感器(201-203)通过连接线连接到至所述端子上，其中所述处理单元(400)用于通过评估由电流传感器(201-203)确定的测量值来检测三相负载(250)上的短路，其中评估包括所确定的测量值的合理性检查，其中，电流传感器(201-203)通过其连接到处理单元(400)的至少两条连接线经由耦合元件(301-307)彼此连接，耦合元件(301-307)用于将耦合到设备100中的电气和/或电磁干扰均匀分布到连接线上，以保持电流传感器(201-203)所连接的处理单元的所有端子(401-404)处的由干扰引起的电压电平，而不管干扰耦合到那个方向和哪个连接线上，以区分短路和由电气和/或电磁干扰对所确定的测量值的影响。
2.根据权利要求1所述的装置，包括多个电流传感器，每个电流传感器布置在三相网络的不同相位的电流路径(101-103)中并且分别经由连接线连接到处理单元(400)的指定端子(401-404)。
3.根据权利要求2所述的装置，包括三个电流传感器(201-203)，每个电流传感器布置在三相网络的不同相位的电流路径(101-103)中并且分别经由连接线连接到处理单元(400)的指定端子(401-404)。
4.根据权利要求2所述的装置，其中所述电流传感器(201-203)经由其连接到所述处理单元(400)的连接线分别经由单独的耦合元件(302-307)彼此成对连接。
5.根据权利要求2或4所述的装置，其中，所述耦合元件(301-307)各自形成为高通，高频信号的连接线实质上是短路，并在连接线上传输所述电流传感器(201-203)的测量信号，然而，经由连接线传输的电流传感器(201-203)的测量信号基本上不受耦合元件(301-307)的影响。
6.根据权利要求1所述的装置，其设计为连续地或以预定的时间间隔来实施短路监测，通过电流传感器(201-203)确定电流测量值。
7.根据权利要求6所述的装置，其设计为周期性地通过电流传感器(201-203)确定电流测量值。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述处理单元(400)的评估包括对所确定的测量值的时间进程的评估。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述处理单元(400)设计为，如果至少一个确定的电流值或从多个检测到的电流值导出的值超过预定阈值并且所确定的电流值符合预定的合理性规则时，检测为短路。
10.根据权利要求1所述的装置，其中待遵循的合理性规则为在给定时间内由所述电流传感器(201-203)确定的所述电流值不全都具有相同的符号。
11.根据权利要求1所述的装置，包括控制输出(405)，用于在处理单元(400)检测到短路时提供控制信号。
12.一种用于连接到三相网络的三相负载(250)的短路监测的方法，包括以下步骤：
-通过布置在三相网络的相位的电流路径(101-103)中的至少一个电流传感器(201-203)确定测量值，
-通过与电流传感器(201-203)连接的处理单元(400)评估所确定的测量值或由其导出的值，用于检测短路，其中评估包括对所确定的测量值的合理性检查，其中电流传感器(201-203)通过其连接到处理单元(400)的至少两条连接线经由耦合元件(301-307)彼此连接，耦合元件(301-307)用于将耦合到设备100中的电气和/或电磁干扰均匀分布到连接线上，以保持电流传感器(201-203)所连接的处理单元的所有端子(401-404)处的由干扰引起的电压电平，而不管干扰耦合到那个方向和哪个连接线上，以区分短路和由电气和/或电磁干扰对所确定的测量值的影响。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，通过多个电流传感器确定测量值，每个布置在三相网络的不同相位的电流路径(101-103)中，并且在每种情况下，其通过连接线连接到处理单元(400)的指定端子(401-404)。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，通过三个电流传感器(201-203)确定测量值，每个布置在三相网络的不同相位的电流路径(101-103)中，并且在每种情况下，其通过连接线连接到处理单元(400)的指定端子(401-404)。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，电流传感器(201-203)通过其连接到处理单元(400)的至少两条连接线经由单独的耦合元件(302-307)成对的彼此连接。
16.根据权利要求13或15所述的方法，其中，耦合元件(301-307)各自形成为高通，用于高频信号的连接线基本上是短路，然而在连接线上通过耦合元件(301-307)传输电流传感器(201-203)的测量信号基本上不受影响。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，连续地或以预定的时间间隔进行确定测量值。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，连续地或以预定的时间间隔以循环地进行确定测量值。
19.根据权利要求12所述的方法，其中所述处理单元的评估包括评估所确定的测量值的时间进程。
20.根据权利要求12所述的方法，其中，如果至少一个确定的电流值或从多个确定的电流值导出的值超过预定阈值并且所确定的电流值符合预定的合理性规则，则处理单元(400)检测为短路。
21.根据权利要求12所述的方法，其中，要遵循的合理性规则是由所述电流传感器(201-203)确定的电流值在给定时间不全都具有相同的符号。
22.根据权利要求12所述的方法，其中在由所述处理单元(400)检测到短路时，生成控制信号。
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