CN110726877A - 用于确定未接地的电源系统中的总绝缘电阻的划分和总系统泄漏电容的划分的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定未接地的电源系统中的总绝缘电阻的划分和总系统泄漏电容的划分的方法和设备。本发明的基本思想是基于预先确定的未接地电源系统的总绝缘电阻和总系统泄漏电容的值，根据在未接地的电源系统中的每个有源导体之间测得的位移电压确定在未接地的电源系统中的有源导体之间如何将总绝缘电阻划分成部分绝缘电阻以及如何将总系统泄漏电容划分成部分系统泄漏电容。通过评估位移电压的振幅、频率和相位的改变，能够得出与总绝缘电阻和总系统泄漏电容在各个有源导体之间的划分有关的结论。

Description

用于确定未接地的电源系统中的总绝缘电阻的划分和总系统 泄漏电容的划分的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于确定未接地的电源系统中的总绝缘电阻的划分和总系统泄漏电容的划分的方法。

此外，本发明涉及用于实现这些方法的设备。

背景技术

当电气装置的操作、火灾和接触安全性必须满足更高的要求时，采用未接地的电源系统的系统类型，也称为隔离系统(isolé terre-IT)或IT(电源)系统。在这种电源系统中，有源部分与地电位分离，即，与地分离。这些系统的优点在于，在绝缘故障的情况下，诸如接地故障或框架故障，所连接的电气负载的功能不受影响，因为系统的有源导体和地之间的理想的无限大阻抗值防止形成闭合电路。

利用未接地的电源系统的这种固有的安全性，即使在第一次绝缘故障的情况下，也可以确保由不接地的电源系统供应的连续负载供电。

因此，未接地的电源系统相对于地的电阻(绝缘电阻，在故障情况下也称为绝缘故障电阻或故障电阻)被连续监测，因为另一有源导体上的潜在的第二次故障将导致故障回路，并且在这种情况下与过电流保护设备相关的故障电流将导致装置的关闭，包括停止操作。

如果通过绝缘监测设备连续监测未接地的电源系统的绝缘状态，那么即使已经发生了第一次故障，未接地的电源系统仍可以在没有规定的时间限制的情况下继续操作。

采用绝缘监测设备来监测绝缘电阻。根据现有技术已知的产品标准IEC 61557-8的绝缘监测设备确定整个IT系统相对于地的绝缘电阻。绝缘监测设备连接在一侧的有源导体和另一侧的地之间，并在系统上叠加测量电压。在绝缘故障的情况下，系统和地之间的测量电路通过绝缘故障关闭，从而导致与绝缘故障成比例的测量电流。这个测量电流在绝缘监测设备中的测量电阻器处造成对应的电压降，该电压降由电子器件评估并且如果其超过可预设的阈值则触发警报。

根据标准配置的绝缘监测设备将在所有有源导体之间对称划分的欧姆泄漏视为绝缘故障，正如它们对不对称发生的绝缘故障所做的那样，诸如在单个有源导体上发生的绝缘故障。

除了确定总绝缘电阻之外，市场上可用的绝缘监测设备还提供确定未接地的电源系统相对于地的总系统泄漏电容的功能。类似于总绝缘电阻(即，总系统泄漏阻抗的欧姆部分)，总系统泄漏电容构成总系统泄漏阻抗相对于地的电容部分。总系统泄漏电容是相对于地的所有系统泄漏电容的总和，诸如所连接装备中有源导体或噪声抑制电容器的每单位长度的电容。

但是，到目前为止，还没有令人满意的解决方案来解决以下任务：选择性地确定各个有源导体相对于地的绝缘电阻值和系统泄漏电容值的划分。虽然可以借助于绝缘监测设备确定总绝缘电阻和总系统泄漏电容，但总绝缘电阻和总系统泄漏电容在各个有源导体之间的划分的确定被发现是有问题的。

在未接地的纯直流电压系统中，可以通过测量位移电压得出关于总绝缘电阻在有源导体与地之间的划分的结论。到目前为止，在根据产品标准IEC 61557-8的绝缘监测设备中尚未实现总系统泄漏电容在有源导体与地之间的划分的确定。

在未接地的单相或多相交流电压电源系统中，总绝缘电阻的划分无法仅通过位移电压测量来确定，因为位移电压也很大程度上取决于在有源导体与地之间的系统泄漏电容的大小和划分。

在未接地的电源系统中，未接地系统相对于地的对称状态、导体的对称负载以及保护性导体电流的最小化的目的常常在于最小化电绝缘和电气部件上的相对于地的张力(strain)。在大多数情况下，在系统规划和系统设置期间会考虑这一点。

但是，如果在系统操作过程中对未接地的电源系统进行了改变，或者如果老化或类似的环境条件导致对称状态向非对称状态的转变，那么有关这种改变的早期可用信息对于能够发起预防性维护措施是重要的。由于这些改变，无法假设在有源导体之间的总绝缘电阻的对称划分和总系统泄漏电容的对称划分。

发明内容

因此，本发明的目的是提出一种方法和设备，其能够确定在未接地的直流电压或交流电压电源系统的各个有源导体之间的总绝缘电阻和总系统泄漏电容两者的划分。

关于在包括有源导体的未接地的电源系统中的总绝缘电阻的划分，其中在所述有源导体之间发生导体-导体电压，该目的是通过以下方法步骤，基于总绝缘电阻的在先确定(prior determination)来实现的：测量每个有源导体与地之间的位移电压，以及确定电阻划分因数，所述电阻划分因数描述根据测得的所述位移电压的参数振幅、频率、相位中的至少之一而将所述总绝缘电阻划分成与所述有源导体相关的部分绝缘电阻的划分。

本发明的基本思想是基于未接地的电源系统的总绝缘电阻的已知值(其可以通过例如由标准规定的绝缘监测设备来确定)，根据未接地的电源系统的每个有源导体与地之间的位移电压的测量，确定总绝缘电阻如何被划分成在未接地的电源系统的有源导体之间的部分绝缘电阻。

描述总绝缘电阻的划分的电阻划分因数是根据测得的位移电压确定的，特别是根据所述位移电压的振幅随时间的曲线以及由此导出的频率和/或相位测量确定的。

有利地，在未接地的DC电源系统中，根据位移电压的振幅的关系确定电阻划分因数。

由于在DC电源系统中本质上不存在导体-导体电压的与工作相关的振幅改变，因此使用导体-导体电压的寄生发生的改变。因此，导体-导体电压的改变可以是负载改变，但是也可以使用其它处理，诸如源电压的改变或电池的放电。如果它们突然发生，那么导体-导体电压的这些随时间的改变导致瞬态效应，该瞬态效应在测得的位移电压的曲线中可见。一旦达到静止状态，可根据位移电压的振幅关系确定电阻划分因数，该电阻划分因数指示先前测的的总绝缘电阻如何被划分成有源导体之间的部分绝缘电阻。

在另一个实施例中，在未接地的单相或多相AC电源系统中，在考虑位移电压的频率和相位的情况下，根据位移电压的振幅关系确定电阻划分因数。

在交流电压电源系统中固有地存在的电压连续改变可以用于导出确定总绝缘电阻的划分所需的信息。电压的其他改变(诸如由负载改变引起的改变)不是必要的要求，但也可以被有利地利用。由于共同决定系统泄漏阻抗的值的系统泄漏电容(复数值的系统泄漏阻抗的虚部)在电源系统中是不可避免的，因此可在考虑位移电压的频率和相位的情况下，根据位移电压的振幅关系来确定总绝缘电阻(复数值的系统泄漏阻抗的复部)的电阻划分因数。

在包括有源导体的未接地的电源系统中的总系统泄漏电容的划分，其中在所述有源导体之间发生导体-导体电压，可在以下方法步骤中，与总系统泄漏电容的在先确定相关联地确定：测量每个有源导体与地之间的位移电压，以及确定电容划分因数，该电容划分因数描述根据测得的所述位移电压的参数振幅、频率、相位中的至少之一而将所述总系统泄漏电容划分成与所述有源导体相关的部分系统泄漏电容的划分。

类似于与确定总绝缘电阻的划分有关的基本思想，总系统泄漏电容的划分的确定也基于以下思想：首先，测量未接地的电源系统的每个有源导体与地之间的位移电压，然后，基于对振幅随时间的曲线d评估，根据由此导出的频率和/或相位测量确定描述总系统泄漏电容的划分的电容划分因数。

有利地，在未接地的DC电源系统中，根据由导体-导体电压的振幅改变造成的相应位移电压的瞬态效应的持续时间，确定电容划分因数。

由外部事件(诸如以负载改变形式的开关过程)造成的导体-导体电压的振幅改变导致相应有源导体上可测量的位移电压的振幅的可观察的改变。根据瞬态效应的持续时间的关系或它们的时间常数，可以确定总系统泄漏电容划分成相应有源导体的部分系统泄漏电容的电容划分因数。

在未接地的单相或多相交流电压电源系统中，在考虑位移电压的频率和相位的情况下，根据位移电压的振幅关系确定所述电容划分因数。

在未接地的单相或多相交流电压电源系统中，评估位移电压的连续改变的振幅、频率和相位，并且由此确定用于将总系统泄漏电容在有源导体之间划分成部分系统泄漏电容的电容划分因数。

关于用于在未接地的电源系统中实施用于确定总绝缘电阻和总系统泄漏电容的划分的方法的设备，该目的是基于用于确定总绝缘电阻并被构造用于确定总系统泄漏电容的标准绝缘监测设备来实现，该设备还包括：用于测量位移电压的信号输入端以及用于确定电阻划分因数和用于确定电容划分因数的信号处理单元，所述电阻划分因数描述将所述总绝缘电阻划分成与所述有源导体相关的部分绝缘电阻的划分，所述电容划分因数描述将所述总系统泄漏电容划分成与所述有源导体相关的部分系统泄漏电容的划分。

由于绝缘监测设备的使用对于未接地的电源系统中的绝缘监测来讲强制性的，因此由标准绝缘监测设备确定的绝缘电阻值可以有利地用于确定根据本发明的将所述总绝缘电阻划分成部分绝缘电阻的划分。

此外，该设备包括用于根据本发明确定总系统泄漏电容以便基于所确定的系统泄漏电容确定部分系统泄漏电容的功能块。

为此，增强的绝缘监测设备具有额外的信号输入端，在该输入端处记录位移电压。

为了处理所记录的位移电压，提供了用于确定总绝缘电阻的相应划分因数和总系统泄漏电容的相应划分因数的信号处理单元。

附图说明

根据以下描述和附图，其它有利的实施例特征是显而易见的，附图图示了使用示例的本发明的优选实施例。

图1示出了根据本发明的方法在未接地的直流电压电源系统中的应用；

图2示出了图1中所示的未接地的直流电压电源系统中的位移电压的测量；

图3示出了根据本发明的方法在未接地的单相交流电压电源系统中的应用；以及

图4示出了图3中所示的单相交流电源系统中的位移电压的测量。

具体实施方式

图1示出了未接地的DC电源系统2，其包括两个有源导体L₊和L_-。DC电源系统2由电压源U_dc馈电，电压源U_dc为连接在有源导体L₊和L_-之间的负载4提供能源。

为了监测未接地的DC电源系统2的总绝缘电阻R_iso，在一侧的导体L₊、L_-和另一侧的地(地电位)E之间，连接对电源系统2叠加测量电压U_m的绝缘监测设备IMD。经由指派给相应的有源导体L₊、L_-并用作漏电阻的部分绝缘电阻R_iso+、R_iso-，并且经由指派给相应的有源导体L₊、L_-的部分系统泄漏电容C_e+、C_e-，发生测量电流I_m，该测量电流I_m在绝缘监测设备IMD的测量电阻器R_m处引起相应的电压降，所述电压降由绝缘监测设备IMD评估。由此确定的总绝缘电阻R_iso是部分绝缘电阻Riso+、R_iso-的并联连接的结果。

为了能够得出与将总绝缘电阻R_iso划分成指派给相应的有源导体L₊和L_-的部分绝缘电阻R_iso+、R_iso-的划分相关的结论，额外地测量分别在有源导体L₊与地E之间以及在有源导体L-与地E之间发生的位移电压U_{L+_E}和U_{L-_E}。

此外，测量总系统泄漏电容C_e，所述总系统泄漏电容C_e是指派给相应的有源导体L₊、L_-的部分泄漏电容C_e+和C_e-的并联连接的结果。

图2示出了位移电压U_{L+_E}和U_{L-_E}的测量，该测量是响应于导体-导体电压(输入电压)U_dc的突然改变而发生的。

对于位移电压U_{L+_E}和U_{L-_E}，利用从540V到550V的10V的电压跳变，网孔方程(meshequaltion)U_dc＝U_{L+_E}-U_{L-_E}得出图2中所示的曲线。在瞬态效应终止之后，位移电压U_{L+_E}和U_{L-_E}各自具有相同的绝对值275V，这表明了所确定的将总绝缘电阻R_iso划分成部分绝缘电阻R_iso+、R_iso-的对称划分。

两个有源导体L₊、L_-处的位移电压U_{L+_E}和U_{L-_E}的两个最终值的关系可以被直接用于确定有源导体L+的部分绝缘电阻R_iso+与总绝缘电阻R_iso之间的关系，从而确定电阻划分因数r_R。

一般而言，以下等式一般适用于包括两个有源导体的未接地的DC电源系统：

R_iso+＝r_R×R_iso，和

根据由导体-导体电压U_dc的振幅改变造成的相应位移电压U_{L+_E}、U_{L-_E}的瞬态效应的持续时间，并且根据从瞬态效应的曲线获得的时间常数，可以获得有源导体L₊的部分系统泄漏电容C_e+相对于电源系统的总系统泄漏电容C_e的电容划分因数r_C。

结果，以下适用于部分系统泄漏电容C_e+，C_e-：

C_e+＝r_C×C_e和

C_e-＝(1-r_C)×C_e。

例如，当电阻划分因数r_R为25且确定的总绝缘电阻R_iso为19.2KΩ时，上述公式得出划分R_iso+＝480KΩ和R_iso-＝20KΩ。

以相同的方式，当电容划分因数r_C为0.25的值且确定的总系统泄漏电容C_e为40μF时，为有源导体L₊和L_-的部分系统泄漏电容得出划分C_e+＝10μF和C_e-＝30μF。

图3示出了单相交流电源系统，该单相交流电源系统具有两个有源导体L₁、L₂，并且负载4连接到该有源导体L₁、L₂。与图1中描述的直流电压电源系统2类似地，进行绝缘监测，该绝缘监测包括由绝缘监测设备IMD确定总绝缘电阻R_iso。测量位移电压U_{L1_E}和U_{L2_E}，以便能够根据本发明确定以下划分：该划分将总绝缘电阻R_iso划分成指派给有源导体L₁、L₂的部分绝缘电阻R_iso1、R_iso2。

在图4中，图示了在相应有源导体L₁、L₂处可测量的导体-导体电压U_ac(输入电压)、以及位移电压U_{L1_E}和U_{L2_E}随时间的曲线。

与图1中描述的直流电压电源系统2不同，例如，在交流电压电源系统中，因为导体-导体电压U_ac本质上是变化的(正弦)，所以不需要例如通过负载改变在外部激励的导体-导体电压U_ac的改变。可以基于测得的位移电压U_{L1_E}和U_{L2_E}的振幅的改变并且基于位移电压U_{L1_E}和U_{L2_E}之间的相位关系来确定划分因数r_R和r_C。

因此，本发明有利地利用了这样的事实：除了由绝缘监测设备IMD输入共模测量信号以确定总绝缘电阻R_iso之外，导体-导体电压U_dc、U_ac、U_acxy(指数x、y表示有源导体x、y)也表现出随时间的改变-这是由外部事件(诸如负载改变)造成的，或者内含地存在(如在交流电压电源系统中)-并且影响记录的位移电压U_{L+_E}、U_{L-_E}、U_{Lx_E}随时间的改变。

通过评估位移电压U_{L+_E}、U_{L-_E}、U_{Lx_E}的振幅、频率和相位的改变，可以得出总绝缘电阻R_iso和总系统泄漏电容C_e在各个有源导体L₊、L_-、L_x之间的划分。

有利地，不需要其它高精度的电流测量。同样，在有源导体L₊、L_-、L_x与地E之间不再需要原本对于改变绝缘监测设备IMD的耦合阻抗以便能够确定总绝缘电阻R_iso的划分或总系统泄漏电容C_e的划分来讲是需要的额外的耐压开关。

Claims (8)

1.一种用于确定在包括有源导体(L₊，L_-，L_x)的未接地的电源系统(2，12)中的总绝缘电阻(R_iso)的划分的方法，在所述有源导体之间发生导体-导体电压(U_dc，U_ac，U_acxy)，该方法包括以下方法步骤：

确定所述未接地的电源系统(2，12)的所述总绝缘电阻(R_iso)，

其特征在于

测量每个所述有源导体(L₊，L_-，L_x)与地(E)之间的位移电压(U_{L+_E}，U_{L-_E}，U_{Lx_E})，

确定电阻划分因数(r_R)，所述电阻划分因数描述根据测得的所述位移电压(U_{L+_E}，U_{L-_E}，U_{Lx_E})的参数振幅、频率、相位中的至少之一而将所述总绝缘电阻(R_iso)划分成与所述有源导体(L₊，L_-，L_x)相关的部分绝缘电阻(R_iso+，R_iso-，R_isox)的划分。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于

在未接地的DC电源系统(2)中，根据所述位移电压(U_{L+_E}，U_{L-_E})的振幅的关系确定电阻划分因数(r_R)。

3.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于

在未接地的单相或多相交流电源系统(12)中，在考虑所述位移电压(U_{Lx_E})的频率和相位的情况下，根据所述位移电压(U_{Lx_E})的振幅关系确定所述电阻划分因数(r_R)。

4.一种用于确定包括有源导体(L₊，L_-，L_x)的未接地的电源系统(2，12)中的总系统泄漏电容(C_e)的划分的方法，在所述有源导体之间发生导体-导体电压(U_dc，U_ac，U_acxy)，该方法包括以下步骤：

确定所述未接地的电源系统(2，12)的总系统泄漏电容(C_e)，

其特征在于

测量每个有源导体(L₊，L_-，L_x)与地(E)之间的位移电压(U_{L+_E}，U_{L-_E}，U_{Lx_E})，

确定电容划分因数(r_C)，所述电容划分因数描述根据测得的所述位移电压(U_{L+_E}，U_{L-_E}，U_{Lx_E})的参数振幅、频率、相位中的至少之一而将所述总系统泄漏电容(C_e)划分成与所述有源导体(L₊，L_-，L_x)相关的部分系统泄漏电容(C_e+，C_e-，C_ex)的划分。

5.根据权利要求4所述的方法，

其特征在于

在未接地的DC电源系统(2)中，根据由所述导体-导体电压(U_dc)的振幅改变造成的相应位移电压(U_{L+_E}，U_{L-_E}，U_{Lx_E})的瞬态效应的持续时间，确定所述电容划分因数(r_C)。

6.根据权利要求4所述的方法，

其特征在于

在未接地的单相或多相交流电源系统(12)中，在考虑所述位移电压(U_{Lx_E})的频率和相位的情况下，根据所述位移电压(U_{Lx_E})的振幅关系确定所述电容划分因数(r_C)。

7.一种用于确定在包括有源导体(L₊，L_-，L_x)的未接地的电源系统(2，12)中的总绝缘电阻(R_iso)的划分的设备，在所述有源导体之间发生导体-导体电压(U_dc，U_ac，U_acxy)，所述设备包括：

标准绝缘监测设备，用于确定所述未接地的电源系统(2，12)的所述总绝缘电阻(R_iso)；

信号输入端，用于测量每个所述有源导体(L₊，L_-，L_x)与地(E)之间的位移电压(U_{L+_E}，U_{L-_E}，U_{Lx_E})；以及

信号处理单元，用于确定电阻划分因数(r_R)，所述电阻划分因数描述根据测得的所述位移电压(U_{L+_E}，U_{L-_E}，U_{Lx_E})的参数振幅、频率、相位中的至少之一而将所述总绝缘电阻(R_iso)划分成与所述有源导体(L₊，L_-，L_x)相关的部分绝缘电阻(R_iso+，R_iso-，R_isox)的划分。

8.一种用于确定在包括有源导体(L₊，L_-，L_x)的未接地的电源系统(2，12)中的总系统泄漏电容(C_e)的划分的设备，在所述有源导体之间发生导体-导体电压(U_dc，U_ac，U_acxy)，所述设备包括：

标准绝缘监测设备，用于确定所述未接地的电源系统(2，12)的总系统泄漏电容(C_e)；

信号输入端，用于测量每个所述有源导体(L₊，L_-，L_x)与地(E)之间的位移电压(U_{L+_E}，U_{L-_E}，U_{Lx_E})；以及

信号处理单元，用于确定电容划分因数(r_C)，所述电容划分因数描述根据测得的所述位移电压(U_{L+_E}，U_{L-_E}，U_{Lx_E})的参数振幅、频率、相位中的至少之一而将所述总系统泄漏电容(C_e)划分成与所述有源导体(L₊，L_-，L_x)相关的部分系统泄漏电容(C_e+，C_e-，C_ex)的划分。

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