CN110999005A - It系统中的接地故障定位 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在具有输电网络(5)、旋转电机(7、8)和变流器(9、10)的IT系统(1)中定位接地故障的方法，其中变流器(9、10)具有与电机(7、8)连接的逆变器(17)。在该方法中，检测变流器(9、10)的或输电网络(5)的共模电压的共模电压特性，并且将共模电压特性与逆变器(17)的输出电压的输出电压特性相比较。在IT系统(1)中发生接地故障的情况下，根据共模电压特性与输出电压特性的比较推断出：IT系统(1)的接在变流器(9、10)下游的机器区域(21、22)是否是接地故障的起因，该机器区域包括电机(7、8)和在电机(7、8)与变流器(9、10)之间的连接线路(19、20)。

Description

IT系统中的接地故障定位
技术领域
本发明涉及一种用于在IT系统中定位接地故障的方法，该IT系统具有输电网络、旋转电机和变流器，该变流器在输入侧与输电网络连接并且在输出侧与旋转电机连接。
背景技术
在用于供电的IT系统(安全接地引线系统)中，在发生简单的接地故障时原则上允许该IT系统继续运行。在具有旋转电机的IT系统中，这对于接地故障发生在输电网络中的情况也有效，其中，该旋转电机分别通过变流器与IT系统的输电网络连接。在该情况下升高的仅仅是全部连接的耗电器的基频共模电压。
然而，如果接地故障发生在IT系统的机器区域中，该机器区域具有旋转电机和在电机与配属的变流器之间的连接线路，则整个IT系统以及全部连接的耗电器都被施加变流器的脉冲频率的输出电压。这能导致IT系统上的耗电器过载。此外，IT系统的电磁辐射可能大到不被允许并且干扰相邻的电设备。该问题既存在于交流电IT系统中，又存在于直流电IT系统中。
通常，由隔离监视器识别在IT系统的机器区域中发生的接地故障，隔离监视器检测是否存在不被允许的共模电流。可选地，还能通过以下方式发现接地故障，即监视IT系统相对于地电势的电网电压，并且当电网电压包含脉冲频率部分时，推断出：IT系统的机器区域中发生接地故障。但是，这些方法不能确定：在IT系统的哪个机器区域中发生接地故障。因此，当识别出在机器区域中发生接地故障时，通常切断IT系统上的全部耗电器。
发明内容
本发明的基本目的是，提供一种用于在IT系统中定位接地故障的改进的方法，该方法尤其实现了对发生接地故障的机器区域的识别。
根据本发明，所述目的由权利要求1的特征实现。
本发明的有利实施方式是从属权利要求的内容。
根据本发明的方法用于在具有输电网络、旋转电机和变流器的IT系统中定位接地故障，其中，变流器在输入侧与输电网络连接并且在输出侧与旋转电机连接，并且变流器具有直流电压中间电路以及与直流电压中间电路和电机相连的逆变器。在该方法中，检测变流器的或者输电网络的共模电压的共模电压特性，将共模电压特性与逆变器的输出电压的输出电压特性相比较，并且在IT系统中发生接地故障的情况下，根据共模电压特性与输出电压特性的比较推断出：IT系统的接在变流器下游的机器区域是否是接地故障的起因，该机器区域具有电机和在电机与变流器之间的连接线路。
逆变器在这里和下文中始终被理解为具有受脉宽调制控制的电子开关单元的逆变器。
本发明利用以下认识：在IT系统的机器区域中发生接地故障的情况下，与该机器区域相连的逆变器的输出电压会影响具有该逆变器的变流器的和输电网络的共模电压。因此，通过将逆变器的输出电压的输出电压特性与变流器的或输电网络的共模电压的相应的共模电压特性相比较，确定与该逆变器相连的机器区域中是否发生接地故障。
通过以该方式监视IT系统的分别与机器区域相连的全部变流器，能够确定：在这些机器区域中的哪一个机器区域中发生接地故障。这尤其实现了有针对性地切断其中发生接地故障的机器区域，从而在一个机器区域中发生接地故障时能让IT系统继续运行。因此，根据本发明的方法尤其有利地用在具有多个旋转电机的IT系统中，这些旋转电机分别根据权利要求1通过变流器与IT系统的输电网络相连。因此，权利要求1中的方案、即IT系统具有旋转电机和与其相连的变流器的方案不能被理解为IT系统仅仅具有一个旋转电机和一个与其相连的变流器，而是表示该IT系统具有至少一个旋转电机，该旋转电机根据权利要求1通过变流器与IT系统的输电网络相连。
根据本发明的方法尤其能够以小的开销以及低成本实现，因为该方法的实施方案不需要位于旋转电机的功率路径中的构件或器件。
本发明的一个实施方式提出，将变流器的直流电压中间电路的中间电路电势与地电势之间的电压的电压脉冲、或者输电网络相对于地电势的电网电压的电压脉冲作为共模电压特性检测，将逆变器的相的开关操作作为输出电压特性使用，并且当电压脉冲与开关操作同时发生时，推断出机器区域是接地故障的起因。
本发明的该实施方式利用以下认识：在IT系统的机器区域中发生接地故障的情况下，与该机器区域连接的变流器的直流电压中间电路上的电压和IT系统的输电网络(分别相对于地电势)的电网电压被施加该变流器的逆变器的有脉冲频率的输出电压。因此，通过直流电压中间电路上的电压的或电网电压的电压脉冲与逆变器的相的开关操作在时间上的一致，能够识别IT系统的机器区域中的接地故障，该逆变器与该机器区域连接。
本发明的上述实施方式的一种改进方案提出，预设阈限时长，并且当电压脉冲与开关操作之间的时间间隔小于阈限时长时，将该电压脉冲定义为是与开关操作同时发生的。例如，预设小于10μs的阈限时长。
本发明的这种改进方案考虑的是，电压脉冲在时间上略微延迟地跟随在开关操作之后。此外，在确定电压脉冲与开关操作的时间关联时，还能由阈限时长补偿测量误差。
本发明的上述实施方案的另一种改进方案提出，预设计数时长(例如大约1秒)和数目阈值(例如约1000)，并且在计数时长内检测同时发生的电压脉冲和开关操作的评估数，并且在该评估数超过数目阈值时，推断出：机器区域是接地故障的起因。
本发明的这种改进方案考虑的是，开关操作是脉冲形式的，并且因此由开关操作引起的电压脉冲同样是脉冲形式的。机器区域中的接地故障因此引起多个在短的时间间隔内前后相继的电压脉冲，这些电压脉冲在时间上与连接机器区域的逆变器的开关操作相关联。因此，当电压脉冲的和开关操作的脉冲模式在很大程度上一致时，能够特别可靠地推断出：机器区域是接地故障的起因。由在计数时长内同时发生的电压脉冲和开关操作的数目阈值来量化这种一致性。
本发明的上述实施方式的另外的改进方案提出，通过测量这种相相对于直流电压中间电路的中间电路电势的输出电压，或者从用于驱控这种相的驱控信号来确定逆变器的相的开关操作。
在本发明的这些改进方案中，通过测量相的输出电压或者从用于驱控该相的驱控信号确定逆变器的相的开关操作。通过测量输出电压检测开关操作实现了实际进行的开关操作的可靠确定。相对地，由驱控信号确定开关操作具有以下优点，即不必测量该相的输出电压。
本发明的另一种实施方式提出，将输电网络相对于地电势的电网电压的频谱作为共模电压特性检测，将逆变器的输出电压的输出基频作为输出电压特性使用，并且当电网电压的频谱具有与输出基频一致的频谱部分时，推断出：机器区域是接地故障的起因。在多相的输电网络的情况下，将输电网络相对于地电势的所有相电压的总和或者一个相电压作为电网电压使用。
本发明的该实施方利用以下认识：在IT系统的机器区域中发生接地故障的情况下，逆变器的输出电压的电压基频被传输至IT电网的输电网络中，从而让输电网络相对于地电势的相电压不仅包含在其工作频率(例如50Hz或60Hz)的情况下的频谱部分，而且还包含在具有接地故障的机器区域的输出基频的情况下的频谱部分。因此，还能通过以下方式识别出IT系统的机器区域中的接地故障，即输电网络的电网电压的频谱具有与连接机器区域的逆变器的输出电压的输出基频一致的频谱部分。
本发明的上述实施方式的改进方案提出，将逆变器的输出电压的额定基频作为输出基频使用，或者测量输出基频。
测量输出基频的方案实现了可靠地确定输出基频。相对地，将逆变器的输出电压的额定基频作为输出基频使用的方案具有不必测量输出基频的优点。
本发明的另一种实施方式提出，将输电网络相对于地电势的电网电压的频谱作为共模电压特性检测，将逆变器的输出电压的开关频率作为输出电压特性使用，并且当电网电压的频谱具有与逆变器的输出电压的开关频率一致的频谱部分时，推断出：机器区域是接地故障的起因。
根据本发明的实施方式尤其能够与先前描述的实施方式如下地组合，即当电网电压的频谱包含输出电压的额定基频的情况下的频谱部分和变流器的开关频率的情况下的频谱部分时，得出：机器区域是接地故障的起因。这样评估频谱所提供的优点是，当两个变流器的输出电压具有相同的额定基频但不同的开关频率或者具有相同的开关频率但不同的额定基频时，还能明确地识别出机器区域是接地故障的起因。
本发明的其他实施方式提出，当得出机器区域是接地故障的起因时，变流器的控制单元阻隔对变流器的驱控，或者IT系统的上级系统控制单元阻隔变流器。
本发明的这些实施方式实现的是：当推断出机器区域是接地故障的起因时，通过配属的变流器的控制单元，或者通过借助IT系统的上级系统控制单元阻隔配属的变流器，切断机器区域。
附图说明
结合以下实施例的描述，本发明的上述特性、特征和优点以及其实现方式变得更清楚易懂，结合附图阐述实施例。
具体实施方式
在此，唯一的附图示意性地示出了IT系统1，其具有一个电源3、一个输电网络5和两个分别通过变流器9、10与输电网络5连接的旋转电机7、8。
在附图中所示的IT系统1的输电网络5是三相交流电网。每个电机7、8例如是三相电机。
每个变流器9、10在输入侧与输电网络5连接并且在输出侧与电机7、8连接。此外，每个变流器9、10实施为转换器，转换器具有输入侧的三相整流器11、带有中间电路电容器15的直流电压中间电路13和输出侧的逆变器17。三相整流器11与输电网络5和直流电压中间电路13相连。逆变器17与直流电压中间电路13和相应的电机7、8相连。
第一电机7通过第一连接线路19与第一变流器9相连。第一电机7和第一连接线路19限定了IT系统1的第一机器区域21。
第二电机8通过第二连接线路20与第二变流器10相连。第二电机8和第二连接线路20限定了IT系统1的第二机器区域22。
根据本发明的方法用于识别机器区域21、22中的接地故障，并且探测出接地故障发生在哪个机器区域21、22中，以便有针对性地切断该机器区域21、22，并且因此能够让余下的IT系统1继续运行。在附图中用闪电符号标出第二机器区域22中的接地故障。
该方法的第一实施例提出，对于每个变流器9、10检测直流电压中间电路13的中间电路电势与地电势之间的电压的电压脉冲，并且将电压脉冲与相应的变流器9、10的逆变器17的相的开关操作相比较。当对于变流器9、10之一检测到的电压脉冲与开关操作同时发生时，推断出：与该变流器9、10相连的机器区域21、22是接地故障的起因。
在此，例如预设阈限时长，并且当电压脉冲与开关操作之间的时间间隔小于该阈限时长时，将电压脉冲定义为是与开关操作同时发生的。例如预设小于10μs的阈限时长。
此外，例如预设计数时长(例如大约一秒)和数目阈值(例如大约1000)，并且在计数时长内检测同时发生的电压脉冲和开关操作的评估数。当评估数对于与该机器区域21、22连接的变流器9、10而言超过数目阈值时，推断出：该机器区域21、22是接地故障的起因。
例如，通过测量这样的相相对于变流器9、10的直流电压中间电路的中间电路电势的输出电压确定或者从用于驱控该相的驱控信号得出：变流器9、10的逆变器17的该相的开关操作。
该方法的第二实施例与第一实施例的主要区别仅在于，代替检测变流器9、10的直流电压中间电路13上的电压的电压脉冲，检测输电网络相对于地电势的电网电压的电压脉冲并且将其分别与每个变流器9、10的逆变器17的相的开关操作相比较。当对于变流器9、10之一检测到的电压脉冲与开关操作同时发生时，推断出：与该变流器9、10相连的机器区域21、22是接地故障的起因。在对电压脉冲和开关操作同时发生的定义和对逆变器17的相的开关操作的确定方面，该实施例的设计方案与第一实施例的上述设计方案对应一致。
在该方法的第三实施例中，检测输电网络相对于地电势的电网电压的频谱并且将其与每个变流器9、10的逆变器17的输出电压的输出基频和/或开关频率相比较。当变流器9、10的逆变器17的输出电压具有不同的输出基频时，当检测到的频谱具有与连接机器区域21、22的变流器9、10的逆变器17的输出电压的输出基频一致的频谱部分时，得出该机器区域21、22是接地故障的起因。当变流器9、10的逆变器17的输出电压具有相同的输出基频但不同的开关频率时，当检测到的频谱具有与连接机器区域21、22的变流器9、10的逆变器17的输出电压的开关频率一致的频谱部分时，推断出该机器区域21、22是接地故障的起因。
在图中所示的多相的输电网络5的情况下，例如将输电网络5相对于地电势的所有相电压的总和或者一个相电压作为电网电压使用。
例如，使用逆变器17的输出电压的额定基频作为逆变器17的输出电压的输出基频，或者测量出该输出基频。
在所有上述实施例中，例如通过如下方式切断识别出存在接地故障的机器区域21、22，即与该机器区域21、22连接的变流器9、10的控制单元23、24阻隔变流器9、10的驱控，或者IT系统1的上级系统控制单元25阻隔与该机器区域21、22连接的变流器9、10。
该方法的所有上述实施例也能够类似地用于输电网络5是直流电网的IT系统1。
尽管通过优选的实施例详细阐述和说明了本发明的细节，但是本发明不受公开的实例限制，本领域技术人员能够从其中得出其他的变体方案，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种用于在IT系统(1)中定位接地故障的方法，所述IT系统具有输电网络(5)、旋转电机(7、8)和变流器(9、10)，其中，所述变流器(9、10)在输入侧与所述输电网络(5)连接并且在输出侧与电机(7、8)连接，并且所述变流器具有直流电压中间电路(13)以及与所述直流电压中间电路(13)和所述电机(7、8)相连的逆变器(17)，其中，
-检测所述变流器(9、10)的或者所述输电网络(5)的共模电压的共模电压特性，
-将所述共模电压特性与所述逆变器(17)的输出电压的输出电压特性相比较，
-并且在所述IT系统(1)中发生接地故障的情况下，根据所述共模电压特性与所述输出电压特性的所述比较推断出：所述IT系统(1)的接在所述变流器(9、10)下游的机器区域(21、22)是否是所述接地故障的起因，所述机器区域具有所述电机(7、8)和在所述电机(7、8)与所述变流器(9、10)之间的连接线路(19、20)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述直流电压中间电路(13)的中间电路电势与地电势之间的电压的电压脉冲作为所述共模电压特性检测，将所述逆变器(17)的相的开关操作作为所述输出电压特性使用，并且当所述电压脉冲与所述开关操作同时发生时，推断出所述机器区域(21、22)是所述接地故障的起因。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述输电网络(5)相对于地电势的电网电压的电压脉冲作为所述共模电压特性检测，将所述逆变器(17)的相的开关操作作为所述输出电压特性使用，并且当所述电压脉冲与所述开关操作同时发生时，推断出所述机器区域(21、22)是所述接地故障的起因。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，预设阈限时长，并且当电压脉冲与所述开关操作之间的时间间隔小于所述阈限时长时，将该电压脉冲定义为是与所述开关操作同时发生的。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，预设小于10μs的所述阈限时长。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其特征在于，预设计数时长和数目阈值，并且在所述计数时长内检测同时的所述电压脉冲和所述开关操作的评估数，并且当所述评估数超过所述数目阈值时，推断出所述机器区域(21、22)是所述接地故障的起因。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其特征在于，通过测量所述相相对于所述直流电压中间电路(13)的中间电路电势的所述输出电压，检测所述逆变器(17)的相的所述开关操作。
8.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其特征在于，从用于驱控所述相的驱控信号确定所述逆变器(17)的相的所述开关操作。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述输电网络(5)相对于地电势的电网电压的频谱作为所述共模电压特性检测，将所述逆变器(17)的所述输出电压的输出基频作为所述输出电压特性使用，并且当所述电网电压的所述频谱具有与所述输出基频一致的频谱部分时，推断出所述机器区域(21、22)是所述接地故障的起因。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在多相的所述输电网络(5)的情况下，将所述输电网络(5)相对于地电势的所有相电压的总和或者一个相电压作为所述电网电压使用。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，将所述逆变器(17)的所述输出电压的额定基频作为所述输出基频使用。
12.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，测量所述输出基频。
13.根据权利要求1或者权利要求9至12中任一项所述的方法，其特征在于，将所述输电网络(5)相对于地电势的电网电压的频谱作为所述共模电压特性检测，将所述逆变器(17)的所述输出电压的开关频率作为所述输出电压特性使用，并且当所述电网电压的所述频谱具有与所述逆变器(17)的所述输出电压的所述开关频率一致的频谱部分时，推断出所述机器区域(21、22)是所述接地故障的起因。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，当推断出所述机器区域(21、22)是所述接地故障的起因时，所述变流器(9、10)的控制单元(23、24)阻隔对所述变流器(9、10)的驱控。
15.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于，当推断出所述机器区域(21、22)是所述接地故障的起因时，所述IT系统(1)的上级系统控制单元(25)阻隔所述变流器(9、10)。
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