CN111766542A - 用于检测保护导体连接的断开的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测与非接地和接地供电系统以及包括转换器系统的接地供电系统中的子系统的保护导体连接的断开的方法和电气保护装置。本发明基于这样的想法：与子系统的保护导体连接的断开将供电系统的网络泄漏电容的总和减少子系统的网络泄漏电容的值。通过评估供电系统消耗的当前总功率，指出具有断开的保护导体连接的操作中的子系统和关闭的子系统之间的必然区别。在连接至子系统的转换器系统的情况下，通过检查为转换器所特有的泄漏电流谱，检测保护导体连接。

Description

用于检测保护导体连接的断开的方法和装置

本申请是申请日为2017年2月10日，名称为“用于检测保护导体连接的断开的方法和装置”的中国发明专利申请201710075180.3的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于检测与非接地供电系统的子系统的保护导体连接的断开的方法和电气保护装置。

更进一步地，本发明涉及一种用于检测与接地交流供电系统的子系统的保护导体连接的断开的方法和电气保护装置。

更进一步地，本发明涉及一种用于检测与接地供电系统的子系统的保护导体连接的断开的方法和电气保护装置，转换器系统连接至该子系统。

背景技术

在供电系统中，作为保护措施，电气设备的导电可触及部件的保护接地是如根据标准所需的保护措施“通过供电系统的自动关闭的保护”的重要部分。这确实与网络类型是非接地供电系统还是接地供电系统无关。

因此，应特别关注经由与子系统的保护导体连接的分支供电系统的子系统的保护接地，因为在大多数情况下，保护导体的断开将使得此保护无效。在此上下文中，子系统指的是整个供电系统的一个单元，其中该单元可被关闭。所述子系统通常包括一件或多件电气设备。

当保护导体连接的断开(第一故障)与另一故障(第二故障)如归因于间隙和爬电距离的短路或归因于不良绝缘的基本绝缘故障结合时，电击的风险增大。

由于此两种故障情况发生在供电系统中的风险并非微乎其微，因此在接地供电系统中，作为额外保护的剩余电流装置(RCD)的使用已变成规范。

然而，在许多工业供电系统中，使用RCD作为防电击的额外保护是不可能的，因为，归因于供电系统中存在的非常大的网络泄漏电容，即使在不存在额外剩余电流的情况下，存在可明显地高于30mA并将因此立刻触发存在于供电系统中的任意RCD的泄漏电流。

如果由于过量泄漏电流而不可能在接地供电系统中使用RCD，或如果所用的RCD并不适于防电击保护(被设计仅用于消防和安装保护)，在断开的保护导体连接和第二故障的情况下存在如此风险：如预期地操作设备的人将遭受危险的电气事故，因为故障电路将通过人体而闭合。

相反，当保护导体连接并未受损时，在基本绝缘的故障的情况下的剩余电流将几乎完全通过保护导体回流至接地供电系统的馈电点。然而，这将导致非常高的接地故障电流且通常还导致危险的高幅度的接触电压-假定接地供电系统被正确地设计。为此，在第一故障的情况下，需要足够迅速地关闭接地供电系统。

关于保护措施，应特别关注接地供电系统中的转换器系统的安装。与转换器系统的保护导体连接是尤其关键的，因为在转换器系统朝向转换器受控驱动的可触及导电部件的输出处的绝缘故障可导致剩余电流，该剩余电流不仅可以呈现网络频率部分还可以呈现从直流分量至MHz范围中的部分的转换器特定谱部分的相当广的谱。

还需注意的是，转换器与驱动外壳(输出滤波器)的输出相位之间的大泄漏电容可充当用于较高频率部分的低阻抗连接。

在此情况下，传统型A的RCD并不提供充分的额外保护。当保护导体连接有故障时，在类型A的RCD没有识别其的情况下，转换器受控驱动的接触可导致电击。在大多数情况下，即使使用混合的频敏类型F的RCD也将不会可靠地预防电击危险。

在正常操作期间，在大多数情况下，转换器的切换-频率范围(kHz范围)中的泄露电流将早已明显地高于30mA；在高功率转换器驱动的正常操作期间，甚至300mA的泄漏电流限值也常常被超出。RCD的使用-即使出于消防的原因-在此类系统中是不可能的。

因此，可触及导电驱动元件的可靠的保护接地是一种极其重要的保护措施，特别是在高功率转换器驱动中。

同样，在非接地供电系统中，其中，通过定义，供电系统的所有有效部件均与地电势分离-对地隔离-且连接的设备经由保护导体被连接至接地设施，如果供电系统为具有大的总网络泄漏电容的广泛非接地供电系统，当接触到某件设备时，两种故障情况可变成危险的。在此两种故障情况下，故障电路将经由接触人和网络泄漏电容而闭合。

如果保护导体连接并未受损且基本绝缘有故障，剩余电流将几乎完全通过保护导体并通过网络泄漏电容而流动。即使在非接地供电系统中的单一故障的情况下，此仅在设备处导致无害的接触电压。为此，在第一故障的情况下，非接地供电系统可继续操作。

从现有技术中已知用于处理产生于断开的保护导体的危险的解决方案，然而它们在一些方面具有相当大的劣势。

例如，存在可区分泄漏电流和剩余电流的用于选择性剩余电流检测的提议。然而，基于这些想法的RCD并不可用，因为至今无法证实其在三相交流系统中的可靠运作。

更进一步地，可以也通过补偿电容性泄漏电流而允许在工业系统中使用剩余电流装置用以防电击的装置是市场上可用的。然而，并不知晓此种保护手段将多么可靠地工作于具有变化的复杂操作状态的广泛分支工业网络中。

最后，市场上存在直接在设备处监控保护导体连接的环路监控装置。在不同网络分支上存在多个设备的情况下，需要对应数量的环路监控装置。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种在接地和非接地分支供电系统中(即，在设有能够被关闭的单元(子系统)的供电系统中)提前检测与子系统的保护导体连接的断开而不引起操作的中断的方法和电气保护装置。在接地供电系统中，应针对转换器系统连接至子系统的特例给出特定意义。

对于非接地供电系统，此目的通过用于检测与非接地供电系统的子系统的保护导体连接的断开的方法来实现，该方法包括：当子系统关闭时，在非接地供电系统的无故障状态下，测量非接地供电系统的参考总网络泄漏电容和参考总功率；以及包括待被重复执行的步骤：测量非接地供电系统的当前总网络泄漏电容，测量非接地供电系统消耗的当前总功率，测试当前总网络泄漏电容相比于参考总网络泄漏电容是否减少了子系统的部分网络泄漏电容，测试非接地供电系统消耗的当前总功率相比于参考总功率是否减少了处于关闭状态下的子系统消耗的部分功率，如果测试显示当前总网络泄漏电容是减少的而当前总功率是未减少的，用信号通知存在保护导体连接的断开。

此方法基于这样的想法：与子系统的保护导体连接的断开将非接地供电系统的网络泄漏电容的总和(即总网络泄漏电容)减少子系统的网络泄漏电容(即，部分网络泄漏电容)的值。通过评估供电系统消耗的当前总功率，指出具有断开的保护导体连接的操作中的子系统与关闭的子系统之间的必然区别。

在实践中，关闭子系统意味着分离有效导体而非分离通向子系统的保护导体连接。当子系统被关闭时，供电系统的总功率因此将被减少有效状态下的子系统消耗的部分功率的值且供电系统的总网络泄漏电容被减少子系统的部分网络泄漏电容。

相反，当保护导体断开时，仅供电系统的总网络泄漏电容被减少子系统的部分网络泄漏电容而不会对供电系统的总负载电流消耗或总功率消耗造成时间关联影响。

因此，始于适用于无故障供电系统的已知参考总网络泄漏电容，可通过比较参考总网络泄漏电容与总网络泄漏电容的测量当前值，确定为关闭的子系统或具有断开的保护导体的子系统所特有的总网络泄漏电容的减少。基于在子系统操作时的供电系统的已知消耗参考总功率与当前消耗的总功率之间的比较，指出在正常操作的过程中是存在保护导体断开还是存在子系统的关闭的区别。

测量并测试当前总网络泄漏电容和当前总功率，且若适用，在供电系统的操作期间以可预设间隔持续地用信号通知保护导体断开。

对于接地供电系统，此目的可通过用于检测与接地供电系统的子系统的保护导体连接的断开的方法实现，该方法包括：当子系统关闭时，在接地供电系统的无故障状态下，测量接地供电系统的参考总差动电流和参考总功率，以及包括待被重复执行的方法步骤：测量接地供电系统的当前总差动电流，测量接地供电系统消耗的当前总功率，测试当前总差动电流相比于参考总差动电流是否降低了子系统的部分差动电流，测试接地供电系统消耗的当前总功率相比于参考总功率是否减少了处于关闭状态下的子系统消耗的部分功率，如果测试显示当前总差动电流是减少的而当前总功率是未减少的，用信号通知存在保护导体连接的断开。

在此情况下，该方法首先基于这样的想法：像在非接地供电系统中一样，与子系统的保护导体连接的断开将接地供电系统的网络泄漏电容的总量减少子系统的网络泄漏电容的值。在接地供电系统中，此伴随着整个接地供电系统的差动电流的可测减少，即总差动电流减少子系统的电容性泄漏电流部分，即减少子系统的部分差动电流。

像在非接地供电系统中一样，通过评估接地供电系统消耗的当前总功率，指出具有断开的保护导体连接的操作中的子系统与关闭的子系统之间的必然区别。

对于转换器系统连接至其子系统的接地供电系统，此目的通过用于检测与接地供电系统的子系统的保护导体连接的断开的方法实现，该方法包括在转换器系统的激活期间待被执行的方法步骤：在接地供电系统的无故障状态下，对于转换器系统的不同功率操作点中的每个，测量针对转换器系统的泄漏电流，计算针对转换器系统的各个泄漏电流的参考泄漏电流谱；以及该方法包括在转换器系统的操作期间待被重复执行的方法步骤：对于转换器系统的不同功率操作点中的每个，测量当前泄漏电流，计算各个当前泄漏电流的当前泄漏电流谱，测试当前计算的泄漏电流谱是否偏离对应的参考泄漏电流谱，如果测试显示当前计算的泄漏电流谱偏离对应的参考泄漏电流谱，用信号通知存在保护导体连接的断开。

此类似方法(constellation)的出发点在于，在接地供电系统的无故障状态下的针对转换器系统的泄漏电流的测量。对于在正常操作期间将被预期的转换器系统的所有有关功率操作点，进行此测量。

各个泄漏电流的时间发展至谱范围的变换充当针对此转换器系统的参考泄漏电流谱并显示为当保护导体连接并未受损时转换器的特定功率操作点所特有的形状。

与连接至子系统的转换器的保护导体连接的断开引起子系统的部分网络泄漏电容的消失且因此导致泄漏电流谱的可检测变化。

在具有经由子系统连接的转换器系统的供电系统的操作期间，持续测量当前泄漏电流，且从其计算与转换器的瞬时功率操作点相对应的当前泄漏电流谱。比较此泄漏电流谱与对应的参考泄漏电流谱，当前计算的泄漏电流谱与对应的参考泄漏电流谱之间的差异表示保护导体连接的断开。

在另一实施例中，计算针对转换器系统的参考泄漏电流谱以及在转换器系统的操作期间计算当前泄漏电流谱包括：计算显著泄漏电流谱分量，在转换器系统的激活期间的学习阶段中，显著泄漏电流谱分量被分配给功率操作点。

关于计算泄漏谱的计算量的减少，计算总泄漏电流谱内的某些显著谱分量是足够的。所选泄漏电流谱分量的显著性产生于这样的事实：作为子系统的部分网络泄漏电容消失的结果，在这些频率点可检测有区别的(幅度)变化。

在转换器系统的激活期间的学习阶段中，显著泄漏电流谱分量被分配给功率操作点。

有利地，通过在显著泄漏电流谱分量的点处的比较，各自测试当前计算的泄漏电流谱。

因此，不再需要计算整个泄漏电流谱以测试当前计算的泄漏电流谱是否偏离对应的参考泄漏电流谱；相反，基于所选显著泄漏电流谱分量，以少许计算量进行测试。

有利地，在供电系统的首次激活期间以及紧跟在供电系统的重复测试之后，确定参考值：参考总网络泄漏电容、参考总差动电流以及参考泄漏电流谱。

在首次激活期间以及紧跟在重复测试之后，可假设供电系统，特别是保护导体连接，处于无故障状态，允许在此阶段中确定可靠参考值。

作为在首次激活和重复测试的过程中确定参考值的补充或替代，通过对测量值进行滤波确定参考值：参考总网络泄漏电容、参考总差动电流以及参考泄漏电流谱。

通过滤波，如通过滑动平均，实现对于变化的系统状况的参考值的连续缓慢调整。与因此确定的缓慢参考值相关的当前测量值的不确定的变化被识别为故障事件(保护导体的断开)。

实施用于检测与非接地供电系统的子系统的保护导体连接的断开的方法，通过用于检测与非接地供电系统的子系统的保护导体连接的断开的电气保护装置针对非接地供电系统实现本目的，该电气保护装置以用于测量非接地供电系统的总网络泄漏电容的装置、用于测量非接地供电系统消耗的总功率的装置以及用于测试测量的总网络泄漏电容和测量的消耗总功率并用于用信号通知保护导体连接的断开的评估处理单元为特征。

电气保护装置具有用于测量非接地供电系统的总网络泄漏电容的装置，借助此用于测量总网络泄漏电容的装置，在供电系统的操作期间确定当前总网络泄漏电容。此外，用于测量总网络泄漏电容的此装置也适于在首次激活或重复测试的过程中测量供电系统的总网络泄漏电容。

更进一步地，电气保护装置包括用于测量非接地供电系统消耗的总功率的装置以及用于测试测量的总网络泄漏电容和测量的消耗总功率并用于用信号通知保护导体连接的断开的评估处理单元。

用于测量非接地供电系统消耗的总功率的装置可优选地由用于确定网络质量的预先存在的系统(性能质量(PQ)装置)组成。

用于测量总网络泄漏电容、用于测量总功率的前述装置以及评估处理单元各自被理解为功能单元，其可被容纳于部分地预先存在的单独测量装置中或可被集成在结构单元中，如下所述。

在另一实施例中，用于测量总网络泄漏电容的装置和绝缘监控装置形成作为结构单元的扩展绝缘监控装置。

通过用于测量总网络泄漏电容的装置，可有利地扩展根据非接地供电系统中的标准规定的绝缘监控装置。如此，不仅可在眼下目的的意义中确定总网络泄漏电容，也可为了绝缘电阻值的优化确定而使用总网络泄漏电容。

有利地，扩展绝缘监控装置、用于测量非接地供电系统消耗的总功率的装置以及评估处理单元形成作为结构单元的集成组合装置用于检测保护导体断开。

使用根据本发明的用于检测保护导体断开的集成组合装置简化电气保护装置的激活且增大其可靠性，因为无需在下级控制系统中发生检测、测试以及评估；相反，通过作为集成组合装置的部分且特别为此任务而设计的评估处理单元执行它们。

实施用于检测与接地供电系统的子系统的保护导体连接的断开的方法，通过用于检测与接地供电系统的子系统的保护导体连接的断开的电气保护装置，针对接地供电系统实现本目的。

为此，电气保护装置包括用于测量接地供电系统的总差动电流的装置、用于测量接地供电系统消耗的总功率的装置以及用于测试测量的总差动电流和测量的消耗总功率并用于用信号通知保护导体连接的断开的评估处理单元。

前述装置和评估处理单元各自被理解为可被容纳在部分地预先存在的单独测量装置中或可被集成在结构单元中的功能单元的事实，若连同预先存在的测量装置一起是适用的，也适用于接地供电系统中提供的用于检测保护导体连接的断开的电气保护装置。

优选地，基于用于确定网络质量的装置(PQ装置)，用于测量总差动电流的装置、用于测量经由接地供电系统消耗的总功率的装置以及评估处理单元形成作为结构单元的集成组合装置。

基于以任何方式在大多数供电系统中存在的用于确定网络质量的装置的集成在电路方面简化电气保护装置的结构，因为PQ装置通常以足够精度检测所有的必要测量值(负载电流或功率消耗和总差动电流)。

实施用于检测与接地供电系统的子系统的保护导体连接的断开的方法，通过用于检测与接地供电系统的子系统的保护导体连接的断开的电气保护装置，针对具有连接至子系统的转换器系统的接地供电系统实现本目的。

为此，电气保护装置具有用于测量泄漏电流的装置、用于计算泄漏电流谱的计算单元以及用于测试计算的泄漏电流谱并用于用信号通知保护导体连接的断开的评估处理单元。

对于转换器系统的不同功率操作点，用于测量泄漏电流的装置检测针对转换器系统的泄漏电流。所述泄漏电流在接地供电系统的无故障状态下被检测为参考泄漏电流，而在转换器系统的操作期间被检测为当前泄漏电流。

在计算单元中，泄漏电流的时间发展被转换为泄漏电流谱，基于此，评估处理单元测试当前计算的泄漏电流谱是否偏离对应的参考泄漏电流谱。

更进一步地，基于用于确定网络质量的装置，用于测量泄漏电流的装置、用于计算泄漏电流谱的计算单元以及评估处理单元形成作为结构单元的集成组合装置。

集成组合装置提供电气保护装置的简化激活以及增大的可靠性的上述优势并减小电路的复杂性。优选地，用于确定网络质量的现有装置(PQ装置)为集成组合装置提供基础。

利用根据本发明的方法及其借助对应的电气保护装置的实施，保护导体连接的有效监控变成可能。特别地，可预先检测与子系统的保护导体连接的断开，这避免了耗时且耗成本的操作的中断。

附图说明

从以下描述和从借助于示例示出本发明的优选实施例的附图中，其他有利实施例特征变得显而易见，在图中：

图1示出具有根据本发明的电气保护装置的非接地供电系统中的保护接地的示意图；以及

图2示出具有根据本发明的电气保护装置的接地供电系统中的保护接地的示意图。

具体实施方式

图1示出包括有效导体L1、L2和L3的非接地(IT)三相(交流电)供电系统2中的保护接地。供电系统2包括可被关闭且包括经由通向子系统4的保护导体连接8连接至接地系统的某件设备6的子系统4。非接地供电系统2的所有有效部件通过定义与地10分离。供电系统2还以主系统的网络泄漏电容Cn1和子系统4的网络泄漏电容Cn2为特征，由于它们并联，网络泄漏电容Cn1和Cn2的总和为非接地供电系统2的总网络泄漏电容。在无故障状态下且当子系统4被打开时，泄漏电流Ia1和Ia2分别经由网络泄漏电容Cn1和Cn2流动，在交流电系统的目前情况下，泄漏电流Ia1和Ia2与各自的网络泄漏电容Cn1和Cn2成比例。

在有效导体L1、L2、L3与地10之间连接的绝缘监控装置12监控供电系统2的绝缘电阻Riso(在当前的情况下，仅绘示主系统的绝缘电阻以简化示意图，然而也检测并联连接的现有子系统的绝缘电阻(未示出))。

在绘示的情况下，发生与子系统4的保护导体连接8的断开20(第一故障)。若此刻由于不良绝缘而在连接至子系统4的设备6中发生第二故障Rf(两种故障情况)，例如，故障电流If通过接触人和网络泄漏电容Cn1流动。特别地，在具有大网络泄漏电容Cn1的广泛供电系统2中，故障电流If可达到危险的高值。

实施根据本发明的方法，根据本发明的用于检测保护导体连接8的断开20的电气保护装置30具有测量装置32、34和评估处理单元36。具体地，这些装置为用于测量非接地供电系统2的总网络泄漏电容的装置32、用于测量非接地供电系统2消耗的总功率的装置以及用于测试测量的总网络泄漏电容和测量的消耗总功率并用于用信号通知保护导体连接8的断开20的评估处理单元36。

在绘示的实施例示例中，用于测量总网络泄漏电容的装置32和绝缘监控装置12形成扩展绝缘监控装置38，其转而连同用于测量总功率的装置34和评估处理单元36一起形成作为结构单元的集成组合装置31。

在图2中，针对具有有效导体L1、L2、L3的接地(TN)三相(交流)供电系统3示出如对于图1的非接地供电系统2的相同情况(两种故障情况)。与非接地供电系统2(图1)相反，接地供电系统3在其馈电点处具有直接地连接9。由于保护导体连接8的断开20，故障电流If完全地流动通过接触人。

根据本发明，通过接地供电系统3的总差动电流和总功率的测量连同测量结果的评估，识别保护导体连接8的断开20。

为此，电气保护装置40，在实施根据本发明的方法时，具有用于测量接地供电系统3的总差动电流的装置42、用于测量接地供电系统3消耗的总功率的装置44以及用于测试测量的总差动电流和测量的消耗总功率并用于用信号通知保护导体连接8的断开20的评估处理单元46。

在绘示的实施例示例中，基于用于确定网络质量的装置，用于测量总差动电流的装置42、用于测量消耗总功率的装置44以及评估处理单元46形成作为结构单元的集成组合装置。

在连接至子系统的转换器系统(图2中，设备6可被视为此类转换器系统)的情况下，用于在转换器操作期间检测保护导体连接的断开的电气保护装置50被布置在子系统4的供电线上。

用于具有转换器系统的子系统4的电气保护装置50包括用于测量泄漏电流的装置52、用于计算泄漏电流谱的计算单元54以及用于测试计算的泄漏电流谱并用于用信号通知保护导体连接8的断开20的评估处理单元56。可以基于用于确定网络质量的装置以作为结构单元的集成组合装置51的形式实施电气保护装置50。

若不存在与需被监控的其他子系统的保护导体连接，可忽略并非用于转换器操作的电气保护装置40。

Claims (7)

1.一种用于检测与接地供电系统(3)的子系统(4)的保护导体连接(8)的断开(20)的方法，所述接地供电系统(3)包括连接至所述子系统(4)的转换器系统，所述方法包括在所述转换器系统的激活期间待被执行的方法步骤：

-在所述接地供电系统(3)的无故障状态下，对于所述转换器系统的不同功率操作点中的每个，测量针对所述转换器系统的泄漏电流，

-计算针对所述转换器系统的各个泄漏电流的参考泄漏电流谱，

以及包括在所述转换器系统的操作期间待被重复执行的方法步骤：

-对于所述转换器系统的不同功率操作点中的每个，测量当前泄漏电流，

-计算各个当前泄漏电流的当前泄漏电流谱，

-测试当前计算的泄漏电流谱是否偏离对应的参考泄漏电流谱，

-如果测试显示当前计算的泄漏电流谱偏离对应的参考泄漏电流谱，用信号通知存在所述保护导体连接(8)的断开(20)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

计算针对所述转换器系统的参考泄漏电流谱和在所述转换器系统的操作期间计算当前泄漏电流谱包括：

计算显著泄漏电流谱分量，在所述转换器系统的激活期间的学习阶段中，所述显著泄漏电流谱分量被分配给功率操作点。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于

通过在所述显著泄漏电流谱分量的点处的比较，各自测试当前计算的泄漏电流谱。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，

当供电系统(2，3)被首次激活以及紧跟在所述供电系统(2，3)的重复测量之后，确定参考值：根据权利要求1的参考泄漏电流谱。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，

通过对测量值进行滤波，确定参考值：根据权利要求1的参考泄漏电流谱。

6.一种用于检测与接地供电系统(3)的子系统(4)的保护导体连接(8)的断开(20)的电气保护装置(50)，所述接地供电系统包括连接至所述子系统(4)的转换器系统，所述电气保护装置(50)以用于测量泄漏电流的装置(52)、用于计算泄漏电流谱的计算单元(54)以及用于测试计算的泄漏电流谱并用于用信号通知所述保护导体连接(8)的断开(20)的评估处理单元(56)为特征，所述电气保护装置(50)用于执行根据权利要求1所述的方法。

7.根据权利要求6所述的电气保护装置(50)，其特征在于，

基于用于确定网络质量的装置，用于测量所述泄漏电流的装置(52)、用于计算所述泄漏电流谱的计算单元(54)以及所述评估处理单元(56)形成作为结构单元的集成组合装置(51)。

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