CN113678334A - 一种用于监测dc总线与保护地之间的绝缘的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于监测DC总线与保护地之间绝缘的方法和设备，其中总线与DC电源相连。在第一时间跨度期间，电源端子通过第一电气网络连接到保护地，并且在第一时间跨度中的多个时间步长处测量与第一网络相关的瞬态第一电气值。在多个第一时间步长处使用多个第一测量点计算第一稳态值。此外，在第二时间跨度期间，电源端子通过第二电气网络连接到保护地，并且在第二时间跨度中的多个第二时间步长处测量与第二网络相关的瞬态第二电气值。在多个第二时间步长处使用多个第二测量点计算第二稳态值。基于计算出的第一电气值和第二电气值的稳态值来确定电源端子和保护地之间的绝缘电阻的指示。

Description

一种用于监测DC总线与保护地之间的绝缘的方法和设备

发明领域

本发明涉及一种用于监测DC总线与保护地之间的绝缘的方法和设备。本发明进一步涉及该设备用于绝缘故障监测的用途。此外，本发明涉及一种具有可能电容耦合到AC电网的DC总线的系统，其中该设备被布置用于监测DC总线和保护地之间的绝缘。

发明背景

直流(DC)电力网络被用于各种应用场合，诸如DC电压分配系统、电动汽车、用于电动汽车充电站、光伏等。

浮动DC电网需要绝缘监测作为安全措施，用于确保DC电网和保护地之间的适当电气绝缘。这种绝缘电阻监测设备可被用于在错误的电流流动(例如通过人体)之前检测绝缘问题和故障。该设备可以在检测到绝缘问题或故障时自动中断和/或断开DC电源电压。因此，能够获得主动保护，从而可以有效避免用户和其他人员的触电。绝缘监测设备可以是紧凑的并且可以很容易地与其他设备集成。与DC电网相反，AC电网可以通过剩余电流设备来保护。这些设备在它们能够动作之前需要故障电流流动。

DC网络中的绝缘监测可以多种方式进行。该设备可被配置为测量浮动系统中电源线和保护地(例如外壳)之间的绝缘电阻。通常，在DC电源线和保护地之间施加小的电激励(小的DC或AC电压或电流)，并且随后观察响应。这往往会在具有相对较少(已知)设备与其连接的小型DC孤岛电网(例如车辆)中提供足够的结果。

然而，在各种应用和DC网络中，较大数量的外部设备与DC电源相连。这些设备在设计时可能是未知或未定义的，并且可能还包含电力电子设备，这些设备在保护地和电源线之间提供某种耦合以用于过滤目的。例如，在较大的电网中，设备中包含的滤波器会严重干扰绝缘监测设备的运行。在DC电网耦合到AC电网，例如通过电力电子设备的情况下，绝缘监测设备可能无法正确运行。例如，当DC电网连接或耦合到AC电网时，隔离变压器可被用于提供绝缘。然而，DC电源和AC电网的保护地可能是共用的，使得剩余电流设备可能无法准确检测DC电网中的故障。

需要能够处理这种情况和/或能够为多种DC网络提供改进的绝缘监测的绝缘监测。

发明概要

本发明的目的是提供一种消除上述缺点中的至少一个的方法和系统。

附加地或替代地，本发明的目的是提供一种改进的绝缘监测。

附加地或替代地，本发明的目的是提供一种具有改进的安全性的绝缘监测方法和设备。

附加地或替代地，本发明的目的是在DC总线和AC电网的保护地之间提供改进的绝缘监测。

此外，本发明提供了一种用于监测DC总线和保护地之间绝缘的方法，该总线与DC电源相连，该方法包括以下步骤：在第一时间跨度期间通过第一电气网络将电源端子连接至保护地；在第一时间跨度中的多个时间步长处测量与第一网络相关的瞬态第一电气值，其中在多个第一时间步长处使用多个第一测量点计算第一稳态值；在第二时间跨度期间通过第二电气网络将电源端子连接至保护地；在第二时间跨度中的多个第二时间步长处测量与第二网络相关的瞬态第二电气值，其中在多个第二时间步长处使用多个第二测量点计算第二稳态值；以及基于计算出的第一电气值和第二电气值的稳态值来确定电源端子和保护地之间的绝缘电阻的指示。

有利地，绝缘监测可被用于更大范围的DC网络中。例如，在较大的DC电网和/或耦合到AC电网的DC电网的情况下，绝缘监测可以提供绝缘电阻的准确指示。即使电激励的响应包含电阻-电容(RC)分量，也可以准确且以快速方式确定绝缘电阻，从而也改进了绝缘监测的整体安全性。因此可以降低触电的风险。

保护地可以用两个电压电平一个接一个地激励。在许多情况和应用中，希望绝缘监测在已经发生绝缘故障后300ms内做出反应(取决于故障量级)，以便保证安全并保护人员免于触电。寄生电容的RC时间常数加上用于激励的电阻器的高阻抗很容易超过50ms。通过降低励磁电路中的电阻器的值来降低RC时间常数会使励磁电流增加到对人体有害的值。此外，可能难以影响电容C，因为它可能取决于耦合到电气网络的其他设备。在进行测量之前等待3到5倍的RC时间常数(可能是200ms或更多)可能是不可取的，甚至是不可接受的，因为绝缘监测的总反应时间可能会超过800ms。根据本发明，RC可以在有限的时间段内(参见时间跨度)监测响应，并且可以估计或预测稳态终值以用于进一步计算，以便更快地找到电阻绝缘值。不同类型的模型可被用于预测/估计稳定的终值。

当DC电源的端子通过第一电气网络连接到保护地，并且当DC电源端子通过第二电气网络连接到保护地时，可以基于电压测量值(例如，借助于微控制器)来计算出要确定的端子之间绝缘电阻。

可以确定绝缘电阻的指示，从该指示可以直接或间接导出所述绝缘电阻。电阻值和/或并联电阻值(或其指示)的计算值可被用于在达到绝缘故障的警报水平时触发警报。

可任选地，在测量的第一和第二电气值分别在第一和第二时间跨度中已经达到稳态之前计算第一和第二稳态值。在达到稳定或稳态值之前，可以采用模型(例如拟合)来计算或估计预测的稳态值，即在足够长的稳定时间段后已经获得的稳态值。

因此，不是等待第一和第二电气值稳定到恒定和/或稳定值(例如长于RC分量的五倍：5×RC)，而是有限的第一和第二时间跨度中的多个不同的测量点(参见采样数据点)可被分别用于计算/估计终值。例如，可以通过执行拟合来识别总体趋势，从而可以准确地确定终值而无需不希望的或不可接受的等待时间。结果，可以显著提高安全性。

可任选地，第一时间跨度和/或第二时间跨度小于阻容(RC)时间常数的三倍。

可以防止阻容(RC)延迟导致的缓慢响应，从而可以改进绝缘故障的检测速度。有害的RC延迟起着重要的作用，因为通常没有足够的时间等待，直到获得所测量的第一和第二电气值的稳定稳态终值。

获得稳态终值的总时间是时间常数RC的5倍。然而，根据本发明，仅充电或放电曲线的有限部分被用于确定稳态终值。第一和第二电气值可以是电压。作为电气网络的结果，电压可以在第一个时间常数期间以更快的速率增加并且在最后一个时间常数中以更低的速率增加，反之亦然。充电曲线中的多个测量点可被用于确定稳态终值。

RC常数可以取决于当电源端子通过第一或第二电气网络连接到保护地时获得的电阻而变化。此外，RC常数可能会取决于保护地与DC的正负端子之间的电容而变化。电容可以例如是当DC电源连接到AC电网时获得的寄生电容。

可任选地，考虑RC常数的估计来选择第一和第二时间跨度。可以预先配置RC常数的这种估计。

可任选地，基于测量点来确定RC常数。

可任选地，第一时间跨度和/或第二时间跨度小400ms，更优选地小于200ms，甚至更优选地小于100ms。第一时间跨度和第二时间跨度的总和可以小于800ms，更优选地小于400ms，甚至更优选地小于120ms。

可以以各种方式来预测第一稳态值和第二稳态值。例如，可以采用计算模型，该计算模型被配置为基于有限数量的测量点来预测稳态终值。例如，可以使用模型拟合、估计器算法、机器学习算法等。

在一些示例中，第一时间跨度和/或第二时间跨度的400ms的持续时间可能太长，因为在300ms的时间段内可能无法做出反应(例如警报)。可任选地，第一和第二时间跨度被选择为使得用于确定绝缘电阻和执行警报动作所需的时间小于300ms，更优选地小于200ms。

可任选地，第一稳态值使用多个第一时间步长处的多个测量点借助于第一曲线拟合来计算，并且其中第二稳态值使用多个第二时间步长处的多个测量点借助于第二曲线拟合来计算。

通过执行曲线拟合，可以显著减少用于获得待测电量稳态值的估计所需的时间。曲线拟合可提供稳态值的准确预测。因此可能不再需要等待直到第一/第二电气值(例如电压)已经达到稳态值(循环中的完整周期)。基于预测的最终值，可以确定绝缘电阻的指示。绝缘电阻被直接和/或间接计算，而不是指示，这也是可能的。

可任选地，基于电力线周期来选择连续时间步长之间的时间间隔。

保护地可被电容耦合到AC线路，因此保护地上的电压可以遵循电网频率或其高次谐波。在任意数量的电力线周期或循环期间进行测量可以有效地平均这种有害耦合的影响。

可任选地，该时间间隔被选择为电力线周期的倍数，优选等于一个电力线周期。

可以选择用于预测第一和第二稳态值的测量点，距离为AC电网的电力线循环历时n倍。电力线循环在欧洲为20ms(参见50Hz)，在美国为16.7ms(参见60Hz)。

可任选地，第一曲线拟合和第二曲线拟合中的每一个使用三个测量点。

曲线拟合可以是利用至少三个测量点的指数拟合。通过使用三个测量点，可以得到具有三个未知数的三个方程。也可以执行其他曲线拟合方法，例如涉及最小二乘法或Levenberg-Marquart。将领会，可以使用多于三个的测量点来执行曲线拟合。

可以选择处理(例如在微控制器中)测量的电气值的方式，以便获得更好的准确度。通过选择不对称比率，诸如1/3和2/3，可以极大简化计算(公式)和测量电气值的处理(例如在微控制器中)方式。以此方式，也可以改进准确度。此外，可以检测对称故障。

可任选地，第一电气值和第二电气值相对于相同的参考在相同的测量位置被测量，其中激励电压被归一化为由DC电源提供的DC线路电压。

当用于计算绝缘电压时，对激励电压的测量响应可被归一化为DC电源电压。激励电压可被缩放为DC电压。该缩放可以在微控制器中实现。可任选地，激励电压与DC电压成线性比例。通过将DC电源电压除以与第一电压值和第二电压值相同的因子，并使用第一电压值作为A/D转换器的参考，可以不再需要一个以上的A/D通道。此外，由于比率是由AD转换器直接测量的，因此可以减少计算时间。

DC电压(Vdc)可被用作参考。有利地，可能不再需要除以总电压。可以获得更高的准确度，并且可以使用全量程的测量范围。此外，DC电压可能会经理某种程度的变化。通过相对测量(例如1/3、2/3)，可以克服因可变DC电压而导致的不准确。电气网络中的电阻的排列可能会导致1/3和2/3的不对称比率。将领会，也可以使用其他比率。

可任选地，使用DC电源电压或微控制器的直接电源电压，可在微控制器内部生成参考电压Vref。

可任选地，在第一时间跨度期间，保护地被DC线路电压的第一分数的阻断电压激励，并且其中在第二时间跨度期间，保护地被DC线路电压的第二分数的阻断电压激励，其中第一分数不同于第二分数。有利地，监测也与DC电源的正极和负极端子上的对称绝缘故障一起工作。可以检测到在正极和负极电压端子上具有相同绝缘故障的对称绝缘故障。在DC系统中，发生这种类型的故障的可能性并不少见。在一示例中，如果DC电源本身在堆叠DC电源中的中间电压电平上存在故障，则可能发生对称故障。此外，当DC总线加载有电机逆变器以及逆变器后发生绝缘故障时(例如在电动汽车中)，也会引入对称故障。绝缘材料的退化也可能导致对称故障。

可任选地，第一分数和第二分数的和基本上等于一。可任选地，第一分数是1/3而第二分数是2/3。

通过使用无量纲值(例如，1/3和2/3)，可以改进准确度和计算时间。为了能够测量伏特，从而可以直接测量比率1/3、2/3，AD转换器可以使用参考值(Vref)。参考值Vref可被定义为DC电源电压除以一数字，用于获得可与微控制器连用的足够低的激励电压。在这种情况下，Vref会随DC电源电压而变化。V1(即第一电气值)与DC电源电压之间的比率可被直接测量。Vref可以是AD转换的参考电压。

第一电气值(例如电压V1)和第二电气值(例如电压V2)可以在DC电压已经变化的不同时间点处被测量。在DC电压未知(例如未测量)的情况下，V1和V2将被除以相同的数字。这可以通过在测量中使用无量纲分数(而不是绝对电压)来克服。

可任选地，一个或多个偏置电阻被用于增加第一分数和减少第二分数，其中一个或多个偏置电阻被配置为提供0.1-2％的偏置，更优选地在0.1-1％之间。

偏置电阻器可以能够补偿组件容差(参见使用更便宜的组件)。为了进一步提高抗噪性，可以引入偏置电阻器，使得第一激励电压(Vx1)略大于第一分数(例如，1/3Vdc)，而第二激励电压(Vx2)略小于第二分数(例如，2/3Vdc)。结果是，考虑到所注入的噪声和组件容差，Vx2-Vx1在所有情况下都小于Vdc/3。有利地，当电阻高时，偏置电阻器可以导致较低的绝缘电阻估计值(即安全的)，并且在绝缘故障的情况下偏置电阻器在估计中的误差可以忽略不计。如果绝缘值相当大，则绝缘测量值上可能会出现误差。然而，如果绝缘值变小，即当发生绝缘故障时，测量仍然可以准确。

可任选地，使用滤波器来测量第一电气值和第二电气值，其中该滤波器为低通滤波器。

滤波器可被用于过滤噪声或串扰。然而，在某些情况下，此类滤波器(例如，配置成用于过滤50Hz或60Hz分量和可任选地它们的谐波的滤波器)可能会引入(进一步)不需要的延迟，例如在电气测量中以毫秒的数量级。另外，可能会在测量结果中引入有害的相移。然而，通过使用高频滤波器，可以限制延迟和相移，同时获得改进的信号。

瞬态第一和第二电气值的稳态终值的计算可以以各种方式进行。

可任选地，仅当DC电源耦合到AC网络时，才使用曲线拟合计算稳态电气值。

该方法可进一步包括确定DC电源是否耦合到AC网络。在耦合到AC网络的情况下，可以计算/预测第一和第二电气值。由于RC常数(参见电容耦合)，等待达到稳态值可能需要花费很长时间。在没有耦合到AC网络的情况下，可以直接测量稳态第一和第二电气值。由于没有RC延迟，这可以足够快地执行。可任选地，可以手动选择操作模式。

可任选地，提供可在第一状态和第二状态之间切换的开关，其中在第一状态中开关将电源端子连接到第一网络，并且其中在第二状态中开关将电源端子连接到第二网络，其中所述第一和第二时间跨度是相等的，并且其中以固定频率重复所述第一和第二时间跨度的序列，并且其中以所述相同频率重复所述测量、计算和比较步骤。

可任选地，将确定的绝缘电阻(R1、R2)与预定义的警报水平进行比较，其中当绝缘电阻超过预定水平时执行警报动作。

可任选地，本发明的设备配备有用于在绝缘故障的情况下向连接到DC电源的负载发送信号用于将所述故障传送到远程控制站的装置。

可任选地，瞬态第一电气值和瞬态第二电气值是用比率A/D转换来测量的。有利地，作为结果不需要固定参考。

可任选地，测量DC电源的DC电压。附加地或替代地，向微控制器提供DC电压的指示。

根据一方面，本发明提供了一种用于监测DC总线和保护地之间的绝缘的设备，该总线与DC电源连接，其中该设备被配置为：在第一时间跨度期间由第一电气网络将电源端子连接至保护地；在第一时间跨度中的多个时间步长处与第一网络相关的瞬态第一电气值，其中在多个第一时间步长处使用多个第一测量点计算第一稳态值；在第二时间跨度期间由第二电气网络将电源端子连接至保护地；在第二时间跨度中的多个第二时间步长处与第二网络相关的瞬态第二电气值，其中在多个第二时间步长处使用多个第二测量点计算第二稳态值；以及基于计算出的第一电气值和第二电气值的稳态值来确定电源端子和保护地之间的绝缘电阻的指示。

有利地，即使当要监测的电气网络是经由电容耦合耦合到AC电网的DC网络时(例如，在电动车辆的充电站中)，该设备也可以正确操作。因电容耦合而获得的最终电容会显著影响电量，例如电压的测量。RC常数可以形成一个明显的延迟，直到达到稳定状态的终值。当施加块电压时，可以获得延迟方波。即使存在由电容耦合导致的所述RC时间常数，该设备也可以足够快地响应以检测绝缘故障。

另外，该设备还可被用于未耦合到AC电网的DC网络。在这两种情况下，可以确定绝缘电阻的准确指示。

该设备可以包括微控制器，该微控制器被配置用于在“开”和“关”状态之间控制开关，其中在“开”状态下，电源端子通过第一电气网络连接到保护地，而其中在“关”状态下，电源端子通过第二电气网络连接到保护地。取决于开关的状态，可以测量第一和第二电气值(例如两个电压)。可以执行附加电压测量用于测量由DC电源产生的DC电压。

可任选地，该设备被配置为执行其他监测功能。

将领会，绝缘电阻R1和R2是物理存在的，但不是电阻分量的形式。故障电阻可以被视为电阻，因为它在电气上表现为电阻。

将领会，鉴于该方法描述的任何方面、特征和选项同样适用于该设备，和/或反之亦然。还将清楚的是，可以组合上述方面、特征和选项中的任何一个或多个。

附图的简要描述

本发明将在附图中表示的示例性实施例的基础上进一步阐明。示例性实施例以非限制性解说的方式给出。应注意，附图只是通过非限制性示例的方式给出的本发明的实施例的示意性表示。

在附图中：

图1示出了该方法的示意图；

图2示出了DC总线和保护地的实施例的示意图；

图3a和3b示出了测量的瞬态电气值根据时间的示意图；

图4a和4b示出了测量的瞬态电气值根据时间的示意图；

图5示出了测量的瞬态电气值根据时间的示意图；

图6示出了根据本发明的绝缘监测设备的实施例的示意图；以及

图7示出了绝缘监测设备的示意图。

详细描述

图1示出了用于监测DC总线和保护地之间的绝缘的方法100的示意图，该总线与DC源相连。在第一步骤101中，电源端子在第一时间跨度期间通过第一电气网络连接到保护地。在第二步骤102中，在第一时间跨度中的多个时间步长处测量与第一网络相关的瞬态第一电气值，其中在多个第一时间步长处使用多个第一测量点计算第一稳态值。在第三步骤103中，电源端子在第二时间跨度期间通过第二电气网络连接到保护地。在第四步骤104中，在第二时间跨度中的多个第二时间步长处测量与第二网络相关的瞬态第二电气值，其中在多个第二时间步长处使用多个第二测量点计算第二稳态值。在第五步骤105中，基于计算出的第一电气值和第二电气值的稳态值来确定电源端子和保护地之间的绝缘电阻的指示。

在DC电源连接到AC电网的情况下，保护地和DC的正极和负极端子之间可能存在寄生电容。电容可能未知并随时间变化。例如，电容可以取决于连接到AC电网的设备。作为电容耦合的结果，用于达到稳态终值所需的时间可能太长(安全性不可接受)。

在第一电气值和第二电气值已经达到稳定的最终值之前可能存在显著延迟。延迟取决于等于R×C的时间常数。R值(电阻)相对较大，以便获得有限的漏泄电流。由于设备连接到电气网络，C值(电容)可能相对较大。在相对较大的RC值的情况下，为了获得稳态最终值可能需要花费太长时间。例如，考虑到安全和/或某些应用，时间常数RC的3到5倍可能是不可接受的。通过预测第一和第二稳态终值，例如通过执行RC曲线的曲线拟合，可以获得更快和更准确的响应。

图2示出了DC总线和保护地的实施例的示意图。DC总线与DC电源1相连。电源1的端子连接到保护地4。绝缘电阻由R1和R2表示。通过经由第一网络(该图中未示出)将电源1连接到保护地4，可以施加第一激励。通过随后经由第二网络(该图中未示出)将电源1连接到保护地4，可以施加第二电激励。可以通过施加由第一网络和第二网络的配置确定的两个不同DC电压V1、V2来执行电激励50。在有限的时间段内测量与第一网络和第二网络52相关的电气值，其中基于在多个时间步长处的测量点，预测稳态(稳定)值，从而限制用于计算绝缘所需的时间电阻R1和R2。

在该示例中，施加方波电压(激励)，但由于电容的原因，测得的电压不是方波。如果施加的电压保持较长时间段，则可能达到稳态终值，然而，考虑到安全性，此时用于触发警报可能为太迟了。因此，在小于用于达到稳态所需的时间的有限时间跨度(参见小于5×RC)内预测稳态值。

图3a和3b示出了根据时间t的具有幅度A的测量的瞬态电气值的示意图。图3a示出了与第二网络相关的瞬态第二电气值54的交替序列，随后是与第一网络相关的瞬态第一电气值56。如上所述，保护地和AC电网之间可能存在耦合，从而产生电容。当DC电源的端子通过第二电气网络连接到保护地时，测得的电压会逐渐增加(作为RC延迟的结果)，直到达到稳态值58。

作为最终的RC电路的结果，电压在充电阶段随时间朝所施加的电压(激励)上升。如果降低激励电压，则获得具有下降电压的放电阶段。电压朝新的激励电压放电。电压在第一时间常数期间以最快的速度增加，并且在充电期间的最后一个时间常数最小。类似地，电压在第一时间常数期间以最快的速度下降，而在放电期间的最后一个时间常数最小。充电和放电曲线可以达到5个时间常数，即达到基本稳定或稳态终值的点。

图3b示出了放大图，其中使用三个测量点60来计算稳态值。这些测量点60被用于预测/估计稳态终值58。这可以例如通过执行指数拟合来完成。也可以使用其他模型或算法。仅需要有限的时间段直到t_pred用于确定稳态终值58，而不是直到5×RC。因此，其中测量与第一和第二网络相关的瞬态电气值的时间跨度可以明显小于5×RC。如图3b中所示，第二时间跨度(t_pred-t₀)明显小于(5×RC-t₀)。这对于在此期间收集与第一网络相关的瞬态电气值的第一时间跨度也是有效的。在该示例中，充电阶段80a继续直到时间步长t_pred，接着是放电阶段80b。

图4a和4b示出了测量的瞬态电气值根据时间的示意图。例如通过开关的第一状态(“开”)和第二状态(“关”)实现的电源端子经由第一电气网络和第二电气网络与保护地的连接之间的切换是为了以足够快的速度进行，以便及时检测绝缘误差，同时保证安全。结果，可能没有足够的时间用于等待稳态值。

可以采用不对称激励。借助于V1和V2之间的不对称比率，也可以检测到对称绝缘误差。例如，由于绝缘退化(自然退化)而发生的绝缘误差可能是对称的。保护地可以例如在第一时间跨度期间以DC线路电压的1/3被首先激励，并且在第二时间跨度期间以线路电压的2/3被激励。需要至少两个测量周期以确定和确认绝缘故障。在一示例中，可以在具有1/3处的激励的两个电力线周期以及具有2/3处的激励的两个电力线周期期间执行多次测量。每组测量可以形成RC曲线，从中可以计算出终值。因此，可以在不等待其稳定的情况下计算终值。两个电源线周期可能足以用于执行测量。以这种方式可以显著改进测量时间。例如，可以实现300ms的反应时间。

在此示例中，监测50V DC系统的绝缘。因此，激励电压为Vx1＝1667V和Vx2＝3333V。激励电压示例性地选择为DC电网电压的1/3和DC电网电压的2/3。由于DC总线和PE之间的电容性负载，由图4A中的线61指示的Vx1没有在40ms的激励时间内达到，由图4B中的线62指示的Vx2没有在其60ms的激励时间内达到。然而，这些终值可以通过外推指数RC曲线导出。终值被用于计算绝缘电阻。在图4b中，如果等待足够长的时间，电压将收敛到的值，即稳态值62，就从未达到。本发明不限于该上下文。

DC电源电压的1/3的第一块电压可被施加第一时间历时，并且DC电源电压的2/3的第二块电压可以被施加第二时间历时。因此，保护地的电位差变为DC电源的正极和负极端子之间电位差的1/3。所施加的电压比1/3和2/3可以简化绝缘电阻R1、R2的计算。将领会，也可以使用其他不对称比率，例如(1/4和3/4)、(2/5和3/5)、(1/5和4/5)等。可以实现许多比率对组合。

第一时间跨度和第二时间跨度可以被视为其中保护地分别被链接到第一(电阻器)网络和第二(电阻器)网络的历时。在一示例中，保护地可被链接到一个网络60ms，并链接另一网络40ms。在报告令人震惊的绝缘电阻之前，可能期望在多个时间段内进行测量。在图4a和4b中的示例中，可以在100ms内进行完整的测量，用于提供电源端子和保护地之间的绝缘电阻的指示。

图5示出了测量的瞬态电气值根据时间的示意图。保护地可被电容耦合到AC和DC线路，因此保护地上的电压将遵循电网频率或其高次谐波。在任意整数的电力线周期Δt内进行测量，可以平均耦合的电网频率的影响。

如图5中所示，振荡信号70可被叠加在指数72上(仅绘制了一部分)。振荡信号的幅度(例如以50Hz振荡)可能会受到限制。然而，振荡信号可能对于第一和第二稳态值的估计(例如使用曲线拟合)是有害的。相对较小的振荡可能已经对绝缘误差的计算值产生显著影响。例如，在大约600V的信号上引起±0.1V的振荡的振荡信号可能已经引起计算/估计值与实际稳态值之间的显著偏差。

如果绝缘电阻变得更小(例如接近最小绝缘值的限制)，则这种影响甚至可能更大。对于较小的绝缘电阻，V1和V2之间的差异可能会变得更小。例如，在使用1/3和2/3激励的情况下，差异V2-V1可能不再是DC电源电压的1/3，而是更小。

两个测量点之间的时间距离ΔT可以基于DC电源耦合到的AC电网的电力线周期来选择。可以防止由不良采样引起的误差。在有利的实施例中，两个时间点之间的距离是电力线周期的整数倍。例如，两个时间点之间的距离可以是用于减少所需的处理时间的一个电力线周期。

可以确定至少三个连续的测量点，用于执行终值的估计或预测。在曲线拟合的情况下，可以使用三个测量点。也可以使用三个以上的测量点，例如在采用Lenberg-Marquart算法时。在这个例子中，使用了在三个时间步长，即T1、T2和T3处采样的三个测量点。当拟合曲线通过三个点T1、T2、T3时，可以获得用于确定稳态值的正确趋势。

该时间间隔可以取决于相关的电力线周期进行调整。在示例中，例如在初始化期间确定电力线周期。一种设备可以被配置为确定或接收电力线周期的指示。还设想电力线周期是预先配置的和/或用户可选择的(例如欧洲：50Hz，美国：60Hz)。

可以执行指数曲线拟合用于计算稳态电压值62。可以基于以下等式来计算稳态电压值：

d₁₂＝B(1-e^cΔt)

d₂₃＝B-d₁₂(1-e^cΔt)

将领会，也可以构想具有更大数量的测量点的曲线拟合。可以实现许多拟合算法。

图6示出了根据本发明的绝缘监测设备的实施例的示意图。存在DC电源1，经由包括导体12和13的DC总线连接到一个或多个负载(图中未示出)。连接到电源1的DC总线的绝缘示意性表示为在DC电源1的端子和保护地4之间的一对电阻器R1和R2。DC总线和保护地4之间的绝缘受导体12和13，以及通向负载的所有导体的绝缘，以及包括在这些负载中的DC系统的绝缘的影响。为了安全起见，R1和R2的电阻值应准确且足够快地确定。绝缘监测设备5可以电连接到电源1。它可以包括开关设备6和微控制器7，以及包括电阻、电容和/或电感器的网络的电路8。开关设备6例如可以是双极晶体管或MOSFET，可由微控制器7控制，微控制器7通过连接9命令开关6的“开”或“关”状态。开关6的状态定义实际电路在任何时间点连接到电源。这意味着通过控制开关6，可以创建两个不同的电气网络。

在微控制器7中提供装置以测量值，优选地测量电路中特定点处的电压。该测量值是通过连接10获取的。该电路以如下方式来设计：在开关6的每个状态(开或关)期间在同一点测量两个足够不同的值。若必要，可以测量两个以上的值，例如独立于开关6的状态的一个附加测量值，或取决于开关6的状态的两个附加值，或两者。

R1和R2的待确定电阻值是在这至少两个测量值的基础上，结合应用于分别对应于开关为开或关的两个不同网络的网络规律计算的。

根据适当的公式，R1和R2的计算可以由微控制器7执行。微控制器可以被配置为检查R1和R2的值是否足够高。若不是，则可以检测到绝缘故障并且可以将电源1的端子与连接到这些端子的任何负载断开。可任选地，当R1和R2接近预定义的警报级别但尚未低于所述警报级别时，可以激活预警报警告信号。

R1和R2的任何计算都需要两次连续测量，每次测量都在开关6的一个状态(开或关)期间。可以通过以顺序方式并以给定频率改变开关的状态来执行连续监测。

可任选地，主开关可以被布置用于例如使用两个同步开关将电源1连接到负载或与其断开，每一开关放置在DC总线的每个导体中并且由继电器操作。该设备还可以操作额外的继电器，该继电器防止DC总线电容器上的浪涌电流过大。它还可以在通过操作额外的继电器关闭主开关后释放DC总线电容器上的残余电压。

所示设备可以被布置为在第一时间跨度期间通过第一电气网络将电源1的端子连接到保护地4；并且随后在第一时间跨度中的多个时间步长处测量与第一网络相关的瞬态第一电气值，其中在多个第一时间步长处使用多个第一测量点来计算第一稳态值。此外，该设备可以被配置为在第二时间跨度期间通过第二电气网络将电源端子连接到保护地4，并且随后在第二时间跨度中的多个第二时间步长处测量与第二网络相关的瞬态第二电气值，其中在多个第二时间步长处使用多个第二测量点计算第二稳态值。这些步骤可以重复一次或多次，其中基于计算出的第一电气值和第二电气值的稳态值，可以确定电源端子和保护地4之间的绝缘电阻的指示。

图7示出了根据本发明的绝缘监测设备的示意图。必须监测代表DC电源1和保护地4的DC总线端子(正极+、负极-)之间的绝缘的两个绝缘电阻(Rf1、Rf2)。开关S1可以是MOSFET晶体管。用于在两个电气网络之间切换的其他实现也是可能的。在本实施例中，提供的电气网络包括：正电源端子和保护地4之间的电阻器R3；在负电源端子和保护地4之间串联的两个电阻R4和R8；电阻器R7与S1串联，使得R7和S1与电阻器R4和R8并联；两个电阻器R5和R6串联，并因此连接到电源1的端子。

当开关S1关闭时，电阻分压器网络仅包括电阻器R3、R4和R8。S1的激活使包含R7的并行分支发挥作用。在这两种情况下，微控制器都在位置16处测量相对于保护地4的电压，该位置是串联电阻器R4和R8之间的点。这种配置为电阻分压器网络，允许将测量电压降低到可由微控制器电路测量的足够低的值。两次连续的电压测量可以给出两个值，用于计算R1和R2，如下文所述。

DC+或DC-与保护地4之间的电容耦合可以通过例如隔离变压器和/或连接到DC总线的设备中的电磁干扰去耦电容器的寄生电容产生。从现有技术已知的设备通常采用高阻抗电阻器并且必须执行两次测量。将此与电容效应相结合导致故障测量或太长的稳定时间，从而导致设备缓慢。一般接受的是，隔离监测器应在发生绝缘故障(取决于故障幅度)后40到300ms内做出反应，以便保护人员。

寄生电容和高阻抗测量电阻的时间常数在10ms左右。此外，稳定时间约为50ms。然而，由于这些参数可能变化很大，实践已经表明，在大多数情况下，每次测量100ms的稳定时间是很好的折衷方案。在作出反应之前，对于一次隔离电阻计算需要两次测量，至少应计算两个或三个隔离电阻，以便产生对电磁干扰或其他干扰的免疫力。很明显，由于电网中存在寄生电容，所提出的隔离监测设备的反应不够快。此外，电网信号可能串扰到保护地。保护接地很可能以电源频率的电压纹波和/或其一个或多个谐波的形式承载电源电压的迹线。过滤掉这些信号可能会减慢应用到保护地的信号的获取速度。根据本发明的方法可以克服这些技术问题并且可以在各种不同类型的隔离监测设备中实现。

保护地用两个电压电平一个接一个地激励。保护地电压的第一次测量在程序开始时，即在打开开关之后立即进行。第二次和第三次测量在各自等待一个网格周期后进行。这些测量值是：Vpe1.1+Vg1.1、Vpe1.2+Vg1.2、Vpe1.3+Vg1.3，其中Vpe1是由于RC电路开路导致的保护地上的电压，Vg是叠加的由于来自电源的串扰而导致的正弦电压。

然后可以关闭开关并以相同的方式进行测量，结果为：Vpe2.1+Vg2.1、Vpe2.2+Vg2.2、Vpe2.3+Vg2.3。

由于所有测量均在电网电压的相同相位角下进行，因此以下内容有效：Vg1.1＝Vg1.2＝Vg1和Vg2.1＝Vg2.2＝Vg2。此外，由于与电网周期相比，用于闭合固态开关的时间可以忽略不计，因此Vg1＝Vg2＝Vg。Vpe1.1和Vpe1.2是从Vpe1.1开始到第一次测量Vpe1的稳定值结束的指数曲线的一部分。

V＝Vpe1+A(1–e^-t/tau)

A＝V–Vpe1

Rf1和Rf2是计算出的绝缘电阻值。还设想确定Rf1和Rf2的指示(例如等效电量和/或基于Rf1和Rf2之比的值)。

微控制器7可以被配置为在定义的时间(例如，60ms)期间打开开关S1，然后闭合开关S1(例如，40ms)。这可以不断重复。

网络中的电阻可被配置为：

R3＝(R4+R8)/2+0.5％

(R4+R8)//R7＝R3/2+0.5％

电阻比R4/R8＝电阻比R5/R6

电阻值R3、R4、R7和R8的选择会导致保护地的激励，其阻断电压为DC线路电压的2/3(当S1开路时)和DC线路电压的1/3(当S1闭合时)。当S1断开时，可以在微控制器的引脚15处测量Vx2，然后可以关闭S1。Vx1可以在S1在点15处闭合的情况下测量。电压Vx1和Vx2可以在点15处测量。在这个示例中，为了进一步提高抗噪性，引入了偏置电阻器(电阻值R3和R7的+0.5％)，使得Vx2略低于2/3Vdc，Vx1略高于1/3Vdc。结果，考虑到注入的噪声和组件容差，在所有情况下Vx2–Vx1<Vdc/3。微控制器处理的公式可能仅在这种情况下是有效的。当电阻很高并且在绝缘故障的情况下可以忽略不计时，偏置电阻器会导致较低的绝缘电阻估计值(安全)。电阻分压R5/R6的结果形成AD转换(18)的电压参考，并且可以<微控制器的Vcc(电源)。

当固定电压参考被用作AD转换的Vref(例如，5V)时，AD转换器的12位(参照4096)转为5V的固定电压参考。AD转换器的结果必须转换为电压单位：电压单位(mv)＝4096×AD结果/5000。

当使用电阻分压R5/R6作为电压参考时，AD转换器的测量值＝Vdc的2/3或1/3，并且此测量值被称为Vdc。无需转换为电压单位。电阻分压R5/R6作为电压参考具有额外的好处：AD转换器的分辨率降低：例如：Vref＝2Volt：AD转换器的12位(4096)被称为2V：一位：分辨率＝2000/4096＝0.488mV/位(对于5V固定电压＝5000/4096＝1.22mV位)。

Vref可以基于DC电压来确定。可任选地，分压被用于确定Vref。Vref可以与DC电源电压成正比。将领会，微控制器的电压供应网络没有被绘制。Vref可以成为被用于测量DC电源电压的单独输入。

可以为Vx2和Vx1的测量添加滤波器(低通滤波器)。该滤波器的截止频率必须比测量频率(60和40ms)高10倍。低频滤波不是解决方案，因为测量时间增加，并且这是不允许的。

在示例中，设备在条件S1“开”和S1“关”之间以固定间隔，例如以10Hz的频率切换。由于计算了稳态值(用于提供预测)，不再需要在S1切换后的给定延迟(例如，50ms)之后执行测量，以便允许在测量位置16处产生稳定的电压。

可任选地，如果在一个或多个周期中检测到绝缘误差，则会触发警报。在示例中，进行多次测量，并且如果在连续周期中检测到绝缘误差，则会触发警报。每次循环都可以获得绝缘电阻的测量。一个循环就足够了，但可以通过重复循环来提高可靠性，并且还可以监测绝缘电阻随时间的变化。

将领会，取决于应用，保护地可以涉及保护外壳，诸如汽车的底盘，以及与地的实际连接。

将领会，在一些应用中，需要了解DC电源电压。在这种情况下，可以如上所述使用参考电压Vref进行电气测量，并且另外可以利用固定参考来确定DC电源电压，以便能够确定以V表示的DC电源电压。实施例不限于该上下文。

将领会，该设备还可以执行对专用应用有用的其他安全功能，例如：欠压和过压保护、温度测量、自检、警告级别指示等。这可以通过对微控制器重新编程，或通过使用设计用于执行额外测量、计算和/或为继电器致动额外命令信号等的微控制器来完成，以便在R1和R2之外还计算除绝缘电阻R1和R2之外的值。要检查的多个值可以由微控制器7计算，然后可以激活许多安全措施：用于中断电流的继电器、警报信号等。

将领会，该方法可以包括计算机实现的步骤。上述所有步骤都可以是计算机实现的步骤。实施例可以包括计算机装置，其中在计算机装置中执行该过程。本发明还扩展到适于将本发明付诸实践的计算机程序，特别是载体上或载体中的计算机程序。该程序可以是源代码或目标代码的形式，或者是适用于实现根据本发明的过程的任何其他形式。载体可以是能够承载程序的任何实体或设备。例如，载体可以包括存储介质，诸如ROM，例如半导体ROM或硬盘。此外，载体可以是可传输的载体，诸如电信号或光信号，其可以经由电缆或光缆或通过无线电或其他手段(例如，经由因特网或云)传送。

例如，一些实施例可以使用机器或有形计算机可读介质或制品来实现，该介质或制品可以存储指令或一组指令，如果由机器执行，则可以使机器根据实施例执行方法和/或操作。

可以使用硬件元件、软件元件、或两者的组合来实施各实施例。硬件元件的示例可以包括：处理器、微处理器、电路、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、寄存器、半导体器件、微芯片、芯片组等等。软件的示例可以包括软件组件、程序、应用程序、计算机程序、应用程序、系统程序、机器程序、操作系统软件、移动应用程序、中间件、固件、软件模块、例程、子例程、功能、计算机实现的方法、程序、软件接口、应用程序接口(API)、方法、指令集、计算代码、计算机代码等。

还将理解的是，当特征或元件被称为“连接”、“附连”或“耦合”到另一个特征或元件时，它可以直接连接、附连或耦合到另一个特征或元件或可能存在中间特征或元素。

此处使用的术语“第一”、“第二”等可以通过指示相似元素的不同实例来区分一个元素与另一个元素。应当理解，术语“第一”、“第二”等不表示时间、空间、排名或任何其他方式的任何顺序、数量、重要性、顺序。

此外，术语“网络”、“电路”、“电路系统”和“控制器”可以包括单个组件或多个组件，它们是有源和/或无源的并且连接或以其他方式耦合在一起(例如，作为一个或多个集成电路芯片)以提供所描述的功能。

在此，结合本发明实施例的具体示例对本发明进行描述。然而，很明显，在不脱离本发明的本质的情况下，可以在其中进行各种修改、变化、替代和改变。为了清楚和简明描述的目的，这里将特征描述为相同或单独实施例的一部分，然而，具有这些单独实施例中描述的全部或一些特征的组合的替代实施例也被设想和理解为落入如权利要求所概述的本发明的框架内。因此，说明书、附图和示例应被视为说明性的而非限制性的。本发明旨在包括落入所附权利要求的精神和范围内的所有替代、修改和变化。此外，所描述的许多元件是功能实体，它们可以以任何合适的组合和位置实现为离散或分布式组件或与其他组件结合实现。

在权利要求中，置于括号之间的任何参考标记不应被解释为限制权利要求。“包括”一词不排除权利要求中列出的特征或步骤之外的其他特征或步骤的存在。此外，词语“一”和“一个”不应被解释为限于“仅一个”，而是被用来意指“至少一个”，并且不排除多个。在相互不同的权利要求中记载某些措施的纯粹事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。

Claims (15)

1.一种用于监测DC总线和保护地之间绝缘的方法，所述总线与DC电源相连，所述方法包括以下步骤：

在第一时间跨度期间通过第一电气网络将电源端子连接至保护地；

在第一时间跨度中的多个时间步长处测量与所述第一网络相关的瞬态第一电气值，其中在所述多个第一时间步长处使用多个第一测量点计算第一稳态值，

在第二时间跨度期间通过第二电气网络将所述电源端子连接至保护地，

在所述第二时间跨度中的多个第二时间步长处测量与所述第二网络相关的瞬态第二电气值，其中在所述多个第二时间步长处使用所述多个第二测量点计算第二稳态值，以及

基于计算出的所述第一电气值和所述第二电气值的稳态值来确定所述电源端子和保护地之间的绝缘电阻的指示。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在测量的第一和第二电气值分别在所述第一和第二时间跨度中已经达到稳态之前计算所述第一和第二稳态值。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一时间跨度和/或所述第二时间跨度小于阻容(RC)时间常数的三倍。

4.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述第一时间跨度和/或所述第二时间跨度小于100ms。

5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一稳态值使用所述多个第一时间步长处的所述多个测量点借助于第一曲线拟合来计算，并且其中所述第二稳态值使用所述多个第二步长处的所述多个测量点借助于第二曲线拟合来计算。

6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，连续时间步长之间的时间间隔是基于电力线周期来选择的。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述时间间隔被选择为所述电力线周期的倍数，优选等于一个电力线周期。

8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一曲线拟合和所述第二曲线拟合中的每一个使用三个测量点。

9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一电气值和所述第二电气值相对于相同的参考在相同的测量位置被测量，其中所述激励电压被归一化为由所述DC电源提供的DC线路电压。

10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述第一时间跨度期间，所述保护地被所述DC线路电压的第一分数的阻断电压激励，并且其中在所述第二时间跨度期间，所述保护地被所述DC线路电压的第二分数的阻断电压激励，其中所述第一分数不同于所述第二分数。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，一个或多个偏置电阻被用于增加所述第一分数和减少所述第二分数，其中所述一个或多个偏置电阻被配置为提供0.1-2％的偏置，更优选地在0.5-1％之间。

12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用滤波器用于测量所述第一电气值和所述第二电气值，其中所述滤波器为低通滤波器。

13.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，仅当所述DC电源耦合到AC网络时，才使用曲线拟合计算所述稳态电气值。

14.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，提供可在第一状态和第二状态之间切换的开关，其中在所述第一状态中所述开关将所述电源端子连接到所述第一网络，并且其中在所述第二状态中所述开关将所述电源端子连接到所述第二网络，其中所述第一和第二时间跨度是相等的，并且其中以固定频率重复所述第一和第二时间跨度的序列，并且其中以所述相同频率重复所述测量、计算和比较步骤。

15.一种用于监测DC总线和保护地之间绝缘的设备，所述总线与DC电源相连，其中所述设备被配置为：

在第一时间跨度期间由第一电网将电源端子连接至保护地，

在所述第一时间跨度中的多个时间步长处测量与所述第一网络相关的瞬态第一电气值，其中在所述多个第一时间步长处使用多个第一测量点计算第一稳态值，

在第二时间跨度期间由第二电网将所述电源端子连接至保护地，

在所述第二时间跨度中的多个第二时间步长处测量与所述第二网络相关的瞬态第二电气值，其中在所述多个第二时间步长处使用多个第二测量点计算第二稳态值，以及

基于计算出的所述第一电气值和所述第二电气值的稳态值来确定所述电源端子和保护地之间的绝缘电阻的指示。

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