CN113834956A - 包括绝缘监测的未接地电源系统中的用于绝缘故障定位的接地插座和方法 - Google Patents

包括绝缘监测的未接地电源系统中的用于绝缘故障定位的接地插座和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种未接地电源系统(2)中的用于绝缘故障定位的接地插座(10)和方法，包括通过标准绝缘监测设备(4)将测量电压(Um)叠加在未接地电源系统(2)上用于确定未接地电源系统(2)的绝缘电阻(Rf)的绝缘监测。接地插座(10)包括具有电接触(17)的壳体(16)、用于发信号通知绝缘状态的信号设备(14)、以及用于检测和评估差分电流(Id、Idm，Idf)的电流测量设备(12)，电流测量设备(12)具有测量电流变换器(20)和评估电子电路(22)，并且电流测量设备(12)被配置用于对由测量电压(Um)驱动的测量电流(Im)进行高分辨率检测和评估作为差分测量电流(Id，Idm)。

Description

包括绝缘监测的未接地电源系统中的用于绝缘故障定位的接 地插座和方法
技术领域
本发明涉及一种用于绝缘故障定位的接地插座以及一种用于在未接地电源系统中进行绝缘故障定位的方法，包括通过标准绝缘监测设备将测量电压叠加在未接地电源系统上用于确定未接地电源系统的绝缘电阻的绝缘监测。
背景技术
未接地电源系统的网络类型，也称为绝缘网络或IT(法语：isoléterre)网络，用于确保电源的高可用性和操作安全性。
在这种类型的电源系统中，IT网络的有源部分与地电位分离，即与地绝缘，或通过高阻抗接地。连接到IT网络的负载的框架(导电壳体)通过保护导体单独地或共同地连接到地电位(接地)。
IT网络的优势在于，绝缘故障(第一故障)，例如接地故障或框架故障，不会影响所连接负载的功能，因为理想无穷大的阻抗值意味着在IT网络的有源导体和地之间不会形成闭合的故障电路。因此，即使出现第一绝缘故障，这种固有的安全性也允许确保由未接地电源系统给负载馈送连续电源。因此，这种网络类型特别适用于医疗使用领域中。
因此，必须不断监测未接地电源系统对地的电阻，因为在另一个有源导体上的可能其他故障(第二故障)会产生故障回路，并且结合过流保护设备，在这种情况下流过的电流将导致设备关闭和运行会停止。
未接地电源系统根据标准IEC61557-8使用绝缘监测设备(IMD)进行监测，绝缘监测设备连接在未接地电源系统的至少一个有源导体与地之间，并将测量电压叠加在未接地电源系统上，导致形成与绝缘故障相对应且其幅度在μA范围内的测量电流。
因此，在由绝缘监测设备持续监测未接地电源系统的绝缘状态的情况下，即使已经出现第一故障，未接地电源系统也可以无限地继续运行。但是，建议实际上尽可能快地消除第一故障。
当绝缘故障监测设备已经在第一步中检测到绝缘故障时，在第二步中利用测试设备或绝缘监测设备借助测试电流发生器将测试电流馈入IT网络，来开始绝缘故障搜索。该测试电流，其为了可靠检测通常大于测量电流并且可能为几毫安，由位于未接地电源系统的故障线路输出(分支)中的所有测量电流变换器检测，并在绝缘故障评估设备的评估电子电路中被评估及显示在信号设备中。故障位置可以根据测量电流变换器被分配到哪个电路或线路输出来定位。
然而，对应于现有技术的一般状态的该解决方案确实具有多个缺点。
首先，测量电流变换器仅被分配给未接地电源系统的相应线路输出，而不分配给负载的各个连接点(插座)。
其次，直到发出故障线路输出的信号通知之前通常要花费太长时间，所述时间主要由绝缘监测设备的测量时间，随后投入运行的绝缘故障搜索设备的测量时间，以及在通常位于距插座一定距离的信号设备处注册报警信号之前的持续时间组成。因此，如果通过将负载的馈线插入手术室的插座来使故障负载投入运行，则在实践中，直到通过光学显示或声音信号通知医务人员相应线路输出或连接到该支路的负载中存在绝缘故障时，可能花费长达60秒或更长时间。在这种情况下，通常不再可能将绝缘故障快速分配给特定负载。通常，电工必须通过耗时的手动绝缘故障搜索来确定故障负载。
在未审专利公开DE 102011083792 A1中，描述了一种允许直接分配给负载的绝缘故障搜索设备。然而，除了由绝缘监测设备引起的用于确定绝缘电阻的测量电流(第一步)之外，在那里仍然需要随后馈送用于绝缘故障搜索的测试电流(第二步)。绝缘电阻测量后，可以通过测量电流变换器在接地插座处检测的测试电流被馈送到未接地电源网络中。在这种情况下，用于故障负载的检测时间仍然在大约10秒的范围内。允许近乎实时地(即，当负载连接器插入插座时立即)发信号的方法目前是未知的。
发明内容
因此，本发明的目的是设计一种设备和方法，其允许直接在负载的连接点处尽可能快速和可靠地检测和发信号通知呈现出绝缘故障的负载。
根据本发明，该目的通过一种用于绝缘故障定位的接地插座实现，该接地插座包括具有电接触的壳体、用于发信号通知绝缘状态的信号设备和用于检测和评估差分电流的电流测量设备，电流测量设备具有测量电流变换器和评估电子电路，并且被配置用于对由测量电压驱动的测量电流进行高分辨率检测和评估作为差分测量电流。
本发明的思想有利地基于对由绝缘监测设备产生的当前测量电流进行高分辨率检测和评估，根据标准，测量电流是强制性的，为了确定绝缘电阻—取代专门为此产生的测量电流—为了绝缘故障定位，作为直接在插座中的差分测量电流。
根据标准，不属于本发明一部分的强制性绝缘监测设备必须满足其内阻和高测量电压的要求，从而产生其幅值在μA范围(微安范围)的最大测量电流。
根据本发明使用由测量电流变换器和评估电子电路组成的在μA范围内的高灵敏度电流测量设备的事实允许持续监测绝缘监测设备的测量电流。
由绝缘监测设备的测量电压驱动的测量电流被测量电流变换器检测为差分测量电流，并且一旦被评估和发信号通知，允许绝缘故障的立即评定。
例如，在插入故障负载后，在优选地基于微处理器的评估电子电路中检测到测量电流从10μA增加到50μA，并通过光学和/或声信号立即发出恶化绝缘状态的信号通知。
直接在负载的连接点(插座)处对测量电流进行即时高分辨率检测和评估使得在检测到绝缘故障后馈送单独的测试电流变得不必要。不再需要使用自动或手动绝缘故障搜索设备进行耗时的绝缘故障搜索。
此外，由于没有mA范围(毫安范围)的测试电流降低了电源系统中高灵敏度传感器发生故障的风险，并且因此即使在关键系统环境中也提高了选择性绝缘监测的接受度，因此提高了电气安全性。
此外，这具有如下优点，对于常见的绝缘故障搜索的持续时间，不必保持医疗区域完全清空。
在另一个有利的实施例中，电流测量设备被配置为检测和评估以未接地电源系统的电网频率流动的故障电流作为差分故障电流。
除了对由测量电压驱动的测量电流进行高分辨率检测和评估作为差分测量电流之外，电流测量设备还能够检测和评估由电网电压以未接地交流电压电源系统中的电网频率引起的故障电流作为差分故障电流。
由于在不对称绝缘故障的情况下漏电流流过未接地电源系统中始终存在的漏电容，因此可以通过测量电流变换器将所述故障电流检测为差分故障电流。由于故障负载的连接导致的这种差分故障电流的变化可以由电流测量设备非常快速地(在不到一秒内)检测到并且可以由信号设备通过光学和/或声信号显示。
有利地，电流测量设备是AC/DC敏感的。
这种配置允许特别是在未接地直流电压电源系统和逆变器操作的未接地电源系统中检测和评估(平滑)直流故障电流、脉动直流故障电流和交流故障电流。
此外，电流测量设备具有穿过测量电流变换器的用于产生测试电流的测试回路。
在电流测量设备中产生测试电流，其对应于绝缘监测设备的测量电流并用于测试差分电流检测的正确功能。
有利地，评估电子电路被配置为评估差分测量电流曲线，以便在绝缘监测设备和用于绝缘故障定位的接地插座之间实现同步绝缘故障信号通知。
设置在根据本发明的用于绝缘故障定位的接地插座中的用于发信号通知绝缘状态的信号设备和绝缘监测设备通常安装为彼此相距一定距离。
根据现有技术，绝缘故障显示的同步需要通过例如PowerLine、RS485或MODBUS的数据接口进行通信。不利地，这是非常昂贵的并且需要额外的安装措施。
另一方面，同步绝缘故障信号通知允许在根据本发明的接地插座中和在绝缘监测设备中同时显示绝缘故障。
优选地通过检测差分测量电流的幅度变化来评估用于同步绝缘故障信号通知的差分测量电流曲线。
替代地，通过检测差分测量电流的模式的变化来评估差分测量电流曲线。
因此，例如通过借助于阈值观察或相关计算在评估电子电路中将测量电流变换器检测到的测量电流随时间过去的曲线评估为差分测量电流，根据本发明的接地插座接收关于是否存在来自绝缘监测设备的绝缘故障的信息。
有利地，根据本发明的接地插座被实现为固定安装插座、移动线路耦合器(复式插座)、或适配器插头(适配器)。
由于根据本发明的用于绝缘故障定位的接地插座直接安装在要投入运行的负载的连接处，即插头插入处，因此医务人员通过信号设备立即识别在负载上是否存在绝缘故障。所描述的测量电流的从10μA到50μA的增加，例如，在插入负载电源线后，导致立即发出讨论中的插座处的绝缘状态的信号通知。
接地插座可以被实现为固定安装的壁式插座或可附接适配器形式的适配器插头。此外，旨在实现为具有多个根据本发明的接地插座的复式插座形式的线路耦合器，用于装备例如设备手推车。
所描述的根据本发明的用于绝缘故障定位的接地插座是基于独立方法权利要求7中描述的技术教导的。在这方面，上述技术效果和由此产生的与方法相关的优点也适用于方法特征。
其他有利的配置特征是从以下基于示例示出本发明优选实施例的描述和附图中显而易见的。
附图说明
图1示出了根据本发明的用于绝缘故障定位的接地插座的功能框图；
图2示出了根据本发明的作为固定安装插座的接地插座；
图3示出了根据本发明的作为适配器插头的接地插座；
图4示出了根据本发明的作为移动线路耦合器的接地插座；
图5示出了根据本发明的具有作为光学显示的欧米茄符号的接地插座；
图6示出了呈现幅度变化的差分测量电流曲线；
图7示出了呈现模式的变化的差分测量电流曲线；以及
图8示出了用于同步绝缘故障同步的流程图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的用于负载6经由有源导体L1、L2连接到的未接地电源系统2(IT网络)中的绝缘故障定位的接地插座10。
将测量电压Um叠加在IT网络上的标准绝缘监测设备4连接在有源导体L1、L2和地PE之间，用于确定绝缘电阻Rf(绝缘故障)。具有由测量电压Um驱动的测量电流Im的测量电路经由有源导体L1、L2、绝缘电阻Rf和保护导体(保护导体连接到地PE)并返回到绝缘监测设备4来形成。测量电流Im在绝缘监测设备4中被测量并且允许评估绝缘电阻Rf的幅度。
作为重要部件，根据本发明的接地插座10包括电流测量设备12、信号设备14和具有接触17的壳体16。接触17被实现为用于连接负载6的电源线的插头的插头接触。
电流测量设备12具有测量电流变换器20以及评估电子电路22，测量电流变换器20的环形铁心围绕有源导体L1和L2作为初级“绕组”。
测量电流变换器20检测在测量电路中流动并在有源导体L1和L2中作为差分测量电流Idm来继续的测量电流Im，并且通过次级绕组24将差分电流测量结果发送到评估电子电路22。
评估电子电路22被馈入未接地电源系统2的电网电压Un。
此外，电流测量设备12包括测试回路15，通过该测试回路，测试电流It穿过测量电流变换器20以测试测量电流变换器20。
当发生非对称绝缘故障Rf时，测量电流变换器20另外检测故障电流If作为差分故障电流Idf，该故障电流If流过未接地电源系统2的始终存在的漏电容Ce。
下面的图2至图5示出了根据本发明的接地插座10的不同实施例。各个实施例的外部尺寸对应于标准的、接地兼容的常规插座的尺寸。
在图2中，根据本发明的接地插座10被实现为例如在壁装电源插座(墙壁插座)中或用于电缆管道安装的固定安装插座32。在近处，信号设备14被实现为发光LED环形式的光学显示40。例如，当没有定位到绝缘故障时，LED环可以亮起绿色，并且一旦定位到绝缘故障，LED环变成黄色。
图3示出了根据本发明的作为用于市售插座的适配器插头34的接地插座10的构造。这允许简单地改装与根据本发明的接地插座10的现有负载连接以用于绝缘故障定位。
在根据图4的另一个实施例中，根据本发明的接地插座10被实现为移动线路耦合器36(复式插座)。该实施例允许对负载单独进行绝缘故障定位，因为针对复式插座36的一个或多个槽集成绝缘故障定位。
作为根据本发明的实现为固定安装插座32的接地插座10的示例，图5示出了信号设备14被配置为欧米茄符号42形式的光学显示40，用于将所述插座标记为根据本发明的包括绝缘故障定位的接地插座10、32，并且因此将其与没有绝缘故障定位的常规插座区别开来。
图6至图8示出了如何在评估电子电路22中通过评估差分测量电流曲线Idm来评估差分电流测量结果，以同步根据本发明的绝缘监测设备4和接地插座10之间的绝缘故障信号通知。
由测量电压Um驱动的测量电流Im在测量电流变换器20的位置处，即在插座中，作为差分测量电流Idm来继续并且在阶段T1中在那里持续被测量。评估电子电路22测试差分测量电流Idm是否超过应用于无故障情况的差分电流阈值Idm1(峰间幅值)。如果在所述第一阶段T1中没有超过差分电流阈值Idm1，则光学显示40亮起绿色(图8)。
如果检测到的差分测量电流Idm超过差分电流阈值Idm1，则光学显示40在阶段T2变为作为预警的黄色闪烁显示(图8)。
一旦绝缘监测设备4检测到未接地电源系统2中的绝缘故障—基于其较长的评估时间—将要被相应编程的绝缘监测设备4将其内阻降低允许值，从而增加测量电流Im。作为检测到的差分测量电流Idm，测量电流Im因此超过第二差分电流阈值Idm2。阶段T3中的这种增加(测量电流的幅度调制)被认为是绝缘监测设备4的绝缘故障报告的标准，并且黄色闪烁的光学显示40变为稳定的黄色显示(图8)。
作为测量电流Im的幅值变化的替代或附加，检测到的测量电流Im的模式(测量电流的编码)的变化也可以引起从第二阶段T2转变到第三阶段T3。评估电子电路22通过相关计算测试差分测量电流曲线Idm的模式是否已从模式M1变为模式M2。如果检测到模式的变化，则光学显示40在阶段T3中变为稳定的黄色显示(图8)。

Claims (13)

1.一种未接地电源系统(2)中的用于绝缘故障定位的接地插座(10)，包括通过标准绝缘监测设备(4)将测量电压(Um)叠加在所述未接地电源系统(2)上用于确定所述未接地电源系统(2)的绝缘电阻(Rf)的绝缘监测，
所述接地插座(10)包括：
壳体(16)，具有电接触(17)，
信号设备(14)，用于发信号通知绝缘状态，以及
电流测量设备(12)，用于检测和评估差分电流(Id、Idm、Idf)，所述电流测量设备(12)具有测量电流变换器(20)和评估电子电路(22)，
其特征在于，
所述电流测量设备(12)被配置用于对由所述测量电压(Um)驱动的测量电流(Im)进行高分辨率检测和评估作为差分测量电流(Id、Idm)。
2.根据权利要求1所述的用于绝缘故障定位的接地插座(10)，
其特征在于，
所述电流测量设备(12)被配置为检测和评估以所述未接地电源系统(2)的电网频率流动的故障电流(If)作为差分故障电流(Id，Idf)。
3.根据权利要求1或2所述的用于绝缘故障定位的接地插座(10)，
其特征在于，
所述电流测量设备(12)是AC/DC敏感的。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于绝缘故障定位的接地插座(10)，
其特征在于，
所述电流测量设备(12)具有穿过所述测量电流变换器(20)的用于产生测试电流(It)的测试回路(15)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于绝缘故障定位的接地插座(10)，
其特征在于，
所述评估电子电路(22)被配置为评估差分测量电流曲线(Idm)，以便在所述绝缘监测设备(4)和用于绝缘故障定位的设备(10)之间建立同步绝缘故障信号通知。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于绝缘故障定位的接地插座(10)，
其特征在于，被实现为固定安装插座(32)、适配器插头(34)、或移动线路耦合器(36)。
7.一种未接地电源系统(2)中的用于绝缘故障定位的方法，包括通过标准绝缘监测设备(4)将测量电压(Um)叠加在所述未接地电源系统(2)上用于确定所述未接地电源系统(2)的绝缘电阻(Rf)的绝缘监测，所述方法包括在根据本发明的权利要求1至6中任一项所述的接地插座中执行的方法步骤：
通过具有测量电流变换器(20)和评估电子电路(22)的电流测量设备(12)检测和评估差分电流(Id、Idm、Idf)，
通过信号设备(14)发信号通知绝缘状态，
其特征在于，
通过所述电流测量设备(12)对由测量电压(Um)驱动的测量电流(Im)进行高分辨率检测和评估作为差分测量电流(Id、Idm)。
8.根据权利要求7所述的用于绝缘故障定位的方法，
其特征在于，
通过所述电流测量设备(12)检测和评估以所述未接地电源系统(2)的电网频率流动的故障电流(If)作为差分故障电流(Id，Idf)。
9.根据权利要求7或8所述的用于绝缘故障定位的方法，
其特征在于，
通过所述电流测量设备(12)进行的检测和评估是AC/DC敏感的。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的用于绝缘故障定位的方法，
其特征在于，还包括如下步骤：
产生通过测试回路(15)穿过所述电流测量设备(12)的测量电流变换器(20)的测试电流(It)。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的用于绝缘故障定位的方法，
其特征在于，还包括如下步骤：
通过所述评估电子电路评估差分测量电流曲线(Idm)，以便在所述绝缘监测设备(4)和用于绝缘故障定位的设备(10)之间同步绝缘故障信号通知。
12.根据权利要求11所述的用于绝缘故障定位的方法，
其特征在于，
所述差分测量电流曲线(Idm)通过检测所述差分测量电流(Idm)的幅度变化来评估。
13.根据权利要求11或12所述的用于绝缘故障定位的方法，
其特征在于，
所述差分测量电流曲线(Idm)通过检测所述差分测量电流(Idm)的模式(M1，M2)的变化来评估。
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