CN116027221A - 识别和定位不接地电源系统的周期性瞬时绝缘故障的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于识别和定位不接地电源系统中的周期性瞬时绝缘故障的方法和设备，该方法包括步骤：检测由瞬时绝缘故障造成的故障电流作为要监视的分支电路中的差分电流，并借助于差分电流传感器经由差分电流信号显示差分电流的时间进展；提供处理信号，其在时间上描述发生在消耗装置中的过程的过程序列；在计算单元中将差分电流信号与处理信号相关以便产生相关性信号作为差分电流信号与处理信号之间的时间匹配的测量；如果相关性信号示出时间匹配，那么借助于信令信号经由计算单元发信号通知瞬时绝缘故障。根据本发明的设备具有差分电流传感器和计算单元，从而可以实现根据本发明的方法。
Description
技术领域
本发明涉及用于识别和定位具有经由分支电路连接的消耗装置的不接地电源系统中的周期性瞬时绝缘故障的方法和设备。
背景技术
当对操作、防火和接触安全有更高要求时，采用不接地电源系统的网络形式，也称为绝缘网络(法语：isoléterre-IT)或IT系统。
在这种类型的电源系统中，网络的有源部分与地电位分离–与地绝缘—或经由高阻抗连接到地。
这些网络的优点是，当发生第一绝缘故障(第一故障)(诸如接地故障或接触故障)时，所连接的电力消耗装置的功能不会受到影响，因为由于理想情况下网络的有源导体与地之间的无限大阻抗值，故障电流电路不能闭合。
不接地电源系统的这种固有安全性因此可以确保向消耗装置连续供给电力，该电力由不接地电源系统馈电，即使发生第一绝缘故障也是如此。
因此，必须不断地监视不接地电源系统对地的电阻(绝缘电阻—在发生故障时也称为绝缘故障电阻或故障电阻)，因为由于另一个有源导体处的可能第二故障可能会出现故障回路并且流动的故障电流以及过电流保护设备将造成装备停机，从而导致运行停止。
在不接地电源系统的绝缘状态由符合标准IEC61557-8的绝缘监视设备(IMD)不断地监视的情况下，不接地电源系统的运行可以在没有规定时间限制的情况下继续，即使发生了第一故障也是如此；但是，推荐尽可能快地排除第一故障。
为了履行快速排除第一故障的要求，绝缘故障定位系统(IFLS)的使用—如产品标准IEC61557-9中所述—表示技术水平，特别是在具有多个分支电路的扩展的、广泛分支的不接地电源系统方面。
绝缘故障定位系统主要包括测试电流发生器和几个测试电流传感器，它们大多被实现为测量电流互感器并且连接到绝缘故障定位系统的评估单元以评估测量信号。
如果绝缘监视设备在不接地电源系统中识别出第一绝缘故障，那么通过测试电流发生器生成测试电流并将其馈送到位于一个或多个有源导体和地之间的中心位置处的不接地电源系统来开始搜索绝缘故障。测试电流电路变得闭合，其中测试电流从测试电流发生器经由带电的有源导体、绝缘故障和接地连接流回测试电流发生器。
故障电流经由检测测试电流来定位，该测试电流可以经由测试电流传感器在不接地电源系统中检测到。为此，每个要监视的分支电路都有固定指派的测试电流传感器，这意味着可以追踪测试电流的路径。测试电流传感器到分支电路的这种已知指派有助于定位故障电流。
迄今为止无法令人满意地解决网络形式IT系统的工业使用中的问题包括既不能根据当前的技术水平可靠地识别具有标准化绝缘监视设备的装备和机器中的定期重复(周期性)和仅瞬时绝缘故障，也不能根据当前的技术水平使用标准化绝缘故障定位系统令人满意地定位这些绝缘故障。
即使是具有低泄漏电容的小型IT系统中的高度响应绝缘监视设备也需要几秒钟范围内的测量时间才能确定绝缘电阻。即使是高度响应的绝缘故障定位系统也需要几分钟范围内的时间来定位故障分支电路。
造成持续时间从几毫秒到几百毫秒的周期性，即，定期重复(取决于过程，甚至每小时只有一次或更罕见)，以及因此瞬时发生的故障电流的绝缘故障通常被典型的绝缘监视设备和/或绝缘故障定位系统视为寄生干扰，因此受到抑制。由于转换器系统通常特别用在工业IT系统中，因此使用绝缘监视设备和绝缘故障定位系统无法将运行干扰与所讨论的周期性和瞬时绝缘故障区分开来。如果没有与现有技术对应的干扰抑制，那么监视和定位系统将因此不断地输出故障警报并且因此不能在工业环境中使用。
由于在IT系统的第一故障期间固有的持续运行，所讨论的周期性和瞬时绝缘故障(诸如它们经由用于生产装备的一部分的供电电缆发生，该电缆取决于过程并且周期性地被拖过接地和导电金属零件)通常不会影响生产过程数月。因此，这种绝缘故障暂时无法识别。
但是，在IT系统中总是存在寄生的网络泄漏电容的再充电过程在这些周期性和瞬时绝缘故障中的每一个期间导致(故障)电流流动，并因此导致固体绝缘件在故障位置的环境中的附加的电和热应力。
因此，在很长一段时间内，预计故障位置处的电绝缘件性能会逐渐退化，并且由于装备的另一个零件中的第二绝缘故障，整个电源系统被过电流保护设备停机的风险增加。但是，这种特定情况是应该通过使用网络形式的IT系统来防止的。
通过使用现有技术中已知的绝缘监视设备和绝缘故障定位系统，因此随着经由所讨论的周期性和瞬时绝缘故障的退化的增加，由于绝缘电阻的下降(sinking)而检测到故障分支变得越来越有可能。但是，故障状态保持未被检测到的时间越长，整个装备的电源自动停机的可能性就越大，因为装备的另一个零件中发生了第二故障。这需要被防止。
在根据现有技术配备有绝缘监视设备和绝缘故障定位系统的IT系统中，被设置具有对应灵敏特点的过电流保护设备可以停机具有相当数量分支电路的广泛分支IT系统中的故障分支电路，因此在阻抗几乎可以忽略不计的瞬时绝缘故障期间具有巨大的网络泄漏电容。当使用根据现有技术的绝缘监视设备和绝缘故障定位系统时，这种停机是否真的可靠地发生以及它是否会比绝缘故障的识别更早发生取决于大量装备参数，因此只能困难地进行估计。
还可以想到使用残余电流设备(RCD、MRCD)进行故障保护，以识别周期性和瞬时绝缘故障。
IT系统中足够大的网络泄漏电容和低阻抗瞬时绝缘故障与合适选择的触发灵敏度的残余电流设备的组合会导致故障分支电路的停机。这种组合的设计需要付出很大的努力才能实现，但是，这意味着由于干扰(诸如由于转换器操作)而导致的故障停机被最小化。由于工业领域中发生的负载电流改变会对残余电流设备产生干扰影响，因此大多避免在转换器环境中使用。
快速检测网络和地之间的位移电压以识别接地故障刮水器也是已知的。但是，这种方法不能发现故障分支电路，并且位移电压的唯一准则会导致不想要的故障警报。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种用于识别和定位不接地电源系统中的周期性和瞬时绝缘故障的方法和设备。
这个目的通过用于识别和定位具有经由分支电路连接的消耗装置的不接地电源系统中的周期性瞬时绝缘故障方法来实现，该方法包括：检测由瞬时绝缘故障造成的故障电流作为要监视的分支电路中的差分电流，并借助于差分电流传感器经由差分电流信号显示差分电流的时间进展；提供处理信号，该处理信号在时间上描述发生在消耗装置中的过程的过程序列；在计算单元中将差分电流信号与处理信号相关，以便产生相关性信号作为差分电流信号与处理信号之间的时间匹配的测量；如果相关性信号示出时间匹配，那么借助于信令信号经由计算单元发信号通知瞬时绝缘故障。
本发明的基本构思是基于将足够灵敏的差分电流传感器的差分电流信号与描述过程序列的处理信号相关，这些差分电流传感器安装在分支式不接地电源系统的要监视的每个分支电路中，以便可靠地识别周期性和瞬时绝缘故障的干扰并能够安全地将这些干扰与其他寄生干扰区分开来。该过程可以是消耗装置中发生的任何过程，诸如生产或制造过程，其与一定的过程序列(过程周期)和可检测的过程参数或控制信号有关。
为此，与过程序列无关，差分电流传感器设置在分支式不接地电源系统的要监视的每个分支电路中，以便检测由于绝缘故障而在分支电路中流动并作为差分电流经由要监视的分支电路流动的故障电流。这个差分电流的时间序列由对应的差分电流传感器以差分电流信号的形式显示并转发给计算单元。
同时，提供了处理信号，该处理信号描述该过程内并因此在时间上与该过程相关的特定过程序列。
对于根据本发明的计算单元中的进一步处理，差分电流信号和处理信号因此是可用的。在计算单元中，差分电流信号与处理信号相关，以测试两个信号的相似性。为此，形成相关性信号作为时间匹配的测量，以便识别是否存在两个信号的时间同步性，例如，经由同时出现的模式序列。
如果相关性信号示出差分电流信号与处理信号之间的时间匹配，即，如果两个信号具有高度相似性，那么计算单元因此发信号通知存在瞬时绝缘故障。由于已经生成在相关性中考虑的差分电流信号的差分电流传感器到分支电路的指派是已知的，因此故障分支电路被定位。
有利地，该方法在工业应用中最普遍有效，而无需密切观察系统参数(诸如网络泄漏电容的尺寸)。
根据本发明，因此与现有技术相比，预期更少的虚假停机和更少的意外总装备故障。
在另一个有利的实施例中，借助于传感器设备通过检测与过程相关的过程参数并通过显示过程参数的时间进展来生成处理信号。
连接的消耗装置经由不接地电源系统被供以能量。在消耗装置中发生的过程本身与过程参数的时间进展有关。这些过程参数(诸如作为消耗装置电连接的机器的负载电流进展或连接的操作部件的可移动零件的运动序列)借助于传感器设备被检测并经由处理信号以它们的时间进展显示。这个处理信号在与差分电流信号的相关性计算中被考虑在内。
用于提供处理信号的传感器技术与用于测试差分电流信号与处理信号之间的同步性的相关性计算相结合使得能够可靠地区分瞬时干扰事件(诸如它们发生在转换器操作中)与要检测的周期性绝缘故障，尽管它们只是瞬时发生。
有利地，检测描述过程序列的物理变量或从其导出的变量。
一般而言，表示处理信号的过程参数可以是在它们的时间进展中可测量的任何物理变量。作为被观察过程的类型的函数，特别是负载电流(负载电流信号)或电压的检测以及可测量的机械或几何变量(诸如质量、长度、角度或压力模式)被认为是电变量。运动信号可以作为处理信号特别是从可移动零件随时间的运动序列导出。而且，还可以使用合适的传感器设备将诸如温度之类的热力学变量或诸如光强度之类的光学变量评估为处理参数，以经由处理信号显示时间进展。
此外，操作过程序列的控制信号被关联为处理信号。
作为由传感器设备生成的处理信号的补充或替代，操作处理序列的控制信号直接由过程序列控制系统(不包括在本发明中)用作处理信号。在这种情况下，传感器设备是可有可无的并且由处理序列控制系统提供的控制信号作为处理信号被包括在与差分电流信号的相关性计算中。控制信号优选地包含关于过程序列的数字信息。
此外，在不接地电源系统的有源导体与地之间的位移电压的时间进展借助于电压测量设备被检测为位移电压信号并且在计算单元中与差分电流信号相关。
如果电源系统在受干扰的系统环境中操作，例如在转换器操作中，那么可以附加地检测一个或多个导体对地的位移电压，以便通过将位移电压信号包括在相关性计算中来增加抗干扰性。改进的干扰行为与将负载电流进展检测为处理信号相结合会影响以下发现：与负载电流进展相关但与位移电压进展不相关的差分电流信号很可能是干扰信号；与位移电压相关但与负载电流的进展不相关的差分电流信号很可能基于瞬时绝缘故障。
通过将差分电流信号与描述要监视的装备零件(要监视的消耗装置)的过程序列的处理信号相关，并且如果需要，通过附加地将差分电流信号与负载电流和位移电压的进展链接，确保受周期性和瞬时绝缘故障影响的分支电路可以被可靠地识别和定位。
本发明还通过一种用于识别和定位不接地电源系统中的周期性瞬时绝缘故障的设备来实现，该设备具有经由分支电路连接的根据本发明的消耗装置，该设备具有差分电流传感器，其用于检测由瞬时绝缘故障造成的故障电流作为要监视的分支电路中的差分电流并用于经由差分电流信号显示差分电流的时间进展，其特征在于计算单元，其被配置用于接收处理信号，该处理信号在时间上描述发生在消耗装置中的过程的过程序列；用于将差分电流信号与处理信号相关，以便产生相关性信号作为差分电流信号与处理信号之间的时间匹配的测量；如果相关性信号示出时间匹配，那么借助于信令信号发信号通知瞬时绝缘故障。
根据本发明的设备的要求保护的结构特征实现了根据本发明的方法的对应方法步骤。因此，使用该方法获得的技术效果和由此产生的优点同等地属于该设备。
其他有利的实施例特征从以下描述和附图中得出，这些描述和附图使用示例描述本发明的优选实施例。
附图说明
图1示出了根据本发明的方法序列，
图2示出了根据本发明的用于识别和定位不接地三相(3AC)电源系统中的周期性瞬时绝缘故障的设备，以及
图3示出了根据本发明的用于识别和定位不接地直流电压(DC)电源系统中的周期性瞬时绝缘故障的设备。
具体实施方式
对于具有连接的消耗装置6作为其基础的不接地电源系统2，图1示出了根据本发明的用于识别和定位周期性瞬时绝缘故障的方法的方法步骤S1至S4之间的交互。
在步骤S1中，在要监视的分支电路4中检测出差分电流ΔI，并将其借助于差分电流传感器12作为差分电流信号Id转发给计算单元16。
同时在步骤S2中，在消耗装置6中发生的过程的过程参数8借助于传感器设备14被检测并且还作为在其时间进展中的处理信号Ip被传输到计算单元16。作为补充或替代处理信号Ip，计算单元16可以直接从过程序列控制系统7接收控制信号Ix。
在步骤S3中，在计算单元16中将差分电流信号Id与处理信号Ip相关(与其比较)以识别时间进展在多大程度上示出匹配(相似性)，即，具有时间同步性。为此，计算相关性信号Ic并且，如果相关性信号Ic示出差分电流信号Id与处理信号Ip之间的时间匹配，例如，通过具有明显最大值的某些阈值或信号模式，那么生成信令信号Is，作为两个信号的相似性的测量。
在图2中，根据本发明的用于识别和定位周期性瞬时绝缘故障Rf的设备10在功能框图中示出。
作为用于应用本发明的系统环境，一般假定单相或多相IT系统2。图2示出了具有有源导体L1、L2、L3和分支电路4的三相不接地电源系统2，这些分支电路4要被监视并且消耗装置6连接到这些分支电路。
差分电流传感器12检测分支电路4中的差分电流ΔI并生成被供给计算单元16的差分电流信号Id。
过程序列控制系统7(不是本发明的一部分)控制在消耗装置6中发生的过程，过程参数8借助于传感器设备14通过监视差分电流ΔI被同时检测。传感器设备14生成处理信号Ip，它与检测到的参数8的时间进展对应并且被转发到计算单元16。
传感器设备14可以是用于测量负载电流作为过程参数8的电流测量设备，例如用于借助于电机操作的物理或化学过程，或者是用于检测机械过程的运动序列的运动传感器。此外，光学和声学传感器设备14，特别是关于预防性维护，也可能用于测量另外的物理变量。
作为处理由传感器设备14生成的信号Ip的补充或替代，模拟或数字信息经由操作过程序列的处理信号Ix直接从过程序列控制系统7供给计算单元16。
在计算单元16中，差分电流信号Id与所供给的处理信号Ip中的至少一个相关，并且作为结果计算相关性信号Ic。
如果相关性信号Ic示出差分电流信号Id与处理信号Ip之间的时间匹配，例如以同步伪影或同时出现周期性的形式，那么经由信令信号Is发信号通知瞬时绝缘故障Rf。
在检测到负载电流信号作为处理信号Ip的情况下，可以借助于电压测量设备20附加地检测一个或多个有源导体L1、L2、L3与地PE之间的位移电压ULx，并将其转发到计算单元16作为位移电压信号Uv，以便使得有可能通过将位移电压信号Uv与另一个相关性计算考虑在内更可靠地检测周期性瞬时绝缘故障Rf。
图3示出了根据本发明的用于检测和定位周期性瞬时绝缘故障Rf的设备10，其与具有有源导体L+和L-的不接地直流电压电源系统2相结合。根据本发明的设备10的电路结构以与图2相同的方式实现。差分电流传感器12除了适用于检测直流差分电流ΔI外，还被配置用于检测直流差分电流ΔI以导出差分电流信号Id。
Claims (10)
1.一种用于识别和定位具有经由分支电路(4)连接的消耗装置(6)的不接地电源系统(2)中的周期性瞬时绝缘故障(Rf)的方法，所述方法包括步骤：
检测(S1)由所述瞬时绝缘故障(Rf)造成的故障电流作为要监视的所述分支电路(4)中的差分电流(ΔI)，并借助于差分电流传感器(12)经由差分电流信号(Id)显示所述差分电流(ΔI)的时间进展，
其特征在于
提供处理信号(Ip)，所述处理信号(Ip)在时间上描述发生在所述消耗装置(6)中的过程的过程序列，
在计算单元(16)中将所述差分电流信号(Id)与所述处理信号(Ip)相关(S3)以便产生相关性信号(Ic)作为所述差分电流信号(Id)与所述处理信号(Ip)之间的时间匹配的测量，
如果所述相关性信号(Ic)示出所述时间匹配，那么借助于信令信号(Is)经由所述计算单元(16)发信号通知所述瞬时绝缘故障(Rf)。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于
所述处理信号(Ip)是借助于传感器设备(14)通过检测(S2)与所述过程相关的过程参数(8)并通过显示所述过程参数(8)的时间进展来生成的。
3.根据权利要求2所述的方法，
其特征在于
描述所述过程序列的物理变量或从其导出的变量被检测为所述过程参数(8)。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，
其特征在于
引导所述过程序列的控制信号(Ix)被关联为所述处理信号(Ip)。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，
其特征在于
作为残余电压信号(Uv)，所述不接地电源系统(2)的有源导体(L1，L2，L3)与地(PE)之间的位移电压(ULx)的时间进展借助于电压测量设备(20)来检测并在所述计算单元(16)中与所述差分电流信号(Id)相关。
6.一种用于识别和定位具有经由分支电路(4)连接的消耗装置(6)的不接地电源系统(2)中的周期性瞬时绝缘故障(Rf)的设备(10)，
所述设备(10)具有差分电流传感器(12)，其用于检测(S1)由所述瞬时绝缘故障(Rf)造成的故障电流作为要监视的所述分支电路(4)中的差分电流(ΔI)并用于经由差分电流信号(Id)显示所述差分电流(ΔI)的时间进展，
其特征在于
计算单元(16)，其被配置用于接收处理信号(Ip)，所述处理信号(Ip)在时间上描述发生在所述消耗装置(6)中的过程的过程序列；用于将所述差分电流信号(Id)与所述处理信号(Ip)相关(S3)以便产生相关性信号(Ic)作为所述差分电流信号(Id)与所述处理信号(Ip)之间的时间匹配的测量；以及如果所述相关性信号(Ic)示出所述时间匹配，那么借助于信令信号(Is)发信号通知瞬时绝缘故障(Rf)。
7.根据权利要求6所述的设备，
其特征在于
传感器设备(14)，其通过检测(S2)与所述过程相关的过程参数(8)并通过显示所述过程参数(8)的时间进展来生成所述处理信号(Ip)。
8.根据权利要求7所述的设备，
其特征在于
所述传感器设备(14)被配置用于检测(S2)描述所述过程序列的物理变量或从其导出的变量作为所述过程参数(8)。
9.根据权利要求6至8中的任一项所述的设备，
其特征在于
所述处理信号(Ip)是操作所述过程序列的控制信号(Ix)。
10.根据权利要求6至9中的任一项所述的设备，
其特征在于
电压测量设备(20)，用于检测所述不接地电源系统(2)的有源导体(L1，L2，L3)与地(PE)之间的位移电压(ULx)的时间进展作为位移电压信号(Uv)，其在所述计算单元(16)中与所述差分电流信号(Id)相关。
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