CN117388576A - 用于确定不接地供电系统中支路绝缘电阻和支路泄漏电容的方法及电路布置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定具有有源导体的支路不接地供电系统中待监控的线路支路的支路绝缘电阻和支路泄漏电容的方法和电路布置，通过可控测量电压源集中馈送测量电压，并且通过电流传感器记录待监控的线路支路中由测量电压引起的剩余电流。集中供应的测量电压在发电机周期上形成，具有经由频率成分定义的特征信号形式。通过测量电压的此(频率)调制，信息从测量电压的中央馈电位置传输到设置在待监控的线路支路中的电流传感器。基于此信息，电流传感器可以确立耦合电路用哪个电阻值在相应的发电机周期中馈送测量电压，而不需要另一个通信信道。

Description

用于确定不接地供电系统中支路绝缘电阻和支路泄漏电容的 方法及电路布置

技术领域

本发明涉及通过可控测量电压源生成测量电压，通过每个有源导体中的耦合电路将测量电压馈送到供电系统的中心位置，并通过电流传感器记录待监控的线路支路中记录由测量电压引起的剩余电流来确定具有有源导体的支路不接地供电系统中待监控的线路支路的支路绝缘电阻和支路泄漏电容的方法和电路布置。

背景技术

对于电力装置的操作、消防和接触安全要求的增加，使用不接地供电系统的网络配置，也称为绝缘网络(法语：isoléterre-IT)或IT(供电)系统。在此类供电系统中，有源部分与地电位对地是分开的。这些网络的优点在于，当绝缘故障诸如接地故障或触摸故障发生时，连接的电力用户的功能不会受到损害，因为由于网络的有源导体与地之间理想无限大的阻抗值，电流电路不能闭合。

因此，不接地供电系统的这种固有安全性可以确保即使在第一次绝缘故障发生时，也能确保由不接地供电系统馈送的用户的持续供电。

因此，不接地供电系统对地的电阻(绝缘电阻——在发生故障的情况下，也称为绝缘故障电阻或故障电阻)将被持续监控，因为故障回路将经由另一个有源导体上可能的其他故障而产生，并且流动的故障电流与过流保护设备一起将导致装置关闭，导致运行停滞。

如果通过绝缘监控设备对不接地供电系统的绝缘状态进行连续监控，则即使发生第一次故障，不接地供电系统也可以不受时间限制地继续运行。

为了监控绝缘电阻，使用绝缘监控设备。根据产品标准IEC61557-8，现有技术中已知的绝缘监控设备确定整个IT系统对地的(总)绝缘电阻。绝缘监控设备连接在一方面有源导体与另一方面地之间，并在网络上叠加测量信号。当绝缘故障发生时，测量电路经由绝缘故障在网络和地之间闭合，意味着根据绝缘故障设置测量电流。此测量电流在绝缘监控设备的测量的电阻处引起相应的电压降，电压降由电子器件评估，并在超过预设阈值时导致发出告警通知。

根据标准配置的绝缘监控设备考虑在所有有源导体上对称分布的欧姆泄漏作为绝缘故障，以及不对称绝缘故障诸如在单个有源导体上产生的绝缘故障。

除了能够确定绝缘电阻外，市场上现有的绝缘监控设备还能够确定不接地供电系统对地的(总)(网络)泄漏电容。与表示泄漏阻抗的欧姆部分的绝缘电阻类似，泄漏电容表示对地泄漏的电容部分。(总)泄漏电容是整个IT系统对地的所有泄漏电容之和。

因此，通常情况下，绝缘电阻的确定和泄漏电容(如果适用)的确定是使用中央布置的绝缘监控设备来执行的，并涉及整个不接地供电系统。

为了能够对支路不接地供电系统的绝缘状态作出区分要求，并且能够更快速地定位绝缘故障(如果需要)，对于供电系统的此特定线路支路(线路出口)，需要选择性地获取线路支路中有效的支路绝缘电阻和/或支路泄漏电容的信息。

从用于检测部分绝缘电阻和部分泄漏电容的现有技术已知不同的解决方案。

DE102017217473B3公开了一种方法，该方法假定经由中央设置的增强型绝缘监控设备对总绝缘电阻和总网络泄漏电容进行连续的计量确定，以确定部分绝缘电阻和部分网络泄漏电容。

在DE102014223287A1公开的电气保护设备中，在线路支路中可以选择性地识别第二故障；然而，这需要在馈送位置和设置在待监控线路支路中的测量电流互感器之间的通信信道。

在DE102013218836A1中公开了用于监控子系统绝缘电阻的另一种选择；然而，测量电流不是集中提供的，测量电流被限制到相应的线路支路，而不是外围流动。

因此，对支路选择性R/C确定的以下要求是从先前提到的现有技术中已知的解决方案得出的，确定的执行通常需要技术上复杂的措施，诸如

a)来自其他线路支路或中央测量设备的检测参数的通信；

b)电压测量，集中地，连接到通信设备，或者在每个线路支路中外围地；

c)评估设备中整个网络拓扑的配置。

特别地，集中供电的测量设备和待监控线路支路之间的通信的选择通常与电路方面的相当努力有关。

发明内容

因此，本发明的目的是指示一种用于确定支路不接地供电系统中线路支路的支路绝缘电阻和支路泄漏电容的方法和电路布置，该电路布置不依赖于待监控线路支路中设置的电流传感器和中央测量电压馈送之间的连续通信连接。

此目的是通过权利要求1的特性特征并结合权利要求1中前序的特征的方法来实现的。

本发明基于这样的基本思想：形成具有由发电机周期内的频率成分定义的特征信号形式的生成的和中央馈送的测量电压，可能的信号形式对于外围布置的电流传感器是已知的并由其解释。

基于测量电压的此(频率)调制，信息从测量电压的中心馈送位置传输到设置在待监控线路支路中的电流传感器。根据此信息，电流传感器可以检测耦合电路在相应的发电机周期内以哪个电阻值馈送测量电压，而无需另一个通信信道。

电流传感器结合由测量电压引起的剩余电流的记录以及存储在电流传感器中的数据处理所有的信息，以便计算支路绝缘电阻和支路泄漏电容。

测量电压由第一频率成分和第二频率成分经由发电机周期交替形成。

第一频率成分通过使用开关单元可切换的耦合电路经由第一耦合电阻馈送(在发电机周期内)，并且第二频率成分经由第二耦合电阻馈送(在随后的发电机周期内)。这两种频率成分被每个发电机周期交替地馈送。

测量电压以第一频率成分的信号形式馈送，并且因此，由此引起并由电流收集器记录的剩余电流的记录与第一耦合电阻的应用相关联，第二频率成分的馈送相应地与第二耦合电阻的应用相关联。

在电流传感器的数据存储器中，存储第一耦合电阻的值和第二耦合电阻的值以及第一频率成分的频谱成分和第二频率成分的频谱成分。由于电流传感器的此配置，除了两个耦合电阻外，电流传感器还熟悉形成测量电压的电压部分的幅度。

在计算单元中，电流传感器在随后的两个发电机周期上对剩余电流执行频率分析，以识别当前正在馈送(两个)频率成分中的哪个。

当前切换的耦合电阻由电流传感器已知的识别的频率成分到相应的耦合电阻的分配来确定。

然后，在计算单元中根据测量的剩余电流、测量电压、(第一和第二)频率成分中包含的频率以及(第一和第二)耦合电阻计算支路绝缘电阻和支路泄漏电容。

基于测量和配置已知的随后两个发电机周期内有效的变量，可以建立方程组，根据该方程组将支路绝缘电阻和支路泄漏电容建立为所需变量。

根据本发明，可以独立于剩余网络组件计算支路绝缘电阻和支路泄漏电容的所有信息因此对计算单元可用。

与测量电压的中心馈送结合，支路绝缘电阻和支路泄漏电容由根据本发明的测量电压的频率形成和根据本发明的配置的电流传感器来确定，而无需与中央布置的绝缘监控设备或中央布置的(绝缘故障定位设备的)测试发电机的任何其他通信连接或数据连接。

在另一个实施例中，第一频率成分和第二频率成分各自包含至少两个频率(频率部分)，第一频率成分与第二频率部分在至少一个频率上不同。

第一频率成分必须在至少一个频率上与第二频率成分不同，以便提供对相应的、当前切换的耦合电阻的明确分配。另一方面，必须有足够数量的方程来求解确定支路绝缘电阻和支路泄漏电容的方程组。当第一频率成分和第二频率成分各自由至少两个用于形成和交替馈送测量电压的频率成分组成时，提供这一点。

为了增加对干扰效应的鲁棒性，也可以用多于两个频率组成频率成分。

此外，选择频率成分中包含的频率使得它们的周期作为整数倍包含在发电机周期中。

优选地，测量电压为绝缘监控设备的测量脉冲电压或绝缘故障定位设备的测试电压。

与中央绝缘监控设备或绝缘故障定位设备结合，可以通过组合频率成分来形成测量电压，使此测量电压满足由绝缘监控设备生成的测量信号的要求，并且从而在整个网络的绝缘监测期间或在定位绝缘故障时可以连续测量支路绝缘电阻和支路泄漏电容。

以有利的方式，通过配置为测量电流互感器的电流传感器来记录剩余电流。

本发明的目的也通过根据权利要求6的电路布置来实现。

根据本发明的电路布置的所要求的结构特征导致根据本发明的用于确定支路绝缘监控电阻和支路泄漏电容的方法的相应方法步骤。

因此，使用方法获得的技术效果和由此得到的优势同样适用于电路布置。

附图说明

从下面的描述和附图得出进一步的有利实施例，其通过示例更进一步详细地描述本发明的优选实施例。

图1示出了具有根据本发明的电路布置的支路不接地供电系统，

图2示出了测量电压的形状，以及

图3示出了用于计算支路绝缘电阻和支路泄漏电容的等效电路图。

具体实施方式

图1示出了具有根据本发明的电路布置10的支路不接地供电系统2。在具有有源导体L1和L2的单相、不接地交流电压供电系统2(不是本发明的一部分)的应用环境中示例地示出电路布置10。同样，作为另一种应用环境，支路不接地供电系统2可以是多相交流电压供电系统或直流电压供电系统。

在图示中，将供电系统2分为待监控的线路支路4和剩余的供电系统5(主系统有其他线路支路，没有被监控的线路支路4)。

待监控的线路支路4的每个有源导体L1、L2对地PE具有部分绝缘电阻Rzi和部分泄漏电容Czi。

剩余供电系统5对地PE具有部分绝缘电阻Rni和部分泄漏电容Cni。

供电系统2由具有供电电压Uv的电源3馈电。

根据本发明的电路布置10包括可控测量电压源12和耦合电路14以及设置在待监控的线路支路4中的电流传感器20，耦合电路14使供电系统2在中心位置处经受测量电压Um。

耦合电路14被配置为通过开关单元16可切换，如图所示，对于每个有源导体L1、L2分开的对称耦合，使得当经由控制线S控制开关单元16时，可以在有源导体L1、L2上同步切换第一耦合电阻Ra1或第二耦合电阻Ra2。在本示例性实施例中，第二耦合电阻Ra2由具有另一电阻的第一耦合电阻Ra1的串联(整体形成)而形成。

在待监控的线路支路4中，布置电流传感器20，其记录和评估与测量电压Um成比例的剩余电流Iz。为此目的，电流传感器20具有计算单元22和数据存储器26。优选地，电流传感器20被形成为测量电流互感器24(具有环形线圈的电流互感器)。

图2示出了测量电压Um的形状。

交替地，在发电机周期P内生成第一频率成分F1，以及在随后的发电机周期P内生成第二频率成分F2，生成的第一频率成分F1和第二频率成分F2分别经由第一耦合电阻Ra1和第二耦合电阻Ra2集中馈送到供电系统2。

例如，第一频率成分F1和第二频率成分F2各自由两个频率部分叠加，第一频率成分F1在至少一个频率上不同于第二频率成分F2。

频率成分F1和F2中包含的频率的周期被选择为使得它们作为整数倍适合发电机周期P。在发电机周期P的持续时间期间，测量电压Um以第一频率成分F1的形式经由第一耦合电阻Ra1耦合到供电系统2。在此发电机周期P结束后，开关单元16切换到第二耦合电阻Ra2的值，并在随后的发电机周期P期间应用频率成分F2作为测量电压Um。

发电机周期P的持续时间有利地根据供电系统2的网络参数(总绝缘电阻、总泄漏电容)进行调整，频率成分F1和F2中包含的频率的周期能够被相应地缩放。

待监控的线路支路4中的电流传感器20记录的剩余电流Iz与数据存储器26一起被评估。为此目的，计算单元22在随后的两个发电机周期P上执行剩余电流Iz的频率分析，例如基于傅里叶变换，以确定在相应的发电机周期P中当前提供的哪个频率成分F1，F2。因此，从已知频率成分F1、F2到相应的耦合电阻Ra1，Ra2的分配检测当前切换的耦合电阻-第一耦合电阻Ra1或第二耦合电阻ra2，其中已知频率成分F1、F2从电流传感器20已知。

图3示出了用于计算支路绝缘电阻Rz和支路泄漏电容Cz的等效电路图。

为此目的，将图1中所示的待监控的线路支路4的单个有源导体L1、L2的部分绝缘电阻Rzi和部分泄漏电容Czi以简化的方式总结为支路绝缘电阻Rz和支路泄漏电容Cz。类似地，将剩余供电系统5的部分绝缘电阻Rni和部分泄漏电容Cni总结为剩余绝缘电阻Rn和剩余泄漏电容Cn以及耦合电阻。

待监控的线路支路4的复电阻(阻抗)Zz从支路绝缘电阻Rz和支路泄漏电容Cz的并联电路得出。

同样，剩余供电系统5的阻抗Zn从剩余绝缘电阻Rn和剩余泄漏电容Cn的并联电路得出。

利用线性网络中适用的定律，并且应用Kirchhoff定律，可以建立剩余绝缘电阻Rn、支路绝缘电阻Rz以及剩余泄漏电容Cn以及支路泄漏电容Cz四个未知变量的方程组。为此目的，通过电流传感器20测量剩余电流Iz，而测量电压Um，其频率成分和相应的主动切换的第一和第二耦合电阻Ra1、Ra2是已知的。

此方程组可由第一耦合电阻Ra1、第二耦合电阻Ra2和频率成分F1、F2中包含的两个已知频率ω1、ω2组成的四种组合来求解。

为了获得频率成分F1，F2对耦合电阻Ra1，Ra2的可靠分配，应用多于两个所需频率ω1，ω2可以是有利的。

变量剩余绝缘电阻Rn和剩余泄漏电容Cn，特别是想要的支路绝缘电阻Rz和想要的支路泄漏电容Cz可以从方程组中解析地检测。

Claims (10)

1.一种用于确定具有有源导体(L1、L2)的支路不接地供电系统(2)中待监控的线路支路(4)的支路绝缘电阻(Rz)和支路泄漏电容(Cz)的方法，所述方法包括以下步骤：

通过可控测量电压源(12)生成测量电压(Um)；

通过耦合电路(14)在供电系统(2)的中心位置向每个有源导体(L1、L2)馈送测量电压(Um)；

通过电流传感器(20)记录待监控的线路支路(4)中由测量电压(Um)引起的剩余电流(Iz)，

其特征在于：

测量电压(Um)分别由第一频率成分(F1)和第二频率成分(F2)交替地形成发电机周期(P)；

第一频率成分(F1)通过使用开关单元(16)可切换的耦合电路(14)经由第一耦合电阻(Ra1)馈送，以及第二频率成分(F2)经由第二耦合电阻(F2)馈送；

第一耦合电阻(Ra1)的值以及耦合电阻(Ra2)的值以及第一频率成分(F1)的频谱成分和第二频率成分(F2)的频谱成分存储在电流传感器(20)的数据存储器(26)中；

电流传感器(20)在计算单元(22)中在随后的两个发电机周期(P)中执行剩余电流(Iz)的频率分析，以便识别当前馈送的频率成分(F1，F2)；

在计算单元(22)中从所识别的频率成分(F1，F2)到相应的耦合电阻(Ra1，Ra2)的分配而确定当前切换的耦合电阻(Ra1，Ra2)；

在计算单元中从测量的剩余电流(Iz)、测量电压(Um)、频率成分(F1、F2)中包含的频率和耦合电阻(Ra1、Ra2)计算支路绝缘电阻(Rz)和支路泄漏电容(Cz)。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于：

第一频率成分(F1)和第二频率成分(F2)各自包含至少两个频率(ω1、ω2)，第一频率成分(F1)与第二频率成分(F2)在至少一个频率上不同。

3.根据权利要求1或2所述的方法，

其特征在于：

频率成分(F1，F2)中包含的频率被选择为使得它们的周期作为整数倍包含在发电机周期(P)中。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，

其特征在于：

测量电压(Um)为绝缘监控设备的测试脉冲电压或绝缘故障定位设备的测试电压。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，

其特征在于：

通过被配置为测量电流互感器的电流传感器记录剩余电流(Iz)。

6.一种用于确定具有有源导体(L1、L2)的支路不接地供电系统(2)中待监控的线路支路(4)的支路绝缘电阻(Rz)和支路泄漏电容(Cz)的电路布置(10)，所述电路布置包括：

用于生成测量电压(Um)的可控测量电压源(12)，

耦合电路(14)，用于在供电系统(2)的中心位置向每个有源导体(L1，L2)馈送测量电压(Um)，

电流传感器(20)，用于记录由测量电压(Um)在待监控的线路支路(4)中引起的剩余电流，

其特征在于：

可控测量电压源(12)被配置为在发电机周期(P)上交替地形成具有第一频率成分(F1)和具有频率成分(F2)的测量电压(Um)，

耦合电路(14)被设计为通过开关单元(16)可切换，并且具有用于供应第一频率成分(F1)的第一耦合电阻(Ra1)和用于供应第二频率成分(F2)的第二耦合电阻(Ra2)，

电流传感器(20)具有数据存储器(26)，在数据存储器(26)中存储第一耦合电阻(Ra1)的值和第二耦合电阻(Ra2)的值以及第一频率成分(F1)的频谱成分和第二频率成分(F2)的频谱成分，

电流传感器(20)具有计算单元(22)，计算单元(22)被配置为

在随后的两个发电机周期(P)上执行剩余电流(Iz)的频率分析，以识别当前馈送哪个频率成分(F1，F2)，

从已识别的频率成分(F1，F2)到相应的耦合电阻(Ra1，Ra2)的分配，确定当前切换的耦合电阻(Ra1，Ra2)，以及

从测量的剩余电流(Iz)、测量电压(Um)、频率成分(F1、F2)中包含的频率(ω1、ω2)和耦合电阻(R1、R2)计算支路绝缘电阻(Rz)和支路泄漏电容(Cz)。

7.根据权利要求6所述的电路布置(10)，

其特征在于：

可控测量电压源(12)被配置为使得第一频率成分(F1)和第二频率成分(F2)各自包含至少两个频率，第一频率成分(F1)与第二频率成分(F2)在至少一个频率上不同。

8.根据权利要求6或7所述的电路布置(10)，

其特征在于：

可控测量电压源被配置为使得频率成分(F1、F2)中包含的频率被选择为使得它们的周期作为整数倍包含在发电机周期(P)中。

9.根据权利要求6至8所述的电路布置(10)，

其特征在于：

可控测量电压源(12)为绝缘监控设备的测试脉冲电压源或绝缘故障定位设备的测试电压源。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的电路布置，

其特征在于：

电流传感器(20)被设计为测量电流互感器(24)。