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CN106405322B - 使用多功能测试电流的扩展的绝缘故障搜索的方法及装置 - Google Patents

使用多功能测试电流的扩展的绝缘故障搜索的方法及装置 Download PDF

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CN106405322B CN201610622154.3A CN201610622154A CN106405322B CN 106405322 B CN106405322 B CN 106405322B CN 201610622154 A CN201610622154 A CN 201610622154A CN 106405322 B CN106405322 B CN 106405322B
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Abstract

本发明涉及一种使用多功能的测试电流的用于IT供电系统中的扩展的绝缘故障搜索的方法及装置，其中，选择性地并取决于应用，测试电流用作电压补偿电流以补偿IT供电系统的有效导体中的电压增大、用作跳闸电流以使得布置在IT供电系统的子系统中的剩余电流保护装置跳闸和/或用作电容泄漏补偿电流以补偿电容性泄漏电流。测试电流能够同时地实现所提及的功能中的多于一个功能。

Description

使用多功能测试电流的扩展的绝缘故障搜索的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种用于IT供电系统中的扩展的绝缘故障搜索的方法。
更进一步地，本发明涉及一种用于IT供电系统中的扩展的绝缘故障搜索的测试电流生成器，以及涉及一种用于IT供电系统中的扩展的绝缘故障搜索的绝缘故障搜索系统。
背景技术
当向电气设备提供能量时，在需要满足在操作性、火、接触安全方面上的更高要求的情况下，使用网络类型的非接地供电系统(也被称为绝缘网络或IT系统)。在此类型的供电系统中，有效部分与地电势分离，即，对地隔离。这些网络的优势在于，在第一绝缘故障(如，接地故障或框架故障)的情况下电气设备的功能不会受到影响，因为在此第一故障的情况(第一故障)下，理想地无穷大阻抗值防止在网络的有效导体与地之间形成闭合电路。
在三相IT系统中，外部导体L1、L2、L3以及(如果存在)中性导体N被称作有效导体。在没有中心抽头的单相IT系统中，两个外部导体L1和L2为有效导体；在有中心抽头的情况下，中点导体也为有效导体。
即使第一绝缘故障发生，IT供电系统的固有安全性因此确保由IT供电系统供电的负载(即，连接至IT供电系统的设备)的连续供电。
因此，连续地监控IT供电系统对地的电阻(绝缘电阻；在故障情况下也称为绝缘故障电阻或故障电阻)，因为在另一有效导体上的另一潜在故障(第二故障)将引起故障回路及由此产生的故障电流，与过流保护装置相关联，将导致装置的关闭以及操作的停滞。
基于由绝缘监控装置连续地监控IT供电系统的绝缘状态的条件，即使已发生了第一故障，IT供电系统能够在规定的时间限制外继续操作。然而，根据标准DIN VDE 0100-410以及IEC 60364-4-41，仍推荐尽可能快地消除第一故障。
为了满足第一故障的快速消除的需求，现有技术是使用绝缘故障搜索系统，尤其是在广泛的、复杂的IT供电系统中或在其中供电的关闭对于整个IT供电系统可能是安全危险的IT供电系统中。
如果已由绝缘监控装置在IT供电系统中识别出第一绝缘故障，则开始绝缘故障搜索，其中，可为独立的装置或为绝缘监控装置的部分的测试电流生成器生成测试电流并在中心点处将其馈入IT供电系统。此测试电流信号被位于子系统的故障线路出口内的所有测量电流变换器(测试电流寄存装置)寄存并被绝缘故障评估装置评估并显示。通过将测量电流变换器与线路出口(子系统)相关联，可定位故障位置。
尽管具有这些优点，相比于接地供电系统仍相对较少地使用IT供电系统。造成此的一个原因是，以下提及的三个有问题的领域。
第一问题(过电压)涉及这样的危险：当第一绝缘故障发生在外部导体中的一个中的IT供电系统中时，在其他有效导体上发生对地电势的电势差，为此未设计连接的设备(负载)。如果在连接的设备上未设计用于此增大的电势差的抑制措施(如，Y电容)，此过电压成问题。此外，线路的绝缘材料也处于增大的应变下，且可能遭受到永久的损害。
如果以不变的形式将最初设计用于接地供电系统的连接的设备用于IT供电系统中且未检查设备属性，将尤其发生此问题。
时常地，至今为止针对此问题的仅有常见方案为耗时且高代价地以具有适当属性的设备替换不适当的设备。可选地，为了实现IT供电系统的供电的高可用性以及因此的可靠性，接地供电系统的复杂冗余再配置是必要的。
第二有问题的领域(位移直流电压)涉及应用，其中，具有耦合的直流(DC)分支(如受控驱动中的DC中间电路)的IT交流(AC)供电系统与在发生由DC电路的不理想的绝缘电阻生成并超出设备所容忍的限值的位移直流电压的情况下能被引入临界操作状态的设备相结合，这可导致设备的故障。
例如，从现有技术水平可知，与由于DC中间电路的绝缘故障而导致DC位移电压的受控驱动的关闭相关联的通过电压中继的DC位移电压的监控。然而，在DC位移电压的多个可能来源的情况下，确定待被关闭的系统分支是困难的或甚至是不可能的。
可选地，已知使用B类型的剩余电流保护装置(RCD)以关闭其中流动有DC剩余电流的系统分支。然而，此措施伴随着这样的缺点：在具有高负载电流的高动力驱动的情况下，甚至剩余电流传感器技术的微小的不对称或微弱的饱和效应可能会导致误跳闸。
作为第三有问题的领域(子系统关闭)，在大型的、通常高度分支的IT供电系统中，常常需要快速地仅关闭其中已发生可能危险的故障(第二故障)的子系统而不会也关闭其他子系统或甚至整个IT供电系统。
在根据现有技术水平的广泛的IT供电系统中，已使用定向剩余电流监控器(RCM)处理此问题。
对于对功能可靠性的定向检测，需要实现网络侧(各个剩余电流测量装置的“上游”)的网络泄漏电容的总值比在负载侧(各个剩余电流测量装置的“下游”)的网络泄漏电容的总值大若干倍的条件。产品标准规定至少为6:1的比例。
满足此需求意味着对于电气装置的安装者和操作者的高技术花费。实践已示出，在所有操作条件下以及遍及电气装置的整个生命周期，无法安全地确保电气保护装置的可靠操作所必须的此条件的实现。
因此，需要声明，存在针对三种所提及的有问题的领域的方案方法，但是这些方案方法每个仅处理一个问题且无法以更高的视角作为基础去发现用于所有三种问题的联合方案。此外，忽视了绝缘故障搜索的任务。
发明内容
因此，本发明的目的在于，以如下方式增强方法和装置：除了进行绝缘故障搜索以外，处理由于在故障的情况下的过电压(第一问题)或由于位移电压(第二问题)的电压增大的问题(第一和第二问题)且在第二故障的情况下仅选择性关闭故障的子系统(第三问题)是可能的。此外，当触摸有效导体时，减小由电容性泄漏电流导致的危险。
关于方法，结合用于IT供电系统中的扩展的绝缘故障搜索的方法实现此目的，其中方法包括以下方法步骤：将用作定位电流的测试电流馈入IT供电系统的至少一个有效导体，将测试电流部分寄存在IT供电系统的子系统中，以及评估寄存的测试电流部分以定位绝缘故障，选择性地并取决于应用，测试电流用作电压补偿电流以补偿IT供电系统的有效导体中的电压增大、用作跳闸电流以使得布置在IT供电系统的子系统中的剩余电流保护装置跳闸和/或用作电容泄漏补偿电流以补偿电容性泄漏电流。测试电流能够同时地实现所提及的功能中的多于一个功能。
假定通过绝缘监控装置适当地监控IT供电系统，本发明的思想基于，生成能够依据待被解决的任务实现不同功能的测试电流并将其馈入IT供电系统。各个任务源自以上所述的三个问题领域。对应于任务，可同时进行多个功能。
用作电压补偿电流，测试电流补偿IT供电系统的有效导体中的电压增大(针对第一和第二问题的方案)。根据本发明，以此方式起作用的测试电流的补偿效果可抵消电压增大将设备和人员置于危险之中的问题。
根据本发明，用作跳闸电流的测试电流能够使得布置在IT供电系统的子系统中的剩余电流保护装置跳闸，且因此能够有利地仅导致有危险的子系统的选择性关闭(针对第三问题的方案)。
以有利的方式，在另一种作为电容泄漏补偿电流的额外功能中，测试电流适于补偿电容性泄漏电流。因此，当触摸有效导体时，避免由于电容性泄漏电流造成的对人员的危险。
在用于IT供电系统的综合方案概念中，根据本发明的多功能测试电流的馈入允许预防源自电压增大的对人员和设备的危险、实现子系统的选择性关闭以及额外地消除来自电容性泄漏电流的危险。
在另一有利的实施例中，用作电压补偿电流的测试电流实现对由低电阻绝缘故障导致的过电压的补偿。
如果以由低电阻绝缘故障导致的过电压的形式，在IT供电系统的有效导体中发生对地电压增大，通过将用于补偿增大的可能差值的测试电流馈入呈现过电压的有效导体，此增大的可能差值可被抵消。
更进一步地，用作电压补偿电流的测试电流实现对位移直流电压的补偿。
用作电压补偿电流，还可以以如下方式设置测试电流：对超出设备所容忍的限值的位移直流电压进行补偿。由于难以恰当地定位导致位移直流电压的故障，在此情况下，通常关闭可能呈现故障的所有设备，如所有驱动元件。然而，关闭可导致安全危险的情形，如导致起重设备无法使用。根据本发明，如果用作电压补偿电流的测试电流补偿此位移直流电压并因此预防来自设备或至设备本身的任何危险，则可避免此情况。
优选地，当测试电流用作电压补偿电流以及用作电容泄漏补偿电流时，通过控制确定测试电流参数：测试电流振幅、测试电流频率以及测试电流相位中的至少一个。
通过此种控制，在闭合回路中，测试电流具体地以如下方式改变：电压增大几乎为0。
在纯IT直流系统中，通过将作为补偿直流的测试电流馈入对地外部导体且相应地控制测试电流的振幅，可实现此。
在三相IT交流系统中，将测试电流作为市电频率交变补偿电流馈入至少一个对地外部导体，且相应地控制其振幅和相位，以补偿过(交变)电压。
在具有耦合的直流(DC)分支的三相IT交流系统中，如在受控驱动的安装的情况下或当操作非线性负载时，通过将复杂的测试电流模式馈入多个外部导体，实现对DC位移电压的补偿。
通过控制，也可以以如下方式控制交变补偿电流：足够多地补偿电容性泄漏电流以使得触摸IT供电系统的外部导体不会造成对人员的危险。
为了避免在大网络泄漏电容情况下的高补偿电流，提供测试电流振幅的缓慢增大直至电压增大被补偿或达到预定义的测试电流值。
优选地，最大测试电流值由出厂设置或直接由用户预定义，或最大测试电流值从IT供电系统的至少一个电气系统参数得到，电气系统参数被静态地配置或动态地确定。
最大测试电流值可被设置为出厂默认值或由用户基于IT供电系统的电气系统参数直接在方法的配置上手动地定义。作为另一种选择，设想可自动地从IT供电系统的电气参数得到最大测试电流值。再次，电气系统参数可作为静态配置的参数或被动态地确定。例如，通过直接测量相关系统参数可进行动态确定，或通过通信从安装的(监控)装置(如，绝缘监控装置)检索先前确定的值作为系统参数。
作为用于确定最大测试电流值的相关电气系统参数，将考虑以下变量中的至少一个：
-绝缘电阻值，
-绝缘电阻值在各个外部导体(相位)上的分布，
-网络泄漏电容的大小，
-目前的电压增大，
-最大可容许的电压增大，若适用，分别针对AC和DC部分，
-用于可被转化为故障电阻的可容许的有功功率的限制。
此外，可考虑系统相关标准以及用于系统配置的指示(如，关于安全危险类别)。
更进一步地，当超出临界电压增大限值时，开始作为电压补偿电流的测试电流的馈入。
如在本发明的描述的引言部分中所解释的，开始根据现有技术水平的测试电流的馈入仅用于绝缘故障搜索。通常在绝缘故障低于绝缘故障限值时，由IT供电系统的操作者手动地或由绝缘监控装置自动地开始馈入。
为了解决问题“过电压”以及“位移直流电压”，测试电流用作电压补偿电流。在这些应用中，一旦超出了临界电压增大限值，就开始测试电流馈入。
为了解决问题“子系统关闭”，测试电流用作用于剩余电流保护装置的跳闸电流。当绝缘电阻低于绝缘电阻限值时或在超过临界电压增大限值时，开始此应用中的测试电流的馈入。
更进一步地，测试电流馈入的持续时间和/或在最大测试电流值处的测试电流馈入的持续时间为受限的。
除最大测试电流值的限制之外，可限制测试电流馈入的持续时间和/或在最大测试电流值处的测试电流值的持续时间，以避免IT供电系统由于测试电流负载而运行至危险状态或避免重要子系统的无意的关闭。
此外，通过用于扩展的绝缘故障搜索的测试电流生成器实现目的，该生成器被配置为包括电路相关和编程相关装置的多功能测试电流生成器，该电路相关和编程相关装置不仅生成用于定位绝缘故障的测试电流，还选择性地并取决于应用而生成用于补偿IT供电系统的有效导体中的电压增大的电压补偿电流、用于使得布置在IT供电系统的子系统中的剩余电流保护装置跳闸的跳闸电流以及用于补偿电容性泄漏电流的电容泄漏补偿电流。
实施根据本发明的方法，根据本发明的多功能测试电流生成器包括电路相关和编程相关装置，该电路相关和编程相关装置除了使用用于绝缘故障搜索的测试电流生成器还允许用于补偿电压增大、用于子系统的有目标的关闭以及用于电容性泄漏电流的补偿。
为此，根据本发明的测试电流生成器能够生成适于各个应用并实现电压补偿电流、跳闸电流和/或电容泄漏补偿电流的功能的电流处理方式。测试电流也能够同时实现不止一个功能。
在有利的实施例中，电路相关和编程相关装置包括用于设置测试电流参数的控制装置。
通过控制以产生补偿的期望状态的方式进行设置测试电流参数：振幅、频率和相位中的一个或多个。
有利地，电路相关和编程相关装置包括用于控制测试电流生成和馈入的顺序的检查装置。
通过用于控制测试电流生成和馈入的检查装置，可设置并控制整个顺序，尤其是生成和馈入的开始及结束。
此外，通过用于IT供电系统中的扩展的绝缘故障搜索的绝缘故障搜索系统实现目的，该绝缘故障搜索系统包括：用于生成并馈入测试电流的测试电流生成器、测试电流寄存装置以及绝缘故障评估装置，其中测试电流生成器实现为根据本发明的多功能测试电流生成器。
根据本发明的测试电流生成器可被构造为独立的装置或被集成在绝缘故障搜索系统中。除了绝缘故障搜索之外，装备有根据本发明的测试电流生成器的绝缘故障搜索系统因此通过扩展范围的功能而使得增大IT供电系统中的电气安全性变得可能。
附图说明
从以下描述及附图中其他有利的实施例特征变得显而易见，借助于示例，附图示出了本发明的优选实施例，其中：
图1示出根据现有技术水平的绝缘故障搜索系统；以及
图2示出根据本发明的测试电流生成器的用于选择性地关闭子系统的应用。
具体实施方式
图1示出在包括外部导体L1、L2、L3及两个子系统8a、8b的三相IT交流系统4(IT供电系统)中的绝缘故障搜索系统2的结构，两个子系统8a、8b从主系统6分出且每个具有连接的设备(负载)V1、V2。
子系统还以泄漏电容Ce1、Ce2以及绝缘电阻Riso1、Riso2，在外部导体中呈现绝缘故障Rf的子系统8a为特征。
绝缘监控装置7连接至外部导体L1和地电势(地)用于整个IT供电系统4的绝缘电阻的连续监控。
绝缘故障搜索系统2包括用于生成测试电流IL的测试电流生成器10、用于将测试电流IL寄存在可能故障的子系统8a、8b中的两个测试电流传感器12a、12b、以及记录测试电流传感器12a、12b的信号并定位绝缘故障Rf的绝缘故障评估装置14。
在如根据现有技术水平的测试电流生成器10的示出的应用中，由测试电流生成器10生成的测试电流仅实现测量用于确定故障电流路径且因此用于定位绝缘故障Rf的电流的功能。
在图2中，根据本发明的测试电流生成器20示出在应用“子系统关闭”中。在此情况下，由于发生在所述子系统8a中的故障Rf，需快速地关闭故障的子系统(此处：子系统8a)而该关闭不影响其他子系统(此处：子系统8b)或甚至整个IT供电系统6。
如标准所规定的，子系统8a、8b装备有剩余电流保护装置22a、22b。为了使得布置在故障的子系统8a中的剩余电流保护装置22a跳闸，根据本发明的测试电流生成器20将用作跳闸电流的测试电流IL馈入故障的外部导体L1。馈入的跳闸电流的增大率被调整以适应网络泄漏电容的大小。在实际应用中，例如，可对应于剩余电流保护装置的跳闸特性而将测试电流振幅增大至150mA，在最大测试电流值处的测试电流馈入的持续时间被限制在40ms。

Claims (14)

1.一种用于IT供电系统(4)中的扩展的绝缘故障搜索的方法，包括以下方法步骤：
-将用作定位电流的测试电流(IL)馈入所述IT供电系统(4)的至少一个有效导体；
-将测试电流部分寄存在所述IT供电系统(4)的子系统(8a，8b)中；
-评估寄存的所述测试电流部分以定位绝缘故障(Rf)，
其特征在于：
选择性地并取决于应用，
-当用作电压补偿电流时，所述测试电流(IL)补偿所述IT供电系统(4)的有效导体中的电压增大；
-当用作跳闸电流时，所述测试电流(IL)使得布置在所述IT供电系统(4)的子系统(8a，8b)中的剩余电流保护装置(22a，22b)跳闸；
当用作电容泄漏补偿电流时，所述测试电流(IL)补偿电容性泄漏电流，
所述测试电流(IL)能够同时地实现所提及的功能中的多于一个功能。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，作为电压补偿电流，所述测试电流(IL)实现对由低电阻绝缘故障引起的过电压的补偿。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，作为电压补偿电流，所述测试电流(IL)实现对位移直流电压的补偿。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当所述测试电流(IL)用作电压补偿电流并用作电容泄漏补偿电流时，通过控制确定包括测试电流振幅、测试电流频率以及测试电流相位的测试电流参数中的至少一个。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，由出厂设置或直接由用户预定义最大测试电流值。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述最大测试电流值从所述IT供电系统(4)的至少一个电气系统参数得到，所述电气系统参数被静态地配置或动态地确定。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当超出临界电压增大限值时，开始作为电压补偿电流的所述测试电流(IL)的馈入。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当绝缘电阻低于绝缘电阻限值时或当超出临界电压增大限值时，开始作为跳闸电流的所述测试电流(IL)的馈入。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述测试电流馈入的持续时间为受限的。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在最大测试电流值处的所述测试电流馈入的持续时间为受限的。
11.一种用于IT供电系统中的扩展的绝缘故障搜索的测试电流生成器(20)，其特征在于，所述测试电流生成器(20)被配置为包括电路相关和编程相关装置的多功能测试电流生成器(20)，所述电路相关和编程相关装置不仅生成用于定位绝缘故障(Rf)的测试电流(IL)，还选择性地并取决于应用而生成用于补偿所述IT供电系统(4)的有效导体中的电压增大的电压补偿电流、用于使得布置在所述IT供电系统(4)的子系统(8a，8b)中的剩余电流保护装置(22a，22b)跳闸的跳闸电流以及用于补偿电容性泄漏电流的电容泄漏补偿电流。
12.根据权利要求11所述的测试电流生成器(20)，其特征在于，所述电路相关和编程相关装置包括用于设置测试电流参数的控制装置。
13.根据权利要求11或12所述的测试电流生成器(20)，其特征在于，所述电路相关和编程相关装置包括用于控制测试电流生成和馈入的顺序的检查装置。
14.一种用于IT供电系统(4)中的扩展的绝缘故障搜索的绝缘故障搜索系统，包括：用于生成并馈入测试电流(IL)的测试电流生成器(20)、测试电流寄存装置(12a，12b)以及绝缘故障评估装置(14)，其特征在于，
所述测试电流生成器(20)被配置为根据权利要求11-13中任一项所述的多功能测试电流生成器(20)。
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