用于不接地IT供电系统内的选择性绝缘监控的方法和装置

本申请是于2015年3月5日申请的、申请号为201510097362.1的题为“用于不接地IT供电系统内的选择性绝缘监控的方法和装置”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于具有至少两个相导体的不接地IT供电系统的绝缘监控的方法和包含IT供电系统的绝缘电阻的确定和第一响应值的设置的此类方法。

进一步的，本发明涉及用于具有至少两个相导体的不接地IT供电系统的绝缘监控的装置和包括用于确定供电系统的绝缘电阻的检测装置的此类装置，该检测装置具有使用用于绝缘电阻的可调第一响应值识别第一故障的第一故障识别装置。

背景技术

在关于操作、消防和接触安全的需求增加的情况下，使用网络类型的IT供电系统(隔离的供电网络)为电力设备供电。在此类供电网络中，电力系统的有源组件与地电势分离。这些网络的优点在于，如果发生第一绝缘故障(接地故障或到机架的故障)，电力设备的功能不受影响，这是因为由于导体和地之间的理想的无穷高阻抗值而在这种第一故障的情况下不能形成闭合电路。

由于IT供电系统的固有安全性，即使第一绝缘故障发生，可以确保由IT供电系统供电的负载(即，连接到IT供电系统的设备)的连续供电。

从此考虑变得清晰的是，必须持续监控待监控网络内的对地电阻(绝缘电阻-在故障的情况下，也是绝缘故障电阻或故障电阻)，因为另一有源导体内的潜在的其他故障(第二故障)将导致故障回路，且因此流动的与过电流保护装置有关的故障电流将造成系统的关闭和操作停机。

如果IT供电系统的绝缘状态被绝缘监控装置连续地监控，那么即使发生第一故障，在指定的时间限制之外可以操作IT供电系统。这已在如DIN VDE 0100-410和IEC60364-4-41中的411部分中描述。在发生第二故障的情况下，如果不存在另外的防护措施，需要保护措施“自动关闭”。

然而，第二故障(尤其是高电阻故障)的可靠识别是至今尚未得到充分解决的问题。由于未识别的高电阻第二故障，可能不会可靠地发生过电流触发；相反地，很可能存在电击和/或火灾风险。

在前述的标准中，过电流断路器的使用和差动电流断路器(残余电流保护装置-RCD)的使用作为其他的保护措施而被提及。然而，在IT供电系统中，因为过电流断路器的触发阈值是基于短路电流或基于线路的当前载流容量，从而它比残余电流(当流过人或动物时被认为是严重的)的值高出很多倍，所以这两种防护措施不足以可靠地防止电击和/或火灾发生的风险。

当前用于火灾预防的300mA的残余电流限值也不足以触发过电流断路器。

IT供电系统中发生的第二故障是否将触发残余电流保护装置取决于第一故障的位置、第二故障的位置、残余电流保护装置的位置和电力系统目前对地的其他漏泄阻抗。

与在TN供电系统中不同，在IT供电系统中不存在中性导体和/或中性点到残余电流保护装置的差动变流器的上游的地的低电阻连接，因此变压器的外部流动的差动电流可以触发残余电流保护装置。

因此，IT供电系统中的第二故障触发残余电流保护装置将被认为是极不可能的。

采用当前市场上可用的绝缘监控装置，第二故障的识别或如果达到临界状态时待监控的IT供电系统的直接关闭是不可能的，因为只考虑了源自IT网络内的各个相导体的绝缘电阻的并联。

发明内容

因此，本发明的目的在于提出确保IT供电系统中的第二故障的可靠识别或帮助避免第二故障的发生的方法和装置。如果将出现引起高电击风险的系统状态和/或引起难以预防的火灾风险的系统状态，期望第二故障的识别以关闭IT供电系统。

通过包括以下方法步骤的方法实现该目的：确定每个相导体和地之间的绝缘电阻，为每个确定的绝缘电阻设置独立的响应值，测试每个响应值以查看是否被相关联的绝缘电阻削切(undercut)，以及如果至少两个独立的响应值被削切，生成用于关闭所述IT供电系统的关闭信号。

在根据本发明的第一实施例中，首先，通过形成用于所述相导体的独立的耦合和测量路径，选择性地为每个单个相导体确定绝缘电阻。因此确定的绝缘电阻与独立于其他单独地确定的绝缘电阻的响应值相关联，其中，可以考虑网络参数，如各个测量路径的漏泄阻抗。测试预设响应值以查看相关联的当前确定的绝缘电阻是否达不到各个响应值。如果至少两个独立的响应值被削切，生成用于关闭IT供电系统的关闭信号。这种用于多个绝缘故障的存在的测试确保另一相导体上的第二故障被识别，意味着系统处于危险状态，必需关闭IT供电系统。

在该方法的另一实施例中，如果响应值被削切，触发与各个相导体相关联的报警信号。与各个相导体相关的测量路径上的响应值的削切对应于报警信号的选择性的触发。通过这些与单个相导体相关联的报警信号，关于现有绝缘故障的有关相导体的信息可用于进一步的处理尤其可用于对系统状态的评估。

有利地，通过报警信号的逻辑运算的方式生成关闭信号。选择性地提供的报警信号允许这种方式的逻辑运算：可以检测至少两条测量路径(即，多绝缘故障)上的响应值的削切的存在。

在根据本发明的可选的第二实施例中，该方法包括方法步骤：确定每个相导体和地之间的绝缘电阻，确定所述相导体和地之间的系统电压，考虑所述IT供电系统的其他电气特性，基于确定的绝缘电阻和确定的系统电压计算所述IT供电系统内和与其连接的设备上的相关电流和电压，评估确定的电流和确定的电压是否表示所述系统的危险状态，以及如果识别到所述系统的危险状态，生成关闭信号以关闭所述IT供电系统。

在此实施例中，通过相导体和地之间的系统电压的确定补充绝缘电阻的选择性确定。通过应用用于计算线性网络的基本电工学规则和考虑IT供电系统的其他电气特性(如保护导体电阻或接地电阻)，基于这些值可以计算IT供电系统的相关部分的电流和电压，尤其是故障电流和接触电压。在评估中，因为系统的特定部分内或相连接的设备上的最大容许电流和电压的预先设置的限值的削切，所以作出关于系统是否处于危险状态(例如，是否出现关于针对电击的保护或火灾防护的风险)的确定。如果识别到系统的这种危险状态，IT供电系统被关闭。

优选地，使用评估算法评估确定的电流和确定的电压以识别系统的危险状态。可以将标准规范和经验值输入所述评估算法以能够可靠地检测系统的危险状态。

前述方法并未覆盖第二故障发生在发生第一故障的对地相导体上的故障情况。因此，下文中，将描述根据本发明的第三方法，使用该方法可以检测所述故障情况。

在这个进一步的方法中，确定所述IT供电系统的绝缘电阻并设置第一响应值，其中在第一响应值已被削切后，启动变化时间窗口，在该变化时间窗口内激活设置的第二响应值，以及其中如果第二响应值在变化时间窗口内被削切，自动地关闭IT供电系统。

在已经识别到第一故障后，即在当前确定的绝缘电阻达不到第一响应值后，启动变化时间窗口，在该变化时间窗口内，激活第二响应值作为绝缘电阻的低于第一响应值的另一限值。如果第二响应值在变化时间窗口内被削切，这暗示系统处于危险状态—可能由第二绝缘故障引起—自动地关闭IT供电系统。

在另一实施例中，变化时间窗口的持续时间和第二响应值的大小被确定为以下网络参数中的至少一个的函数：绝缘电阻的电流值、网络漏泄电容、系统电压和相导体之间的位移电压。

从增大操作安全性和预防故障报警的意义上说，为了增大第二故障的识别的可靠性，也即，可以改变用于绝缘电阻的变化时间窗口的持续时间和第二响应值的大小以适应IT供电系统的特性/网络参数。因此，在一方面，变化时间窗口和第二响应值的大小的时间变化考虑被考虑的IT供电系统的特定电气属性。在另一方面，可以优先处理不同的防护目标，如对电击和火灾风险的防护。此外，在设置变化时间窗口的持续时间和第二响应值的大小时，可以考虑IT供电系统的其他特性，如保护导体电阻、有源导体(相导体)的电阻或接地电阻。

在前述的第三方法中，只可以在第一故障的电阻高到足以使得绝缘电阻因仍待以足够准确的方式识别的第二故障而进一步下落时，可靠地识别到变化时间窗口内的第二故障。在低电阻第一故障的情况下，此方法被证实适宜性低。因此，针对所述情况描述以下方法。

可选地，对于变化时间窗口内的自动关闭，通过根据本发明的第四方法，结合确定所述IT供电系统的绝缘电阻并设置第一响应值实现本目的，其中，如果发生具有低绝缘故障电阻的第一故障，向用户提供手动地关闭IT供电系统或继续操作的选项。

如果随第一故障发生的绝缘故障电阻低，用户具有继续操作IT供电系统或关闭IT供电系统的选项。尽管连续操作是IT供电系统的实际目的，鉴于避免可能的危险，用户仍具有手动地关闭IT供电系统的选项。

在有利的实施例中，可以预设阈值，在该阈值下的绝缘故障电阻被识别为具有低电阻。

确定的绝缘电阻被认为具有低电阻处的电阻值可以被定义为IT供电系统的电气特性的函数。

关于实现根据本发明的第一方法的装置，通过分别实施用于每个相导体的耦合电路和评估装置实现目的，耦合电路用于测量相导体和地之间的绝缘电阻，评估装置用于为每个确定的绝缘电阻设置独立的响应值，用于测试每个响应值以查看是否被相关联的绝缘电阻削切，以及用于如果至少两个独立的响应值被削切，生成关闭信号以关闭IT供电系统。

采用分别地实现的耦合电路，为每个相导体产生其绝缘电阻可被测量的单个耦合和测量路径。通过测试单个响应值以查看是否被削切，这种绝缘电阻的选择性确定允许另一相导体上的第二故障的检测。如果检测到多绝缘故障，生成关闭信号以关闭IT供电系统。

在另一优选的实施例中，评估装置具有用于每个相导体的报警输出，在该报警输出处，可以输出(tap)用于报告各个响应值的削切的报警信号。

由于每个相导体具有其自身的报警输出，因此可以立即识别并用信号通知在哪个相导体处发生了绝缘故障。因此，报警信号可用于选择性地提供关于IT供电系统的绝缘电平的信息的每个相导体。有利地，报警信号用于系统状态的进一步评估。

有利地，评估装置具有用于报警信号的逻辑运算的基本逻辑电路。

报警输出处的选择性可用的报警信号允许通过报警信号的简单逻辑运算的方式检测多绝缘故障。

关于实现根据本发明的第二方法的装置，通过分别实施用于每个相导体的耦合电路、计算装置和评估单元实现目的，耦合电路用于测量各个相导体和地之间的绝缘电阻以及用于测量各个相导体和地之间的系统电压，计算装置用于计算IT供电系统内和与其连接的设备上的相关电流和电压，评估单元执行评估算法以识别系统的危险状态及如果系统处于危险状态生成关闭信号以关闭IT供电系统。

除了选择性地确定普遍用于每个相导体的绝缘电阻之外，为每个相导体分别地提供的耦合电路同时允许测量各个相导体和地之间的各个系统电压。在计算装置中，考虑IT供电系统的其他电气特性，对处于危险中的区域或引起危险的电力系统的部分测量电流和电压。因此，登记不同的潜在危险的系统状态。在评估单元中，实施将相关系统部分的电气状态描述为评估结果的评估(计算)规则。如果出现危险状态，例如由于低于限值的绝缘电阻或由于过剩漏泄电流，关闭信号使得IT供电系统关闭。

根据本发明的第三方法的基于电路的实现，一种用于具有至少两个相导体的不接地IT供电系统的绝缘监控的装置包括用于确定供电系统的绝缘电阻值的检测装置，为了识别第一故障，检测装置包括具有用于所述绝缘电阻的可调第一响应值的第一故障识别装置，其特征在于，为了识别第二故障，检测装置包括第二故障识别装置，该第二故障识别装置具有用于设置用于绝缘电阻的第二响应值的调节装置，包括用于定义变化时间窗口的间隔计时器和包括如果第二响应值在变化时间窗口内被削切，生成关闭信号以自动地关闭IT供电系统的开关信号单元。

除了现有技术已知的第一故障识别装置之外，检测装置包括第二故障识别装置。所述第二故障识别装置包括用于设置用于绝缘电阻的第二响应值的调节装置，间隔计时器和开关信号单元。如果在第一响应值的削切之后且在由间隔计时器定义的变化时间窗口的期间，第二响应值被当前测量的绝缘电阻削切，开关信号单元生成关闭信号以自动地关闭IT供电系统。

用于实现本目的的对应于根据本发明的第四方法的装置的特征在于，用于具有至少两个相导体的不接地IT供电系统的绝缘监控的装置包括用于确定所述IT供电系统的绝缘电阻的检测装置，为了识别第一故障，所述检测装置包括具有用于绝缘电阻的可调第一响应值的第一故障识别装置，其中所述装置具有用于测试确定的绝缘电阻是否具有低于预设阈值的电阻值的阈值检测器和向用户提供手动地关闭IT供电系统或继续操作的选项的决策装置。

如果第一绝缘故障被评估为具有低电阻，那么向用户提供与IT供电系统的目标相反的关闭系统的选项。

附图说明

以下附图通过示例的方式示出本发明的目的。

图1示出使用根据本发明的用于绝缘监控的装置的IT供电系统。

具体实施方式

在图1中，示出具有两个相导体L1和L2的IT供电系统2，该IT供电系统2可被设计为交流或直流系统。根据本发明的方法和根据本发明的装置同样地可应用于交流或直流IT供电系统。IT供电系统2的绝缘电阻由根据本发明的装置4监控，装置4连接在各个相导体L1，L2和地之间，且在本示例中，装置4具有用于根据第一或第二实施例的两个相导体L1，L2中的每个的独立的耦合电路6，8。此外，为每个相导体L1，L2提供过流保护装置F1，F2。

在无故障的情况下，IT供电系统2的特征是基本通过源自两个相导体L1和L2的电阻式组件R

第一和第二设备10，12连接到IT供电网络2。在本案中，第一故障14发生在第一设备10上，第二故障16发生在第二设备12上，故障14，16被示为到机架的直接故障。由于第一故障14，IT供电网络2已经变成与接地网络相当的网络，因此第二故障16导致闭合的故障电路。如果到机架的故障具有可忽略的阻抗，且相应地，有足够高的短路电流在流动，过流保护装置F1，F2将被触发。然而，如果发生具有阻抗的故障，无法确保过流保护装置F1，F2被触发，以至于电流可以流动，即使该电流低于触发阈值，它也是危险的。

由于根据现有技术水平的绝缘监控装置只评估由源自相导体L1，L2的漏泄阻抗的并联引起的绝缘电阻，只可以检测总绝缘电阻的下降，而不是由不同的相导体L1，L2上的两个故障14，16引起的故障电路。

由于示例性示出的根据本发明的装置4具有两个独立的耦合电路6，8，可以识别与特定的相导体L1，L2有关的绝缘电阻的下降，因此，可以检测第二故障16。基于第一和第二故障16的识别，相导体相关的绝缘电阻是已知的，且可以计算IT供电网络内的相关部分上的电流和电压分配，反过来，使用合适的评估算法可以从IT供电网络内的相关部分上的电流和电压分配得到关于系统状态的声明。