在IT供电系统发生第二故障的情况下选择性断开子系统的电气保护装置和方法

摘要

本发明涉及电气保护装置(20)和用于在不接地供电系统(2)发生第二故障的情况下选择性地断开子系统(6a，6b)的方法，不接地供电系统(2)由主系统(4)和至少一个子系统(6a，6b)组成，子系统(6a，6b)包括差动电流测量装置(12a，12b)和用于分离子系统(6a，6b)的开关装置(14a，14b)。本发明的基本思想是通过谐振耦合电路(22)生成测量信号电压(Um)并将其施加在主系统(4)的一个或多个相位和地之间或从主系统(4)的中性点到地(9)之间，谐振耦合电路(22)包括测量信号发生器(24)和与测量信号发生器(24)串联的串联谐振电路(26)，串联谐振电路(26)的谐振频率(f

说明书

技术领域

本发明涉及一种电气保护装置和一种用于在不接地供电系统(IT供电系统-绝缘或不接 地供电网络)发生第二故障的情况下选择性地断开子系统的方法，不接地供电系统由主系 统和至少一个子系统组成，子系统包括差动电流测量装置和用于分离子系统的开关装置。

背景技术

在运营、消防和接触式安全等方面不断增长的需求的情况下，使用系统型的IT供电系 统为电气设备供电。在这种类型的供电系统中，电气装置的有源器件与地电位(即，“地”) 分离。这些系统的优点是，在第一绝缘故障如接地故障或框架故障的情况下，由于导体和 地面之间存在理想地无限高的阻抗值，在第一故障的情况下没有闭合电路能够形成，从而 电气设备的功能不受影响。

由于IT供电系统的固有安全性，即使发生第一绝缘故障，也可以保证IT供电系统为 负载(即，连接至IT供电系统的设备)提供连续供电。

因此，持续地监控IT供电系统的相对于地的电阻(绝缘电阻，在故障情况下也称为绝 缘故障电阻或故障电阻)，因为在其他有源器件中的一个上的潜在附加故障(第二故障)将 会导致故障回路，并且在这种情况下流动的、和过流保护装置有关的故障电流将会导致装 置的断开，包括运行的停止。

在通过绝缘监控设备持续地监控IT供电系统的绝缘状态的条件下，在第一故障的情况 下，IT供电系统因而能够持续运行而没有规定期限。在第二故障的情况下，如果在适当的 位置没有附加的保护措施，需要保护措施的“自动断开”。

然而，迄今为止仍没有满意的方式可以解决因无法可靠地检测不可忽略的阻抗的第二 (特别是高电阻)故障而造成的问题。未检测的高电阻故障可以导致不可靠的过流跳闸， 而来自电击和/或火灾隐患的危险还是极有可能的。

出现在庞大的IT供电系统中的高对称的系统泄漏电容和/或对称绝缘故障可以潜在地 产生差动电流，即使没有第二非对称(绝缘)故障；然而，该差动电流太低而无法使剩余 电流装置(RCD)跳闸。现在发生的非对称的第二绝缘故障将取消当前系统泄漏电容和/或 当前绝缘故障的对称性，这样，IT供电系统的所有剩余电流装置(RCD)突然经历差动电 流，将导致RCD跳闸并且断开没有被第二故障影响的子系统。

根据现有技术，该问题通过在IT供电系统中使用方向选择性剩余电流监控装置(RCM) 已经解决。

方向选择性剩余电流监控装置(RCM)的功能原理是，通过人为创造的参考中性点执 行测量的差动电流的相位评估，以便仅仅在负载方向上流动的故障电流能够引起跳闸，而 在馈送点方向上流动的故障电流不能够引起跳闸。

为了定向选择检测可靠地工作，必须满足一定的条件。观察到的一个重要需求是要求 系统侧的系统泄漏电容(各个差动电流测量装置的“上游”)比负载侧的系统泄漏电容(各 个差动电流测量装置的“下游”)大数倍。

根据用于家用装置或者类似用途的剩余电流监控装置(RCM)的产品标准，DINEN 62020(VDE0663):2005-11,系统侧和负载侧上的系统泄漏电容的比例被要求为6：1。

为了符合该要求，需要电气设备的建造者和运营者都承担相当大的技术工作。在实践 中，在所有的运行条件下和在电力设备的整个寿命周期内，不能安全地保证符合电气保护 装置的可靠运行所必需的该要求。

因此，已知的保护装置的实质缺点在于以下事实，一方面，不能可靠地保证第二故障 的检测，特别是高电阻故障的检测，另一方面，如果检测到，第二故障可能会导致整个IT 供电系统的断开。然而，在庞大的IT供电系统中，主系统(包括所有子系统)的断开，即， 非故障的子系统的断开，导致运行中断，而这应该首先通过系统类型的IT供电系统的安装 已经被避免。

发明内容

因此，本发明的目的是提出一种电气保护装置和一种方法，能够可靠地保证发生在不 接地供电系统中的第二故障的检测(该不接地供电系统由主系统和至少一个子系统组成)， 并允许故障子系统的选择性断开。

该目的通过以下的方式实现：电气保护装置包括谐振耦合电路，谐振耦合电路从主系 统的一个或多个相位或从主系统的中性点连接至地，并包括用于生成具有测量信号频率的 测量信号电压的测量信号发生器和与测量信号发生器串联并具有电容、电感和欧姆电阻的 串联谐振电路。

本发明的基本思想基于这样的事实，在第二故障的情况下，将用于故障电流的低电阻 返回路径提供给窄带频率范围内的施加的测量信号，该窄带频率范围被调谐到测量信号的 测量信号频率。

根据本发明，低电阻返回路径由谐振耦合电路构成，谐振耦合电路包括测量信号发生 器和与测量信号发生器串联的串联谐振电路。

因此，在第二故障的情况下，闭合电路能够行成，其中，被测量信号发生器驱动的测 量电流作为故障电流仅在布置在发生第二故障的子系统中的差动电流测量装置中流动，且 主要独立于谐振耦合电路中的系统泄漏电容的分配。与测量信号具有相同频率且可以通过 差动电流测量装置被检测到的故障电流可用于特别地断开故障子系统。

在该实施例中，预先安装在子系统中的分离装置是共同使用的。最常见地，该分离装 置是现有的剩余电流装置(RCD)内的开关装置。在根据本发明的保护装置的该实施例中， 已经存在子系统中的开关装置和差动电流测量装置不是根据本发明的保护装置的一部分。

在有利的实施例中，串联谐振电路的电容和电感被实现为：串联谐振电路的谐振频率 和测量信号电压的测量信号频率一致。

串联谐振电路的总电阻仅仅根据谐振频率情况下的欧姆电阻来确定。如果确定谐振频 率的串联谐振电路的元件，即，电容和电感，被实现为谐振频率等于测量信号频率，则谐 振耦合电路形成具有串联谐振电路的欧姆电阻的低电阻返回路径，由此，由于第二故障形 成的测量电路关闭。

此外，串联谐振电路的电容和电感被实现为：串联谐振电路的谐振频率充分不同于被 布置在供电系统中的绝缘监控装置的绝缘电阻测量频率，并且充分不同于供电系统的电源 频率。

基于大多数的IT供电系统配备有绝缘监控设备(IMD)的事实，串联谐振电路的电容 和电感被选择为：串联谐振电路的谐振频率充分不同于用于绝缘监控设备(IMD)的(绝 缘电阻)测量频率，以便绝缘监控装置(其也被连接在IT供电系统和地之间)的功能不被 干扰。

测量信号频率和IT供电系统的电源频率之间的同样地足够大的频率差具有这样的优 点，可以通过简单的滤波电路抑制具有与供电系统相同的频率的可能存在的差动电流部分。

在另一实施例中，串联谐振电路的电容比存在供电系统中的系统泄漏电容之和小几倍

在这种情况下，系统泄漏电容的波动，特别是在庞大的IT供电系统(其中系统泄漏电 容可以取高值因此阻抗值低)中，对谐振频率的影响可以忽略，这由串联谐振电路的小几 倍的电容和电感确定。

有利地，串联谐振电路的欧姆电阻足够低，以便谐振耦合电路近似地具有理想电压源 的特征。

如果串联谐振电路的欧姆电阻被实现为，测量信号电压相对于地的近似恒定振幅可以 被假定(理想电压源)以与和测量信号具有相同频率的且由故障子系统的差动电流测量装 置确定的故障电流的部分相连，则能够容易地计算出所述子系统中的故障电阻。

在另一实施例中，谐振耦合电路包括改变测量信号频率的控制电路，以便测量信号电 压驱动的测量电流的振幅处于最大值。

通过该措施，现有系统泄漏电容对串联谐振电路的谐振频率的影响可以被自动考虑， 因为存在于IT供电系统中的系统泄漏电容的和影响测量电流的值。控制电路对突然发生的 第二故障的影响反应非常缓慢。因此测量信号频率可以被调整到已经普遍的运行条件以及 到IT供电系统的绝缘状态。

有利地，电气保护装置包括相位比较器，相位比较器与子系统的差动电流测量装置相 相关，并相对于测量信号电压的相位确定差动电流测量装置中检测的差动电流的相位。

作为另一组件，电气保护装置包括用于待监控的每个子系统的相位比较器，以允许欧 姆故障电流和各个子系统中检测的差动电流内电容泄漏电流之间的区分。相位比较器可以 布置在子系统的差动电流测量装置中。

优选地，电气保护装置包括谐振耦合电路和相位比较器之间的通信信道(30)，通信信 道(30)用于传输测量信号电压的相位。

为了与各个差动电流测量装置相关联的相位比较器能够评估差动电流的相位，电气保 护装置包括通信信道，通过通信信道，测量信号发生器生成的测量信号电压的相位被作为 参考相位传输给相位比较器。

此外，差动电流测量装置的差动电流互感器的次级线圈终止于容性负载阻抗，从而和 差动电流互感器相连，次级线圈被实现为罗柯夫斯基线圈，并联谐振电路被形成为被调谐 到串联谐振电路的谐振频率。

在电气保护装置的该实施例中，差动电流测量装置是保护装置的一部分。优选地，使 用足够高的测量信号频率，以便差动电流测量装置被实现为差动电流互感器被配置为基于 罗柯夫斯基线圈的柔性互感器。

在另一实施例中，电气保护装置包括作为功能组件的用于分离子系统的分离装置。

与已经存在子系统中的剩余电流装置的开关装置被共同使用的实施例相反，电气保护 装置可以有用于待监控的每个子系统的“独立的”分离装置，分离装置在功能上与电气保 护装置相关联。然后分离装置构成电气保护装置的组成部分。

此外，目的被包括以下方法步骤的方法所达到：生成具有测量信号频率的测量信号电 压，通过谐振耦合电路在主系统的一个或多个相位到地之间或从主系统的中性点到地之间 施加测量信号电压，谐振耦合电路包括测量信号发生器和与测量信号发生器串联的串联谐 振电路，串联谐振电路的谐振频率被设置为和测量信号频率一致。

从可靠地检测子系统中的第二故障的发生和能够有选择地断开所述子系统的问题开 始，首先，通过测量信号发生器生成具有特定测量信号频率的测量信号电压并通过谐振耦 合电路将其施加到IT供电系统的主系统。串联谐振电路的谐振频率被谐振频率确定元件电 容和电感设置为谐振频率和测量信号频率一致。

由此，能够在第二故障的情况下，提供具有串联谐振电路的欧姆电阻的低电阻返回路 径，由此，和测量信号具有相同频率的、在故障子系统中流动的、并被测量信号发生器驱 动的故障电流可以形成封闭的测量电路。

有利地，串联谐振电路的谐振频率被设置为：充分不同于布置在供电系统中的绝缘监 控装置的(绝缘电阻)测量频率，并且充分不同于供电系统的电源频率。

由此，一方面，保证绝缘电阻监控装置的功能不受干扰，另一方面，IT供电系统中的 可以预料的高振幅的共模电压与谐振频率足够不同，从而不引起通过串联谐振电路的高电 流。

在另一有利的实施例中，测量信号频率被控制以变化，使得被测量信号电压驱动的测 量电流的振幅达到最大。

通过这种控制，在考虑到当前系统泄漏电容的影响的情况下，测量信号频率被调谐到 串联谐振电路的谐振频率。

此外，进行相位比较，其中相对于测量信号电压的相位，确定在差动电流测量装置中 检测到的差动电流的相位。

因而，通过差动电流测量装置，可以在各个子系统中检测到的差动电流内进行欧姆故 障电流和电容泄漏电流之间的区分，这反过来防止差动电流测量装置因为过量的电容泄漏 电流而错误地跳闸。

有利地，测量信号直流电压的相位从谐振耦合电路传输至相位比较器。

测量信号发生器生成的测量信号电压的相位为和差动电流测量装置相关联的各个相位 比较器提供参考相位，以评估差动电流的相位。

附图说明

其他有利的实施例的特征从下面通过示例的方式介绍本发明的优选实施例的描述和附 图中将变得明显。在附图中：

图1示出根据现有技术监控的不接地供电系统(IT供电系统)；

图2示出根据本发明的包括电气保护装置的IT供电系统；

图3示出根据本发明监控的IT供电系统的简单示意图。

具体实施方式

图1示出根据现有技术监控的三相IT供电系统2，包括主系统4和从主系统4分 支出来作为连接的负载8a，8b的供电分支的两个子系统6a，6b。每个负载8a，8b通 过保护导体连接至接地电位/地9，该保护导体的电阻被表示为R_PE。

主系统4的各相导体具有导体电阻R_Cu。关于它们的(复值的)绝缘电阻，主系统4 和子系统6a，6b以系统泄漏电容C_e和欧姆绝缘电阻R_iso为特征。每个子系统6a，6b中提 供剩余电流装置(RCD)10a，10b，每个RCD包括差动电流测量装置12a，12b和用于分 离子系统6a，6b的开关装置14a，14b。为了监控IT供电系统2的总绝缘电阻，绝缘监控 装置(IMD)16连接在主分支4和地9之间。

图2示出根据本发明的包括电气保护装置20的实施例的IT供电系统2。

电气保护装置20被实现为谐振耦合电路22，例如，图2中连接在主系统4的相位 和地9之间。一般地，谐振耦合电路22，类似于熟知的绝缘监控装置(IMD)16，可 以在地9和待监控的IT供电系统2的所有相位或中性点之间具有连接。

谐振耦合电路22包括用于生成测量信号电压U_m的测量信号发生器24和与测量信 号发生器24串联并具有电容C_AK、电感L_AK和欧姆电阻R_AK的串联谐振电路26。

此外，电气保护装置20包括布置在子系统6a,6b的各自的差动电流检测装置12a,12b 中的一个或多个相位比较器28a,28b。相位比较器28a,28b通过通信通道30连接至谐振耦 合电流22，通信信道30用于传输测量信号电压U_m的相位。

与各个差动电流测量装置12a，12b和用于分离子系统6a，6b的开关装置14a，14b协 作，在相位比较器28a，28b采集的信息的评价下，被第二故障影响的子系统6a，6b能够 被特别地断开。

在图3中，IT供电系统2的简单示意图被示为子系统6a或6b的第二故障的状态(从 故障电阻R_f可见)。通过根据本发明的电气保护装置20监控IT供电系统，该电气保护装 置20被实现为谐振耦合电路22。

对于测量频率故障电流，即，在谐振的情况下，相比于IT供电系统2的非故障部位中 普遍的绝缘电阻，串联谐振电路26表示低电阻的真实电阻，从而测量电压U_m驱动的故障 电流能够通过(故障)电阻R_f和谐振耦合电路22形成闭合电路。

作为数值示例，在不考虑系统泄漏电容和绝缘故障的情况下，4.8nF的选定电容C_AK和 10H的电感导致串联谐振电路的谐振频率f_0AK为730.7Hz。如果欧姆电阻R_AK被设定为100 欧姆(ohm)，则该窄带串联谐振电路的品质因数为Q＝456。