在it供電系統發生第二故障的情況下選擇性斷開子系統的電氣保護裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電氣保護裝置和一種用于在不接地供電系統(IT供電系統-絕緣或不接地供電網絡)發生第二故障的情況下選擇性地斷開子系統的方法，不接地供電系統由主系統和至少一個子系統組成，子系統包括差動電流測量裝置和用于分離子系統的開關
目.0
【背景技術】
[0002]在運營、消防和接觸式安全等方面不斷增長的需求的情況下，使用系統型的IT供電系統為電氣設備供電。在這種類型的供電系統中，電氣裝置的有源器件與地電位(即，“地”)分離。這些系統的優點是，在第一絕緣故障如接地故障或框架故障的情況下，由于導體和地面之間存在理想地無限高的阻抗值，在第一故障的情況下沒有閉合電路能夠形成，從而電氣設備的功能不受影響。
[0003]由于IT供電系統的固有安全性，即使發生第一絕緣故障，也可以保證IT供電系統為負載(即，連接至IT供電系統的設備)提供連續供電。
[0004]因此，持續地監控IT供電系統的相對于地的電阻(絕緣電阻，在故障情況下也稱為絕緣故障電阻或故障電阻)，因為在其他有源器件中的一個上的潛在附加故障(第二故障)將會導致故障回路，并且在這種情況下流動的、和過流保護裝置有關的故障電流將會導致裝置的斷開，包括運行的停止。
[0005]在通過絕緣監控設備持續地監控IT供電系統的絕緣狀態的條件下，在第一故障的情況下，IT供電系統因而能夠持續運行而沒有規定期限。在第二故障的情況下，如果在適當的位置沒有附加的保護措施，需要保護措施的“自動斷開”。
[0006]然而，迄今為止仍沒有滿意的方式可以解決因無法可靠地檢測不可忽略的阻抗的第二(特別是高電阻)故障而造成的問題。未檢測的高電阻故障可以導致不可靠的過流跳閘，而來自電擊和/或火災隱患的危險還是極有可能的。
[0007]出現在龐大的IT供電系統中的高對稱的系統泄漏電容和/或對稱絕緣故障可以潛在地產生差動電流，即使沒有第二非對稱(絕緣)故障；然而，該差動電流太低而無法使剩余電流裝置(RCD)跳閘。現在發生的非對稱的第二絕緣故障將取消當前系統泄漏電容和/或當前絕緣故障的對稱性，這樣，IT供電系統的所有剩余電流裝置(RCD)突然經歷差動電流，將導致RCD跳閘并且斷開沒有被第二故障影響的子系統。
[0008]根據現有技術，該問題通過在IT供電系統中使用方向選擇性剩余電流監控裝置(RCM)已經解決。
[0009]方向選擇性剩余電流監控裝置(RCM)的功能原理是，通過人為創造的參考中性點執行測量的差動電流的相位評估，以便僅僅在負載方向上流動的故障電流能夠引起跳閘，而在饋送點方向上流動的故障電流不能夠引起跳閘。
[0010]為了定向選擇檢測可靠地工作，必須滿足一定的條件。觀察到的一個重要需求是要求系統側的系統泄漏電容(各個差動電流測量裝置的“上游”)比負載側的系統泄漏電容(各個差動電流測量裝置的“下游”)大數倍。
[0011]根據用于家用裝置或者類似用途的剩余電流監控裝置(RCM)的產品標準，DIN EN62020 (VDE 0663):2005-11,系統側和負載側上的系統泄漏電容的比例被要求為6:1。
[0012]為了符合該要求，需要電氣設備的建造者和運營者都承擔相當大的技術工作。在實踐中，在所有的運行條件下和在電力設備的整個壽命周期內，不能安全地保證符合電氣保護裝置的可靠運行所必需的該要求。
[0013]因此，已知的保護裝置的實質缺點在于以下事實，一方面，不能可靠地保證第二故障的檢測，特別是高電阻故障的檢測，另一方面，如果檢測到，第二故障可能會導致整個IT供電系統的斷開。然而，在龐大的IT供電系統中，主系統(包括所有子系統)的斷開，即，非故障的子系統的斷開，導致運行中斷，而這應該首先通過系統類型的IT供電系統的安裝已經被避免。
【發明內容】
[0014]因此，本發明的目的是提出一種電氣保護裝置和一種方法，能夠可靠地保證發生在不接地供電系統中的第二故障的檢測(該不接地供電系統由主系統和至少一個子系統組成)，并允許故障子系統的選擇性斷開。
[0015]該目的通過以下的方式實現:電氣保護裝置包括諧振耦合電路，諧振耦合電路從主系統的一個或多個相位或從主系統的中性點連接至地，并包括用于生成具有測量信號頻率的測量信號電壓的測量信號發生器和與測量信號發生器串聯并具有電容、電感和歐姆電阻的串聯諧振電路。
[0016]本發明的基本思想基于這樣的事實，在第二故障的情況下，將用于故障電流的低電阻返回路徑提供給窄帶頻率范圍內的施加的測量信號，該窄帶頻率范圍被調諧到測量信號的測量信號頻率。
[0017]根據本發明，低電阻返回路徑由諧振耦合電路構成，諧振耦合電路包括測量信號發生器和與測量信號發生器串聯的串聯諧振電路。
[0018]因此，在第二故障的情況下，閉合電路能夠行成，其中，被測量信號發生器驅動的測量電流作為故障電流僅在布置在發生第二故障的子系統中的差動電流測量裝置中流動，且主要獨立于諧振耦合電路中的系統泄漏電容的分配。與測量信號具有相同頻率且可以通過差動電流測量裝置被檢測到的故障電流可用于特別地斷開故障子系統。
[0019]在該實施例中，預先安裝在子系統中的分離裝置是共同使用的。最常見地，該分離裝置是現有的剩余電流裝置(RCD)內的開關裝置。在根據本發明的保護裝置的該實施例中，已經存在子系統中的開關裝置和差動電流測量裝置不是根據本發明的保護裝置的一部分。
[0020]在有利的實施例中，串聯諧振電路的電容和電感被實現為:串聯諧振電路的諧振頻率和測量信號電壓的測量信號頻率一致。
[0021]串聯諧振電路的總電阻僅僅根據諧振頻率情況下的歐姆電阻來確定。如果確定諧振頻率的串聯諧振電路的元件，g卩，電容和電感，被實現為諧振頻率等于測量信號頻率，則諧振耦合電路形成具有串聯諧振電路的歐姆電阻的低電阻返回路徑，由此，由于第二故障形成的測量電路關閉。
[0022]此外，串聯諧振電路的電容和電感被實現為:串聯諧振電路的諧振頻率充分不同于被布置在供電系統中的絕緣監控裝置的絕緣電阻測量頻率，并且充分不同于供電系統的電源頻率。
[0023]基于大多數的IT供電系統配備有絕緣監控設備(M))的事實，串聯諧振電路的電容和電感被選擇為:串聯諧振電路的諧振頻率充分不同于用于絕緣監控設備(IMD)的(絕緣電阻)測量頻率，以便絕緣監控裝置(其也被連接在IT供電系統和地之間)的功能不被干擾。
[0024]測量信號頻率和IT供電系統的電源頻率之間的同樣地足夠大的頻率差具有這樣的優點，可以通過簡單的濾波電路抑制具有與供電系統相同的頻率的可能存在的差動電流部分。
[0025]在另一實施例中，串聯諧振電路的電容比存在供電系統中的系統泄漏電容之和小幾倍
[0026]在這種情況下，系統泄漏電容的波動，特別是在龐大的IT供電系統(其中系統泄漏電容可以取高值因此阻抗值低)中，對諧振頻率的影響可以忽略，這由串聯諧振電路的小幾倍的電容和電感確定。
[0027]有利地，串聯諧振電路的歐姆電阻足夠低，以便諧振耦合電路近似地具有理想電壓源的特征。
[0028]如果串聯諧振電路的歐姆電阻被實現為，測量信號電壓相對于地的近似恒定振幅可以被假定(理想電壓源)以與和測量信號具有相同頻率的且由故障子系統的差動電流測量裝置確定的故障電流的部分相連，則能夠容易地計算出所述子系統中的故障電阻。
[0029]在另一實施例中，諧振耦合電路包括改變測量信號頻率的控制電路，以便測量信號電壓驅動的測量電流的振幅處于最大值。
[0030]通過該措施，現有系統泄漏電容對串聯諧振電路的諧振頻率的影響可以被自動考慮，因為存在于IT供電系統中的系統泄漏電容的和影響測量電流的值。控制電路對突然發生的第二故障的影響反應非常緩慢。因此測量信號頻率可以被調整到已經普遍的運行條件以及到IT供電系統的絕緣狀態。
[0031]有利地，電氣保護裝置包括相位比較器，相位比較器與子系統的差動電流測量裝置相相關，并相對于測量信號電壓的相位確定差動電流測量裝置中檢測的差動電流的相位。
[0032]作為另一組件，電氣保護裝置包括用于待監控的每個子系統的相位比較器，以允許歐姆故障電流和各個子系統中檢測的差動電流內電容泄漏電流之間的區分。相位比較器可以布置在子系統的差動電流測量裝置中。
[0033]優選地，電氣保護裝置包括諧振耦合電路和相位比較器之間的通信信道(30)，通信信道(30)用于傳輸測量信號電壓的相位。
[0034]為了與各個差動電流測量裝置相關聯的相位比較器能夠評估差動電流的相位，電氣保護裝置包括通信信道，通過通信信道，測量信號發生器生成的測量信號電壓的相位被作為參考相位傳輸給相位比較器。
[0035]此外，差動電流測量裝置的差動電流互感器的次級線圈終止于容性負載阻抗，從而和差動電流互感器相連，次級線圈被實現為羅柯夫斯基線圈，并聯諧振電路被形成為被調諧到串聯諧振電路的諧振頻率。
[0036]在電氣保護裝置的該實施例中，差動電流測量裝置是保護裝置的一部分。優選地，使用足夠高的測量信號頻率，以便差動電流測量裝置被實現為差動電流互感器被配置為基于羅柯夫斯基線圈的柔性互感器。
[0037]在另一實施例中，電氣保護裝置包括作為功能組件的用于分離子系統的分離裝置。
[0038]與已經存在子系統中的剩余電流裝置的開關裝置被共同使用的實施例相反，電氣保護裝置可以有用于待監控的每個子系統的“獨立的”分離裝置，分離裝置在功能上與電氣保護裝置相關聯。然后分離裝置構成電氣保護裝置的組成部分。
[0039]此外，目的被包括以下方法步驟的方法所達到:生成具有測量信號頻率的測量信號電壓，通過諧振耦合電路在主系統的一個或多個相位到地之間或從主系統的中性點到地之間施加測量信號電壓，諧振耦合電路包括測量信號發生器和與測量信號發生器串聯的串聯諧振電路，串聯諧振電路的諧振頻率被設置為和測量信號頻率一致。
[0040]從可靠地檢測子系統中的第二故障的發生和能夠有選擇地斷開所述子系統的問題開始，首先，通過測量信號發生器生成具有特定測量信號頻率的測量信號電壓并通過諧振耦合電路將其施加到IT供電系統的主系統。串聯諧振電路的諧振頻率被諧振頻率確定元件電容和電感設置為諧振頻率和測量信號頻率一致。
[0041]由此，能夠在第二故障的情況下，提供具有串聯諧振電路的歐姆電阻的低電阻返回路徑，由此，和測量信號具有相同頻率的、在故障子系統中流動的、并被測量信號發生器驅動的故障電流可以形成封閉的測量