專利名稱：用于交流電網(wǎng)中絕緣及故障電流監(jiān)控的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在交流電網(wǎng)中對絕緣及故障電流監(jiān)控的方法及裝置，其中在交流電網(wǎng)中測量至少兩個(gè)電網(wǎng)導(dǎo)體之間的、由矢量和構(gòu)成的差值電流，并在其中當(dāng)該差值電流超過一預(yù)定響應(yīng)門限值時(shí)，執(zhí)行對負(fù)載的關(guān)斷。
在電網(wǎng)中可能由于絕緣的故障經(jīng)過地或接地保護(hù)導(dǎo)體流過故障電流。由于故障電流在可觸及的、常規(guī)工作時(shí)電壓的部件上產(chǎn)生的電壓降可能危及人身安全(間接接觸)。當(dāng)直接接觸到一個(gè)電流回路中敞開的電壓引導(dǎo)部件時(shí)，可能通過人體流過故障電流，該故障電流僅能受到人體電阻的限制。除人身安全危害外，故障電流可能通過電系統(tǒng)的影響或故障點(diǎn)熱量的形成引起物質(zhì)損失。為了進(jìn)行保護(hù)以免由故障電流引起人身危害及物質(zhì)損失，除另外的保護(hù)措施外將使用故障電流保護(hù)開關(guān)(FI保護(hù)開關(guān)或RCD’s)。這種裝置通過一個(gè)總電流互感器構(gòu)成電網(wǎng)導(dǎo)線電流的矢量和，并由總差值電流的結(jié)果構(gòu)成其幅值。該總差值電流可包含交流電流分量，并在接有直流電流耗電器、如由帶有直流中間回路的變頻器驅(qū)動的情況下也可包含直流分量。當(dāng)該總差值電流超過一預(yù)定極限值或響應(yīng)門限值時(shí)，將使具有故障的電流回路開斷。
根據(jù)有關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的一般知識，故障電流保護(hù)開關(guān)僅能應(yīng)用在有限容量的電網(wǎng)中，因?yàn)榉駝t固有的容性漏電流將大于為了人身保護(hù)所必須的故障電流的極限值。其后果將是負(fù)載的誤斷開或不希望或不需要的負(fù)載斷開。
因此，本發(fā)明的任務(wù)在于設(shè)計(jì)一種前序部分中所述類型的方法，該方法能通過使阻性故障電流與正常容性電網(wǎng)漏電流的區(qū)分也可毫無問題地應(yīng)用于大的交流電網(wǎng)，及在小電網(wǎng)中亦可實(shí)現(xiàn)故障電流的精確監(jiān)測。
為了解決所提出之任務(wù)，給出了一種在權(quán)利要求1前序部分中所述類型的方法，根據(jù)本發(fā)明，該權(quán)利要求特征部分中所描述的特征在于檢測作為第一電網(wǎng)參數(shù)的差值電流交流分量；檢測作為第二電網(wǎng)參數(shù)的至少兩根電網(wǎng)導(dǎo)線之間的、或一根電網(wǎng)導(dǎo)線及一根電位均衡導(dǎo)線或一根中性導(dǎo)線之間的電網(wǎng)交流電壓；及求出差值電流的交流電流分量的幅值與兩個(gè)所檢測的電網(wǎng)參數(shù)之間的相位角的余弦函數(shù)值的乘積來作為阻性故障電流的量度；及當(dāng)所求得的乘積超過一預(yù)定響應(yīng)門限值時(shí)，執(zhí)行對負(fù)載的關(guān)斷。
這樣一種方法可具有所述的多方面應(yīng)用，并且可在單相或多相交流電網(wǎng)中可靠及精確又不受干擾影響地監(jiān)控電網(wǎng)。這尤其也適用于具有相對大固有(容性)電網(wǎng)漏電流的大交流電網(wǎng)，在大電網(wǎng)的情況下至今本專業(yè)領(lǐng)域的觀點(diǎn)是，借助故障電流保護(hù)開關(guān)及總電流互感器不能對此實(shí)現(xiàn)可靠的故障電流及絕緣監(jiān)控。
根據(jù)權(quán)利要求2，通過計(jì)算原則上可實(shí)現(xiàn)所述乘積的直接確定，而權(quán)利要求3至7的措施能以不同的方式實(shí)現(xiàn)該乘積的間接確定，即，根據(jù)權(quán)利要求3、4通過有功功率或根據(jù)權(quán)利要求5、6或根據(jù)權(quán)利要求7通過同步整流來確定。在這些還要詳細(xì)描述的方法中，根據(jù)權(quán)利要求3、4的方法尤為有利，主要因?yàn)樗鼈円材芎唵蔚乜紤]到非電網(wǎng)頻率的故障電流。
在交流電網(wǎng)中不斷地采用經(jīng)常使用的且本身不可控的耗電器，它們可能產(chǎn)生直流漏電流及故障直流電流。這些直流電流可能由電子器件，如整流器、晶閘管、三端雙向晶閘管或晶體管引起；這些電子器件用于交流電壓至直流電壓或至另一頻率的交流電壓的變換。在這些器件后面的絕緣故障的情況下，故障電流包含相當(dāng)大的直流(DC)分量。這種裝置的例子為在電子裝置中日益增長地應(yīng)用的、原邊脈沖控制的開關(guān)電源部件，不停電電源中的變流器或電動機(jī)調(diào)速傳動中的變頻器。
出于可靠的原因，因此特別有利的是不僅能考慮到電網(wǎng)的阻性交流電流，而且可根據(jù)權(quán)利要求8設(shè)置一種全電流檢測的差值電流檢測裝置，也就是，其中也考慮總是作為阻性評價(jià)的直流電流分量的這種裝置。由此即使在現(xiàn)今包含相當(dāng)大直流分量的通用交流電網(wǎng)上也可實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)上多方面及可靠的應(yīng)用。
在這種情況下，可根據(jù)權(quán)利要求9有利地作到將檢測的對交直流傳感的差值電流分解成一個(gè)AC分量及一個(gè)總作為故障電流估值的DC分量，然后由該AC分量根據(jù)上述方法求出阻性AC故障電流信號，并接著對阻性AC及DC故障電流求平方和。最好根據(jù)權(quán)利要求10及11，在AC分量的濾出后立即經(jīng)過一次用于人體保護(hù)的頻率估值，例如一次模仿人體頻率相關(guān)性的低通濾波。
根據(jù)有利的權(quán)利要求12至14，設(shè)置了兩個(gè)不同大小的極限值或響應(yīng)門限值，即用于與求得的阻性故障電流比較的較小門限值，如30mA；及用于與傳感交直流地測得的總差值電流相比較的較大門限值，如300mA。當(dāng)該門限值被超過時(shí)，將執(zhí)行負(fù)載或電網(wǎng)的斷開。該門限值可被調(diào)節(jié)，并根據(jù)權(quán)利要求14可靈合地適應(yīng)于屆時(shí)的電網(wǎng)狀態(tài)。
在大容量電網(wǎng)中，使用迄今設(shè)有人身保護(hù)門限值的故障電流保護(hù)裝置已不能進(jìn)行保護(hù)，因?yàn)橛捎谠O(shè)備結(jié)構(gòu)引起的或在許多情況下無法減小的固有漏電流超過了保護(hù)裝置的門限值。在許多應(yīng)用方面，例如在具有工作中可能受損壞的電纜的施工場所是非常成問題的并在現(xiàn)今仍時(shí)常導(dǎo)致事故。由于在本方法中，對作為總差值電流的阻性故障電流有目的地求值并估價(jià)，就首次地實(shí)現(xiàn)了對人身保護(hù)及設(shè)備保護(hù)相應(yīng)的區(qū)別對待及分開監(jiān)控。類似地，也未知道裝置的技術(shù)解決方案，盡管自從具有配電電網(wǎng)以來，使得FI或故障保護(hù)開關(guān)不能進(jìn)行人身保護(hù)的大漏電電流問題就已經(jīng)存在。
設(shè)置了兩種不同的極限值或響應(yīng)門限值，為了能同時(shí)地實(shí)現(xiàn)人身保護(hù)及設(shè)備保護(hù)，對它們也進(jìn)行不同的頻率估值。迄今僅能單獨(dú)使用具有較低門限值(如30mA)的故障電流保護(hù)措施用于人身保護(hù)或單獨(dú)使用具有較高門限值(如300mA)的設(shè)備保護(hù)措施。并且在公知的無源保護(hù)裝置中至今也不能作到用低通濾波器對于人身保護(hù)進(jìn)行頻率估值及用寬帶濾波器對于設(shè)備保護(hù)進(jìn)行頻率估值，因?yàn)檫@些無源裝置由于所需的靈敏度必須優(yōu)化到電網(wǎng)頻率上并由此具有很小的帶寬(約30Hz至最大1KHz)。僅在用有源故障電流保護(hù)裝置(使用輔助電壓及電子電路)嘗試的情況下，頻率范圍需通過一個(gè)低通濾波器向上限制到約1KHz，因?yàn)樵诰哂懈叽沃C波的電網(wǎng)中該保護(hù)裝置需要由此產(chǎn)生的容性漏電流(及非阻性故障電流)的高次諧波來導(dǎo)致故障釋放。
權(quán)利要求15及16的有利特征可以在一個(gè)設(shè)有電位均衡導(dǎo)線的交流電網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)其功能檢驗(yàn)。這出于可靠性原理是特別有利的，因?yàn)樵陔娢痪鈱?dǎo)線故障時(shí)總電網(wǎng)漏電流或傳感交直流地檢測到的總差值電流會成為對人身有危險(xiǎn)的故障電流。這種危險(xiǎn)情況可根據(jù)權(quán)利要求15這樣地檢測，在電位均衡導(dǎo)線中確定一個(gè)相對大的電流下降、在最壞情況下下降到零。在正常狀態(tài)下，總的差值電流被相應(yīng)地分為保護(hù)導(dǎo)線或電位均衡導(dǎo)線中電阻上的電流及一個(gè)附加接地線中電阻(接地電阻)上的電流。因此在正常情況下在總差值電流及電位均衡導(dǎo)線中的電流之間存在正比關(guān)系。
權(quán)利要求17中的特征可實(shí)現(xiàn)本方法用于三相交流電網(wǎng)的合乎目的的擴(kuò)展。
出于可靠性的原因，根據(jù)權(quán)利要求18在故障狀態(tài)下負(fù)載或電網(wǎng)所有導(dǎo)線均斷開即全開斷是很可取的。這也尤其適合于根據(jù)權(quán)利要求19的進(jìn)一步構(gòu)型，因?yàn)橛纱丝梢员苊怆m然仍具有絕緣故障還可以執(zhí)行重合閘。如果沒有該措施，將會產(chǎn)生多余的且危險(xiǎn)的重復(fù)復(fù)合閘及跳閘。
本發(fā)明還具有的任務(wù)是，即建立一種能實(shí)施根據(jù)本發(fā)明方法的合適裝置。為此目的，設(shè)置了一種裝置，它具有圍繞一個(gè)交流電網(wǎng)的至少兩個(gè)電網(wǎng)導(dǎo)線的差值電流傳感器及一個(gè)差值電流繼電器，一旦差值電流超過一確定的響應(yīng)門限值時(shí)，該差值電流繼電器將通過一個(gè)功率或負(fù)載開關(guān)執(zhí)行負(fù)載或電網(wǎng)的斷開，根據(jù)本發(fā)明該任務(wù)通過權(quán)利要求20特征部分的特征來實(shí)現(xiàn)，即該裝置的特征在于差值電流繼電器具有一個(gè)電子相位組件，它由通過高通濾波器求得的差值電流的交流分量及由電網(wǎng)交流電壓或由其推導(dǎo)出的參考電壓并在考慮相位角的情況下求出誤差電流信號，該信號代表由交流引起的交流電網(wǎng)的阻性故障電流，及在相位組件后接有一個(gè)比較組件，它將故障電流信號與一個(gè)適用于人身保護(hù)的較小響應(yīng)門限值相比較，及當(dāng)該響應(yīng)門限值被超過時(shí)，控制負(fù)載開關(guān)釋放。
該裝置利用相位組件能有效也實(shí)施及實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法。這也尤其適合與權(quán)利要求21的對交流傳感的進(jìn)一步構(gòu)型的優(yōu)選特征相結(jié)合，因?yàn)橛纱丝砷_辟實(shí)質(zhì)上更廣的應(yīng)用范圍并可得到顯著增強(qiáng)的可靠性。這也適合于權(quán)利要求22的特征及由此相關(guān)的對人身保護(hù)(用較小阻性故障電流)及設(shè)備保護(hù)(用較大的總差值電流，它也包括隨電網(wǎng)容量上升的大容性漏電流)的分離監(jiān)測。
基于總電流或差值電流電磁測量原理的故障保護(hù)電路自20年代就已公知。但在60年代才達(dá)到一定的響應(yīng)靈敏度，它基本上可作到用低的響應(yīng)門限值(10至60mA)實(shí)現(xiàn)人身保護(hù)。在德國直至目前僅在標(biāo)準(zhǔn)中描述及采用了對于保護(hù)人身直接或間接接觸的與電網(wǎng)電壓無關(guān)的故障電流保護(hù)裝置。這種與電網(wǎng)電壓無關(guān)的故障電流保護(hù)裝置借助一個(gè)磁芯檢測電網(wǎng)的差值電流，通過電流的電網(wǎng)導(dǎo)線穿過該磁芯，及磁芯具有一個(gè)次邊線圈，在該次級線圈中當(dāng)出現(xiàn)差值電流時(shí)感應(yīng)出一個(gè)電壓。次邊側(cè)這樣地連接，以致其感應(yīng)電壓可以產(chǎn)生出足夠大的電流，該電流然后操作一個(gè)開關(guān)機(jī)構(gòu)，后者用開關(guān)觸頭使電網(wǎng)分?jǐn)?。開關(guān)的釋放系統(tǒng)在電磁上被這樣整定，以使得在一個(gè)固定響應(yīng)門限值時(shí)進(jìn)行釋放(對于人身保護(hù)通常為30mA)。對于開關(guān)觸頭的分離，該所能提供的相對小的操作能量需要在傳感部分及包括機(jī)械部分的電磁系統(tǒng)之間非常靈敏的整定。為了避免靈敏的機(jī)械部分通過時(shí)效關(guān)系變得“難以動作”并在一定情況下響應(yīng)門限值變高到不能釋放開關(guān)，故該系統(tǒng)必須有規(guī)律地“試動作”。這將通過一個(gè)試驗(yàn)按鈕的操作來進(jìn)行，其模擬差值電流并釋放故障電流保護(hù)開關(guān)。但實(shí)踐中該故障電流保護(hù)開關(guān)不會如要求那樣進(jìn)行試驗(yàn)，因此，在故障狀態(tài)下常不能使保護(hù)措施得以保證。
在其中不存在上述缺點(diǎn)的依賴輔助電壓的電子系統(tǒng)至今由于可靠性的原因而不允許被使用。至今的出發(fā)點(diǎn)是，由于電子部件可能出現(xiàn)故障在故障狀態(tài)下將不能使其保護(hù)措施得以保證。
但是本發(fā)明的故障保護(hù)裝置將會克服這種偏見，在這方面它涉及一種特別安全的由待監(jiān)控電網(wǎng)供電的依賴輔助電壓的電子系統(tǒng)。通過不同的措施-尤其是在權(quán)利要求23至27中所述類型的措施-將會實(shí)現(xiàn)極高的功能可靠性，它大大地超過了那些傳統(tǒng)的保護(hù)裝置。因此，根據(jù)權(quán)利要求23，該系統(tǒng)具有持續(xù)的功能自監(jiān)測并當(dāng)出現(xiàn)裝置故障時(shí)使負(fù)載或電網(wǎng)斷開。根據(jù)權(quán)利要求24設(shè)有冗余的供電電壓，它在部分故障時(shí)仍可保持功能有效。還可根據(jù)權(quán)利要求25僅當(dāng)供電電壓故障時(shí)由一個(gè)儲能電容器供電，以便仍能可靠關(guān)斷。
借助權(quán)利要求26的措施可以可靠地監(jiān)測電位均衡導(dǎo)線的功能。該過程可以(但不一定要)對交直傳感來實(shí)現(xiàn)。同樣地，借助權(quán)利要求27的措施也能可靠地監(jiān)測電位均衡導(dǎo)線的功能。
權(quán)利要求28的有利措施，即使用一個(gè)數(shù)字接口，這首次地通過電子電路技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)并開避了一種嶄新的可能性。由此也可以完全使用另外的、在其它方面公知的與可靠性相關(guān)的測量作為另外的關(guān)斷判據(jù)使用。這譬如適用于已關(guān)斷電網(wǎng)的絕緣電阻或故障電流保護(hù)裝置中的接地電阻。由僅在絕緣的IT電網(wǎng)上公知的絕緣監(jiān)測與故障電流保護(hù)裝置的這種組合(可使用于接地并絕緣的電網(wǎng)上)是新穎的并導(dǎo)致了令人意想不到的組合效果。此外，該新型的故障電流保護(hù)裝置今后可以通過監(jiān)測絕緣電阻的變壞執(zhí)行預(yù)防性監(jiān)測的新任務(wù)。因此現(xiàn)在具有這樣的可能性，即通過預(yù)先的維護(hù)或故障查尋可預(yù)防即將到來的跳閘。這由此也特別適合于僅用來預(yù)示設(shè)備變差，因?yàn)榭珊虾跻蟮剡x擇故障電流。
根據(jù)權(quán)利要求29，該裝置的各個(gè)部分可組合成不同的組件。
權(quán)利要求30給出了一種以振蕩回路方式實(shí)現(xiàn)交直流傳感地工作的差值電流傳感器的可能性。
以下將參照多個(gè)附圖來詳細(xì)解釋本發(fā)明，附圖為

圖1根據(jù)本發(fā)明的裝置的一個(gè)電路框圖；圖2用于求解有功或故障電流的、帶有轉(zhuǎn)換符號的同步整流器的電路框圖；圖3用于求解有功或故障電流的、帶有乘法器的同步整流器的電路框圖；圖4基于有功功率測量求解有功或故障電流的電路框圖；圖5以簡化電路框圖表示的根據(jù)本發(fā)明的裝置；以及圖6用于檢測交流及直流分量的一種對交直流傳感的差值電流傳感器的電路的原理圖。
首先根據(jù)由圖5所示的一個(gè)簡化電路框圖對本發(fā)明原理作一般描述。該圖表示一個(gè)接地的單相交流電網(wǎng)，它具有兩根導(dǎo)線-即一根導(dǎo)線L及一根中性導(dǎo)線N-并具有一根電位均衡導(dǎo)線PE。CE及RE表示交流電網(wǎng)(及電網(wǎng)的一個(gè)可能的直流側(cè))的固有容性及阻性或帶有電阻的電網(wǎng)漏電(電網(wǎng)漏阻抗)。該交流電網(wǎng)經(jīng)過一個(gè)全極的、在該情況下為二極的隔離開關(guān)或負(fù)載開關(guān)2與一個(gè)用電裝置形式的負(fù)載V相連接。該連接根據(jù)圖示可經(jīng)由一個(gè)整流器GL的中間電路來實(shí)現(xiàn)。這里CE+和RE+及CE-和RE-表示交流電網(wǎng)的直流側(cè)的固有容性及阻性或帶有電阻的電網(wǎng)漏電(電網(wǎng)漏阻抗)。該用電器的外殼附帶接地，在圖中用接地電阻RG表示。在這里它涉及在電網(wǎng)中所有接地點(diǎn)的總接地電阻。電位均衡導(dǎo)線PE的導(dǎo)線電阻用RPE表示并實(shí)際上與接地電阻RG相關(guān)聯(lián)。
這兩根導(dǎo)線L及N穿過一個(gè)總電流互感器或差值電流傳感器3，它構(gòu)成導(dǎo)線L及N中電流的矢量和，也即它們的差值電流。該差值電流應(yīng)盡可能小，及電網(wǎng)漏阻抗愈小，該差值電流愈大。該差值電流由阻性及容性分量組成，其中阻性分量構(gòu)成故障電流，及容性分量構(gòu)成不可避免的、尤其隨電網(wǎng)容量增長的容性漏電流。
差值電流可能(例如在后接整流器或逆變器的情況下)除純交流電流分量外還包括直流電流分量。當(dāng)差值電流傳感器也應(yīng)檢測到直流電流分量時(shí)，它必須被設(shè)計(jì)成能對交直流傳感。這種能對交直流傳感的差值電流互感器其本身是公知的，并能夠如結(jié)合圖6所描述地工作。
由差值電流傳感器3檢測的差值電流被現(xiàn)有的電位均衡導(dǎo)線PE分流，并流經(jīng)接地電阻RG及流經(jīng)電位均衡導(dǎo)線的線路電阻RPE。
根據(jù)圖5，將在一個(gè)電網(wǎng)供電差值電流或故障電流繼電器形式的求值電路1中，首先測出作為第一電網(wǎng)參數(shù)的電網(wǎng)導(dǎo)線L及中性線N的差值電流的交流分量。接著在該差值電流或故障電流繼電器1測得作為第二電網(wǎng)參數(shù)的電網(wǎng)導(dǎo)線L及中性線N或另一導(dǎo)線之間的電網(wǎng)交流電壓。然后在該差值電流繼電器1中可以確定出第一及第二電網(wǎng)參數(shù)之間的相位角。最后，在該差值電流繼電器1中求出差值電流交流分量的幅值及測得的兩個(gè)電網(wǎng)參數(shù)之間相位角的余弦值之間的乘積。該乘積可由測出的各個(gè)值直接計(jì)算，或不用這種單個(gè)值求解(例如相位角)而用間接方式求解。對于這種間接求解將要在后面詳細(xì)說明。
此外，在差值電流或故障電流繼電器1中對以傳感交直流方式檢測到的差值電流的直流分量進(jìn)行求值及考察，-只要該差值電流傳感器3是以傳感交直流方式工作的。這個(gè)直流電流分量總是作為故障電流評價(jià)的，并能以平方的方式與交流側(cè)的故障電流相加。在對交流及直流電流不同邊界值的情況下也可在一個(gè)分離求值電路中進(jìn)行處理。
差值電流的交流電流分量的幅值和相位角余弦的乘積、也即交流側(cè)阻性故障電流(在必要時(shí)與阻性DC故障電流相加后)與一個(gè)給定的、必要時(shí)可調(diào)整的極限值或響應(yīng)門限值相比較。只要一旦該乘積超出門限值，該差值電流繼電器1將控制一個(gè)功率或負(fù)載開關(guān)2的繼電器，該負(fù)載開關(guān)將使負(fù)載V的所有端子與交流電網(wǎng)分離。
圖1表示一個(gè)詳細(xì)電路圖，尤其是圖5中差值電流繼電器1的詳圖及一個(gè)待監(jiān)控的交流電網(wǎng)。該電網(wǎng)可以是接地的(如現(xiàn)在的情況)或非接地的，它也可涉及具有或沒有直接連接的整流器或逆變器的單相電網(wǎng)或三相電網(wǎng)。通過以交直流傳感方式測量的方法將測得差值電流IΔ，它由電網(wǎng)AC或電網(wǎng)交流部分中的固有容性漏電流組成，及它也包含由于電網(wǎng)AC或DC部分中絕緣故障形成的故障電流。
三相交流電網(wǎng)裝置的區(qū)別僅在于電網(wǎng)部件由所有三相供電，及對于每相均具有將要說明的部件7，9，12，13，18。
該裝置測量電網(wǎng)的差值電流，其為電網(wǎng)對地阻抗的量度。差值電流可包含阻性分量(故障電流)，它是由阻性絕緣故障引起的。
在該例中，該裝置的組成為一個(gè)差值或故障電流繼電器1；一個(gè)交直流傳感的差值電流傳感器3，用于檢測電網(wǎng)差值電流IΔ；第二電流互感器25，用于檢測電網(wǎng)的電位均衡導(dǎo)線PE中的(漏)電流；及一個(gè)功率或負(fù)載開關(guān)2，當(dāng)故障電流或總差值電流的門限值被超過時(shí)，該負(fù)載開關(guān)使電網(wǎng)全部導(dǎo)線與供電部分分離。
在差值電流傳感器3的輸出端(見圖1)形成一個(gè)測量信號IΔ，其正比于穿過該傳感器的導(dǎo)線L，N的差值電流，及包括差值電流的AC分量并在一定情況下也包括其DC分量。在一個(gè)其極限頻率低于電網(wǎng)頻率、例如極限頻率為10Hz的低通濾波器10中，使DC分量IfDC分離出來，該DC分量總是作為阻性故障電流來估價(jià)。
在一個(gè)其極限頻率高于低通濾波器10的極限頻率、例如其極限頻率為15Hz的高通濾波器中，分離出差值電流IΔ的交流(AC)分量IΔAC。接著，該AC分量IΔAC經(jīng)過一個(gè)適合頻率求值的低通濾波器15，該低通濾波器模仿人體對頻率的相關(guān)性。它將實(shí)現(xiàn)IΔAC的相應(yīng)頻率求值。低通濾波器15用于在對電流的接觸敏感性方面模仿人體對頻率的相關(guān)性(例如描述在IEC 60479中)。
差值電流IΔ的AC分量IΔAC(也在頻率求值后)包含(固有的)容性漏電流及可能存在的阻性故障電流IfAC。這兩個(gè)量可借助于AC差值電流及AC電網(wǎng)電壓之間的相位關(guān)系由濾出的AC分量來求得。對此具有許多可能性，后面再詳述。
在該例中，為了求得IfAC，將通過一個(gè)雙相耦合的、電網(wǎng)及電位均衡導(dǎo)體PE之間的分壓器7，8，9及通過一個(gè)電路部分12在其輸出端產(chǎn)生一個(gè)參考電壓或等效電壓Urms，它代表具有恒定有效值的電網(wǎng)電壓U。在一個(gè)相位組件13中將這樣處理等效電壓Urms及差值電流IΔ經(jīng)頻率求值的AC分量IΔAC，即在其輸出端形成阻性故障電流IfAC的直流分量。這意味著，在相位組件13中以間接方式(即不用計(jì)算)求解代表有功分量的、差值電流IΔ的交流分量IΔAC的幅值及相位角余弦之間的乘積。該原理最好依靠有功功率的測量，而不是以單獨(dú)求得相位角為前提的，并將結(jié)合附圖4詳細(xì)說明。
當(dāng)需要時(shí)，在相位組件13中除阻性故障電流外還將求得工作電流(作為差值電流IΔ的AC分量IΔAC的容性分量)。
在一個(gè)加法組件14中，將阻性DC分量IfDC及阻性AC分量IfAC通過求平方和合成一個(gè)總故障電流或總故障電流信號If。該故障電流信號Ip及未處理的總差值電流工IΔ被導(dǎo)入一個(gè)比較組件19，該比較組件可構(gòu)成為分立的電路、微控制器或ASIC。該比較組件19包括兩個(gè)調(diào)節(jié)部分16，17，用于預(yù)給定對于故障電流信號If的一個(gè)較小響應(yīng)門限或極限值Ifg及對于總差值電流IΔ的一個(gè)較大響應(yīng)門限或極限值IΔg。一旦其中的一個(gè)響應(yīng)門限或極限值被超過，該比較組件19將通過一個(gè)邏輯或部件-或門21控制開關(guān)22，后者操作功率或負(fù)載開關(guān)2及執(zhí)行與電網(wǎng)分?jǐn)唷?br> 除了對人身接觸安全性起決定作用的阻性故障電流If外，總工作電流及總差值電流也可用作電網(wǎng)安全狀態(tài)的量度。對于一個(gè)電網(wǎng)工作的安全性有意義的是通過總差值電流來監(jiān)視其視在功率。對此將不需要如差值電流IΔ的交流分量IΔAC那樣用低通濾波器對差值電流IΔ進(jìn)行頻率求值。
通過將阻性故障電流If與如30mA的第一個(gè)較小的響應(yīng)門限或極限值Ifg以及將總差值電流IΔ與如300mA的第二個(gè)較大的響應(yīng)門限或極限值IΔg的分開比較可以在一個(gè)裝置中組合了人身保護(hù)及設(shè)備保護(hù)。
門限值或極限值的預(yù)給定值可以是固定的或可變的。它們也可靈活地適應(yīng)于相關(guān)的設(shè)備狀態(tài)。例如，對于一個(gè)電設(shè)備部分的可接觸判據(jù)是所謂的接觸電壓。國際上規(guī)定其最大極限值為AC SOV或DC120V，并在持續(xù)加載的情況下是無傷害的。為了保持該極限值，工作時(shí)漏電流及總的接地電阻Rerdung的乘積(Rerdung＝RG及RPE的并聯(lián)電阻)總是小于一個(gè)電壓或上述電壓值。這個(gè)條件的保持需要在電網(wǎng)投入運(yùn)行時(shí)，在設(shè)備安裝時(shí)及以規(guī)律的周期進(jìn)行測量檢查。
如果通過一個(gè)數(shù)字接口20、23連接一個(gè)附加裝置，該裝置連續(xù)地測量工作中的總接地電阻并將當(dāng)前測量值通過數(shù)字接口傳送給故障電流防護(hù)裝置，則漏電流的極限值可由下列計(jì)算構(gòu)成IΔgAC＝50V/RerdungIΔgAC＝120V/Rerdung其導(dǎo)線電阻以RPE表示的低阻值電位均衡導(dǎo)線PE在一個(gè)無故障的電網(wǎng)中將保證接觸電壓及由此接觸電流小于允許值。然而，當(dāng)電位均衡導(dǎo)線PE斷路時(shí)，電網(wǎng)的固有漏電流可能成為故障電流。例如這適合于這樣的情況；當(dāng)一個(gè)人接觸地并又接觸到電網(wǎng)正常情況下接地的部分。該接地部分可能由于PE斷路上升到一個(gè)高的接觸電壓上，由此可能形成危險(xiǎn)的故障電流。
在此電位均衡導(dǎo)線PE斷開的情況下，故障電流幾乎是純?nèi)菪缘?，并不能由上述本發(fā)明部分來獲知。為了在此情況下也能可靠地開斷電網(wǎng)，可以通過電流互感器或差值電流傳感器25附加地檢測電位均衡導(dǎo)線PE中的電流IΔPE并通過用作測量值匹配的電路部分24傳送到比較組件19。
除電系統(tǒng)可接觸部分的接地外，可通過與地導(dǎo)電連接點(diǎn)或通過其它導(dǎo)電機(jī)械連接(例如用于冷卻的水管)使這些部分附加地接地。由這種附加接地得到的接地電阻用RG表示。
由差值電流傳感器3測得的總差值電流包括兩種電流IΔPE及IΔG的和。其中在保護(hù)導(dǎo)線或電位均衡導(dǎo)線PE上測得的電流IΔPE根據(jù)關(guān)系式IΔPE＝IΔ-IΔG將正比于總電流IΔ。在電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，我們可以假設(shè)在電位均衡導(dǎo)線電阻RPE及附加接地電阻RG之間具有恒定比例。因此總差值電流的變化總表現(xiàn)為正比于電位均衡導(dǎo)線中電流的變化。該事實(shí)可被利用來當(dāng)電位均衡導(dǎo)線PE故障使漏電流變?yōu)楣收想娏鲿r(shí)也能使電網(wǎng)可靠地分?jǐn)唷?br> 此外，可以通過未示出的穿過電位均衡導(dǎo)線PE的一個(gè)第二電流互感器在RPE及RG的環(huán)路中加入一個(gè)小電流，并通過未示出的也穿過PE的一個(gè)第三電流互感器來監(jiān)測由兩電阻RPE、RG的串聯(lián)形成的環(huán)路電阻。
在故障電流防護(hù)裝置中應(yīng)以盡可能高的可靠性及工作安全性為前提。為此傳統(tǒng)的裝置具有一個(gè)檢驗(yàn)按鈕，它被周期地操作，以檢驗(yàn)保護(hù)措施的可投入使用性。但通常這種必要的檢驗(yàn)極少被應(yīng)用。這將導(dǎo)致通常由電磁作用操作的故障電流防護(hù)開關(guān)在故障情況下經(jīng)常不能釋放。
這里描述的裝置具有多種監(jiān)測機(jī)構(gòu)，它們能保證工作的可靠性。因?yàn)樵撗b置涉及一種與電網(wǎng)電壓相關(guān)的裝置，故必須保證，對超過極限值的故障電流總能導(dǎo)致電網(wǎng)分?jǐn)?，并也能在裝置出現(xiàn)功能故障可能導(dǎo)致故障狀態(tài)下不能分?jǐn)嗟那闆r下也能使電網(wǎng)分?jǐn)唷Ｔ撊蝿?wù)將通過以下措施來解決對差值及故障電流繼電器的供電通過三相電網(wǎng)形成冗余方式。由此可保證，在相故障或中性線故障時(shí)能使該裝置繼續(xù)工作，只要還有兩相或一相及中性導(dǎo)線能供支配就行。
為了當(dāng)所有相故障直只剩下一個(gè)相或當(dāng)單相系統(tǒng)中的中性線故障時(shí)也可保證其保護(hù)功能，將由一個(gè)電網(wǎng)供電的電源部件4的直流供電電壓通過一個(gè)去耦二極管對儲能電容器5充電。當(dāng)內(nèi)部供電電壓中斷時(shí)將由該儲能電容器經(jīng)由Us在一定時(shí)間間隔上對電路部分18，21，22后備地供電。在這段時(shí)間間隔上通過分壓器7，8，9確定是否對地還存有一個(gè)電網(wǎng)導(dǎo)線電壓。如果是這樣，將通過異或門(EXOR)18及再經(jīng)過或門(OR)21和開關(guān)22，用來自儲能電容器5的能量釋放該開關(guān)。如果當(dāng)整個(gè)電網(wǎng)故障時(shí)，由于EXOR門將不會使功率開關(guān)2分?jǐn)唷?br> 對差值電流互感器連接檢驗(yàn)在交直流傳感測量方法中可這樣簡單地進(jìn)行對傳感器中的存在的振蕩波形進(jìn)行監(jiān)測并當(dāng)振蕩頻率改變或振蕩暫停時(shí)可辯認(rèn)出故障。
為了保證功率開關(guān)2真正地閉合，將借助一個(gè)疊加的小直流電流持續(xù)地測量它的線圈電阻。利用同樣的措施可持續(xù)地檢驗(yàn)差值電流互感器3及25的連接。
在數(shù)字接口20、23上可連接絕緣監(jiān)測裝置，它在分?jǐn)酄顟B(tài)下對待監(jiān)測電網(wǎng)的絕緣電阻進(jìn)行監(jiān)測，并當(dāng)絕緣電阻低于一給定值時(shí)，避免功率開關(guān)2的合閘。由此一直避免電網(wǎng)再合閘，直至絕緣電阻再具有可接收的最小值時(shí)。在數(shù)字接口20、23上還可連接一個(gè)已述的用于監(jiān)測電位平衡導(dǎo)線PE的電阻RPE的裝置及連接一個(gè)用于對該保護(hù)裝置的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示或數(shù)字處理的裝置。
阻性的AC故障電流IfAC是一個(gè)有功電流IW。它相當(dāng)于差值電流交流分量的幅值與相位角余弦的乘積，并可直接地計(jì)算或間接地求得。
在直接計(jì)算該有功電流IW時(shí)，將使用比較器及時(shí)間測量裝置來求得差值電流IΔ(t)的交流分量i(t)＝IΔAC(t)及電網(wǎng)交流電壓U(t)之間的相位角。例如可以對過零點(diǎn)及斜率方向求值。通過具有相同斜率符號的兩個(gè)過零點(diǎn)之間的時(shí)間測量可以確定作為第一個(gè)參數(shù)的交流電壓周期T。并可確定出作為第二個(gè)參數(shù)的電網(wǎng)交流電壓U(t)的一個(gè)過零點(diǎn)及隨后的交流電流分量IΔAC(t)(具有相同斜率符號)過零點(diǎn)之間的時(shí)間t。其相位角則可由公式＝t·2π/T計(jì)算出。在求出差值電流IΔ(t)的交流分量IΔAC(t)的幅值(例如通過峰值測量)后，可由下列公式計(jì)算出有功電流IW，即交流側(cè)阻性故障電流IfAC
在三相電網(wǎng)中對于每個(gè)電網(wǎng)相進(jìn)行相位角的確定及根據(jù)公式2的計(jì)算；將每個(gè)結(jié)果進(jìn)行平方和計(jì)算或?qū)⒕哂凶畲笾档膯蝹€(gè)結(jié)果作為結(jié)果值。
實(shí)際上這種直接計(jì)算有功電流IW的方法僅可應(yīng)用于盡可能正弦的信號。隨后高次諧波及噪音分量的增加，正確過零點(diǎn)的確定及與此相關(guān)的相位角求解僅能帶有大誤差地實(shí)現(xiàn)。
以下將參照圖2至4來描述間接求解(即不用計(jì)算)交流側(cè)阻性故障電流IfAC、即有功電流IW的三種方法。
在圖2中i(t)相應(yīng)于漏電流或差值電流IΔ(t)的交流分量i(t)＝IΔAC(t)及U(t)相應(yīng)于電網(wǎng)交流電壓。比較器32的參考電壓URef在以下將規(guī)定為0V。如果交流電壓大于0V，比較器的輸出電壓Us將控制一個(gè)相連的系數(shù)單元30，以使得交流電流分量或交流側(cè)漏電流與一個(gè)恒定系數(shù)如+1相乘。如果交流電壓小于0V，比較器32的輸出電壓這樣地控制，即對i(t)有效的系數(shù)具有相同的幅值但具有相反符號，例如為-1。低通濾波器31在理想情況下構(gòu)成在U(t)的一個(gè)周期上系數(shù)單元30的輸出信號的算術(shù)平均值。
該同步整流器的輸出信號因而由交變的系數(shù)(具有一幅值+1/-1的矩形波)及漏電流i(t)相組合。該交變系數(shù)矩形波的頻譜線是輸入信號的一個(gè)信號分量，它表現(xiàn)為其值為頻譜線幅值的輸出信號分量。這意味著，在幅值為1的系數(shù)矩形中i(t)的所有奇數(shù)頻率分量如下地求值
對于所有m＝2*n+1及n＝0，1，2，3…理想上，應(yīng)該所有相應(yīng)于u(t)頻率奇數(shù)倍的i(t)信號分量被抑制。DC分量也將被抑制。這意味著，相應(yīng)于一個(gè)對稱矩形波的頻譜分量的i(t)中較高頻高次諧波分量僅視為被衰減。
除了該頻率選擇性外存在以上等式中cos()項(xiàng)的相位值特性。
如果u(t)及i(t)為相位移0°的同步信號及i(t)為一個(gè)純正弦波形的交流電流，則有m＝1，cos()＝1，由上式可得I-a=2π·i^]]>這相應(yīng)于一個(gè)全波整流信號的算術(shù)平均值。如果u(t)及i(t)為90°相移的同步信號及i(t)為一個(gè)純正弦波形的交流電流，則有m＝1，cos()＝0，由上式可得Ia＝0。這意味著，漏電流中的容性分量(90°相位移)被抑制。
圖2中方法相對直接計(jì)算方法的優(yōu)點(diǎn)在于，在漏電流中的噪聲及干擾信號得到很好的抑制。但該方法對u(t)中的噪音及干擾信號的響應(yīng)靈敏。并也應(yīng)考慮i(t)中的高次諧波，故會導(dǎo)致結(jié)果值的錯(cuò)誤。
在三相電網(wǎng)中對電網(wǎng)每相應(yīng)使用一個(gè)同步整流器。作為結(jié)果值將使用所有輸出信號的平方和或具有最大值的輸出信號。
在圖3中i(t)同樣相應(yīng)于漏電流或差值電流IΔ(t)的交流分量i(t)＝IΔAC(t)。低通濾波器41具有與圖2中低通濾波器31具有相同功能。如果信號U(t)選擇為一個(gè)與電網(wǎng)交流電壓同步的具有其幅值為1V及其DC分量為0的矩形波信號，則該電路的特性完全相應(yīng)于圖2中的電路特性。如果u(t)相對于地為一個(gè)純正弦、無DC分量、恒定幅值并與電網(wǎng)同步的電壓，則由該電路僅是信號i(t)的基波用于相位求值。DC分量、高次諧波、噪音或干擾信號將被抑制。
假定u(t)幅值為1V及使用一個(gè)無系數(shù)的乘法器40，對于i(t)的電網(wǎng)頻率基波來確定有功電流IW，有
直至系數(shù)為1/2時(shí)，該等式才對應(yīng)于結(jié)合直接計(jì)算中所述的等式。這里，也同樣使用了cos()來求解有功電流IW，但無需知道或cos()的值。
該方法的缺點(diǎn)是局限在對i(t)基波的求值上。但有利的是對干擾電壓及噪音不敏感。并且在u(t)中具有的噪音不象以上所述方法中那樣要緊。
在圖4中，i(t)相應(yīng)于漏電流或差值電流IΔ(t)的交流分量i(t)＝IΔAC(t)及u(t)相應(yīng)于電網(wǎng)交流電壓。功能框52至55將用于由電網(wǎng)電壓U(t)產(chǎn)生出它的保持恒定有效值的模擬信號u′(t)。在此情況下設(shè)有下列功能框乘法器50，低通濾波器51，可調(diào)衰減器52，調(diào)節(jié)放大器53，差值形成器54，PMS值形成器55。
如果u(t)直接與i(t)相乘，其結(jié)果為p(t)，即在漏阻抗中轉(zhuǎn)換的瞬時(shí)功率。如果將p(t)在一個(gè)電網(wǎng)周期的整數(shù)倍上積分(低通濾波器51)，則得到在漏阻抗上轉(zhuǎn)換的有功功率。P=1T·∫1-n*Ti(t)·u(t)dt]]>如果u(t)項(xiàng)現(xiàn)在為具有恒定RMS值(有效值)的u′(t)，則由乘及積分得到的結(jié)果為用于在漏阻抗上轉(zhuǎn)換功率的電流，即有功電流IW。IW=1T·∫1-n*Ti(t)·u(t)URMSdt]]>在i(t)中存在的有功分量的正確檢測應(yīng)在這樣的寬頻帶上進(jìn)行，即如所使用的電路中所允許的，應(yīng)包括所有直流及高次諧波分量在內(nèi)。但直流分量的正確檢測會這樣地受到不良的影響在實(shí)際實(shí)施時(shí)不僅使用了作為U(t)的產(chǎn)生漏電流的電壓源，而且也使用了作為其模擬電壓的網(wǎng)壓。
在三相電網(wǎng)中每個(gè)電網(wǎng)每相構(gòu)成一個(gè)圖4的電路。作為其結(jié)果量或是使用所有輸出信號的平方和或是使用具有最大值的輸出信號。
圖6表示一個(gè)可以檢測差值電流的AC和DC分量的、傳感交直流地工作的差值電流傳感器的實(shí)施例原理圖。對于傳感交流及脈沖的差值電流測量一般使用總電流傳感器，它根據(jù)變壓器原理來檢測被測量。差值直流電流不能使用該測量方法測量，因?yàn)橹绷麟娏鞑荒墚a(chǎn)生變換所需的磁通變化。
一種測量差值直流電流的可能性是對鐵芯的磁化強(qiáng)度(磁通密度B)求值。磁化曲線(B-H曲線)以公知方式給出了一種軟磁材料的磁通密度B與磁場強(qiáng)度H的關(guān)系。在此情況下磁化曲線的變化基本上是零點(diǎn)對稱的。
在一個(gè)總電流互感器中，差值電流產(chǎn)生出磁場強(qiáng)度H，該磁場強(qiáng)度與流過電流的線圈的圈數(shù)及鐵芯中間路徑長度有關(guān)。該磁場強(qiáng)度在鐵芯中產(chǎn)生出磁通B，由該磁通并根據(jù)鐵芯的橫截面積可構(gòu)成磁通密度B。如果差值電流為零，磁通密度B同樣為零(忽略磁滯效應(yīng))。如果總電流傳感器的磁心被差值直流電流磁化，則由磁場強(qiáng)度H產(chǎn)生出一個(gè)磁通密度B，它與所使用的芯體材料有關(guān)。
圖6表示也能檢測差值直流電流的電路的原理圖。該測量的基礎(chǔ)是一個(gè)振蕩回路，其中總電流傳感器用作產(chǎn)生振蕩的單元。根據(jù)圖6，該總電流傳感器由二個(gè)具有相同圈數(shù)但相反繞制的線圈W1及W2組成。由于相反繞制的線圈，磁心在兩個(gè)方向上被交替地磁化，由此使磁化曲線在兩個(gè)方向上完全地被掃過。當(dāng)磁心被流過線圈的電流飽和時(shí)，電路翻轉(zhuǎn)。當(dāng)磁心飽和時(shí)線圈中的電流不發(fā)生變化(線圈電感小到可以忽略)，由此在轉(zhuǎn)換開關(guān)的控制輸入端上不會感應(yīng)出電壓。開關(guān)的斷開將引起在現(xiàn)在斷開的開關(guān)的控制輸入端上形成電壓Ub(固定的直流電源電壓)，對此在現(xiàn)在關(guān)斷的線圈中形成感應(yīng)電壓。因此又使現(xiàn)在斷開的開關(guān)閉合。
由于開關(guān)的交替閉合，在測量電阻Rn上的電流形成一個(gè)電壓降，其頻率相當(dāng)于振蕩頻率。通過這兩個(gè)電壓降差值的形成可以對振蕩器兩支路求值。差值電壓Udif原則上考慮為方波電壓。當(dāng)無差值電流時(shí)，其脈沖占空比為50％，這因?yàn)閺拇呕€的零點(diǎn)開始總是需要相同的時(shí)間來達(dá)到飽和點(diǎn)(振蕩電路的翻轉(zhuǎn)點(diǎn))。
如上所述，差值直流電流引起了磁心的預(yù)磁化。在預(yù)磁化方向上的飽和從時(shí)間上將快于由磁化曲線零點(diǎn)開始的反向飽和的達(dá)到。只要差值電流不使總電流互感器飽和，現(xiàn)在該脈沖占空比將不等于50％，然后可由差值電流和電壓Udif的脈沖占空比的線性關(guān)系來計(jì)算差值電流。兩個(gè)電壓降的差值構(gòu)成將導(dǎo)致其占空比為一個(gè)振蕩電路支路求值時(shí)的兩倍。
由于磁心磁化的零點(diǎn)對稱，圖6中的電路原理也適用于差值交流電流的測量。差值交流電流將“調(diào)制”磁化方波電壓；只要差值電流的頻率小于方波電壓頻率的一半，就能進(jìn)行正確的求值。
因此，這種電路原理可作為交直流傳感的測量原理，其中通過一個(gè)低通濾波器可由方波電壓Udif分解出差值電流的AC及DC分量。以上所述的原理也可有所改變。例如，可以僅使用一個(gè)線圈，該線圈利用持續(xù)反相變換的直流電壓使磁心正向及反向地變換磁化方向。
權(quán)利要求
1.用于交流電網(wǎng)中絕緣及故障電流監(jiān)控的方法，其中在交流電網(wǎng)中測量至少兩個(gè)電網(wǎng)導(dǎo)體之間的、由矢量和構(gòu)成的差值電流，并在其中當(dāng)該差值電流超過一預(yù)定響應(yīng)門限值時(shí)，執(zhí)行對負(fù)載的關(guān)斷，其特征在于檢測作為第一電網(wǎng)參數(shù)的差值電流的交流分量，檢測作為第二電網(wǎng)參數(shù)的至少兩根電網(wǎng)導(dǎo)線之間的、或一根電網(wǎng)導(dǎo)線及一根電位均衡導(dǎo)線或一根中性導(dǎo)線之間的電網(wǎng)交流電壓，求出差值電流的交流電流分量的幅值與兩個(gè)所檢測的電網(wǎng)參數(shù)之間的相位角的余弦函數(shù)值的乘積來作為阻性故障電流的量度；及當(dāng)所求得的乘積超過一預(yù)定響應(yīng)門限值時(shí)，執(zhí)行對負(fù)載的關(guān)斷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于由兩個(gè)所檢測的電網(wǎng)參數(shù)確定這兩個(gè)電網(wǎng)參數(shù)之間的相位角，及計(jì)算差值電流交流分量的幅值與該相位角的余弦值之間的乘積。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于通過有功功率測量來間接地求得差值電流交流分量的幅值與相位角的余弦值之間的乘積。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于在有功功率測量時(shí)，進(jìn)行差值電流交流分量與一個(gè)乘法信號的乘法，并接著構(gòu)成算術(shù)平均值，其中乘法信號相應(yīng)于其有效值保持恒定的電網(wǎng)交流電壓或第二電網(wǎng)參數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于通過同步整流(相位正確的整流)來間接地求得差值電流交流分量的幅值與相位角的余弦值之間的乘積。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于在同步整流時(shí)，進(jìn)行差值電流交流分量與相位有關(guān)的全波整流并接著構(gòu)成算術(shù)平均值。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于在同步整流時(shí)，進(jìn)行差值電流交流分量與一個(gè)乘法信號的乘法并接著構(gòu)成算術(shù)平均值，其中乘法信號是與電網(wǎng)交流電壓或與第二電網(wǎng)參數(shù)對稱的、與電網(wǎng)同步的無直流電壓的方渡信號或恒定幅值的正弦信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中一項(xiàng)的方法，其特征在于，對交、直流傳感地檢測包含交流及直流分量的交流電網(wǎng)的差值電流。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于通過一個(gè)具有低于電網(wǎng)頻率的第一極限頻率，如約15Hz的第一極限頻率的高通濾波器來獲得對交直流傳感地測到的差值電流中的包含容性及阻性成分的交流電流分量，通過一個(gè)具有低于第一極限頻率的第二極限頻率如約10Hz的第二極限頻率的低通濾波器來獲得對交直流傳感地測到的差值電流中作為阻性故障電流信號求值的直流信號分量，及為了求得阻性總故障電流信號對直流側(cè)阻性故障電流信號與由交流電流分量求得的交流側(cè)阻性故障電流信號進(jìn)行平方和計(jì)算。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于為了人身保護(hù)對高通濾波后的差值電流交流分量進(jìn)行與頻率相關(guān)的求值，其中隨頻率的增大求值或考察減少。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其特征在于為了人身保護(hù)使經(jīng)過高頻濾波的差值電流的交流分量進(jìn)行對頻率估值的低頻濾波。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中一項(xiàng)的方法，其特征在于將所求得的阻性故障電流與一個(gè)對人身保護(hù)適用的較小響應(yīng)門限值相比較，將測得的包含交流分量及可能包含附加直流分量的總差值電流與一個(gè)對設(shè)備保護(hù)適用的較大響應(yīng)門限值相比較，及當(dāng)至少一個(gè)響應(yīng)門限值被超過時(shí)，執(zhí)行負(fù)載或電網(wǎng)的斷開。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其特征在于較小的響應(yīng)門限值和/或較大的響應(yīng)門限值是可調(diào)節(jié)的。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其特征在于用于人身保護(hù)的較小的響應(yīng)門限值靈活地與運(yùn)行中存在的電網(wǎng)情況相適應(yīng)，其中測量阻性接地電阻并這樣地調(diào)節(jié)響應(yīng)門限值，即該門限值將相應(yīng)于最大允許的接觸電壓與阻性接地電阻的商。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中一項(xiàng)的用于設(shè)有一個(gè)電位均衡導(dǎo)線的交流電網(wǎng)的方法，其特征在于為了檢驗(yàn)電位均衡導(dǎo)體的功能，對在正常狀態(tài)下作為總差值電流確定分量的流過電位均衡導(dǎo)線的電流進(jìn)行測量，及當(dāng)該電流小于該確定分量時(shí)，執(zhí)行負(fù)載或電網(wǎng)的斷開。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至14中一項(xiàng)的用于設(shè)有一個(gè)電位均衡導(dǎo)線的交流電網(wǎng)的方法，其特征在于為了檢驗(yàn)電位均衡導(dǎo)線的功能，向其中耦合入一個(gè)檢驗(yàn)電流；檢測在正常情況下流過該電位均衡導(dǎo)線及阻性接地電阻的檢驗(yàn)電流；及當(dāng)識別出總接地電阻升高到超過一允許值時(shí)，執(zhí)行負(fù)載或電網(wǎng)的斷開。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至16中一項(xiàng)的方法，其特征在于為了監(jiān)控具有或不具有中性導(dǎo)線的一個(gè)三相交流電網(wǎng)，對于三個(gè)電網(wǎng)導(dǎo)線中的每個(gè)分開地實(shí)行該方法，其中測量作為第一電網(wǎng)參數(shù)的所有三相電網(wǎng)導(dǎo)線差值電流的交流分量，其中還測量每個(gè)電網(wǎng)導(dǎo)線及一個(gè)中性導(dǎo)線之間的三個(gè)電網(wǎng)交流電壓，或在其故障情況下測量每個(gè)電網(wǎng)導(dǎo)線及一個(gè)電位均衡導(dǎo)線之間的三個(gè)電網(wǎng)交流電壓，及其中求解差值電流交流分量幅值及相位角的余弦值之間的相應(yīng)三個(gè)乘積，其中當(dāng)這些乘積中的一個(gè)超過確定的響應(yīng)門限值時(shí)，執(zhí)行負(fù)載的斷開。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至17中一項(xiàng)的方法，其特征在于執(zhí)行負(fù)載或電網(wǎng)所有導(dǎo)線的斷開。
19.根據(jù)權(quán)利要求1至18中一項(xiàng)的方法，其特征在于在由差值電流或故障電流引起的負(fù)載或電網(wǎng)開斷或其它原因的電網(wǎng)開斷后，對被開斷的電網(wǎng)的絕緣電阻進(jìn)行測量并與一個(gè)代表正常狀態(tài)的門限值相比較，并僅當(dāng)所測量的電網(wǎng)絕緣電阻值超過門限值時(shí)，才執(zhí)行對電網(wǎng)的再合閘。
20.用于實(shí)施權(quán)利要求1至19中一項(xiàng)或多項(xiàng)的方法的裝置，具有圍繞一個(gè)交流電網(wǎng)的至少兩個(gè)電網(wǎng)導(dǎo)線的差值電流傳感器(3)及一個(gè)差值電流繼電器(1)，一旦差值電流(IΔ)超過一個(gè)確定的響應(yīng)門限值時(shí)，該差值電流繼電器將通過一個(gè)功率或負(fù)載開關(guān)(2)執(zhí)行對電網(wǎng)的斷開，其特征在于差值電流繼電器(1)具有一個(gè)電子相位組件(13)，它由通過高通濾波器(11)求得的差值電流(IΔ)的交流分量(IΔAC)及由電網(wǎng)交流電壓或由其推導(dǎo)出的參考電壓并在考慮到相位角的情況下求出誤差電流信號(IfAC)，該信號代表由交流引起的交流電網(wǎng)的阻性故障電流，及在相位組件(13)后接有一個(gè)比較組件(19)，它將故障電流信號(IfAC)與一個(gè)適用于人身保護(hù)的較小響應(yīng)門限值(Ifg)相比較，及當(dāng)該響應(yīng)門限值被超過時(shí)，控制負(fù)載開關(guān)(2)釋放。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的裝置，其特征在于差值電流傳感器(3)對交直流傳感地檢測包括交流及交流電流分量的差值電流(IΔ)，與差值電流傳感器(3)相連接的第一低通濾波器(10)的輸出側(cè)輸出一個(gè)故障電流信號(IfDC)，它代表由直流引起的交流電網(wǎng)的阻性故障電流，在高通濾波器(11)及相位組件(13)之間接有一個(gè)對頻率估值的第二低通濾波器(15)，該低通濾波器模仿隨頻率增加而下降的人體頻率相關(guān)性，第一低通濾波器(10)及相位組件(13)的各輸出端與一個(gè)加法組件(14)相連接，該加法組件對兩個(gè)故障電流信號(IfAC，IfDC)求平方和并在其輸出端形成一個(gè)相應(yīng)于總故障電流信號(If)的直流電流信號，及加法組件(14)的輸出端與比較組件(19)的輸入端相連接。
22.根據(jù)權(quán)利要求20及21的裝置，其特征在于比較組件(19)的輸入側(cè)也直接與差值電流互感器(3)相連接以考察總差值電流(IΔ)；及具有兩個(gè)調(diào)節(jié)部分(16，17)，用于預(yù)給定一個(gè)用于故障電流信號(If)的較小響應(yīng)門限值(Ifg)和一個(gè)用于總差值電流(IΔ)的較大響應(yīng)門限值(IΔg)。
23.根據(jù)權(quán)利要求20至22中一項(xiàng)的裝置，其特征在于電子結(jié)構(gòu)的差值電流繼電器(1)具有一個(gè)由交流電網(wǎng)供電的電源部分(4)作為電壓源，并設(shè)有一個(gè)持續(xù)工作的功能自監(jiān)測部分，后者在差值電流繼電器(1)的功能受干擾時(shí)通過差值電流繼電器(1)導(dǎo)致負(fù)載或電網(wǎng)斷開。
24.根據(jù)權(quán)利要求20至23中一項(xiàng)的裝置，其特征在于在三相交流電網(wǎng)的情況下，差值電流繼電器(1)具有一個(gè)設(shè)有電網(wǎng)側(cè)冗余供電的電源部分，用于保證當(dāng)一相故障或一個(gè)中性導(dǎo)線故障時(shí)該差值電流繼電器(1)能繼續(xù)工作，即只要還有兩相或一相及中性導(dǎo)線能供支配就行。
25.根據(jù)權(quán)利要求20至24中一項(xiàng)的裝置，其特征在于具有一個(gè)由電源部分(4)充電的儲能電容器(5)，它在裝置內(nèi)部電源故障的情況下暫時(shí)地提供使差值電流繼電器(1)的各部分(18，21，22)工作的能量，并當(dāng)在多相電網(wǎng)中所有電網(wǎng)相故障僅剩下一個(gè)電網(wǎng)相或在單相電網(wǎng)中其中性導(dǎo)線故障的情況下使負(fù)載開關(guān)(2)釋放。
26.根據(jù)權(quán)利要求20至25中一項(xiàng)的裝置，其特征在于為了監(jiān)測交流電網(wǎng)的電位均衡導(dǎo)線(PE)，設(shè)有一個(gè)圍繞著電位均衡導(dǎo)線(PE)的電流互感器或差值電流傳感器(25)，它與比較組件(19)相連接，其中當(dāng)從電流互感器或差值電流傳感器(25)的輸出信號識別出接地電阻(RG)大于一個(gè)允許值時(shí)則執(zhí)行負(fù)載或電網(wǎng)的斷開。
27.根據(jù)權(quán)利要求20至26中一項(xiàng)的裝置，其特征在于為了監(jiān)測交流電網(wǎng)的電位均衡導(dǎo)線(PE)，使該電位均衡導(dǎo)線穿過兩個(gè)電流互感器；第一電流互感器將一個(gè)小檢驗(yàn)電流外加到由電位均衡導(dǎo)線(PE)及接地電阻(RG)構(gòu)成的環(huán)路中；第二電流互感器檢測該檢驗(yàn)電流；及當(dāng)?shù)诙娏骰ジ衅鞯妮敵鲂盘栃∮谟糜谧R別保護(hù)導(dǎo)線或電位均衡導(dǎo)線的電阻(RPE)大于一個(gè)允許值的一確定分量時(shí)，執(zhí)行負(fù)載或電網(wǎng)的斷開。
28.根據(jù)權(quán)利要求20至27中一項(xiàng)的裝置，其特征在于比較組件(19)與一個(gè)數(shù)字接口(20，23)相連接，在該接口上至少連接一個(gè)附加部分，例如一個(gè)測量數(shù)據(jù)顯示裝置和/或一個(gè)絕緣監(jiān)測裝置，后者監(jiān)測關(guān)斷狀態(tài)時(shí)待監(jiān)控電網(wǎng)的絕緣電阻，亦包括與電網(wǎng)連接的用電器的絕緣電阻在內(nèi)，和/或一個(gè)用于監(jiān)測電位的均衡導(dǎo)體(PE)的電阻的裝置。
29.根據(jù)權(quán)利要求20至28中一項(xiàng)的裝置，其特征在于故障或差值電流繼電器(1)、差值電流互感器(3)及負(fù)載或功率開關(guān)(2)被組合在一個(gè)組件中，或可分為兩個(gè)組件及分離的負(fù)載開關(guān)(2)或分為三個(gè)組件。
30.根據(jù)權(quán)利要求20至29中一項(xiàng)的裝置，其特征在于對交流分量及直流分量進(jìn)行交直流傳感檢測的差值電流傳感器(2)以其公知的方式設(shè)有一個(gè)至少圍繞待監(jiān)測交流電網(wǎng)的兩根電網(wǎng)導(dǎo)線的軟磁鐵芯，其帶有兩個(gè)相同圈數(shù)并相反繞制的線圈(W1，W2)，及還設(shè)有兩個(gè)交替工作的電子開關(guān)(S1，S2)，其中這些部分是一個(gè)振蕩回路的組成部分，及其中輸出側(cè)的振蕩信號代表穿過磁心的傳感交直流的總差值電流。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于交流電網(wǎng)中絕緣及故障監(jiān)控的方法及裝置,其中在交流電網(wǎng)中測量至少兩個(gè)電網(wǎng)導(dǎo)體之間的、由矢量和構(gòu)成的差值電流并當(dāng)該差值電流超過一預(yù)定響應(yīng)門限值時(shí),執(zhí)行對負(fù)載的關(guān)斷,根據(jù)本發(fā)明指出:檢測作為第一電網(wǎng)參數(shù)的差值電流的交流分量,檢測作為第二電網(wǎng)參數(shù)的至少兩根電網(wǎng)導(dǎo)線之間或一根電網(wǎng)導(dǎo)線及一根電位均衡導(dǎo)線或一根中性導(dǎo)線之間的電網(wǎng)交流電壓;求出差值電流的交流電流分量的幅值與兩個(gè)所檢測的電網(wǎng)參數(shù)之間的相位角的余弦值的乘積作為阻性故障電流的量度;及當(dāng)所求得的乘積超過一預(yù)定響應(yīng)門限值時(shí),執(zhí)行對負(fù)載的關(guān)斷。該乘積可直接計(jì)算或最好不識別單個(gè)參數(shù)地間接求得。特別有利的是,在包括差值電流直流分量的情況下對交直流傳感地工作,因?yàn)楝F(xiàn)在的交流電網(wǎng)通常具有顯著的直流分量,其如阻性AC分量那樣成為危及人身安全的故障電流的一部分。根據(jù)本發(fā)明可以作到同時(shí)進(jìn)行人身保護(hù)及設(shè)備保護(hù)。
文檔編號H02H3/33GK1267401SQ98808216
公開日2000年9月20日 申請日期1998年6月15日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月17日
發(fā)明者M·卡默, K·H·考爾, D·哈基 申請人:瓦爾特·本德工程師股份有限兩合公司