选择性地确定非接地供电系统中的局部系统泄漏电容的方法和监测设备与流程

本发明涉及用于选择性地确定由主系统和至少一个局部系统组成的非接地供电系统中的局部系统泄漏电容的方法和监测设备。

背景技术：

当对操作、火灾和接触安全性的要求增加时，使用非接地供电系统的网络配置。在这种网络配置中，供电系统的有源部件相对于“地”与地电位分离-或者经由足够高的阻抗连接到地。因此，这种形式的供电系统也被称为隔离网络(it)或it供电系统。

如果在第一故障实例(例如，接地故障或物理接触)中不会出现危险的故障电流，那么有源部件和地之间的(中性点)阻抗被认为足够高。

非接地供电系统的主要优点在于，在绝缘监测系统连续监测绝缘状态的前提下，即使已经出现第一故障，非接地供电系统也能够在没有规定的时间限制的情况下继续操作；但是，建议尽快消除第一故障。

为了满足快速消除第一故障的要求，绝缘故障定位系统通常用在具有一个主系统和若干局部系统的扩展的、广泛分支的非接地供电系统中。

绝缘故障定位系统主要由一个测试电流产生器以及若干测试电流传感器组成，测试电流产生器产生测试电流并在一个或多个有源导体与地之间的中心位置处将该测试电流馈送到非接地供电系统中，若干测试电流传感器大多数被配置为测量电流互感器并且被布置在待监测的线路出口(局部系统)处，以便在那里捕获局部测试电流，所述测量电流互感器连接到用于评估测量信号的中央绝缘故障评估设备。

为了衡量供电系统是否实际上是非接地的或足够高阻抗的供电系统，不仅要对绝缘电阻进行持续监测，而且还要对预期的系统泄漏电容和用于将连接的操作装置接地的接地系统的布局进行严格监控。

在大多数应用中，对预期的系统泄漏电容和接地系统的监控在规划阶段，在初始操作期间和在重复测试中就足够。

但是，存在对安全性至关重要的电气设施，诸如在铁路应用中，其中系统泄漏电容不能被视为静态量，而是必须被视为也可以经由不同的影响因素在测试间隔内发生临界变化的动态参数，影响因素诸如环境影响(湿度、损害)。

超过系统泄漏电容阈值与本接地系统的电气特性相结合可导致不再满足电气安全性的规范要求。在这些情况下，应该自动关闭非接地供电系统。

但是，这与非接地供电系统的基本概念相矛盾，非接地供电系统基于防止设施在出现第一故障时被关闭以及操作停顿带来的后果。

根据现有技术，做出努力以在重复测试的过程期间确认保护性接地系统是否仍然被适当地配置。例如，操作期间增加的系统泄漏电容可导致保护性接地系统不再与操作条件对应。

不幸的是，这部分的重复测试不能在电气设施的运行操作期间执行。取决于待测试的供电系统的扩展和复杂性，在这种情况下估计需要相当长的时间要求和对应的操作停顿持续时间。

而且，如果仅在某些操作状态下发生系统泄漏电容增加，那么在重复测试期间发现这种可能危险的可能性就会非常小。

在实践中使用的另一种可能的解决方案包括使接地系统过大。使保护性导体横截面从一开始就过大，使得即使出现在操作期间预期的系统泄漏电容的波动时也满足规范要求。取决于相应的应用，这种可能性不能以经济上可行的方式执行。根据经验，设计者和电气设施的操作员都不足够熟悉重要的相关系统参数(诸如系统泄漏电容及其波动范围)是有问题的。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种解决方案，通过该解决方案，可以捕获非接地供电系统的系统泄漏电容的安全性至关重要的变化，而无需要求关闭整个非接地供电系统，关闭整个非接地供电系统将会涉及操作停顿。

该目的通过一种方法来实现，该方法包括以下方法步骤：确定供电系统的整体绝缘电阻；确定供电系统的整体系统泄漏电容；连续产生并馈送测试电流到主系统中；在待监测的每个局部系统中捕获局部测试电流；确定每个捕获的局部测试电流的欧姆和电容性局部测试电流部分；根据整体绝缘电阻、根据整体系统泄漏电容、根据测试电流以及根据欧姆和电容性局部测试电流部分，确定待监测的每个局部系统的局部绝缘电阻和局部系统泄漏电容；关于局部绝缘电阻降至低于局部绝缘电阻阈值，评定识别出的局部绝缘电阻；以及关于局部系统泄漏电容超过局部系统泄漏电容阈值，评定识别出的局部系统泄漏电容。

关于防止整个非接地供电系统的关闭，本发明的基本思想有利地基于识别在哪个局部系统中已经发生了局部系统泄漏电容的临界增加。

为此目的，通过扩展的绝缘监测系统，在操作期间连续地确定供电系统的整体绝缘电阻和整体系统泄漏电容。除了绝缘电阻监测的实际任务之外，在扩展的绝缘监测系统中还识别供电系统的整体系统泄漏电容。在以下方法步骤(见下文)中参考该整体系统泄漏电容来计算对某个局部系统有效的局部系统泄漏电容。

同时，测试电流产生器连续地产生测试电流并在一个或多个有源导体与地之间的中心位置处将测试电流馈送到非接地供电系统中。

通过优选地被实现为测量电流互感器的测试电流传感器，在待监测的每个局部系统中捕获局部测试电流。

作为对已知的绝缘故障定位设备的补充并且根据本发明，扩展的绝缘故障定位系统被配置为–除了典型的欧姆局部测试电流部分的确定之外–还用于确定每个识别出的局部测试电流的电容性局部测试电流部分。

以这种方式，对于待监测的每个局部系统，由于在局部系统中集中供应的测试电流而流动的局部测试电流因此被捕获，并且欧姆局部测试电流部分和电容性局部测试电流部分基于此被确定。

在包括阻抗评估单元和阻抗评定单元的阻抗评估系统中，在后续步骤中评估和评定整体绝缘电阻、整体系统泄漏电容、测试电流以及欧姆和电容性局部测试电流部分，以便确定对于各个局部系统有效的局部绝缘电阻和有效的局部系统泄漏电容。

为此目的，基于所供应的测试电流的信号形状及其相应的参数，诸如振幅、频率和相位(在正弦形测试电流中)或脉冲持续时间(在脉冲形状的方波测试电流中)和根据整体绝缘电阻(复值整体系统泄漏阻抗的实部)和根据整体系统泄漏电容(复值整体系统泄漏阻抗的虚部)以及依据欧姆定律和线性系统中有效的电流和电压之间的关系(分流规则)的应用从捕获的局部测试电流确定的欧姆和电容性局部测试电流部分，为每个待监测的有效局部系统识别局部绝缘电阻和局部系统泄漏电容。

在阻抗评定单元中，随后关于局部绝缘电阻降至低于局部绝缘电阻阈值评定识别出的局部绝缘电阻，并且关于局部系统泄漏电容超过局部系统泄漏电容阈值评定识别出的局部系统泄漏电容。识别何时超过/降至低于某个值与为各个局部系统发出警报消息的任务相关联。

该方法确保了关于电气参数(特别是绝缘电阻和系统泄漏电容)的安全性至关重要的变化，对非接地供电系统在时间上连续监测的操作。

根据本发明的方法使能适于每个局部系统的非接地供电系统的选择性的、预见性的并因此预测性的维护。

在电气设施的操作期间，电缆区段(局部系统)可以通过局部系统泄漏电容的临界增加而被确定，并且因此迫切需要维护的局部系统可以被分配给可用的、通常有限的维护预算。

如果不应用根据本发明的方法，当已经确认临界整体泄漏电容(仅在特定时间)并且必须单独地分离和测量所有局部系统时，必须使整个电气设施离线。一方面，这种方法昂贵且耗时，另一方面，它不能在需要100％可用性的不同应用中执行。

而且，根据本发明的方法提供了选择性地关闭经过严格评定的局部系统的技术要求，使得未被评定为临界的电气设施的其余部件的操作可以继续在没有阻碍的情况下操作。

在另一个实施例中，对于已经确认已经降至低于局部绝缘电阻阈值或者已经超过局部系统泄漏电容阈值的局部系统被关闭。

如果一个或多个局部系统由于降至低于局部绝缘电阻阈值或超过局部系统泄漏电容阈值而被识别为临界的，则相应的(一个或多个)局部系统被关闭。所有其它设施部件不受选择(一个或多个)局部系统的这种局部系统选择性关闭的影响，并且可以在其操作中继续不受阻碍。

测试电流可以包括正弦形进度，局部系统中的欧姆和电容性局部测试电流部分通过评估局部测试电流的相位而被确定。

替代地，测试电流可以具有方波进度，局部系统中的欧姆和电容性局部测试电流部分通过评估局部测试电流的时间上连续的信号区段、正在被评估的局部测试电流的稳定状态和稳定过程的振幅进度来确定。

取决于所产生的测试电流的信号形状，参考不同的方法来确定欧姆和电容性局部测试电流部分。

在正弦形测试电流的情况下，捕获的局部测试电流可以被视为复值量，其中欧姆局部测试电流部分作为实部并且电容性局部测试电流部分作为虚部。因此，电容性局部测试电流部分根据关于所供应的测试电流的相移而产生。

在方波测试电流的情况下，评估时间上连续的信号部分的振幅进度，即，直接在捕获的局部测试电流之后的稳定过程和稳定状态的振幅进度。

评估可以在时域中执行，或者在相应的信号变换之后在频率级别中执行。

在执行根据本发明的方法时，该目的还通过用于选择性地确定由主系统和至少一个局部系统组成的非接地供电系统中的局部系统泄漏电容的监测设备来实现，所述监测设备根据本发明包括以下：扩展的绝缘监测系统，被配置为用于确定供电系统的整体绝缘电阻和整体系统泄漏电容；扩展的绝缘故障定位系统；用于连续产生并馈送测试电流到主系统中的测试电流产生器，具有用于捕获待监测的每个局部系统中的局部测试电流的测试电流传感器，并且具有测试电流传感器连接到的绝缘故障评估设备；所述扩展的绝缘故障定位系统被配置为用于确定每个捕获的局部测试电流的欧姆和电容性局部测试电流部分，并且所述监测设备还包括阻抗评估系统，该阻抗评估系统包括用于根据整体绝缘电阻、根据整体系统泄漏电容、根据测试电流和根据欧姆和电容性局部测试电流部分来确定待监测的每个局部系统的局部绝缘电阻和局部系统泄漏电容的阻抗评估单元，以及包括用于关于局部绝缘电阻降至低于局部绝缘电阻阈值评定识别出的局部绝缘电阻和关于识别出的局部系统泄漏电容超过局部系统泄漏电容阈值评定识别出的局部系统泄漏电容的阻抗评定单元。

根据本发明的监测设备的基本的、高级功能单元(“系统”)首先是扩展的绝缘监测系统，其次是包括测试电流产生器、测试电流传感器和绝缘故障评估设备的扩展的绝缘故障定位系统，并且第三是包括阻抗评估单元和阻抗评定单元的阻抗评估系统。

为了连续产生和供应测试电流，可以使用扩展的绝缘监测系统的固有可用的测量电流产生器。在这种情况下，扩展的绝缘监测系统的测量电流产生器补充或替代扩展的绝缘故障定位系统的测试电流产生器。

功能上扩展的绝缘监测系统与通用的绝缘监测设备的不同之处在于，除了典型的整体绝缘电阻的确定之外，它还附加地被配置用于监测(确定)非接地供电系统的整体系统泄漏电容。

与仅在(第一)绝缘故障出现之后才被激活的典型绝缘故障定位系统相比，扩展的绝缘故障定位系统的测试电流产生器或扩展的绝缘监测系统的测量电流产生器连续地将测试电流馈送到非接地供电系统中。扩展的绝缘故障定位系统不仅被配置用于根据幅度确定局部测试电流(与现有技术中已知的定位系统相比)，而且还能够根据捕获的局部测试电流来确定欧姆局部测试电流部分和电容性局部测试电流部分。

在阻抗评估单元中，阻抗评估系统完成根据整体绝缘电阻和整体系统泄漏电容的量(所述量由扩展的绝缘监测系统提供)以及根据测试电流及其参数的量(所述量由扩展的绝缘故障定位系统提供)以及根据识别出的欧姆和电容性局部测试电流部分来确定待监测的每个局部系统的局部绝缘电阻和局部系统泄漏电容的任务。

最终，阻抗评估系统的阻抗评定单元的任务是评定局部绝缘电阻和局部系统泄漏电容，并且在降至低于或超过阈值的情况下，为相应的(一个或多个)局部系统发出警报信号。

在另一个实施例中，监测设备包括控制和关闭设备，该控制和关闭设备被配置为用于关闭已经确认局部绝缘电阻已降至低于局部绝缘电阻阈值或系统泄漏电容已超过局部系统泄漏电容阈值的局部系统。

如果阻抗评定单元由于局部绝缘电阻太低或局部系统泄漏电容太高而将局部系统评定为临界的，则控制和关闭设备关闭相应的局部系统(或被识别为临界的若干局部系统)。在这种上下文中，根据由阻抗评定单元产生的警报消息来控制分散在局部系统中的局部系统关闭设备。

附图说明

实施例的其它有利特征可以从以下描述和附图中得出，这些描述和附图借助于示例描述了本发明的优选实施例。在下面，

图1图示了根据本发明的具有监测设备的非接地供电系统，

图2图示了当供应正弦形测试电流时局部测试电流的相位评估，

图3图示了当供应方波测试电流时评估局部测试电流的时间进度，以及

图4图示了根据本发明的监测设备的功能框图中的一般方法过程。

具体实施方式

在图1中，图示了非接地供电系统2，其具有根据本发明的监测设备10。供电系统2由主系统4和n个局部系统6组成。每个局部系统6的特征在于局部绝缘电阻re和局部系统泄漏电容ce；主系统4的泄漏阻抗在本图示中被忽略，并且局部绝缘电阻re和局部系统泄漏电容ce在实践中对于局部系统6是不同的。

监测设备10包括作为高级功能单元的扩展的绝缘监测系统20、扩展的绝缘故障定位系统30和阻抗评估系统40。

扩展的绝缘监测系统20在主系统4的至少一个有源导体l和地pe之间切换，并且监测供电系统2的整体绝缘电阻reges。整体绝缘电阻reges从存在于供电系统中的所有局部绝缘电阻re的并联电路产生并且对应于总计的局部绝缘电导1/re的倒数。作为附加功能，扩展的绝缘监测系统20确定供电系统2的整体系统泄漏电容ceges。该整体系统泄漏电容ceges经由所有局部系统泄漏电容ce的并联电路实现并且对应于局部系统泄漏电容ce的总和。

扩展的绝缘故障定位系统30包括测试电流产生器32，该测试电流产生器32以与扩展的监测系统20相同的方式在主系统4的至少一个有源导体l与地pe之间切换，并且连续地将测试电流ip馈送到主系统4中。在所示的示例性实施例中，测试电流产生器32被构造性地分配给扩展的绝缘故障定位系统30。为了连续地产生和供应测试电流ip，扩展的绝缘监测系统20的测量电流产生器也可用于测试电流产生器32的功能。

该测试电流ip被设置在局部系统6中的测试电流传感器36捕获，作为局部测试电流ie，相应的局部系统6中捕获的局部测试电流ie的幅度取决于相应的局部系统6的局部绝缘电阻re和局部系统泄漏电容ce。测试电流传感器36连接到扩展的绝缘故障定位系统30的绝缘故障评估设备34，以便评估测量信号。

每个局部系统6的捕获的局部测试电流ie可以被分成经由局部绝缘电阻re流动的欧姆局部测试电流部分ire和经由局部系统泄漏电容ce流动的电容性局部测试电流部分ice。因此，扩展的绝缘故障定位系统30被配置为使得不仅可以确定欧姆测试电流部分ire，而且可以确定电容性局部测试电流部分ice。

阻抗评估系统40包括用于确定待监测的每个局部系统6的局部绝缘电阻re和局部系统泄漏电容ce的阻抗评估单元42。除了测试电流ip之外，由扩展的绝缘监测系统20识别出的整体绝缘电阻reges和识别出的整体系统泄漏电容ceges以及由扩展的绝缘故障定位系统30识别出的欧姆局部测试电流部分ire和电容性局部测试电流部分ice也包括在局部绝缘电阻re和局部系统泄漏电容ce的计算中(参见图4)。

此外，阻抗评估系统40包括阻抗评定单元44，其中在阻抗评估单元42中计算出的局部绝缘电阻re和局部系统泄漏电容ce的量针对待监测的每个局部系统6关于降至低于(re)阈值或超过(ce)阈值经受评定。如果确立降至低于或超过阈值，则该状态被分类为临界的，并且随后发出相应的局部系统6的警报消息46(图4)。

在图2中，在扩展的绝缘故障定位系统30中执行的相位评估图示了在供应正弦形测试电流ip时用于识别欧姆和电容性局部测试电流部分ire，ice的捕获的局部测试电流ie。利用测试电流ip的相位位置作为参考相位，电容性局部测试电流部分ice的大小可以被确定为相位角phi的函数。

图3图示了在扩展的绝缘故障定位系统30中执行的、在供应方形波测试电流ip时用于识别欧姆和电容性局部测试电流部分ire，ice的捕获的局部测试电流ie的时间进度的评估。关于参数(诸如上升时间、稳定时间或最大过冲)分析在局部测试电流ie的稳定阶段t1中的振幅进度，并且基于此，可以得出电容性局部测试电流部分ice的幅度。为了尽可能地消除随机干扰影响，观察若干个稳定过程。

类似地，评估稳定状态t2的振幅进度，以便能够在电容性局部测试电流部分ice已经稳定之后确定欧姆局部测试电流部分ire。

在图4中，在根据本发明的监测设备10的功能块切换图中图示了一般方法过程。

扩展的绝缘监测系统20提供整体绝缘电阻reges和整体系统泄漏电容ceges；扩展的绝缘故障定位系统30提供测试电流ip、欧姆局部测试电流部分ire和电容性局部测试电流部分ice。根据这些量，阻抗评估系统40的评估单元42计算待监测的每个局部系统6的局部绝缘电阻re和局部系统泄漏电容ce。阻抗评估系统40的评定单元44评定局部绝缘电阻re和局部系统泄漏电容ce是否由于降至低于局部绝缘电阻阈值或超过局部系统泄漏电容阈值而存在临界状态并为相应的局部系统6发出警报消息46。

经由可选的控制和关闭设备50，可以对应于由阻抗评估系统40的评定单元44生成的警报消息46来切换临界的局部系统6。