供电系统的绝缘电阻和保护导体电阻监控的组合监控设备的制作方法

1.本实用新型涉及一种用于供电系统中的绝缘电阻监控和保护导体电阻监控的组合监控设备，供电系统包括接地供电系统和非接地供电系统。


背景技术：

2.为了操作电消耗器和操作装置(在下文中，术语消耗器将用作电消耗器和操作装置的上位术语)，将采取用于保护免受触电的适当保护措施-例如，如国际标准iec 61140中限定的。
3.考虑到这一点，当消耗器以可再充电能量存储器(蓄电池/电池或电容器)和危险的高系统电压操作时，在消耗器一方面在非接地网络状态下操作以及另一方面在接地网络状态下操作时，需要保护措施。
4.在非接地网络状态下操作期间—例如，当驾驶电动车辆时—没有与外部电源的电流连接，以及操作中的电气设施—例如，电动车辆的电气系统(电池铅板)—可被视为具有作为电源的充电的能量存储器的(移动的)非接地供电系统。
5.每个非接地供电系统需要适合的绝缘监控作为根据标准iec 61557-8的保护措施。根据此规范，绝缘监控设备(imd)是强制性的，其连续地监控绝缘电阻(待监控网络的电阻，包括所有消耗器到连接到其的地的电阻)。
6.在电动车辆行驶中，例如经由安装在电动车辆中的绝缘监控设备来监控绝缘电阻。
7.供电系统的绝缘可以经由有源或无源测量方法来监控。
8.在本文所检查的有源测量方法中，借助于用作有源绝缘监控设备的监控设备将测量电压(测量信号)施加在待监控网络上。从测量电压产生的测量电流流经单独的绝缘电阻rf+和rf-(例如在直流网络中)，并且经由接地连接(通常为保护导体，或者在电动车辆的情况下，为车身)返回，并且在绝缘监控设备中被评估。如果从重新测量的测量电流计算出的绝缘电阻低于为专门针对设施指定的绝缘电阻阈值(响应值)，则触发报警信号。这也允许识别对称的绝缘故障，这与不提供分别生成的测量信号的无源测量方法形成对比。
9.在接地网络状态下的操作期间，例如在充电时，消耗器被电流地连接到接地供电系统。对于接地网络的此网络配置，安装将所有导电的可触摸部分连接到接地供电系统的接地系统的有效保护导体(pe导体)作为根据iec60364-41-1标准的免受触电的保护措施。
10.关于其连续性，保护接地连接要连续地被监控。在接地网状态下操作时，如果出现绝缘故障，则由此产生的故障电流经由保护导体放电，并且防止危险的高接触电压。在这种情况下的条件是保护导体以足够低的阻抗连接到供电系统的接地系统。为了确保这种足够低的阻抗，可以通过适当的保护导体电阻测量或保护导体阻抗测量来监控保护导体，经由接地供电系统的中心接地点和有源导体(外部导体或中性导体)来测量电阻/阻抗。保护导体电阻和/或阻抗的测量还具体地包括作为返回导体的有源导体。这允许假定有源导体具有低阻抗。因此，在下文中，当使用术语pe电阻或保护导体电阻时，指的是整个回路电阻。
11.从现有技术中已知，使用彼此单独地起作用的分离的监控设备来监控两个安全有关的网络参数绝缘电阻和保护导体电阻。
12.在电力驱动的领域中，相应地由标准iec61851-1规定，在对电动车辆的能量存储器充电时，使用额外的信号接触点cp(控制导向)作为用于监控保护导体的辅助导体。然而，缺点是未作出关于保护导体连接的质量即pe导体的电阻尽可能低的陈述。
13.从现有技术中已知的解决方案的缺点在于，为了监控绝缘和保护导体，在每种情况下需要分立的、单独起作用的监控设备。这导致高的制造和安装成本以及较大的安装空间。特别是在电力驱动的领域中，在将消耗器与供电系统连接时，还必须提供用于监控保护导体的每个标准所需的信号触点。


技术实现要素：

14.因此，本实用新型的目的是设计一种监控设备，使得能够以关于成本、能耗、安装空间和重量的有效方式监控接地供电系统的保护导体电阻和非接地供电系统的绝缘电阻。
15.根据本实用新型，此目的通过具有一种用于监控绝缘电阻和保护导体电阻的组合监控设备来实现，该组合监控设备包括：耦接电路，所述耦接电路用于经由耦接点耦接到所述接地供电系统的一个或多个有源导体；有源监控设备，所述有源监控设备包括用于监控所述供电系统的非接地网络状态中的绝缘电阻的第一操作模式和用于监控所述供电系统的接地网络状态中的保护导体电阻的第二操作模式，以及评估单元，所述评估单元根据所述非接地网络状态或接地网络状态在所述第一操作模式和所述第二操作模式之间是可切换的，并且被配置用于在所述第一操作模式中测试所述绝缘电阻和在所述第二操作模式中测试所述保护导体电阻。
16.上述设计描述了第一实施例(基本配置)，其特征也是第二和第三实施例的部分。
17.本实用新型基于以下发现，即，将待使用的监控方法应用于对应的供电系统的有源导体和保护导体系统/地/车身之间，用于两个监控任务：一方面在消耗器与供应接地供电系统(例如在驾驶电动车辆时的非接地网络状态/操作)断开时进行绝缘监控，以及另一方面在连接到接地供电系统(例如在充电时的接地网络状态/操作)时进行保护导体监控。在两种操作情况下，可以通过施加测量电压来检测电阻：在非接地操作时，待检测电阻是绝缘电阻，在接地操作时，它是保护导体电阻。
18.根据现有技术，绝缘监控设备安装在非接地供电系统，例如电动车辆的电池网络中，如果此网络电流地连接到接地供电网络，则必须切断此绝缘监控设备。否则，绝缘监控设备将被触发，因为非接地网络与接地网络的连接—例如通过插入充电电缆—将导致非接地网络被转换成接地网络，并且测量的绝缘电阻将变为零。
19.由于安装的绝缘监控设备因此而在接地操作中停止用于检测绝缘电阻的服务，所以绝缘监控设备可以在接地操作期间用作有源监控设备，用于监控本实用新型所展望的保护导体的连续性(低阻抗)。
20.这些考虑导致本实用新型的主题是一种组合监控设备，其根据待监控网络切换或被切换到所需的保护功能(监控绝缘电阻或保护导体电阻)，即，适应于接地/非接地网络配置，并且因此确保跨接地和非接地操作中(例如在充电时或在操作性驾驶操作中)的所有功能的免受触电的保护。
21.为此，组合监控设备布置在用于经由耦接点耦接到接地供电系统的一个或若干个有源导体的耦接电路之上，并且布置在有源监控设备之上。
22.有源监控设备具有用于在供电系统的非接地网络状态中监控绝缘电阻的第一操作模式和用于在供电系统的接地网络状态中监控保护导体电阻的第二操作模式，以及包括评估单元，评估单元能够根据非接地或接地网络状态在第一操作模式和第二操作模式之间切换并且被配置用于在第一操作模式中测试绝缘电阻以及在第二操作模式中测试保护导体电阻。
23.通过将两种用途组合在组合监控设备中或者通过使用以多种方式实现此组合监控设备的设备，可以以有利的方式降低成本、能耗和重量，并且存在对安装空间的较少需求。在迄今为止仍然需要彼此分离和独立地起作用的两个监控设备的情况下，对电气安全的要求可以由仅一个(组合的)设备来满足。
24.例如，这些因素在汽车产业中扮演着日益重要的角色。组合监控设备可以服务于另一个市场部门并且可能生成竞争优势。
25.考虑到电力驱动，另一优点显现出来，因此不需要用于监控保护导体电阻的额外信号触点。除了充电站和家庭充电站之外，电动车辆因此可以在几乎所有的普通电钩接处充电。
26.当使用组合监控设备时，接地供电网络是根据iec标准(50hz：ac 230v；3ac 400v；3nac 400v/230v)还是ul标准(60hz：ac 120v；2ac 240v)的供电网络并不重要。
27.根据本实用新型的组合监控设备通常可以用于所有应用环境，其中可以以有针对性的方式将接地网络切换到非接地网络，反之亦然。这通常可以在所有可能的非接地供电系统中发生，诸如不间断供电、微电网或者在电力驱动的领域。
28.在另一实施例中，有源监控设备包括开关信号输入，用于借助于外部开关信号在第一操作模式和第二操作模式之间切换。
29.因此，根据监控任务并且因此取决于待监控供电系统的网络状态，进行借助于手动或自动产生的外部开关信号的开关的动作。
30.有利地，评估单元被配置用于在第一操作模式中测试是否低于可设置绝缘电阻阈值，以及用于在第二操作模式中测试是否超过可设置保护导体电阻阈值。
31.取决于监控任务，在评估单元中将可设置电阻阈值解释为绝缘电阻阈值或保护导体电阻阈值，并且关于检验识别的绝缘电阻或保护导体电阻是否低于或超过阈值而测试可设置电阻阈值。
32.另外，组合监控设备包括开关设备，开关设备连接在耦接点的上游，用于断开接地供电系统的有源导体，以在非接地供电系统中检测到不允许的低绝缘电阻的情况下，防止接地供电系统被操作。
33.根据第二实施例，组合监控设备有利地包括第一负载继电器和第二负载继电器，第一负载继电器相对于由组合监控设备的输入和输出确定的方向连接在耦接点的上游，用于断开接地供电系统的有源导体，以及第二负载继电器连接在耦接点的下游，用于断开接地供电系统的有源导体。
34.第一负载继电器和第二负载继电器使得能够在组合监控设备上交替地操作待测试网络，同时断开另一网络。因此，断开待测试网络由第一和第二负载继电器的开关状态确
定。
35.根据有利的第三实施例，组合监控设备包括负载继电器和转换继电器，负载继电器用于断开接地供电系统的有源导体，转换继电器经由第一耦接点将有源导体连接到负载继电器上游的耦接电路，用于监控接地供电系统，或者经由第二耦接点将有源导体连接到负载继电器下游的耦接电路，用于监控非接地供电系统。
36.作为具有两个负载继电器的第二实施例的设计的替代，仅一个负载继电器可以连同转换继电器操作待测试网络并且断开存留网络。为此，转换继电器经由负载继电器上游/下游的第一/第二耦接点连接到非接地供电系统的有源导体，以将对应的网络连接到耦接电路。
37.与具有两个负载继电器的实施例相比，使用转换继电器证明是就成本和安装空间而言甚至更有利的备选方案，因为负载继电器与转换继电器相比需要切换负载电流。
38.优选地，组合监控设备包括电压测量设备，用于测量接地供电系统中的一个或若干个开关电压，并且用于当开关电压或从组合多个开关电压得出的开关电压超过可设置开关电压阈值时将评估单元-以及上位的有源监控设备-自动切换到用于监控保护导体电阻的第二操作模式，以及当低于开关电压阈值时自动切换到用于绝缘监控的第一操作模式。
39.与借助于外部开关信号经由开关信号输入的切换选项互补，操作模式可以自动地切换到在组合监控设备中内部的第二操作模式pe监控。为此，电压测量设备测量供应接地供电系统中的至少一个开关电压。如果测量的开关电压或从组合多个开关电压得出的开关电压超过可设置开关电压阈值，则可以假设，接地供电系统与其电网电压连接，并且电压测量设备触发评估单元以切换到第二操作模式pe监控。如果紧接着低于开关电压阈值，则优选地，评估单元在可设置延迟时间(滞后)之后切换回到第一操作模式绝缘监控。
40.对应的测量的开关电压是经由接地供电系统的两个任意有源导体之间的测量点的导体-导体电压，或者是经由接地供电系统的任意有源导体和保护导体之间的测量点的导体-地电压。
附图说明
41.从以下使用示例描述本实用新型的优选实施例的描述和附图中得出进一步有利的实施例特征。下面，
42.图1示出根据现有技术的用于绝缘电阻监控和保护导体电阻监控的监控系统，
43.图2示出作为第一实施例(基本配置)的根据本实用新型的组合监控设备，
44.图3示出根据本实用新型的具有电压测量和两个负载继电器的组合监控设备的第二实施例，
45.图4示出根据本实用新型的具有电压测量、负载继电器和转换继电器的组合监控设备的第三实施例，以及
46.图5示出基于现有技术的根据本实用新型的组合监控设备的使用。
具体实施方式
47.图1以功能框图示出从现有技术已知的用于绝缘电阻监控和保护导体电阻监控的监控系统的结构。
48.在接地网络状态下，非接地供电系统2(非接地网络)作为电池网络4经由连接电缆8与接地供电网络6(接地网络)连接，可以看出，具有可充电电能存储器10(电池)的电池网络4借助于此连接经由中心接地点zep接地，并且被转换为接地供电系统6的消耗器。消耗器外壳对地(中心接地点zep)的外壳电阻rg通常被认为是高阻抗。
49.作为示例，接地供电系统6被配置作为具有有源导体l1、l2、l3和n以及保护导体pe(pe导体)的供应三相网络。保护导体pe具有保护导体电阻rpe。必须确保保护导体pe的连续性，因此保护导体电阻rpe必须具有足够低的阻抗。
50.额外的信号触点16，例如在按照iec 61851-1标准的电力驱动的领域中规定的，用于在接地网络状态中的操作期间的保护导体监控。经由此信号触点16，限定的信号18从供应基础设施(例如，接地供电系统6的充电站)被发送到被供应的消耗器(例如，电动车辆)，并经由pe导体pe返回。借助于返回的信号测试pe导体pe的存在。然而，在电力驱动的示例中，经由此信号触点和pe导体交换另外的数据。证明为不利的是，不能得出关于保护导体电阻rpe的质量的结论，因为仅能确定保护导体pe的存在(“pe存在”或“pe不存在”)。
51.在非接地网络状态中，在操作期间，经由分立地布置的有源绝缘监控设备14(imd)监控绝缘电阻。
52.因此，根据现有技术，需要两个设备(一个用于监控保护导体电阻，另一个用于监控绝缘电阻)具有由此产生的关于成本、能耗和安装空间的缺点。
53.下面的图2至4以功能框图示出根据本实用新型的组合监控设备20、30、40的三个实施例，组合监控设备可以与根据图5的接地供电系统6和非接地供电系统2、4连接在一起。
54.上述组合监控设备20、30、40各自包括具有耦接电阻rc的耦接电路21，用于经由耦接点28耦接到接地供电系统6的有源导体l1、l2、l3、n。组合监控设备20、30、40各自还包括有源监控设备22、32、42，因此基于有源测量方法，在有源测量方法期间，借助于象征地示出的测量电压源23将测量电压叠加在非接地网络2上，以及在有源测量方法期间，经由有源监控设备22、32、42内的测量电阻处的压降来检测得到的测量电流，用于确定绝缘电阻rf，或者在根据本实用新型的改进功能中，用于确定保护导体电阻rpe。
55.功能上示出的耦接电路21也可以是有源监控设备22、32、42的结构部分。
56.有源监控设备22、32、42各自包括评估单元25，评估单元25被配置为在第一操作模式和第二操作模式之间是可切换的。第一操作模式用于识别检测到的绝缘电阻rf是否低于绝缘电阻阈值rflim，第二操作模式用于识别检测到的保护导体电阻rpe是否超过保护导体电阻阈值rpelim。
57.两个操作模式之间的差异可以借助于以下特性来求和：
58.·
绝缘监控模式(用于非接地网络)：
[0059]-(检测到的绝缘电阻的)高电阻值>良好状态
[0060]-(检测到的绝缘电阻的)低电阻值>不良状态
[0061]-报警＞当低于绝缘电阻阈值rflim时
[0062]
·
pe监控模式(用于接地网络)：
[0063]-(检测到的保护导体电阻的)高电阻值>不良状态
[0064]-(检测到的保护导体电阻的)低电阻值>良好状态
[0065]-报警信号>当超过保护导体电阻阈值rpelim时，
[0066]
高电阻值和低电阻值之间的阈值根据每个设施的规格由对应的阈值rflim、rpelim指定。
[0067]
因此，为了切换操作模式，需要仅将评估单元25的决策逻辑“反转”，并且根据网络配置和由此产生的监控任务来调整阈值。
[0068]
利用组合监控设备20、30、40的所有三个实施例，操作模式可以借助于外部开关信号经由有源监控设备22、32、42的开关信号输入26来切换；另外，利用实施例30、40，如图3和4所示，操作模式可以经由电压测量设备34自动切换。
[0069]
为了发送报警信号，评估单元25包括至少一个报警信号输出27。例如，报警信号输出27可以切换外部继电器，以将电池网络4与连接的接地供电系统6电流地断开。若干个报警信号输出27提供了另外的可能性，例如，其可以被配置为模拟和数字并且表示不同的报警级别(预报警、主报警)。
[0070]
在图2中，在第一实施例中示意性地示出组合监控设备20。在这种情况下，经由耦接电阻rc的全极耦接(耦接到所有有源导体l1、l2、l3、n)作为示例。通常，单极耦接也是足够的，正如它用于图3和4中的组合监控设备30、40的其它实施例。然后，对于测量保护导体电阻，单极耦接是在外部导体l1、l2、l3上还是在中性导体n上是无关的。然而，对于电压测量和伴随的自动切换，必须确保组合监控设备20耦接到外部导体l1、l2、l3。
[0071]
在此第一实施例中，操作模式仅通过外部开关信号经由开关信号输入26来切换。
[0072]
为了断开接地供电系统6的有源导体l1、l2、l3、n，在耦接点28的上游连接开关设备29，以在非接地供电系统2、4中检测到不允许的低绝缘电阻rf的情况下，防止接地供电系统6操作。
[0073]
图3示出根据本实用新型的第二实施例的组合监控设备30，其具有象征性示出的电压测量设备34、第一负载继电器35和第二负载继电器36。
[0074]
第一负载继电器35相对于由组合监控设备30的输入和输出确定的方向连接在耦接点28的上游，用于断开接地供电系统6的有源导体，第二负载继电器36连接在耦接点28的下游，用于断开接地供电系统6的有源导体。
[0075]
通过借助于电压测量设备34测量电压，操作模式被自动切换，但是也可以如第一实施例中那样由外部开关信号触发操作模式。
[0076]
当通过电压测量引起切换时，如果在两个任意导体l1、l2、l3、n之间测量到超过可设置开关电压阈值的电压，则第二负载继电器36打开，并且第一负载继电器35关闭。因此，非接地网络2与有源监控设备32断开，以及有源监控设备32经由耦接电路21耦接到接地供电系统6，用于保护导体监控。评估单元25在pe监控模式下工作并且检测保护导体电阻rpe。如果保护导体电阻rpe低于先前限定的保护导体电阻阈值，以及如果在打开第二负载继电器36之前先前检测到的绝缘电阻rf超过限定的绝缘电阻阈值rflim，则第二负载继电器36再次关闭，以及因此连接到连接out_x的非接地供电系统2、4接地。
[0077]
如果测量到低于开关电压阈值的电压，则打开第一负载继电器35，并且重新激活绝缘监控模式，因为可以假定已经中断了到接地供电系统6的连接。在绝缘监控模式中，当低于绝缘电阻阈值rflim时，经由报警信号输出27给出报警信号，以例如使电池10(图5)断开。
[0078]
开关电压阈值通常可以被设置为任何阈值，阈值对应于安全目标并且特定于设
施，并且可以例如就保护措施而言具有50v的安全超低电压50。
[0079]
在pe监控模式中，除了发出报警信号之外，第一负载继电器35也被打开。通过打开第一负载继电器35，现在可再次获得非接地网络4。因此，与第一实施例相比，第二实施例带来的优点是，在故障情况下—当超过保护导体电阻阈值(rpelm)时—之后在消耗器中的功率电子器件与供电网络6电流地断开。
[0080]
从评估单元25开始，第一/第二负载继电器35/36由有源监控设备32借助于第一/第二控制信号线37/38控制。
[0081]
图4示出根据本实用新型的第三实施例中的组合监控设备40。
[0082]
在此实施例中，组合监控设备40根据与第二实施例相同的原理工作，除了不需要第二负载继电器36(图3)以及待测试网络2、4(非接地)或6(接地)由(中央)负载继电器44连同转换继电器45交替操作。
[0083]
根据对应的操作模式，耦接电路21的耦接电阻rc经由第一耦接点(28a)耦接在负载继电器44的上游，示出在负载继电器44的左侧，用于pe监控，或者经由第二耦接点(28b)耦接在负载继电器44的下游，示出在负载继电器44的右侧，用于绝缘监控。报警信号的指示以与第二实施例中相同的方式给出。
[0084]
当有源监控设备42与一个极耦接时，通过省去第二负载继电器36(图3)而获得的关于安装空间、功率损耗和成本的优点变得更加明显。
[0085]
从评估单元25开始，负载继电器44/转换继电器45由有源监控设备32借助于控制信号线47/交流信号线48控制。
[0086]
在图5中，使用消耗器的示例示出组合监控设备20、30、40的使用，消耗器不是电流地断开的并且具有集成的可充电电能存储器10，组合监控设备20、30、40在三个实施例20、30、40中的一个中可用于共享的绝缘电阻和回路电阻监控，并且能够在输入侧经由连接in_l1、in_l2、in_l3连接到有源导体l1、l2、l3、n，以及在输出侧经由连接out_l1、out_l2、out_l3、out_n连接到有源导体l1、l2、l3、n。
[0087]
当在非接地网络状态下操作时—例如当驾驶电动车辆时—相对于消耗器的导电壳体，例如车身，监控由单独的绝缘电阻rf+和rf-形成的非接地电池网络4的绝缘电阻rf。
[0088]
然而，在接地网络状态下—例如在对电动车辆充电时—非接地电池网络4经由未被电流地断开的连接变成通常接地供电网络6的消耗器，从而产生完整的接地网络。这是根据iec60140的保护等级1的操作手段。这意味着必须通过将pe导体pe(即，在这种情况下是消耗器的导电壳体)连接到接地供电网络6的接地保护电势来确保免受触电的保护，在这种情况下，保护导体pe的状态(即，其低阻抗)对于保护措施的有效性是关键的。
[0089]
由于根据本实用新型的组合监控设备，可以在没有额外的辅助导体的情况下确定到地电势(中心接地点zep)的低阻抗连接，并且另外，例如与电动驱动相比，可以经由回到车辆的保护导体电阻rpe通过测量接地操作中的l1、l2、l3和n(取决于供应接地供电系统6的有源导体l1、l2、l3、n的类型和数量以及耦接的类型)的回路电阻来确定保护导体电阻rpe的实际电阻值。