专利名称：用于具有浮动的参考导体的it配电系统的保护系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及保护系统，并且特别是涉及用于具有浮动的参考导体的IT配电系统的保护系统。本发明的实施方式特别为一种用于具有浮动的参考导体和至少两个电导体的、用于提供来自源的电力的IT配电系统的保护系统而开发，并且本文中将参考该应用来描述。 然而将认识到，本发明不限于这样的使用领域，并且可适用在更广的背景下。背景 贯穿本说明书对背景技术的任何讨论绝不应被视为承认该技术是广泛已知的，或者形成了本领域中公知常识的一部分。在电能被分配给家用设施和工业设施的超过一百年的时间里，存在安全的持续的发展和改进。最初，由配电系统(EDS)所造成的主要安全危险是火灾。随着配电系统的发展，分配电压也有所升高，并且触电死亡和电击的危险——特别是在使用AC电压时一一成为了另一个主要的关注重点。在所有的工业化国家中的配电系统，并且特别是低压(LV)网络和家用设施出于安全原因都是接地的。这种“接地”的意图是允许使用电保护设备作为配电系统的一部分， 以便防止遭受电击和触电死亡。电保护设备提供了“电保护”，其在LV网络中需要执行两个主要功能·防止与通电的带电导体直接或间接接触的人员的触电死亡或严重的电击。·在由配电系统所供电的设备的任何电绝缘失败之后，防止对电设备的损害；以及可能的着火。给定上述情况，已经在上个世纪开发出各种接地系统。国际公认的三种主要类型的接地系统是· TT系统其中T指示了一点到地的直接连接。也就是说，“地-地”的系统。·ΤΝ系统其中T指示了一点到地的直接连接；而N指示中性点。也就是说，“地-中性点”的系统。· IT系统其中T指示了一点到地的直接连接；而I指示与地隔离的所有带电部分。也就是说，“与地隔离”的系统。对具有接地连接的这些电源系统的更加详细的描述能够可在IEC 60364-1:005 标准中找到。在本说明书中，术语“IT系统”或“IT网络”可互换地使用，除非对于上下文清楚地指示有相反情况的任何给定情况，上述术语指的是用于配电系统的接地方法或者使用该接地方法的配电系统。在本说明书中所做出的对信息技术系统或网络的提及使用缩写“IT&T 系统”或者“IT&T网络”。在许多工业化国家中，TN系统被广泛使用。接地路径或暴露的导电部件通过连接到配电中性点而被补充。这被称为多接地中性系统，或者更通常地被称为MEN系统。该系统利用了供电工具中性(supply utility neutral)来改进，也就是降低接地路径电阻。在电设施上所包括的接地桩(earth stake)连接到在设施开关板处的工具中性点，并且该工具中性点也沿着其到子站变压器的路径以规律的间隔连接到地。在TN系统中，设施接地的完整性依赖于接地桩的可靠连接。在TN系统中的绝缘故障转变成短路故障，并且该故障必须通过预先安装的保护设备得以消除。所使用的一般保护设备是剩余电流设备(RCD)。虽然在TN系统中人员和设备安全保护的新式方法是使用在源(供电工具)和负载(家用设施)之间的低电阻接地连接，在配电系统和设施内不同位置处的通常大的接地电阻变化为人员和设备提供了不同的保护水平。在一些情况下，比如当接地桩是干燥的沙质土壤或者沙石时，普通土块(mass of earth)可具有固有地高的电阻，这将固有地或不被期望地增加接地电阻。TN(或MEN)网络通常被认为是用于将来自生产源的电力传送至消费点的廉价并且可靠的机构。然而，这些网络不是没有风险的。例如，甚至在密度相对较低的人口聚集地比如澳大利亚，每年都有数十人死于触电。还有一些情况是，在涉及爆炸物或其他挥发性的材料的某些军事和矿业设施中禁止TN系统，这是由于这样的网络所造成的爆炸的风险。由于有极高的故障电流，当故障发生时TN网络也是易受影响的，从而引发火灾损失或者其他热损失。在环境方面，TN网络产生了比其他网络更多的电噪声，这主要是由于所生成的谐波。通常来说，3次谐波是最有问题，并且证明缓和或消除起来非常昂贵。由澳大利亚对TN 网络的经验所产生的证据指示电故障促成了·全部建筑物火灾的10%。· 1000人因电击而入院。· 10，000次电器的损失和破坏。TN系统中最常见的有两种类型的故障。这两种故障类型是故障电流路径在有源导体和地之间的“接地故障”。这两个类型是 短路电流故障其中故障路径电阻抗低，并且所得故障电流极高。这些高故障电流应当迅速触发过电流保护，并且限制火灾发生和明显的设备损失的可能性。·高阻抗故障其中故障路径电阻抗高，并且故障电流相对较低。这些低电流可能在任何安装的过电流保护的触发水平以下，并且可持续长时间段而得不到检测，最终引发电弧放电和热损失的风险。在可能的设备损坏方面，即使故障电流较低，这些故障类型中的第二个，即高阻抗故障是最危险的类型。作为导致电击和触电死亡的最主要的故障类型的是“接地故障”，其涉及有源导体与地之间的故障电路。一种部分解决方案是利用IT系统。一般来说，比如这样的系统也被称为不接地的系统或者具有电分离的系统，例如，见澳大利亚和新西兰的标准AS/NZS 3000 2007-7. 4. 1。IT系统由国际标准和澳大利亚标准认可为一种提供免受“接地故障”所导致的电击和触电死亡的保护的可能装置。IT系统通过移除来自设施的接地来防止危险的电击，因此被称为是“不接地”的系统。其他通用的名称包括浮动系统或隔离系统。因为“不接地”的系统移除在源和负载之间的接地连接，不存在故障电流——无论是电击电流还是故障过电流——返回电源的闭路。如果没有接地连接，则故障电流非常低，因为仅“接地”的路径通过一般的土块与金属壳之间的电容路径。这就给出了一非常高的阻抗路径并因此有非常低的故障电流。故障电流电平一般很低使得不会造成电击或加热以及火灾的风险。不接地的系统曾在20世纪上半叶使用，以获得电源的较大可靠性的益处。这种可靠性来自于更强地适应故障的能力。例如，在分布式网络的一部分中的单个故障不需要关闭网络的其余部分的电源，因此没有故障电流对过流保护设备起作用。最近，IT系统被较少用在分布式的设施中，而更多地用在电源的可靠性很关键的设施中。这种设施的例子包括诸如铝熔炼和半导体制造厂、医院手术室、以及某些办公建筑物的工业设施。不接地或者浮动的系统能够用在一设施中，尽管它从具有TN或TT系统的分布式网络馈电。然而，需要使该网络和设施通过不接地的隔离变压器彼此隔离。低电压隔离变压器被称为漏电保护设备(LPD)，并且是优于在手术室中和在涉及了医疗布线的澳大利亚和新西兰标准AS/NZS 3003 2003所概述的领域中的RCD的优选保护方法。IT系统具有大量缺点。例如，如果出现了产生到地的高阻抗路径的第一故障，该第一故障能够存在很长一段时间，而不被检测到，因为没有过电流状态。如果随后出现了产生到地的短路的第二故障——这是第一故障维持未被解决的可能后果——将会有高故障电流，有与TT和TN系统中所发生一样的所有相同的接触电势问题。出于该原因，国际标准 IEC60364-4-41要求IT系统具有用于提供对第一故障存在的可视指示的绝缘监控器。国际标准和澳大利亚标准还将IT系统的使用限制到每个隔离变压器/发电机仅 1类设备的一项，除非有通过在有故障的情况下自动断开连接的额外的保护。这种额外的保护包括RCD。然而，RCD还具有一些缺点，因为除了别的以外，RCD依赖于规则的跳闸测试来使其操作生效。在英国和美国，在RCD的一些研究中，已经发现在测试时多达10%的RCD 都不在工作状态下。此外，RCD依赖于具有承载可被生成的剩余电流的电路径。如果没有接地路径，则RCD将没有任何剩余电流来操作。对于未建立接地连接的应用或者接地连接并不容易可用的应用而言，比如便携式的发电设备例如在工地和临时位置处的发电机和逆变器，RCD的使用可能让人员和设备处于危险。此外，RCD不能够检测DC剩余电流。即使在RCD正确安装并且工作的地方，并且成功操作的所有先决条件都可用，可用的商业产品也一般工作缓慢，并且允许大的故障电流在发生对故障的隔离之前流过。这些电流的大小和持续时间大大地增加了导致故障或者与故障接触的人员的触电死亡和触电受伤的风险。给出以上RCD的限制，当利用一设施中的IT系统时，不得不作出修正以允许RCD 提供所需要的保护。实际上，这导致了所述设施从IT系统转变成TN系统。虽然在转换之后能够获得一些可靠性的益处，但却违背了为保护人员和保护具有IT系统的设备而改进的安全性质的目的。其他的保护电路也被用在TT EDS比如电压检测安全(ELCB)中。这些设备被设计成主要用于TT EDS，并且需要接地路径用于正确操作。因此，当被包括在例如具有接地电极的家用设施中的时候，这些设备是经由该接地电极接地的负载电路的一部分。在一些管辖范围中，负载电路还需要具有第二接地电极，其在距第一接地电极大约2米处接地，并且直接连接到ELCB本身。例如，见澳大利亚标准AS3000-1981。这种接线配置是一种部分解决方案，其消除了 ELCB响应于在附近的负载电路比如在相邻房屋中的负载电路中的电故障的假跳闸。其他的假跳闸事件包括电源浪涌或者附近的雷击。对ELCB的其他限制包括
·未检测到不通过地线到达接地电极的故障。·单个建筑物不易分成具有独立故障保护的多个负载电路。·通过连接到接地系统的设施所承载的外部电压容易受到误触发的影响。这种设施的例子是金属管道。在最近几年，为尝试解决上述缺点，一般用RCD取代ELCB。虽然RCD根据故障电流操作并且被视为一项卓越的技术，但反过来，其又如以上所述提供了不完全的保护并且也易受假跳闸的影响。发明_既述本发明的目的是克服或改善现有技术的缺点中的至少一个，或者提供有用的备选方案。根据本发明的第一方面，提供了一种用于具有浮动的参考导体和至少两个电导体的IT配电系统的保护系统，该保护系统包括至少两个输入端子，其用于电连接到在保护系统上游的电源；至少两个输出端子，其用于经由相应的电导体电连接到在保护系统下游的负载；保护设备，其用于将输入端子中的一个或多个电连接到相应的输出端子以允许将来自源的电力提供到负载，其中保护设备响应于故障信号用于有选择地将输入端子中的至少一个与相应的输出端子断开连接，以阻止提供电力；以及，识别指示器单元(sentinel unit)，其用于响应于在参考导体中的大于预定的电流阈值的电流来有选择地生成故障信号。在一实施方式中，保护系统包括用于容纳端子和保护设备的壳体。在一实施方式中，壳体完全容纳保护设备。在一实施方式中，壳体容纳识别指示器单元。在一实施方式中，识别指示器单元在壳体外部。在一实施方式中，识别指示器单元限制在参考导体中的电流。在一实施方式中，识别指示器单元将参考导体中的电流限制为不大于预定的电流阈值。在一实施方式中，预定的电流阈值小于大约10mA。在一实施方式中，预定的电流阈值小于大约8mA。在一实施方式中，识别指示器单元从位于保护设备下游的IT配电系统提取电力。根据本发明的第二方面，提供了一种用于具有浮动的参考导体和至少两个电导体的IT配电系统的识别指示器单元，IT配电系统用于将来自源的电力经由电保护设备提供到负载，其中保护设备响应于故障信号，用于将负载与源电隔离；并且识别指示器单元响应于在参考导体中的大于预定的电流阈值的电流来有选择地生成故障信号。在一实施方式中，预定的电流阈值小于大约10mA。在一实施方式中，预定的电流阈值小于大约5mA。在一实施方式中，识别指示器单元包括用于限制参考导体中的电流的限制电路。在一实施方式中，限制电路将参考导体中的电流限制为不大于预定的电流阈值。在一个实施方式中，识别指示器单元响应于在参考导体中的大于预定的电流阈值的电流和在参考导体中的大于预定的电压阈值的电压来有选择地生成故障信号。
在一实施方式中，预定的电压阈值小于大约40伏特。在一实施方式中，预定的电压阈值小于大约35伏特。在一实施方式中，预定的电压阈值小于大约30伏特。在一实施方式中，预定的电压阈值小于接触电势。根据本发明的第三方面，提供了一种用于保护具有浮动的参考导体和至少两个电导体的IT配电系统的方法，该方法包括将至少两个输入端子电连接到电源；将至少两个输出端子经由相应的电导体电连接到负载；将输入端子中的一个或多个通过保护设备电连接到相应的输出端子，用于允许将来自源的电力提供至负载，其中保护设备响应于故障信号，用于有选择地将输入端子中的至少一个与相应的输出端子断开电连接，以阻止提供电力；以及响应于在参考导体中的大于预定的电流阈值的电流，使用识别指示器单元有选择地生成故障信号根据本发明的第四方面，提供了一种用于监控具有浮动的参考导体和至少两个电导体的IT配电系统的方法，IT配电系统用于将来自源的电力经由电保护设备提供至负载， 其中保护设备响应于故障信号用于将负载与源电隔离；并且该方法包括响应于参考导体中的大于预定的电流阈值的电流有选择地生成故障信号的步骤。贯穿本说明书对“一个实施方式”、“一些实施方式”或“一实施方式”的提及意味着关于实施方式描述的特定特性、结构、或者特征被包括在本发明的至少一个实施方式中。因此，贯穿本说明书在不同位置上出现的短语“在一个实施方式中”、“在一些实施方式中”或者“在一实施方式中”并不一定都指的是相同的实施方式，而是可以都指的是相同的实施方式。此外，正如从本公开中对本领域中的普通技术人员明显的，在一个或多个实施方式中， 特定的特性、结构或特征可以按任何适当的方式进行组合。正如此处所使用的，除非另有说明，为描述通用对象所使用的序数形容词“第一”、 “第二”、“第三”等仅指示相似对象的不同实例被提到，并且不是用来暗示这样描述的对象必须是按时间上的、空间上的、等级上的、或者以任何其他方式的给定顺序。在以下的权利要求和此处的描述中，措辞“包括”、“由…组成”、或者“其包括”中的任何一个是开放式的措辞，其意味着至少包括随后的元件/特征，而不排除其他的元件/特征。因此，当在权利要求中使用措辞“包括(comprising) ”时，其不应被解释为限于其后所列装置或元件或步骤。例如，表达“包括(Comprising)A和B的设备”的范围不应被限制到仅由元件A和B所组成的设备。如此处所使用的措辞“包括(including) ”或“其包括(which includes)”或“这包括(that includes) ”中的任何一个也是开放式的措辞，其也意味着至少包括在该措辞之后的元件/特征，但不排除其他的元件/特征。因此，包括(including) 与包括(comprising)同义,并且意思是包括(comprising)。附图的简要说明现在将作为例子参考附图来描述本发明的优选实施方式，其中
图1是根据本发明一实施方式的保护系统的示意图；图2是根据本发明另一个实施方式的保护系统的示意图；图3是图2的MCB和识别指示器单元中所选择元件的截面示意图4是示出了单元内的子电路的图2的识别指示器单元的放大示意图；图5是一配电系统的示意图，该配电系统包括两个独立受保护的并联布置的负载电路，并且这二者都通过单个公共隔离变压器连接到电源；图6是一配电系统的示意图，该配电系统包括两个独立受保护的并联布置的负载电路，并且这二者通过相应的隔离变压器连接到电源；图7是一配电系统的示意图，该配电系统包括两个独立受保护的并联布置的负载电路，并且这二者都通过单个公共隔离变压器连接到电源，其中负载电路中的一个包括两个嵌套的子电路；图8是包括了主IT EDS的配电系统的示意图，该配电系统用于将来自源的电力提供至两个分离且单独保护的IT EDS ；图9(a)是源、EDS和负载的一个例子的示意图；图9(b)是源、EDS和负载的另一个例子的示意图；图9(c)是源、EDS和负载的又一个例子的示意图；图10是本发明的优选实施方式中的一个的识别指示器单元内的电子元件的详细示意图；图11是提供了对包括在图10的电路中的微处理器的操作的总览的流程图；图12是与可编程的建筑物管理系统一起部署的本发明一实施方式的示意图；以及图13是本发明一实施方式的特征和两个现有技术的设备的比较表格。详细描述参考图1，其中示出了用于IT配电系统(EDS) 2的保护系统1。EDS 2具有浮动的参考导体3和以有源导体5与中性导体6的形式的两个电导体。系统1包括两个输入端子 7和8，其用于电连接到在系统1上游的MEN电源10。两个输出端子11和12经由相应的导体5和6电连接到电负载，该电负载是以具有金属机柜16的立式冷藏展柜15的压缩机 (未显示)的电动机14的形式。将认识到，电动机14在系统1的下游。以MCB 17形式的保护设备将端子7和8电连接到相应的端子11和12以允许将来自源10的电力提供至电动机14。MCB 17响应于在端口 18处的故障信号，用于有选择地将端子7和8中的至少一个与相应的输出端子11和12断开电连接，以阻止提供电力。识别指示器单元19响应于在导体3中的大于预定的电流阈值的电流而在端口 18上有选择地生成故障信号。源10是单相的50Hz 240VAC电源，其产生经由具有有源导体23和中性导体24的 MEN配电系统(EDS) 22来进行分配的电能和电力。然而，出于清楚的目的，省略了接地连接， 将认识到，该接地连接固有地包含在任何MEN系统中。使用无接地的隔离变压器26，其具有用于分别连接到导体23和24的输入端子27和28，以及用于分别连接到系统1的端子7 和8的输出端子29和30。在另一个实施方式中，源10提供了在不同的供电频率处的供电电压。在大约 50VAC至260VAC的范围内并且具有在大约IOHz至400Hz的范围内频率的供电电压由单元 19所适应。在所使用的电压在该范围以外的其他实施方式中，使用了对这些电压被优化的不同的识别指示器单元。本领域中的技术人员将认识到，在其他的实施方式中，EDS 22不同于MEN系统。其他的例子包括IT EDS或TT EDS。当使用不同于MEN系统的EDS时，省略了变压器26。
还将认识到，本发明的实施方式也可适用于多相配电系统，以及适用于利用了不同供电电压的配电系统。此外，本发明的实施方式可适用于宽范围的电流负载和应用。虽然本实施方式已被特别开发以适应6安培至63安培的240VAC负载，但是其他的实施方式可被设计成用于其他的负载。还已经发现，本发明的实施方式适合于使用不同于50Hz或60Hz的供电频率。例如，这些实施方式已经被应用于400Hz配电系统，比如海军和空军应用中所使用的配电系统。单元19包括直接连接到导体3的传感器端口 36，以及直接连接到相应的导体5和 6的有源端口 37和中性端口 38。单元19监控在端口 36与38之间的电压，并因此监控在参考导体3与中性导体6之间的电压。如果该电压足以使导体3中流动的电流大于预定的阈值，则单元19在端口 18处生成故障信号，并且MCB 17跳闸以将端子11和12与端子7 和8隔离。也就是说，一旦MCB 17跳闸，负载14将与来自源的电力的供应断开或者隔离。MCB 17和单元19 一般是与任何其他的电保护电路以及在设施处使用的测量系统或监控系统一起安装和装配在配电箱中的DIN轨道(rail)。在MCB 17的下游，导体3、5和 6限定了用于在设施处的负载电路的受保护的IT配电系统。导体被捆绑到一起，并且在设施周围共同扩张。导体电连接到在设施内的电源插座的相关端子。在该实施方式中，使用三个引脚的插座(未显示)，其中导体5和6具有到插座的有源端子和中性端子的一般连接，而导体3则连接到剩余的端子，其在常规上被使用为接地连接。电负载比如电动机14通过电导线40与插座电连接。如图1所示，导体3电连接到金属机柜16。将认识到，虽然在 MCB 17的下游仅示出了单个负载和负载电路，在其他实施方式中则包括了多个负载和负载电路。单个绝缘的负载或者一些负载将具有任何金属壳体、柜或者其他元件，其通常连接到导体3。对于仅连接到有源导体5和中性导体6而不连接到导体3的双绝缘导体，系统1仍防止免受电伤害，正如将在下面更详细地进行描述的。系统1包括安装有DIN轨道的壳体45，其在图1中由虚线示意性地表示，用于容纳端子7和8以及MCB 17。更加具体地，壳体45完全包含MCB 17和单元19。然而在其他实施方式中，单元19布置在壳体45外部。在该实施方式中，设施在一零售商店中，并且柜16被用于展示在该零售商店中出售的冷冻的货物。按照正常的使用，当将冷冻的货物从柜中取出和将其放入柜中时、当进行清洁时、以及类似的使用情况下，柜16实际上是由顾客和零售商店的员工使用的。因此，对于所有人的安全而言很重要的是确保柜16不会暴露于危险的且不期望有的电压下，并且该功能是由系统1所提供的。例如，电机14具有绝缘的绕组。然而，这种绝缘逐渐地损坏， 并且可最终导致在绕组之间或在处于柜16或冷藏展柜15的其他部分上的电压之间的短路。因为柜16连接到导体3，在该柜上的任何电压，例如由以其身体的一部分接触冷藏展柜 15的有故障但“带电”的表面而同时以其身体的其他部分接触柜16的人置于柜上的电压， 也将出现在该导体中。单元19将监控在导体3中产生的电压和电流。在该实施方式中，预定的电流阈值是大约5mA，并且一旦达到了该阈值，电机14将与源10隔离。通过使用该低电流阈值，有可能隔离故障同时减小对人员伤害的风险。在其他实施方式中，使用了其他的预定的电流阈值。然而，优选的是阈值小于 30mA，并且更加优选的是小于10mA。在另一个具体实施方式
中，使用大约8mA的预定的电流阈值，而在另一个具体实施方式
中，预定的电流阈值是大约4. 5mA。在其他实施方式中，使用了较低的阈值。然而，对于这些在EDS 2包括电容性元件例如延长导线的家用部署而言，已经发现预定的电流限制应当是至少大约4mA，以便提供降低对单元19的误触发的裕度。系统1被配置成用于快速识别和隔离在MCB 17下游的故障。在图1的实施方式中，系统1能够在故障电压出现在导体3上的少于IOms的时间内将端子11和12与端子7 和8隔离，所述故障电压出现在导体3上将引起在该导体中大约5mA的电流流动。因此，不仅有对能够导致电伤害的电流的最小限度，而且在出现故障的情况下，将仅在很短的时间内有电流流动。能够在导体3中流动的电流实际上是故障电流，因为它为可用来造成伤害的电流。在本实施方式中，该电流极小且持续时间短，而且远小于由电动机14所提取的负载电流，并且与该负载电流无关。这有别于常规的故障电流，常规的故障电流一般远大于最大负载电流，并且必须大于最大负载电流，这更难控制，并且对人员更为危险。除了检测导体3中的电流达到预定的阈值以外，单元19将电流限制到预定的阈值。也就是说，在检测到故障时和在MCB 17工作以将源10从系统1下游的电路隔离开时之间的时间期间，故障电流将被抑制到不超过大约8mA。这应足以阻止对和柜16以及任何 “带电”表面同时接触的任何人的电伤害。本领域中的技术人员将认识到，在系统1下游，EDS 2是纯IT EDS。使用系统1以提供对EDS 2的保护消除了将现有技术EDS转换成MEN系统的需要。这就简化了在设施中所需的接线。此外，因为免掉了对好的接地连接的依赖，这消除了保护的易变性。单元19从MCB 17下游的EDS 2提取电力。这样所具有的优势在于，单元19仅在负载电路是活动的时操作并且提取电力。如果没有电源连接到负载，则单元19保持休眠状态直到重新应用了电源为止。单元19在上电时的操作将在下面更详细地被描述。在该实施方式中，MCB 17是安装有63安培1极DIN轨道的小型断路器，其由 Pulset Pty Ltd 所制造(见;http://www. pulset. com/)，型号为 MCB6/163。在其他实施方式中使用了其他保护设备，包括其他MCB。在图2中示出了另一个保护系统51，在该图中，相应的特征由相应的参考数字表示。特别是，系统51不包括单个壳体，而相反地，MCB 17和单元19分别包括安装有分离的 DIN轨道的壳体53和54。正如最好地在图3中所示的，壳体53和54包括相应的侧壁55 和56，它们彼此相对并且紧紧相邻。在使用时，MCB 17和单元19被彼此靠近地固定安装在公共的电板上。然而，在其他实施方式中，MCB 17和单元19通过一框架或其他结构相对于彼此固定地定向。在另一些其他的实施方式中，MCB 17和单元19通过联接器比如螺钉、螺母和螺栓、以及胶粘剂中的一个或多个来彼此固定。壳体54的侧壁56包括圆形的端口 57，其用于可移动地容纳圆柱形的金属致动器 58，该金属致动器58在壳体54外部的第一端59和壳体54外部的第二端60之间延伸。壳体53的侧壁55将端口 18限定为实质上具有与端口 57相同的周长的圆形口径， 端口 18用于可移动地容纳致动器58的端部60。单元19包括电感器Li，其通过致动信号有选择地被激励。在正常工作期间，致动信号为零或者很小，并且电感器不被激励。因此，致动器58保持在所示位置上，在该位置处端部60贯穿端口 57和端口 18延伸，并且正好在侧壁55内部终止。单元19响应于故障来
11提供致动信号以激励电感器Li。这反过来又使致动器58在箭头61的方向上轴向前进，使得端部60机械地接合并触发MCB 17内的开关62。MCB 17响应于开关62的触发来使端子 7和8与端子11和12电隔离，并因此中断将来自源10的电力提供至电动机14。一旦故障被消除，并且电感器Ll被去激励，致动器58就返回图3中所示的位置。在该实施方式中，机械地提供故障信号，以便于在构造受保护的IT EDS时使用现有的MCB。将认识到，可用的MCB具有用于手动触发与之相互作用的单元19的装置。允许现货供应的MCB与单元19的合并便于将本发明的实施方式改装为非IT设施，并且有助于对改装的设施或者最新投产的设施的成本限制。将认识到，在本领域中的技术人员将理解的基础上，图3排除了在MCB 17内所包括的许多元件。特别地，开关62连接到了相关的电路(未显示)，其响应于开关的闭合以导致MCB 17的触发。在其他实施方式中，保护设备和识别指示器单元被更加完全地整合，并且容纳在安装有单个DIN轨道的壳体中。在这些其他的实施方式中，故障信号是机械信号、电信号、 光信号、以及另一信号中的一个或多个。在另一实施方式中，由识别指示器单元所提供的故障信号包括两个或多个分离的信号，以便提供冗余度并且进一步促成识别指示器单元和EDS 2的故障安全操作。为确保在故障状态存在的情况下的迅速操作，单元19对导体3中的电压并且特别是电流状态高度敏感。虽然供电电压为240VAC并且供电电流高达大约100安培AC，但是单元19将在故障电流不多于大约5mAAC时提供故障信号。常规知识建议，单元19因此对误触发高度敏感。然而，单元19包括瞬态响应电路(未显示)，其允许将不想要的瞬态解释为没有故障信号正产生。有可能在导体2上产生瞬态电流的一般瞬态包括配电系统2的电容性元件。例如，已经发现，元件比如导线40充当电容性元件，特别是导线很长时。还存在其他的瞬态，比如静电。所有这些瞬态能够引起在导体3上相对高的电压，但是一般仅仅是非常小的电流。因此，瞬态响应电路过滤出高频电压以降低误触发的风险。允许单元19敏感的另一个因素是，它监控导体，也就是导体3，其在正常工作期间有很少或者没有电流流过该导体。这有别于常规的故障保护电路，常规的故障保护电路更通常监控负载电流，并且不会触发，直到负载电流完全超过最大的可允许值为止。因此，这样的最大值即使不是几十安培也是十安培，当故障发生时，人员被置于相当大的死亡和/ 或受伤的风险。因为EDS 2是真实的IT EDS，任何环境感应的电压将一般表现为在所有的导体3、 5和6上实质上相等。因此，系统1较不容易受由这些电压导致的误触发的影响。现在对图4作出参考，其中示意性地示出了单元19的更加详细的表示，其中相应的特征通过相应的参考数字来表示。单元19包括两个监控电路71和72，其用于分别监控在导体3中的任何AC电压和电流的正半波和负半波。将认识到，在使用时，导体3连接到单元19的端口 36。测量相对于在端口 38处连接到单元19的中性导体6的电压和电流。 单元19还经由端口 37连接到有源导体5，并且与单元19中的其他电路一样，电路71和72 从导体5和6提取电力。如果电路71或72中的任何一个检测到导体3中的电流，在该导体3中电流路径通过导体3、端口 36、电路71或72中的一个，并且到达通向导体6的端口 38，所述电流达到5mA的阈值，则该电路提供致动信号。该信号被提供至致动电路73，该致动电路73又反过来在端口 57处提供故障信号。如以上关于图3所述的，在该实施方式中，电路73包括电感器Li。然而，在其他实施方式中，不同的元件和元件的组合在电路73中使用，以接收致动信号并且提供故障信号。虽然一旦达到5mA阈值就生成致动信号，但是故障电流可远早于MCB 17将导体5 和6从源10断开连接之前就升高。在该实施方式中，单元19被配置成在任何时刻将故障电流限制为8mA。这具有连续阻止将导致肌肉收缩的故障电流的出现的优势。因此，即使一个人是整个故障电流的电流路径的一部分，也应当不足以导致其肌肉收缩，并且这个人将不会以这种方式被制止能够从带电的表面或元件推开。单元19将故障电流限制为8mA的这种工作还提供了人员安全，假定MCB 17失灵，并因此在检测到故障之后，不将导体5和6 与源10断开连接。将认识到，单元19从位于保护设备(MCB 17)下游的导体5和6提取电力。因此， 单元19仅在电力被提供至导体5和6时工作，并且仅从源10提取电力。单元19还包括控制电路74，其用于和电路71与72通信，并有选择地响应于那些通信用于向电路73提供致动信号。单元19还包括通信模块75和通信端口 76，其用于有选择地允许到和来自单元19 的通信。在一个实施方式中，通信是与建筑物管理系统进行的，而在另一个实施方式中，通信是与用于多个单元19的中央控制器进行的，所述多个单元19在设施周围间隔开。在另一实施方式中，单元19与其他识别指示器单元直接通信。例如，在特定的设施中，每个单元 19能够与紧接着在其上游的识别指示器单元通信。模块75经由专用的通信总线(未显示) 与外部元件通信。该总线与EDS 2中的其他导体捆绑到一起。在其他实施方式中，通信经由导体3、5和6中的一个或多个来实现。在一个实施方式中，单元19能够从端口 76提供通信信号，以便传递单元19的状态。例如，该状态能够指示正常工作、故障状态、或者单元的子管辖已经检测到电路中的一个或多个失效。在另一个实施方式中，单元19包括一个或多个处理器和存储器，并且通信是到和来自单元19，用于允许存储器被选择性地读取或写入。在一个实施方式中，单元19包括一个或多个外部状态指示器(未显示)，用于提供对单元19的状态的可视化显示。这样的指示器的例子包括被安装至壳体45的LED阵列， 并且这些LED由电路74驱动以提供所期望的显示。以上的电路组合实质上有助于单元19的故障安全和快速操作。例如·在正半波或负半波中任一个上的故障的出现将分别由电路71和72迅速检测。·如果电路71和72中的一个失灵，则与电路74的通信将中断，并且电路74将致动信号提供至电路73。·电路74将周期性的测试信号提供至电路73以确定其功效。如果该测试信号失灵，电路74发出激活信号和/或经由端口 76传递报警信号。·即使电路73不能工作，单元19仍将继续把故障电流限制为不多于8mA，该故障电流在发生肌肉收缩的点以下。对图13做出参考，其将本发明一实施方式的单元19的特征与两个现有技术的设备RCD和GFCI进行了比较。
13
现在对图5至9作出参考，其中示出了本发明的很多其他实施方式。图5的实施方式类似于图1的实施方式，但是包括两个并联连接的负载电路，并且这二者由变压器26 的端子29和30供电。每个负载电路包括相应的保护系统1，其中每个系统1独立地工作以保护相应的负载电路。也就是说，负载中的一个处的故障将仅触发用于该负载的相应保护设备，而不触发用于另一负载的保护设备。连接到单个公共变压器26的多个受保护的负载电路的使用提供了优于现有保护系统的相当大的优势。将认识到，在另一个实施方式中，一个或多个额外的负载电路与所示负载电路并联，其中额外的一个电路或一些电路通过相应的保护设备1受到独立保护。图6示出另一实施方式，其中两个隔离变压器被用于将来自源的电力提供至受单独保护的IT EDS。例如，在使用接地链路产生伪IT EDS的场合，对于每个负载电路将有一单独的变压器。有可能对本发明的保护设备进行改装，并且将接地转换成浮动参考，以便有成本效益地将伪IT EDS转换成具有有效保护的真实IT EDS。图7示出使用了本发明的保护设备的负载电路的配置的另一个例子。特别地，有可能单个源为多个负载电路供电，所述多个负载电路经由相同的或分离的变压器被供电。 此外，并且如所示，有可能有嵌套的并且还受单独且独立保护的负载电路。在源是IT EDS的场合，不需要有在源和受保护的EDS之间的隔离变压器。这种布置在图8中示出。将认识到，本发明的实施方式可适用于大范围的部署。作为例子，图9示出了各种元件，这些元件能够是源、受保护的EDS以及负载。在不同的实施方式中，一元件可具有不同的作用。例如，在一个实施方式中，线变压器限定了源，也就是说，保护设备布置在变压器下游，而在另一个实施方式中，变压器限定了负载的一部分，也就是说，保护设备布置在变压器上游。一些实施方式部署在用于UPS系统的负载电路中。除了别的以外，还有例如用于 IT服务器机房、关键的制造工艺、医院病房和/或手术室的那些电源。其他的实施方式被部署在具有开关方式电源的负载电路中。例如，电源控制系统将单元系统地接通/断开以阻止负载中的电压和/或电流的浪涌。这特别与电感性的负载比如电机有关。其他的实施方式被部署在具有空气调节单元的多层建筑物、使用许多电机的制造工厂、以及大型发电系统的负载电路中。其他的实施方式被部署在具有辅助电源的负载电路中。实施方式的部署还包括 医院。 在身体保护区域和心脏保护区域中的保护。AS/NZS3003。·故障监控和报警系统。·采矿业务。·洗选厂。·用于所有以上接地应用的浮动系统。·加工制造业。 超级市场。 与BMS集成的或者集成到以太网触屏监视器的临界电流故障监控。
·致冷单元的可靠安全的电源。·船只、海军工业以及海上平台。·在IT系统中的故障检测和故障监控。 应急服务。 广播和数据。·接地的移除安全地提供电干扰的移除。·国防和航空航天。·便携式发电机和逆变器。 本国产品。使用可编程的建筑物管理系统部署的例子在图13中示出。在该图中，保护系统1 被表示为“ iFS”，其为关于本发明一实施方式的由申请人使用的命名。本发明的实施方式允许以下项中的一个或多个·用于多个负载电路的单个隔离变压器。·真实的IT EDS 其特别与发电机、逆变器、以及目前对现有技术保护设备需要接地桩以正确地工作的其他移动设备。·每个电源插座能够由本发明的保护设备分离地保护。反过来这又提供了诊断的容易，并且需要更少的寻找和补救电故障的停机时间。 在人员暴露于电容性瞬态之前要使其消散，并且不会导致保护电路的误触发。·仅隔离发生故障的负载电路。 在宽供电电压范围上有效工作。因为单元19在大约50至280VAC的电压范围内有效地工作，它与现有技术RCD不同，不会受到一般的过压和欠压状态的影响。这些状态出现在例如截止/电压不足期间，以及转换到UPS期间。在这些状态下，现有技术RCD通常将隔离负载电路，然而单元19不会这样，即使供电电压降至零。·不需要接地连接来为人员提供免受电击和触电死亡的有效保护的EDS。这些实施方式的优势包括·大量减少了并且在一些部署中消除了假跳闸事件。·减少了由于闪电事件的跳闸的敏感度。 提供与周围的建筑材料或所使用的施工技术的质量或性质无关的受保护负载电路的能力。·因为避免了电弧放电，所以降低了导致火灾的风险。·由于没有对接地的参考，所以大约IOmA的最小故障电流。·增加了对人员和设备的电保护。将认识到，本发明的实施方式使用了浮动参考，例如导体3，并且它们的功能不依赖于接地路径。浮动参考被连结或者以其他方式电连接到负载电路中的每件设备的框架或其他暴露的导电元件。因此，识别指示器单元监控框架上电压的任何改变，并在需要时立即隔离负载电路。现在对图10作出参考，其中示出了本发明一实施方式的识别指示器单元的电路 101的示意图。该图显示了在电路101内的电子元件的特定性质和布置。在所示出的配置中使用的实际元件在以下图表中阐明，并且通过图10中所使用的参考标记来识别。
印刷电阻器#数值公差油墨注释Rl300k宽100kR25k2%IOk与R21匹配R3100k20%100kR460k20%100kR560k20%100kR6100k20%100kR72k2%IkR8lk-5kIk有源微调R92k2%IkRlOIM20%100kRllIk5%IkR12lk-5kIk有源微调R13100k5%100kR14100k5%100kR155k2%IOk与R37匹配R16330k2%IOkR17330k2%IOkR18100k20%100kR191.5k1%IkR20250k20%100kR21IOk2%IOk与R2、R27匹配R2215k2%IOkR23Ik20%IkR2460k20%100kR2560k20%100kR26100k20%100kR275k2%IOk与R21匹配R2860k20%100kR2960k20%100k
1权利要求
1.一种用于具有浮动的参考导体和至少两个电导体的IT配电系统的保护系统，所述保护系统包括至少两个输入端子，其用于电连接到在所述保护系统上游的电源； 至少两个输出端子，其用于经由相应的电导体电连接到在所述保护系统下游的负载； 保护设备，其用于将所述输入端子中的一个或多个电连接到相应的输出端子以允许将来自所述源的电力提供到所述负载，其中所述保护设备响应于故障信号有选择地将所述输入端子中的至少一个与所述相应的输出端子断开连接，以阻止提供电力；以及，识别指示器单元，其用于响应于所述参考导体中的电流大于预定的电流阈值来有选择地生成故障信号。
2.如权利要求1所述的保护系统，包括用于容纳所述端子和所述保护设备的壳体。
3.如权利要求2所述的保护系统，其中所述壳体完全容纳所述保护设备。
4.如权利要求2所述的保护系统，其中所述壳体容纳所述识别指示器单元。
5.如权利要求2所述的保护系统，其中指示器单元在所述壳体外部。
6.如权利要求1所述的保护系统，其中所述识别指示器单元限制在所述参考导体中的电流。
7.如权利要求6所述的保护系统，其中所述识别指示器单元将所述参考导体中的电流限制为不大于所述预定的电流阈值。
8.如权利要求6所述的保护系统，其中所述预定的电流阈值小于大约10mA。
9.如权利要求6所述的保护系统，其中所述预定的电流阈值小于大约8mA。
10.如权利要求1所述的保护系统，其中所述识别指示器单元从位于所述保护设备下游的所述IT配电系统提取电力。
11.一种用于具有浮动的参考导体和至少两个电导体的IT配电系统的识别指示器单元，所述IT配电系统用于将来自源的电力经由电保护设备提供到负载，其中所述保护设备响应于故障信号，用于将所述负载与所述源电隔离；并且所述识别指示器单元响应于在所述参考导体中的电流大于预定的电流阈值来有选择地生成所述故障信号。
12.如权利要求11所述的识别指示器单元，其中所述预定的电流阈值小于大约10mA。
13.如权利要求11所述的识别指示器单元，其中所述预定的电流阈值小于大约5mA。
14.如权利要求11所述的识别指示器单元，包括用于限制所述参考导体中的电流的限制电路。
15.如权利要求14所述的识别指示器单元，其中所述限制电路将所述参考导体中的电流限制为不大于所述预定的电流阈值。
16.如权利要求11所述的识别指示器单元，所述识别指示器单元响应于所述参考导体中的电流大于所述预定的电流阈值和在所述参考导体中的电压大于预定的电压阈值来有选择地生成所述故障信号。
17.如权利要求16所述的识别指示器单元，其中所述预定的电压阈值小于大约40伏特。
18.如权利要求16所述的识别指示器单元，其中所述预定的电压阈值小于大约35伏特。
19.如权利要求16所述的识别指示器单元，其中所述预定的电压阈值小于大约30伏特。
20.如权利要求16所述的识别指示器单元，其中所述预定的电压阈值小于接触电势。
全文摘要
一种用于IT配电系统(EDS)(2)的保护系统(1)具有浮动的参考导体(3)和两个电导体，其中所述两个导体是以有源导体(5)和中性导体(6)的形式。系统(1)包括用于电连接到在系统(1)上游的MEN电源(10)的两个输入端子(7、8)。两个输出端子(11、12)经由相应的导体(5、6)电连接到电负载，该电负载是以具有金属机柜(16)的立式冷藏展柜(15)的压缩机(未显示)的电动机(14)的形式。电动机(14)在系统(1)的下游。以MCB(17)形式的保护设备将端子(7、8)电连接到相应的端子(11、12)以允许将来自源(10)的电力提供至电动机(14)。MCB(17)响应于在端口(18)处的故障信号，用于有选择地将端子(7、8)中的至少一个与相应的输出端子(11、12)断开电连接，以阻止提供电力。识别指示器单元(19)响应于在导体(3)中的大于预定的电流阈值的电流而在端口(18)上有选择地生成故障信号。
文档编号H02H7/20GK102439811SQ200980157234
公开日2012年5月2日 申请日期2009年12月21日 优先权日2008年12月19日
发明者大卫·保罗·扬科夫斯基, 杰弗里·鲁比森, 沃尔特·亨利·贝里曼, 韦恩·卡伦 申请人:普罗泰克泰莱克有限公司