阅读说明：本技术 用于由转换器供给的供电系统的绝缘监测的方法 (Method for insulation monitoring of a power supply system supplied by a converter ) 是由 迪特尔·黑克尔 于 2019-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及用于由转换器供给的供电系统的绝缘监测的方法。本发明涉及用于在供电系统中确定绝缘电阻和定位绝缘故障的方法,该供电系统的有源部件未接地,并且通过接地操作且配备有受控功率半导体开关的转换器对所述供电系统进行供给。在转换器的输出处产生对地共模电压,并且将该对地共模电压叠加在未接地的网络上作为有源测量电压以测量绝缘电阻。对转换器中共模测量电压的产生的直接集成允许具有成本效益的实现方式,包括与完全未接地供电系统中可能实现的功能类似全面的绝缘监测功能。此外,可以将用于确定绝缘电阻的方法扩展到用于定位绝缘故障并且从而用于定位故障系统分支的方法中。(The invention relates to a method for insulation monitoring of a power supply system supplied by a converter. The invention relates to a method for determining the insulation resistance and locating insulation faults in a power supply system whose active components are ungrounded and which is supplied by a converter operated by grounding and equipped with controlled power semiconductor switches. A common-mode voltage to ground is generated at the output of the converter and superimposed on the ungrounded network as an active measurement voltage to measure the insulation resistance. The direct integration of the generation of the common mode measurement voltage in the converter allows for a cost-effective implementation, including a comprehensive insulation monitoring function similar to that possible in a completely ungrounded power supply system. Furthermore, the method for determining the insulation resistance can be extended to methods for locating insulation faults and thus for locating faulty system branches.)

用于由转换器供给的供电系统的绝缘监测的方法

技术领域

本发明涉及用于确定供电系统的绝缘电阻的方法，该供电系统的有源部件未接地并且供电系统由接地操作的并配备有受控功率半导体开关的转换器进行供给。在转换器的输出端产生对地的共模电压。

此外，本发明还涉及用于在分支未接地供电系统中定位绝缘故障的方法，该方法包括用于确定绝缘电阻的方法的特征。

背景技术

随着工业生产的自动化和数字化的不断增加，需要在网络配置、网络电压和网络频率方面转换由电源提供的用于电流传输的能量，或者使其适应连接到供电系统的负载的需求。

根据标准(DIN VDE 0100-410(VDE 0100-410)：2007-06，IEC 60364-4-41：2005-12)，其有源部件未接地的供电系统是其有源部件对地隔离或者通过足够高的阻抗连接至地的供电系统。这种供电系统也被称为未接地供电系统或IT系统(法语：isoléterre)，而且，因此，具有未接地网络配置。

例如，除了使用向供电系统(交流电)供给由光伏电站提供的能量(直流电)的逆变器，以及在直流网络架构中使用整流器之外，对于由供电系统通过变频器进行供给的变速电驱动器的需求也在增长。如下文所使用的，术语“转换器”包括逆变器、整流器和变频器。

随着电力电子技术向越来越强大的半导体电路发展，越来越多地使用功率半导体开关对电流进行电子转换。

在最常用的转换器配置中，用于实现转换器的电路基本上具有(根据交流供电系统中的相数)至少一个由多个并行路径组成的桥接电路，每个并行路径有至少两个功率半导体开关，无论转换器是用作逆变器、整流器还是转换器。功率半导体开关由控制电路通过控制脉冲模式控制，使得在转换器的输出处产生以期望频率的交流电压的形式或以直流电压的形式的期望输出信号。

转换器用于各种网络配置。当转换器用于未接地供电系统时，存在以下选择：根据标准IEC61557-8的要求，在使用绝缘监测装置(IMD)对未接地供电系统进行监测时，确定与转换器的安全操作相关的不同网络参数。特别地，在未接地供电系统中强制性的对绝缘电阻的连续监测，可以可靠地并且在很大程度上独立于两位数兆欧范围直到千欧范围内的未接地供电系统的网络泄漏电容的大小而发生。

使用符合产品标准IEC61557-8的绝缘监测装置可以检测对称的和不对称的绝缘故障。通过标准绝缘监测装置检测由对称故障引起的额外火灾危险，从而允许及时采取措施。通过观察绝缘电阻值随时间如何发展，可以得出关于湿度、污染、老化和退化的结论。可以及时规划维护措施，从而避免系统停机。因此，未接地供电系统中的连续绝缘监测提供了信息优势。

现有技术没有提供对于网络星座(constellation)同样可靠的任何可比监测选项，其中在网络星座中接地操作的转换器向其有源部分对地隔离或通过足够高的阻抗连接至地的供电系统进行供给，即，其中接地转换器向连接在下游的未接地供电系统进行供给。

因此，当使用接地操作的转换器时，目的是通过保护装置(例如断路器或剩余电流装置(RCD))限制剩余电流对人员和设施的危险影响的持续时间，即，实现快速断开时间。在上下文中接受断开系统分支的停顿。为了保持较低的停机时间，维护人员和备件都保持在备用状态。

除了上述保护装置(断路器和剩余电流装置(RCD))之外，将根据产品标准IEC62020的剩余电流监测(RCM)系统用于不能完全不接地操作的关键设施。剩余电流监测的目的是还在接地转换器系统中实现减少的维护和减少的停机时间。

然而，原则上，在剩余电流监测系统中不可能检测到对称故障(监测缺口)。由于电气系统中的典型对称结构，对称流动的剩余电流通常构成要被预期的操作状态。所述操作状态可以由均匀分布的湿气与污垢结合或通过电绝缘的均匀老化或退化引起。

除了不可检测的对称剩余电流的缺点之外，基于剩余电流的监测系统的灵敏度明显地依赖于所存在的网络泄漏电容以及未接地供电系统中由网络泄漏电容确定的泄漏电流，而不是绝缘监测装置的测量行为。

在剩余电流监测系统的剩余电流换能器中，均方根由电容性泄漏电流和欧姆剩余电流组成。如果流过明显较大的电容性确定的泄漏电流，则额外发生的危险剩余电流只会导致均方根的最小增加，这就是为什么不能检测到所述危险剩余电流。根据现有技术，特别是在三相交流供电系统中，通过纯无源测量不可能实现电容性泄漏电流和欧姆剩余电流之间的可靠区分。

这种迫在眉睫的危险已经通过常规方法解决，例如，为了在发生故障时保持维修时间短的短维护间隔、重复测试之间的较短间隔、关键设备的早期更换、关键部件的现场储备、为了在发生故障时保持维修时间短的随叫随到的服务、在较长时间内大量类似设施的操作中的故障统计文档编制和对故障作预测、以及建立冗余。

然而，这些方法被证明是过于耗时且是材料密集型的，特别是关于日益灵活的生产方法。

此外，为了避免在完全接地的电驱动系统内出现危险的接地故障电流，未审查的专利申请WO 2018/059823A1公开了在驱动系统的转换器中产生共模电压信号以便预先检测驱动系统中的高频危险接地故障电流。剩余电流检测不仅局限于接地驱动系统，而且由于基于剩余电流的测量也不可能检测到对称故障。

发明内容

因此，本发明的目的是实现用于供电系统的技术监测选项，该技术监测选项在绝缘电阻方面与完全未接地供电系统中可获得选项相当，供电系统的有源部件对地隔离或通过足够高的阻抗接地(未接地供电系统)，并且通过在未接地情况下不操作的转换器对供电系统进行供给。特别地，目的是可靠地检测对称绝缘故障，以及使网络泄漏电容的大小对绝缘电阻的确定的影响最小化。

结合特定实施方式，该目的通过一种方法实现，该方法包括根据本发明的以下步骤：将共模电压叠加为用于确定未接地供电系统的绝缘电阻的测量电压，在未接地供电系统中检测测量电压，检测由于测量电压而通过绝缘电阻在未接地供电系统中流动的测量电流，以及通过评估测量电流来确定绝缘电阻。

本发明的基本思想首先是基于实现对未接地供电系统的绝缘电阻的有源测量，该未接地供电系统由接地操作的转换器进行供给，并且基于产生转换器中有源测量所需的测量电压。

因此，不需要通常用于测量未接地供电系统中的绝缘电阻的共模测量电压源(例如以绝缘监测装置(IMD)的形式)，因为转换器中产生的对地共模电压在转换器输出处叠加在未接地的网络上，即连接在供电系统的每个有源导体与地之间。在转换器的与要监测的供电系统的接口处的输出处检测该测量电压以用于评估。通过使用共模电压作为有源测量电压，可以确定对地对称阻抗，特别是在对称的故障状态的情况下。由于可以在很大程度上独立于供给电压设置共模电压，因此绝缘电阻的确定在以下情况下是可能的：在很大程度上独立于网络泄漏电容，在很大程度上不受干扰组件的影响并且同时符合法规和/或标准。

叠加的测量电压引起测量电流，该测量电流在跨供电系统中固有存在的泄漏阻抗并且跨接地的转换器的测量电路中闭合。当测量电流的频率足够低时，测量电流的大小主要由绝缘电阻确定，即由泄漏阻抗的欧姆部分确定，这是因为与低频处的欧姆部分相比，泄漏电容的电导，即泄漏阻抗的电容性部分的电导，可以忽略不计。在中心位置处——优选地在转换器的输出处——检测与绝缘电阻成比例的测量电流，是的可以结合已知的测量电压确定绝缘电阻。

因此，在转换器中直接集成共模测量电压的产生允许成本有效的实现方式，包括与完全未接地供电系统(未由接地操作的转换器进行供给的供电系统)中可能的那些功能类似全面的绝缘监测功能。

特别地，连接到接地操作转换器的电气设施的可能应用领域在以下方面展开：接地操作的小型顶部安装式光伏设施；可变驱动器；接地操作的风能发电厂；工业直流供电系统；接地操作的直流电源，例如在远程通信、计算机中心或医疗领域中；用于高炉应用的接地操作的转换器或电转气应用中的接地操作的转换器中。

在另一个有利的实施方式中，共模电压是通过生成用于控制功率半导体开关的脉冲模式来产生的。

为了在信号波形和信号频率方面根据需要生成转换器的输出信号，使用合适的脉冲模式来控制转换器的功率半导体开关。对于多相转换器，通常使用对称脉冲模式，其在转换器的输出处产生可忽略的共模电压。然而，通过改变脉冲模式控制，例如通过控制的不对称性，可以在转换器的输出处产生可以根据本发明用于供电系统中的测量和监测任务的显著的对地共模电压。

有利地，脉冲模式是通过使用偏置电压对每个相的参考电压的电压位移来生成的。

为了在转换器的输出处获得所需的直流电压信号，以合适的方式修改用于控制功率半导体的脉冲模式。这通过使用偏置电压对每个相的参考电压的电压位移来实现。

在该方法的另一实施方式中，设置偏置电压使得该偏置电压具有基频在供电系统的网络频率以下的方波波形，导致测量电压的测量频率处于偏置电压的基频的水平。

偏置电压的幅度、频率和波形是偏置电压的主要可设置参数，这些参数映射了所需共模电压的参数。特别地，偏置电压的波形和频率反映在共模电压的波形和频率中，从而形成适合于确定绝缘电阻并且可以有利地适于要监测的供电系统的系统参数例如泄漏电容的大小的测量电压。

因此，在网络泄漏电容大的情况下，例如在广泛分支未接地供电系统中，选择偏置电压的频率并因此选择共模电压即测量电压的最终等频率是有利的，等频率显著低于未接地供电系统的网络频率。另外，当使用方波波形时，可以采用未接地供电系统的绝缘监测装置中的用于信号处理的已知算法。

除了考虑存在的网络泄漏电容对偏置电压的可设置参数的适应调整之外，还可以考虑可能的干扰信号的影响来优化这些参数。

该方法可以有利地用于其中转换器被配置为逆变器或整流器或变频器的电气设施中。

因此，根据本发明的方法，特别是用于控制功率半导体开关的脉冲模式的产生，独立于其中使用了转换器的功能。因此，例如，当连接到用作整流器的转换器的直流供电系统要被监测时，或者在用作逆变器或变频器的转换器的下游操作交流供电系统的情况下，该方法是适用的。

因此，根据本发明的方法的可能应用是，例如：在光伏逆变器的输入侧接地操作的光伏设施；在交流侧具有接地网络配置的工业上使用的整流器供给的直流电源；在交流输入侧具有接地网络配置变频器驱动器；计算机中心的在交流侧具有接地网络配置的整流器供给的直流电源；在交流侧具有接地网络配置的基于整流器的不间断电源(UPS)；电动车辆的具有在驱动侧与车身之间的电流连接的逆变器驱动器。

基于根据本发明的用于确定绝缘电阻的方法，通过一种用于定位绝缘故障的方法进一步实现了在分支供电系统中进行监测的目的，该用于定位绝缘故障的方法还包括以下步骤：通过剩余电流测量装置检测在未接地供电系统中的要监测的系统分支中由测量电压引起的剩余电流，以及评估剩余电流以检测表现出绝缘故障的系统分支。

根据本发明的用于确定绝缘电阻的方法可以通过以下步骤来增强以得到用于定位绝缘故障并且从而用于定位故障系统分支的方法：通过测量剩余电流检测在未接地供电系统中的要监测的系统分支中由测量电压引起的剩余电流。

为此，剩余电流测量装置以现有技术中已知的方式安装在要监测的每个系统分支中，所述剩余电流测量装置在受绝缘故障影响的系统分支中检测由作为测量电压的共模电压驱动的剩余电流。

在其作为测量电压(测试电压)的功能中，转换器中产生的共模电压取代了通常用于绝缘故障定位装置的测试电流产生器，其会需要复杂的安装。

有利地，确定要监测的系统分支的部分网络泄漏电容。

基于在要监测的系统分支中检测到的测量电压以及由测量电压引起的剩余电流，可以确定要监测的系统分支的(部分)网络泄漏电容。

附图说明

其他有利特征根据以下描述和附图是显而易见的，附图通过示例的方式示出了本发明的优选实施方式。

图1是无源剩余电流测量技术的监测缺口“对称故障”的原理的图示，

图2是电容性泄漏电流对剩余电流测量的测量灵敏度的影响的原理的图示，

图3示出了具有用于产生共模电压的电压位移的转换器(具有STC调制的逆变器)的模拟，

图4a示出了没有电压位移的图3的转换器模拟的模拟结果(信号波形)，

图4b示出了有电压位移的图3的转换器模拟的模拟结果(信号波形)，图5a示出了在未接地直流供电系统中根据本发明的绝缘监测，

图5b示出了在未接地交流供电系统中根据本发明的绝缘监测，

图6a示出了在分支未接地直流供电系统中根据本发明的绝缘故障的定位，以及

图6b示出了在分支未接地交流供电系统中根据本发明的绝缘故障的定位。

具体实施方式

图1是当使用无源剩余电流测量技术时可以发生的监测缺口“对称故障”的原理的图示。所示的是包括有源导体(相导体，相)L1、L2和L3并且通过电源4接地的供电系统2。剩余电流测量装置6检测在导体L1、L2和L3中流动的电流的矢量和。剩余电流测量装置6可以是剩余电流保护装置(RCD)或剩余电流监测器(RCM)的一部分。

由于电气系统中通常对称的结构，通常在绝缘劣化时可以假设对称的故障情况，即以相同方式影响所有三个导体L1、L2和L3的绝缘故障。在图1中，通过绝缘电阻R_iso——在故障情况下也通过R_f(绝缘故障或绝缘故障电阻)——来说明这种绝缘故障，其中，绝缘电阻R_iso在导体L1、L2、L3(包括所有连接的设备)与地之间起作用，并且将整个供电系统2的复值泄漏阻抗建模为集中元件和泄漏电容C_e。

由于对称定相(phasing)，通过绝缘电阻R_iso在导体L1、L2和L3中流动的剩余电流I_f1、I_f2和I_f3的矢量和——因此作为结果的剩余电流ΔI——接近于零。

尽管剩余电流I_f1、I_f2和I_f3的幅度显著，但在使用无源剩余电流测量技术时，该剩余电流无法被检测到并导致与对称故障的发生相关的监测缺口。

图2是电容性泄漏电流对剩余电流测量的测量灵敏度的影响的原理的图示。

与使用根据标准安装的绝缘监测装置(IMD)相比，使用基于剩余电流的监测系统时出现的一个缺点是基于剩余电流的监测系统的测量行为明显依赖于所存在的网络泄漏电容和由网络泄漏电容确定的泄漏电流。如果显著的电容性泄漏电流I_abl已经在流动，则与较小但仍然有害的剩余电流I_f的矢量加法仅导致剩余电流的少量增加，这在剩余电流测量装置的灵敏度不足的情况下不能被可靠地检测到。图2中的数值示例示出了当出现30mA的剩余电流I_f时除了固有存在的泄漏电流I_abl(不考虑操作电流)之外，剩余电流ΔI仅略微增加1.5mA。

图3示出了具有用于产生作为测量电压U_g的共模电压的电压位移12的转换器10的模拟模型。

在该模拟模型中，转换器10被建模为逆变器14，其功率半导体开关SW10至SW60由控制电路16通过脉冲模式sa、sb、sc控制。在该模型中，示出了使用STC调制方法(中心对齐模式下的正弦三角比较)产生用于控制功率半导体开关SW10至SW60的脉冲模式sa、sb、sc。如下所述，也可以使用其他已知调制方法(STC-THI、CSVM、DSVM类型A、DSVM类型B、DSVM类型C)修改控制脉冲模式sa、sb、sc以用于产生优化的测量电压U_g。

在所述的STC方法中，控制脉冲模式sa、sb、sc基本上以已知的方式通过用标准化正弦参考电压U_L1、U_L2、U_L3调制高频三角载波信号C_r来调制，使得产生尽可能正弦型的输出电压U_ab、U_ac、U_bc。

在没有电压位移12的情况下，即当对称地控制载波信号C_r时，在逆变器的输出处不会出现显著的作为测量电压U_g的共模电压(比照图4a中测量电压U_g的信号波形)。

然而，如果控制电路16中的控制脉冲模式生成被电压位移12修改为使得偏置电压U_m叠加在每个相位L1、L2、L3的相应正弦参考电压U_L1、U_L2、U_L3上，则在逆变器14的输出处出现在测量电压U_g时可测量且可利用的对地共模电压(比照图4b中测量电压U_g的信号波形)。

图4a示出了作为在没有电压位移12的情况下来自图3的转换器模拟的模拟结果的信号波形。

为了说明逆变器操作的基本效果，示出了三个正弦参考电压U_L1、U_L2和U_L3，它们彼此偏移120°，频率为50Hz，并且各自调制高频(2kHz)三角载波信号C_r。由于逆变器14的桥接分支的中心抽头(tapping)的叠加，得到的输出电压U_ab、U_ac和U_bc确实具有大体方波脉冲，但它们包含作为不期望的基本振荡的正弦参考电压U_L1、U_L2和U_L3的频率。

发生的共模电压(测量电压U_g)总计为几百毫伏并且不可用，或仅在一定程度上可用作用于绝缘监测或用于定位供电网络中的绝缘故障的测量电压U_g。

图4b示出了作为在有电压位移12的情况下来自图3的转换器模拟的模拟结果的信号波形。

电压位移12在每个正弦参考电压U_L1、U_L2和U_L3上叠加具有方波波形、幅度为±40mV且基频为10Hz的偏置电压U_m。

作为结果，出现幅度为±10V且基频也为10Hz的对地共模电压，作为测量电压Ug(注意与图4a相比压缩的时标)。鉴于10Hz的该测量信号频率显著低于50Hz的网络频率，由此产生的测量电压U_g可以用于确定绝缘电阻，即使存在大的网络泄漏电容(图2)也如此，这是因为电容性泄漏电流I_abl已大大减少并且不会使测量结果失真。

图5a和图5b示出了根据本发明的绝缘监测向未接地直流供电系统(图5a)和未接地交流供电系统(图5b)的应用。

图5a示出了被配置为整流器24并且通过电源4接地操作的转换器10。包括有源导体L+和L-的未接地直流供电系统被连接到整流器24的输出侧。将未接地供电系统20的泄漏电容C_e和绝缘电阻R_f示为对地PE(保护导体PE)的集中元件。

监测器26一方面测量通过整流器24根据本发明提供的测量电压U_g，另一方面接收由测量电压U_g引起的测量电流((共模)剩余电流)I_g的值，所述测量电流I_g被剩余电流测量装置6检测为有源导体L+和L-上的和电流。绝缘电阻R_f由这两个变量计算。

通过在受控整流器24(图3)中修改控制脉冲模式sa、sb、sc，可以使测量电压U_g适于未接地供电系统20，使得泄漏电容C_e和伴随的泄漏电流I_ab1对测量结果没有任何实质性的恶化影响(与在根据图2的没有适应调整的测量信号的基于剩余电流的检测的情况下不同)。

因此，根据本发明的用于确定绝缘电阻R_f的方法提供了与标准绝缘监测装置(IMD)具有相同可靠性的相同功能，其优点是无需需要精心安装的外部共模测量电压源。

此外，监测装置26中除了绝缘电阻R_f之外，还可以确定泄漏电容C_e的大小。

图5b示出了其中转换器10被配置为经由电源4接地操作的变频器34的应用。交流供电系统30连接到变频器34的输出。这里，绝缘电阻R_f和(如果适用的话)泄漏电容C_e也在监测器26中被确定，监测器26评估由变频器产生的测量电压U_g和由所述测量电压U_g引起的测量电流I_g。

图6a和图6b示出了根据本发明的在由接地整流器24操作的分支未接地直流供电系统(图6a)中和由接地变频器34进行供给的分支未接地交流供电系统(图6b)中的绝缘故障的定位。

图6a的分支未接地直流供电系统40具有两个系统分支41、42，该两个系统分支各自连接负载43、44，并且各自可以使用分离装置49与主系统分离。

类似于主系统，系统分支41、42和图6b的系统分支51、52像任何供电系统一样，都具有固有存在的(部分)绝缘电阻和(部分)网络泄漏电容，这些都未示出。

如图所示，在由于负载43上的绝缘故障导致系统分支41中的绝缘故障R_x的情况下，形成闭合电流路径，其通过绝缘故障R_x和接地整流器24闭合并且其中剩余电流I_x正在流动。

评估装置46设置在系统分支41、42的每一个中。每个评估装置46都有用于(潜在的)剩余电流I_x的分支选择性检测的剩余电流测量装置6，剩余电流I_x通过整流器24中产生的测量电压U_g(共模电压)被驱动为共模电流。每个评估装置46还包括微处理器47和用于发送检测到的剩余电流I_x的接口48。

增强型监测器45还有用于接收由评估装置46发送的剩余电流I_x的(接收)接口48。

基于安装在主系统和系统分支41、42中的剩余电流测量装置6，可以跟踪由剩余电流I_x形成的电流路径，因此可以检测到故障系统分支41。

在供电系统无故障的情况下，可以在增强型监测器45中根据由增强型监测器45测量的测量电压U_g以及根据在相应被监测系统分支41、42中流动且通过评估装置46发送到增强型监测器45的(共模)测量电流，来计算相应被监测系统分支41、42的(部分)绝缘电阻和/或(部分)网络泄漏电容。

评估结果可以在本地存储、本地显示或发送到上级控制中心，以便启动相应的安全措施。

替选地，可以在相应评估装置46中直接确定要监测的系统分支41、42的(部分)绝缘电阻值，以及可选地，确定系统分支41、42的(部分)网络泄漏电容。在这种情况下，增强型监测器45将关于测量电压U_g的信息分发给评估装置46，以便允许在相应评估装置46进行“现场”分支选择性确定。

被评估为严重的系统分支41、42可以通过相应微处理器47和分离装置49被断开。

在结构和功能方面，图6b中的图示除了以下之外基本上对应于图6a中的图示：代替分支未接地直流供电系统40，将包括两个系统分支51、52的分支未接地交流供电系统50连接到接地操作的变频器34的输出。多相负载53、54连接到系统分支51、52，在一个负载51中发生绝缘故障R_x。

每个系统分支51、52都有包括微处理器47、剩余电流测量装置6和通过微处理器47控制的三相分离装置59的评估装置56。