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    本实用新型涉及一种确定未接地供电系统(12)相对于地电势(PE)的绝缘电阻(RF)的电路布置(20)，所述电路布置(20)具有测量路径(24)，所述测量路径在供电系统(12)的有源导体(L1，L2)以及地电势(PE)之间延伸，并包括用于产生测量电压(UG)的测量电压发生器(VG)、用于捕获所测量的电压(UM)的测量电阻(RM)、以及耦合电阻(RA)，电路布置(20)包括信号评估电路(26)，所述信号评估电路包括用于评估所测量的电压(UM)的信号输入端和接地连接(GND)，所述接地连接(GND)连接到地电势(PE)。
    公开号:CN214335062U
    申请号:CN202022801402.5U
    申请日:2020-11-27
    公开日:2021-10-01
    发明作者:奥利弗·谢弗；伯克哈德·马赫特
    申请人:Bender GmbH and Co KG；
    IPC主号:G01R27-02
    专利说明:
    [n0001] 本实用新型涉及一种具有有源测量电压用于确定未接地供电系统相对于地电势的绝缘电阻或复值绝缘阻抗的电路布置，所述电路布置具有测量路径，所述测量路径在供电系统的有源导体以及地电势之间延伸，并包括用于产生测量电压的测量电压发生器、用于捕获所测量的电压的测量电阻、以及耦合电阻，电路布置包括信号评估电路，所述信号评估电路包括用于评估所测量的电压的信号输入端和接地连接。
    [n0002] 当需要满足运行、火灾和接触安全的更高要求时，应用未接地供电系统的网络配置，其也被称为绝缘网络或IT供电系统(IT：法语isoléterre)。对于这种类型的供电系统，有源部分与地电势(相对于“地”)分开。这些网络的优点在于，在发生绝缘故障(第一故障)，例如，因为在网络的有源导体与地之间的理想地无限大的阻抗值不能形成闭合电路，所以发生供电系统的有源导体的接地故障时，所连接的电气用户的功能不被阻碍。网络泄漏电容-其在具有绝缘电阻的并联连接中形成供电系统的复值绝缘阻抗-将从该讨论中省略。在本实用新型的框架内讨论的非接地供电系统可以是交流或直流系统或这两种系统的混合形式。
    [n0003] 未接地供电系统相对于地电势的电阻(绝缘电阻；在发生故障的情况下，也称为绝缘故障电阻或故障电阻)，还必须由标准绝缘监测装置(IMD)根据标准规范来监测，因为故障回路可能会通过在不同有源导体上发生的进一步故障而产生(第二故障)，这会导致流动的故障电流连同过电流保护装置一起关断设备，从而导致运行停止。
    [n0004] 除了利用供电系统的网络电压作为测量电流的驱动源来检测绝缘故障的无源绝缘监测装置外，有源绝缘监测装置也是本领域的公知常识。这些有源绝缘监测装置具有测量路径，测量路径在供电系统的一个或多个有源导体与地电势之间延伸并且包括内部测量电压发生器。由测量电压发生器产生的测量电压经由有源导体和绝缘电阻将测量电压有源驱动回测量路径，测量路径具有串联连接到测量电压发生器用于捕获测量电压的测量电阻和串联连接用于耦合到供电系统的耦合电阻。将通过测量电阻获得的电压降经由信号输入提供给信号评估电路进行评估，以便确定绝缘电阻。
    [n0005] 在最简单的情况下，仅在一个有源导体处具有正好一个测量路径的单极耦合就足够了。在多极非接地供电系统中，到至少两个测量路径的耦合可以是敏感的，以便还测量网络电压或位移电压并监测耦合。
    [n0006] 在其配置是可变的非接地供电系统中，诸如在船上的耦合式非接地供电系统中(其中取决于负载条件连接或断开供应不同IT网络的发电机)，绝缘监测装置还必须彼此耦合。在这种情况下，证明不利的是，绝缘监测装置的这种耦合是经由电可隔离路径建立的，因为绝缘监测装置之间的交点并未直接接地并且因此可能发生信号回路。
    [n0007] 利用迄今已知的绝缘监测装置，测量路径的串联连接被配置成使得信号评估电路的接地连接不被连接到地电势。绝缘监测装置的所有交点信号因此通过相对于地的(共模)测量电压叠加，并且当集成在非接地供电系统中时必须以电隔离的方式传输。绝缘监测装置或其他接地装置之间不存在电连接。然而，这些电隔离的交点产生了显著的成本，因为它们必须在每个绝缘监测装置中实施。因此，需要用于转发告警消息的中继器或用于数字交点的数据耦合器用于电隔离。
    [n0008] 因此，本实用新型的目的是描述一种具有有源测量电压用于确定绝缘电阻或用于确定复值绝缘阻抗的电路布置，以及这种电路布置对于非接地供电系统的使用，耦合的绝缘监测装置之间的复杂的电隔离是不必要的。
    [n0009] 连同用于确定未接地供电系统相对于地电势的绝缘电阻的电路布置，所述电路布置具有测量路径，所述测量路径在供电系统的有源导体以及地电势之间延伸，并包括用于产生有源测量电压的测量电压发生器、用于捕获所测量的电压的测量电阻、以及耦合电阻，所述电路布置包括信号评估电路，所述信号评估电路包括用于评估所测量的电压的信号输入端和接地连接，通过将信号评估电路的接地连接连接到地电势来实现该目的。
    [n0010] 因此，本实用新型的基本思想在于将信号评估电路的接地连接连接到地电势。由于在这种情况下不存在电势梯度，因此可以防止故障电流(信号回路)。然后，所有的模拟和数字交点不再需要电隔离。通过消除信号评估电路的所有交点(包括其相对于地的电压供应)的电隔离，可以耦合绝缘监测装置而不会经由干扰回路电流导致错误的测量。
    [n0011] 有利地，测量路径被配置为使得地电势、测量电压发生器、测量电阻和耦合电阻以第一顺序构成串联连接。
    [n0012] 在本实施例中，从地电势开始，测量路径的元件，即，测量路径元件(测量电压发生器、测量电阻和耦合电阻)，被以开始于测量电压发生器、接着是测量电阻并终止于耦合电阻的第一顺序布置。
    [n0013] 在该第一测量布置中，测量电压发生器的连接连同信号评估电路的接地连接一起被连接到地电势。
    [n0014] 在这种情况下，经由测量电阻测量的仅几伏(±2伏范围内)的电压测量与较大的(共模)测量电压(±20伏范围内)相叠加，使得信号评估电路必须对被测电压进行高共模抑制。
    [n0015] 此外，提供非接地供电系统中的多极耦合，非接地供电系统包括至少两个导体，有源导体中的至少两个各自经由测量路径连接到地电势。
    [n0016] 在包括若干有源导体的非接地供电系统中，因此证明为至少两个有源导体中的每一个安装测量路径是有利的。
    [n0017] 这些测量路径可以是完全分开的，即，每个都具有其自己的测量电压发生器、测量电阻和耦合电阻，或者至少两个测量路径可以包括共同的测量电压发生器。
    [n0018] 替代于第一顺序，实现第二顺序的测量路径，使得测量路径、测量电压发生器和耦合电阻构成从地电势开始的串联连接。
    [n0019] 在该第二测量布置中，测量电阻的连接连同信号评估电路的接地连接一起连接到地电势。
    [n0020] 在此，所测量的电压经由测量电阻相对于地电势被直接捕获；然而，差分地检测(共模)测量电压。在这种情况下，对于共模抑制不需要满足高要求，因为差分检测的测量电压显著大于经由测量电阻施加的所测量的电压。
    [n0021] 配置第二顺序，可以以这样的方式在具有至少两个有源导体的未接地供电系统中实现，使得有源导体中的至少两个各自经由测量路径独立地连接到地电势。
    [n0022] 以与第一顺序中的若干有源导体的耦合相同的方式，可以将完全分离的测量路径用于相应的有源导体。
    [n0023] 为了有利地使用根据本实用新型的电路布置的实施方案-对于每个实施例存在以第一顺序或第二顺序的单独的测量路径，布置在相应测量路径中的测量电压发生器产生不同的测量电压，以便测试耦合的功能。
    [n0024] 这允许监测连接性，使得例如可以在测量路径中识别线路中断。
    [n0025] 在供电网络的操作期间，当电路布置为多极时，经由待监测的供电系统的源阻抗和负载阻抗在测量路径之间存在低阻抗连接。若测量路径的相应驱动测量电压相同，则由相应的测量电压驱动的耦合路径中的相应测量电流也应相同。如果测量路径之间的测量电压不同，则如果耦合完好，则它们经由源阻抗和负载阻抗产生电流。如果该电流不匹配可从当前负载星座和网络特性检测到的预期电流，则可通过该过程识别测量路径的中断连接。
    [n0026] 有利地，可以经由单独的测量路径使用具有多极耦合的电路布置，用于在若干未接地供电系统中同时且有源地测量连接到地电势的相应绝缘电阻或复值绝缘阻抗，不同供电系统的有源导体被分配给测量路径。
    [n0027] 在这种配置中，仅可能使用多极电路布置来同时为若干独立供电系统确定绝缘电阻或绝缘阻抗。
    [n0028] 独立的供电系统是具有彼此独立的网络电压源和它们自身负载的网络。
    [n0029] 由于来自不同供电系统的有源导体被分配给每个测量路径，因此可以为每个独立网络确定相应的绝缘电阻。
    [n0030] 有利地，当对于若干独立的供电系统使用具有经由单独的测量路径的多极耦合的电路布置时，不同的测量电压被施加到相应的供电系统，用于识别供电系统之间的低阻抗连接。
    [n0031] 这种配置允许确定两个独立供电系统之间的绝缘电阻或绝缘阻抗。通过在测量路径中使用不同的测量电压，经由测量路径来设置供电系统之间的电流，从而识别供电网络的非预期的低阻抗连接(交叉故障)，并且可以根据实部和虚部来确定该交叉故障的元件。
    [n0032] 进一步有利的实施例特征从使用示例描述本实用新型的优选实施例的以下描述和附图中得出。
    [n0033] 图1示出根据现有技术的用于确定绝缘电阻的电路布置，
    [n0034] 图2示出根据本实用新型的具有第一顺序的测量路径元件的电路布置，
    [n0035] 图3a示出在差分放大器中具有电隔离的测量路径，
    [n0036] 图3b示出在所测量的电压的信号处理中具有电隔离的测量路径，
    [n0037] 图4示出根据本实用新型的具有第二顺序的测量路径元件的电路布置，
    [n0038] 图5a、5b示出在没有其自身的信号处理的情况下如何确定测量电压，
    [n0039] 图6a、6b示出在两个实施例中具有电隔离电源的测量电压发生器；以及
    [n0040] 图7示出根据本实用新型的电路布置在独立供电系统中的使用。
    [n0041] 图1示出用于确定未接地供电系统12的绝缘电阻(绝缘监测装置)的电路布置10的一般设置。网络电压源VN经由两个有源导体L1、L2为负载RL供电。
    [n0042] 绝缘监测装置10连接在两个有源导体L1、L2和地(地电势)PE之间，绝缘监测装置10经由分支测量路径14与每个有源导体L1、L2耦合，使得可以经由有源导体L1、 L2和绝缘电阻RF形成闭合的测量电流电路。供电系统12另外由泄漏电容CE描述，该泄漏电容CE以与绝缘电阻RF相同的方式建模并连同绝缘电阻RF一起形成复值绝缘阻抗 ZF。在简化图示中，该复值ZF仅针对有源导体L2示出；然而，通常将绝缘阻抗ZF施加到每个有源导体L1、L2。
    [n0043] 从地电势PE开始，测量路径14包括测量电压发生器VG、测量电阻RM和耦合电阻 RA(VG、RM、RA和SA在这里和下面将针对所有以相同方式工作的相应测量路径元件 VGi、RMi、RAi和SAi进行描述)。可选地，在每个测量路径14中提供开关SA，用于使绝缘监测装置10与未接地供电系统12断开。
    [n0044] 测量电压发生器VG产生测量电压UG，测量电压UG驱动经由绝缘电阻RF闭合的测量电路中的电流，该电流导致在测量电阻RM处的可测量的电压降UM(所测量的电压)。将测量电压UG和所测量的电压UM提供给信号评估电路16以确定绝缘电阻RF。为了数字地处理输入信号，信号评估装置16包括模数转换器ADC和微控制器μC，以及交点 18，例如用于输出告警信号。
    [n0045] 图2示出根据本实用新型的电路布置20；从地电势PE开始，测量电压发生器VG、测量电阻RM和耦合电阻RA在分支测量路径24中以第一顺序组成串联连接。根据本实用新型，信号评估电路26的接地连接GND经由电连接22连接到地电势PE。
    [n0046] 在利用测量电压发生器VG提供交流信号(测量电压UG)时，可以在信号评估电路26中经由诸如离散傅里叶变换(DFT)的数字信号处理算法计算复值绝缘阻抗ZF，复值绝缘阻抗ZF具有分量RF(实部)和CE(虚部)。
    [n0047] 在所示的多极耦合中，两个测量路径24布置在共用的测量电压发生器VG上。可替换地，每个测量路径24可以包括其自身的测量电流发生器VG。
    [n0048] 在该第一顺序的配置中，由于(低)所测量的电压UM与(高)共模测量电压UG叠加，因此需要用于确定所测量的电压UM的高共模抑制，该所测量的电压UM经由差分放大器25(即，仪表放大器)检测。面对当前的电压条件-所测量的电压UM相对于测量电压UG处于±2伏的范围内，而测量电压UG处于±20伏的范围内，将需要一种仪表放大器，其共模抑制至少为120dB，用于正确确定所测量的电压UM。
    [n0049] 作为这种高质量的仪表放大器25的替代，在信号处理路径中经由电隔离达到所需的高共模抑制因此理想地适合于所测量的电压UM。
    [n0050] 图3a和3b示出关于其的两个选项。因此，电隔离32可以用于例如差分放大器电路34(图3a)内或者所测量的电压UM的信号处理电路36(图3b)内。
    [n0051] 图4示出根据本实用新型的具有多极耦合的用于确定未接地供电系统12中的绝缘电阻RF的电路布置40。与图2所示的第一顺序相反，测量路径元件以从地电势PE开始的第二顺序布置在测量路径44中，开始于测量电阻RM，接着是测量电压发生器VG并终止于耦合电阻RA。所测量的电压UM经由直接相对地PE的相应测量电阻RM被检测为压降，并连同经由差分放大器45差分检测的测量电压UG一起被提供给信号评估单元46。
    [n0052] 根据本实用新型，信号评估单元46经由电连接42连接到地电势PE。
    [n0053] 对于测量电压UG的信号处理路径中的共模抑制需要满足更少的要求，因为测量电压 UG比所测量的电压UM大得多。
    [n0054] 在图5a和5b中，示出了用于确定测量电压UG的两个电路选项。原理上，确定绝缘电阻RF需要测量电压UG。然而，测量电压UG不必是已知的；经由参考测量RF＝0hms，测量电压UG可以参考这个参考测量值。测量电压UG不必以同步和连续的方式被检测以捕获被测量的电压UM。因此，通过闭合与由测量电压发生器VG和测量电阻RM组成的串联连接并联设置的开关SG，可以借助于信号评估电路26、46为所测量的电压UM确定测量电压UG，如图5a所示。
    [n0055] 在图5a的电路扩展中，根据图5b可以断开(分离)开关SA，借助于与开关SG串联附加布置的电阻RG，可以将所测量的电压UM调整到所测量的电压UM的容许范围，同时确定测量电压UG。
    [n0056] 图6a和图6b示出具有电隔离电源的测量电压发生器VG。为了避免绕过测量电阻 RM经由测量电压发生器VG相对于接地GND的交叉流，测量电压发生器VG必须包括电隔离电源和用于控制的高阻抗输入。如果要经由模拟信号控制测量电压发生器VG，并且如果测量电压UG是双极的，如图6a所示，则可以设置测量电压源VG其具有经由电压 VCC或VDD双极供应的差分放大器。在这种情况下，电源电压UGS为内部和电隔离的电压源62供电。控制电压UGE控制双极测量电压UG。
    [n0057] 通过使用具有差分输出的差分放大器66，可以降低内部和电隔离的电压源62的复杂度。如图6b所示，即使当电源是单极时，这种放大器类型也产生双极测量电压UG。
    [n0058] 图7示出根据本实用新型的电路布置40在两个独立的供电系统12中以根据图4的第二顺序使用。
    [n0059] 将来自两个独立供电系统12的有源导体Ll分配给两个测量路径44中的每一个，使得可以在信号评估单元46中彼此独立地确定供电系统12的相应绝缘电阻RF。因此，该电路配置使得能够仅使用本实用新型的一个电路布置40来同时确定若干独立供电系统 12的相应绝缘电阻RF，尽管无论如何可以同时监测以示例性方式示出的两个以上供电系统12。此外，通过这种配置，多极耦合到相应的供电系统12也变得可能。
    [n0060] 此外，可以在测量路径44中检测当测量电压UG具有不同幅度并且在供电系统12之间存在低阻抗连接72(交叉故障)时发生的电流。由此识别在供电系统12之间发生的交叉故障，甚至是复值故障。
    权利要求:
    Claims (7)
    [0001] 1.一种确定未接地供电系统(12)相对于地电势(PE)的绝缘电阻(RF)的电路布置(20，40)，所述电路布置(20，40)具有测量路径(20，44)，所述测量路径在供电系统(12)的有源导体(L1，L2)以及地电势(PE)之间延伸，并包括用于产生有源测量电压(UG)的测量电压发生器(VG)、用于捕获所测量的电压(UM)的测量电阻(RM)、以及耦合电阻(RA)，所述电路布置(20，40)包括信号评估电路(26，46)，所述信号评估电路(26，46)包括用于评估所测量的电压(UM)的信号输入端和接地连接(GND)，
    其特征在于，
    所述接地连接(GND)连接到地电势(PE)。
    [0002] 2.根据权利要求1所述的电路布置，
    其特征在于，
    所述地电势(PE)、所述测量电压发生器(VG)、所述测量电阻(RM)和所述耦合电阻(RA)在所述测量路径(24)中以第一顺序构成串联连接。
    [0003] 3.根据权利要求2所述的电路布置，
    其特征在于，
    在具有至少两个有源导体(L1、L2)的未接地供电系统(12)中的多极耦合，所述有源导体(L1，L2)中的至少两个各自经由测量路径(24)连接到所述地电势(PE)。
    [0004] 4.根据权利要求3所述的电路布置，
    其特征在于，
    所述测量路径(24)被单独实现。
    [0005] 5.根据权利要求3所述的电路布置，
    其特征在于，
    至少两个测量路径(24)包括共用的测量电压发生器(VG)。
    [0006] 6.根据权利要求1所述的电路布置，
    其特征在于，
    所述地电势(PE)、所述测量电阻(RM)、所述测量电压发生器(VG)和所述耦合电阻(RA)在所述测量路径(44)中以第二顺序构成串联连接。
    [0007] 7.根据权利要求6所述的电路布置，
    其特征在于，
    在具有至少两个有源导体(L1、L2)的未接地供电系统(12)中的多极耦合，所述有源导体(L1，L2)中的至少两个各自经由测量路径(44)单独地连接到所述地电势(PE)。
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