用于具有对地操作的液体冷却器的未接地电气子系统的绝缘监视的监视设备和方法与流程

本发明涉及用于监视未接地电气系统的绝缘电阻的监视设备，未接地电气系统包括使用制冷剂对地操作并包括供应管线和回流管线的液体冷却器，供应管线和回流管线各自被实现为导电管段，导电管段连接到地电势并连接到与电气系统连接并具有管长度li的电绝缘管段。

背景技术：

当对操作、火灾和接触安全有更多要求时，使用未接地电气系统的网络形式，也被称为绝缘系统(法语：“isoléterre(it))或it系统。所有有源零件都与这种系统中的地电势分开(对地)。这种未接地电气系统的优点在于，由于电气系统与地之间的理想无穷大的阻抗值而不能完成回路，因此当发生绝缘故障时，没有对电气系统的功能产生负面影响。然而，必须不断监视未接地电气系统对地的电阻(绝缘电阻)，因为如果发生另一种故障，则可能会有故障回路，并且与过电流保护设备相结合的流动故障电流可以造成电气系统陷入运行停滞。

通过现有技术中已知的绝缘监视设备来监视绝缘，绝缘监视设备在电气系统的有源导体与地之间切换，从而将测量电压作为测量信号叠加在待被监视的电气系统上并评估流经绝缘电阻的故障电流以确定绝缘电阻。

如果待被监视的电气系统包括功率电子器件(如具有功率半导体的许多功率转换器应用的情况一样)，则例如，电气系统中产生的热随后经由液体冷却系统被有效地散发。优选使用的制冷剂是软化水。制冷剂再循环泵和制冷剂制备器主要由具有接地网络形式的供电系统(接地供电系统)馈电，并因此连接到地电势。在大多数时间，制冷剂系统直接连接到接地饮用水供应系统，以便能够快速补偿制冷剂损耗。

为了能够在未接地情况下操作诸如功率转换器之类的需要冷却的电气系统并能够使用接地供电系统同时对液体冷却系统供电，已知的是经由电绝缘的制冷剂管或管段将接地冷却系统与未接地电气系统电气分离。

然而，在未接地电气系统与对地操作的液体冷却器之间的完全电流绝缘是不可能的，因为制冷剂实际上总是存在电解电导率，该电解电导率因与工艺有关的原因而波动。可以通过制冷剂电阻rk来对原本绝缘的未接地电气系统与对地操作的液体冷却器之间的这种不完全电断开进行建模。

图1示出了本发明遇到的困难。示例性图示为具有由制冷剂冷却的功率电子器件的功率转换器的未接地供电系统2连接到对地操作的液体冷却器。液体冷却器包括制冷剂驱动器4，制冷剂驱动器4经由制冷剂3流过的供应管线6和回流管线8连接到待被冷却的电气系统2。供应管线6和回流管线8二者均由连接到地电势pe的导电管段10构成。在电气系统2处断开的电绝缘管段12在电气系统2的方向上分别连接到供应管线6和回流管线8的导电管段10。

为了监视电气系统2的绝缘电阻rf，电气系统2配备有符合标准的绝缘监视设备14。

制冷剂的电解电导率由作为集总元件并与绝缘电阻rf并联的冷却电阻rk表示。如果在制冷剂3的电导率过高时制冷剂电阻rk相比绝缘电阻rf取不可接受的小值，则不再能使用绝缘监视设备14根据标准来可靠地监视电气系统2。如果制冷剂电阻rk与具有例如1mω的高绝缘水平的(系统)绝缘电阻rf并联，具有仅kω的完全典型的值，则为了满足标准，尽管电气系统2具有良好的绝缘状态，绝缘监视设备也应该因为低制冷剂电阻rk而连续发出警报。

这些考虑表明不可能进行标准化监视。

当出于成本原因由共享的未接地变压器15给数个未接地电气子系统16(例如，数个高性能功率转换器)馈电时，困难变得更加明显。

图2示出了示例性示出由共享变压器15馈电的三个未接地电气子系统16的这种星座。假定制冷剂供应的几何形状和制冷剂3的电解电导率在所有三个电气子系统16中都是相同的，产生了图1中的制冷剂电阻rk的值的大致三分之一用于总制冷剂电阻。由此在使用绝缘监视设备14确定绝缘电阻rf时引起的系统性故障变得不可接受地大。

根据现有技术，为了解决问题，在设计系统时可以应用建设性措施，以确保根据标准需要监视绝缘时制冷剂电阻变得大得足以保持系统性故障小。例如，已知的措施是对应地设计制冷剂供应的几何形状并使用高质量的材料，以在使用具有非常小的导体值的制冷剂时将腐蚀和/或迁移的影响保持最小。

然而，这些建设性措施造成系统成本显著更高，这意味着，在实践中，用于预警报和主警报的绝缘监视设备的响应值被设置为非常低的阻抗水平，由此偏离标准推荐。在计量上，因此该环境中的绝缘监视设备在限制范围内且超出其技术规格地发挥作用。这也意味着为用户提供频繁的故障警报。

技术实现要素：

因此，本发明目前的目的是提出使用对地操作的液体冷却器进行操作的未接地电气系统的监视设备以及监视绝缘电阻的方法，这二者将使得能够进行绝缘电阻的可靠且成本有效的监视。

该目的是通过权利要求1的设备的特征来实现的。

基本的创造性思路是，经由制冷剂电阻顺序地馈送测量信号，以确定绝缘电阻。相比于其中测量信号耦合到与制冷剂电阻rk并联的对地的有源导体的现有技术，制冷剂电阻rk与根据本发明的设计中的将被检测的绝缘电阻rf不并联，而是被切换为与其串联。上述的系统性故障不再适用。

因此，取决于测量信号的耦合方式(经由供应管线和回流管线的共享耦合或仅一侧耦合到供应管线或回流管线)，监视设备包括一个或两个各自以测量电压形式生成测量信号的低阻抗测量信号源。测量信号源经由具有导电管段的地电势连接与地电势接触。

为了耦合测量信号，测量信号源的耦合连接连接到与制冷剂接触的导电耦合管元件。

为了测量在流过电绝缘管段的制冷剂中流动的耦合电流，在电绝缘管段处设置耦合电流测量传感器。

故障电流测量传感器在电气系统的方向上在耦合电流测量传感器的下游。这用于测量在流过电绝缘管段的制冷剂中也出现的并为了确定绝缘电阻而考虑的故障电流。

在电绝缘管段上，(一件式)耦合管元件被布置在布置在地电势侧的耦合电流测量传感器和布置在系统侧的故障电流测量传感器之间，以使得电绝缘管段的管长度被划分成在导电管段和耦合管元件之间延伸的耦合长度以及从耦合管元件延伸到电气系统的电阻长度(或者如果耦合管元件具有两个部分，则两个耦合管元件以这样的方式布置)。

为了从测量电压、检测到的耦合电流、检测到的故障电流、耦合长度和电阻长度来计算绝缘电阻，监视设备包括例如微处理器形式的计算单元。

从由接地供电系统馈电的制冷剂驱动器和连接到其的导电管段开始，耦合电流测量传感器、耦合管元件和故障电流测量传感器的布置顺序始终相同；然而，用于将这些元件附接到供应管线和/或回流管线的构造可以不同。

在可能的实施例中，故障电流测量传感器包括围绕供应管线和回流管线二者的故障电流测量电流变压器。同样，耦合电流测量传感器包括围绕供应管线和回流管线二者的耦合电流测量电流变压器。

耦合管元件要么被实现为一个部分并连接到测量信号源使得测量信号共模地同步耦合到供应管线和回流管线，要么耦合管元件被实现为两个部分并由供应管线耦合管元件和回流管线耦合管元件组成。供应管线耦合管元件和回流管线耦合管元件各自连接到测量信号源中的一个，并将对应的测量信号共模地在一侧同步耦合到供应管线和回流管线。因此，测量信号始终耦合到供应管线和回流管线。

故障电流测量传感器包括故障电流测量电流变压器，并且耦合电流测量传感器包括耦合电流测量电流变压器，故障电流测量电流变压器以及耦合电流测量电流变压器二者围绕一侧的供应管线或一侧的回流管线。

使用根据本发明的监视设备来监视作为未接地功率转换器系统的电气系统的绝缘电阻证实是有利的。

特别地，可以使用根据本发明的监视设备来针对绝缘电阻可靠地监视需要高冷却能力的高性能功率转换器系统(逆变器系统、整流器系统和转换器系统)。

可以通过经由测量电压源中的负载电阻处的电压降检测测量电流来降低经由故障电流测量传感器和耦合电流测量传感器进行电流绝缘的电流测量时的其余测量不精确。尽管本发明的方法假定制冷剂供应的已知和可靠的几何关系，但这些考虑产生了使用电压测量作为电流测量的替代的根据本发明的方法。

因此，通过根据权利要求5的特征的监视设备来进一步实现本发明的目的。

在该实施例中，监视设备还包括用于生成具有测量电压的测量信号的低阻抗测量信号源。测量信号源包括连接到导电管段的地电势连接和耦合连接。接触制冷剂并将测量信号共模地同步耦合到供应管线和回流管线的导电耦合的管元件连接到测量信号源的该耦合连接。

相比于权利要求1中描述的监视设备，监控设备的该实施例不包括电流测量，而是替代地包括电压表和导电电压表管元件，导电电压表管元件接触制冷剂并用于测量电绝缘管段上的分压。

电压表的第一电压表输入端连接到测量信号源的耦合连接，电压表的第二电压表输入端连接到用于检测分压的电压表管元件。

耦合管元件被布置在电绝缘管段上，使得在布置在地电势侧的导电管段的系统侧端部和耦合管元件之间的电绝缘管段上产生一定耦合长度。在电气系统的方向上与其相邻地，电压表管元件被布置在电绝缘管段上使得在耦合管元件和电压表管元件之间设置具有限定的电压表长度的距离。在电压表管元件和电气系统之间产生电绝缘管段上的限定的电阻长度。

在具有电压测量的该实施例中，监测设备还包括计算单元，该计算单元被配置用于从测量电压、测量信号、所供应的测量电流、分压、耦合长度、电压表长度和电阻长度来计算绝缘电阻。

使用监视设备对于为了满足对高性能功率转换器系统的冷却需求而监视作为电力系统的未接地功率转换器系统的绝缘电阻是有利的。

从具有电流测量的监视设备(权利要求1)和具有电压测量的监视设备的实施例(权利要求5)开始，设计出用于监视由共享变压器馈电的多个未接地电气子系统的共享绝缘电阻的增强的监视设备。

考虑到共享变压器，对应的电气子系统对应于上述的未接地电气系统，未接地电气系统包括使用制冷剂对地操作并具有供应管线和回流管线的液体冷却器。

根据本发明，增强的监视设备中的未接地电气子系统中的至少两个配备有根据权利要求1至6中任一项所述的监视设备。

增强的监视设备还包括用于将测量信号同步耦合到待被监视的对应电气子系统的同步控制设备。

因此，确保了由测量信号源生成并馈送到对应的子系统中的测量信号的时间同步的测量信号进展。

有利地，同步控制设备包括用于控制对应的监视设备中生成的测量信号的测量信号幅度的幅度控制设备。

不需要一定控制指派给电气子系统的对应监视设备中的测量信号幅度；然而，当制冷剂供应的几何设计不均匀时，可以利用该控制将针对各电气子系统的出现的对地的漏电流或对地的残差电压设置为大致相同的强度。这样就防止了个体电气子系统的电流或电压负载不均匀，因为个体电气子系统中的漏电流的极端偏差可以造成进入不利工作区域的经由对应的测量信号源和/或电流传感器出现的另外的系统性测量故障。

有利地，可以使用幅度控制设备针对每个待被控制的电气子系统来控制测量信号幅度，这意味着，绝缘监视系统的总体操作测量安全性独立于因工艺引起的制冷剂系统的参数波动(例如，电解电导率的波动)以及制冷剂回路的几何设计中将预计到的差异(例如，制冷剂管的不同长度)而大幅增加。

以上根据本发明描述的监视设备的实施例基于在独立方法权利要求9、11和13中描述的技术教导。就此而言，以上提到的技术效果以及由此得到的优点也应用于方法权利要求中描述的特征。

有利地，由于该系统和制冷剂供应的设计而存在的耦合选项可以特别地用于由制冷剂冷却的功率转换器应用中，由此通过防止制冷剂对地的电阻与绝缘电阻并联来实现计量优化。

有利地，在中压应用中，可以降低在绝缘监视设备中应用的性能及其电压负载。

附图说明

从使用示例描述了本发明的优选实施例的以下描述和附图推导出其他有利的实施例特征。

图1示出了具有对地操作的液体冷却器的未接地电气系统；

图2示出了由共享变压器馈电的电气子系统；

图3示出了具有共享电流测量和一件式测量信号耦合的根据本发明的监视设备；

图4示出了具有一侧电流测量和一件式测量信号耦合的根据本发明的监视设备；

图5示出了具有共享电流测量和两部分式测量信号耦合的根据本发明的监视设备；

图6示出了根据图3的用于确定绝缘电阻的等效电路图；

图7示出了具有电压测量的根据本发明的监视设备；

图8示出了根据图7的确定绝缘电阻的等效电路图；

图9示出了具有电压测量的根据本发明的增强的监视设备；

图10示出了根据图9的用于确定绝缘电阻的等效电路图；

图11示出了具有电压测量的增强的监视设备；

图12示出了根据图11的用于确定绝缘电阻的等效电路图。

具体实施方式

为了阐明潜在的困难，图1示出了未接地电气系统2，未接地电气系统2包括使用制冷剂3对地操作并具有供应管线6和回流管线8的液体冷却器。

导电管段10布置在用于制冷剂3的供应管线6和回流管线8的制冷剂驱动器4处(地电势侧)，并连接到地电势pe，电绝缘管段12连接到管段10(系统侧)并通向未接地电气系统2。

为了确定一个或多个对地pe的有源导体之间的电气系统2的绝缘电阻rf，根据现有技术，绝缘监视设备14在未接地电气系统2和地pe之间切换。

由于制冷剂3的电解电导率，电气系统2未完全与地pe电绝缘。因此，存在经由制冷剂电阻rk被建模为集总元件的对地pe的导电连接。制冷剂电阻rk与将被检测的绝缘电阻rf并联，并相当大地影响绝缘电阻的测量。

图2示出了由共享变压器15馈电的三个电气子系统16的位置。由于电气子系统16的并联电路，总制冷剂电阻降低到大致三分之一，因此导致绝缘电阻rf的确定更加不精确。

图3示出了具有在图1中图示的未接地电气系统的应用中的一件式测量信号耦合和共享电流测量的根据本发明的监视设备100，未接地电气系统具有对地操作的液体冷却器。

在地电势侧，耦合电流测量传感器40布置在具有管长度li的电绝缘管段12上，耦合电流测量传感器40的耦合电流测量电流变压器围绕供应管线6和回流管线8二者。耦合电流测量传感器40包括在流过电绝缘管段12的制冷剂3中流动的耦合电流iak。

故障电流测量传感器42在电气系统2的方向上在耦合电流测量传感器40的下游，围绕供应管线6和回流管线8二者并检测处于流过电绝缘管段12的制冷剂3中的故障电流iri(在附图中的测量信号耦合的“上方”)。

在耦合电流测量传感器40和故障电流测量传感器42之间，一件式耦合管元件50被附接在电绝缘管段12中的耦合长度lak的距离(从系统侧端部的导电管段10开始测量)处。从耦合管元件50到电绝缘管段12与电气系统2的连接处，保持与耦合长度lak相结合形成电绝缘管段12的管长度li的电阻长度lri。

为了供应测量信号(测量电压um)，将一件式耦合管元件50经由耦合连接32连接到测量电压源30。测量信号源30的地电势连接31处于地电势pe，例如，连接到导电管段10。

为了计算绝缘电阻rf，监视设备100包括计算单元60，计算单元60对耦合电流测量传感器40、故障电流测量传感器42和测量信号源30的输出信号进行评估。

图4示出了具有一侧电流测量和一件式测量信号耦合的根据本发明的监视设备101的实施例。

相比于图3中图示的实施例，耦合电流测量传感器40和故障电流测量传感器42被实现为是一侧的，即，两个测量电流变压器要么设置在围绕供应管线6的一侧要么都在围绕回流管线8的一侧。

以与图3中图示的监视设备100相同的方式，监视设备101包括未在图4中图示的计算单元60。

图5示出了具有共享电流测量和两部分式测量信号耦合的监视设备102的另一实施例。

使用设置在地电势侧的耦合电流测量传感器40和设置在系统侧的故障电流测量传感器42以与图3中图示的监视设备100相同的方式测量电流，测量传感器40和42二者都围绕供应管线6和回流管线8。

然而，耦合管元件50被划分为两部分：供应管线耦合管元件52和回流管线耦合管元件54。供应管线耦合管元件52和回流管线耦合管元件54各自连接到测量信号源30，对应的测量信号共模地在一侧同步耦合到供给管线6和回流管线二者。

如果测量信号没有共模地同步耦合到对地的供应管线6和回流管线8，例如，测量信号仅耦合到供应管线6，则电气泄漏电流将经由制冷剂回流管线再次作为电阻与确定的绝缘电阻rf并联。因此，无法实现目前的目的。

在图6中，图示了从根据图3的监视设备100推导的用于确定绝缘电阻rf的等效电路图。

通过耦合电阻rak和内部电阻ri表示图1中建模的制冷剂电阻rk。从同步施加的测量信号um的幅度与由耦合电流测量传感器40检测的耦合电流iak的幅度的商对应地产生耦合电阻rak，

从制冷剂供应的恒定横截面和沿着制冷剂供应的制冷剂3的恒定电解电导率开始，可以如下地从先前检测到的耦合电阻rak的值和电绝缘管段12中的电阻长度lri与耦合长度lak的比率来确定内部电阻ri：

根据本发明，制冷剂3的电解电导率的波动是经由内部电阻ri的变化而识别的，并且在确定绝缘电阻rf时可以被考虑。因此，防止了系统性测量误差。

要注意，在等效电路图中流过供应管线6和回流管线8的制冷剂3按其电效率被表示为(个体)电阻ri和/或(个体)耦合电阻rk。

从该等效电路图开始，可以使用分流器规则如下地确定绝缘电阻rf：

图7示出了具有电压测量的根据本发明的监视设备103。

在该实施例中，先前实施例中描述的电流测量被替换为具有电压表70的电压测量。

使用低阻抗测量信号源30以与上述实施例中相同的方式耦合测量信号，在从导电管段10的系统侧端部测得的耦合长度lak1的距离处，布置在电绝缘管段12上的耦合管元件50与低阻抗测量信号源30连接。

电压表70在第一电压表输入端72处连接到测量信号源30的耦合连接32，用于测量分压ui，并包括连接到与制冷剂3接触的导电电压表管元件76的第二电压表输入端74。

电压表管元件76在电气系统2的方向上布置在耦合管元件50下游的电压长度lak2的距离处。从电压表管元件76开始，电阻长度lri保持在电气系统2的方向上，电阻长度lri与耦合长度lak1和耦合长度lak2相结合地形成电绝缘管段12的管长度li。

计算单元60(未图示)从检测到的尺寸来检测绝缘电阻ri。

图8示出了从根据图7的监视设备103推导的用于检测绝缘电阻rf的等效电路图。

图6中的具有电流测量的监视设备100的等效电路图已被修改为具有电压测量的监视设备103。除了耦合电阻rak1之外，还添加了测量电阻rak2，测量电阻rak2被串联并经由测量电阻rak2检测电绝缘管段12上的分压ui。

由于未检测电流，因此最初并不知道故障电流iri和耦合电流iak。对图5中指示的计算公式进行了更改，绝缘电阻是如下基于根据图8的等效电路图计算的：

其中，且

图9示出了用于由共享变压器15馈电的三个未接地电气子系统16的根据本发明的增强的监视设备110。

将根据图5的本发明的监视设备102指派给待被监视的子系统16中的每个。在这种情形下，选择根据图5的监视设备102作为示例；通常，可以将所声明的监视设备100、101、102、103中的任一个指派给待被监视的子系统16中的任一个。

增强的监视设备110包括使得能够将测量信号同步耦合到待被监视的对应电气子系统16的同步控制设备80。

另外，幅度控制设备82被集成在同步控制设备80中，并控制在对应的监视设备102中生成的测量信号的测量信号幅度。

此外，设置在个体监视设备102中的计算单元可以被替换为共享的上级计算单元61。

图10示出了具有根据图9的增强的监视设备110的用于确定绝缘电阻rf的电气等效电路图。

因为增强的监视设备110适于使用n(n≥2)个电气子系统，所以该等效电路图通常对n个电气子系统是有效的。

该等效电路图另外还示出了由连接到对应测量信号源30的同步控制设备80和幅度控制设备82组成的功能组。

根据图5中的等效电路图的方程式，总绝缘电阻值rf的计算可以如下所示地通过将个体导体值相加来确定，和/或被确定为计算出的针对由n个电气子系统16组成并由共享变压器15馈电的设计的个体绝缘电阻值rfi的并联电路：

上式中的个体绝缘电阻值rfi类似于图6的等式确定它们本身为

图11示出了用于被一起馈电的三个电气子系统16的增强的监视设备111，这些子系统中的每个都配备有具有根据图7的电压测量的根据本发明的监视设备103。

增强的监视设备111包括同步控制设备80、共享计算单元61和可选的幅度控制设备82。

图12示出了根据图11的具有电压测量的增强的监视设备的电气等效电路图。

同样在该实施例中，为了防止测量信号彼此干扰，个体电气子系统16的测量电压源um必须彼此同步地运行。因此，有可能在极端情形下，例如，测量信号源30施加的测量电流im经由通过不同测量信号源30施加的测量电流而抵消其本身。当调整测量信号幅度使得电流流过绝缘电阻rf从而在所有测量分支上大致均匀地分布时，预计有计量上最佳的功能。基于制冷剂供应的已知长度比、已知的测量电压幅度um、针对各个测量分支测得的ui的值以及对应的供应的测量电流im，针对各分支计算绝缘电阻。然后，总绝缘值是由n个个体值的总和除以n来形成的。