保障A型剩余电流装置的保护功能的电气监控装置及方法

摘要

本发明涉及一种用于保障供电系统（2）中的A型剩余电流装置（RCD）（8）的功能的监控装置及方法，该监控装置包括：用于检测DC故障电流（I

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于保障供电系统中的A型剩余电流装置（RCD） 的功能的监控装置及方法。

本发明还涉及一种具有A型剩余电流装置（RCD）和根据本发明的 用于确保该A型剩余电流装置（RCD）的功能的监控装置的电气保护装 置。

背景技术

已知剩余电流装置（RCD）可以在电气系统中用作电气操作材料的 本体之间发生接触时的保护器件，并且剩余电流装置用来在电气系统的特 定区域提供保护。

这样的剩余电流装置（RCD）的操作模式依赖于以下事实：当电气 系统理想地运行时，供电线路的所有载流导体上的电流的矢量和等于零， 从而，供电线路周围没有磁场。如果由于绝缘故障而导致的确出现剩余电 流并且剩余电流通过物体或地泄露到供电线路外部，则产生了差动电流。 此差动电流的可变磁场包括触发开关元件以隔离有故障的供电线路的次 级侧电流。

在其最简单、最基本的变体中，根据感应原理，剩余电流装置（RCD） 仅能够检测磁通量的暂时波动，从而，实际上仅能够检测纯交流（AC） 剩余电流或AC差动电流。但是，连接至电气系统的用户，例如在整流器 或变频器中包括有例如二极管或晶闸管的电子半导体部件的电机，也能够 生成具有不是纯正弦的曲线的剩余电流，但是替代地，具有随时间变化的 脉冲图。从而，剩余电流装置（RCD）设计成能够检测这些脉冲直流（DC） 故障电流和纯AC故障电流。这样的脉冲-电流灵敏的剩余电流装置 （RCD）也称为A型剩余电流装置（RCD）。

在标准IEC 61008和61009中限定了A型（固定）剩余电流装置的 属性，并且，在标准IEC 62335中限定了用于各种额定差动电流（额定释 放电流）的便携式剩余电流装置（PRCD）的属性。但是，只有根据额定 差动电流和DC故障电流的影响正确地选择了A型剩余电流装置，A型 剩余电流装置的保护效果才是有效的。

在实际操作中，证明了这种装置的释放行为是不利的，也就是说，特 定额定值之上的电流和频率可能负面地影响响应值和响应时间的依赖关 系。在这种情况下，测量用电流互感器的磁芯可以根据DC故障电流的幅 值和/或AC故障电流的幅值和频率来预磁化，该预磁化提高了释放门限， 或者甚至防止RCD被完全释放。

这种情况可能出现在如电动车辆在提供AC电压并且装备有A型剩 余电流装置（RCD）的充电站进行充电时。如果充电设备中的绝缘故障 使得DC故障电流超过了如技术标准中限定的5mA或6mA的最大可允许 DC故障电流的限制，其中，DC故障电流主要由充电站和电动车辆组成 的单元的绝缘阻抗来确定，则充电站的A型剩余电流装置（RCD）的功 能可能会受到限制。

从而，大于A型剩余电流装置（RDC）的最大允许电流值6mA的 DC故障电流被认为是危险的。关于AC故障电流，高于如30mA的值以 及50/60Hz或大于1000Hz的频率被认为对于A型RCD是危险的。这些 A型剩余电流装置（RCD）的最大可允许故障电流的标准化的极限可以 因国家而变化。例如，美国的最大可允许DC故障电流是5mA，而当前 可应用的标准IEC值是6mA。

发明内容

鉴于上述内容，本发明的目的是确保符合标准的A型剩余电流装置 的功能，从而保证改善的电气保护。

这个目的是利用监控装置来解决的，该监控装置包括：用于检测DC 故障电流的测量用电流互感器电路、用于处理测量用电流互感器电路所检 测的信号的评估单元以及连接至评估单元的输出端的通信接口。

为了确保A型剩余电流装置（RCD）的功能，根据本发明提出了一 种监控装置，该监控装置包括目的在于检测DC故障电流的测量用电流互 感器电路。所检测的差动电流转换成被转发给评估单元的可评估信号。该 监控装置还包括连接至评估单元的输出端并且将评估结果转换成输出信 号的通信接口。利用根据本发明的此设计，能够检测可能损害A型剩余 电流装置（RCD）的功能的DC故障电流。根据评估结果，可以通过通信 接口传输对应的输出信号以启动进一步的保护测量，如关闭有故障的输出 馈电装置或输出警告消息。从而确保A型剩余电流装置（RCD）能够无 损地实现其主要功能。

为了防止由于（过）高的DC故障电流而导致A型剩余电流装置 （RCD）失灵，如下做法是有利的：配置测量用电流互感器电路连同评 估单元，使得能够检测具有大于可设置DC故障电流值的电流强度的DC 故障电流。根据此设计，监控装置可以适用于A型剩余电流装置的最大 可允许DC故障电流。

优选地，设置测量用电流互感器电路连同评估单元，使得DC故障电 流极限值等于根据A型剩余电流装置（RCD）的标准限定的最大可允许 DC故障电流。因此，大于如技术标准所规定的5mA或6mA的最大可允 许电流强度的DC故障电流通过测量用电流互感器电路连同评估单元来 检测并且使得所讨论的传导电流电路关闭。

如果监控装置包括用于检测AC故障电流的另外的测量用电流互感 器电路，则这是更加有利的。利用另外的测量用电流互感器电路，还可以 以与检测DC故障电流相似的方式来检测损害功能的AC故障电流，以保 证A型剩余电流装置（RCD）的保护功能。

另外的有利设计是通过如下做法来实现的：设计另外的测量用电流互 感器电路连同评估单元，使其检测具有大于可设置AC故障电流的极限值 的电流强度并且具有高于可设置频率值的频率的AC故障电流。这样，另 外的测量用电流互感器电路可以适用于其AC差动电流的电流强度和频 率被监控的符合标准的A型剩余电流装置（RCD）。如果出现具有高于这 些极限值的电流强度和频率的AC故障电流，则该另外的测量用电流互感 器电路被激活，并且，该另外的测量用电流互感器电路连同评估单元和通 信接口生成使得传导电流电路关断的输出信号。

根据标准中提出的A型剩余电流装置（RCD）的额定值，有利的是， 将另外的测量用电流互感器电路连同评估单元设置成：使得可设置AC故 障电流极限值等于A型剩余电流装置（RCD）8的最大可允许AC故障电 流的标准化极限，并且，使得频率极限值为50Hz、60Hz或1000Hz。

根据本发明的监控装置包括用于激活外部电气装置并且用于与其它 仪器交换数据的通信接口。优选地，该通信接口装备有用于激活关闭装置 的中继输出端。这样，根据本发明的监控装置所检测的可能威胁到功能的 故障电流被转换成控制关闭装置并且使得有故障的输出馈电装置关闭的 输出信号。

通信接口还方便地具有脉冲宽度调制（PWM）输出端和/或标准化的 电流信号输出端和/或总线接口。

通信能力和设置的灵活性以及测量过程的自动化顺序使得评估单元 能够用作微控制器。

优选地，监控装置构造成安装在任何装置单元中的印刷电路板的形式 或者，监控装置具有带有壳的印刷电路板的独立结构单元的形式。

有利地，将监控装置设计成检测被设计为TN系统的供电网中的故障 电流。威胁到功能的DC电流尤其可能出现在电动车辆的充电地点，所以 有利的是，该控制装置具有适用于固定的接地（TN）系统的能力。

在另外的变型中，监控装置包括用于关闭有故障的输出馈电装置的关 闭装置。在本实施方式中，关闭装置分配给监控装置并且可以与监控装置 集成为一个单元。

本发明的潜在目的也可以通过如下电气保护装置来解决，该电气保护 装置包括A型剩余电流装置（RCD）和用于保障该A型剩余电流装置 （RCD）的功能的监控装置。通过组合符合标准的A型剩余电流装置 （RCD）与根据本发明的监控单元，产生更安全的技术性保护布置。通 过检测这些损害功能的差动电流来防止具有大于限定A型剩余电流装置 （RCD）的值的电流强度和/或频率的故障电流对A型剩余电流装置 （RCD）的脱扣特性的不利影响。

在优选变体中，根据本发明的监控装置与A型剩余电流装置（RCD） 串联连接以保障A型剩余电流装置（RCD）的功能。原则上，这两个装 置连接的顺序是不重要的，这是由于它们的总电流互感器包括相同的馈 线，因此，相同的（故障）电流流经这两个装置。

关于用于保障A型剩余电流装置（RCD）的功能的方法，其目的通 过以下事实来解决：通过测量用电流互感器电路在A型剩余电流装置 （RCD）外部检测DC故障电流；通过评估单元处理测量用电流互感器电 路所检测的信号；以及通过连接至评估单元的输出端的通信单元生成输出 信号。

根据本发明的方法所基于的基本思想是检测A型剩余电流装置 （RCD）中的电流，然后还使用与RCD无关的测量用电流互感器电路来 评估该电流，以便“拦截”这些可能会负面地影响A型剩余电流装置的 功能的故障电流。为了做到这一点，通过测量用电流互感器电路检测DC 故障电流并且通过评估单元来评估该DC故障电流。

在优选变体中，如果测量用电流互感器电路所检测的DC故障电流具 有大于可变DC故障电流极限值的电流强度，则评估单元生成关闭信号。 从而，可以根据符合标准的剩余电流装置（RCD）来调整测量用电流互 感器电路，以精确地确定这些会对A型剩余电流装置（RCD）的脱扣特 性造成破坏的故障电流。一旦DC故障电流超过了预设的电流极限值，则 评估单元对此进行确定并生成关闭信号。

关于根据规定的标准指定的剩余电流装置（RCD），将可变DC故障 电流极限值设置成根据A型剩余电流装置（RCD）的标准限定的最大可 允许DC故障电流的极限，并且可以是如5mA或6mA。

被证明是有利的是：如果通过另外的测量用电流互感器电路在A型 剩余电流装置（RCD）外部检测出AC故障电流，则通过评估单元处理另 外的测量用电流互感器电路所检测的信号，并且通过连接至评估单元的输 出端的通信接口生成输出信号。以与对损害功能的DC故障电流进行检测 的方式类似的方式，还可以通过另外的测量用电流互感器电路来检测关键 的AC故障电流并且对其进行进一步处理以保障A型剩余电流装置 （RCD）的保护功能。

在优选变化中，如果另外的测量用电流互感器电路所检测的AC故障 电流具有大于可变AC故障电流的极限值的电流强度和高于可变频率极 限值的频率，则评估单元生成关闭信号。从而，另外的测量用电流互感器 电路的监控功能可以适用于其关键的AC故障电流被监控的A型剩余电 流装置（RCD），并且根据需要触发关闭或发出警告消息。

优选地，参考A型剩余电流装置（RCD）的规定标准，将可变AC 故障电流极限值设置成A型剩余电流装置（RCD）的最大可允许AC故 障电流的极限，如可以是30mA。优选地，将可变频率极限值设置成50Hz、 60Hz或1000Hz。

评估单元生成的关闭信号在通信接口中被转换成输出信号，并且通过 关闭装置使得有故障的输出馈电装置关闭。这样，通过关闭失灵的电源电 路来以更高的电气安全性保证A型剩余电流装置（RCD）的功能。

附图说明

其它有利的变化特征根据以下描述和附图会很明显，以下描述和附图 参考其示例说明了本发明的优选实施方式。在附图中：

图1示出了根据本发明的具有A型剩余电流装置（RCD）和监控装 置的TN供电系统。

具体实施方式

图1示出了设计为TN系统2的供电系统2，其通过馈线（输出馈电 装置）4与操作部件（用户）6连接。A型剩余电流装置（RCD）8布置 在输出馈电装置4中以在电气操作部件6的本体10接触时提供保护。为 了保障A型剩余电流装置（RCD）8的功能，根据本发明的变体中的具 有两个测量用电流互感器电路（20，22）的监控装置12是串联连接的。 除了中性导体N和保护接地PE以外，TN系统2还包括三个外部导体L1、 L2和L3。馈电装置16处的点14直接接地，操作部件6的本体10通过 保护接地线18连接至此接地点14。

发明的监控装置12具有两个测量用电流互感器电路20、22，其中， 第一测量用电流互感器电路20用于检测AC故障电流，而第二测量用电 流互感器电路22用于检测DC故障电流。第二测量用电流互感器22具有 用于补偿DC磁化效果的另外的绕组，这使得能够检测DC电流。

测量用电流互感器电路20、22生成的可评估测量信号20、22被转发 给具有所示示例中的微处理器24的形式的评估单元24。评估的结果通过 通信接口30输出。在所示示例中，通信接口30具有用于控制关闭装置 34的中继输出端30a、PWM输出端30b、标准化的电流信号输出端30c 和总线接口30d的形式。仅将关闭装置34功能性地分配给监控装置12， 所以关闭装置34可以布置成与监控装置12的壳分开。

附图还示出了由有源馈线L1与操作部件6的元件10之间的设备接 触产生的并且穿过操作部件6的保护接地线18和接地点14的故障电流 I_F。如果此故障电流I_F超过某个水平并且在AC故障电流的情况下也超过 某个频率，则其可导致对A型剩余电流装置（RCD）8的功能的损害。 由于与A型剩余电流装置（RCD）8串联连接的监控装置12，还通过测 量用电流互感器电路20、22检测差动电流I_F并且通过评估单元24来评 估该差动电流I_F。如果确定了限制功能的故障电流I_F，则评估单元24生 成关闭信号，该关闭信号通过通信接口30的中继输出端30a转换成输出 信号38，并且通过关闭装置34使得有故障的输出馈电装置关闭。