CN102356326A - 用于测量未接地直流电力系统中的漏地电流的设备及其方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种未接地DC电力系统中的漏地电流测量设备，该系统包含主以及附属电线，漏地电流测量设备包含：切换单元，其被配置为进行切换，以便通过使用电线的电力将测量电力供到主接地电阻器以及附属接地电阻器；测量单元，其连接在切换单元和地之间，并被配置为测量主以及附属漏地电流中的至少一个；控制单元，其被配置为控制切换单元，以区别测量单元的主漏地电流操作和附属漏地电流操作。

Description

用于测量未接地直流电力系统中的漏地电流的设备及其方法

技术领域

本发明涉及用于测量未接地DC(直流)电力系统中的漏地电流(ground leakage current)的技术，特别涉及漏地电流测量设备和方法，其能够在两侧平稳地测量漏地电流，尽管接地故障同时在带电(live wire)状态下在主电线和附属(auxiliary)电线中发生，或是具有同样的接地电阻的接地故障同时发生。

背景技术

在未接地DC电力系统中，用于测量带电状态下的电线的漏地电流的设备主要用于对接地故障进行报警，并被安装在主电力箱中。另外，接地电阻测量设备可安装在主电力箱中。

通常，接地故障报警电路使用分压器电路系统，该系统使用如图1所示的两个电阻器R1和R2(下面称为“2R系统”)，接地电阻测量电路使用用于通过使用如图2所示的两个齐纳二极管ZD1和ZD2产生测量电压的系统(下面称为“2ZD系统”)。

两种系统均在下面更为具体地介绍。首先，可在2R系统中考虑具有同样的接地电阻值的接地故障在两个电线中均发生的情况。在这种情况下，用于检测位移电压的接地故障报警器V1和V2上的分压电压在2R系统中不改变。因此，接地故障报警电路不运行。

另外，可在2R系统中考虑在两个电线中发生具有不同的接地电阻值的接地故障的情况。在这种情况下，由于接地电位由在主以及附属侧的并联组合电阻值R1//RG1以及R2//RG2决定，接地故障报警器V1与V2的报警运行点可能不同于初始设置值。这里，报警运行点指示假设接地故障仅仅在一个电线中发生时预先设置的临界值。

另外，即使在2R系统中当接地故障仅仅在一个电线中发生时，不可能测量依赖于接地电阻值的变化的线性位移电压。例如，在电阻器R1和R2在图1中被设置在1kΩ的状态下，当主接地电阻器RG1从10kΩ到20kΩ变化时，10kΩ的情况下的并联组合电阻值R1//RG2为大约0.91kΩ，20kΩ的情况下的并联组合电阻值R1//RG2为大约0.95kΩ。也就是说，尽管接地电阻器RG1的值加倍，并联组合电阻值变化大约1.04倍(0.95/0.91)，这意味着变化不是线性的。

同时，可在2ZD系统中考虑具有同样的接地电阻值的接地故障在两个电线中均发生的情况。当假设为电线之间的电压为48V时，齐纳二极管ZD1和ZD2的基准电压为20V，接地电阻器RG1和RG2具有同样的值，24V的电压被施加到各个接地电阻器。在这种情况下，漏地电流测试器A1和A2测量的电压为4V。因此，漏地电流测试器A1和A2测量到与实际接地电阻值不同的值。

另外，可在2ZD系统中考虑具有不同接地电阻值的接地故障在两个电线中发生的情况。此时，当假设为电线之间的电压为48V时，齐纳二极管ZD1和ZD2的基准值为20V，接地电阻器RG1具有10kΩ的电阻值，接地电阻器RG2具有20kΩ的电阻值，接地电阻器RG1两端之间的电压为16V。因此，实际测量的电压减小为4V。另外，由于接地电阻器RG2两端之间的电压为32V，实际测量的电压变为小于0的值。因此，不可能测量附属侧的接地故障。

在2ZD系统中，即使是在接地故障仅仅在一个电线中发生时，例如，在主侧发生时(RG1＝10kΩ)，在漏地电流测试器A1中流动的电流为0.4mA(＝4V/10kΩ)。这里，由于基准电压为20V，接地电阻值在500kΩ而不是10kΩ处被测量得到(is measured at 500kΩ，not 10kΩ)。

同时，分布电容器部件在电线和地之间存在，存在例如安装在负载上的噪音消除电容器的电容器部件。如公知的，这一电容器部件在漏地电流测量中作为噪音，并可作为使得难以测量准确接地电阻值的原因。另外，为了检测接地故障位置，广泛使用这样的方法：信号发生器的管理信号被周期性地发送到电线且安装在电线分叉点(diverging point)的零序电流互感器(ZCT)基于管理信号来检测分叉点的漏地电流。当发送到电线的管理信号为正弦波信号时，电容性漏地电流具有超前电阻性漏地电流相位90度的相位。当管理信号为方波信号时，电容性漏地电流表现出尖峰。也就是说，为了更为准确地测量漏地电流，信号发生器的影响以及上面介绍的电容器部件的影响应当被移除。

发明内容

本发明一实施例指向一种漏地电流测量设备和方法，即使接地故障同时在主以及附属电线中发生，其能够测量两侧的漏地电流。

本发明另一实施例指向一种漏地电流测量设备和方法，其能够测量漏地电流，即使具有相同接地电阻值的接地故障同时在主以及附属电线中发生。

本发明另一实施例指向一种漏地电流测量设备和方法，其能够使得负载的电容器部件以及电线和地之间的分布电容器部件导致的电容性漏地电流的影响最小化。

本发明另一实施例指向一种漏地电流测量设备和方法，其能够检测接地故障位置，而不使用分立的信号发生器。

根据本发明一实施例，包含主以及附属电线的非接地DC电力系统中的漏地电流测量设备包含：切换单元，其被配置为进行通过使用电线的电力向主接地电阻器以及附属接地电阻器供给测量电力的切换，测量单元，其连接在切换单元和地之间，并被配置为测量主以及附属漏地电流中的至少一个；控制单元，其被配置为控制切换单元，以便区分测量单元的主漏地电流操作和附属漏地电流操作。

漏地电流测量设备的切换单元可包含：主存储部分，其被配置为存储来自电线电力的主测量电力；主切换部分，其被配置为进行切换，以便将主测量电力供到主接地电阻器；附属存储部分，其被配置为存储来自电线电力的附属测量电力；附属切换部分，其被配置为进行切换，以便将附属测量电力供到附属接地电阻器。

漏地电流测量设备的控制单元可对主切换部分进行控制，以便在测量单元的主漏地电流测量操作之前将主测量电力供到负载，由此对负载的主电容器部件进行充电。

漏地电流测量设备的控制单元可对附属切换部分进行控制，以便在测量单元的附属漏地电流测量操作之前将附属测量电力供到负载，由此对负载的附属电容器部件进行充电。

根据本发明另一实施例，包含主以及附属电线和控制单元的未接地DC电力系统中的漏地电流测量方法包含：在控制单元的控制下，通过使用电线的电力，将测量电力供到主或附属接地电阻器；在区分测量操作的控制单元的控制下，测量经过接地电阻器的主以及附属漏地电流中的至少一个。

测量电力的供给可包含通过使用电线的电力来存储主测量电力；并将主测量电力供到主接地电阻器。

测量电力的供给可包含通过使用电线的电力来存储附属测量电力；并将附属测量电力供到附属接地电阻器。

漏地电流测量方法可进一步包含：在将主测量电力供到主接地电阻器之前，将主测量电力供到负载，以便对负载的主电容器部件充电。另外，漏地电流测量方法可进一步包含：在将附属测量电力供到附属接地电阻器之前，将附属测量电力供到负载，以便对负载的附属电容器部件充电。

根据本发明的实施例，主漏地电流测量运行操作和附属漏地电流测量操作运行相互排他地进行。因此，即使接地故障同时在主以及附属电线中发生或者是发生具有相同接地电阻值的接地故障，可以测量两侧的漏地电流。

另外，在进行实际漏地电流测量操作之前，负载的电容器部件和电线与接地之间的分布电容器部件被充电。因此，电容器部件导致的电容性漏地电流的影响被最小化。因此，由于测量由接地电阻器导致的纯电阻性漏地电流，可以增大可靠性。

附图说明

图1示出了传统的2R系统的原理电路构造；

图2示出了传统的2ZD系统的原理电路构造；

图3为根据本发明一实施例的漏地电流测量设备的原理功能框图；

图4阐释了根据本发明该实施例的漏地电流测量操作；

图5示出了根据本发明该实施例的漏地电流测量设备的电路构造；

图6为一流程图，其阐释了根据本发明另一实施例的漏地电流测量过程；

图7阐释了根据本发明该实施例的存储主测量电力的操作；

图8阐释了根据本发明该实施例对负载的主电容器部件充电的操作；

图9阐释了根据本发明该实施例测量主漏地电流的操作；

图10阐释了根据本发明该实施例存储附属测量电力的操作；

图11阐释了根据本发明该实施例对负载的附属电容器部件进行充电的操作；

图12阐释了根据本发明该实施例的附属漏地电流的操作；

图13阐释了本发明应用的具体实施例。

具体实施方式

下面将参照附图详细介绍本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以不同的形式实现，不应理解为仅限于这里给出的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开彻底且完整，并向本领域技术人员充分传达本发明的范围。贯穿附图，相似的参考标号指的是贯穿本发明多个附图和实施例的类似的部件。

图3为根据本发明一实施例的漏地电流测量设备的原理功能框图。漏地电流测量设备100连接到未接地的DC电力系统——该系统包含主电线P和附属电线N，并包含主存储单元110、主切换单元120、附属存储单元130、附属切换单元140、测量单元150、控制单元160。

在本发明此实施例中，“漏地电流测量”分为主漏地电流测量操作和附属漏地电流操作，它们互相排他地进行。各个测量操作的概念可由图4的闭环来理解。在图4中，RG1代表依赖于主接地故障的接地电阻器(下面称为“主接地电阻器”)，RG2代表依赖于附属侧接地故障的附属电阻器(下面称为“附属接地电阻器”)。

另外，符号A代表主存储单元110和主切换单元120→主电线P→主接地电阻器RG1→接地路径GP→测量单元150→主存储单元110和主切换单元120的闭环，符号B代表附属存储单元130和附属切换单元140→测量单元150→接地路径GP→附属接地电阻器RG2→附属电线N→附属存储单元130和附属切换单元140的闭环。这里，接地路径GP表示在测量单元150和接地电阻器RG1与RG2之间形成的通过接地的路径。闭环A和B仅仅在接地故障发生时建立。

参照图3，主存储单元110存储电线的电力，并可包含电容器(或“condenser”)。主存储单元110中存储的电力用于主漏地电流测量操作，下面称为“主测量电力”。

根据将在下面介绍的控制单元160的控制信号、或者受欢迎的是指示ON/OFF的切换信号，主切换单元120进行切换，以便将电力线的电力供到主存储单元110。另外，主切换单元120进行切换，以便将主存储单元110的主测量电力供到主接地电阻器RG1，主测量电力通过主电线P供到负载RL，以便对负载RL的主电容器部件CL1进行充电，例如，噪音消除电容器等。

当负载RL的主电容器部件CL1被充电时，在实际主漏地电流测量操作期间，主测量电力的大部分电流向主接地电阻器RG1传送。理想地，所有电流可流入主接地电阻器RG1。因此，可以使得负载RL的主电容器部件CL1导致的电容性漏地电流的影响最小化，因此测量主接地电阻器RG1导致的纯电阻性漏地电流。另外，由于负载的主电容器部件被充电，可以使得主电线和地之间的分布电容器部件(未示出)的影响最小。

同时，类似于主存储单元110，附属存储单元130可包含电容器或“condenser”，并将电线的电力存储为附属测量电力。附属测量电力和上面介绍的主测量电力在作为电线P和N之间的电压的同样的电位处被存储。例如，当主以及附属电线之间的电压为48V时，主测量电力和附属测量电力也在48V时被存储。也就是说，对于主以及附属漏地电流测量操作需要的电力在48V处被提供。

根据控制单元160的切换信号，附属切换单元140进行切换以便将电线的电力供给附属存储单元130，并进行切换，以便将存储在附属存储单元130中的附属测量电力供到附属接地电阻器RG2，且附属测量电力通过接地路径GP被提供给负载RL，以便对附属电容器部件CL2充电。当附属电容器部件CL2被充电时，在附属漏地电流测量操作期间，附属测量电力向着附属接地电阻器RG2被传送。这可在与主电容器部件被充电的同样的背景下理解。

测量单元150连接在切换单元120、140与接地GND之间，当接地故障发生时，构成通过接地路径GP到接地电阻器RG1、RG2的路径，并测量附属或主漏地电流。这里，测量单元150可包含由测量得到的漏地电流计算主或附属接地电阻值的功能。本发明的实施例不限于此，控制单元160可包含计算接地电阻值的功能。

基于切换信号，控制单元160控制主以及附属切换单元120、140，以便区分主漏地电流测量操作和附属漏地电流测量操作。控制单元160的功能和操作的详细介绍将在下面给出。

图5示出了漏地电流测量设备的基本电路构造。主存储单元110具有连接到主电线P的一端。上面介绍的切换单元120包含第一开关122、第二开关124、第三开关126。第一开关122具有连接到附属电线N的一端和连接到主存储单元110另一端的另一端，并响应于控制单元160的切换信号被切换，以便在主存储单元110中存储主测量电力。第二开关124连接在主存储单元110的另一端和测量单元150的一端之间，并根据切换信号将主存储单元110的电力传送到主接地电阻器RG1。第三开关126连接在主存储单元110的另一端和测量单元150的另一端之间，并根据切换信号通过主电线P将主存储单元110的主测量电力供到负载，由此对负载的主电容器部件CL1充电。

在本说明书中，切换单元可包含金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)，其具有高电压和高电流特性。然而，本发明的实施例不限于此，可使用根据控制单元的切换信号(ON/OFF信号)切换的机械开关。

同时，附属存储单元130具有连接到附属电线N的一端。附属切换单元140包含第四开关142，第五开关144，第六开关146。第四开关142具有连接到主电线P的一端和连接到附属切换单元130另一端的另一端，并根据控制单元160的切换信号在附属存储单元130中存储附属测量电力。第五开关144连接在附属存储单元130的另一端和测量单元150的另一端之间，并根据切换信号将附属存储单元110的附属测量电力传送到附属接地电阻器RG2。第六开关146连接在附属存储单元130的另一端和测量单元150的另一端之间，并根据切换信号通过接地路径GP将附属存储单元130的附属测量电力传送到负载，由此对负载的附属电容器部件CL2充电。

同时，参照图6，根据本发明该实施例的漏地电流测量过程可包含：在步骤S110中存储主测量电力，在步骤S120中对负载的主电容器部件充电，在步骤S130中测量主漏地电流，在步骤S140中测量附属测量电力，在步骤S150中对负载的附属电容器部件充电，在步骤S160中测量附属漏地电流。受欢迎的是，步骤S110到S160可重复进行。下面，各个步骤将用显示出相应的开关的ON/OFF状态的表格介绍。

[存储主测量电力-S110]

参照图7，控制单元160向第一开关122供给切换信号(未示出)，即ON信号，以便对主存储单元110充电。主存储单元110用主电线P和附属电线N之间的电压充电，该电压用作主测量电力。

表格1

开关	122	124	126	142	144	146
							状态	ON	OFF	OFF	OFF	OFF	OFF

[对负载的主电容器部件充电-S120]

当主测量电力被存储时，通过如图8所示的切换信号，控制单元160开启第三开关126，，使得负载RL的主电容器部件CL1用主存储单元110的电力充电。此时，主电线P和地之间的分布电容器部件也被充电。因此，可以使得在测量主漏地电流的下一步骤中分布电容器部件以及负载的电容器部件导致的电容性漏地电流的影响最小化。

表格2

开关	122	124	126	142	144	146
							状态	OFF	OFF	ON	OFF	OFF	OFF

[测量主漏地电流-S130]

参照图9，控制单元160开通第二开关124，以便形成主存储单元110的主测量电力经过主电线P、主接地电阻器RG1、接地路径GP、测量单元120的路径。测量单元150测量在该路径中流动的电流，作为主漏地电流。

表格3

开关	122	124	126	142	144	146
							状态	OFF	ON	OFF	OFF	OFF	OFF

[存储附属测量电力-S140]

参照图10，控制单元160将切换信号施加到第四开关142，以便在附属存储单元130中存储附属测量电力。

表格4

开关	122	124	126	142	144	146
							状态	OFF	OFF	OFF	ON	OFF	OFF

[对负载的附属电容器部件充电-S150]

当附属测量电力被存储时，通过如图11所示的切换信号，控制单元160开通第六开关146，使得附属存储单元130的附属测量电力通过接地路径GP被供到负载RL，由此对负载的附属电容器部件CL2充电。相应地，可以使得在测量附属漏地电流的下一个步骤中分布电容器部件和负载的电容器部件导致的电容性超前峰值电流(leading peak current)的影响最小化。

表格5

开关	122	124	126	142	144	146
							状态	OFF	OFF	OFF	OFF	OFF	ON

[测量附属漏地电流-S160]

参照图12，通过切换信号，控制单元160开启第五开关144，并构成附属存储单元130的附属测量电力经过接地路径GP、附属接地电阻器RG2、附属电线N、测量单元150传送的路径。测量单元150测量在该路径中流动的电流，作为附属漏地电流。

表格6

开关	122	124	126	142	144	146
							状态	OFF	OFF	OFF	OFF	ON	OFF

如上所述，根据本发明该实施例的漏地电流测量操作被分为主漏地电流测量操作和附属漏地电流测量操作，它们相互排他地进行。因此，尽管主以及附属电线中同时发生接地故障或者具有同样的接地电阻值的接地故障同时发生，可以测量漏地电流。另外，由于电线和地之间的负载的电容器部件和分布电容器部件的影响在漏地电流测量之前最小化，可以测量纯电阻性漏地电流。以这种方式测量的漏地电流用于准确计算主接地电阻值或附属接地电阻值。

下面参照图13，将介绍本发明上面所述的构造所应用的具体实施例。该实施例仅仅是用于阐释本发明的工业应用性的例子。因此，将省略对附加部件的具体功能的详细介绍。

参照图13，漏地电流测量设备100可进一步包含ZCT 101、信号检测单元170、显示单元180、报警发送单元190。信号检测单元170、显示单元180、报警发送单元190受到控制单元160的控制。

具体而言，ZCT 101为非接触型传感器，用于测量电线的漏地电流，并被安装在电线的各个分叉点上。信号检测单元170由从ZCT 101输出的信号检测漏地电流。此时，漏地电流不同于上面介绍的主以及附属漏地电流。信号检测单元170检测的漏地电流为在安装ZCT 101的分叉点上——即在分叉电线上——发生的电流。

显示单元180可视地输出设备100的整体控制状态、由测量单元150测量的漏地电流值和接地电阻值、由信号检测单元170检测到的漏地电流值。警报发送单元190为用于在接地故障期间向远程管理器终端发送相关信息的接口。

根据本发明此具体实施例的漏地电流检测设备100具有这样的优点：不像传统的漏地电流检测设备那样，不需要使用分立的信号发生器来向电线发送预定的管理信号。这是因为临时供给电线的主或附属测量电力在测量主或附属漏地电流的上面介绍的步骤S130或S160中用作管理信号。也就是说，根据本发明的实施例的漏地电流测量设备100也包含由其自己的电力驱动的信号发生器的功能。

尽管已经参照具体实施例介绍了本发明，本领域技术人员将会明了，在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可作出多种修改和改变。

工业应用性

上面介绍的本发明的实施例用于未接地DC电力系统的漏地电流测量领域。

Claims (13)

1.一种未接地DC电力系统中的漏地电流测量设备，该系统包含主以及附属电线，漏地电流测量设备包含：

切换单元，其被配置为进行切换，以便通过使用电线的电力将测量电力供到主接地电阻器以及附属接地电阻器；

测量单元，其连接在切换单元和地之间，并被配置为测量主以及附属漏地电流中的至少一个；以及

控制单元，其被配置为控制切换单元，以区别测量单元的主漏地电流操作和附属漏地电流操作。

2.权利要求1的漏地电流测量设备，其中，切换单元包含：

主存储部分，其被配置为由电线的电力存储主测量电力；

主切换部分，其被配置为进行切换，以便将主测量电力供到主接地电阻器；

附属存储部分，其被配置为由电线的电力存储附属测量电力；以及

附属切换部分，其被配置为进行切换，以便将附属测量电力供到附属接地电阻器。

3.权利要求2的漏地电流测量设备，其中，控制单元控制主切换部分，以便在测量单元的主漏地电流测量操作之前将主测量电力供到负载，由此对负载的主电容器部件充电。

4.权利要求2的漏地电流测量设备，其中，控制单元控制附属切换部分，以便在测量单元的附属漏地电流测量操作之前将附属测量电力供到负载，由此对负载的附属电容器部件充电。

5.权利要求2的漏地电流测量设备，其中，主切换部分包含：

第一开关，其一端连接到附属电线，另一端连接到接至主电线的主存储部分的一端；以及

第二开关，其连接在主存储部分的所述一端和测量单元的一端之间，并通过测量单元接地。

6.权利要求5的漏地电流测量设备，其还包含第三开关，第三开关连接到主存储部分的所述一端以及测量单元的另一端。

7.权利要求2的漏地电流测量设备，其中，附属切换部分包含：

第四开关，其一端连接到主电线，另一端连接到接至附属电线的主存储部分的一端；以及

第五开关，其连接在附属充电部分的一端和测量单元的一端之间，并通过测量单元接地。

8.权利要求7的漏地电流测量设备，其还包含第六开关，第六开关连接到附属存储部分的所述一端和测量单元的另一端。

9.一种未接地DC电力系统中的漏地电流测量方法，该系统包含主以及附属电线和控制单元，漏地电流测量方法包含：

在控制单元的控制下，通过使用电线的电力，将测量电力供到主或附属接地电阻器；以及

在区分测量操作的控制单元的控制下，测量经过接地电阻器的主以及附属漏地电流中的至少一个。

10.权利要求9的漏地电流测量方法，其中，测量电力的供给包含：

通过使用电线的电力，存储主测量电力；以及

将主测量电力供到主接地电阻器。

11.权利要求9的漏地电流测量方法，其中，测量电力的供给包含：

通过使用电线的电力，存储附属测量电力；以及

将附属测量电力供到附属接地电阻器。

12.权利要求10的漏地电流测量方法，其还包含，在将主测量电力供到主接地电阻器之前，将主测量电力供到负载，以便对负载的主电容器部件充电。

13.权利要求11的漏地电流测量方法，其还包含，在将附属测量电力供到附属接地电阻器之前，将附属测量电力供到负载，以便对负载的附属电容器部件充电。

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