CN102901878A - 带有阻抗测量的地线监视设备 - Google Patents

Abstract

地线（PE）的监视设备（10）被设计为与电力系统（12）的相线（PH）或中线（N）连接。它包括：布置于相线或中线与地线之间的第一电量的传感器（13）；第二电量（V）的发生器（14），不同于电力系统的电量，与所述传感器串联；及处理电路（16），被配置为根据从电压和在地线中流过的电流中所选择的第一和第二电量来计算地线的电阻抗（Z_PE）。

Description

带有阻抗测量的地线监视设备

技术领域

本发明涉及一种能够测量对地阻抗的地线的监视设备。

背景技术

地线（earth conductor），也被称作保护接地（PE），将电气设备单元的金属外壳接地。因此当绝缘故障发生时，它对用户和该设备执行保护。

如果PE导线在所述外壳和地之间是连续的，则这种保护是可以保证的。破坏了PE导线的情况下，所述外壳可能实际上处于对用户来说是危险的电势上。

可以区分几种接地连接模式。根据“TT”接地连接模式，将所述外壳和配电系统的中线N连接至不同的接地连接。根据“TN”模式，将所述外壳和中线N连接至共同的接地连接。

一般通过通信协议的方法来检查当前连接和负载之间的PE导线的连续性。如果破坏了该导线，则该通信中断，导致断路器（circuit breaker）断开。不能继续在电气装置中检查PE导线和地之间的连接。可以通过测量中线N和地线PE之间的电压依据经验来检查此连接。如果电压N-PE接近于0V，则这意味着该连接是起作用的。

此外重要的是检查PE导线的阻抗不超过阈值。实际上经过一定的时间对地阻抗很有可能增加，且高于某一值时代表对用户的危险。

文献GB2167618描述了提供有确定PE导线的阻抗的部件的电气保护电路。

图1A描绘了这样的保护电路的接线图的一部分。半导体闸流管2和测量电阻R_M串联于变压器4的相线PH和地线PE（用黑粗线表示）之间。

当将激励信号输入PE导线时，通过测量电阻R_M的端子间的电压V_M来确定PE导线的阻抗（图1A中标记为Z_PE）。将电压V_M提供至处理电路6，当阻抗Z_PE超过100Ω时处理电路6命令接地漏电断路器8断开。

图1B描绘了该电力系统的相线PH上的信号，即在虚线上来自变压器4的AC电压，和施加到测量电阻R_M上的、用于确定实线上的阻抗Z_PE的激励电压V_E。

激励电压V_E对应于该电力系统电压PH由0V到10V之间组成的下降部分。它通过在短时段（100μs）期间激活半导体闸流管2来获得，这导致电阻R_M和阻抗Z_PE上的激励电流IE的上升。半导体闸流管受到相延迟电路（未示出）的命令。

所以这个保护电路使用所述电力系统相作为用于测量阻抗Z_PE的激励源。然后因为该电力系统的波动引起激励电压V_E经历急剧变化。不管怎样这种不稳定不利于测量阻抗Z_PE。电压V_E还依赖于命令半导体闸流管2的相延迟电路的精度。这样的控制电路实现起来费力。

发明内容

本发明的目标是提供易于实现的且能够精确地测量地线的阻抗的地线监视设备。

根据本发明，倾向于通过设计成连接至电力系统的相线或中线并包括所述相线或中线与地线之间布置的第一电量的传感器的地线监视设备来实现此目标。该设备还包括第二电量的发生器，不同于该电力系统，与所述传感器和处理电路串联连接，该处理电路被配置为根据从地线的电压和电流中选择的第一和第二电量来计算地线的电阻抗。

附图说明

通过下面仅出于非限制性的示例目的且通过附图来示意的详细的实施例的描述，其它优点和特征将变得更加清楚明了，其中：

-图1A（前面描述了）描绘了依据现有技术的、带有地线阻抗测量的保护电路；

-图1B（前面描述了）描绘了依据图1A的保护电路的信号；

-图2描绘了依据本发明的第一实施例的地线监视设备；

-图3描绘了依据本发明的监视设备的第二实施例；

-图4描绘了图2和3中监视设备中使用的限流器的实施例；以及

-图5描绘了图2和3的监视设备的改进。

具体实施方式

不使用电力系统作为激励源，而是提供校准的且稳定的电压发生器（voltage generator）用于测量地线的阻抗。将该发生器连接于地线和电力系统的相线或中线之间以产生通过地线的激励电流。通过测量此激励电流，可以计算地线的阻抗。

图2描绘了可测量地线阻抗的监视设备的优选实施例。此监视设备例如被设计为当由于时间长了或地线断路引起阻抗Z_PE超过阈值时控制接地漏电断路器。

将监视设备10连接至电气装置的PE导线和包括至少两个有效导线的电力分配系统12。

在图2的例子中，电力分配系统12是单相的。它包括来自变压器4的相线PH和中线N。中线N和PE导线两者都接地，且每一个都提供接地连接。因此根据“TT”模式将此装置接地。

设备10包括在相线PH和PE导线之间串联的电流传感器13和电压发生器14。设备10和电力系统12如此形成PH-PE回路，其中除了来自电力系统12的信号，也传播源自发生器14的测量信号。此测量信号经过传感器13、相线PH和地线PE。

在此实施例中，发生器14是DC电压发生器V，产生优选地包括5V和24V之间的电压（很低的安全电压）。因此将DC电流I叠加在来自相PH的交流电上。

电流传感器13测量流经PE导线的DC电流I。它例如由精密电阻、霍尔效应传感器、磁通门传感器、磁阻传感器等形成。

有利地，设备10包括与相线PH连接的、与传感器13和发生器14串联的限流阻抗R_M。限制器R_M的目标是承受电力系统12的压力（230V电压、冲击波等）并限制输入到电力系统的直流I。这样监视电路可以与电力系统直接连接且阻抗测量期间流经保护导线的电流I是受限的。限制器R_M优选地由具有包括1kΩ和50kΩ之间的值的电阻形成。

处理电路16接收输入的由传感器13测量的电流I和由发生器14施加的电压V，以计算输出的PE导线的阻抗Z_PE。电路16例如是微处理器。

阻抗Z_PE的计算基于欧姆定律。电压V对电流I的比表示PH1-PE回路的总阻抗，即相线的阻抗Z_PH、电阻R_M和阻抗Z_PE的和，即：

$\frac{V}{I}=Z_{\mathrm{PH}}+R_M+Z_{\mathrm{PE}}---\left(1\right).$

典型地，相线的阻抗Z_PH远低于电阻R_M和阻抗Z_PE。因此它可以省略，使得比率(1)被简写成下面的方式：

$\frac{V}{I}=R_M+Z_{\mathrm{PE}}---\left(2\right).$

DC电压V和电阻R_M已知，测量出电流I之后，通过比率(2)可以容易地计算出阻抗Z_PE。

如果在Z_PE的计算中要考虑相线的阻抗Z_PH（比率1），则将在PH-N回路中预先进行阻抗测量。PH-N回路的阻抗等于相线的阻抗Z_PH和中线的阻抗Z_N之和。但是阻抗Z_PH和Z_N略微相等。因此可以从PH-N回路的阻抗中计算出阻抗Z_PH的值。

通过将测量电路10与PH和N导线连接并使用相同的计算方法，将优选地使用测量电路10来测量阻抗Z_N。

图3描述了监视设备的第二实施例，其中DC电压源被低频电压源14’替代。

测量原理类似于关于图2所描述的测量原理。代替使用DC激励信号，使用在包括1Hz和20Hz之间的频率的AC信号。从发生器14’的电压V_BF以及从由电流传感器13所测量的电流I_BF来计算地线的阻抗Z_PE（在低频）。该低频信号的幅度优选地包括在5V和24V之间。

地线的阻抗基本上是阻性的，在低频获得的Z_PE值与通过图2的装备获得的大致相同。

有利地，将开关K与限制器R_M和电压发生器14或14’（图2或3）串联连接。它使得当不需要测量阻抗Z_PE时监视设备10断开连接。出于示例的目的，仅当该装备第一次投入使用时可以要求它执行阻抗测试。

从激励信号测量地线的阻抗Z_PE，激励信号在图2的实施例中是DC（I和V）而在图3的实施例中是低频（I_BF和V_BF）。激励信号具有与电力系统信号不同的频率和/或幅度，就此而言激励信号因此与电力系统电压截然不同。

为了改善测量精度，最好是通过一般在50Hz的频率对电力系统12的AC信号滤波，将PH1-PE回路中的激励信号隔离出来。可以在处理电路16中，以模拟或数字的方式执行滤波。

在一个实施例中，例如当使用发生器14’时通过具有低于50Hz而大约高于激励频率的两倍的截止频率的低通滤波器，从处理电路16的上行线路（up-line）执行电力系统电压的滤波。这样，电路16不考虑电流的DC或低频成分（分别为I或I_BF）用于计算阻抗Z_PE。

图4描绘了消除电力系统12的频率的可选实施例。限制阻抗R_M组成滤波器，作为带截止类型的例子。此滤波器优选地包括并联的电容器C和电感L（并联的LC电路）。选择L和C的值以获得与电力系统的频率相等的谐振频率。优选地将电阻器r与电容器C串联以防止当设备10与相PH连接时的过电压。

在电力系统的频率上，并联电路LC的阻抗是高的，使得漏电流能以一个可忽略的值接地。在直流或低频电流中，阻抗R_M相当低，这一方面使能减小激励信号用于测量，且另一方面使能获得关于Z_PE的低值的很大的测量精度。

这样的滤波器特别易于实现，尤其是图2的情况。电力系统电压的滤波改善了阻抗Z_PE的测量精度。另一方面用于此测量的必要时间更大了，尤其是当激励信号是低频信号时。

图5描绘了监视设备的改进，目的在于减小在测量阻抗Z_PE上电力系统的约束。不是将激励信号输入到PH-PE回路，而是将监视设备10与电力系统12的中线N连接，并接着测量N-PE回路的阻抗。这样就规避了电力系统和相关的滤波器的电压。在这个情况下，阻抗R_M可被降至低值（几欧姆），或甚至消除。

在某些情况下，可能不知道电力系统12的哪根导线是中性的。为了解决这个问题，设备10有利地包括中线识别电路18和具有三种状态的连接继电器K’。

在继电器K’的第一种状态中，发生器14与电力系统12的相线PH连接。在第二种状态中，发生器14与中线N连接。在继电器K’的第三种状态中设备10不与电力系统12连接。

电路18被配置为识别电力系统12的中线N和相线PH。它包括两个连接导线PH和N的输入端子。优选地通过测量输入端子之一和地之间的电压，即电压N-PE或电压PH-PE（在“TT”或“TN”模式中）来执行导线N的检测。为了示例，通过在端子之一上测量电压约为0V，从而推断导线N与此端子连接。相线与另一端子连接且该电压等于约230V。

一旦检测出中线N，电路18就命令继电器K’使其仅将发生器14与中性N连接。

虽然分别描绘并描述了它们，但是处理电路16和控制电路18可以形成一个电子电路。

在图2-3和5的实施例中，激励源是独立于电力系统的电压发生器。因此由此源发出的测量信号对电力系统的波动不敏感。于是可以精确地确定地线PE的阻抗Z_PE。

前面描述的监视设备可以与以“TT”模式或“TN”模式接地的电气装置连接。在图5中描绘的“TN”模式中，PE导线和中线N共享相同的接地连接。

另一方面，所述设备不操作于“IT”模式，对“IT”模式来说变压器中线N是孤立的。在这种情况下不能实际上形成电流回路，且激励信号不流经PE导线。

设想了所述监视设备的众多应用。特别是，该设备可以集成在电动汽车再充电终端。这些装置需要高度保护。通过当执行充电时检查该电动汽车正确的接地，它实际上是确保人身安全所必不可少的。

对于这个应用，图2的实施例特别合适，因为在那时阻抗Z_PE的测量对连接于相线和地线之间的电动汽车的滤波电容器不敏感。

对商业中的技术人员来说，对所述监视设备的众多变化和修改将是显然的。已经就单相配电系统来描述了该设备。但是它也可以与双相或三相电力系统连接。

阻抗Z_PE的计算是基于两个物理量——它们是PH-PE（或N-PE）回路中的电流和电压。因此电压发生器可以被电流发生器替代，且电流的测量被电压测量替代。如此激励源（不完美）可以是将使其更易于实现的任何类型。

Claims (8)

1.一种地线（PE）的监视设备（10），被设计为与电力系统（12）的相线（PH）或中线（N）连接，且包括布置在该相线或中线与地线之间的第一电量的传感器（13），

其特征在于它包括：

-第二电量的发生器（14，14’），不同于电力系统的电量，与所述传感器串联；及

-处理电路（16），被配置为根据从电压（V，V_BF）和流在地线中的电流（I，I_BF）中选择的第一和第二电量来计算地线的电阻抗（Z_PE）。

2.根据权利要求1的设备，其特征在于所述第一电量是流在地线中的电流（I，I_BF）而所述第二电量是测量电压（V，V_BF）。

3.根据权利要求2的设备，其特征在于测量电压发生器是包括5V和24V之间的DC电压（V）的发生器（14）。

4.根据权利要求2的设备，其特征在于测量电压发生器是在包括1Hz和20Hz之间的频率的AC电压（V_BF）的发生器（14’）。

5.根据权利要求1到4的任何一者的设备，其特征在于它包括被配置为消除电力系统电压的滤波器。

6.根据权利要求1到5的任何一者的设备，其特征在于它包括流在地线中的电流的限制阻抗（R_M）。

7.根据权利要求6的设备，其特征在于限制阻抗（R_M）包括并联的且被选择以获得与电力系统的工作频率相等的谐振频率的电感（L）和电容器（C）。

8.根据权利要求1到7的任何一者的设备，其特征在于它包括

-连接继电器（K’），被配置为在第一种状态中将发生器（14，14’）与相连接器（PH）连接，在第二种状态中将发生器与中性连接器（N）连接且在第三种状态中断开发生器的连接；

-中线（N）的识别电路（18），被配置为控制在第二种状态的连接继电器（K’）。

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