CN1030800C - 分析实际交流电压源阻抗的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种分析电线或电气设备上实际交流电压的方法和电气测量装置，一双阻抗探头连接到要分析的交流电压。探头由一第一串联单向元件和一第二并联连接的串联高值电阻元件构成。串、并联连接的元件部分的输出连到第三串联低值电阻元件。一测量电路连到第三串联低值电阻元件并能够鉴别来自两个串联电阻元件的电压信号。测量电路具有一计算电路以确定电压信号是来自高阻抗电源还是低阻抗电源。一告警指示器可指出表示低抗源的预定阈值是否被超过。

Description

分析实际交流电压源阻抗的方法和装置
本发明涉及一种电气测量装置和一种分析出现在电线或电气设备上的实际交流电压、从而决定交流电压的阻抗源的性质并当被分析的电压超过一阈值和表明是低阻抗源时给出告警的方法。
当电气公用事业公司的没有带电操作技术的线路维修人员需要在电力线上或在危险地接近电力线情况下工作时，公用事业公司不可避免地要切断这种电线或电气设备的电源。此外，该线路维修人员还必须在进行工作前对该线路上是否有电进行检验。为了确定线路上的电压状况，该线路维修人员要把一个电压探测器连接到该线路上。维修人员用取决于电压探测器的类型的探测器，测量存在于线上的电压例如感应电压，或者检测有无超过某一预定阈值的电压存在。当测量电压时，维修人员要判断断开电源的线上的该电压读数是不是危险，也就是说，判断这种电压是来自高阻抗源诸如来自邻线的感应电压，还是来自线路仍然处于接通的、具有很高危险性的实际配电网络的低阻抗源。因此，如果维修人员要在这样的线路上接地的话，则一个错误的判断可能使其死于非命。为了说明这一点，我们设想这样一种危险的情况：有一根已断开电源的25KV线断裂后落到了一条600伏的带电电线上。这时，连接在25KV线的探测器指示的是一个相对于预期电压来说很低的电压，由此维修人员有可能把这一低电压判断为是一个感应电压而不是来自低阻抗配电网络的600伏电源。更危险的是，如果探测器有一个阈值，而这600伏低于该阈值，则在电压表上就根本看不出有任何危险。
本发明的目的在于提供一种电气测量装置，用它可以对电线上的实际交流电压进行分析，决定交流电压的性质，以确定该电压是来自低阻抗源还是高阻抗源，这种装置基本上克服了上述已有技术的缺点。本发明的另一目的在于提供一种分析存在于电线或电气设备上的交流电压的性质的方法以确定该电压是来自高阻抗源还是低阻抗源，这种方法基本上克服了上述已有技术的缺点。
本发明的一种分析交流电压源阻抗的电气测量装置，其特征在于，所述装置包含一其输出端可接地(19)和其另一端连接于用以捕获要分析的交流电压源的输入接触元件(9)的双阻抗探头(12)，所述双阻抗探头(12)包含至少一个由至少一个第一串联低电阻(13)与至少一个第二串联高值电阻(14)并联构成的电路支路，所述支路的一端与所述接触元件(9)相连，所述支路的另一端连到一串联低值电阻(15)的一端，该串联电阻(15)的另一端通过测量电阻(16，18)接到地(19)；一测量电路(17)耦连到所述测量电阻(16，18)并能鉴别分别来自两个所述串联电阻元件(13，14)的所述电压值(VL1，VL2)和电流值(I1、I2)，且具有计算电路装置(27，28)，它根据所测得的两电压值之差(VL1－VL2)和两电流值之差(I2－I1)的比(VL1－VL2)/(I2－I1)求得所述交流电压源阻抗，以确定所述电压信号是来自高阻抗源还是低阻抗源，一指示器(32)指示阻抗源的状况，如果代表低阻抗源的某一预定阈值被超过，则一告警指示器(32)发出警告指示。
本发明的一种分析电线或电气设备上交流电压源阻抗、以确定所述电压是来自高阻抗源还是低阻抗源的方法，所述方法包含：
1)提供具有至少一个第一串联低值单向元件(13)和至少一个第二串联高值电阻(14)并联连接的双阻抗探头(12)；所述并联的串联连接元件(13，14)连接到到一串联低值电阻(15)；
2)将所述探头(12)的一输出端连接到地(19)；
3)将所述探头(12)的一输入端连接到所述电线或电气设备上以便在所述探头(12)的一输出端上产生仅来自所述串联低值电阻(13)并也仅来自所述串联高值电阻(14)的输出电压信号(VL1，VL2)和电流信号(IL1，IL2)；
4)对探头(12)输出端的所述输出电压信号(VL1，VL2)和电流信号(IL1，IL2)按照电压差(VL1－VL2)和电流差(I2－I1)之比(VL1－VL2)/(I2－I1)进行算术处理以确定它们是来自高阻抗源还是低阻抗源；
5)指示源阻抗的性质；和
6)在所述输出电压信号超过表示低阻抗源的阈值时给出告警指示。
按照本发明的上述特点，从本发明的一个方面来说，本发明主要提供了一种分析存在于电线或电气设备上的交流电压以确定交流电压源的性质的电气测量装置。该装置包含一双阻抗探头，该探头有一可接地的输出端，一用于捕获要分析的交流电压的输入接触元件。该接触元件连接到仅在交流电的一半周期间导电的一第一串联低电阻元件。一串联低值电阻连接到该一第一串联低电阻元件的输出端。一第二串联高阻值电阻与该低电阻元件并联连接。在交流电的另一个半周期间，该交流电出现在第二串联高阻值电阻的两端。一测量电路耦连到串联低值电阻元件且能区别来自两串联电阻元件的电压信号，并设有计算电路装置以确定电压信号源自高阻抗源还是低阻抗源。一指示器可指示该阻抗源的状况。设有告警状态产生装置，当低阻抗源超过某一预定阈值时，它就发出告警状态。
本发明的另一主要目的在于提供一种对存在于电线或电气设备上的交流电压的性质进行分析的方法以确定该电压来自高阻抗源还是低阻抗源。该方法包含设置一个具有一第一串联低值单向元件和一第二并联连接的串联高值电阻的双阻抗探头。这些并联、串联连接的元件与一串联低值电阻元件相连。该探头的一个输入端连到电线或电气设备上以使在探头的一输出端产生诸输出信号电压，它们代表仅在诸串联的低值电阻元件两端出现的电压和也代表在与串联高值电阻串联的串联低值电阻元件两端出现的电压。探头的另一输出端接地。然后该输出电压信号在一探头的输出端进行算术处理以确定它们是来自高阻抗源还是低阻抗源。如果一表示低阻抗源的某一预定阈值被超过，则发出告警状态。
现在参照下面的附图对本发明的一较佳实施例进行描述。
图1表示本发明的连接于测量电路双阻抗探头的结构示意图；
图2表示源阻抗的简化数学分析的示意图；
图3表示电流流进如图1所示探头的电阻(阻性)支路时的源阻抗的数学分析的进一步简化示意图。
现在来看附图，具体说是看图1。在图1中编号10表示本发明的用于分析存在于电线11或电气设备上一端或其它测量元件上的交流电压的电气测量装置。本发明的装置10用来确定线11上的交流电压的性质以确定该电压是来自高阻抗源还是低阻抗源，或换言之，确定它是由电容性耦合产生的还是由如配电网络带电电源产生的。如图所示，该装置设有具有接收线11上交流电压的接触元件9的双阻抗探头12。双阻抗探头基本上包含一第一串联低电阻元件，在图中是串联的正向偏置的二极管13，另外还有一并联连接的串联高值电阻14。这种13、14并联连接部分的输出与另一阻值比串联电阻14为低的串联低值电阻15相连。串联低值电阻15的典型值为4兆欧，而串联电阻14总值可达100至200兆欧。
串联电阻15的输出串联连接到测量电阻16和18上，在它们(16和18)的两端连到测量电路17。上述电阻网络的输出连接到地端19。
测量电路17设有一第一输入端20和一第二输入端21。一反偏的二极管22连于第一输入端20，而一正偏二极管23连于一第二输入端21。因此，可以看出：在线11上交流电压的正半周期间，二极管13导通，线11的电压将加在串联电阻R1和测量电阻16和18的两端。测量电阻18输出端上的电压将在开关24的输入端产生一电压信号，开关24将动作而将此电压信号连到一缓冲放大器25然后馈送到模数转换器27的输入端26。该转换器将处理模拟信号并产生一数字信号输出送到算术单元28，它按照后面将描述的数学分析处理此信号。类似地，在线11上的电压信号的负半周期间，测量电阻16和18的输出端上的电压将加到第二开关29的输入端，经过它连到同一缓冲放大器25，以在转换器27的输出端产生数字信号而馈送给算术单元28。同步电路30和31使算术单元鉴别输入端20和21上的输入电压信号。一个发出信号或告警的电路32耦连到算术单元28的输出并在算术单元测得的阻抗值表明线路11上的交流电压是来源于高阻抗源或低阻抗源时提供可见和/或可听和/或告警指示。这样的指示是由将这些值与编程在算术单元28中的阈值比较后导出的。一个低阻抗源将触发告警信号。
分析测量电路17输入端上存在的电压信号的方法是通过下面的数学表达式来完成而确定源阻抗的，其中：
Icc＝Vs/Zs这里，Vs是源电压；Zs是源阻抗；而Icc是短路电流。
上述数学表达式由下面的数学关系确定的。我们知道，如果电线连到配电源，源阻抗实际为零，短路电流将非常大。另一方面，如果电线开路，仅因与邻近的其它线路的电容耦合而导电，则该线所能提供的电流大小决定于线之间的耦合程度。如果耦合弱、则该线上存在的能量可以忽略。
现在看图2，它表示电容耦合和通过这种电容耦合所获得的短路电流的示意图。如果人们能根据这种耦合计算源阻抗，则就可将它与危险的阈值基准值相比较以确定该线是不是危险的。参看图2，图中电压源用编号40表示。电容41或Z1表示耦合阻抗，而电容42表示开路线的阻抗，假设它不带电压但也不接地。连到一个电源的电线43上的电压，这里用VL表示。在该线开路且直接连接到配电网络的情况下，耦合阻抗41或Z1近于零且线上电压为电源40的电压。在电线为容性耦合的情况下，电线43上电压能用下面数学表达式表示：
VL＝V*Z2/(Z1＋Z2)
VL＝V*C1/(C1＋C2)
两阻抗Z1和Z2的相对值确定开路线43上的电压电平。Z1为两电容耦合的电线的距离以及两线平行延伸长度的函数。Z2为开路线离地的距离和它的长度的函数。
如果我们在开路配电电线如图1中的线11和地之间连接如图1所示的探头12，则图3中所示电压VL为由探头代表的负载值的函数。对于电阻性负载电阻R1，电压VL1由下式表示：
VL1＝V*jωC1R1/(jωR1(C1＋C2)＋1)
对于电阻性负载R2，电压VL2数学表达如下：
VL2＝V*jωC1R2/(jωR2(C1＋C2)＋1)
如果这些等式以析出源电压的方式表示然后通过将两个相应的等式相等起来以析出源阻抗Z1，我们就能得到下面的数学表达式：
(VL2－VL1)/(I1－I2)＝1/jω(C1＋C2)其中：I1是图3中电阻R1的环流电流；I2是图3电阻R2的环流电流。通过以下面的方式表达图2的电源电压和两个电容或阻抗41和42，我们就能确定源电压Vs和源阻抗Zs。从下面的结构，我们能导出下面阻抗源表达式：
VL1＝Vs－Zs *I1
VL2＝Vs－Zs *I2且其中：
Zs＝(VL1－VL2)/(I2－I1)
按照上面分析，Zs能表达如下：
Zs＝1/jω(C1＋C2)且其中Zs对应于由C1和C2表示的并联阻抗41和42。
电源电压Vs可通过下面表达式用矢量方法加以计算：
Vs＝VL1＋Zs *I1或VL2＋Zs *I2
Vs＝I1(R1＋1/jω(C1＋C2))或I2(R2＋1/jω(C\－1＋C2))因此，Vs的绝对值为
 I1(R1 2＋1/ω2(C1＋C2)2)1/2在电流I和电压源之间的相角也可以计算出来。
短路电流Ic.c.是一短路电路连到线上或维修人员在该线接地之前接触该线时源所能提供的电流。这种短路电流用下面数学表达式表示：
Ic.c.＝Vs/Zs
因此，按照所获得的信息，通过在线上交替连接两个其值相差悬殊的电阻，我们能导出下面的信息：
1.被接触之前存在于线上的电源电压Vs；
2.电源阻抗Zs、当它接入配电网络时，我们能确定是否是零或是否接近零；和
3.短路电流Ic.c.，它能测算出将该电线接地是否安全。如果已接地，则Ic.c.为流入地的电流。
对这里所述较佳实施例的任何明显的修改和变化，如果它们落入所附权利要求书的范围之内，本发明将把这些修改和变化包括在本发明的范围之内。例如电阻元件和探头可以取与这儿所示的不同值，测量电路17也可以用许多不同方式构成而得到所需要的结果，等等。

Claims (8)

1.一种分析交流电压源阻抗的电气测量装置，其特征在于，所述装置包含一其输出端可接地(19)和其另一端连接于用以捕获要分析的交流电压源的输入接触元件(9)的双阻抗探头(12)，所述双阻抗探头(12)包含至少一个由至少一个第一串联低电阻(13)与至少一个第二串联高值电阻(14)并联构成的电路支路，所述支路的一端与所述接触元件(9)相连，所述支路的另一端连到一串联低值电阻(15)的一端，该串联电阻(15)的另一端通过测量电阻(16，18)接到地(19)；一测量电路(17)耦连到所述测量电阻(16，18)并能鉴别分别来自两个所述串联电阻元件(13，14)的所述电压值(VL1，VL2)和电流值(I1、I2)，且具有计算电路装置(27，28)，它根据所测得的两电压值之差(VL1－VL2)和两电流值之差(I2－I1)的比(VL1－VL2)/(I2－I1)求得所述交流电压源阻抗，以确定所述电压信号是来自高阻抗源还是低阻抗源，一指示器(32)指示阻抗源的状况，如果代表低阻抗源的某一预定阈值被超过，则一告警指示器(32)发出警告指示。
2.如权利要求1所述电气测量装置，其特征在于，所述低电阻元件(13)包含从所述接触元件正向偏置连接的串联二极管(13)，以便在所述交流电压的正周期间导通，所述二极管(13)能承受高压且在所述负周期间与所述第二串联高值电阻(14)中的电流相比其电流可以忽略不计。
3.如权利要求2所述电气测量装置，其特征在于，所述串联低值电阻(15)有4兆欧的值，所述串联高值电阻(14)总值为100至200兆欧。
4.如权利要求2所述电气测量装置，其特征在于，所述测量电路(17)有两个输入端(20，21)，分别连到串联连接的测量电阻(16，18)之一的对应的一侧上，在所述串联低值电阻(15)和一接地的第二测量电阻(18)之间，所述两输入端(20，21)之一有正偏输入二极管(23)以接受所述正电压信号而阻止所述负电压信号，而另一输入端(20)有反偏输入二级管(22)以接受所述负电压信号而阻止所述正电压信号。
5.如权利要求4所述电气测量装置，其特征在于，所述测量电路(17)包含各自分别连于两输入端(20，21)的对应端的开关装置(24，29)以便把所述正和负电压信号串联连接到馈送给模/数变换器(27)的调节电路(Conditioning circuit)，该模数电路(27)则把代表所述电压信号的数字信号馈送给算术电路(28)，在那里所述信号被分析并与基准值比较以产生输出信号馈给所述告警装置(32)。
6.一种分析电线或电气设备上交流电压源阻抗、以确定所述电压是来自高阻抗源还是低阻抗源的方法，所述方法包含：
1)提供具有至少一个第一串联低值单向元件(13)和至少一个第二串联高值电阻(14)并联连接的双阻抗探头(12)；所述并联的串联连接元件(13，14)连接到到一串联低值电阻(15)；
2)将所述探头(12)的一输出端连接到地(19)；
3)将所述探头(12)的一输入端连接到所述电线或电气设备上以便在所述探头(12)的一输出端上产生仅来自所述串联低值电阻(13)并也仅来自所述串联高值电阻(14)的输出电压信号(VL1，VL2)和电流信号(I1，I2)；
4)对探头(12)输出端的所述输出电压信号(VL1，VL2)和电流信号(I1，I2)按照电压差(VL1－VL2)和电流差(I2－I1)之比(VL1－VL2)/(I2－I1)进行算术处理以确定它们是来自高阻抗源还是低阻抗源；
5)指示源阻抗的性质；和
6)在所述输出电压信号超过表示低阻抗源的阈值时给出告警指示。
7.如权利要求6所述方法，其特征在于，所述步骤1)包含提供一第一串联二极管(13)作为所述低值单向元件并将它们正向偏置连接，所述串联低值电阻两端的所述输出电压信号在所述交流电压的正半周期间产生。
8.如权利要求6所述方法，其特征在于，所述步骤4)包含进行下面的数学式的运算以确定源阻抗，其中：
Ic.c.＝Vs/Zs
这里：Vs为源电压；
      Zs为源阻抗；
      Ic.c.为短路电流。
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