CN104251937A - 估计电气接地的阻抗的装置、关联的估计方法和供电系统 - Google Patents

Abstract

用于估计接地(22)的阻抗的根据本发明的装置(36)，所述接地连接到交流电网(14)的地，所述交流电网(14)包括连接到电相导体(18)的相和连接到电中性导体(20)的中性线，所述装置(36)包括：位于所述相导体和所述接地之间的具有预定值阻抗的电气组件(38)；第一传感器(42)，其能够测量在所述相导体和所述接地之间的第一属性的第一值和所述第一属性的第二值；第二传感器(44)，其能够测量在所述中性导体和所述接地之间的第二属性的第一值和所述第二属性的第二值；以及计算构件(46)，其计算所述接地的所述阻抗。

Description

估计电气接地的阻抗的装置、关联的估计方法和供电系统

技术领域

本发明涉及一种用于估计电气接地的阻抗的装置，该接地连接到交流电网的地，该交流电网包括连接到电相导体的相和连接到电中性导体的中性线，该装置意欲连接到该相导体、该中性导体和该接地。

本发明也涉及一种供电系统，该系统连接到交流电网，该交流电网包括连接到电相导体的相、连接到电中性导体的中性线和连接到电气接地的地。

本发明也涉及一种用于估计电气接地的阻抗的方法。

背景技术

从文件EP2,551,981A1已知一种用于估计地导体的阻抗的装置。该装置包括在相导体和地导体之间串联的电压发生器和电流传感器。从由该发生器施加的电压的值和由电流传感器测量的通过地导体和相导体循环的电流的值来计算地导体的阻抗。

然而，这样的装置不使得有可能估计同一电网的几个电气装置的地导体的阻抗，产生的相当大的另外的泄漏电流，这阻碍了地导体的阻抗的精确测量。事实上，当该类型的装置连接到同一电网的几个电气装置时，它产生相当大的另外的泄漏电流，这阻碍了地导体的阻抗的精确测量。

发明内容

本发明的一个目标因此是提出一种用于估计可以在连接到同一电网的几个电气装置上安装的电气接地的阻抗的装置。

为此，本发明涉及一种用于估计上述类型的电气接地的装置，其特征在于它包括：

-电气组件，其具有具有预定值的阻抗，所述电气组件位于所述相导体和所述接地之间；

-开关，其能够在断开状态中电隔离所述相导体与所述电气组件，并且在闭合状态中将所述电气组件电连接到所述相导体；

-第一传感器，其能够测量当所述开关在所述断开状态中时在所述相导体和所述接地之间的第一电气属性的第一值以及当所述开关在所述闭合状态中时的所述第一电气属性的第二值；

-第二传感器，其能够测量当所述开关在所述断开状态中时在所述中性导体和所述接地之间的第二电气属性的第一值以及当所述开关在所述闭合状态中时的所述第二电气属性的第二值；以及

-计算构件，其能够从所述电气组件的所述阻抗的所述预定值和所述第一和第二测量的电气属性的值来计算所述接地的所述阻抗。

根据本发明的其他有益方面，所述估计装置包括单独或根据任何技术上可能的组合考虑的下面的特征的一个或多个：

-第一和第二电气属性是电压；

-所述估计装置包括用于从所述相导体和中性导体检测所述相导体

的部件；

-所述检测部件包括：

◆继电器，其在第一位置能够将所述相导体电连接到所述电气组件，并且在第二位置将所述中性导体电连接到所述电气组件；以及

◆测量组件，其能够测量在所述相导体和所述接地之间的电压，并且测量在所述中性导体和所述接地之间的电压。

本发明也涉及一种用于电气装置的供电系统，所述系统连接到交流电网，所述交流电网包括连接到电相导体的相、连接到电中性导体的中性线和连接到电气接地的地，所述系统其特征在于它包括如上所述的用于估计所述接地的阻抗的装置。

根据本发明的其他有益方面，所述供电系统包括单独或根据任何技术上可能的组合考虑的下面的特征的一个或多个：

-所述供电系统包括连接到所述相导体和连接到在所述估计装置和所述电气装置之间的所述中性导体的关断构件，所述关断构件能够在打开位置和闭合位置之间移动，在所述打开位置中，所述电气装置相对于电网隔离，在所述闭合位置中，所述电气装置通过相导体和中性导体而连接到电网，当所计算的所述接地的阻抗大于阈值时，能够将所述关断构件命令在所述打开位置中。

-所述接地的所述阻抗的所述阈值被包括在10欧姆和500欧姆之间，并且特别是大体等于100欧姆。

本发明也涉及一种用于估计电气接地的阻抗的方法，所述电气接地被连接到交流电网的地，所述交流电网包括连接到电相导体的相和连接到电中性导体的中性线，所述相导体、所述中性导体和所述接地连接到如上所述的用于估计所述接地的所述阻抗的装置，所述方法包括下面的步骤：

-将所述开关置于所述断开状态中；

-当所述开关在所述断开状态中时，使用所述第一传感器来测量所述第一电气属性的所述第一值，并且使用所述第二传感器来测量所述第二电气属性的所述第一值；

-将所述开关置于所述闭合状态中；

-当所述开关在所述闭合状态中时，使用所述第一传感器来测量所述第一电气属性的所述第二值，并且使用所述第二传感器来测量所述第二电气属性的所述第二值；并且

-从所述电气组件的所述阻抗的所述预定值和所述第一和第二测量的电气属性的所述值计算所述接地的所述阻抗。

根据本发明的其他有益方面，用于估计电气接地的阻抗的所述方法包括单独或根据任何技术上可能的组合考虑的下面的特征的一个或多个：

-所述方法包括用于当所述计算的所述接地的阻抗大于阈值时命令所述相导体和所述中性导体的所述打开的步骤，使用连接到所述相导体和连接到在所述估计装置和所述电气装置之间的所述中性导体的关断构件来执行所述命令步骤，所述关断构件能够在打开位置和闭合位置之间移动，在所述打开位置中，所述电气装置相对于电网隔离，在所述闭合位置中，所述电气装置通过相导体和中性导体而连接到电网，当所计算的所述接地的阻抗大于阈值时，能够将所述关断构件命令在所述打开位置中；并且

-所述方法包括用于从所述相导体和所述中性导体检测所述相导体的步骤和用于将所述电气组件电连接到所述相导体的步骤。

附图说明

根据仅作为非限定性示例提供并且参考附图给出的下面的说明，本发明的这些特征和优点将明显，在附图中：

-图1是连接到电力配电网的电气装置的图示模型；

-图2是连接到根据本发明的供电系统的、根据本发明的估计装置的图示；

-图3是根据本发明的一个替代实施例的、与图2的视图类似的视图；并且

-图4是用于估计电气接地的阻抗的方法的流程图。

具体实施方式

在图1中，包括电气装置12的供电系统10连接到交流电网14。电网14被电变压器16供电。电网14包括连接到变压器16的相的电相导体18、连接到变压器16的中性线的电中性导体20和连接到地的电气接地22。

供电系统10能够向电气装置12供电。当电气装置12连接到电网14时，向地的泄漏电流If可能出现。图1示出泄漏电流If流过的泄漏阻抗24。泄漏阻抗24具有值Zf。

电气装置12例如是电动汽车的电池充电器，其通过充电端(未示出)连接到电网14。

替代地，电气装置12是连接到电网14的诸如住宅的建筑物。

电网14例如是单向交流电网，其包括相和中性线。替代地，电网14是三相电网。

电变压器16形成供电系统10的电压源。电变压器16通过第一地导体26和第一地电极27连接到地。第一地导体26和第一地电极27具有具有值Za的第一地阻抗28。

电变压器16通过相导体18和中性导体20连接到电气装置12。电气装置12的框通过第二地导体29和第二地电极30连接到地。第二地导体29和第二地电极30具有具有值Zb的第二地阻抗31。

因此，在所述的示例实施例中，通过将电变压器16连接到地的第一地导体26和第一地电极27以及通过将电气装置12的框连接到地的第二地导体29和第二地电极30来形成电气接地22。接地22具有具有等于第一和第二阻抗28、31的值Za、Zb的和的值Zt的阻抗。

根据图1至图3，供电系统10根据“TT”负载而连接到地。更具体地，电变压器16的中性线和电气装置12的框每一个通过第一和第二不同的地电极27、30连接到地。

供电系统10到地的其他类型的连接是可能的。

根据“TN”负载(未示出)，电气装置12的框没有本地地，并且连接到中性导体。中性导体连接到变压器的本地地。

根据“IT”负载(未示出)，电变压器16的中性线与地电力绝缘，并且电气装置12的框使用本地地电机连接到地。

如图2和图3中所示，供电系统10进一步包括估计装置36，用于估计接地22的阻抗的值Zt。在图2和3中以虚线示出估计装置36。

根据图2和图3，估计装置36包括连接到第二地导体29并且能够连接到相导体18的电气组件38。估计装置36进一步包括开关40，开关40能够将电气组件38与相导体18隔离或电连接。

估计装置36能够估计接地22的值Zt，即，它能够估计第一和第二阻抗28、31的值Za、Zb的和。

估计装置36连接到相导体18、中性导体20和第二地导体29。

电气组件38具有具有预定值Zc的阻抗。电气组件38例如是具有电阻阻抗的组件，诸如电阻器。

开关40在相导体18和第二地导体29的第二地阻抗31之间与电气组件38串联。

开关40例如是双稳态机电继电器。替代地，开关40是电子开关。

开关40能够在断开状态和闭合状态之间移动。在断开状态中，开关40将电气组件38与相导体18电隔离。在闭合状态中，开关40将电气组件38电连接到相导体18。

如图2和3中所示，估计装置36进一步包括第一传感器42、第二传感器44和计算构件46。

第一传感器42能够测量当开关40在断开状态中时在相导体18和第二地导体29之间的、诸如电压的第一电气属性Vpt的第一值Vpt₀以及当该开关在闭合状态中时的第一电气属性Vpt的第二值Vpt₁。

第二传感器44能够测量当开关40在断开状态中时在中性导体20和第二地导体29之间的、诸如电压的第二电气属性Vnt的第一值Vnt₀以及当该开关40在闭合状态中时的第二电气属性Vnt的第二值Vnt₁。

如下所述，计算构件46能够从在开关40的打开和闭合状态中电气组件38的阻抗的预定值Zc和由第一和第二传感器42、44测量的电压的值Vpt₀、Vpt₁、Vnt₀、Vnt₁计算接地22的阻抗的值Zt。

计算构件46例如由微处理器形成。

供电系统10进一步包括关断构件48。

关断构件48电连接到在电变压器16和电气装置12之间的相导体18和中性导体20。

关断构件48例如由位于在变压器16和电气装置12之间的相导体18上的第一开关50和位于在变压器16和电气装置12之间的中性导体20上的第二开关52形成。

第一和第二开关50、52能够在打开位置和闭合位置之间移动，在打开位置中，电气装置12与变压器16电隔离，并且在闭合位置中，电气装置12通过相导体18和中性导体20电连接到变压器16。

当所计算的地阻抗的值Zt小于阈值Zt_seuil时，供电系统10被授权运行，并且电气装置12被通电。第一和第二开关50、52因此在闭合位置中。

当接地22的所计算的阻抗的值Zt大于阈值Zt_seuil时，供电系统10的操作根据估计装置36所连接到的电气装置12的特性来改变。

如果电气装置12例如是用于电动汽车的充电端，则第一和第二开关50、52被计算构件46转换到打开位置，使得充电端不再接收电力。

如果电气装置12是诸如住宅的建筑物，则发射安全警报。

接地22的阻抗的阈值Zt_seuil被包括在10欧姆和500欧姆之间，并且具体地说大体等于100欧姆。

根据在图3中所示的一个替代实施例，估计装置36包括用于从相导体18和中性导体20检测相导体18的部件42、44、46、56。

检测部件42、44、46、56例如包括具有双态的继电器56、第一和第二传感器42、44与计算构件56。

继电器56能够在双态之间移动。在第一状态中，继电器56将相导体18连接到继电器40。在第二状态中，继电器56将中性导体20连接到继电器40。

替代地(未示出)，继电器56和开关40被具有3个状态的单个继电器形成。在第一状态中，该继电器将相导体18连接到电气组件38。在第二状态中，该继电器将中性导体20连接到电气组件38。在第三状态中，电气组件38与相导体18和中性导体20隔离。

替代地(未示出)，继电器56和开关40被并联的具有两个状态的两个继电器形成。在第一状态中，该两个继电器分别将相导体18和中性导体20连接到电气组件38。在第二状态中，两个继电器是打开的，并且电气组件38与相导体18和中性导体20隔离。

第一传感器42能够测量在相导体18和第二地导体29之间的电压，并且第二传感器44能够测量在中性导体20和第二地导体29之间的电压。

基于由第一和第二传感器42、44测量的电压的值，计算构件46能够从与相导体18和中性导体20对应的两个导体识别相导体。

现在使用图4来说明估计装置36的操作。图4示出通过如上所述的估计装置36实现的、用于估计接地22的阻抗Zt的方法100的步骤的流程图。

在图4中，在第一步骤110期间，根据本发明的估计装置36连接到供电系统10的相导体18、中性导体20和第二地导体29。供电系统10一方面通过变压器16连接到电网14，并且另一方面通过相导体18和中性导体20连接到另一个电气装置12，例如，用于电动汽车或建筑物的电池充电器。第一和第二开关50和52在闭合位置中。

在步骤112期间，检测部件42、44、46、56从与相导体18和中性导体20对应的两个导体检测相导体18。更具体地，第一传感器42例如测量在相导体18和第二地导体29之间的电压。如果测量的电压接近230V，则它包含在相导体18和第二地导体29之间的电压，并且然后识别相导体18。替代地，第二传感器44测量在中性导体20和第二地导体29之间的电压。如果测量的电压接近0V，则它涉及在中性导体20和第二地导体29之间的电压，并且然后识别中性导体20。

一旦检测到相导体18，则在这个步骤114期间将继电器56置于第一状态中，以便将电气组件38电连接到相导体18。

在这个步骤116期间，命令开关40位于断开状态中，即，电气组件38与相导体18电隔离。

接下来，在这个步骤118期间，第一传感器42测量在相导体18和第二地导体29之间的电压Vpt₀，并且第二传感器44测量在中性导体20和第二地导体29之间的电压Vnt₀。

在下面的步骤120期间，将开关40命令得位于闭合状态中，其中，电气组件38电连接到相导体18。

在步骤120后，第一传感器42测量在相导体18和第二地导体29之间电压Vpt₁，并且，第二传感器44测量在这个步骤122期间在中性导体20和第二地导体29之间的电压Vnt₁。

接下来，在步骤124期间，计算构件46从电气组件38的阻抗的预定值Zc和测量的电压的值Vpt₀、Vnt₀、Vpt₁、Vnt₁计算接地22的阻抗的值Zt。

更具体地，当开关40在断开状态中时根据方程(1)并且当开关40在闭合状态中时根据方程(2)在供电系统10中应用欧姆定律：

${\mathrm{If}}_0=\frac{{\mathrm{Vtp}}_0}{\mathrm{Zf}}=-\frac{{\mathrm{Vtn}}_0}{\mathrm{Za}+\mathrm{Zb}}=-\frac{{\mathrm{Vtn}}_0}{\mathrm{Zt}}---\left(0\right)$

其中，If₀是当开关40在断开状态中时的泄漏电流。

${\mathrm{If}}_1=\frac{{\mathrm{Vpt}}_1}{\frac{1}{\mathrm{Zf}}+\frac{1}{\mathrm{Zc}}}=-\frac{{\mathrm{Vnt}}_1}{\mathrm{Zt}}---\left(2\right)$

其中，If₁是当开关40在闭合状态中时的泄漏电流。

然后，从方程(1)和(2)，计算构件46求解下面的具有两个变量的两个方程(3)的系统：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Zf}=\mathrm{Zc}*[\frac{{\mathrm{Vpt}}_0*{\mathrm{Vnt}}_1}{{\mathrm{Vnt}}_0*{\mathrm{Vpt}}_1}-1]\\ \mathrm{Zt}=-\mathrm{Zf}*\frac{{\mathrm{Vnt}}_0}{{\mathrm{Vpt}}_0}=-\mathrm{Zc}*[\frac{{\mathrm{Vnt}}_1}{{\mathrm{Vpt}}_1}-\frac{{\mathrm{Vnt}}_0}{{\mathrm{Vpt}}_0}]\end{array}\right.---\left(3\right)$

当计算的阻抗的值Zt大于例如100欧姆的阈值Zt_seuil时，在步骤126期间将关断构件48命令到其打开位置。即，将开关50、52定位在打开位置，以便切断向电气装置12的供电，并且由此避免触电的任何风险。替代地，电气装置12保持被供电系统10供电，但是发出警告。事实上，当接地22的阻抗的值Zt大于阈值Zt_seuil时，这意味着电气装置12的框具有接地故障，并且因此能够在对于用户的危险电势处。

可以因此看到根据本发明的估计装置36使得有可能不仅估计接地22的阻抗，而且当测量的接地22的值超过阈值Zt_seuil时打开在电气装置12和供电系统10之间的连接。估计装置36因此使得有可能避免与电气装置12的框向地的错误连接相关的触电的任何风险。

而且，使用具有具有已知值Zc的阻抗的电气组件38允许根据本发明的估计装置36对于同一电网的几个电气装置执行接地22的阻抗测量。

事实上，不像具有电压或电流注入的本领域中的估计装置那样，根据本发明的估计装置36不引起另外的泄漏电流，并且因此允许当它连接到同一电网的几个电气装置时接地22的阻抗的精确测量。

不像具有本领域中的电压或电流注入估计装置那样，这样的装置和这样的方法也使得有可能当电气装置连接到根据IT负载的电网时，估计接地22的阻抗。

根据本发明的估计装置36不仅在电动汽车的充电端上而且在建筑物中有益，以便验证电气群体到地的正确的连接。

Claims (10)

1.一种用于估计电气接地(22)的阻抗(Zt)的装置(36)，所述接地(22)连接到交流电网(14)的地，所述交流电网(14)包括连接到电相导体(18)的相和连接到电中性导体(20)的中性线，所述装置(36)意欲连接到所述相导体(18)、所述中性导体(20)和所述接地(22)，所述装置(36)其特征在于它包括：

-电气组件(38)，其具有具有预定值(Zc)的阻抗，所述电气组件(38)位于所述相导体(18)和所述接地(22)之间；

-开关(40)，其能够在断开状态中电隔离所述相导体(18)和所述电气组件(38)，并且在闭合状态中将所述电气组件(38)电连接到所述相导体(18)；

-第一传感器(42)，其能够测量当所述开关(40)在所述断开状态中时在所述相导体(18)和所述接地(22)之间的第一电气属性(Vpt)的第一值(Vpt₀)以及当所述开关(40)在所述闭合状态中时的所述第一电气属性(Vpt)的第二值(Vpt₁)；

-第二传感器(44)，其能够测量当所述开关(40)在所述断开状态中时在所述中性导体(20)和所述接地(22)之间的第二电气属性(Vnt)的第一值(Vnt₀)以及当所述开关(40)在所述闭合状态中时的所述第二电气属性(Vnt)的第二值(Vnt₁)；以及

-计算构件(46)，其能够从所述电气组件(38)的所述阻抗的所述预定值(Zc)和所述第一和第二测量的电气属性(Vpt,Vnt)的值(Vpt₀,Vpt₁,Vnt₀,Vnt₁)来计算所述接地(22)的所述阻抗(Zt)。

2.根据权利要求1所述的装置(36)，其特征在于，所述第一和第二电气属性(Vpt,Vnt)是电压。

3.根据权利要求1或2所述的装置(36)，其特征在于，它包括用于从所述相导体(18)和中性导体(20)检测所述相导体(18)的部件(42,44,46,56)。

4.根据权利要求3所述的装置(36)，其特征在于，所述检测部件(42,44,46,56)包括：

-继电器(56)，其在第一位置能够将所述相导体(18)电连接到所述电气组件(38)，并且在第二位置将所述中性导体(20)电连接到所述电气组件(38)；以及

-测量组件(42，44)，其能够测量在所述相导体(18)和所述接地(22)之间的电压，并且测量在所述中性导体(20)和所述接地(22)之间的电压。

5.一种用于电气装置(12)的供电系统(10)，所述系统(10)连接到交流电网(14)，所述交流电网(14)包括连接到电相导体(18)的相、连接到电中性导体(20)的中性线和连接到电气接地(22)的地，所述系统(10)其特征在于它包括根据在前的权利要求的任何一项所述的用于估计所述接地(22)的阻抗(Zt)的装置(36)。

6.根据权利要求5所述的系统(10)，其特征在于，它包括连接到所述相导体(18)和连接到在所述估计装置(36)和所述电气装置(12)之间的所述中性导体(20)的关断构件(48)，所述关断构件(48)能够在打开位置和闭合位置之间移动，在所述打开位置中，所述电气装置(12)相对于电网隔离，在所述闭合位置中，所述电气装置(12)通过相导体(18)和中性导体(20)而连接到电网(14)，并且当所计算的所述接地(22)的阻抗(Zt)大于阈值(Z_seuil)时，能够将所述关断构件(48)命令在所述打开位置中。

7.根据权利要求6所述的系统(10)，其特征在于，所述接地(22)的所述阻抗(Zt)的所述阈值(Z_seuil)被包括在10欧姆和500欧姆之间，并且特别是大体等于100欧姆。

8.一种用于估计电气接地(22)的阻抗(Zt)的方法(100)，所述电气接地(22)连接到交流电网(14)的地，所述交流电网(14)包括连接到电相导体(18)的相和连接到电中性导体(20)的中性线，所述相导体(18)、所述中性导体(20)和所述接地(22)连接到根据权利要求1至4的任何一项所述的用于估计所述接地(22)的所述阻抗(Zt)的装置(36)，所述方法(100)其特征在于它包括下面的步骤：

-将所述开关(40)置于(116)所述断开状态中；

-当所述开关(40)在所述断开状态中时，使用所述第一传感器(42)来测量(118)所述第一电气属性(Vpt)的所述第一值(Vpt₀)，并且使用所述第二传感器(44)来测量所述第二电气属性(Vnt)的所述第一值(Vnt₀)；

-将所述开关(40)置于(120)所述闭合状态中；

-当所述开关(40)在所述闭合状态中时，使用所述第一传感器(42)来测量(122)所述第一电气属性(Vpt)的所述第二值(Vpt₁)，并且使用所述第二传感器(44)来测量所述第二电气属性(Vnt)的所述第二值(Vnt₁)；并且

-从所述电气组件(38)的所述阻抗的所述预定值(Zc)和所述第一和第二测量的电气属性(Vpt,Vnt)的所述值(Vpt₀,Vpt₁,Vnt₀,Vnt₁)计算(124)所述接地(22)的所述阻抗(Zt)。

9.根据权利要求8所述的方法(100)，其特征在于，它包括用于当所述计算的所述接地(22)的阻抗(Zt)大于阈值(Zt_seuil)时命令所述相导体(18)和所述中性导体(20)的所述打开的步骤，使用连接到所述相导体(18)和连接到在所述估计装置(36)和所述电气装置(12)之间的所述中性导体(20)的关断构件(48)来执行所述命令步骤(126)，所述关断构件(48)能够在打开位置和闭合位置之间移动，在所述打开位置中，所述电气装置(12)相对于电网(14)隔离，在所述闭合位置中，所述电气装置(12)通过相导体(18)和中性(20)导体而连接到电网(14)，当所计算的所述接地(22)的阻抗(Zt)大于所述阈值(Zt_seuil)时，将所述关断构件(48)命令在所述打开位置中。

10.根据权利要求8或9所述的方法(100)，其特征在于，它包括用于从所述相导体(18)和所述中性导体(20)检测所述相导体(18)的步骤(112)和用于将所述电气组件(38)电连接到所述相导体(18)的步骤(114)。