CN106841888A

CN106841888A - 电涌抑制器监控装置和包括监控装置的监控系统

Info

Publication number: CN106841888A
Application number: CN201610901306.3A
Authority: CN
Inventors: 菲利普·拉施克
Original assignee: Vertical Sand Co Ltd Madden Delta
Current assignee: Vertical Sand Co Ltd Madden Delta; Tridelta Meidensha GmbH
Priority date: 2016-10-17
Filing date: 2016-10-17
Publication date: 2017-06-13

Abstract

本发明涉及用于电涌抑制器的监控装置和包括监控装置的监控系统。所述监控装置包括：用于对电涌抑制器(3)和地之间流动的总漏电流进行检测的装置(6)；场传感器(9)，其用于检测电涌抑制器(3)附近的电场；和通信单元(13)，其用于向外部装置(2)非接触式地发送数据，通信单元(13)为近场通信单元，其用于通过近场通信(NFC)进行非接触式数据交换。

Description

电涌抑制器监控装置和包括监控装置的监控系统

技术领域

本发明涉及用于电涌抑制器的监控装置和包括这种监控装置的监控系统。

背景技术

在能源网络中，电涌抑制器(surge arrester)通常连接在带电线路和地之间。现代电涌抑制器包括所谓的变阻器，即，在截止电压以下是非常好的绝缘体但是如果超过该截止电压则突然变为非常好的导体的元件。电涌抑制器用于保护网络中的其它部件免受过电压，比如可由例如雷击等引起的过电压。通常将这些电涌抑制器在网络中放置很长时间，即，30年以上。

当今使用的大多数电涌抑制器包括氧化锌变阻器。这些氧化锌变阻器趋向于在多年后老化，特别是在电涌抑制器重复地响应于过电压(即，重复地从绝缘状态至导电状态来回切换)的情况下。这种老化会导致所谓的漏电流(即，在绝缘状态下仍会流过电涌抑制器的电流)渐渐增大。然而，过量漏电流是个问题，因为其可导致电涌抑制器变得过热，进一步使漏电流增大，这在最差情况下导致热不稳定性从而导致电涌抑制器毁坏。

另一个问题是可能对电涌抑制器的壳体的污染，这可能会产生沿壳体的爬电电流(creepage current)。

由于大多数时候电涌抑制器仅以绝缘体的形式并入到网络中，因此，非常难以检查它们的操作性能。

根据EP 1356561 B1已知一种用于电涌抑制器的监控系统。此外，“Metalloxid-Ableiter in Hochspannungsnetzen Grundlagen”[高压网络中金属氧化物抑制器原理]Volker Hinrichsen,第三版,版权2012：西门子AG能源部门Freyeslebenstraβe 1 91058Erlangen展示了一种作为在电涌抑制器外部设置的装置的漏电流监控装置，该装置测量当时流过电涌抑制器的漏电流。这涉及对电流的峰值进行检测。显示该峰值本身或比例因子方式的视在均方根值。还主要存在一种集成式电涌计数器，其计数电涌抑制器的响应频率。

这种漏电流监控装置在接地线上与电涌抑制器串联。更多近期研究基于对漏电流的三次谐波(third harmonic)做出评估并将其用于评估电阻分量。电压中三次谐波的影响(这可极大地改变测量)由内建电场传感器(e-field sensor)或场传感器(field sensor)补偿。测得值可以通过无线接口发送，从而使得可以通过计算机来进一步评估和归档。

所引用的现有技术因此提出设置对流过电涌抑制器的漏电流随时间的变化以及电涌事件进行记录的监控系统。通过读出对结果的这种记录和相应评估，可以给出电涌抑制器仍然符合规范的程度或是否需要进行更换的预测。

根据所引用的现有技术，场传感器或电场传感器通过地线接地，并且通过电流测量装置测量由电场引起的从场传感器到地的电流。

用于向现有技术的监控系统供应能量而设置的电路在监控系统未测量电流时将从场传感器到地的电流导入至能量存储。

这存在需要用于切换的额外支出的缺点，并且还存在能量供应的可靠性仅在有限范围内得以确保的缺点，特别是每当场传感器的接地受到环境影响、腐蚀等的损害时。

还已知的是通过太阳能电池的方式向监控装置供应能量。然而，这使得构造更加昂贵且复杂。此外，太阳能电池无法可靠地对装置进行供应，例如在高纬度(60°以上)处、在其它长期黑暗期间或在室内使用的情况下。

关于“红绿灯”形式的监控装置，其显示绿色、黄色或红色光，但是不会另外向外部发送数据，还已知从漏电流自身实现能量供应。

已知场传感器通常布置在电涌抑制器附近并与地线连接。电流测量装置持续或间歇性地测量场传感器与地之间的电流。场传感器可视作具有很高内电阻的电压源。如果承受低阻抗电路负荷，则场传感器电压击穿，这会改变测得值。

在现有技术中，向外部发送测量结果通过监控装置上的显示装置(即，通过目视检查)进行或者通过无线或有线数据发送进行。这里使用的已知无线技术为868MHz、Zigbee、Wi-Fi、GPRS。

然而，采用优选的无线通信时，如果各自具有监控装置的若干个电涌抑制器被靠近放置在一起，则存在问题，这是因为必须确保至各个电涌抑制器的唯一的数据分配。此外，这种类型的数据发送需要大量的能量，因此仅通过漏电流方式供应能量必然不够，因此，在现有技术中设置了其它能量源，大多数为太阳能电池。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种改进的监控装置和一种改进的监控系统，其不存在这些问题。

通过根据一个实施例的监控装置和另一个实施例的监控系统而实现所述目的。其它实施例涉及本发明进一步的有益设计。

具体地，本发明涉及一种用于电涌抑制器的监控装置，其包括：用于对电涌抑制器和地之间流动的总漏电流进行检测的装置；场传感器，其用于检测电涌抑制器附近的电场；和通信单元，其用于向外部装置非接触式地发送数据。根据本发明，通信单元为近场通信单元，其用于通过近场通信(NFC)进行非接触式数据交换。

优选地，设置电压测量单元，其检测场传感器处的电压。

进一步优选地，本发明包括能量供应单元，其将总漏电流用于提供供应至监控装置的能量。

在该监控装置中，还可以设置评估逻辑，其设计为根据以下公式计算漏电流的电阻分量的二次谐波(second harmonic)的幅度I_3r：

I_3r＝I_3t–K(I_1t/U_1p)U_3p

其中：

I_3t为总漏电流的二次谐波的幅度，

I_1t为总漏电流的幅度；

U_1p为场传感器处的总电压的幅度；

U_3p为场传感器处的电压的二次谐波的幅度；并且其中

K为规定的常数。

数据存储器用于将总漏电流的补偿后二次谐波的二次谐波的幅度与时间标记一起存储。

除了总漏电流的二次谐波的补偿后二次谐波的幅度之外，本发明还可以检测总漏电流的峰值I_peak和/或功率脉冲电流I_puls，所述功率脉冲电流I_puls为电涌抑制器响应时电流脉冲的幅度值。类似地，可以设置电涌计数器，其对电涌抑制器抑制过电压的频率进行计数。

根据本发明的用于监控电涌抑制器的监控系统包括上述类型的监控装置和接收单元，所述接收单元用于通过近场通信方式从监控装置无线地接收数据。

附图说明

以下基于优选实施例并参照附图描述本发明，在附图中：

图1示出了监控装置的示图；

图2示出了整个监控系统的框图；

图3示出了监控装置的框图；

图4示出了能量供应的块形式的细节；和

图5示出了场传感器处电压测量的电路图详细示图。

具体实施方式

下面基于优选实施例描述本发明。

如图1所示，监控装置包括监控单元26，其通过线缆27连接至发送单元28。监控单元26包括壳体29，其将要直接设置在电涌抑制器3(未示出)附近。

壳体29可以包括显示单元，其可视地发送当时适用的操作状态信号和/或各单独的测试参数信号。

线缆27从监控单元26的壳体29延伸至发送单元28。发送单元28通常布置在距监控单元26一定距离处，从而其可由用户毫无问题和毫无危险地接近。

发送单元28设计成其可用作配有近场通信装置(NFC)的市售智能电话2的接收区域。

图2示出了根据本发明的监控系统的框图。

电涌抑制器由附图标记3示意性地表示。该抑制器连接在带电线路和地之间。与电涌抑制器3的接地侧连接的是监控装置1。

监控装置1设计为使得其通过近场通信(NFC)非接触式地发送待测数据或经处理数据至接收单元2(例如，智能电话)。

智能电话2随后可以将其部分通过线缆或其它通信装置连接至市售计算机25或者通过互联网功能连接至互联网22并随后通过适当网站23连接至服务器24。

以这种方式，可以将智能电话2收集的数据以对供电装置的操作员而言有效率的方式方便地输入至整个系统，并且由此持续跟进网络中各个电涌抑制器3的性能随时间的发展。

图3示出了先前图2中监控装置1的框图的细节。

如图3所示，监控装置连接在电涌抑制器3的接地侧。

附图标记4表示气体抑制器，其设置在监控装置1中。在德国实用新型DE202015004663.0中描述了该气体抑制器4的功能。

与该气体抑制器4串联的是变压器5，其在气体抑制器4抑制时产生电压脉冲，所述电压脉冲相当于流过气体抑制器4的电涌电流I_pulse。该电压脉冲随后由功率脉冲电流测量单元8评估。功率脉冲电流测量单元8的一部分随之连接至微处理器12，其对功率脉冲电流测量单元8的输出进行处理。微处理器12还可以设计为电涌计数器并每当气体抑制器4响应时就将计数值增加1。

在气体抑制器4的高压侧输入处还设置了电流测量单元6，其设计用于测量流过电涌抑制器3的漏电流或沿着电涌抑制器3的爬电电流。

电流测量单元6的输出馈送至微处理器12。

附图标记7表示能量供应单元。其以这样的方式连接，其中其接收流过电涌抑制器3的漏电流并将该漏电流转换为用于微处理器12和监控装置1的其它部件的供应电压。将稍后描述能量供应单元7的更多细节。

附图标记11表示时间测量单元。其不以任何方式受限。任何适当时钟可用于此，例如，石英晶体等。还可以根据网络频率推导时间的测量。

附图标记9表示场传感器。该场传感器9设计为检测电涌抑制器3附近的电场。场传感器9的输出连接至电压测量单元10。稍后解释电压测量单元10的更多细节。电压测量单元10的输出馈送至微处理器12。

最后，附图标记13表示通信单元，特别是近场通信单元，其允许测量数据或经处理测量数据从微处理器12发送至外部装置(例如，智能电话)。

在优选实施例的情况下，以如下方式编程微处理器12，其中其通过傅里叶变换根据电流测量单元6的测得值计算三次谐波I_3t，即，总漏电流的二次谐波。

此外，微处理器12计算电压测量单元10的场传感器电压的三次谐波U_3p。

由于微处理器12还根据电流测量单元6的结果得到总漏电流I_1t的幅度并且还根据电压测量单元10的结果得到场传感器9处的总电压的幅度，因此微处理器能够利用如下方程计算漏电流的所谓的补偿后三次谐波，即，总漏电流的补偿后二次谐波的幅度I_3r：

I_3r＝I_3t–K(I_1t/U_1p)U_3p

其中：

I_3r为总漏电流的补偿后二次谐波的幅度，

I_3t为总漏电流的二次谐波的幅度，

I_1t为总漏电流的幅度；

U_1p为场传感器处的总电压的幅度；

U_3p为场传感器处的电压的二次谐波的幅度；并且其中

K为规定的常数。

依照经验确定常数K，通常等于0.75。

根据经验，电阻性漏电流的由此确定的二次谐波是用于监控电涌抑制器的老化过程的良好措施。

虽然未示出，但是监控装置1中可以存在其它测量元件，例如，温度传感器。作为替代，还可以提供电涌传感器3中已有的温度传感器，并且将测得的温度值以适当方式发送至监控装置1的微处理器12。

微处理器12设计为形成各组值，其分别包括：总漏电流的补偿后二次谐波的算出值、时间标记、漏电流I_peak的峰值，以及可以包括功率脉冲电流峰值I_pulse。值组还可以额外地包括测得的温度值和电涌计数器当时的值。

在操作时，受托查看电涌抑制器3的用户将他的智能电话2放置在图1的发送单元28上。发送单元28和智能电话2通过近场通信彼此交换数据，因此使得微处理器12将其中存储的各组值发送至智能电话2。

通常，电涌抑制器的标识被输入至智能电话一次，用于验证(commission)。在这种情况下，智能电话被放置在发送单元上。监控装置发送唯一(永久性烧入)的ID。智能电话将输入的标识和该ID存储在其存储器中并将其通过互联网发送至数据库。

替代性地，在将他的智能电话2放置在发送单元28上之前，用户可以通过智能电话的小键盘输入对应的电涌抑制器3的标识。由于通过近场通信进行数据发送，因此分配是唯一的，并且不存在另一电涌抑制器3的数据被不经意地错误分配的风险。

图4示出了图3示出的监控装置的能量供应单元7。能量供应单元7包括整流器17，优选为桥式整流器。该桥式整流器用于对电涌抑制器的漏电流进行整流。电涌抑制器的漏电流处于几毫安的范围内。其电阻分量在μA范围内。

用于使监控装置1进行工作的能量优选地通过能量控制器19从漏电流获得以及从两个能量存储(优选为电容器18、20)获得。由于监控装置1不是持续监控电涌抑制器3的漏电流而仅是以固定间隔(例如每小时一次或每天一次)监控，因此来自漏电流的能量足以确保监控装置1的工作。

通过近场通信读出数据同样不是持续进行而是以固定间隔(例如，一个月一次或每半年一次)进行。可从漏电流获得的能量对其来说也是足够的，因为近场通信用非常少量的能量管理。

此外，甚至从NFC发送获得能量。通过NFC接收器将智能电话的无线功率转换为工作电压。因此，发送单元自身进行供应。

这类构造的优点在于不必须要设置额外的能量源，比如太阳能电池等。

最后，图5示出了电压测量单元10的细节。电压测量单元10包括两个串联的电阻器30、31，其连接在供应电压和地之间作为分压器。

场传感器9的输出通过电容器32连接至包括电阻器30和31的分压器的中间点。该点同样连接至运算放大器34的反相输入，该运算放大器连接为电压跟随器。在运算放大器34的输入和输出处设置两个滤波电容器35和36。

如图5所示，用于电压保护的TVS二极管33连接在场传感器9的输出与地之间。

除了用作电压保护的TVS二极管的方式以外，该电路还允许在没有将场传感器自身直接接地的情况下测量场传感器9处的电压。

场传感器9被视作具有高内电阻的电压源。如果其承受低阻抗电路负荷，则场传感器电压击穿。带有高阻抗电压跟随器电路的测量电路不会使得场传感器承受负荷，因此生成非伪电压值。

用作去耦电容器的电容器32阻止DC电压出现，因此避免了由于测量信号上的额外电压偏移而导致的误差。

根据本发明的监控装置1可以适用于不带火花隙的全部通用电涌抑制器。在这种情况下，在发送单元28的区域中设置允许唯一识别相关联的电涌抑制器3的RFID芯片或条形码。该RFID芯片或条形码同样由智能电话2读取，从而以这种方式来确保各种数据唯一分配给特定电涌抑制器3。

但是，优选的是将用于抑制器的唯一分配的ID永久性地存储在微处理器的存储器中。

虽然已经基于优选实施例描述了本发明，但是本发明不限于此。显然，对于本领域技术人员而言，可以进行各种变化和修改。

在优选实施例的情况下，在监控装置1中将测得值转换为最终被评估的数据。这不是必须的。还可以将测得值本身进行存储并随后在数据发送之后在智能电话2中进行转换。

Claims

1.一种用于电涌抑制器的监控装置，包括：

用于对电涌抑制器(3)和地之间流动的总漏电流进行检测的装置(6)；

场传感器(9)，其用于检测所述电涌抑制器(3)附近的电场；和

通信单元(13)，其用于向外部装置(2)非接触式地发送数据；

其特征在于，

所述通信单元(13)为近场通信单元，其用于通过近场通信(NFC)进行非接触式数据交换。

2.根据权利要求1所述的监控装置，其特征在于，

电压测量单元(10)，其检测所述场传感器(9)处的电压。

3.根据权利要求1或2所述的监控装置，其特征在于，

能量供应单元(5、7)，其将总漏电流用于提供供应至所述监控装置的能量。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的监控装置，其特征在于，

微处理器(12)，其设计为根据以下方程计算总漏电流的补偿后二次谐波的幅度I_3r：

I_3r＝I_3t–K(I_1t/U_1p)U_3p

其中：

I_3t为总漏电流的二次谐波的幅度，

I_1t为总漏电流的幅度；

U_1p为场传感器处的总电压的幅度；

U_3p为场传感器处的电压的二次谐波的幅度；并且其中

K为规定的常数。

5.根据权利要求4所述的监控装置，其特征在于，

存储器(12)，其用于将总漏电流的补偿后二次谐波的幅度I_3r与时间标记一起存储。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的监控装置，其特征在于，

用于检测总漏电流的峰值I_peak和/或功率脉冲电流I_puls的装置(6、8)，所述功率脉冲电流I_puls为所述电涌抑制器响应时电流脉冲的幅度值。

7.一种用于监控电涌抑制器的监控系统，其特征在于，

根据权利要求1-6中任一项的监控装置；和

接收单元(2)，其用于通过近场通信方式从所述监控装置无线地接收数据。