CN114264883A - 电测量组件和用于连续监控保护导体电阻的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电测量组件和连续监控供电系统中保护导体连接件的保护导体电阻方法，供电系统有供电站、供电线和经保护导体连接件接地的电气装置。电测量组件包括：信号生成器，生成有测量频率的信号交变电压；第一测量电流互感器，环绕保护导体连接件且有第一绕组和保护导体电压的第二次测量的第二绕组，第一绕组将信号交变电压感应耦合至保护导体连接件，使环路电流流经第一漏电容器、有源导体、第二漏电容器和保护导体连接件；第二测量电流互感器，环绕保护导体连接件且有捕获保护导体连接件中流动的保护导体电流的次级绕组；评估单元，其具有的数字计算单元：控制信号生成器；根据保护导体电压和保护导体电流确定环路阻抗；和评估环路阻抗的实部。

Description

电测量组件和用于连续监控保护导体电阻的方法

技术领域

本发明涉及一种电测量组件和一种用于对供电系统中的保护导体连接件的保护导体电阻进行连续监控的方法，该供电系统具有供电站、供电线以及电气装置，该供电站包括第一漏电容器，该供电线包括有源导体，该电气装置经由保护导体连接件接地并且该电气装置包括第二漏电容器和负载。

背景技术

在电气装置要求的“自动切断电源”保护措施范围内，要监控的装置的部分有足够高的电流是先决条件，使得安装的过流保护设备能够足够快地启动跳闸命令。在接地供电系统(TN系统、TN网络)中，这在第一次故障的情况下实现；在不接地的供电系统(IT系统、IT网络)中，这会在第二次故障的情况下实现。因此，必须确保环路电流的阻抗(环路阻抗)具有低阻抗以引发足够高的环路电流作为跳闸电流，该环路电流由供电站经由到负载的供电线的有源导体生成并经由保护导体连接件返回。

IEC61557-3:2007标准对用于测量环路阻抗的测量设备规定了具体要求，测量是借助于通过对网络进行加载而降低网络电压来进行的。然而，在实践中，这种测量方法似乎仅适用于循环测试，而不适用于在激活操作期间对环路电阻进行连续监控。特别地，这种测量方法不能应用于IT系统，因为在IT系统中，在有源导体处具有可忽略的阻抗的故障已经被切换到接地，以测量环路阻抗，从而形成所述的测量环路。然而，对于具有可忽略的阻抗的第一故障，现有的网络漏电容会立即被卸载。在具有相应地大的网络漏电容的广泛IT网络中，这能够导致电弧和高漏电流。因此，借助于环路电流确定IT系统中的环路阻抗并非没有危险，并且意味着针对电气装置的额外负载。

因此，现有技术公开了用于在馈送测量信号的同时对环路进行测量的其他设备，这些设备配备有先导线(pilot line)(也被称为控制线或测试线)作为测量电流返回线。

先导线连接至负载侧的保护导体。因此，可以使用供电站中的简单电阻测量来检测先导线和保护导体连接件的环路电阻，该环路电阻包括插头连接件的接触电阻。

例如，DE 10 2017 213 357 B3描述了一种方法，该方法具有控制线上的测量信号的脉动激活。如果控制线或保护导体连接件经由缺陷达到高阻抗或者甚至两者都经由缺陷达到高阻抗，则可以轻松检测到该故障。

同时，先导线的必要性带来的缺点是仅能使用包含先导线的特定供电线。如果要使用不包含先导线的已安装供电线，则无法添加回顾性监控选项。

现有技术的其他建议是基于自然存在的多个接地部或基于有意识地创建的多个接地部作为先导线。

说明书DE 10 2015 218 764 A1描述了一种用于在港口将船舶连接到岸上的方法，在该方法中将测量信号电感耦合到保护导体连接件中。为了形成电流环路，该方法利用了如下事实：多个接地部经由导电盐水是可用的或金属通道(gangway)是可用的。然而，确定环路阻抗并因此确定保护导体电阻受到阻碍，因为如果将通道设置在绝缘接地上，则经由通道返回测量电流可能会失败。此外，仅能经由导电盐水困难且不准确地记录返回测量电流的电阻。

另一种方法在说明书US 2013/0191059 A1中描述，其中测量信号以大约2kHz的频率被诱导地感应到保护导体连接件中。外加测量电流经由土壤返回，该土壤的电阻被认为具有低阻抗，并且被视为主要地是欧姆的。因此从测量技术的角度来看，土壤作为测量电流返回线对应于自然存在的先导线，同时也存在土壤的电阻在定量上的不可靠指定的缺点。

发明内容

因此，本发明的目的是提出一种用于对供电系统中的保护导体连接件的保护导体电阻进行连续监控的方法和设备，其不需要任何额外安装的先导线、控制线或测试线，防止记录测量值时的不精确，允许时间连续的监控，并且适用于接地以及未接地的电源系统。

关于设备，该目的通过具有本申请的实施方式中列举的特征的电测量组件来实现。

这些观察的基线以及对应用本发明的系统环境的要求是具有供电站的供电系统，该供电站包括第一漏电容器，其通常为用于无线电干扰抑制的滤波电容器，在保护导体连接件与供电线的各自的有源导体之间切换。此外，假定电气装置经由保护导体连接件接地并且该电气装置同样地包括第二漏电容器。设置在电气装置中的负载根据需要经由供电线的有源导体连接到供电系统的供电站。

如本发明所期望的，供电站包括用于生成具有特定测量频率的信号交变电流的信号生成器。为了防止EMC干扰，信号交变电压优选地是正弦形的并且优选地由信号生成器经由模数转换(随后是放大器)来提供。信号生成器由数字计算单元控制，该数字计算单元设置在评估单元中并且优选地被实现为微控制器。

根据本发明，在供电站中设置具有第一绕组的第一测量电流互感器，该第一绕组环绕保护导体连接件并且用于将信号交变电压感应地耦合至保护导体连接件。这导致电流环路，在该电流环路中由外加的信号交变电压引起的环路电流流经供电站中的第一漏电容器、供电线的有源导体、电气装置中的第二漏电容器以及流经保护导体连接件。

由于复值的环路阻抗是基于在保护导体处测量的电变量来测量的，因此第一测量电流互感器包括第二绕组，该第二绕组也环绕保护导体连接件，用于对保护导体电压进行第二次测量。

电测量组件还包括第二测量电流互感器，该第二测量电流互感器具有的次级绕组用于记录在保护导体连接件中流动的保护导体电流。

除了对信号生成器进行控制之外，具有数字计算单元的评估单元还在电测量组件中用于根据保护导体电压和保护导体电流确定环路阻抗并用于评估环路阻抗的实部。

本发明的基本思想包括分别设置在供电站和电气装置中的漏电容器，当耦合的信号交变电压的测量频率足够高时，漏电容器能够生成环路电流，该环路电流流经有源导体和保护导体连接件。因此，如本发明所期望的那样，供电线的有源导体用作先导线。因此，供电线的有源导体构成了环路的一部分，并取代了先导线的复杂安装。尽管如此，在确定环路阻抗方面，供电线的有源导体显示出与所安装的先导线相同的高测量精度。因此，在测量精度方面，根据本发明的电测量组件和根据本发明的基于此的方法优于迄今已知的方法，它们基于借助于并联切换的多个接地部进行的测量电流返回线。

此外，根据上述系统环境的要求，本发明可以用于接地和不接地的供电系统，在实际上不存在先导线的情况下获得包括先导线的测量组件的测量质量。

有利地，信号交变电压(Us)的测量频率(fs)在100kHz的范围内。

通过选择这种大约100kHz的测量频率，其比网络频率(例如，50Hz)高出多倍，由于测量频率约为网络频率的2,000次谐波，因此对由网络电压失真或非谐波网络电流引起的故障的敏感性显著降低。此外，具有选定的测量频率时，漏电容器的电阻呈现较小的值，这导致高环路电流(除了可忽略的偏差之外，对应于所测量的保护导体电流)和高信号/噪声比。

此外，电测量组件包括用于对保护导体电流进行滤波的高通电路。高通电路优选地被实现为模拟的(analogous)RC元件并且将期望的具有高频率的保护导体电流与具有低频率的干扰分开。

有利地，评估单元包括模数转换器，该模数转换器用于对保护导体电压和保护导体电流进行模数转换。

优选地，所测量的保护导体电压和所测量的保护导体电流在被模数转换之后被使用来自数字信号处理的方法进一步处理。

根据本发明所述的电测量组件是基于本公开的实施方式中描述的技术教导。在这方面，上述技术效果和从中收集的优点适用于方法特征。

特别地，要强调的是，除了保护导体连接件之外，当使用高于网络频率数倍的测量频率时，可用的漏电容器以及供电线的有源导体构成测量环路的一部分。因此，通过像先导线一样使用供电线的有源导体，不再需要实际的先导线，同时获得与使用先导线相同的测量精度。

进一步的有利实施方式特征源自以下描述和附图，这些描述和附图使用示例描述了本发明的优选实施方式。

附图说明

图1显示了根据现有技术的对具有先导线的环路阻抗的测量，以及

图2示出了根据本发明的电测量组件。

具体实施方式

图1示出了如现有技术所公开的具有先导线P的TN系统A中的环路阻抗Zm的测量。

供电站V经由供电线K连接到电气装置E。供电线K除了有源导体L和N以及保护导体连接件PE之外还包括附加的先导线P。在电气装置E中，先导线P连接至保护导体连接件PE，从而形成电流环路，在电流环路中，当在供电站V中的保护导体连接件PE与先导线P之间施加信号交变电压Us时，环路电流Is流动。因此，可以使用供电站V中的简单电阻测量来检测先导线P与保护导体连接件PE的环路阻抗Zm，该环路阻抗Zm包括可能存在的插头连接件S的接触电阻。

图2示出了根据本发明的位于TN系统A中的供电站V中的测量组件2。供电站V经由包括有源导体L和N的供电线K、保护导体连接件PE连接到包括负载R的电气装置E，并且如果适用，经由插头连接件S连接到包括负载R的电气装置E。

从有源导体L、N开始到保护导体连接件PE，供电站V和电气装置E分别包括第一漏电容器C1、C2和第二漏电容器C3、C4。

在该假定的系统环境中，根据本发明的电测量组件2设置在供电站V中。电测量组件2包括用于生成具有测量频率fs的信号交变电压Us的信号生成器4。

电测量组件2还包括第一测量电流互感器6，其环绕保护导体连接件PE并且包括用于将交流信号电压Us感应地耦合至保护导体连接件PE中的第一绕组8。第一测量电流互感器6可以设计为环形件(toroid)，通过该环形件来引导保护导体连接件PE。

因此，获得用于交变电流的电流环路，该电流环路由以下各者组成：供电站V中的漏电容器C1和C2的并联电路；供电线K的有源导体L和N的并联电路—如果适用，则具有插头连接件S的接触电阻；保护导体连接件PE与电气装置E中的漏电容器C3和C4的并联电路—如果适用，则具有各自的插头连接件S的相应接触电阻。

第一测量电流互感器6被配备有用于对保护导体电压Um进行第二次测量的第二绕组10。第二绕组10被加载有高阻抗并生成保护导体电压Um，该保护导体电压被馈送到模数转换器26以在评估单元20的数字计算单元28中进行进一步处理。

电测量组件2还包括第二测量电流互感器12，其环绕保护导体连接件PE并且包括用于对在保护导体连接件PE中流动的保护导体电流Im进行检测的次级绕组14。第二测量电流互感器12作为电流互感器工作，即，它通常设有低阻抗终端。第二测量电流互感器12也被设计为环形件，通过该环形件来引导保护导体连接件PE。

经由包括电容器Ch和欧姆电阻Rh的模拟的高通电路22，由次级绕组14所检测的保护导体电流Im经由放大器被馈送到评估单元20。高通电路22的阈值频率以如下的方式测量：网络频率和(如果适用)出现的干扰组分被充分抑制在测量频率fs以下。

在数字的计算单元28中，根据保护导体电压Um和保护导体电流Im来确定环路阻抗Zm。在这种情况下，阻抗以如下方式进行计算：环路阻抗Zm的实部和虚部可以分别被表示。优选地，在模数转换26之后，在数字的计算单元28中应用用于计算傅立叶系数的数值方法。

以这种方式计算的环路阻抗Zm的虚部仅通过具有纯虚数的阻抗Zc＝1/jωC的漏电容器的作用获得。电流环路的环路阻抗Zm的实部Zre由以下部分组成：漏电容器C1和C2的并联电路的等效串联电阻(ESR)；供电线K的有源导体L和N的并联电路的欧姆电阻—如果适用，则具有各自的插头连接件S的接触电阻；漏电容器C3和C4的并联电路的等效串联电阻(ESR)；以及保护导体连接件PE的欧姆电阻—如果适用，则具有各自的接触电阻。

大部分漏电容器的ESR值很小，可以忽略不计。可以辨别的是，保护导体连接件PE的欧姆电阻Rpe—如果适用，则具有各自的接触电阻—不能作为测量环路的组成部分被单独测量。然而，这并不带来缺点，因为供电线K的有源导体L和N的并联电路的欧姆电阻也总是导致可忽略的值。因此，环路阻抗Zm的实部Zre近似地对应于要监控的保护导体电阻Rpe。如果某个值低于保护导体电阻阈值，则能够发出适当的警告，该警告可以是光学的和/或声学的。

Claims (8)

1.一种电测量组件(2)，所述电测量组件(2)用于对供电系统(A)中的保护导体连接件(PE)的保护导体电阻(Rpe)进行连续监控，所述供电系统(A)包括供电站(V)、供电线(K)以及电气装置(E)，所述供电站(V)包括第一漏电容器(C1、C2)，所述供电线(K)包括有源导体(L、N)，所述电气装置(E)经由所述保护导体连接件(PE)接地并且所述电气装置(E)包括第二漏电容器(C3、C4)和负载(R)，所述电测量组件(2)包括：

信号生成器(4)，所述信号生成器(4)用于生成具有测量频率(fs)的信号交变电压(Us)，

第一测量电流互感器(6)，所述第一测量电流互感器(6)环绕所述保护导体连接件(PE)并且具有第一绕组(8)和第二绕组(10)，所述第一绕组(8)用于将所述信号交变电压(Us)感应地耦合至所述保护导体连接件(PE)，使得环路电流(Is)流经所述第一漏电容器(C1、C2)、所述有源导体(L、N)、所述第二漏电容器(C3、C4)和所述保护导体连接件(PE)，所述第二绕组(10)用于保护导体电压(Um)的第二次测量，

第二测量电流互感器(12)，所述第二测量电流互感器(12)环绕所述保护导体连接件(PE)并且具有次级绕组(14)，所述次级绕组(14)用于捕获在所述保护导体连接件(PE)中流动的保护导体电流(Im)，

评估单元(20)，所述评估单元(20)具有数字计算单元(28)，所述数字计算单元(28)用于：控制所述信号生成器(4)；根据所述保护导体电压(Um)和所述保护导体电流(Im)确定环路阻抗(Zm)；以及用于评估所述环路阻抗(Zm)的实部(Zre)。

2.根据权利要求1所述的电测量组件(2)，

其特征在于：

所述信号交变电压(Us)的所述测量频率(fs)在100kHz范围内。

3.根据权利要求1或2所述的电测量组件(2)，

其特征在于：

用于对所述保护导体电流(Im)进行滤波的高通电路(22)。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的电测量组件(2)，

其特征在于：

所述评估单元(20)包括模数转换器(26)，所述模数转换器(26)用于对所述保护导体电压(Um)和所述保护导体电流(Im)进行模数转换。

5.一种用于对供电系统(A)中的保护导体连接件(PE)的保护导体电阻进行连续监控的方法，所述供电系统(A)包括供电站(V)、供电线(K)以及电气装置(E)，所述供电站(V)包括第一漏电容器(C1、C2)，所述供电线(K)包括有源导体(L、N)，所述电气装置(E)经由所述保护导体连接件(PE)接地并且所述电气装置(E)包括第二漏电容器(C3、C4)和负载(R)，所述方法包括以下步骤：

借助于信号生成器(4)生成具有测量频率(fs)的信号交变电压(Us)，

借助于第一测量电流互感器(6)将所述信号交变电压(Us)感应地耦合至所述保护导体连接件(PE)，使得环路电流(Is)流经所述第一漏电容器(C1、C2)、所述供电线(K)的有源导体(L、N)、所述第二漏电容器(C3、C4)和所述保护导体连接件(PE)，所述第一测量电流互感器(6)环绕保护导体连接件(PE)并且具有第一绕组(8)，

使用所述第一测量电流互感器(6)的第二绕组(10)对保护导体电压(Um)进行第二次返回测量，

借助于第二测量电流互感器(12)捕获在所述保护导体连接件(PE)中流动的保护导体电流(Im)，所述第二测量电流互感器(12)环绕所述保护导体连接件(PE)并且具有次级绕组(14)，以及

借助于设置在所述供电站(V)中的评估单元(20)中的数字计算单元(28)控制所述信号生成器(4)，根据所述保护导体电压(Um)和保护导体电流(Im)确定环路阻抗(Zm)，以及评估所述环路阻抗(Zm)的实部(Zre)。

6.根据权利要求5所述的方法，

其特征在于：

所述测量频率(fs)在100kHz范围内。

7.根据权利要求5或6所述的方法，

其特征在于：

借助于高通电路(22)对所述保护导体电流(Im)进行滤波。

8.根据权利要求5至7中的任一项所述的方法，

其特征在于：

对所述保护导体电压(Um)和所述保护导体电流(Im)进行模数转换(26)。

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