CN114981666A - 用于测量电网中的共模电压的构件以及使用这种构件检测故障的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量表示共模电压(V_res)的大小的构件(O1)，构件(O1)位于电网(1)或设备(E)中，电网(1)或设备(E)包括至少一个第一电力导体(C1)和第二电力导体(C2)。测量构件(O1)包括由两个电阻元件(R1，R2)形成的传感器，两个电阻元件(R1，R2)旨在布置在两个电力导体(C1，C2)之间的电桥中且具有彼此相同的电阻值。两个电阻元件(R1，R2)连接在中点(T3)处。传感器还包括测量偶极子(SH)，测量偶极子(SH)连接到中点(T3)和连接端子，连接端子旨在电连接到配备给电网(1)或设备(E)的公共导体(Cc)。

Description

用于测量电网中的共模电压的构件以及使用这种构件检测故 障的装置

技术领域

本发明涉及一种用于检测电能分配网络中的故障的装置和方法。本发明还涉及一种配备有这种检测装置的电能分配网络或设备。

背景技术

对减少人类活动的碳足迹的需求以及对优化能量效率的需求，引起对电能的使用。这项工作要求通过配电线路、保护系统(断路器、阻断开关和其它切断构件)，在一个或多个源(例如电池、发电机、光伏板)和一个或多个负载(电动机、逆变器等)之间以直流电(DC)或交流电(AC)的形式传输电能。源、负载、线路和保护系统的集合组成电网。

有时，需要电网传输可能超过几十千瓦，甚至几百千瓦，或者甚至兆瓦的大量电力。例如，电网可装载在诸如陆地车辆(汽车或坦克)或铁路、水面舰艇或潜艇或飞行器等交通工具中。因此，电网可能在恶劣环境中工作，恶劣环境即可能出现大幅度的温度、压力、振动、电磁场或湿度的环境。在这些应用中，电网的故障可产生严重的后果，因此必须对电网进行安全保护。

更通常而言，独立于应用领域，重要的是能够检测并有利地定位电网中发生的故障。通常通过保护装置来保护电网，对故障的检测使得这些保护装置发生切换，以电隔离电网的至少一部分。例如，这些保护装置可以是断路器、接触器、固态开关、保险丝或限流器，当过度电流发生时，开启这些保护装置。故障的定位使得可以仅隔离电网的故障部分，该功能的优点在于其使得可以维持电网的最低运行水平，以及由维修团队进行针对性的干预。

在电网中可能发生的故障具有各种特性：绝缘缺陷、在负载级别下过度切换造成的损失、过度能量消耗、短路等。故障还可能是在组成配电线路的导体和电子装置中形成电弧，或者在组成配电线路的导体和电子装置之间形成电弧。电弧对应于在电网的两个导电段之间的气体(空气)中传播的无意放电。当在包住导体的电绝缘体中发生这种放电，但没有完全损坏导体时，这种放电被称为“局部放电”。这些放电可由许多因素引起，例如导体连接不当、这些导体周围的电绝缘体退化、存在异物或绝缘体的质量差。这些因素是电网中的常见现象，可能导致火灾、爆炸、局部温度显著升高超过10,000℃、高超压和发射大量紫外线辐射。环境的湿度、低气压和温度有助于这些电弧的出现，因此当电网在如上文所述的恶劣环境中运行时，电弧的早期检测尤为重要。

通常的保护装置(例如断路器)基于过大的电流消耗或功率消耗而触发，通常不能足够早地检测电弧。有些电弧经过很长一段时间才形成，不会导致电网中出现过电流或过功率，从而无法通过通常的方式实现电弧的早检测。这尤其适用于可能在电力导体或连接器中形成的“串联”电弧的情况。在串联电弧启动期间消耗的功率远低于并联电弧消耗的功率或电网的标称功率。

对电网中的电弧的检测通常通过监测电网信号(电流和/或电压)的时间和/或频率演变来进行，了解到这种现象的发生会导致形成具有强频谱成分的信号，即使在直流电网的情况下也是如此。尤其在文献US10078105中介绍了这种检测解决方案的示例。然而，基于信号(电流和/或电压)的时间或频谱分析的这些方法尤其难以实施且导致许多误报，这些误报可由电网上存在的负载或有源的源(即，已切换)导致。尤其，这些方法不能有效地检测直流电网(DC)中串联电弧的发生。

发明目的

本发明的目的在于弥补上述缺点。本发明的一个目的尤其在于提出一种用于检测电网中的故障的装置和方法，该装置和方法特别可靠且适用于检测各种故障的发生，有利地定位各种故障，此类故障包括尤其是直流电网中的电弧，特别是串联电弧。

发明内容

为了达到该目的，本发明的目的提出一种用于测量表示共模电压的量的构件，该构件位于电网或设备中，电网或设备至少包括第一电力导体和第二电力导体。测量构件包括由两个电阻元件形成的传感器，两个电阻元件旨在布置在两个电力导体之间的电桥中且具有彼此相同的电阻值。两个电阻元件连接在中点处。传感器还包括测量偶极子，测量偶极子一方面连接到中点，另一方面连接到连接端子，连接端子旨在电连接到配备给电网或设备的公共导体。

根据本发明的其它有利且非限制性的特征，这些特征单独地采用或者以任何技术上可行的组合来采用：

-第一电阻元件由第一电阻和第二电阻组成，第一电阻和第二电阻串联布置在第一中间点处，第二电阻元件由第三电阻和第四电阻组成，第三电阻和第四电阻位于第二中间点处，测量构件在第一中间点和第二中间点之间提供电压，该电压表示电网或设备的差模电压；

-两个电阻元件由薄层电阻组成；

-两个电阻元件由厚层电阻组成；

-两个电阻元件由匹配的层电阻组成；

-测量构件还包括用于共模电压的某些非直流分量的传感器；

-用于某些非直流分量的传感器包括两个电容元件，两个电容元件旨在布置在两个电力导体之间的电桥中且具有彼此相同的电容值，两个电容元件连接在中点(M)处，传感器还包括测量偶极子，测量偶极子一方面连接到中点，另一方面旨在连接到公共导体Cc。

根据另一方面，本发明提供一种用于检测电网中的故障的装置，电网包括至少一个电气设备，至少一个电气设备电连接到第一电力导体和第二电力导体，电网还设置有公共导体，装置旨在在测量区域的层级处连接到电力导体和公共导体，且装置包括：

-如上所述的第一测量构件；

-第二测量构件，用于生成第二量，第二量表示在电力导体中流动的电网电流；

-计算器，连接到第一测量构件和第二测量构件，计算器配置成在确定的观察时段内确定表示所谓“混合”能量的量，“混合”能量定义为共模电压和电网电流的乘积在确定的观察时段内的积分且在测量区域中传输，根据第一量和第二量确定表示混合能量的量。

根据本发明的该方面的进一步有利且非限制性的特征，这些特征单独地采用或者以任何技术上可行的组合来采用：

-第二测量构件包括直流传感器，且第二量表示在电力导体中流动的电网电流的直流分量；

-直流传感器为分流传感器或霍尔效应传感器或

传感器；

-第二测量构件还包括用于非直流分量的传感器，且第二量表示在电力导体中流动的电网电流的某些非直流分量。

附图说明

通过下文参考附图对本发明的详细描述，本发明的其它特征和优点将显而易见，在附图中：

[图1a]

[图1b]图1a和图1b示出了根据本发明一个实施例的电网的示例；

[图2]图2示出了在由监控装置创建的观察时段j的时间上的电网状态；

[图3]图3示出了根据本发明的电网的一部分；

[图4a]

[图4b]

[图4c]图4a、图4b和图4c分别示出了在并联型故障、绝缘缺陷型故障和串联型故障发生期间的电网部分；

[图5]图5示出了根据本发明的一个实施例的检测装置。

[图6]图6表示形成检测装置的第一测量构件的另一实施例的示意性电路。

[图7]图7表示检测装置的第一测量构件的实施例的示例；

[图8a]

[图8b]

图8a和图8b表示检测装置的第一测量构件的实施例的另一示例；

[图9]图9表示根据本发明的用于检测和定位故障的系统。

[图10]

[图11]

图10和图11示出了用于与本发明的检测装置兼容的测量构件的传感器的优选实施例的示例。

具体实施方式

为了书写的简洁性，在本说明书中，我们将使用一个量(例如能量、电压、电流)的测量值(表示所测量或估计的能量、电压或电流的量)来理解该量。

电网

图1a和图1b示出了电网1的两个示例，通过检测电网1的故障的发生且有利地通过定位故障来监视电网的正确运行。如在本申请的引言部分所介绍的，这些故障可具有非常不同的特性，串联电弧或并联电弧、过度消耗、短路或任何其它绝缘缺陷。

在传统方式中，该电网1包括至少两个电力导体，至少两个电力导体允许传输所需的电力。电网1可以是直流电网(DC)，然后将认为电网1的电网频率介于0至5Hz之间，以保持其相对于本说明书的所有普遍性。电网1可以是电网频率为50Hz或60Hz或400Hz±5Hz的固定频率常规单相交流电网，可选地，电网1可以是通常介于360Hz至800Hz之间的变频交流电网。但是更通常地，电网1可以在任何合适的频率范围内运行。本发明还可适用于多相电网，例如三相电网。

当电网1的目的是在组成电网1的各种电气设备、源或负载之间传输相对大量的电力时，本发明尤其适用。因此，优选地，在电网1上形成的电压和电流的值通常分别高于50V、330V、600V、1000V、3000V或10000V和100A。然而，并不排除将本发明的原理应用于传输相对较小功率的电网。

如可以在图1中看到的，电网1包括多个电气设备E(更通常地，至少一个电气设备E)、源或负载，以及将一些设备E彼此连接的导线L，这里导线L为网状网络的形式，以使用源所提供的能量向负载供电。电气设备E通过接线端子B连接到线L。保护构件(例如断路器、断开器或任何其它切断构件)是电网1及其电气设备E的一部分，即使保护构件未在附图中示出。

电气设备E可以是适合于电网应用领域的任何类型的设备。这些设备E中的一些设备可交替地形成源和负载(发电机/电动机)。设备可以是配电设备。设备可以是有源设备(例如逆变器)或者无源设备。当电气设备E形成源时，电气设备E可以是例如电池或发电机或光伏板或风力涡轮机等。在同一电网中可存在数个源和数个负载的组合。在图1b中，我们表示配电设备E1，配电设备E1布置在源Es和两个负载之间的电网节点的层级处，这两个负载布置在线L的末端。

为了实现对电网1的保护，电网1配备有公共导体(公共导体将在本说明书的后文部分中更详细地描述)，且电网1包含至少一个检测装置D，有利地包含多个此类装置D，这多个装置D分布在电网1中，在多个测量区域的层级处。检测装置D具有连接端子，连接端子使得检测装置D能够连接到线L或电气设备E的导体上，以便于有效地将检测装置D放置在电网中。优选地，检测装置D具有非侵入性，即，检测装置D与线L的电力导体和形成电网1的设备E并联连接(例如进行电压测量)，或者检测装置D实现非侵入性传感器(例如空气线圈类型的传感器、用于测量电流的霍尔效应或

类型的传感器)。这减少了导体上的互连的数量，从而降低了电弧型故障的风险。

本发明提供对由电网传输的所有能量所进行的区分，因此，在每个测量区域的层级处，在被称为“电网能量”的能量、被称为“剩余能量”的能量以及被称为“混合能量”的能量之间进行区分。电网能量对应于当电网完全平衡且没有任何故障时在测量区域中传输的能量。剩余能量和混合能量反映由于电网故障的发生而导致的电网1中的不平衡。然而，在健康电网中，由于某些自然不平衡，导致剩余能量和混合能量并不完全为零。为此，根据本发明的一些实施例，预计可测量多个能量之间、在不同瞬间的点对点差异或差值，以检测某些故障，还定位某些故障，但不生成与自然不平衡相关的误报。

如将在本说明书的后文部分中详细描述的，根据本发明的一个实施例的检测装置D适用于在连续的观察时段期间，测量电网能量E_net、剩余能量E_res和混合能量E_mix，这些能量在检测装置D所在的电网1的测量区域的层级处传输。对这些能量的测量使得能够检测、有时能够定位电网1中或电网1的一部分中发生的故障。至少，这种检测装置D适用于测量混合能量E_mix，以能够检测串联电弧。为了清楚起见，我们明确：我们所说的“定位故障”的意思是识别发生故障的电网1部分或识别发生故障的设备E的能力。该部分可通过包括在两个检测装置D之间的电网部分限定，或者通过布置在装置D上游的源类型的设备E限定，或者通过布置在检测装置D下游的负载类型的设备E限定。

电网1还可包括保护装置P或多个此类装置P，使得能够隔离电网1的一部分(例如线L或电气设备E)。例如，保护装置P可以是传统的断路器。通常，此类装置P放置在源的层级处、负载的层级处，或者最常见地，经由配电设备E1放置在电网节点的层级处，如图1b所示。

检测装置D和保护装置P可根据其特性和拓扑结构，非常自由地分布在电网1中，以确保对电网1进行保护。这些装置D、P中的一个和/或另一个可放置在线L的末端、放置在线L的一部分上、或者集成在电气设备E中。检测装置D和保护装置P不一定彼此相关联，但是在某些情况下(例如在相同的情况下)可能有利的是，使检测装置D和保护装置P相关联，以便于实现单个模块来实现检测和保护两个功能。在这种情况下，检测装置D的检测端子可连接到保护装置P的触发端子，当检测到故障时，在检测端子上生成检测信号S。

电网1、线L或设备E的一些部分可以不配备有检测装置D和/或保护装置P。在这种情况下，可能无法检测或定位电网1的该部分中发生的故障，和/或，可能无法断开电网1的该部分。然而，可通过布置在故障发生部分之外的检测装置D来检测故障的发生，且例如可通过使电网1与形成能量源的设备E断开，来保护整个电网1。为此，如将在本说明书的其余部分中详细介绍的，我们可直接在源的输出端处或直接在负载的输入端处测量能量变化。当检测装置D分别放置在源输出端和负载输入端时，优选地分别将检测装置D放置在尽可能远的上游和尽可能远的下游中，从而还可检测保护装置P或连接端子B中的缺陷。

如将在本说明书的其余部分中变得明显的，根据在测量区域中执行的电网能量E_net、剩余能量E_res和/或混合能量E_mix的唯一测量，可以在该区域中局部地检测某些类别的故障。对于串联电弧、绝缘缺陷或过度消耗的情况而言尤其如此。然后，检测装置D适用于在该装置D的检测端子上生成电信号S，以指示电网1发生故障。当检测装置D与保护装置P局部地相关联时，可由保护装置P局部地使用该信号S，以立即使出故障的电网部分、线L或设备E与电网1的其余部分隔离。

为了检测其它类别的故障，例如两个平行导体之间发生的电弧，以更精确地定位电网1中的故障，或者根据消耗的能量来量化故障，有时可能需要使用由多个检测装置D提供的能量测量值E_net、E_res、E_mix。为此，根据本发明的特定实施例，规定电网1与监控装置V相关联。该装置V通常由数字计算构件实现，通过如图1中的虚线所表示的通信总线BUS连接到电网1的至少一些检测装置D。任何类型的总线可适合于实现通信总线BUS，通信总线BUS尤其包括在任何可能的协议形式下操作的串行总线或并行总线，无论其是否符合既定标准。应注意，监控装置V可集成到一个检测装置D中。在这种情况下，可规定这些装置D包括计算构件，使得这些装置D适用于实现监控处理，然后，可激活这些检测装置中的至少一个检测装置，以作为电网1的监控装置V来操作。

在电网1配备有多个检测装置D，多个检测装置D耦合到监控装置V的配置中，这些装置配置成在通信总线BUS上放置指示故障发生的数据，和/或表示在给定的观察时段内测量的能量E_net、E_res、E_mix的数据。在由通信总线BUS形成的计算机网络上，通过唯一标识符来识别检测装置D。通信总线BUS包括分配给各个检测装置D的时钟信息，使得各个检测装置D共享公共时基。数据E^j _net,i、E^j _res,i、E^j _mix,i表示在确定的观察时段j内由识别装置i测量并放置在通信总线BUS上的能量，因此，可由监控装置V对数据E^j _net,i、E^j _res,i、E^j _mix,i进行排序和处理，以确定在给定时刻的电网状态，即，在给定的观察时段内在每个测量区域中传输的电网能量、剩余能量、混合能量。

图2示出了当观察时段j可由监控装置V创建时，图1的电网1在观察时段j的瞬间的状态。这里，电网的每个检测器D1、D2、D3、D4通过以简化的方式对应于检测器在计算机网络上的标识符的索引来识别。每个检测器将其混合能量测量值E^j _mix,i(及其未在图2中示出的其它测量值E^j _net,i、E^j _res,i)放置在通信总线BUS上，使得监控装置V可发送电网状态的数据结构。在图2中由在每个测量区域中传输的能级表T代表该数据结构。该数据结构可以在以观察时段j索引的表中记录每个测量区域的电网能量、剩余能量和混合能量。检测装置D(图2中未示出)可有利地放置在分配“节点”的层级处，例如放置在电网1的配电设备中，如图1b所示。

监控装置V配置成使用由电网1的检测装置D提供且由通信总线BUS传送的数据。该使用的目的在于检测电网的故障，和/或在电网1中定位该故障，和/或在能量方面量化所检测的故障。

监控装置V可发出指示电网1故障的信号，且可使用该信号来断开电网的一部分。为此目的，监控装置V可连接到电网1的至少一些保护装置P，以在适当的情况下激活这些保护装置P。这可以是点对点连接，或实现通信总线BUS或另一专用总线的连接，然后保护装置P连接到该专用总线。在另一实施例中，尤其是当监控装置集成在电网的一个检测器D中时，监控装置可与负责控制电网的保护装置P的第三方装置进行通信。

因此，应理解，根据图1a和图1b所示的本发明的实施例，在测量区域的层级处存在电网1和分布在电网1上的多个检测装置D，这些装置D向监控装置V传输数据E^j _net,i、E^j _res,i、E^j _mix,i，数据E^j _net,i、E^j _res,i、E^j _mix,i表示在确定的观察时段j内在这些测量区域i中传输的能量。监控装置V可使用该数据来表示电网的状态，即，在连续的观察时段内在每个测量区域中传输的能量。

能量数据或表示高于某一阈值的能量变化的数据能够检测故障，但不一定能够定位该故障(除了在电网末端的层级处，能量变化能够定位缺陷)。另一方面，分析在两个(或更多个)检测装置D之间传输的能量的差值，不仅能够提高检测质量，而且能够定位这两个检测装置(D)之间的故障。为此，监控装置V可配置成使用由检测装置D在通信总线BUS上提供的信息，来定位在电网1中、包括在这两个装置之间的导体C1、C2、Cc的一部分中所发生的故障或在电网的设备E中所发生的故障。因此，如图9所示，通过给用于定位电网中的故障的系统配备至少两个检测装置D，使得用于定位电网中的故障的系统可用。

因此，监控装置V适用于检测和/或定位和/或量化电网1上发生的故障，以例如通过断开电网1中已定位故障的部分，来保护电网1。

公共导体

为了能够在由电力导体(在电力导体上传输能量)形成的电网1所传输的不同形式的能量之间进行区分，本发明规定电网1配备有公共导体。该公共导体对与公共导体电连接的电网中的所有电气设备E形成参考电压。公共导体可以是电网的机械质量，或者可以是中性的，但不一定是这种情况。公共导体并不用于承载强电流，但是相对于机械质量，公共导体可处于高电势。公共导体可以是简单的电信线缆，例如至少部分地构成上述通信总线BUS的线缆。替代地，公共导体可以是类似于形成电力导体的导体。当“源”或“负载”类型的设备E对称时，公共导体可连接到“源”或“负载”类型的设备E的中点连接端子(例如，两个中点电池或逆变器的中点或光伏板的中点)。公共导体可连接到设备、源或负载的现有中点，或者连接到从源侧和/或负载侧的电阻分压器“制造”的中点。这种允许连接公共导体的划分桥可集成在检测装置D中。

在双极配置(单相变流AC电网或直流DC电网)的情况下，因此线L由第一电力导体和第二电力导体组成，公共导体添加到第一电力导体和第二电力导体。在三相配置的情况下，线L包括第三电力导体，公共导体可连接到中性点。为了简洁起见，我们将在下文中考虑电网1是包括两个电力导体的双极电网，公共导体添加到这两个电力导体，但是所描述的原理通常应用于包括任意数量的电力导体的电网。

电网能量、剩余能量和混合能量的定义

为了说明在电网中的故障的检测范围内公共导体的益处，图3通过说明的方式示出了电网的一部分，这一部分包括布置在源S和负载C之间的线L。线L由第一电力导体C1、第二电力导体C2和公共导体Cc构成。

如可以从这些附图中看到的，电流I_1s、I_2s、I_1c、I_2c定义为分别在源S侧和负载C侧的第一电力导体C1和第二电力导体C2上流动的电流。我们以同样的方式定义电压V_1s、V_2s、V_1c、V_2c、公共导体Cc分别与在源S侧和负载C侧的第一电力导体C1和第二电力导体C2之间存在的电势差。

应注意，在本说明书的其余部分中提到的电压和电流本质上随时间变化，即，电压和电流以V(t)和I(t)的形式表示。然而，为了简化书写，我们将这些可变电流和电压指定为V和I。

参考图3，源侧和负载侧的电网电压V_net,s、V_net,c作为两个电力导体C1、C2之间存在的差模电压：V_net,s＝V_1s-V_2s以及V_net,c＝V_1c-V_2c。类似地，我们将源侧和负载侧的电网电流I_net,s、I_net,c定义为在两个电力导体C1、C2上流动的差模电流：I_net,s＝1/2*(I_1s-I_2s)以及I_net,c＝1/2*(I_1c-I_2c)。自然，在确定的观察时段内电网能量E_net对应于乘积I_net*V_net在该时段内的积分。该电网能量可以在源侧创建E_net,s和在负载侧创建E_net,c。

当图3中的电网部分处于正常运行状态且完全平衡时，线L两侧的电网电压V_net,s、V_net,c相同以及电网电流I_net,s、I_net,c相同。因此，除了在线中消散的损耗之外，源侧的电网能量E_net,s和负载侧的电网能量E_net,c同样彼此相同。

电网故障的发生导致电网不平衡，可通过测量剩余电压V_res,s、V_res,c来确定这种不平衡，剩余电压V_res,s、V_res,c在源侧由共模电压V_res,s＝1/2*(V_1s+V_2s)来定义，以及在负载侧由共模电压V_res,c＝1/2*(V_1c+V_2c)来定义。类似地，我们可测量剩余电流I_res,s、I_res,c，剩余电流I_res,s、I_res,c在源侧由共模电流I_res,s＝I_1s+I_2s来定义，以及在负载侧由共模电流I_res,c＝I_1c+I_2c来定义。自然，在确定的观察时段内剩余能量E_res对应于乘积I_res*V_res在该时段内的积分。该剩余能量可以在源侧创建E_res,s和在负载侧创建E_res,c。

最后，我们还将在确定的观察时段内混合能量E_mix定义为乘积I_net*V_res在该时段内的积分。该混合能量可以在源侧创建E_mix,s和在负载侧创建E_mix,c。

如前文所述，当图3中的电网完全平衡时，剩余电压和剩余电流为零。源侧的剩余能量E_res,s和混合能量E_mix,s以及负载侧的剩余能量E_res,c和混合能量E_mix,c同样为零。

电力导体之间并联类型的故障(并联电弧)

参考图4a，图3所示的电网的线的两个电力导体C1、C2之间并联类型的故障可建模成放置在这两个导体C1、C2之间的偶极子DP1。源侧的电网电压V_net,s和负载侧的电网电压V_net,c之间的差不受该偶极子存在的影响，但是电流在电力导体C1、C2之间的偶极子DP1中循环，会导致线两侧的电网电流I_net,s、I_net,c发生不平衡，即，电网电流I_net,s、I_net,c不再相同。

在两个电力导体C1、C2之间发生这种并联类型的故障的情况下，不存在剩余电流或剩余电压。

两个电力导体C1、C2之间并联类型的故障(例如并联电弧)本身表现为在确定的观察时段内，线两侧的电流I_net,s、I_net,c和/或电网能量E_net,s、E_net,c的差值。我们注意到，在这种并联电弧的情况下，对该并联电弧进行建模的偶极子DP1中消散的能量远高于电网的标称功率，使得出现在线两侧的电流I_net,s、I_net,c和/或电网能量E_net,s、E_net,c的差值能够清楚地检测到该故障。

实际上，在图2的电网中，可通过监控装置V将电网能量E^j _net,i、E^j _net,i+1的差值与电网能量阈值S_i,i+1进行比较，来检测在时段j内，在连接两个检测装置D_i、D_i+1(其标识符分别为i、i+1)的两个电力导体C1、C2之间发生并联类型的故障，电网能量E^j _net,i、E^j _net,i+1分别由检测装置D_i、D_i+1通过通信总线BUS来提供。还可使用电流I^j _net,i和I^j _net,i+1之间的差值，来检测和定位并联类型的缺陷，电流I^j _net,i和I^j _net,i+1分别由检测装置D_i、D_i+1通过通信总线BUS来提供。可以规定：监控装置V可配置成对所提供的电网能量执行其它类型的处理，来检测这种类型的故障的发生。例如，可以对在数个连续的观察时段内提供的能量求和，然后获得差值且与阈值进行比较，以延长观察时段。这样能够根据故障的功率调整触发时间：与低功率的缺陷相比，非常高功率的故障将导致监控装置V快得多地反应。这样还能够确保在发生非持久性瞬时故障的情况下不触发保护。

通常而言，触发器阈值S_i,i+1与索引为i、i+1的两个检测器相关联，触发器阈值S_i,i+1根据电网1的设备E的特性来调整，设备E可位于两个检测装置D_i、D_i+1之间，以考虑例如线或连接器中的损耗，或者甚至考虑具有并联特性和已知最大功率且低于故障的特征功率的设备E的消耗。

电力导体和外部元件之间并联类型的故障(绝缘缺陷)。

参考图4b，电力导体C1、C2之一与电网外部的元件之间并联类型的故障可建模成放置在该导体与该外部元件之间的偶极子DP2。外部元件可以是公共导体Cc、电网的机械质量或任何其它电势。

在源侧出现的电网电压V_net,s和在负载侧出现的电网电压V_net,c不一定会受到这种故障的发生的影响，这种故障的发生取决于给电网保留的接地连接方案。在状态为被称为“IT状态”的第一故障的情况下，即，当电网与地面或机械质量隔离时，对电网能量、剩余能量和混合能量几乎没有影响。然而，为了识别这种类型的电网中发生这种类型的故障，可使用永久绝缘控制器，如在下文中更详细地描述的。另一方面，如果在非隔离电网中出现绝缘缺陷或者在隔离电网中出现第二故障，则电网能量、剩余能量和混合能量会出现显著差异。

然后，电流在电力导体和外部元件之间的偶极子DP2中流动。因此，在源S侧和/或负载C侧，在该电力导体上流动的电流，与在另一导体上流动的电流不同。该差值在源侧引起剩余电流I_res,s和/或在负载侧引起剩余电流I_res,c。流经偶极子DP2的电流形成电势差，该电势差还影响电力导体的电压，且在源侧引起剩余电压V_res,s和在负载侧引起剩余电压V_res,c。

因此，在确定的观察时段内，绝缘缺陷的发生会在线的一侧或另一侧引起剩余能量E_res,s或E_res,c。在非真正缺陷的情况下，剩余能量的变化将比电网能量的变化更敏感。

在时段j期间，通过在电网的测量区域中且借助于布置在该区域中的检测装置D(其标识符为i)来测量剩余能量E^j _res,i，因此，例如通过将所测量的剩余能量E^j _res,i与确定的阈值S_i进行比较，能够检测这种故障的发生。该检测可局部地进行，而不必调用电网的监控装置V且不必将能量测量值传输给该装置。如前文所说明的，这种局部检测能够激活局部保护装置P，以便隔离电网1的一部分。

这种绝缘故障可导致远低于电网的标称能量的剩余能量出现。此外，自然不对称可以在剩余能量的局部计算中生成偏差(例如，如果公共导体Cc的电压不完全是电网电压的一半)。然后，通过使用两个检测装置D获取在线的上游和下游测量的这些能量的差值，来促进对该故障的检测和定位。然后，如在前文的情况下所介绍的，利用监控装置V的处理能力，剩余能量测量值传输到监控装置V。

在其它情况下，剩余能量可能相对较小，然后，可能有利的是对在数个连续的观察时段内测量的剩余能量求和，然后与阈值进行比较，以延长该观察时段。

在绝缘电网(IT状态类型)的情况下，如果出现第一绝缘缺陷，则电网将能够继续完全运行，必须存在永久绝缘控制器(PIC)来检测第一缺陷。该PIC测量电网与机械质量或地之间的阻抗，为此，PIC通常以非常低的频率(通常为1Hz)向电网注入共模电压(剩余电压)。当电网健康时，不存在共模电流(剩余电流)，因此不存在剩余能量。如果出现第一绝缘缺陷，PIC将导致剩余电流和剩余能量的发生，特别是在PIC的激励频率下发生剩余电流和剩余能量。因此，有利的是仅在PIC的激励频率下测量剩余能量，以便于定位绝缘缺陷。为此，PIC和检测装置D必须同步，例如通过在通信总线BUS上发送同步时钟来同步。

串联类型的故障(串联电弧)

参考图4c，串联类型的故障，例如在一条线L上发生的串联电弧，最经常出现在连接端子B上，有时出现在电力导体C1、C2内，串联类型的故障可建模成串联放置在该导体上的偶极子DP3。

源侧的电网电流I_net,s和负载侧的电网电流I_net,c几乎不受该偶极子DP3存在的影响。然而，电流在该偶极子DP3中的流动，会引起电压V_d，电压V_d使得一个电力导体所承载的电压不平衡，而另一个导体则不受影响。这种分散性会在源侧引起剩余电压V_res,s和在负载侧引起剩余电压V_res,c。

因此，在确定的观察时段内，串联缺陷的发生会在线的一侧和/或另一侧引起混合能量E_mix,s或E_mix,c。串联类型的缺陷还会引起电网能量的变化，但是电网能量的变化远低于标称能量，因此无法通过分析电网能量来在早期可靠地检测串联缺陷的发生。另一方面，串联缺陷不会引起剩余能量的任何变化。

在时段j期间，通过在电网的测量区域中且借助于布置在该区域中的检测装置D(其标识符为i)来测量混合能量E^j _mix,i，因此，例如通过将所测量的能量E^j _mix,i与确定的阈值S_i进行比较，能够检测这种故障的发生。该检测可局部地进行，而不必调用电网的监控装置V且不必将测量值传输给该装置。如前文所说明的，这种局部检测能够激活局部保护装置P，以便隔离电网的一部分。还能够使用分别由检测装置D_i、D_i+1通过通信总线BUS提供的剩余电压V^j _res,i和V^j _res,i+1之间的差值，来检测和定位串联类型的缺陷。

我们注意到，混合能量E_mix由串联偶极子DP3的存在所引起的、第一电力导体和第二电力导体之间的不对称而引起，该串联偶极子DP3对串联类型的故障进行建模。因此，为了充分利用混合能量的检测能力，我们将尽量避免故意使得电力导体C1、C2不对称。出于这个原因，不应该将两个电力导体之一与电网的机械质量相混淆。同样重要的是，避免将连接器或任何其它元件仅插入到线L中的一个电力导体上。

在电网的“自然”不对称在一些测量区域中，甚至在电网正常运行时产生混合能量的情况下，可确定并考虑这种混合平衡能量，以例如通过调节比较阈值S_i的水平，或者通过识别混合能量的时间变化，来进行故障检测。因此，可提供电网1的检测装置D(或监控装置V)的校准阶段，其目的是输入阈值的水平，混合能量或剩余电压的测量值超过该阈值的水平，则证明发生串联类型的故障。通常，作为示例，串联电弧会产生介于20V和50V之间的剩余电压。然后，我们可选择用于检测剩余电压差值的阈值接近2V，而用于检测混合能量差值的阈值为2V乘以电流I_net的值。因此，有利地，可使得检测阈值S_i根据电网电流I_net的平均值而变化。

与前述两种类型的故障一样，还可将由每个检测装置D准备的混合能量的测量值提供给监控装置V，然后通过分析两个检测装置D_i和D_i+1之间的混合能量差值，能够更精确地检测并定位串联类型的缺陷。连续的能量测量值还可通过求和或求差值的方式进行处理，尤其是能够在较长的观察时段内检测低功率缺陷。分别应用于测量电网能量、剩余能量和混合能量的检测阈值可彼此不同，或者应用于两个装置之间这些能量的差值的检测阈值可彼此不同。根据惯例和缺陷的特性(例如，第一电力导体C1上的串联电弧或第二电力导体C2上的串联电弧)明确：这些阈值可以是负值，且能量“高于”阈值的概念被理解为绝对值。

为了总结这一部分的描述，我们注意到，在确定的观察时段内，在确定的电网区域中测量电网能量E_net、剩余能量E_res和混合能量E_mix，能够检测和定位各种故障的发生。通过简单地观察电网能量、剩余能量和混合能量超过确定的阈值，可以在测量区域中局部地执行该检测。对这些故障的更精确定位以及对更广泛种类的故障的检测，可能需要使用电网1的两个测量区域之间这些能量的测量值。

具体地，可使用在单个测量区域的层级处混合能量的测量值，来检测串联类型的故障的发生，例如设备(例如源)或电网的线的导体中的电弧，这一点使用现有技术中已知的技术不容易实现。因此，该方面是本文描述的解决方案的一个重要优点。

为了便于这种检测，电网1的线L有利地设计成尽可能对称。在这一方面，有利的是选择将电气设备E彼此连接的电力导体，使得电力导体相同，或者使得电力导体具有相同的几何形状(导体和绝缘体的直径和特性)。还可规定：电力导体和公共导体彼此平行地组装，以例如通过线缆捆绑而形成线缆束，或者甚至例如通过将导体嵌入绝缘材料中而形成单根线缆。这限制了导体与环境相互作用的不对称性。

出于同样的寻求平衡的原因，且为了在没有缺陷的情况下使得剩余电压为零，公共导体可连接到形成源或负载的电气设备的中点。我们可配备形成源或负载且没有中点的电气设备E，在两个电力导体之间配备电阻桥，以将公共导体连接到该电阻桥的中点。

为了能够实施对电网能量、剩余能量和混合能量的测量，故障检测器D配备有电压传感器和电流传感器，从而能够在测量区域中，形成由导体承载的电压的图像，或者形成在与这些传感器连接的导体中流动的电压的图像。有利地，这些传感器具有良好的线性度，受环境(温度、机械约束等)的影响较小，以不会使得电网的两个远点之间的能量计算产生偏差，且这些传感器对老化不太敏感。这些传感器还具有较宽的测量通带，使得所测量的能量考虑信号(电网的电压和电流)的频谱差异，尤其是在发生故障期间考虑信号(电网的电压和电流)的频谱差异。

通常而言，这些传感器适用于在0Hz至1KHz之间，或者甚至在0Hz至10KHz或100KHz之间，或者甚至在0Hz至1MHz或10MHz或100MHz之间的频率范围内实施可信赖的测量。测量构件O1、O2各自可包括一个或多个此类传感器。其尤其可包括在不同频率范围内工作的传感器。因此，可设想测量构件O1、O2具有能够测量信号的直流分量的传感器和/或能够测量信号的某些非直流频谱分量的传感器。

有利地，传感器适用于提供电网1的电流或电压的直流分量的测量值，无论电网1是AC电网还是DC电网，传感器的响应时间与所要求的检测延迟(例如，小于或等于一毫秒)兼容。因此，这些传感器的测量通带通常在0Hz至1kHz之间，或者在0Hz至数kHz之间。在该频率范围内测量的能量的测量值足以以所要求的响应能力检测大多数故障，尤其是串联电弧或并联电弧。

在具有有源电气设备、源或负载的交流AC电网的情况下，通过测量电流和电压的直流分量所确定的能量可证明该设备的操作存在故障。还可保护电力变压器免受由这些直流分量引起的磁饱和的影响。在具有IT类型(绝缘)接地方案的交流AC电网的情况下，对直流分量的测量还能够定位如上文所述的第一缺陷。

传感器还可适用于提供对电网频率中的电压和电流的精确测量，以检测过度消耗类型的故障或绝缘缺陷。传感器还可超过频率运行，在超过100MHz的非常高的频率范围内运行。其对于检测电网导体的绝缘体中局部放电类型的缺陷，尤其适用。

检测装置

已陈述本发明的基本原理，现在，详细介绍根据本发明的检测装置D，如图5所示。如已参考图1的描述所陈述的，这种检测装置D适用于连接到电网1的电力导体C1、C2和公共导体Cc，且在该电网1的测量区域的层级处连接。这些电力导体可以是形成电网1的线L的那些电力导体，或者优选地，是电网的电气设备E内部的那些电力导体。在这种情况下，检测装置D的测量构件O1、O2优选地放置在将源连接到电网的配电线L的端子B的上游，且优选地放置在将负载连接到这些线L的端子B的下游。通过这种方式，能够检测和定位这些端子B中的缺陷。

在最简单版本的检测装置中，检测装置D设计成至少检测串联类型的故障，因此配置成详细描述表示在测量区域中和在给定的观察时段期间传输的混合能量的量。

为此，检测装置D包括第一测量构件O1，第一测量构件O1联接到至少一些导体，从而能够制定表示电力导体C1、C2的共模电压(即，剩余电压)的第一量V_res。因此，第一构件O1可包括存在于每个电力导体C1、C2上、关于公共导体Cc的电压的传感器。在本说明书的后文部分中，将给出该第一构件O1的数个优选实施例。

检测装置D还包括第二测量构件O2，第二测量构件O2联接到至少一些导体，从而能够制定表示电网电流的第二量I_net。作为示例，该第二构件O2可包括第一电流传感器和第二电流传感器，第一电流传感器用于测量在第一电力导体C1上流动的电流，以及第二电流传感器用于测量在第二电力导体C2上流动的电流，由这些传感器提供的测量值的差值表示第二量I_net。在某些情况下，可提供单个电流传感器，以仅在这些导体中的一个导体上测量一个量，该量理解为电网电流并因此第二量I_net的第一近似值。

有利地，第二测量构件的一个或多个电流传感器是霍尔效应传感器、

传感器、或者包括电阻分流器的传感器，以提取所测量的电流的直流分量。可以规定：第二构件的一个或多个电流传感器包括Rogowski类型的传感器或空气变压器。这些类型的传感器具有扩展的通带、线性度和稳定性，可以在测量非直流频谱分量期间使用。在研究局部放电类型的缺陷的情况下，尤其如此。

无论为了实现第一测量构件O1和第二测量构件O2而使用的部件的特性如何，第一测量构件O1和第二测量构件O2都能够直接地或间接地(即，借助于将在下文中介绍的计算器UP)制定表示电网电流的量I_net和表示剩余电压的量V_res。在由检测装置D在电网中的位置限定的检测装置D的测量区域中，这两个量能够创建在确定的观察时段内传输的混合能量E_mix的图像。为此，检测装置D还包括与第一测量构件O1和第二测量构件O2连接的计算器UP。该计算器UP可采取任何合适的形式，但是优选地，计算器UP是数字计算器，数字计算器的输入能够以高频来数字化由测量构件O1、O2提供的模拟测量值。该计算器可由微控制器、FPGA、DSP、ASIC或任何其它形式的合适的数字或模拟计算器件来实现。

可选地，检测装置D可包括转换器CON，如图5中的虚线所示，转换器CON适用于从电力连接器C1、C2和/或公共连接器Cc汲取能量，以向计算器UP和构成装置D的所有其它有源元件供电，应理解，尤其降低了所需的功率。当检测装置D设计成连接到通信总线BUS时，如图1所示，检测装置D可替代地由该总线的专用端口供电。

为了完整性，但不作为基本特征，检测装置还可包括电网控制器NET，电网控制器NET可由计算器UP实现，且能够将装置D与通信总线BUS连接。装置D与标识符(例如电网地址)相关联，该标识符使得可以在电网上识别装置D。总线BUS允许向计算器UP传输时钟信息，或者装置D可具有能够接收该信息的专用时钟终端。通过这种方式，计算器UP可以给制定的数据打上时间戳，然后该数据放置在通信总线BUS上。通过这种方式，如我们已经看到的，与图5所示的检测装置类似的数个检测装置D连接到监控装置V，监控装置V可以对从这些装置D接收的数据进行排序，且以时间上连贯的顺序使用这些数据。

检测装置D的计算器UP由硬件或软件配置，以获取由第一测量构件O1和第二测量构件O2所提供的测量值，且确定在给定的时间段j期间，在测量区域中传输的混合能量E^j _mix的图像。计算器获取测量值的频率通常小于一毫秒，例如，该频率可以是大约100微秒或10微秒，或者甚至100ns或更小，这取决于测量构件O1、O2的通带。观察时段可介于100ns和10s之间。规定计算器UP可配置成以数字方式处理由测量构件O1、O2提供的测量值，或者计算器UP可配置成组合由这些构件O1、O2中的每一个提供的多个测量值，以确定混合能量E^j _mix的图像。例如，当构件O1、O2的传感器提供与时间导数成比例的信息时，计算器可配置成对所提供的测量值进行积分。当两个测量构件之一O1和/或O2单独提供直流电流/电压测量值和该电流/电压的变化测量值时，计算器可配置成使这两个测量值相加(在对这两个测量值进行积分之后)。

计算器UP还可配置成使用所确定的混合能量E^j _mix，来检测电网中串联类型的故障，如本说明书的先前部分所讨论的。具体地，可确定该所确定的混合能量E^j _mix或该能量在两个不同的观察时段之间的变化是否超过预定阈值。如我们已经看到的，计算器可配置成在连续的观察时段j、j+1、...、j+n内，对所确定的混合能量E^j _mix、E^j+1 _mix...、E^j+n _mix进行求和。然后，将累积的混合能量与阈值进行比较，以确定故障的发生。

当确认这种故障时，无论计算器通过何种方式来使用一个或多个混合能量测量值E^j _mix，计算器UP可生成指示该故障的信号S，该信号能够传输到装置D的检测端子。在使用检测装置D的这种情况下，应理解，不一定存在通信总线BUS。替代地，信号S可放置在通信总线BUS上。替代地，计算器UP可简单地通过计算，来制定表示混合能量E^j _mix的数据，并将该数据放置在通信总线BUS上。在这最后一个替代方案中，对电网中的故障的检测完全由如之前所介绍的监控装置V实现。

在检测装置D的更完整的实施例中，检测装置D可包括其它测量构件，或者更完整地，可包括第一测量构件O1和第二测量构件O2，使得计算器UP除了能够确定混合能量E^j _mix的图像之外，还能够确定在确定的观察时段j内，在测量区域中传输的电网能量E^j _net的图像和剩余能量E^j _res的图像。除了表示电网电流的第二量I_net和表示剩余电压的第一量V_res之外，这些构件能够创建表示电网电压的第三量V_net和表示剩余电流的第四量I_res。该更完整的实施例可由图5中的虚线箭头V_net和I_res代表。

集成在有源设备中的检测装置

检测装置D可集成在电气设备E中，电气设备E包括负载或有源的源，例如逆变器，或者要监测其正确运行的发电机。在这种情况下，为了能够检测串联电弧，检测装置D将尽可能靠近设备E的有源部分来布置，即，恰好布置在电力开关之前，在该设备的连接端子B的下游，以及当该设备E是负载时，布置在可能的保护装置P的下游。优选地，在电力导体C1、C2之间放置电阻分压桥，电阻分压桥的中点连接到最靠近有源负载的公共导体。能够测量混合能量，即，在被监测的设备E的内部导体中存在串联型缺陷的图像。

通过与我们尝试区分电网中的能量相同的方式，我们可尝试区分负载消耗的能量。为此，我们可定义4种类型的能量：

·被称为“有用能量”的能量，其由电流-电压频谱表征，在电网频率下，对于直流DC电网，电流-电压频谱在0至10Hz之间，而对于交流AC电网，电流-电压频谱为电网频率±5Hz。

·谐波失真能量，其由电流-电压频谱表征，电流-电压频谱位于数倍的电网频率±5Hz的频带内(对于交流电网而言)。这种能量本质上是无功的。

·切换能量，其由电流-电压频谱表征，电流-电压频谱的频率为有源负载的斩波频率FHACH的数倍。该能量限制在这些数倍频率n*FHACH±5Hz的频带内。

·不位于上述任何频带内的附加能量。在电弧(串联电弧或并联电弧)或短路的情况下，在该频带中仅找到先验的噪声或能量。

如本说明书的先前部分所介绍的，集成在设备E中的检测装置D将创建电网能量E_net、剩余能量E_res和混合能量E_mix，以例如将该信息传输到监控装置V。此外，检测装置D能够根据上述四个类别对这些能量进行分解，以识别做出贡献的项。为此，检测装置D可以对由测量构件O1、O2提供的量应用滤波，以根据所描述的各种频带分离这些量，然后借助于计算器UP来计算每个频带中的能量。

该滤波可实现由计算器UP实现的梳状滤波器，以能够尤其通过斩波频率来约束梳状滤波器的频率。为此，可以规定：该斩波频率以有源负载产生的斩波时钟FHACH的形式提供，并在检测装置的专用连接端子上显示(如图5所示)。

因此，我们可通过计算器UP创建：

-电网能量“有用E_net”作为负载或源中有用的能量。该能量可展示过载或并联电弧。

-电网能量“切换E_net”作为电气设备E的切换结构中损失的能量。该能量可展示切换故障，例如臂中的短路(不考虑死区时间)或开关疲劳。

-电网能量“附加E_net”作为例如由于并联电弧或串联电弧或短路而导致的附加能量。

-混合能量“切换E_mix”，它以比只使用混合能量E_mix来表示的方式更精细的方式表示切换故障。具体地，可通过从混合能量E_mix中消除切换混合能量来识别设备E中存在串联电弧。

这些能量可放置在通信总线BUS上且传输到监控装置V，以便被使用。

第一测量构件的优选实施例

为了确保对故障的检测和定位，尤其是对交流电网或直流电网中的串联电弧的检测和定位，如我们所看到的，测量剩余电压V_res和电网电流I_net的直流分量，可能就足够了。分别由检测装置D的第一测量构件O1和第二测量构件O2执行这些测量。

为了测量共模电压的直流分量，即，剩余电压V_res，第一测量构件O1可配备有电阻分压电桥，电桥的第一电极T1电连接到第一电力导体C1，第二电极T2电连接到第二电力导体C2，以及第三电极T3电连接到电桥的中点。在与第三电极T3相关的该中点和公共导体CC之间，通过测量偶极子SH而形成的电压提供共模电压。通常，该偶极子由电阻形成。图10示出了这种电桥的原理图，其中，精确地选择形成电桥的电阻R1，R2以具有相同的值(值的偏差在1％内，或者甚至在0.1％内，或者甚至在0.01％内)，且使电阻R1，R2在时间和温度上的漂移限制在最小值。在这种方案中，表示共模电压的量V_res等于两个电力导体上存在的共模电压乘以等于SH/[R1/2+SH]的增益。该增益能够减小测量值的动态范围，以使之适应测量构件的电子器件的动态范围。作为说明，通过选择R1＝1MΩ和SH＝50kΩ，等于1/11的增益能够将电力导体上50V的共模电压降低到表示大约5V的量V_res，以使之可由测量构件的其余电子器件进行处理。应选择电阻R1，R2和SH的值，以适应电网的数量和测量电子器件的动态变化。

如已经提到的，检测装置D配备有连接端子B，连接端子B用于将该装置与导体C1、C2、CC相关联。因此，这些端子B还电连接到电阻电桥的电极。

例如，电阻分压电桥可由薄层(或薄膜)电阻或厚层(或厚膜)电阻组成，从而能够确保足够的电压耐受性并控制变压比，但不会产生热漂移或时间漂移。为了确保两个电阻元件R1，R2之间的完美对称，因此减少随时间和温度变化的漂移，使用被称为“三端子单元”分压器的电阻分压器来形成这些电阻元件。

当选择测量剩余电压的非直流分量时，优选地，实施这种测量的传感器对可能的直流分量不敏感，是完全线性的，其增益受到控制且不随温度或时间发生漂移。对于局部放电类型的缺陷检测，尤其如此。为此，在图6中以示意图所示的优选实施例中，建议使用布置在两个电力导体C1、C2之间的电桥中的两个电容元件EC1、EC2，这两个电容元件EC1、EC2的电容值基本相同，电容值的偏差在1％内，或者甚至在0.1％内，或者甚至在0.01％内。这些元件分别连接在中点M处。中点M通过共模电压的测量偶极子SH电连接到公共导体Cc。

在电容元件EC1、EC2中流动的电流I1、I2分别与电力导体C1、C2所承载的电势V_c1、V_c2的导数(作为时间的函数)成比例。电容元件EC1、EC2的电容值相同，差分电流I1-I2与V_c1+V_c2(即，共模电压V_res)的导数成比例。因此，例如通过布置在使电容元件之间的中点M和公共导体Cc连接的电路分支中的电流传感器，就足以测量该差分电流I1-I2，然后将该差分电流I1-I2作为时间的函数进行积分，以获得剩余电压V_res。为此，放置在中点M和公共导体Cc之间的测量偶极子SH是电流传感器的一部分，具有小于1kΩ或者甚至小于1Ω的低阻抗。如图6所示，积分不一定在第一测量构件中类似地进行，计算器UP可配置成执行该操作。

替代地，中点M和公共导体Cc之间的共模电压V_res的非直流分量，可通过选择大于1kΩ或者甚至大于1MΩ的高阻抗测量偶极子SH来直接测量。然后，构件O1包括电容分压器，该电容分压器相对于公共导体Cc传输剩余电压。然而，该第二解决方案不太适合于恶劣的电磁环境(例如，在飞行器中)，但是可适合于光伏发电场，作为直流分量的补充。

为了确保两个电容元件EC1、EC2之间的完美对称，因此减少随时间和温度的漂移，使用被称为“三端子单元电容器”的电容器来形成这些电容元件。

此类电容器包括A型电极、B型电极和G型电极(图7)，每种类型的电极与一个端子单元电关联，每种类型的电极彼此堆叠且通过电介质彼此绝缘，遵循A、G、B、G、A、G、B等的交替方式。电容器的电极G直接是中点M，中点M通过测量偶极子SH连接到公共导体Cc，A型电极和B型电极分别通过电容器的三个端子单元连接到电力导体C1、C2。该结构的优点是几乎相同的电容元件EC1、EC2，一方面在G型端子单元和A型端子单元之间电容元件EC1、EC2不随时间变化且温度稳定，另一方面在G型端子单元和B型端子单元之间电容元件EC1、EC2不随时间变化且温度稳定。三端子单元电容器还具有非常低的寄生电感，这样能够在非常高的频率下进行测量。

电容器的电介质可以是C0G类型或NPO类型的电介质。电容器还可使用纸基电介质，可能填充有油或云母或其它绝缘体，从而能够在高频下获得出色的性能，在时间上稳定，适用于中等或非常高的电压。

电容器可以是薄膜电容器，其中每种类型的导体和电介质呈薄膜的形式且彼此堆叠。该堆叠可卷起来，以形成圆柱形或平行六面体的三端子单元容量。

当然，可扩展这些概念，以形成具有多于三个端子单元的容量，例如当电网是三相电网时，这样做可能有用。

有利地，可以规定：除了创建剩余电压V_res(即，共模电压)之外，第一测量构件O1还能够创建电网电压V_net(即，差模电压)。例如，根据我们希望测量的电网电压V_net的频谱分量的特性，可使用电阻分压器和/或电容分压器。

图11示出了具有4个电阻R1，R1'、R2、R2'和5个电极T1至T5的电阻分压电桥。我们发现：两个电极T1、T2能够将电桥连接到导体C1、C2，第三电极T3能够汲取和测量对应于两个电力导体之间的共模电压的中点电压。因此，由布置在中点一侧的电阻R1，R1'形成的串联电阻R1+R1'等于由布置在电桥相对于中点的另一侧的电阻R2、R2'形成的串联电阻R2+R2'。互补电极T4、T5布置在使每个电桥分支中的电阻串联连接的中间点的层级处，从而能够通过控制增益(由关系(R1+R1')/(R1+R1'+R2'+R2)来定义)提供电网电压V_net的电压图像。因此，在互补电极T4、T5之间抽取的电压与由电子采集链操作的其余处理兼容。例如，如果电网电压V_net约为800V，则我们可选择电桥的电阻，使得增益约为1/100。

例如，可选择两个电阻元件R1，R2彼此相等，例如在10kΩ和1MΩ之间，且等于连接到中点T3的第一电阻R1'的99倍。还选择在该点的另一侧连接到中点的另一电阻R'2，使得另一电阻R'2具有与第一电阻R1'相同的值。应用于两个电力导体之间存在的差模电压的控制增益等于(R1+R1')/(R1+R1'+R2'+R2)，在这种情况下等于R'1/(R1+R'1)。

因此，通过优选的方式，电阻电桥由成对电阻分压器类型的单个组件来实现，即，在电阻电桥中，某些电阻的值预先根据相对于其它电阻的预定比率来固定，且在电阻电桥中，所有电阻承载在相同支撑件(“厚膜”或“薄膜”)上，以减少热漂移。其结果是根据所选择的实施例，电阻分压器具有3个端子单元或5个端子单元。

在测量非直流分量的情况下，为了提高恶劣环境下的性能，只要意识到在图6所示的电容分压器的两个电容元件EC1、EC2中流动的共模电流I1+I2形成差模电压V_net的导数(作为时间的函数)的图像，就足够了。通过配备共模电流传感器的第一测量构件O1，能够创建该差模电压V_net。该共模电流传感器可由分别布置在电容元件EC1、EC2附近的两个空气线圈(例如两个Rogowski探针)形成。

然后，图7示出了这些原理的实现示例。圆柱形三端子单元电容器已由如先前所述缠绕的A型薄膜、B型薄膜、G型薄膜形成，且电容器的三个端子单元T1、T2、T3分别通过偶极子SH与第一电力导体C1、公共导体和第二电力导体C2电连接。端子单元T2(形成电容器中两个电容元件EC1、EC2之间的中点M)和公共导体C之间的测量偶极子SH的电阻，能够提取表示共模电压的量V_res，如先前所述的。两个Rogowski型电流传感器RG1、RG2布置在围绕圆柱形电容器的绕组中，以绘制在电容器中流动的电流I1、I2的图像。这些传感器提供的量可组合，以给出差模电压V_net的图像。

在有利的实施例中，能够制定差模电压V_net和/或共模电压V_res的图像的电流传感器实施平面线圈技术。在这种情况下，可实现两种类型的线圈布置在平行但是不同的平面中，以能够分别测量共模电流(差模电压V_net的导数的图像)和差模电流(共模电压V_res的导数的图像)。这两个平面可定位在多层印刷电路板的不同层中，其中，平面线圈定位在多层印刷电路板中。

如图8a、图8b所示，该印刷电路板可以在第一层上包括分别电连接到电力导体C1、C2的两个轨道P1、P2。这些轨道还连接到三端子单元电容器C3，电容器C3的点M通过测量偶极子SH(这里，由单个导体形成)电连接到公共导体Cc，以形成差分电流。用于测量差分电流Bcd的平面线圈，例如由以反串联安装的两对线圈组成的四个此类线圈(图8a)，可放置在电路板的第二层上，用于测量公共电流Bcc的平面线圈(还可以是四个线圈)可放置在电路板的第三层上(图8b)。

这种变型的优点在于能够消除在公共导体中流动的电流的影响，无论电流的频率如何。平面线圈传输的电动势与所测量的电压相对于时间的二阶导数成比例，因此在进行能量计算之前必须对电动势进行两次积分。该组装优选地根据应用于电力的印刷电路板技术来执行，以控制线圈的几何形状且在没有校准的情况下获得已知的变压比，而且随温度和时间的漂移极低。应注意，这种方法通常可实现为测量差模电压V_net或共模电压V_res。

通常而言，测量构件O1可配备有用于共模电压V_res的直流分量和可变分量的传感器。测量构件O1还可配备有用于差模电压V_net的直流分量和可变分量的传感器。

当然，本发明不限于所描述的实施例，且可以在不脱离由权利要求限定的本发明的范围的情况下实现替代实施例。

因此，提供根据本发明的装置D，以制定表示从共模电压和电网电流获得且在测量区域中传输的混合能量E_mix的量。处理该量并使之与阈值进行比较，以识别故障。完全可以理解，表示混合能量的量可对应于共模电压，该共模电压与根据电网电流的强度调制的阈值进行比较。在所有情况下，使用构成混合能量E_mix的第一量和第二量，来生成指示电网故障的信号S。因此，虽然正式的能量计算构成特定实施例，但是根据本发明的检测方法不一定执行正式的能量计算。

Claims (11)

1.一种用于测量表示共模电压(V_res)的量的构件(O1)，所述构件(O1)位于电网(1)或设备(E)中，所述电网(1)或所述设备(E)至少包括第一电力导体(C1)和第二电力导体(C2)，所述测量构件(O1)包括由两个电阻元件(R1，R2)形成的传感器，所述两个电阻元件(R1，R2)旨在布置在所述两个电力导体(C1，C2)之间的电桥中且具有彼此相同的电阻值，所述两个电阻元件(R1，R2)连接在中点(T3)处，所述传感器还包括测量偶极子(SH)，所述测量偶极子(SH)一方面连接到所述中点(T3)，另一方面连接到连接端子，所述连接端子旨在连接到配备给所述电网(1)或所述设备(E)的公共导体(Cc)。

2.根据前一项权利要求所述的测量构件(O1)，其中，所述第一电阻元件由第一电阻和第二电阻(R1，R'1)组成，所述第一电阻和第二电阻(R1，R'1)串联布置在第一中间点(T4)处，所述第二电阻元件由第三电阻和第四电阻(R2，R'2)组成，所述第三电阻和第四电阻(R2，R'2)位于第二中间点(T5)处，所述测量构件在所述第一中间点(T4)和所述第二中间点(T5)之间提供电压，所述电压表示所述电网(1)或所述设备(E)的差模电压(V_net)。

3.根据前述权利要求中任一项所述的测量构件(O1)，其中，所述两个电阻元件(R1，R2)由薄层电阻组成。

4.根据权利要求1和2中任一项所述的测量构件(O1)，其中，所述两个电阻元件(R1，R2)由厚层电阻组成。

5.根据前述权利要求中任一项所述的测量构件(O1)，其中，所述两个电阻元件(R1，R2)由匹配的层电阻组成。

6.根据前述权利要求中的一项所述的测量构件(O1)，还包括用于所述共模电压(V_res)的某些非直流分量的传感器。

7.根据前一项权利要求所述的测量构件(O1)，其中，用于某些非直流分量的所述传感器包括两个电容元件(EC1，EC2)，所述两个电容元件(EC1，EC2)旨在布置在所述两个电力导体(C1，C2)之间的电桥中且具有彼此相同的电容值，所述两个电容元件(EC1，EC2)连接在中点(M)处，所述传感器还包括测量偶极子(SH)，所述测量偶极子(SH)一方面连接到所述中点(M)，另一方面旨在连接到所述公共导体Cc。

8.一种用于检测电网(1)中的故障的装置(D)，所述电网(1)包括至少一个电气设备(E)，所述至少一个电气设备(E)电连接到第一电力导体(C1)和第二电力导体(C2)，所述电网还设置有公共导体(Cc)，所述装置(D)旨在在测量区域的层级处连接到所述电力导体(C1，C2)和所述公共导体(Cc)，且所述装置(D)包括：

-根据前述权利要求中的一项所述的第一测量构件(O1)；

-第二测量构件(O2)，用于生成第二量(I_net)，所述第二量(I_net)表示在所述电力导体(C1，C2)中流动的电网电流；

-计算器，连接到所述第一测量构件和第二测量构件，所述计算器配置成在确定的观察时段内确定表示所谓“混合”能量(E_mix)的量，所述“混合”能量(E_mix)定义为所述共模电压和所述电网电流的乘积在所述确定的观察时段内的积分且在所述测量区域中传输，根据所述第一量(V_res)和所述第二量(I_net)确定表示所述混合能量(E_mix)的所述量。

9.根据前一项权利要求所述的检测装置(D)，其中，所述第二测量构件(O2)包括直流传感器，且所述第二量(I_net)表示在所述电力导体(C1，C2)中流动的所述电网电流的直流分量。

10.根据前一项权利要求所述的检测装置(D)，其中，所述直流传感器为分流传感器或霍尔效应传感器或Neel效应

传感器。

11.根据权利要求7和8中任一项所述的检测装置(D)，其中，所述第二测量构件(O2)进一步包括用于非直流分量的传感器，且所述第二量(I_net)表示在所述电力导体(C1，C2)中流动的所述电网电流的某些非直流分量。

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