專利名稱：通過測量回路阻抗測量電氣設備的接地電阻的方法
技術領域：
本發明涉及通過測量回路阻抗測量電氣設備接地電阻的方法，根據該方法，借助于生成電壓的變換器將電流注入到該回路中，并且通過電流測量變換器測量該電流。
背景技術：
已知的這種方法使用了兩個不同的變換器，以便注入電流并且測量電流，所述兩個變換器實施成兩個夾子(pince)的形式，這兩個夾子彼此足夠遠地夾住待測量的回路，以便避免任何相互作用，或者所述兩個變換器實施成合成為一個夾子的兩個夾子的形式，從而在所述兩個變換器之間實現了理想的磁隔離。
發明內容
本發明用于解決這些缺陷至少之一。
為了實施這個目標，本發明的方法的特征在于，將兩個變換器合為一個用作阻抗變換器的變換器，并且通過應用測量結果建立了回路阻抗，其中進行了多次測量，該測量允許確定和去除變換器的參數。
根據本發明的一個優選特征，用不同電感值和頻率值進行多次測量。
根據本發明的另一個特征，通過變換器的初級輸入電壓的改變而改變電感。
根據本發明的再一個特征，分開地測量變換器的輸入電壓和輸入的電流之間的關系式的實數部分和虛數部分，并且通過使用測量結果計算所述待測阻抗的電阻和電感部分以及該阻抗本身的值。
通過隨后參照僅僅示范給出的簡示附圖的說明將很好理解本發明并且更清晰地顯現出本發明的其它目的，特征，細節和優點，所述附圖示出了本發明的一個實施例，附圖包括圖1給出了理想變換器的電路圖；圖2給出了使用類型的變換器的等效電路圖，其等效于根據本發明的示范性的阻抗變換器；圖3給出了圖1的變換器的電路圖，所述元件被集中到初級端上；圖4示出了簡化形式的變換器的電路圖；以及圖5示出了將信號的實數部分和虛數部分分開的電路圖。
具體實施例方式
本發明是以接地電阻可以直接通過一個電壓變換器測量的發現為基礎的，因此允許去除測量電流的變換器以及磁隔離。該電壓變換器以一種方式用作阻抗變換器，這種方式將在后面描述并且構成了一種測量方法，該測量方法包括，先決的步驟，進行用于建立施加在變換器的初級端的電極上的電壓和注入的初級電流之間的關系式的理論分析，從而識別變換器的在建立了回路阻抗時應該去除的參數，并且在這個電壓/電流關系式中使這些參數出現在它們的關聯中；和測量步驟，使得獲得所述值，根據所述值可以確定這些參數并且隨后通過計算建立回路阻抗。
圖1以理想變換器的等效電路圖形式，示出了本發明期望實現的目標，即測量在變換器的第二繞組電路NS中的一個表示為ZX的回路阻抗，該變換器的第一繞組用NP表示并且在第一繞組的端子處施加電壓VP。該電壓使得第一電流IP在第一繞組中循環，該第一電流在第二繞組中感應出第二電壓VS，該第二電壓VS導致第二電流IS，m為第二繞組NS與第一繞組NP的圈數比。
在本發明中，該變換器實施為用于夾持回路的導體的夾子形式，該回路的阻抗必須被確定，這個回路構成了第二繞組NS。該繞組的匝數從而等于1。
對于沒有損失磁通并且其中的磁路具有無限磁導率并且沒有鐵損和銅損的理想阻抗變換器來說，待測量的阻抗表示為下述的等式Zx=Vpm2Ip]]>
如果VP為施加在第一繞組的端子上的電壓并且因此是已知的值，m是恒定的，那么只需要測量第一電流IP就可得出阻抗ZX。
但是在實際過程中，變換器并不理想并且具有磁通損失，有限的磁路磁通率并且具有鐵損和銅損。
圖2示出了實際變換器的等效電路圖，在TP表明的區域中的方塊構成了圖1的理想變換器，具有的圈數比。m＝NS/NP。在這個電路圖中，Rf表示電阻，其等于變換器的鐵損，Lμ表示該變換器的磁感，即磁路的非無限的磁通率的映像，If和Iμ表示該變換器的磁感應電流，RP表示第一繞組的電阻，即銅損的映像，IP表示第一泄漏電感，即磁通損失的映像，RS表示第二繞組的電阻，lS表示第二繞組的泄漏電感，EP表示產生變換器的磁通的實際電壓，ES表示在第二繞組獲得的生成電壓。
為了通過變換器的第一繞組測量阻抗ZX，第二繞組的所有元件都集合到第一繞組上，因此給出了示出在圖3中的等效電路圖。
考慮到應用中的特別情況，該等效電路圖可以用下面的假設簡化該繞組NS由可以測量阻抗的回路構成；因此NS＝1并且lS可忽略不計并且可以認為等于0并且RS＝0。
RP值可忽略不計，因為RP≈0所以變為ZxNp2，在第一繞組上分布的繞組的規定還允許假定lS＝0。
所述等效電路圖從而以圖3中示出的形式表示，該電路可與表示為
IPVp=1Z]]>以及1Z=1Rf+1Lμω+1ZxNp2]]>或者ω＝2πf，f為該電壓Vp的頻率。
用導納代替電阻，用阻納代替阻抗，因此上述的等式可以寫為IPVp=Cf+Yμ+Yx]]>其中Cf=1Rf;]]>Yμ=1Lμω;]]>YX=1ZXNP]]>并且Zx=Rx+Lx2ω2]]>從這個等式可以得出，只需了解和/或者去除Cf和Ym項，以便確定Yx，因此確定Zx。
首先通過一種間接方法然后進行回路測量可以進行上述的分析，該間接方法在于首先進行空載測量，以便確定Cf和Yμ，因為只需通過按照每一項的相位差就可以減去值Cf和Yμ，從而獲得值Zx。
這個解決方案在原理方面是令人滿意的，但并不容易實施，因為所述測量操作分兩步進行，從而需要打開夾子。該測量因此依賴于鐵間空隙以及鐵間空隙的有效截面。
稱為直接方法的第二種方法在于通過保持夾子閉合，即在測量階段不必打開該夾子實現整體測量。這個方法避免了能夠產生間接方法測量錯誤的機械誤差。
所述直接測量方法僅僅進行一個測量程序，在該程序期間確定了值Cf，Yμ和Yx，也就是說阻抗Zx。
隨后將描述這些數值的確立所述鐵損Cf由下面的關系式限定Pfn=Pf0[(BnB0)y(fnf0)z(ene0)t(SnS0)]]]>其中B表示該變換器的工作電感；f表示工作頻率，e表示構成磁路的鐵板厚度，S表示磁路的有效截面，y，z，t表示取決于該磁路性質的常數，即也表示了磁路的磁通率以及間隙，Pf0表示取決于磁路性質的鐵損，由電感B0，用于鐵板厚度e0的頻率f0和磁路的有效截面S0獲得。
另外，鐵損的等效電阻可以用下述形式表示Pf=VP2Rf]]>即Pf=VP2Cf]]>從而可以確立Pfn=VPn2Cfn]]>以及Pf0=VPn2Cf0]]>在上面的等式中引入這些項
VPn2Cfn=VP02Cf0(BnB0)y(fnf0)z(ene0)t(SnS0)]]>即Cfn=VP02VPn2Cf0(BnB0)y(fnf0)z(ene0)t(SnS0)]]>該鐵板的厚度和磁路的截面是恒定的，因此可以確定ene0=sns0=1,]]>該表達式可變成Cfn=AnCf0(BnB0)y(fnf0)z]]>Yμ項是電感系數的映像，該電感系數的形式為L=μ0μeNP2SfLf]]>其中μe=11μr+ϵLf]]>其中μ0是相對空氣的磁通率，μr是相對磁性材料的磁通率，μe是磁路的有效磁通率，ε是磁路間隙，Lf是磁路的長度。
Yx項由下面的等式表示
YX=1ZXNP2=1NP2RX2+LX2ω2]]>通過分析上述3個表達式，表明在等式IPVP=Cf+Yμ+YX]]>中，Cf和Yμ取決于頻率和電感密度，而Yx僅僅取決于頻率。
這個等式的求解是根據兩個方法完成的，其中第一個方法在于確立一個測量順序，允許了分別確定每一項，第二個方法獨立地處理每一項的實數部分和虛數部分，Cf僅僅包括一個純實數部分，Yμ為一個純虛數部分，Yx為虛數部分和實數部分。
關于第二個方法，以下面的方式表示等式 IPVP=Cf+1jLμω+1NP2(1RX+jLXω)]]>通過乘以配合的表達式，從而分成實數部分和虛數部分，可以獲得IPVP=(RXNP2(RX2+LX2ω2)+Cf)-j(1Lμω+LXωNP2(RX2+LX2ω2))]]>按照實數部分和虛數部分各自的變換法則，在實數部分中可以得到下述表達式RXNP2(RX2+LX2ω2)]]>該表達式是頻率f的函數，而Cf項表現為僅僅取決于頻率f和電感B。還知道根據項f或者B進行變換的法則。
因此，通過改變電感B，可以獲得Cf并且確定下述項RXNP2(RX2+LX2ω2)]]>如果該頻率是常數，項Cf可以下述形式表示Cfn=AnCf0(BnB0)y]]>通過前面的考慮得出了可以確定Bn，B0和y，因此Cf，從而進行三個實數部分與B的三個不同值一起的測量，即施加在阻抗變換器的第一繞組的端子上的電壓Vp，即測量夾子。
根據虛數部分J，項 是電感B和頻率f的函數。如果不了解根據B的變換法則，其中B是由μr的關系曲線決定的并且因此該曲線B＝μH，該等式是非線性函數，H為磁場，則只可以通過改變頻率得到Lμ，只要μr是常數，對于表達式LXωNP2(RX2+LX2ω2)]]>來說，它僅僅是頻率的函數，從而允許獲得變換法則。
從上面可知，僅僅在用于確定Lμ的頻率中起作用，但是也可以求助于變換下面的項LXωNP2(RX2+LX2ω2)]]>
然而該項(Rx2+Lx2ω2)也插入到實數部分中，可以確定用于兩個不同頻率值的該項(Rx2+Lx2ω2)，隨后可以確定Lμ。
然后獲得了Cf的新值Cf′，使得Cfn′=An′Cf0(BnB0)y]]>其中An′=An(fnf0)z]]>需要重作三次測量，同時改變對該頻率的電感B，以便確定Cf′。但是，因為已經了解了y，B的兩次改變足夠用來確定Cf′。根據該磁路的性質，如果項y受頻率改變的影響，則B的三種改變對于獲得相同結果來說是必須的。
從上面的考慮得出將三個具有在頻率f1的感應B的變化的測量合并，然后兩個具有在頻率f2感應B的變化的測量合并，可以確定所述值Rx和LX因此確定了阻抗ZX。
正如剛剛描述過的那樣，該方法設計了使實數部分和虛數部分分開，從而可以這樣進行在被測量的電流IP上施加二次同步雙檢波，即同步檢波，與所施加的電壓VP同步，從而允許獲得實數部分，還施加一個與電壓VP相位差90度的同步檢波，從而允許獲得虛數部分。
圖4示出了這樣的原理通過該原理可以獲得將實數部分和虛數部分分開。在該圖中，實數部分與虛數部分必須分開的被測量信號用s(t)表示。該信號可以如下表示S(t)＝Arsinωt+Ajcosωt
其中Ar是信號S(t)的實數的模，Aj是虛數的模，而ω為所測量的信號的頻率。
所述二次同步雙檢波按照下面的公式進行mr(t)＝sin(ωt+)mj(t)＝cos(ωt+)其中，mr(t)為在所測量的信號的實數部分施加的檢波，mj(t)表示在該信號的虛數部分施加的檢波，等于相位差90°的mr(t)，并且表示檢波系統的殘留相位差。
通過應用這個公式，可以獲得用于該虛擬信號的實數部分的公式Sr(t)＝Arsin2ωtcos+Ajcos2ωtsin+sinωtcosωt(Arsin+Ajcos)假定＝0，因為cos＝1并且sin＝0，所以Sr(t)＝Arsin2ωt+Ajsinωtcosωt和sin2ωt=12-12cos2ωt]]>sinωtcosωt=12sin2ωt]]>
根據圖4，信號Sr(t)用于F/2限定頻率的低通濾波器Fb，從而在信號輸出得到了Sr(t)=Ar2]]>。
可以看到所進行的檢波允許重新找到具有接近2的因數的信號S(t)的實數部分的模。
以同樣方式進行的該虛數部分的檢波允許獲得Sj(t)＝sinωtcosωt(Arcos-Ajsin)-Arsin2ωtsin+Ajcos2ωtcos假定＝0，因為cos＝1并且sin＝0，可以得到Sj(t)=Aj(12+12cos2ωt)+Ar2sin2ωt]]>該信號用于f/2的頻率的低通濾波Fb，并且在信號輸出獲得了Sj(t)=Aj2]]>可以看到所進行的檢波允許重新獲得具有接近2的因數的信號S(t)的虛數部分的模。
剛剛參照附圖4描述過的檢波方法，假定了相位差為0。如果不是這種情況，角度的引向可以表達為 以及 正如剛剛描述過的那樣，本發明的方法進行了五次測量，允許每次建立一個實數部分和一個虛數部分。如下面的表格所表示的那樣，該順序包括在頻率f1上的三次測量，同時具有不同的感應，即Bn-1，Bn以及Bn+1。
所述不同的感應是這樣獲得的在阻抗變換器的輸入端子施加相應的電壓kVP，VP， ，k是常數。在所施加的電壓為 ，頻率為k0f1下進行第四次測量，在所施加的電壓為VP，頻率為k0f1下進行第五次測量。
正如表格所示，該方法允許測量表達式 的實數部分和虛數部分，即表示了待建立的回路阻抗的初級電流IP。
在所施加的電壓為kVP，頻率為f1下進行的第一次測量允許測量將要被存儲的實數部分Rn-1，如表格所示。第二次測量是在所施加的電壓為VP，頻率為f1下進行的，從而允許測量實數部分Rn和虛數部分Jn，更精確地說是R1，J1，R1，J1將被存儲。
在所施加的電壓為 ，頻率為f1下進行的第三次測量提供了實數部分Rn+1，在頻率為k0f1下進行的第四次測量給出了虛數部分Rn+1′。
最后，所施加的電壓為VP，頻率為k0f1下進行的第五次測量允許測量Rn′＝R2，J1n′＝J2，R2，J2被存儲。
在通過測量已經建立了實數值和虛數值R和J之后，本發明的方法設計通過利用所測量的數值，建立回路阻抗ZX。
在頻率f1下獲得的實數部分R1和虛數部分J1以及在頻率f2下獲得的R2和J2由下面的等式定義R1=RXNP2(RX2+LX2ω2)+Cfn,J1=LXωNP2(RX2+LX2ω2)+1Lμω]]>R2=RXNP2(RX2+k02LX2ω2)+Cfn′,J2=k0LXωNP2(RX2+k02LX2ω2)+1k0Lμω]]>通過將已知的等式本身展開，獲得了下面的表達式LXω=ϵ1-ϵ2NP2ϵ1ϵ2(k02-1)k02ϵ2-ϵ1k0J2-J1]]>RX=LXωk02ϵ2-ϵ1k0J2-J1]]>上面的項ε1，ε2等于ε1＝R1-Cfn，ε2＝Cfn′根據所述值RX和LX，計算出阻抗ZX，從而將電感回路的阻抗簡化為網絡頻率，即 ，從而建立了ZX=RX2+k′2LX2ω2]]>RX和KX的等式的求解需要計算代表鐵損的項Cf和Cf′。
根據下面的初始等式Rn=RXNP2(RX2+LX2ω2)+Cfn=M+Cfn]]>其中M=RXNP2(RX2+LX2ω2)]]>Cfn=AnCf0(BnB0)y=Cf0(VPn2VPn2)(BnBn)y=Cf0]]>Cfn+1=An+1Cf0(Bn+1B0)y=Cf0(VPn2VPn+12)(Bn+1Bn)y=Cf0(VPn2k2VPn2)(kBnBn)y=Cf0kyk2]]>Cfn-1=An-1Cf0(Bn-1B0)y=Cf0(VPn2Vn-12)(Bn-1Bn)y=Cf0(k2VPn2VPn2)(BnkBn)y=Cf0k2ky]]>其中K是電感B的變化因數，因此也是電壓VP的變化因數。從而獲得了Rn-Rn+1=Cf0-Cf0kyk2=Cf0(1-kyk2)]]>Rn-1-Rn=Cf0k2ky-Cf0=Cf0(k2ky-1)]]>將兩個等式相除，即Rn-Rn+1Rn-1-Rn=1-kyk2k2ky-1=k2-kyk2k2-kyky=kyk2]]>從而得到ky=k2Rn-Rn+1Rn-1-Rn]]>以及ylogk=log(k2Rn-Rn+1Rn-1-Rn)]]>因此可以建立
y=2+logRn-Rn+1Rn-1-Rnlogk]]>知道了y的值，就可以應用前面的等式，因此得出Cf0=Rn-Rn+11-kyk2]]>與計算Cf0相類似，可以得到Rn′=RxNp2(RX2+k02LX2ω2)+Cf0′=M′+Cf0′]]>其中M′=RXNP2(RX2+k02LX2ω2)]]>以及Cf0′=Rn′-Rn+1′1-kyk2]]>通過按照剛剛描述過的并且算術展開獲得的等式進行所述計算，從而可以計算下面的值y，Cf，ε1，Cf′，ε2，LXω，RX，ZX，正如表格中的前列和最后列所給出的那樣。在計算之后，將表格的最后列中的值，其中的回路阻抗ZX，存儲。
以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.通過測量回路阻抗測量電氣設備的接地電阻的方法，其特征在于，包括以下步驟借助于生成電壓的變換器將電流注入到回路中，并且通過測量電流的變換器測量電流；將兩個變換器結合為用作阻抗變換器的一個變換器，并且按照以下方式建立回路阻抗進行多次測量，從而通過應用測量結果確定和去除變換器的參數。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，通過不同的感應值和頻率進行多次測量。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，通過改變施加到變換器的輸入端子上的電壓VP使電感改變。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于，分別測量變換器的輸入電壓VP和注入電流IP之間的關系的實數部分和虛數部分，并且應用測量結果計算出待測阻抗的電阻部分和電感部分以及該阻抗ZX本身的值。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于，確定所述阻抗變換器的鐵損Cf和電磁感應的虛數部分Yμ，并且在下面的等式中建立阻抗ZXIPVP=Cf+Yμ+YX]]>其中，YX等于 并且IP等于所測出的電流。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的方法，其特征在于，實數部分R和虛數部分J的參數是這樣確定的進行多次測量，始終保持構成阻抗變換器的夾子閉合，在多次測量期間，將電感B改變為第一頻率f1和第二頻率f2＝K0f1。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，在頻率f1處的三次測量是這樣進行的使電感B改變，在頻率f2的至少兩次測量是這樣進行的使電感B改變。
8.根據權利要求4至7中任一項所述的方法，其特征在于，如下所述使實數部分R和虛數部分J分開在所測量的電流IP上施加雙二次同步檢波。
9.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，首先空載測量以便確定鐵損(Cf)以及電磁感應的虛數部分(Yμ)，然后進行回路測量，如下所述建立回路阻抗(ZX)的值按照每個值的相位差減去鐵損和電磁感應的映像的值。
全文摘要
本發明涉及一種通過測量回路阻抗測量電氣設備的接地電阻的方法。根據該方法，借助于生成電壓的變換器將電流注入到環路中，通過電流測量變換器，測量該電流。該方法的特征在于，將兩個變換器合為一個用作阻抗變換器的變換器，并且應用測量結果建立了回路阻抗，其中進行了多次測量，所述多次測量允許確定并且刪除變換器的一些參數。本發明能夠用于測量電氣設備的接地電阻。
文檔編號G01R27/18GK1664595SQ200510008529
公開日2005年9月7日 申請日期2005年2月18日 優先權日2004年2月18日
發明者帕特里克·布戈, 貝爾納·坎托羅斯基, 達尼埃爾·阿諾克斯, 阿克塞爾·阿諾克斯 申請人:肖萬·阿諾克斯公司