专利名称：用于测量电气设备的接地电阻的地线/接地夹的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过已知为地线(或接地)夹的测试装置测量电气设备的接地电阻。
背景技术：
公知的是使用绕着要测量的导体夹持的地线夹以及使用两个单独的变压器测量接地电阻，其中一个变压器将电压注入回路中，另一个变压器用于测量生成的电流。不需要设置辅助底架的所述测量尤其适用于电气设备具有并联的多个接地线而形成多个连续的接地回路时。因此，仅有接地导体的夹持可通过测量接地回路的阻抗测试接地的质量，并且允许测量从电气设备循环到地面的漏泄电流的值。更大或更小数值的这些漏泄电流对执行电气安装或测试设备的修理工程师以及与连接到保护导体的设备接触的人不是没有安全问题。保护导体通常不是绝缘的。另外，在超过根据环境和标准化目标变化的给定电压下，由人皮肤形成的绝缘屏障可能受损，从而使人体内的电流流通非常快速地增加，这是不能挽救的损坏的原因。这是为了避免该风险在任何维修之前例如使用电压表或非接触式电压测试器频繁执行附加测试或测量电压以确保接触点处的电压不会成为维修人员的危险来源的原因。然而，所述附加测试装置的使用在会使难以接近导体的设备中并不总是容易的。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种地线夹，所述地线夹通过能够在不需要外部测试设备的情况下获得关于接触电压的该信息来克服这些缺点。通过能够或允许测试接触电压的地线夹实现这些目的，所述地线夹包括:测量电路，所述测量电路由电压感应变压器和电流测量变压器形成，所述电压感应变压器包括分裂铁芯和具有多匝ml的至少一个绕组，所述电流测量变压器包括分裂铁芯和具有多匝m2的至少一个绕组，所述电压感应变压器和所述电流测量变压器适于通过接地导体相互耦合，接地导体的对地阻抗将被测量；和微控制器，所述微控制器用于将固定频率Fm的交流电压传送到所述电压感应变压器，并且进行响应，接收测量信号，所述测量信号表示在所述接地导体中产生的参考电压和在所述电流测量变压器中感应或产生的接地电流iB+iF (回路电流iB和漏泄电流iF的总和)，其特征在于，所述微控制器被构造成通过数值计算来获得所述参考电压的振幅E，所述接地电流的振幅Ib和振幅If以及所述参考电压与所述回路电流iB之间的相移f，并且由此推导出所述对地阻抗的在所述频率Fm下的有功Rb部分和无功Lb部分，以便随后由所述有功Rb和无功Lb部分计算确定频率下的所述对地阻抗，并且其特征在于，所述微控制器还使用所述对地阻抗乘以所述振幅If的乘积计算所述确定频率下的所述接触电压Uc。因此，在不测量阻抗的情况下通过直接在地线夹处确定接触电压(相对于地的测量点的电势)，可以首先确保人的真正安全(该安全远高于仅测量阻抗的现有技术装置所提供的安全)，并且其次以与依靠附加测试设备的电流方式相比更容易且更迅速的方式获得有关该接触电压的信息。有利地，在操作频率Fs下计算所述对地阻抗，在所述操作频率Fs下由所述对地阻抗乘以所述振幅If的乘积获得所述接触电压Uc。接着在所述接触电压超过可以调节的预先限定阈值时产生发出声音或可看见的警报。优选地，通过数字解调或戈策尔算法获得所述振幅E和Ib以及所述相移Cp并通过数字滤波获得所述振幅IF。有利地，所述操作频率为电力网供电频率，并且所述固定频率从所述两个变压器的操作带宽中选择，同时保持远离所述电力网供电频率及其谐频。优选地，所述电压感应变压器包括两个绕组，每一个绕组环绕半芯体，通过桥接安装的两个电压放大器确保这两个绕组的控制，每一个绕组或电压放大器接收固定频率的所述交流电压。分路电阻器或分流电阻器能够被串联地置于所述两个绕组之间，使得通过测量在所述电压感应变压器中流通的电流能够检测所述地线夹的任何打开或有故障的闭合。有利地，所述电压感应变压器还包括两个其它绕组，每一个其它绕组环绕两个半芯体中的一个并串联地设置以测量所述参考电压并将所述参考电压传送到所述微控制器。所述参考电压在被传送到所述微控制器之前被放大并取样。优选地，所述电流测量变压器包括两个绕组，每一个绕组环绕半芯体，这两个绕组中的每一个提供电流/电压转换器，所述电流/电压转换器的输出电压被相加以将所述接地电流传送到所述微控制器。有利地，所述接地电流在被传送到所述微控制器之前被滤波、放大和取样以由此获取所述电流iB。
从阅读下面参照附图给出的作为非限制性示例的说明更好地理解本发明，在附图中:-图1是地线夹的立体图；-图2A是电线和与该电线相关联的地线网的视图；-图2B是具有多个接地线的建筑物的视图；-图3是图1中的地线夹的测量部件的理想模型；和-图4是图1中的地线夹的方框图，其中方框56中的“0LED”表示有机发光二极管或有机发光二极管显示器或有机电激光显示器。
具体实施例方式如图1所示，地线夹10是一种便携式装置，操作者可以用一只手握住该便携式装置以用于容易且快速地测试诸如图2A和2B中所示的电气设备或电缆塔的接地。与传统装置相反，使用地线夹的测量不需要设置辅助底架或者使电气设备绝缘的接地部(例如接地棒)的断开。地线夹具有夹片或夹爪12和使用所需要的不同操作按钮18，所述夹片或夹爪可以通过手柄14打开且可以围绕接地导体夹持，需要测量所述接地导体的对地阻抗Zx。地线夹还包括显示屏16以显现参数和测量结果。使用地线夹的测量原理示意性地显示在图3中，图3显示由电压注入变压器(或者具有变压比ml的测试变压器20)与电流测量变压器(具有变压比m2的测量变压器22)之间的联接形成的地线夹的测量部分的理想等效示意图(其中保持瞬时功率且未考虑铁损和绕组损耗的完美模型)，所述电压注入变压器在其初级绕组上接收固定频率Fm的交流电压Ul，在所述电流测量变压器的次级绕组中短路的情况下电流i2通过，回路阻抗Zb的接地回路形成电压注入变压器的次级绕组的一匝绕组和电流测量变压器的初级绕组的一匝绕组。法拉第定律应用于绕组以及安培定理应用于由两个变压器和要测量的接地回路的联接形成的电路使得易于显示出回路阻抗Zb则由以下方程式获得:Zb = (ml/m2) (Ul/i2)或者当 ml = m2 时，Zb = Ul/i2电压Ul的振幅取决于选择的变压比和要测量的回路阻抗。因此，例如，在1: 200的变压比下，峰值为12V的电压Ul允许在接地回路上产生称作60mV的参考电压VMf的电压。固定频率Fm被选择为在两个变压器的操作带宽范围内，同时保持足够远离电力网供电频率及其谐频，干扰源。因此，对于例如50或60Hz的电源频率和2160下的谐频(60Hz的36倍谐频)或者2，200Hz下的谐频(50Hz的44倍谐频)，2，181Hz的Fm的选择证明是好的选择，这是因为该Fm允许这些谐频分别在该值的两侧被推过21Hz和19Hz，从而容易允许对FmilOHz的i2进行数字滤波。由电流测量变压器22测量的电流i2是通过电压(voltage tension)Ul引起或感应的固定频率Fm下的回路电流iB和源于电气设备(特别是源于连接到电源的电气设备)的漏泄电流iF的总和，因此该电流i2由包括该电源频率及其谐频以及可选的由随机脉冲信号(例如电动机的启动)生成的其它组合频率的宽带信号组成。还将注意的是这两个电流iB和iF的振幅可以非常不同，例如1.2mA的回路电流和IOA的漏泄电流。也可以显示出在所有的接地回路形成例如图2中的延伸接地网时，该回路阻抗Zb由与所有其它阻抗Zl、Z2、Zn串联放置的接地线的阻抗Zx组成，并联的所述其它阻抗相当于低值阻抗，因此和Zx相比可忽略，使得阻抗Zx基本上等于使用地线夹测量的回路阻抗Zb (在所有情况下，回路阻抗Zb都为Zx的上限)。图4给出根据本发明的地线夹的方框图。电压感应变压器20包括两个绕组200、202，每一个绕组都环绕半芯体20A、20B，通过桥接安装的两个电压放大器24、26来确保这两个绕组的控制，每一个绕组或电压放大器都接收固定频率Fm下的交流电压U1。变压器分成两个部分在不必打开接地回路的情况下对允许接地导体的插入是必不可少的。另一方面，通过该选择证明需要桥接安装设置的两个绕组来取代具有传统放大率的单个绕组以获得具有减小的耗电量的高精度测量。交流电压Ul由通过微控制器30传送的数字电压的数字/模拟转换器28的转换而获得。分路或分流电阻器32串联地放置在两个绕组200、202之间，使得通过测量在电压感应变压器20中流通的电流可以检测例如由夹具的夹片之间污物的存在导致的所述地线夹的任何打开或有故障的闭合。电流的该模拟测量值通过差分放大器34被放大并通过模拟/数字转换器36转换成数字信号，使得所述模拟测量值可以被发送到微控制器30。转换器28和36例如为单向10位转换器或单向12位转换器。
电压感应变压器20还包括本说明书的其他部分中称作基准绕组的两个其它绕组204、206，每一个绕组环绕两个半芯体20A、20B中对应的一个并串联地放置，以测量参考电压并将该参考电压传送到微控制器30。参考电压通过电压放大器38被放大并在传送到微控制器30之前通过模拟/数字转换器40进行模拟/数字转换。
电流测量变压器22包括两个绕组220、222，每一个绕组环绕半芯体22A、22B，这两个绕组中的每一个对电流/电压转换器42、44进行供应，所述电流/电压转换器的输出电压(在加法器46中)相加以传送或提供接地电流i2，所述接地电流接着在通过双路取样器48传送到微控制器30之前在两个并联采集通道中被处理。第一通道不对所述信号进行滤波，所述信号因此在经历模拟/数字转换之前仅被可变增益放大器50 (增益取决于测量范围)放大，微控制器因此接收电流iB和iF的总和的采样值。相反，第二通道对所述信号进行滤波，例如通过具有在600Hz与1，OOOHz之间的截止频率的二阶高通滤波器52来滤波，然后在模拟/数字转换之后通过可变增益放大器54 (增益也取决于测量范围)放大该信号，微控制器接着接收回路电流iB和衰减电流iF的采样值以避免模拟/数字转换器40的饱和。有利地在同一个模拟/数字转换器40中执行所述模拟/数字转换，所述模拟/数字转换器优选地为已经确保参考电压的模拟/数字转换的转换器(例如双路24位转换器)。因此，微控制器30从模拟/数字转换器40接收参考电压的采样值、电流iB的采样值、电流iB和电流iF的总和的采样值，由此能够计算回路阻抗Zb和显然能够计算所需的接触电压Uc。还将以任何操作频率(显然即使以测量频率进行的测量仍然是可以的)，即通常以电力网供电的频率(但也可以想到例如在128Hz下的另外的操作频率)来计算该回路阻抗。每一个回路有效地由电阻性部分Rb和电感性部分Lb组成。当测量回路大时，该电感性部分可以证明是不可忽略的。阻抗的电感性部分仍然取决于测量频率(Z = L )。为此，微控制器30对固定频率Fm的参考电压执行本身已知的数字解调以获得其振幅E。该数字解调例如在IOHz下利用低通数字滤波以除去干扰频率。类似地，所述微控制器30以电流iB的固定频率Fm进行类似的数字解调以从中获取振幅iB和在参考电压与电流iB之间的相移Cf)，电流iF的振幅If通过电流iB和iF的总和的简单的低通数字滤波而获得。两个二阶切比雪夫滤波器的级串联或级联有利地确保参考电压和电流iB的低通滤波以获得E、Ib和f，四个四阶椭圆滤波器的级串联或级联将给出电流iB和iF的总和以由此获取振幅If。Ib和If的测量相继执行，或有利地以每秒至少两次(显示再生速率)的测量对并行地执行，并行测量与假定两个测量电流在测量间隔期间保持稳定的两个相继测量相比更精确。通过现有技术的测量装置对回路阻抗的估算产生在测量频率Fm下的有效值，而该阻抗事实上将具有通过其的漏泄电流，所述漏泄电流大多数为较低频率(50或60Hz和密集谐频或近谐频(close harmonic))。因此，根据本发明，回路阻抗Zb基于以下计算:I)回路阻抗的电阻性部分(Rb)和电感性部分(Lb)的计算:Rb = E/l#os(q>)和Lb = (l/^JIl'in) I’:/丨丨;sin (<p)2a)计算在测量频率Fm下的阻抗Zb:zfj= ^Rb)2__+__(Lb__.2jT._l% >2_或者作为优选变形，
2b)计算在电源频率Fs下的阻抗Zb:zh = ^(Rhf +(Lb,2m.Fsf接着由在测量频率下或者优选地在Fs下的回路阻抗Zb和If估算接触电压Uc =Uc=ZbIF。因此，地线夹在给定瞬时给出关于漏泄电流(iF)的值和对地阻抗的上限(Rb ^ Rx)的信息，使得可以向使用者提供关于安全的两个附加数据项:1)测量点的接触电压的值的上限，2)在超过接触电压的可以调节的预先限定阈值的情况下的警报(可看见和/或发
出声音)。将要注意的是诸如通带数字滤波或戈策尔算法的其它已知的数字法可以用于取代数字解调以获得 E和Ib以及相移學。
权利要求
1.一种地线夹(10)，所述地线夹允许测试接触电压，所述地线夹包括: 测量电路，所述测量电路由电压感应变压器(20)和电流测量变压器(22)形成，所述电压感应变压器包括分裂铁芯(20A，20B)和具有多匝(ml)的至少一个绕组，所述电流测量变压器包括分裂铁芯(22A，22B)和具有多匝(m2)的至少一个绕组，所述电压感应变压器和所述电流测量变压器适于通过接地导体相互耦合，该接地导体的对地阻抗将被测量；和 微控制器(30)，所述微控制器用于将固定频率Fm的交流电压传送到所述电压感应变压器，并且进行响应，接收测量信号，所述测量信号表示在所述接地导体中产生的参考电压Vref和在所述电流测量变压器中感应或产生的接地电流iB+iF(回路电流iB和漏泄电流iF的总和)，其特征在于: 所述微控制器被构造成通过数值计算来获得所述参考电压的振幅E，所述接地电流的振幅Ib和振幅If以及所述参考电压与所述回路电流iB之间的相移f，并且由此推导出所述对地阻抗的在所述固定频率Fm下的电阻性部分Rb和电感性部分Lb，接着使用所述有功部分Rb和无功部分Lb计算确定频率下的所述对地阻抗Zb ；以及 所述微控制器还由所述对地阻抗乘以所述振幅If的乘积计算所述确定频率下的所述接触电压Uc0
2.根据权利要求1所述的地线夹，其特征在于，所述对地阻抗在操作频率Fs下计算，并且在所述操作频率Fs下由所述对地阻抗乘以所述振幅If的乘积获得所述接触电压Uc。
3.根据权利要求1或2所述的地线夹，其特征在于，在所述接触电压超过能够调节的预先限定阈值时产生声音或视觉的警报。
4.根据权利要求1或2所述的地线夹，其特征在于，所述振幅E和Ib以及所述相移Cp通过数字解调或戈策尔算法获得，所述振幅If通过数字滤波获得。
5.根据权利要求2所述的地线夹，其特征在于，所述操作频率是电力网供电频率。
6.根据权利要求5所述的地线夹，其特征在于，所述固定频率在所述两个变压器的操作带宽内进行选择，同时保持远离所述电力网供电频率及其谐频。
7.根据权利要求1所述的地线夹，其特征在于，所述电压感应变压器包括两个绕组(200，202)，每一个所述绕组环绕半芯体，通过桥接安装或桥式安装的两个电压放大器(24，26)确保这两个绕组的控制，每一个所述绕组或电压放大器接收在固定频率Fm下的所述交流电压。
8.根据权利要求7所述的地线夹，其特征在于，所述地线夹还包括分路电阻器或分流电阻器(32)，所述分路电阻器或分流电阻器(32)串联地置于所述两个绕组之间，使得通过测量在所述电压感应变压器中流通的电流能够检测所述地线夹的任何打开或有故障的闭口 o
9.根据权利要求1所述的地线夹，其特征在于，所述电压感应变压器还包括两个其它绕组(204，206)，每一个所述其它绕组环绕所述两个半芯体中的一个并串联地设置，以测量所述参考电压并将所述参考电压传送到所述微控制器。
10.根据权利要求9所述的地线夹，其特征在于，所述参考电压在被传送到所述微控制器之前被放大(38)和采样(40)。
11.根据权利要求1所述的地线夹，其特征在于，所述电流测量变压器包括两个绕组(220，222)，每一个所述绕组环绕半芯体，这两个绕组中的每一个对电流/电压转换器(42，44)进行供应，所述电流/电压转换器的输出电压被相加(46)以将所述接地电流传送到所述微控制器。
12.根据权利要求9所述的地线夹，其特征在于，所述接地电流在被传送到所述微控制器之前被滤波(52)、 放大(54)和采样(56)以由此获得所述电流iB。
全文摘要
本发明公开了一种可测试接触电压的地线夹(10)，地线夹包括测量电路，测量电路由通过接地导体相互连接的电压感应变压器(20)和电流测量变压器(22)形成，接地导体的对地阻抗被测量；微控制器(30)，微控制器在固定频率Fm下将交流电压传送到电压感应变压器，并响应于接收测量信号，测量信号表示在接地导体中产生的参考电压Vref和在电流测量变压器中感应的接地电流iB+iF，微控制器通过参考电压的振幅E的数值计算获得接地电流的振幅iB和振幅iF及参考电压与回路电流iB之间的相移由此在固定频率Fm下推导出电阻Rb部分和电感Lb部分，由有功Rb部分和无功Lb部分计算确定频率下的对地阻抗Zb，微控制器还通过对地阻抗乘以振幅iF的乘积计算确定频率下的接触电压Uc。
文档编号G01R27/20GK103176051SQ20121056750
公开日2013年6月26日 申请日期2012年12月24日 优先权日2011年12月23日
发明者菲利普·莱格罗斯 申请人:沙文阿诺公司