CN102890196A

CN102890196A - 用于将测量信号电压外施加到供电网上的方法和装置

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Publication number: CN102890196A
Application number: CN2012102516468A
Authority: CN
Inventors: 迪特尔·黑克尔; 布克哈德·毛赫特
Original assignee: Bender GmbH and Co KG
Current assignee: Bender GmbH and Co KG
Priority date: 2011-07-20
Filing date: 2012-07-19
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2032-07-19
Also published as: EP2549497A8; US9157944B2; DE102011079455B4; DE102011079455A1; BR102012018144A2; CN102890196B; EP2549497B1; US20130020861A1; EP2549497A1

Abstract

本发明涉及一种用于将测量信号电压（U）施加到供电网（4）上的方法，包括以下步骤：提供发生器信号（U_sig）以及将发生器信号（U_sig）感应地传输到供电网（4）中，其中，由两个采样保持单元（20，S1，S3）交替地对发生器信号（U_sig）进行采样，将采样值交替地分配给第一脉冲序列（P1）和第二脉冲序列（P2），将脉冲序列（P1，P2）分离地感应传输，以及通过将感应的部分电压（U1，U2）加在一起形成次级侧测量信号电压（U）。此外，本发明涉及一种用于将测量信号电压（U）施加到供电网（4）上的装置（2），包括：信号发生器（U_sig），用于提供发生器信号（U_sig）；以及传输单元，用于将发生器信号（U_sig）感应地传输到供电网（4）中，其中，用于将发生器信号（U_sig）感应地传输到供电网（4）中的传输单元包括：初级侧开关单元（20），用于对发生器信号（U_sig）进行采样以及将采样值划分成两个时移的脉冲序列（P1，P2）；输出侧上串联的两个变压器（26，28），用于脉冲序列（P1，P2）的分离的感应传输；以及次级侧开关单元（40），用于将时移的感应脉冲序列加在一起。

Description

用于将测量信号电压外施加到供电网上的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于将测量信号电压施加到供电网上的方法，该方法包括以下步骤：提供发生器信号；以及将该发生器信号感应地传输到供电网中。

此外，本发明涉及一种用于将测量信号电压施加到供电网上的装置，该装置包括：信号发生器，用于提供发生器信号；以及传输单元，用于将发生器信号感应地传输到供电网中。

背景技术

当涉及在电力网***的操作期间确保足够的人身保护和设施保护时，绝缘电阻具有特别的重要性。如果绝缘电阻下降到预定值以下，会减弱对于与电气设施直接接触或间接接触的保护；另外可能发生泄漏电流，导致电气装置的故障或者导致操作中损失惨重的中断。防止火灾是设施操作者和保险业为何关注将设施保持在关于其绝缘电阻的理想技术状态的另一个原因。

因此需要不断地监测电气设施中的绝缘电阻。用于测量绝缘电阻的一种有源测量方法已被证明是引入交流AC电压作为测量信号，这是因为如果供电网是接地的，则容易经由变压器将AC电压耦合至供电网。

然而，对于基于AC电压来测量的方法，必须要牢记：除了被视为纯欧姆电阻分量的绝缘电阻之外，复值网络泄漏阻抗的电容性分量是另一重要因素。尤其是在空间扩展网络中，网络泄漏容量可增加至如下程度：电容性泄漏电流将会使绝缘电阻的确定失真。对于预定的测量（AC）电压，这些电容性泄漏电流取决于电容性电导，而电容性电导又随着频率的增加而增加。因此期望的是，一方面保持测量频率尽可能低，以对抗扩展线路组件的高网络泄漏容量，另一方面使得随着频率按比例增加的电容性电导最小化。

此外，如果网络泄漏容量大，则低测量频率导致保护导体上的低电流负荷。这又意味着来自功能需求的保护导体上的减小的负荷，由此基本上排除危及“保护导体”的保护概念。这还促进了对新装置技术的接受。

因此，选择适当的测量频率（即，最小的测量频率）具有特别的重要性。施加的测量信号的低测量频率允许监测大部分的接地供电网，并且由于较大的频率间隙，可以用较便宜的滤波电路来滤除例如可能由于变频器而发生的任何高频干扰。

例如，根据申请人的公开的专利申请DE 10355086 A1已知：通过引进对地的矩形共模电压信号来确定绝缘电阻，其中发生器信号的馈入优选地经由变压器来实现。测量频率由包含在随着时间的矩形振荡中的基频来产生，并且通过滤波将该测量频率与出现在线路网络中的其它高频信号分量分离。对于50Hz的网络频率，建议将175Hz的测量频率用于要馈送的发生器信号。

对于提出通过变压器来提供发生器信号的这种方法，已证明存在如下缺点：关于测量频率范围通过使用变压器可以向低频延伸多远存在限制。因为次级侧上的感应电压与磁感应的时间变化成比例，所以感应电压也由于馈入信号的降低的基频而下降。为了补偿该电压下降，变压器的绕组数量和/或磁芯横截面可以增加相同的量。然而，这将意味着使用不成比例地更贵且更大的变压器，而且这对于电力需求将是不经济的。为了在次级侧上实现如下测量信号频率的电压幅度：该测量信号频率明显位于100Hz以下并且对于确保该方法的可靠使用来说足够大，所需的变压器将非常贵，使得符合市场的产品的相应终端价格在预期的用户环境中不现实。根据现有技术并且基于经济考虑，当将变压器用于信号供应时，测量频率被限制为大约100Hz以上的值。总之，因此可以说问题不在于在初级侧上生成低频发生器信号，而在于以特定于产品的方式将低频发生器信号感应地传输至或耦合至电流供应网。

发明内容

因此，本发明基于该需求以进一步开发一种用于将测量信号电压施加到电流供应网上的方法和装置，使得能够实现节省成本的低频测量信号的施加。

根据结合权利要求1的前序部分的方法，该需求得到满足，在该方法中，由两个采样保持元件交替地对发生器信号进行采样，将采样值交替分配给第一脉冲序列和第二脉冲序列，将脉冲序列分离地感应传输，通过将感应的部分电压加在一起来形成次级侧测量信号电压。

本发明的主要构思有利地基于较小尺寸的两个变压器的使用，而不是只有一个基本上更贵且更大的变压器的使用。两个变压器以更高的频率操作，优选地在从100Hz向上并且进入MHz范围的范围内，因此可以根据基于感应定律的结论而具有减小的磁芯截面，即针对恒定感应电压的减小的尺寸，这与期望的成本降低一致。为了在次级侧上实现所期望的低频测量信号电压，初始地由两个采样保持元件交替地对低频发生器信号进行采样，其中采样率位于发生器信号基频以上的许多倍。为此，发生器信号的当前电压值分别由两个采样保持元件以相等的时间间隔交替地抽取出来，并且交替地分配给第一脉冲序列和第二脉冲序列。由于交替地分配发生器信号的当前电压值，创建了两个脉冲序列，这两个脉冲序列以保持时间的持续时间相对于彼此时移，其中，交替地，一个脉冲序列呈现零值，同时相应的另一脉冲序列提供采样值。由于采样保持电路，脉冲序列由如下矩形脉冲构成：矩形脉冲的高度对应于采样的发生器信号的相应值。脉冲序列经由两个不同的变压器分离地感应传输。由于以基本上在发生器信号的基频以上的采样率来实现采样，并且根据采样值生成的脉冲序列因此经受比时间连续的发生器信号更高的变化率，从而变压器以更高的频率操作。根据本发明，这具有如下效果：与使用时间连续的发生器信号来直接驱动变压器相比，实现更高的感应电压。在次级侧上，为了能够使用整个时间进展上的两条传输路径的感应电压分量，通过将时移的感应（部分）电压脉冲加在一起来形成测量信号电压。有利地，因此通过采样将低频发生器信号传输至次级侧，并且根据需要，低频发生器信号可在次级侧上用作低频测量信号。

在进一步的有利开发中，由采样保持元件分别以f_pulse=1/t_pulse的脉冲频率来执行采样，其中，保持时间t_hold分别对应于脉冲持续时间的一半。选择这些采样参数导致一个脉冲序列的采样值具有零值，同时相应的另一脉冲序列的采样值呈现发生器信号的采样值。于是，根据本发明的相加的两个信号分量提供随着时间的电压进展，该电压进展逐步地接近低频信号电压，并且在相应的低通滤波之后，在次级侧上生成期望的低频测量电压。

有利地，脉冲序列的分离的感应传输在两个时间段上周期性地连续，其中在与第一采样保持元件的保持时间一致的第一时间段内，由出现在初级侧的第一脉冲序列的矩形脉冲对第一变压器的磁芯进行调制，对应于时移的第二脉冲序列的第二变压器不接收发生器信号并且在所储存的能量降低期间在初级侧和次级侧上保持于0V，其中由于初级侧上的调制，在第一变压器的次级侧上形成第一部分电压。在紧接第一时间段之后并且与第二扫描保持元件的保持时间一致的第二时间段内，由出现在初级侧的第二脉冲序列的矩形脉冲对第二变压器的磁芯进行调制，对应于时移的第一脉冲序列的第一变压器不接收发生器信号并且在所存储的能量降低期间在初级侧和次级侧上均保持于0V，其中由于初级侧上的调制，在第二变压器的次级侧上形成第二部分电压。

在第一时间段内，第一变压器以矩形脉冲进行操作，同时第二变压器有利地通过适当的电路从发生器断开，并且其中，由于初级侧和次级侧上的短路，使得所储存的能量的降低成为可能。在该第一时间段内，由第一变压器的次级绕组中感应的电压来形成供电网中生成的测量电压。在紧接第一时间段之后的第二时间段内，第二变压器以矩形脉冲来操作，同时在第一变压器中，在绕组短路期间发生能量的降低。在该第二时间段内，由次级绕组中感应的第二变压器的电压来形成所生成的测量电压。该第二时间段紧跟着继之以由第一时间段和第二时间段构成的另外的周期性连续的循环。

发生器信号可以采用随着时间的任意给定信号，包括直流（DC）电压，尤其是矩形信号电压。随着时间的矩形电压很容易生成，并且该矩形电压反映了在其基频内的正弦信号的信号频率。滤波电路可以用来分离并评估该基频。

关于装置，需求得到满足，其中，用于发生器信号的感应传输的传输单元用来将发生器信号感应地传输到供电网中，该传输单元包括：初级侧开关单元，用于采样发生器信号以及用于将采样值划分成相对于彼此时移的两个脉冲序列；输出侧上串联的两个变压器，用于脉冲序列的分离的感应传输；以及次级侧开关单元，用于将时移的感应脉冲序列加在一起。

初级侧开关单元一方面用作发生器信号的采样单元，另一方面用来将采样值分成相对于彼此时移的两个脉冲序列。然后，有利地将两个脉冲序列提供至两个分离的变压器。

为了完成时间离散化、脉冲序列生成以及相应的变压器磁芯中存储的能量的降低的任务，初级侧开关单元包括：将相应变压器的初级绕组交替地与信号发生器连接的两个开关元件；以及将相应初级绕组交替地短路的另外两个开关元件。通过在初级侧上使用该电路，在两个变压器中的一个变压器与发生器信号连接的时间段内，相应的另一变压器短路且其所存储的能量降低。

次级侧开关单元有利地包括：第一开关组，其将第一变压器的感应电压连接至供电网或将第一变压器的次级侧绕组短路；以及串联的第二开关组，其将第二变压器的感应电压交替地连接至供电网或将第二变压器的次级绕组短路。

次级侧开关单元的这种实现使得：当第一开关组断开时，次级侧上感应的第一变压器的电压连接至电网***中，其中为第一开关组和第二开关组中的每个导体提供开关元件，同时，当第二开关组闭合时，允许第二变压器中的能量降低。因此，第一开关组闭合并且第二开关组断开，从而引起第一变压器中的能量降低以及第二变压器中感应的电压到电网***中的传输。

在优选实现中，开关单元的开关元件被实现为（功率）半导体开关元件。半导体元件可以是二极管、晶体管或晶闸管，这些不会受到磨损，并且能够处理高的开关频率。

此外，该装置包括用于初级开关单元和次级开关单元的时间控制的控制电路。控制电路用于确定初级侧开关单元和次级侧开关单元的断开时间和闭合时间，由此允许针对两条传输路径同步地执行采样、能量降低以及与电网***的连接。

在有利的设计中，与使用变压器生成用于传统低频传输的相同次级电压的单个变压器相比，两个变压器中的每个变压器具有更小的磁芯横截面。通过使用该设计，根据本发明的装置允许使用更小尺寸的变压器，这降低了变压器的成本构成并且产生特定于市场的产品。

附图说明

另外的有利设计特征从通过示例来说明本发明的优选实施方式的以下说明以及附图中获得，在附图中：

图1示出本发明的一个应用；

图2示出根据本发明的装置的主要结构；

图3示出采样的正弦形发生器信号的随着时间的电压；以及

图4示出采样的矩形发生器信号的随着时间的电压。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的用于将测量信号电压U施加到供电网4上的方法以及装置2的典型应用。供电网4被实现为具有三个有源导体L1、L2、L3以及中性导体N的接地网络4。通过根据本发明的装置2在网络供电装置6与示出为负载电阻的消耗装置Z_L之间进行测量信号的外加，其中，装置2由信号发生器8和共模变压器10示意性示出。由评估单元12来完成用于确定（欧姆）绝缘电阻R_F的测量信号的滤波和评估，其中，该评估单元12连接至电流测量变压器14，该电流测量变压器14捕获发生在导体L1、L2、L3和N中的剩余电流△I。针对每个有源导体，以相应的电容C_A1、C_A2以及C_A3简单地示出复值网络泄漏阻抗的电容性分量。

图2示出根据本发明的装置2的主要结构，其还用来说明如何执行根据本发明的方法。在示意图中，低频发生器信号电压U_sig经由初级侧开关单元20与两个变压器26、28的初级绕组22、24连接。在次级侧上，两个变压器26、28各自包括分别连接至导体L1、L2、L3的三个绕组30、31、32和34、35、36，其中次级侧开关单元40执行第一感应部分电压U₁与第二感应部分电压U₂的连接。以相同的方式，针对所有的有源导体L1、L2、L3和中性导体N，来执行由感应部分电压U₁、U₂构成的测量信号电压U的施加。为了简化附图，中性导体N未在图2中示出。

详细地，初级侧开关单元20包括四个开关元件S1、S2、S3和S4，其中开关元件S1和S3交替地建立或取消发生器信号U_sig与相应的变压器26、28的初级绕组22、24之间的连接，并且开关元件S2和S4交替地将相应的初级绕组22、24短路。开关元件S1和S3可以被理解为采样电路的采样元件的实现。在图2所示的时间段T1内的时间点处，开关元件S1闭合，同时开关元件S2和S3断开。发生器信号电压U_sig出现在第一变压器26的初级绕组22处，同时第二变压器28的初级绕组24与发生器信号U_sig的连接被中断。同时，开关元件S4闭合，使得第二变压器28的初级绕组24短路，并且允许之前扫描周期中存储的能量降低。在紧接时间段T1之后的时间段T2内，开关元件S1和S2改变其相应的状态，使得第二变压器28的初级绕组24现在经由此刻闭合的开关元件S3和断开的开关元件S4与生成器信号电压U_sig连接，并且第一变压器26中的能量降低可以经由闭合的开关元件S2以及断开的开关元件S1而发生。

次级侧开关单元40包括第一开关组SG1和第二开关组SG2，其中第一开关组SG1的开关元件设立在第一变压器26的次级绕组30、31、32的连接点之间的导体L1、L2和L3的导体部分上，而第二开关组SG2的开关元件设立在第二变压器28的次级绕组34、35、36的连接点之间。与开关元件S1至S4同步地控制开关组SG1和开关组SG2，使得在发生器信号电压U_sig连接至第一变压器26的第一时间段T1内，第一变压器26中感应的第一部分电压U₁也经由第一开关组SG1的断开的开关元件传输至导体L1、L2和L3。同时，第二开关组SG2的开关元件闭合，由此允许在第二变压器28的次级侧上经由短路的绕组34、35和36发生能量降低。相应地，开关组SG2的断开的开关元件允许将时间段T₂内在第二变压器28中感应的第二部分电压U₂传输至电网***4中，同时在第一变压器26的绕组30、31、32中，针对能量降低的补偿电流可以经由第一开关组SG1的闭合的开关元件而流动。

由于通过初级侧开关单元20而发生在初级侧上的交替采样，结合与初级侧开关单元20同步地控制的次级侧开关单元40，形成了以保持时间t_hold相对于彼此时移的两个脉冲序列P1和P2（参见图3和图4）。然后，这两个脉冲序列经由第一变压器26和第二变压器28分离地传输。因此低频初级侧发生器信号电压U_sig时间离散地映射在次级侧上，并且可以通过适当的考虑了采样定理的低通滤波来无差错地重构。然后，可在供电网4中得到期望的低频测量信号电压U。

图3和图4示出采样的发生器信号U’_sig的随着时间的电压，并且根据两个时移的脉冲序列P1和P2的总和示出了U’_sig的初级侧组成。以脉冲频率f_pulse实现每个脉冲序列的采样，并且保持时间t_hold对应于脉冲持续时间t_pulse=1/2f_pulse的一半。由于以保持时间t_hold进行的时移，脉冲序列P1、P2交替地填充采样间隙，并且加起来得到采样的发生器信号U’_sig，该采样发生器信号U’_sig为正弦形发生器信号U_sig的阶梯状近似（图3）。在矩形发生器信号电压U_sig的情况下（图4），脉冲序列P1、P2的叠加导致发生器信号电压U_sig的几乎完全的复制。

Claims

1.一种用于将测量信号电压施加到供电网上的方法，包括以下步骤：

提供发生器信号；

将所述发生器信号感应地传输到所述供电网中，

其特征在于，

由两个采样保持元件（20，S1，S3）交替地对所述发生器信号（U_sig）进行采样；

将采样值交替地分配给第一脉冲序列（P1）和第二脉冲序列（P2）；

将所述脉冲序列（P1，P2）分离地感应传输；以及

通过将感应的部分电压（U₁，U₂）加在一起形成次级侧测量信号电压（U）。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征分别在于，使用脉冲频率f_pulse来执行由所述采样保持元件（20，S1，S3）进行的采样，并且保持时间对应于脉冲持续时间的一半。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述脉冲序列（P1，P2）的分离的感应传输在两个时间段（T1，T2）上周期性地连续，其中，在与第一采样保持元件（20，S1）的保持时间（t_hold）一致的第一时间段（T1）内：

通过出现在初级侧的所述第一脉冲序列（P1）的矩形脉冲对第一变压器（26）的磁芯进行调制；

对应于时移的第二脉冲序列（P2）的第二变压器（28）不接收发生器信号（U_sig），并且在所存储的能量降低期间在初级侧和次级侧上保持于0V；

由于初级侧调制，在所述第一变压器（26）的次级侧上形成第一部分电压（U₁）；

以及，在与第二采样保持元件（20，S3）的保持时间（t_hold）一致并且紧接在所述第一时间段（T1）之后的第二时间段（T2）内：

通过出现在初级侧的所述第二脉冲序列（P2）的矩形脉冲对第二变压器（28）的磁芯进行调制；

对应于时移的第一脉冲序列（P1）的所述第一变压器（26）不接收发生器信号（U_sig），并且在所存储的能量降低期间在初级侧和次级侧上保持于0V；

由于初级侧调制，在所述第二变压器（28）的次级侧上形成第二部分电压（U₂）。

4.根据权利要求1至3中的一项所述的方法，其特征在于，所述发生器信号（U_sig）采用随着时间的任意给定信号，包括直流电压，尤其是矩形信号电压。

5.一种用于将测量信号电压施加到供电网上的装置，包括：信号发生器，用于提供发生器信号；以及传输单元，用于将所述发生器信号感应地传输到所述供电网中，其特征在于，所述传输单元包括：初级侧开关单元（20），用于对所述发生器信号（U_sig）进行采样以及将采样值划分成相对于彼此时移的两个脉冲序列（P1，P2）；输出侧上串联的两个变压器（26，28），用于所述脉冲序列（P1，P2）的分离的感应传输；以及次级侧开关单元（40），用于将时移的感应脉冲序列加在一起。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述初级侧开关单元（20）包括：将相应的变压器（26，28）的初级绕组（22，24）交替地与所述信号发生器（U_sig）连接的两个开关元件（S1，S3）；以及将相应的初级绕组（22，24）交替地短路的另外两个开关元件（S2，S4）。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述次级侧开关单元（40）包括：第一开关组（SG1），其将第一变压器（26）的感应电压（U1）连接至供电网（4）或者将所述第一变压器（26）的次级绕组（30，31，32）短路；以及串联的第二开关组（SG2），其将第二变压器的感应电压（U2）交替地连接至所述供电网（4）或者将所述第二变压器（28）的次级绕组（34，35，36）短路。

8.根据权利要求6或7中的一项所述的装置，其特征在于，开关单元（20，40）的所述开关元件（S1，S2，S3，S4，SG1，SG2）被实现为半导体开关元件。

9.根据权利要求5至8中的一项所述的装置，其特征在于：控制电路，用于初级开关单元和次级开关单元（20，40）的时间控制。

10.根据权利要求5至9中的一项所述的装置，其特征在于，与使用变压器生成用于传统低频传输的相同次级电压的单个变压器相比，所述两个变压器（26，28）中的每个变压器具有更小的磁芯横截面。