СПОСОБ ОЦЕНКИ ИМПЕДАНСА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВЯЗИ С ЗЕМЛЕЙ, СПОСОБ ОЦЕНКИ И СООТВЕТСТВУЮЩАЯ СИСТЕМА ПИТАНИЯ
METHOD FOR EVALUATING ELECTRICAL IMPEDANCE CONNECTION TO GROUND, METHOD FOR EVALUATING POWER SYSTEM AND CORRESPONDING POWER SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к устройству оценки импеданса заземления, связанного с землей сети переменного электрического тока, содержащей фазу, связанную с фазным проводом, и нейтраль, связанную с электропроводом нейтрали, причем устройство выполнено с возможностью соединения с фазным проводом, нейтральным проводом и заземлением.
Изобретение касается также системы питания электрической установки, при этом система связана с электрической сетью переменного тока, содержащей фазу соединенную с фазным электропроводом, и нейтраль, соединенную с нейтральным проводом, и заземление, связанное проводом с землей.
Изобретение касается также способа оценки импеданса заземления.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из документа ЕР 2551981 А1 известно устройство для оценки импеданса заземления. Устройство содержит генератор напряжения и датчик тока, соединенные последовательно между фазным проводом и проводом заземления. Импеданс провода заземления подсчитывается, исходя из величины напряжения, подаваемого генератором, и величины тока, проходящего через провод заземления, измеренной датчиком тока.
Во всяком случае, такое устройство не позволяет оценить импеданс провода заземления нескольких электрических установок, подключенных к одной электрической цепи, такой как, например, зажимы зарядной станции электромобиля. Действительно, этот тип устройства, когда оно соединено с несколькими электрическими установками одной и той же электрической сети, порождает значительные дополнительные токи утечки, которые мешают точному измерению импеданса провода заземления.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения, таким образом, является предложение устройства оценки импеданса заземления, которое может быть установлено на нескольких электрических установках, соединенных с одной электрической сетью. Для этого объектом изобретения является устройство оценки заземления упомянутого выше типа, отличающееся тем, что оно содержит:
- электрический элемент, имеющий импеданс заданной величины, расположенный между фазным проводом и заземлением;
- коммутатор, выполненный с возможностью электрической изоляции электрического элемента от фазного провода в разомкнутом состоянии и для электрического соединения электрического элемента с фазным проводом в замкнутом состоянии;
- первый датчик, выполненный с возможностью измерения первого значения первой электрической величины между фазным проводом и заземлением, когда коммутатор находится в разомкнутом состоянии, и второго значения первой величины, когда коммутатор находится в замкнутом положении;
- второй датчик, выполненный с возможностью измерения первого значения второй электрической величины между нейтральным проводом и заземлением, когда коммутатор находится в разомкнутом состоянии, и второго значения второй электрической величины, когда коммутатор находится в замкнутом положении; и
- вычислительный блок, выполненный с возможностью вычисления импеданса заземления, исходя из заданной величины импеданса электрического элемента и значений первой и второй измеренных электрических величин.
В соответствии с другими аспектами изобретения устройство оценки содержит один или несколько следующих признаков, взятых отдельно или в совокупности технически возможных комбинаций:
- первая и вторая электрические величины являются электрическими напряжениями;
- устройство оценки содержит средства обнаружения фазного провода из фазного и нейтрального проводов;
- средства обнаружения содержат:
- реле, выполненное с возможностью электрического соединения фазного провода с электрическим элементом во втором положении; и
- средства измерения, выполненные с возможностью измерения электрического напряжения между фазным проводом и заземлением, и измерения электрического напряжения между между нейтральным проводом и заземлением.
Объектом изобретения является также система электропитания электрической установки, при этом система связана с электрической сетью переменного тока, а электрическая сеть содержит фазу, соединенную с фазным электропроводом, нейтраль, соединенную с нейтральным электропроводом, и заземление, соединенное с замлей, отличающаяся тем, что она содержит устройство оценки импеданса заземления, описанное выше.
В соответствии с другими предпочтительными аспектами изобретения система электропитания содержит один или несколько следующих признаков, взятым по отдельности или во всех технически возможных комбинациях:
- система электропитания содержит размыкающий блок, соединенный с фазным проводом и нейтральным проводом между устройством оценки и электрической установкой, при этом размыкающий блок является подвижным между разомкнутым положением, в котором электрическая установка изолирована от электрической сети, и замкнутым положением, в котором электрическая установка соединена с электрической сетью с помощью фазного и нейтрального проводов, при этом размыкающий блок переводится в разомкнутое положение, когда рассчитанный импеданс заземления превышает заданный порог; и
- пороговое значение импеданса заземления составляет от 10 Ом до 500 Ом, и, в частности, по существу, равно 100 Ом.
Объектом изобретения является также способ оценки импеданса заземления, при этом заземление связано с землей электрической сети переменного тока, содержащей фазу, соединенную с фазным электропроводом, и нейтраль, соединенную с нейтральным электропроводом, при этом фазный провод, нейтральный провод и заземление соединены с устройством оценки импеданса заземления, описанным выше, и способ включает в себя следующие этапы:
- позиционирование коммутатора в разомкнутое состояние;
- измерение первого значения первой электрической величины первым датчиком и измерение первого значения второй электрической величины вторым датчиком, когда коммутатор находится в разомкнутом положении;
- позиционирование коммутатора в замкнутое состояние;
- измерение второго значения первой электрической величины первым датчиком и измерение второго значения второй электрической величины вторым датчиком, когда коммутатор находится в замкнутом состоянии; и
- вычисление импеданса заземления, исходя из заранее заданной величины импеданса электрического элемента и значений первой и второй измеренных электрических величин.
В соответствии с другими предпочтительными аспектами изобретения способ оценки импеданса заземления содержит один или несколько следующих признаков, взятых по отдельности или в любых технически возможных комбинациях:
- способ содержит этап управления отключением фазного провода и нейтрального провода, когда вычисленный импеданс заземления превышает пороговое значение, этап управления осуществляется с помощью размыкающего блока, соединенного с фазным проводом и нейтральным проводом между устройством оценки и электрической установкой, при этом размыкающий блок является подвижным между разомкнутым положением, в котором электрическая установка изолирована от электрической сети, и замкнутым положением, в котором электрическая установка соединена с электрической сетью с помощью фазного и нейтрального проводов, причем размыкающий блок управляется в разомкнутое положение, когда подсчитанный импеданс заземления превышает пороговое значение; и
- способ содержит этап обнаружения фазного провода из фазного и нейтрального проводов и этап электрического соединения электрического элемента с фазным проводом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
- фиг. 1 изображает схематическую модель электрической установки, соединенной с распределительной электрической сетью;
- фиг. 2 схематично представляет устройство оценки по изобретению, соединенное с системой питания по изобретению;
- фиг. 3 изображает вид, аналогичный фиг. 2 в соответствии с вариантом изобретения;
- фиг. 4 изображает структурную схему способа оценки импеданса заземления.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1 система 10 электропитания, содержащая электрическую установку 12, соединена с электрической сетью 14 переменного тока. Электрическая сеть 14 питается от электрического трансформатора 16. Электрическая сеть 14 содержит фазный электропровод 18, соединенный с фазой трансформатора 16, нейтральный электропровод 20, соединенный с нейтралью трансформатора 16, и заземляющий провод 22, соединенный с землей.
Система питания 10 предназначена для электропитания электрической установки 12. Когда электрическая установка 12 подключена к сети 14, может появиться ток утечки If в сторону земли. На фиг. 1 представлен импеданс 24 утечки, через который проходит ток утечки If. Импеданс 24 утечки имеет значение Zf.
Электрическая 12 установка, например, является, например, зарядным устройством батареи аккумуляторов электромобиля, подключенным к электрической сети 14 зарядной клеммой (не изображенной на чертеже).
Как вариант, электрическая установка 12 является зданием, например, жилым помещением, соединенным с электрической сетью 14.
Электрическая сеть 14 является, например, однофазной электрической сетью переменного тока, содержащей фазу и нейтраль. Как вариант, электрическая сеть 14 является трехфазной электрической сетью.
Электрический трансформатор 16 представляет собой источник напряжения для системы 10 питания. Электрический трансформатор 16 связан с землей посредством первого заземляющего провода 26 и с первой точкой 27 заземления. Первый заземляющий провод 26 и первая точка 27 заземления представляют собой первый импеданс 28 заземления с величиной Za.
Электрический трансформатор 16 связан с электрической установкой 12 посредством фазного провода 18 и нейтрального провода 20. Корпус электрической установки 12 заземлен с помощью второго заземляющего провода 29 и второй точки 30 заземления. Второй заземляющий провод 29 и вторая точка 30 заземления имеют второй импеданс 31 заземления с величиной Zb.
Таким образом, в описанном примере воплощения заземление 22 образовано первым заземляющим проводом 26 и первой точкой 27 заземления, связывающими электрический трансформатор 16 с землей, и вторым заземляющим проводом 29 и второй точкой 30 заземления, связывающими корпус электрической установки 12 с землей. Заземление 22 имеет импеданс, составляющий величину Zt, равную сумме величин Za, Zb первого и второго импедансов 28, 31.
В соответствии с фиг. 1–3 система 10 питания соединена с землей в режиме «ТТ». Точнее, нейтраль трансформатора 16 и корпус электрической установки 12 соединены каждая с землей в первой и второй отдельных точек 27, 30.
Возможны другие типы соединения с землей системы 10 питания.
В соответствии с режимом «TN» (не изображенным), корпус электрической установки 12 не имеет заземления и связан с нейтральным проводом. Нейтральный провод связан с землей в точке заземления трансформатора.
В соответствии с режимом «IT» (не изображенным), нейтраль электрического трансформатора 16 электрически изолирована от земли, а корпус электрической установки 12 связан с землей с помощью локального заземления.
Как изображено на фиг. 2 и 3, система 10 питания содержит, кроме того, устройство 36 оценки величины Zt импеданса заземления 22. Устройство оценки 36 представлено пунктирно на фиг. 2 и 3.
В соответствии с фиг. 2 и 3 устройство 36 оценки содержит электрический элемент 38, соединенный со вторым заземляющим проводом 29, и выполненный с возможностью соединения с фазным проводом 18. Устройство 36 оценки содержит, кроме того, коммутатор 40, электрически изолирующий или соединяющий электрический элемент 38 с фазным проводом 18.
Устройство 36 оценки предназначено для оценки величины Zt импеданса заземления 22, то есть оно способно оценить сумму величин Za, Zb первого и второго импедансов 28, 31.
Устройство 36 оценки соединено с фазным проводом 18, с нейтральным проводом 20 и со вторым заземляющим проводом 29.
Электрический элемент 38 имеет импеданс заданного значения Zc. Электрический элемент 38 является, например, элементом, имеющим резистивный импеданс, таким как резистор.
Коммутатор 40 соединен последовательно с электрическим элементом 38 между фазным проводом 18 и вторым импедансом 31 заземления второго заземляющего провода 29.
Коммутатором 40 является, например, электромагнитное реле с двумя устойчивыми состояниями. Как вариант, коммутатор 40 является электронным размыкателем.
Коммутатор 40 является подвижным между разомкнутым состоянием и замкнутым состоянием. В разомкнутом состоянии коммутатор 40 электрически изолирует электрический элемент 38 фазного провода 18. В замкнутом состоянии коммутатор 40 электрически соединяет электрический элемент 38 с фазным проводом 18.
Как изображено на фиг. 2 и 3, устройство 36 оценки содержит, кроме того, первый датчик 42, второй датчик 44 и вычислительный блок 46.
0
1
Первый датчик 42 предназначен для измерения первого значения Vpt первой электрической величины Vpt, например, напряжения, между фазным проводом 18 и вторым заземляющим проводом 29, когда коммутатор 40 находится в разомкнутом положении, и второго значения Vpt первой электрической величины Vpt, когда коммутатор находится в замкнутом положении.
0
1
Второй датчик 44 предназначен для измерения первого значения Vnt второй электрической величины Vnt, например, электрического напряжения, между нейтральным проводом 20 и вторым заземляющим проводом 29, когда коммутатор 40 находится в разомкнутом положении, и второго значения Vntвторой электрической величины Vnt, когда коммутатор 40 находится в замкнутом положении.
0
1
0
1
Как будет описано ниже, вычислительный блок 46 предназначен для вычисления величины Zt импеданса заземления 22, исходя из заданной величины Zc импеданса электрического элемента 38 и величин Vpt, Vpt, Vnt, Vnt, измеренных первым и вторым датчиками 42, 44 в разомкнутом и замкнутом состояниях коммутатора 40.
Вычислительный блок 46 образован, например, микропроцессором.
Система 10 питания содержит, кроме того, размыкающий блок 48.
Размыкающий блок 48 электрически соединен с фазным проводом 18 и нейтральным проводом 20 между электрическим трансформатором 16 и электрической установкой 12.
Размыкающий блок 48 образован, например, первым прерывателем 50, расположенным на фазном проводе 18 между трансформатором 16 и электрической установкой 12, и вторым прерывателем 52, расположенным на нейтральном проводе 20 между трансформатором 16 и электрической установкой 12.
Первый и второй прерыватели 50, 52 являются подвижными между разомкнутым положением, в котором электрическая установка 12 электрически изолирована от трансформатора 16, и замкнутым положением, в котором электрическая установка 12 электрически соединена с трансформатором 16 фазным 18 и нейтральным 20 проводами.
seuil
Когда вычисленная величина Zt импеданса заземления меньше пороговой величины Zt, система 10 питания включена и электрическая установка 12 находится под напряжением. Первый и второй прерыватели 50, 52 находятся, таким образом, в замкнутом положении.
seuil
Когда вычисленная величина Zt импеданса заземления 52 превышает пороговую величину Zt, работа системы 10 питания изменяется в зависимости от конструкции электрической установки 12, с которой соединено устройство 36 оценки.
Если электрическая установка 12 подключена, например, к зарядной клемме электромобиля, первый и второй прерыватели 50, 52 устанавливаются в разомкнутое положение вычислительным блоком 46, чтобы зарядная клемма была обесточенной.
Если электрическая установка 12 является, например, жилым зданием, сработает система тревожной сигнализации.
seuil
Пороговая величина Zt импеданса заземления 32 составляет от 10 Ом до 500 Ом, и в частности, по существу, равна 100 Ом.
В соответствии с вариантом воплощения, представленном на фиг. 3, устройство 36 оценки содержит средства 42, 44, 46, 56 обнаружения фазного провода 18 из фазного провода 18 и нейтрального провода 20.
Средства 42, 44, 46, 56 обнаружения содержат, например, реле 56 с двумя устойчивыми состояниями, первый и второй датчики 42, 44 и вычислительный блок 46.
Реле 56 имеет два устойчивых состояния. В первом состоянии реле 56 соединяет фазный провод 18 с реле 40. Во втором состоянии реле 56 связывает нейтральный провод 20 с реле 40.
В варианте (не изображенном) реле 56 и коммутатор 40 образованы единым реле с тремя устойчивыми состояниями. В первом состоянии реле соединяет фазный провод 18 с электрическим элементом 38. Во втором состоянии реле соединяет нейтральный провод 20 с электрическим элементом 38. В третьем состоянии электрический элемент 38 изолирован от фазного 18 и нейтрального 20 проводов.
В варианте (не изображенном) реле 56 и коммутатор 40 образованы двумя реле с двумя устойчивыми состояниями, соединенными параллельно. В первом состоянии оба реле связывают, соответственно, фазный провод 18 и нейтральный провод 20 с электрическим элементом 38. Во втором состоянии оба реле разомкнуты и электрический элемент 38 изолирован от фазного провода 18 и нейтрального провода 20.
Первый датчик 42 предназначен для измерения электрического напряжения между фазным проводом 18 и вторым заземляющим проводом 29, а второй датчик 44 предназначен для измерения электрического напряжения между нейтральным проводом 20 и вторым заземляющим проводом 29.
В зависимости от величин напряжений, измеренных первым и вторым датчиками 42, 44, вычислительный блок 46 предназначен для того, чтобы определить фазный провод из двух проводов соответствующих фазному проводу 18 и нейтральному проводу 20.
Функционирование устройства 36 оценки будет ниже объяснено с помощью фиг. 4. Фиг. 4 представляет структурную схему этапов способа 100 оценки импеданса Zt заземления 22, осуществляемого устройством 36 оценки, описанного выше.
На фиг. 4 в процессе первого этапа 110 устройство 36 оценки по изобретению соединено с фазным проводом 18, нейтральным проводом 20 и вторым заземляющим проводом 29 системы 10 питания. Система 10 питания связана, с одной стороны, с электрической сетью 14 с помощью трансформатора 16, и, с другой стороны, с электрической установкой 12, например, зарядным устройством электромобиля или зданием, с помощью фазного провода 18 и нейтрального провода 20. Первый и второй прерыватели 50 и 52 находятся в замкнутом положении.
В процессе этапа 112 средства 42, 44, 46, 56 обнаружения обнаруживают фазный провод 18 из двух соответствующих фазного провода 18 и нейтрального провода 20. Точнее говоря, первый датчик 42 измеряет, например, электрическое напряжение между фазным проводом 18 и вторым заземляющим проводом 29. Если измеряемое напряжение близко к 230 В, речь идет, таким образом, о напряжении между фазным проводом 18 и вторым заземляющим проводом 29 и фазный провод 18, таким образом, определен. Как вариант, второй датчик 44 измеряет электрическое напряжение между нейтральным проводом 20 и вторым заземляющим проводом 29. Если измеренное напряжение близко к 0 В, то речь идет о напряжении между нейтральным проводом 30 и вторым заземляющим проводом 29, так определяют нейтральный провод 20.
Как только фазный провод 18 определен, реле 56 переходит в первое состояние в процессе этапа 114 для того, чтобы соединить электрический элемент 38 с фазным проводом 18.
В процессе этапа 116 коммутатор 40 переводят в разомкнутое состояние, то есть электрический элемент 38 электрически изолируют от фазного провода 18.
0
0
Далее, в процессе этапа 118 первый датчик 42 измеряет напряжение Vpt между фазным проводом 18 и вторым заземляющим проводом 29, и второй датчик 44 измеряет напряжение Vnt между нейтральным проводом 20 и вторым заземляющим проводом 29.
В процессе следующего этапа 120 коммутатор 40 переводят в замкнутое состояние, в котором электрический элемент 38 электрически соединен с фазным проводом 18.
1
1
За этапом 120 в процессе этапа 122 первый датчик 42 измеряет напряжение Vptмежду фазным проводом 18 и вторым заземляющим проводом 29, а второй датчик 44 измеряет напряжение Vnt между нейтральным проводом 20 и вторым заземляющим проводом 29.
0
0
1
1
Затем, в процессе этапа 124 вычислительный блок 46 вычисляет величину Zt импеданса заземления 22, исходя из заданной величины Zc импеданса электрического элемента 38 и величин измеренных напряжений Vpt, Vnt, Vpt, Vnt.
Точнее, закон Ома использован в системе 10питания, когда коммутатор 40 находится в разомкнутом состоянии в соответствии с выражением (1) и когда коммутатор 40 находится в замкнутом состоянии в соответствии с выражением (2):
0
где If является током утечки, когда коммутатор 40 находится в разомкнутом положении:
1
где If является током утечки, когда коммутатор 40 находится в замкнутом положении.
Затем, исходя из выражений (1) и (2), вычислительный блок 46 решает следующую систему (3) двух уравнений с двумя неизвестными:
seuil
seuil
Когда вычисленная величина Zt импеданса превышает величину порога Zt, например, 100 Ом, размыкающий блок 48 управляется разомкнутое положение в процессе этапа 126, то есть когда прерыватели 50, 52 установлены в разомкнутом положении, чтобы разорвать цепь электропитания электрической установки 12 и исключить, таким образом, любой риск поражения электрическим током. Как вариант, электрическая установка 12 остается подключенной к системе 10 питания, но подается сигнал тревоги. Действительно, когда величина Zt импеданса заземления 22 превышает эту пороговую величину Zt, это означает, что корпус электрического аппарата 12 имеет дефект соединения с землей и, таким образом, находится под электрическим потенциалом, опасным для пользователя.
seuil
Таким образом, понятно, что устройство 36 оценки по изобретению позволяет не только оценить импеданс заземления 22, но также разомкнуть соединение между электрической установкой 12 и системой 10 питания, когда измеренная величина импеданса заземления 22 превышает пороговую величину Zt. Устройство 36 оценки позволяет, таким образом, исключить риск поражения электрическим током, вызванным плохим заземлением корпуса электрической установки 12.
Кроме того, использование электрического элемента 38, имеющего импеданс Zc известной величины, позволяет устройству 36 оценки по изобретению осуществить измерения импеданса заземления 22 на нескольких электрических установках одной и той же электрической сети.
Действительно, устройство 36 оценки по изобретению, в противовес устройствам оценки известного уровня техники, подающим напряжение или ток, не вызывает появления дополнительных токов утечки и осуществляет, таким образом, точные измерения импеданса заземления 22, когда оно соединено с несколькими электрическими установками той же сети.
Такое устройство и такой способ позволяют также, в противовес устройствам оценки известного уровня техники, подающим напряжение или ток, оценить импеданс заземления 22, когда электрическая установка соединена с электрической сетью в соответствии с режимом IT.
Устройство 36 оценки по изобретению используется не только на зажимах зарядного устройства электромобиля, но также в зданиях для оценки хорошего соединения электрических устройств с землей.