用于检测分支AC电源系统中的定位电流的磁场测量设备和方法技术方案

本发明专利技术涉及用于检测分支AC电源系统中的定位电流的磁场测量设备和方法。此外，本发明专利技术涉及根据本发明专利技术的磁场测量设备作为用于检测绝缘故障定位系统的测试电流的设备的使用。通过组合具有不同磁场测量灵敏度和不同磁场测量范围的两个电流传感器，能够通过构造简单且成本有效的实现，特别是作为对现有系统的改装，来实现对绝缘故障定位系统中的定位电流的可靠检测。

Magnetic field measuring equipment and method for detecting positioning current in branch AC power supply system

【技术实现步骤摘要】
用于检测分支AC电源系统中的定位电流的磁场测量设备和方法
本专利技术涉及用于检测分支AC电源系统中的定位电流的磁场测量设备和方法，其中具有电源频率的负载电流流经该AC电源系统的待测试线路区段并且定位电流具有低于电源频率的频率。此外，本专利技术涉及根据本专利技术的磁场测量设备作为用于检测绝缘故障定位系统的定位电流的设备的使用。
技术介绍
首先，下面以不接地电源系统为例，示出绝缘故障定位系统的重要性以及由此产生的检测定位电流的必要性。但是，本专利技术不限于不接地电源系统，并且一般可以用于需要检测定位电流的任何应用的高电阻或低电阻的接地电源系统中。为了提高对操作、火灾和接触安全的要求，使用不接地电源系统的网络结构，该系统也称为隔离网络(法语：IsoléTerre–IT)或IT电源系统。使用这种类型的电源系统，网络的有效部分与接地电位断开(与地面隔离)，或者经由高电阻阻抗接地。这种网络的优势在于，当发生诸如接地故障或主体故障之类的绝缘故障(第一故障)时，连接的电负载的功能不会受到损害，因为由于理想地无限大的阻抗值，在网络的有效导体和地面之间可以不形成闭合的故障电流电路。因此，当发生第一绝缘故障时，通过不接地电源系统的这种固有安全性，甚至可以保证由不接地电源系统馈送的对负载的连续电源供应。因此，必须始终监视不接地电源系统对地面的电阻(绝缘电阻–在发生故障的情况下，还称为绝缘故障电阻或故障电阻)，因为在另一个有效导体上的可能附加故障(第二故障)的情况下，会发生故障回路，并且与过电流保护设备相结合，产生的故障电流会引起系统停机和运行停止。如果始终通过绝缘监视设备(IMD)监视不接地电源系统的绝缘的状态，那么即使发生第一故障，也可以在没有规定的时间限制的情况下连续操作不接地电源系统，但是建议尽快消除第一故障。为了满足快速消除第一故障的要求，如产品标准IEC61557-9中所描述的绝缘故障定位系统/绝缘故障定位设备(IFLS)的使用代表了最新技术水平，特别是在扩展的、分支广泛的不接地电源系统中。绝缘故障定位系统基本上包括测试电流生成器和数个测试电流传感器，大多数被实现为测量电流互感器，它们连接到绝缘故障定位系统的评估单元，用于评估测量信号。如果不接地电源系统中的绝缘监视设备检测到第一绝缘故障，那么通过测试电流生成器开始绝缘故障跟踪，测试电流生成器生成测试电流并将其作为定位电流在一个或数个有效导体与地面之间的中央位置处馈入不接地电源系统。形成闭合的测试电流电路，其中定位电流从测试电流生成器流到携带电压的有效导体、绝缘故障并经由接地连接流回到测试电流生成器。故障位置的定位是通过测试电流传感器检测不接地电源系统中的定位电流来实现的，其中测试电流传感器固定地指派给每个要监视的线路区段，因此测试电流(定位电流)的路径是可跟踪的。定位电流由位于定位电流电路(测试电流电路)内的所有测试电流传感器检测，并在绝缘故障定位系统的评估单元中进行评估和指示。因为知道哪个测试电流传感器被指派给哪个线路区段，所以可以定位故障位置。特别是对于已经存在的电气系统，对这种绝缘故障定位系统的扩展或改造能力的需求不断增加。在现有系统中批准这种绝缘故障跟踪设备的决定性因素是可以在成本和努力方面进行有利升级的可能性。为了满足这些基本要求，需要具有以下特征的用于检测定位电流的测试电流传感器技术：-体积小巧、紧凑并且适合在现有系统中用狭窄、难以获得的电缆布线进行改装，而无需重建电缆，-输入功率非常低，以便允许在没有电源连接(插座)的地方进行改装，-非常高的磁场测量灵敏度(在几mA范围内)，用于检测为故障定位馈入的测试电流，其中，由于系统泄漏电容的常规尺寸，定位电流的频率通常在明显低于10Hz的范围内；-高达几百A的范围的电源频率负载电流的不间断故障定位；-对于kA范围内的短路电流，没有破坏作用或明显的饱和作用，-与常规的故障定位方法相比，传感器的成本以及故障定位系统的其余部分的成本必须提供明显的经济优势。迄今为止，根据现有技术，还没有包括所有前述特征的电流测量概念。用于检测定位电流的已知测量方法具有以下缺点：-对于大多数应用场合，采用分流电阻器进行非隔离式测量不作为改装解决方案被接受，因为为此必须完全重建电气系统。此外，对于高负载电流产生的高功耗是另一个不期望的特征。-根据Rogowski原理的电流互感器可以被轻松改装，但是对于低于10Hz的频率，它们无法在mA范围内提供所需的高磁场测量灵敏度。-可以设计具有高导磁率软磁芯和具有小气隙的构造形式的电流互感器，以便对于低于10Hz的频率达到在mA范围内的高磁场测量灵敏度。仅当使用剩余电流互感器形式的电流传感器时，才可以实现高达100A的范围的电源频率负载电流的无故障故障定位。但是，在这种情况下，为了电缆安装必须满足某些条件，这要求控制柜中的明显更大的组装空间，这就是为什么在实践中很少发现它们处于理想状态的原因。尤其是对于较大的负载电流，需要具有更大铁芯体积的剩余电流互感器。这极大地增加了现有系统的改装难度，并导致某些应用超出合理的经济限制。对于在kA范围内的更大的短路电流，预期出现饱和效应，并且在不采取其它措施的情况下也会引起破坏。-带有磁通门感应传感器的根据补偿原理的零磁通互感器理想地满足了计量要求。但是，为了在高负载电流下维持功能并最小化大短路电流的负面影响，与电流互感器或剩余电流互感器相比，需要付出更大的努力。除了成本大大提高外，与大的、高导磁率芯相关的补偿原理还需要为传感器提供更多的电源。因此，对于许多应用而言，与电流互感器或剩余电流互感器相比，改装甚至更加困难。-使用其它磁场传感器(诸如霍尔效应传感器或GMR(巨磁阻)传感器)的根据补偿原理的电流互感器很少满足对于极高动态范围的计量要求。对于所需的高动态范围，这个解决方案的成本太高，无法用于所考虑的应用。如果由于上面提到的原因而使得与由合格的电工进行的手动故障检测相比，改装故障定位系统的工作没有经济上的优势，那么迄今为止尚未使用故障定位系统，而是使用手动故障检测。这种连接方式中的主要缺点是，利用手动故障检测，在电气系统中发生的第一绝缘故障持续更长的时间，因为故障定位比由故障定位系统提供的绝缘故障跟踪要花费更长的时间。此外，手动故障跟踪常常会给合格的电工带来附加的风险。例如，对于在光伏系统中未安装绝缘故障定位系统的手动故障跟踪，在最坏的情况下必须在带电设备上进行工作。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是创建一种测试电流传感器技术，用于检测用于AC电源系统中的绝缘故障定位系统的定位电流，该技术可以成本有效且容易地进行改装。该目的是通过具有权利要求1的特征的磁场测量设备来实现的。磁场测量设备包括安装在待测试线路区段上的电流传感器布置，电流传感器布置包括第一电流传感器、第二电流传感器和补偿线圈。补偿线圈生成补偿磁场，该补偿磁场在第一电流传感器的检测范围内形成并且引起仅在第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁场测量设备(2)，用于检测分支AC电源系统中的定位电流(Ip)，其中/n具有电源频率的负载电流(IL)流经AC电源系统的待测试的线路区段(4)，并且定位电流(Ip)具有低于电源频率的基频，/n磁场测量设备(2)具有安装在待测试的线路区段上的电流传感器布置并且包括第一电流传感器(S1)、第二电流传感器(S2)和补偿线圈(Ak)，补偿线圈(Ak)生成在第一电流传感器(S1)的检测范围内起作用并部分地补偿由负载电流(IL)引起的电源频率交变磁场(BL)的补偿磁场(Bk)，以及/n磁场测量设备(2)具有第一信号处理块(V1)、第二信号处理块(V2)和补偿块(Vk)，其中/n第一电流传感器(S1)和第二电流传感器(S2)被布置成使得，除了补偿磁场(Bk)之外，第一电流传感器(S1)还检测由定位电流(Ip)引起的作为部分补偿的磁场(B1)的交变磁场(BL)和共模磁场(Bp)，并且由补偿线圈(Ak)生成的补偿磁场(Bk)对第二电流传感器(S2)的影响是可忽略的，第二电流传感器(S2)因此仅检测由定位电流(Ip)引起的交变磁场(BL)和共模磁场(Bp)作为结果磁场(B2)，其中/n第一信号处理块(V1)从由第一电流传感器(S1)生成的第一传感器输出信号(xs1)生成指示定位电流(Ip)的定位信号(xp)，/n第二信号处理块(V2)从由第二电流传感器(S2)生成的第二传感器输出信号(xs2)生成与结果磁场(B2)对应的交流电压信号(xs)，以及/n连接在第二信号处理块(V2)下游的补偿块(Vk)从交流电压信号(xs)生成馈入补偿线圈(Ak)的补偿电流(Ik)，以及其中/n第二信号处理块(V2)具有用于接收同步信号(xsync)的信号输入，以便将期间检测定位电流(Ip)的指定的测量周期(Tm)与交流电压信号(xs)同步，以及其中/n电流传感器(S1，S2)被设计为使得第二电流传感器(S2)具有比第一电流传感器(S1)低的磁场测量灵敏度并且具有更大的磁场测量范围，这是仅进行部分补偿达到部分补偿的磁场(B1)不超过第一电流传感器(S1)的磁场测量范围的程度的原因。/n...

【技术特征摘要】
20181203 DE 102018130690.31.一种磁场测量设备(2)，用于检测分支AC电源系统中的定位电流(Ip)，其中
具有电源频率的负载电流(IL)流经AC电源系统的待测试的线路区段(4)，并且定位电流(Ip)具有低于电源频率的基频，
磁场测量设备(2)具有安装在待测试的线路区段上的电流传感器布置并且包括第一电流传感器(S1)、第二电流传感器(S2)和补偿线圈(Ak)，补偿线圈(Ak)生成在第一电流传感器(S1)的检测范围内起作用并部分地补偿由负载电流(IL)引起的电源频率交变磁场(BL)的补偿磁场(Bk)，以及
磁场测量设备(2)具有第一信号处理块(V1)、第二信号处理块(V2)和补偿块(Vk)，其中
第一电流传感器(S1)和第二电流传感器(S2)被布置成使得，除了补偿磁场(Bk)之外，第一电流传感器(S1)还检测由定位电流(Ip)引起的作为部分补偿的磁场(B1)的交变磁场(BL)和共模磁场(Bp)，并且由补偿线圈(Ak)生成的补偿磁场(Bk)对第二电流传感器(S2)的影响是可忽略的，第二电流传感器(S2)因此仅检测由定位电流(Ip)引起的交变磁场(BL)和共模磁场(Bp)作为结果磁场(B2)，其中
第一信号处理块(V1)从由第一电流传感器(S1)生成的第一传感器输出信号(xs1)生成指示定位电流(Ip)的定位信号(xp)，
第二信号处理块(V2)从由第二电流传感器(S2)生成的第二传感器输出信号(xs2)生成与结果磁场(B2)对应的交流电压信号(xs)，以及
连接在第二信号处理块(V2)下游的补偿块(Vk)从交流电压信号(xs)生成馈入补偿线圈(Ak)的补偿电流(Ik)，以及其中
第二信号处理块(V2)具有用于接收同步信号(xsync)的信号输入，以便将期间检测定位电流(Ip)的指定的测量周期(Tm)与交流电压信号(xs)同步，以及其中
电流传感器(S1，S2)被设计为使得第二电流传感器(S2)具有比第一电流传感器(S1)低的磁场测量灵敏度并且具有更大的磁场测量范围，这是仅进行部分补偿达到部分补偿的磁场(B1)不超过第一电流传感器(S1)的磁场测量范围的程度的原因。


2.如权利要求1所述的磁场测量设备，其特征在于，
第二信号处理块(V2)被设计为使得生成的交流电压信号(xs)在测量周期(Tm)期间持续保持不变，其中测量周期(Tm)在定位电流(Ip)的数个周期(Tp)上延伸。


3.如权利要求1或2所述的磁场测量设备，其特征在于，
第二信号处理块(V2)具有用于在第一电流传感器(S1)的磁场测量范围过载的情况下生成过载信号(xov)的过载检测(10)。


4.如权利要求1至3中任一项所述的磁场测量设备，其特征在于，
补偿块(Vk)具有用于调整补偿电流(Ik)的调整电路(12)和用于接收由第二信号处理块(V2)生成的调整信号(xad)的信号输入。


5.如权利要求1至4中任一项所述的磁场测量设备，其特征在于，
第一信号处理块(V1)被设计为生成精细补偿信号(xf)，精细补偿信号(xf)被提供给补偿块(Vk)，用于交变磁场(BL)的精细补偿。


6.如权利要求1至5中任一项所述的磁场测量设备，其特征在于，
补偿线圈(Ak)是其绕组被实现为电路板(10)上的导电路径并且具有由铁氧体制成的平面芯(14)的平面线圈。


7.如权利要求6所述的磁场测量设备，其特征在于，
平面芯(14)同心地具有气隙(16)，第一电流传感器(S1)布置在气隙中。

【专利技术属性】
技术研发人员：迪科尔·哈克尔，
申请(专利权)人：本德尔有限两合公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE