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专利名称：供电监控系统的制作方法
技术领域：
本申请涉及交流供电监控系统，具体涉及用来监控家庭、商业以及工业用的单相供电中的故障状况。不过，本发明还可适用于监控三相供电中的故障状况。不过为了便于理解本发明，将参考单相供电系统来描述本发明。
背景技术：
遍及澳大利亚和世界上许多地方的单相供电系统包括有效导线和中性导线，该中性导线一般通过连接至遍及配电系统的多个点处(包括用户的开关板)的接地系统来保持于地电位。极性反转是有时会发生而且是供电局和电力用户主要关心的电位故障情况。极性反转可通过反接用户房屋上的电表处或提供进户的供电电极处的中性和有效连接出现。在极性反转故障状况下，当危险的有效电压出现在中性线上、从而使危险的电压电平出现在用户的接地系统上时，极其危险的情况出现。许多接地系统通过水管等连接，这在极性反转故障的情况下将引起极其危险的状况。会对用电方产生危险状况的另一故障情况是中性线失效。例如，如果将用户房屋连接至供电系统的中性线意外地断开，诸如被树等切断该电线，则所有的电流将被迫流向用户的接地系统而不是中性连接。这将在用户的接地上产生有害电压的问题，尤其当接地连接具有比期望更高的电阻时。另一可能的有害故障情况是断线的或高阻的用户接地系统。当前，这样的故障状况仅可通过对用户房屋进行具体故障测试来查明。这样的测试耗时而且昂贵，因此根本很少进行。所指的故障不能被标准的机械电表或室内剩余电流装置(R⑶)检测。因此，期望提供一种能检测用户房屋中存在或出现的预定故障状况。还期望提供一种不需要对用户的开关板或计量表板作出物理改变的检测故障状况的方法和系统。还期望提供一种不断地监控对用户房屋的供电并检测预定故障状况的系统和方法。还期望提供一种在检测到预定的故障状况时适于断开对用户房屋的供电的方法和系统。还期望提供一种可相对简单、容易以及经济地实现的用于检测与对用户房屋的供电相关联的预定故障状况的系统和方法。
发明概述根据本发明的一个方面，提供了一种用于检测与对用户的交流供电相关联的一个或一个以上的预定故障状况的系统，该供电具有有效线和中性线，中性线接地，该系统包括与有效线相关联的第一电流检测器；与中性线相关联的第二电流检测器；电压检测器，其检测有效线与中性线之间的电压；以及有效线中的接触器开关。利用这样的系统，能简单和容易地检测诸如极性反转之类的状况。在有效线中的接触器开关断开的情况下，中性线上检测到的任何电流都表明存在极性反转。优选地在中性线上提供第二接触器开关，以在检测到极性反转时能将中性线从供电断开。有效线与中性线中的任一个或两个中的接触器开关可由供电局控制。因此，如果在有效连接上的接触器断开的情况下在中性连接上检测到电流，则供电局可断开中性接触器开关。本发明的系统还可检测其它故障，诸如中性线断线、用户接地连接断线、低压供电线路中有效线与中性线之间的短路、以及有效线与用户接地之间的短路。因此，对于断线的中性线，有效线上的所有输入电流将通过用户的接地连接流出用户的设备。因此，无电流流过用户的中性线，因而该中性线上的电流检测器将显示零电流。同样，通过测量有效线与中性线上的电流可检测断线的用户接地。在正常极性期间，中性电流将始终小于有效线上的电流，这是因为小百分比的电流会通过具有5到70欧姆之间的电阻的用户接地返回。因此，如果有效和中性电流相等，则这意味着接地中断，需
要进一步作调查。本发明的系统还可检测其它故障状况。根据本发明的另一方面，提供了一种用于检测与对用户的交流供电相关联的一个或一个以上的预定故障状况的方法，该供电具有有效线和中性线，中性线接地，该方法包括以下步骤提供与有效线相关联的第一电流检测器；提供与中性线相关联的第二电流检测器；提供电压检测器，以检测有效线与中性线之间的电压； 检查中性电流对有效电流的电流比，藉此该电流比指示预定的故障状况。在使用本发明的此方法时，没有任何故障的正常连接将显示出小于I的电流比，这是因为中性电流将始终小于有效线上的电流的事实，如上所述。然而，如果存在极性反转连接，则中性线上的电流将在接地与有效线之间分开，因此有效线上的电流将小于中性线上的电流。因此该比例将大于I。如上所述，如果在系统上存在中性线断线，则有效线上的所有输入电流将通过接地流出，因此在中性线上将呈现零电流。因此，该电流比将为零。在极性正�：陀没Ы拥囟舷叩那榭鱿拢�如果有效线上的所有输入电流通过中性线流出，则电流比将等于I。同样，在极性反转和用户接地断线的情况下，中性线上的所有输入电流将通过用户的有效线流出，因此该比例也等于I。
当供电进户线上的有效线与中性线之间存在短路时，供电电流的绝大部分将通过中性线返回，小部分将通过用户的接地返回。这将迫使中性线上的电流按照中性线上相反的方向流过用户的计量表。无电流流过用户计量表中的有效线，因此电流比将等于负无穷。虽然上述测试将提供关于预定故障状况存在的可靠指示，但还可使用进一步的直接电阻测试来测量用户的接地电阻和LV (低压)进户线中性电阻。可执行另一测试以检查供电电压是否在预定可接受的范围内，藉此如果电压降落至预设最小值以下则断开用户。优选地该方法还包括在有效线中设置接触器开关，以使供电局能远程断开用户。还可在中性线中设置第二接触器开关。根据本发明的另一方面，提供了一种检查被供电的用户房屋中的有效与中性供电线的状况的方法，包括以下步骤在预定时间测量有效线和中性线上的供电电压；在预定时间测量有效线和中性线的每一个中的电流； 在开关事件之后测量供电电压以及有效线和中性线中的每一个电流，所述开关事件包括增加或减少负载；以及确定有效线的阻抗和中性线的阻抗，以指示有效线与中性线的每一个的状况。附图简述为了更容易地理解本发明，现将参考附图描述多个实施例。

图1是示出对用户的正常供电的示意性电路图；图2是示出正常电流的简化电路图；图3是示出极性反转的连接的电路示图；图4图解地示出根据本发明的实施例的电表的特征；图5图解地示出采用图4的计量表的反转极性电路；图6是示出所描述实施例的电路示图；图1是示出卡森方程(Carson’ s Equation)的简化版本的示图；图8是示出卡森方程的修改版本的示图；图9和10是不同中性电阻值的电流比与接地电阻的曲线图；以及图11至14是不同中性和有效电阻值的组合中性和有效阻抗与接地电阻的曲线图。优选实施例的详细描述参考附图，现有的机械电表不能检测中性连接的完整性、用户的接地或极性反转。不过，随着电子电表(EEM)的引入，这已成为可能。虽然有可能完全重新设计能检测所述故障状况的电表和开关板，这些改变的成本也是不现实的。因此，已经设计出本发明的实施例，其利用现有的电表和开关板来避免或最小化任何物理改变。图1示出了现有的至供电系统的用户电连接。电表12连接至有效线14和从供电局配电系统延伸出的中性线16。进户保险丝17 —般位于用户房屋外的电线杆等之上，其提供主进户保护。电表12具有用来检测流过电表12的电流的低阻抗电流线圈18和用来检测有效线一中性线两端的电压的高阻抗电压线圈19。由于供电为交流电，因此电流双向地流过用户的开关板21，该开关板21 —般包括剩余电流装置(RCD) 20，不过不是所有电路都这样被保护。因此，如果在用户房屋中出现接地故障，则能流将顺着虚线23流至地连接22。如图2可见，在一般的极性连接中，电流(在电压循环的正半周期间)沿箭头方向。中性线16通过用户的开关板21以及外部地通过供电网(未示出)接地。因此，假定简单的负载24、240伏的供电电压、负载两端的电压降是240伏，假定中性线16的阻抗为零。名义上将没有电流流过用户的接地，然而实际上，在接地连接通常具有5欧姆(ohm)到70欧姆之间的电阻的情况下，小电流将流过地连接22。当然，在负电压循环部分，电流按相反方向流动。参考图3，图解地示出了反转的极性连接，藉此有效线14连接至用户的中性线16a。因为供电局的中性线16在点B处接地，所以在用户的中性线16a上将呈现全供电电压(240伏)。因此，负载24两端呈现的电压将是240伏且电流按照箭头的方向流动，而且地连接22两端的电压也将是240伏，从而导致电流如图所示地流向接地。因此这样的反转极性连接可能将240伏引入用户的地连接22，从而引起极其有害和可能致命的状况。另一可能的有害故障状况是断线的中性连接16或16a，这迫使所有负载电流流过用户的接地而不是中性连接。在这样的故障的情况下，用户可能不会注意到任何用电差异，而且现有的电表将不会检测到此故障状况。新的电子电表在中性线16a上设置有第二电流线圈26 (图4)。此电流线圈的目的是检测窃电，而且用来确保有效线14上的电流大于中性线16上的电流。新计量表还包括有效线14上的接触器开关27。此接触器开关27能由供电公司远程操作，以在检测到故障状况时、检测到欺诈行为时、或要求配电公司断开用户时远程断开对房屋的供电。根据本发明的优选实施例，电表12在中性线16a中设置有第二接触器开关28。第二接触器开关28优选地可远程操作，不过它也可以是在检测到极性反转状况时启动的开关，在检测到极性反转状况时必须将有效供电从用户的中性线16a断开。利用图4中所示的变体，当用户第一次连接至供电时，在初始“启动”期间可检测到极性反转连接。如图5所示，该测试涉及打开有效接触器开关27，并利用第二电流线圈26检查中性线16a中电流的存在。如果检测到电流，则表明存在极性反转连接，且第二接触器开关28立即打开以将用户房屋从供电系统完全断开。当然，如果无电流流过第二电流线圈26，则不存在极性反转。应当理解的是，当存在极性反转状况时，来自有效供电的电力直接流向用户的中性线16a并流过用户的地线22。虽然检测极性反转状况的此方法简单且容易实现，但它不具有检测中性线16和16a或用户地线22的完整性的能力。因此，设计了用来在活动电力连接的情况下实时检测此类故障状况的第二种方法。该方法将能检测极性反转；中性线断线；用户地线断线；LV供电(连接的供电局侧)中有效线与中性线之间的短路；有效线与地线之间的短路。该方法涉及比较有效线14上的电流与中性线16a上的电流之比。如图6所示，而且注意在以下描述中建模的电路特性演示了处于正循环的交流输入电压，不过其结果对全循环交流输入也有效，供电电压源31向用户房屋提供标准的240伏。在接触器开关27和28闭合的情况下，测量并比较流过电流线圈18和26的电流。在正常极性期间，中性电流将始终小于有效线上的电流。这是因为小百分比的电流将始终通过用户的地线返回。因此，电流比1 /\小于I。如果存在极性反转故障状况，则中性线16a上的输入电流将在地线与有效线14之间分流。因此，中性线16a上的电流将始终大于有效线14上的电流。因此，比例^/^大于I。当系统上存在中性线断线状况时，有效导线14上的全部输入电流将通过用户的地线22流出用户的敷设装置。因此，无电流通过用户的中性线流出，且电流比In/Ia将等于零。在用户地线断线的故障状况下，在正常连接极性的情况下，有效线14上的所有输入电流将通过中性线16a流出，因此电流比In/Ia将等于I。在极性反转故障状况期间用户地线断线的故障状况下，中性线16a上的所有输入电流将通过用户的有效线14流出，因此电流比1 /\也将等于I。由电流比I指示的两种用户地线断线故障状况都需要立即调查，而且可通过接触器开关27和28中的任一个或两个的远程激活来断开用户供电，直到调查确定并校正故障状况。(还可在计量表上示出可视指示器)。在包括有效线14与中性线16之间的短路的故障状况时，在用户计量表12的上游，供电电流的绝大部分将通过中性线16a返回，而小部分将通过用户地线返回。这将迫使中性线上的电流按照相反的方向流过中性线上的用户计量表。将没有电流流过计量表的有效线14，因此电流比将是负无穷。在包括供电局的LV进户线上有效线与地线之间的短路的故障情况下，在用户计量表12的上游，供电电流 的绝大部分将通过中性线返回，而小部分将通过用户地线22返回。这将迫使中性线上的电流按照正方向流过中性线上的计量表，而将无电流流过计量表的有效线14。因此电流比将等于无穷。根据本发明的另一实施例，根据电路的特性，当它显示出其中性线完整性可被估定为其电阻接近I欧姆(最大允许电阻)时，可使用高级电流比测试。参考图6，将可以看出的是，当中性线16a的电阻从O增大至无穷，电流比将从I减小至O。因此，在此范围中的某些点处，当中性线电阻值等于I欧姆时，可确定特定的比例。然而，用户的接地连接22不是固定值，而且可能在约5欧姆与70欧姆之间变化。需要注意的是，为满足用电标准的要求，用户地线电阻应当小于70欧姆而且中性线电阻应当小于I欧姆。基于土壤状况，假定用户地线电阻始终大于5欧姆。为了从数学上解决此问题，必须使用卡森方程。卡森方程对具有通过地面的返回路径的长的平行架空导线建模。由于电流通过地面行进的高阻抗，电流的绝大部分被迫通过中性线返回。 卡森方程在数学上对此情况建模。简化的卡森方程图7示出简化的卡森方程示图。利用图7，假定导线q是地线，可使用卡森方程来求解上述平行线。
权利要求
1.一种检查被供电的用户房屋中的供电和返回线导通状况的方法，包括以下步骤 在预定时间测量有效线中的电流； 在预定时间测量有效线和中性线或接地导体之间的供电电压； 在开关事件之后测量所述有效线中的电流； 并且在预定时间及所述开关事件之后测得的电流之差超过已知基准的情况下，测量所述开关事件之后有效线和中性线或接地导体之间的供电电压； 接着，利用在所述预定时间及所述开关事件之后测得的有效线和中性线或接地导体之间的电压确定用户房屋中的回线阻抗；以及 利用所确定的回线阻抗的值来指示供电及返回线导体的状况。
2.如权利要求1所述的方法，其中确定回线阻抗的步骤涉及利用在预定时间及所述开关事件之后所测得的电压的比率，以及利用包含在所述开关事件中的阻抗的已知值。
3.如权利要求1所述的方法，其中确定回线阻抗的步骤包括利用在预定时间测得的电压及所述开关事件之后测得的电压之差与在预定时间及所述开关事件之后测得的电流之差的比率。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述开关事件是增加或去除负载。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述开关事件是开关开启或关闭所述用户房屋中的设备。
6.如权利要求1所述的方法，其中利用所确定的回线阻抗的值来指示有效线和中性线中每一个的状况的步骤包括 利用大于阈值的所确定的回线阻抗的值来指示“中性线退化故障”； 利用大于阈值的所确定的回线阻抗的值来指示“有效线退化故障”；以及 利用将小于阈值的所确定的回线阻抗的值来指示“系统正常”。
7.如权利要求1所述的方法，还包括在预定时间和开关事件之后测量中性线的电流。
8.如权利要求1所述的方法，还包括存储供电/电表电压和有效线及中性线电流的历史数据。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述用户的电表没有断线。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述方法是实时执行的。
全文摘要
本发明涉及供电监控系统，记载了一种用于检测与对用户的交流供电相关联的预定故障状况的方法，该供电具有有效线与中性线，其中中性线接地。该方法包括提供与有效线相关联的第一电流检测器；提供与中性线相关联的第二电流检测器；提供电压检测器以检测有效线与中性线之间的电压；以及检查中性电流与有效电流的电流比，藉此该电流比指示预定故障状况。还公开了一种检查被供电的用户房屋中的有效和中性供电线的状况的方法，包括确定有效线的阻抗与中性线的阻抗以指示有效线与中性线中的每一个的状况。
文档编号G01R31/02GK103048578SQ20121021914
公开日2013年4月17日 申请日期2007年11月23日 优先权日2006年11月24日
发明者K·N·爱德华兹 申请人:杰米那资产管理(6)有限公司