СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ НЕИСПРАВНОСТИ В ОБРАТНОЙ ЛИНИИ НЕЙТРАЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ Российский патент 2013 года по МПК G01R31/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к мониторингу и/или детектированию неисправностей в линиях питания сети распределения электропитания. В частности изобретение относится к детектированию неисправности, такой как разрыв или неравномерность импеданса в линии питания электрической сети, когда может возникнуть потенциал напряжения, который может привести к угрозе получения электрического удара человеком с возможными травмами или смертью.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В электроэнергетике обычно используют систему возврата через землю для обеспечения защищенного пути протекания в случае неисправности. Ток в системе обычно протекает между активной линией и обратной нейтралью. Система позволяет току протекать между активной линией и возвратом через землю при возникновении неисправности оборудования, подключенного к системе.

Из-за того, что ток может протекать по одному из двух контуров (нейтраль или земля) разрыв или неравномерность импеданса в одном контуре может долго оставаться недетектированной без какого-либо указания опасности, пока второй контур (нейтраль или земля) также не станет дефектным.

Например, высокий импеданс или разрыв в линии нейтрали или проводе может позволить току протекать между активной линией и землей. Однако, путь возврата через землю может стать неэффективным или дефектным со временем из-за некоторых факторов, включая высыхание почвы, неисправное соединение или повреждения кабеля вследствие водопроводно-канализационных работ и т.п. Когда путь возврата через землю неисправен, ток может протекать в землю через другие линии, как трубы водоснабжения и ливневая канализация, или может вообще не протекать. Последнее может вызвать рост потенциала напряжения выше потенциала земли и создать опасность поражения электрическим током с возможными травмами или смертью.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является, по меньшей мере, смягчение недостатков сложившейся ситуации.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения предложено устройство для детектирования разрыва или неравномерности в обратной линии нейтрали сети распределения электропитания, содержащей обратную линию нейтрали, активную линию и возврат через землю, причем устройство содержит:

средство для измерения изменения напряжения, связанного с преднамеренным переключением известного импеданса в электрической сети, причем изменение напряжения вызвано разрывом или неоднородностью импеданса в обратной линии нейтрали;

средство для выполнения алгоритма идентификации разрыва или неоднородности импеданса в присутствии допустимых изменений номинального напряжения питания в электрической сети, включая изменения напряжения в результате операций в сети, которые имитируют или скрывают разрыв или неоднородность импеданса в обратной линии нейтрали; и

средство для сравнения результата измерения с эталоном для обеспечения указания разрыва или неоднородности импеданса.

Алгоритм может быть реализован для выделения сети, которая содержит обратную линию нейтрали, из сети, которая не содержит обратную линию нейтрали, при наличии аномалий в напряжении питания. Эталон может быть выбран для выделения сети, которая содержит обратную линию нейтрали, из сети, которая не содержит обратную линию нейтрали. Эталон может содержать образцы данных, полученные с множества участков, где сеть не содержит обратную линию нейтрали. Эталон может содержать образцы данных, полученные с множества участков, где сеть содержит обратную линию нейтрали.

Устройство может содержать средство для измерения изменения напряжения в сети, включая изменение напряжения, вызванное произвольным или естественным переключением импедансов в сети. Устройство может содержать средство для измерения изменения напряжения в сети, включая изменение напряжения, вызванное преднамеренным переключением известного импеданса в электрической сети. Средство для измерения может содержать аналогово-цифровой преобразователь. Средство для сравнения может содержать микропроцессор и память для хранения данных, связанных с эталоном. Указание может содержать звуковую и/или визуальную сигнализацию и/или электрический сигнал.

Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения предложен способ детектирования разрыва или неравномерности в обратной линии нейтрали сети распределения электропитания, содержащей обратную линию нейтрали, активную линию и возврат через землю, причем способ содержит этапы, на которых:

измеряют изменение напряжения, связанное с преднамеренным переключением известного импеданса в электрической сети, причем изменение напряжения вызвано разрывом или неоднородностью импеданса в обратной линии нейтрали;

выполняют алгоритм идентификации разрыва или неоднородности импеданса в присутствии допустимых изменений номинального напряжения питания в электрической сети, включая изменения напряжения в результате работы сети, которые имитируют или скрывают разрыв или неоднородность импеданса в обратной линии нейтрали; и

сравнивают результат измерения с эталоном для обеспечения указания о разрыве или неоднородности импеданса.

Настоящее изобретение может детектировать разрыв или неравномерность импеданса в обратной линии нейтрали или проводе или пути возврата через землю. Настоящее изобретение может детектировать разрыв или неравномерность на стороне потребителя. Настоящее изобретение может детектировать разрыв или неравномерность посредством осуществления мониторинга и/или измерения изменения или падения напряжения в электрическом контуре, связанном с сетью. Изменение или падение напряжения может быть связано с преднамеренным переключением известного импеданса в электрическом контуре. Изменение или падение напряжения может быть вызвано разрывом или неравномерностью импеданса в обратной линии нейтрали. Настоящее изобретение может содержать алгоритм, который может идентифицировать разрыв или неравномерность импеданса в обратной линии нейтрали. Алгоритм может различать допустимые изменения «номинального напряжения питания» так же, как и изменения напряжения, включая скачки, провалы, пики и т.п., характерные для нормальной работы сети, которые могут либо имитировать, либо скрывать разрыв или неравномерность импеданса в обратной линии нейтрали.

Электрические свойства, также как и физические размеры и характеристики электрических контуров, в которых образуются разрыв или неравномерность в линии нейтрали или проводе, могут отличаться от тех, что присутствуют в электрических контурах, которые составляют неповрежденную линию нейтрали или провод.

При стабильном напряжении питания ожидаемое изменение или падение напряжения в контуре может зависеть от последовательных и параллельных сопротивлений в контуре, импеданса обратной линии нейтрали и импеданса пути возврата через землю. При условии разрыва или неравномерности импеданса в нейтральном проводе ожидаемое изменение или падение напряжения может зависеть в основном от значения импеданса пути возврата через землю и будет в общем случае измеримо больше, чем в случае неповрежденной нейтрали.

Измерение изменения или падения напряжения в линии в результате изменения импеданса в сети может быть использовано для указания разрыва или неравномерности импеданса а линии питания сети распределения электропитания. Измеряемые изменения или падения могут быть вызваны естественно возникающим произвольным переключением импедансов в электрической сети, или могут быть вызваны преднамеренным или запланированным переключением импеданса в электрической сети.

Поскольку импеданс обратной линии нейтрали или провода в общем случае меньше, чем импеданс пути возврата через землю, присутствие потенциала напряжения при условии высокого импеданс возврата через землю может привести к опасности поражения электрическим током с возможными травмами или смертью. Последняя ситуация может быть детектирована посредством сравнения изменения или падения напряжения для данного импеданса с эталоном. Эталон может представлять изменение или падение напряжения, которое бы ожидалось, когда обратная линия нейтрали не повреждена, или когда обратная линия нейтрали не повреждена, но имеет неравномерность импеданса.

Настоящее изобретение включает в себя устройство для детектирования разрыва или неравномерности в линии питания сети распределения электропитания. Разрыв или неравномерность могут присутствовать где-либо между трансформатором питания и точкой соединения устройства и сети распределения питания. Устройство может быть установлено как отдельное устройство в помещении потребителя в традиционном месте таком, как розетка (GPO) общего назначения или распределительный щит, или оно может быть связано или интегрировано с GPO или оборудованием учета, установленным у потребителя поставщиком электричества.

Устройство может быть выполнено с возможностью различать контуры, имеющие неповрежденную обратную линию нейтрали, и контуры, имеющие разрыв или неравномерность в обратной линии нейтрали. Устройство может измерять изменение или падение напряжения в линии, вызванные изменением импеданса в электрической сети. Изменение или падение напряжения может быть использовано для указания изменения импеданса электрического пути возврата в электрической сети. Измеренные изменения или падения напряжения могут быть вызваны произвольным переключением импедансов, производимым в электрической сети, или могут быть вызваны преднамеренным или запланированным переключением импеданса устройством в связанном контуре.

Сети распределения электропитания обычно обеспечивают электроэнергию с определенным «номинальным напряжением питания», которое может варьироваться между допустимыми верхней и нижней границей. В дополнение к этим допустимым вариациям «номинального напряжения питания» существуют изменения напряжения (скачки, провалы, пикм и т.п.), вызванные нормальной работой сети.

Они включают в себя подъемы и падения напряжения из-за различных факторов, включая нагрузки, размещенные в локальной или распределительной сети, перегрузки трансформаторов, перключателей, удары молнии, работу автоматов повторного включения и т.п.

Поскольку естественно возникающие провалы и пики напряжения в напряжении питания могут привести к падениям или росту напряжения, которые могут имитировать и скрывать разрыв или неравномерность импеданса в обратной линии нейтрали, устройство может содержать алгоритм, который может минимизировать воздействие таких аномальных эффектов путем надежного детектирования разрыва или неравномерности импеданса в нейтральной линии питания. Таким образом, алгоритм может обеспечивать возможность идентификации разрыва или неравномерности импеданса нейтральной линии питания в условиях аномального напряжения.

Устройство может содержать средство, такое, как звуковой или визуальный сигнал или предупреждение, для сообщения потребителю и/или третьей стороне, что обратная линия нейтрали или провод могут содержать разрыв или неравномерность.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает упрощенную схему типичной неповрежденной установки;

Фиг.2 изображает схему неисправной установки;

Фиг.3 изображает схему локальной сети, содержащей неповрежденную обратную линию нейтрали;

Фиг.4 изображает схему локальной сети, содержащей разорванную обратную линию нейтрали;

Фиг.5 изображает диаграмму нормальных изменений «номинального напряжения», включая произвольно возникающие провалы и пики;

Фиг.6 изображает блок-схему устройства для детектирования разрыва в системе распределения электропитания;

Фиг.7 изображает блок-схему одной формы устройства согласно настоящему изобретению;

Фиг.8 изображает блок-схему последовательности операций одной формы активного тестирования напряжения и пассивного тестирования напряжения;

Фиг.9 изображает блок-схему подпроцесса самопроверки;

Фиг.10 изображает блок-схему подпроцесса активного тестирования напряжения;

Фиг.11 изображает блок-схему подпроцесса пассивного тестирования напряжения;

Фиг.12a и 12b изображают схему одной формы устройства согласно настоящему изобретению;

Фиг.13 изображает блок-схему последовательности операций алгоритма для основной системы управления;

Фиг.14a изображает блок-схему последовательности операций алгоритма для 8 мс некритических функций;

Фиг.14b изображает блок-схему последовательности операций алгоритма для 250 мс некритических функций;

Фиг.15a изображает блок-схему последовательности операций первой половины алгоритма для 1-секундных некритических функций;

Фиг.15b изображает блок-схему последовательности операций второй половины алгоритма для 1-секундных некритических функций;

Фиг.16 изображает блок-схему последовательности операций алгоритма аппаратной инициализации в модуле аналого-цифрового преобразователя;

Фиг.17 изображает блок-схему последовательности операций алгоритма программной инициализации в модуле аналого-цифрового преобразователя;

Фиг.18 изображает блок-схему последовательности операций функций, следующих за завершением аналогово-цифрового преобразования.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг.1 изображает упрощенный пример бытовой установки электропитания, содержащей воздушную линию 10 передачи между домом 11 и распределительным трансформатором 12. Установка имеет неповрежденную обратную линию 13 нейтрали между домом 11 и распределительным трансформатором 12.

Фиг.2 изображает ту же бытовую установку электропитания, содержащую нарушение 14 обратной линии 13 нейтрали до дома 11. В этом случае заземление и крепление водостока образуют вторичное соединение с нейтральным соединением дома 15 по соседству и/или с соединением возврата через землю распределительного трансформатора 12.

Фиг.3 изображает представление локальной сети 40, содержащей множество естественно переключаемых нагрузок $$Z_{L1}$$ , $$Z_{L2}$$ , $$Z_{L3}$$ , соединенных между активной линией 41 и линией 42 нейтрали. Локальный ток $$I_A$$ , определяемый напряжением $$V_1$$ в локальной сети и общим импедансом локальной сети, протекает между активной линией и линией нейтрали. Предполагая, что линия 42 нейтрали не повреждена, напряжение $$V_1$$ , измеренное в локальной сети, равняется напряжению $$V_S$$ активного источника. Импеданс $$Z_S$$ представляет импеданс источника, связанного с активной линией 41, импеданс $$Z_N$$ представляет импеданс, связанный с линией 42 нейтрали, тогда как локальный импеданс земли представляется, как $$Z_E$$ . Локальный ток $$I_A$$ будет протекать через импедансы $$Z_N$$ и $$Z_E$$ на основании их относительных импедансов так долго, пока и обратная линия нейтрали и возврат через землю остаются неповрежденными. Разность между импедансами $$Z_N$$ и $$Z_E$$ в общем случае такова, что она приводит к тому, что преимущественно ток протекает через импеданс $$Z_N$$ .

Фиг.4 изображает локальную сеть 40 по Фиг.3, содержащую разрыв 43 в обратной линии 42 нейтрали. Разрыв 43 может привести к росту изменения импеданса $$Z_S$$ источника, хотя изменение может быть незначительным. Локальный ток $$I_A$$ теперь протекает через импеданс $$Z_E$$ земли, заставляя напряжение $$V_2$$ расти выше напряжения линии нейтрали так, что:

$$V_2$$ = $$V_0$$ [ $$Z_E$$ /( $$Z_E$$ + $$Z_N$$ + $$Z_L$$ + $$Z_S$$ )]

Это приводит к падению напряжения $$V_1$$ в локальной сети так, что:

$$V_1$$ = $$V_0$$ - $$V_2$$   = $$V_0$$ - $$V_0$$ [ $$Z_E$$ /( $$Z_E$$ + $$Z_N$$ + $$Z_L$$ + $$Z_S$$ )]   = $$V_0$$ [( $$Z_N$$ + $$Z_S$$ )/( $$Z_E$$ + $$Z_N$$ + $$Z_L$$ + $$Z_S$$ )]

Поэтому в случае разрыва 43 в обратной линии 42 нейтрали напряжение $$V_1$$ в локальной сети 40 будет меньше, чем напряжение $$V_0$$ линии, поскольку ( $$Z_N$$ + $$Z_S$$ )/( $$Z_E$$ + $$Z_N$$ + $$Z_L$$ + $$Z_S$$ ) меньше 1. Это падение локального напряжения $$V_1$$ может быть детектировано путем сравнения $$V_1$$ с эталоном или стандартным напряжением для обеспечения указания разрыва или неравномерности импеданса в обратной линии 42 нейтрали.

Фиг.5 представляет пример изменений напряжения линии, которые могут присутствовать в типичной электрической распределительной сети. Изменения включают в себя изменения «номинального напряжения источника» и изменения напряжения такие, как скачки, провалы, пики и т.п., вызванные нормальной работой сети, включая падения напряжения, вызванные нагрузками, размещенными в локальной или распределительной сети, перегрузками трансформаторов, переключателями, ударами молний, работой автоматов повторного включения и т.п.

Фиг.6 изображает схему одной формы устройства для детектирования разрыва или неравномерности импеданса в системе распределения электропитания. Устройство содержит блок 60 переключаемого импеданса для подключения импеданса к источнику напряжения линии. Блок 60 импеданса содержит средство для управляемого переключения импеданса в контуре, связанном с источником напряжения линии.

Устройство содержит блок 61 согласования и измерения напряжения, содержащий средство для согласования входного напряжения сети и средство для преобразования входного напряжения из аналогового в цифровое представление путем использования аналогово-цифрового преобразователя.

Устройство содержит блок 62 микропроцессора и памяти для управления блоком 60 импеданса и блок 61 согласования и измерения напряжения и для детектирования и/или подтверждения того, имеет ли источник напряжения линии разрыв или неравномерность в линии нейтрали или проводе.

Устройство содержит звуковой или визуальный сигнал или сигнализацию 63 для сообщения потребителю и/или третьей стороне, что обратная линия нейтрали или провод могут содержать разрыв или неравномерность.

Фиг.7 изображает блок-схему одной формы устройства для детектирования неисправности обратной линии нейтрали. Устройство содержит модуль 70 переключаемого импеданса, содержащий резистор, управляемый реле, и модуль 71 согласования/измерения напряжения, содержащий один или более изолирующих трансформаторов, один или более фильтров, двухполупериодный выпрямитель и счетчик напряжения. Устройство содержит модуль 72 аналогово-цифрового преобразователя, содержащий АЦ преобразователь для вывода среднеинтервальных напряжений. Напряжения выводятся в модуль 73 памяти массива данных. Модуль 73 памяти массива хранит, по меньшей мере, 300 записей напряжений в массиве со сдвигом каждого ранее сохраненного измерения на одну позицию в массиве с каждым последующим измерением напряжения. Измерения напряжений в модуле 73 памяти массива передаются модулю 74 микроконтроллера при необходимости. Модуль 74 микроконтроллера содержит алгоритмы для проведения пассивного и активного тестирований напряжения, как описано ниже. Модуль 74 микроконтроллера взаимодействует с модулем 75 фиксированной звуковой и визуальной сигнализации.

Фиг.8 изображает блок-схему последовательности этапов способа проведения тестирования напряжения, содержащего этапы 80-90. Этап 81 содержит подпроцесс запуска/самопроверки и проиллюстрирован далее на Фиг.9 (этапы 81a-81e). Этапы 83 и 89 содержат подпроцесс активного алгоритма, проиллюстрированного дополнительно на Фиг.10. Этап 86 содержит подпроцесс пассивного алгоритма, проиллюстрированного дополнительно на Фиг.11.

Обращаясь к Фиг.10, активный алгоритм детектирования поврежденной нейтрали может содержать следующие этапы, на которых:

1. Измеряют напряжения линии и усредняют по первому определенному интервалу, т.е. $$V_1$$ по $$T_1$$ (этап 83a).

2. Включают известный импеданс в контур (этап 83b) и измеряют напряжения линии, и усредняют по второму определенному интервалу пока известный импеданс находится в контуре, т.е. $$V_2$$ по $$T_2$$ (этап 83c).

3. Выключают известный импеданс из контура (этап 83d), и измеряют напряжение линии, и усредняют по трем определенным интервалам, т.е. $$V_3$$ по $$T_3$$ (этап 83e).

4. Определяют среднее ступенчатое напряжение, вызванного включением известного импеданса в контур, т.е. $$V_2$$ -(( $$V_1$$ + $$V_3$$ )/2) (этап 83f).

5. Динамически подстраивают эталонный стандарт ступенчатого напряжения, т.е.

$$V_{ref}$$ = $$V_{ref}*$$ ((( $$V_1$$ + $$V_3$$ )/2)/230

если вычисленное ступенчатое напряжение больше, чем ожидаемое подстроенное эталонное ступенчатое напряжение при неповрежденной обратной линии нейтрали, то обратная линия нейтрали либо повреждена, либо не повреждена, но имеет недопустимо высокое импеданс (этап 83g).

6. Поскольку обычно возникающие провалы и пики могут вызвать скачок напряжения, который либо скрывает повреждение нейтрали, либо создает напряжение скачка, которое может имитировать повреждение нейтрали, даже если нейтраль не повреждена, можно повторять одно тестирование в последовательности тестирований, по меньшей мере так часто и достаточно отстоящих друг от друга, чтобы естественно возникающие аномальные напряжения не приводили ни к ложным положительным, ни к ложным отрицательным результатам. Если усреднение последовательности тестирований одних тестирований указывает повреждение нейтрали, последовательность тестирований может быть повторена D раз по прошествии определенного периода времени. Если X из D последовательностей тестирований указывают повреждение нейтрали, может быть инициирован сигнал повреждения нейтрали, и запущена фиксированная сигнализация до перезапуска (этапы 83h, 83i, 83j).

7. Активное тестирование может быть проведено после запуска или перезапуска устройства, и предпочтительно через регулярные интервалы времени после этого (этап 81 - Фиг.8).

8. Активное тестирование может быть проведено по инициированию от пассивных процедур мониторинга повреждения нейтрали (этап 89 - Фиг.8).

Переменные активного тестирования могут включать в себя:

Интервал Измерения Напряжения T = переменная с исходным значением 1 секунда Время между тестированиями $$T_1$$ = переменная с исходным значением 10 секунд Количество тестирований $$N_1$$ = переменная с исходным значением 6 Время между последовательностями тестирований $$T_S$$ = переменная с исходным значением 30 секунд Количество последовательностей тестирований $$N_S$$ = переменная с исходным значением 3 (включая исходный тест)

Количество положительных последовательностей тестирований для сигнала повреждения нейтрали $$N_P$$ = переменная с исходным значением 3 (включая исходный тест) Время между процедурными активными тестированиями $$T_R$$ = переменная с исходным значением для тестирования 5 минут Критическое напряжение ступенчатого изменения $$V_C$$ = переменная с исходным значением -1,0 Вольт

На Фиг.11 пассивный алгоритм детектирования поврежденной нейтрали (тестирование #1) может содержать следующие этапы, на которых:

1. Непрерывно измеряют напряжение линии и усредняют по определенному интервалу, т.е. $$V_1$$ по $$T_1$$ (этап 86a).

2. Сохраняют измеренные значения (этап 86a).

3. Если усредненные напряжения по определенному интервалу выше или ниже определенного напряжения, детектируют потенциальное повреждение нейтрали (этап 86b, 86c).

4. Инициируют активное тестирование (этап 86c).

5. Если активное тестирование сигнализирует повреждение нейтрали, то запукают фиксированную сигнализацию до перезапуска (этап 90 - Фиг.8).

6. Если активное тестирование не сигнализирует повреждение нейтрали, ожидают в течение определенного периода времени и возобновляют пассивное тестирование.

Переменные пассивного тестирования #1 могут включать в себя:

Интервал Усреднения Напряжения $$T_{A1}$$ = переменная с исходным значением 5 секунд Критическое пассивное верхнее напряжение $$V_U$$ = переменная с исходным значением 275 Вольт (RMS) Критическое пассивное нижнее напряжение $$V_L$$ = переменная с исходным значением 200 Вольт (RMS) Время между неудачным активным тестированием и возобновлением пассивного тестирования $$T_R$$ = переменная с исходным значением для тестирования 2 минут

Пассивный алгоритм детектирования поврежденной нейтрали (тест #2) может содержать следующие этапы, на которых:

1. Непрерывно измеряют напряжение линии и усредняют по определенному интервалу, т.е. $$V_1$$ по $$T_1$$ (этап 86a).

2. Сохраняют измеренные значения(этап 86a).

3. Если усредненные напряжения по определенному интервалу ниже предыдущего определенного интервала на определенное напряжение, детектируют изменение потенциально вызванное повреждением нейтрали (этап 86b, 86c).

4. Инициируют активное тестирование (этап 86c).

5. Если активное тестирование сигнализирует повреждение нейтрали, то запускают фиксированную сигнализацию до перезапуска (этап 90 - Фиг.8).

6. Если активное тестирование не сигнализирует повреждение нейтрали, ожидают в течение определенного периода времени и возобновляют пассивное тестирование.

Переменные пассивного тестирования #2 могут включать в себя:

Интервал Усреднения Напряжения $$T_{A2}$$ = переменная с исходным значением 20 секунд Критическое пассивное ступенчатое напряжение $$V_P$$ = переменная с исходным значением -20 Вольт (RMS) Время между неудачным активным тестированием и возобновлением пассивного тестирования $$T_R$$ = переменная с исходным значением для тестирования 2 минут

Фиг.12a и 12b изображают схему одной формы устройства для детектирования неисправности обратной линии нейтрали. Устройство содержит источник 120 питания, который обеспечивает питание для работы микропроцессора 121, световой сигнализации 122 и звуковой сигнализации 123. Микропроцессор 121 может содержать устройство типа MSP430F133, производимое фирмой Texas Instruments. Устройство содержит переключаемый импеданс 124, состоящий из силовых резисторов R10, R11, R26 и R27, переключаемых посредством симистора T1 под управлением микропроцессора 121. Переключаемый импеданс 124 может иметь значение, по существу, 220 Ом. Микропроцессор 121 содержит программную реализацию алгоритма, как описано ниже. Микропроцессор 121 измеряет напряжение линии посредством встроенного аналого-цифрового преобразователя, управляет работой переключаемого импеданса 124 через симистор T1 и управляет работой световой сигнализации 122 и звуковой сигнализации 123 по требованию.

Фиг.13-18 изображают блок-схемы последовательностей операций связанного с устройством алгоритма детектирования разрыва или неравномерности импеданса в обратной линии нейтрали или провода или пути возврата через землю.

Фиг.13 изображает алгоритм управления основной системой, включая процедуры 130 инициализации аппаратного обеспечения, процедуры 131 инициализации программного обеспечения и функции 132 основного цикла. Функции 132 основного цикла содержат алгоритм 133 8мс некритических периодических функций, выполняемый каждые 8мс и проиллюстрированный на Фиг.14a, алгоритм 134 250 мс некритических периодических функций, выполняемый в каждом 250 мс интервале и проиллюстрированный на Фиг.14b, и алгоритм 135 1 сек некритических периодических функций, проиллюстрированный на Фиг.15a и 15b.

На Фиг.14a, алгоритм 133 8мс некритических функций выполняет тщательное управление симистором T1 (Фиг.12b) во время активного тестирования. Вызываемый каждые 8 мс, он выполняет измерение напряжения с выключенным на 100 мс симистором, и затем снова с включенным на 100 мс симистором, с последующим измерением с выключенным на 100 мс симистором. Напряжения включения все складываются для получения среднего, так же как и напряжения выключения. Каждое измерение начинается при переходе сигнала через нуль.

На Фиг.14b, алгоритм 134 250 мс некритических функций запускает АЦП для осуществления выборки каждые 250мс, так же как и отсчет времени длительности импульсов затвора симистора.

На Фиг.15a и 15b, алгоритм 135 1 сек некритических функций содержит состояние самотестирования, которое проверяет, исправен ли пользовательский интерфейс. Если он исправен, он остается в состоянии самотестирования на короткое время, отображая код запуска, и затем переходит в состояние пассивного тестирования, инициируя измерение для запуска процесса. Состояние пассивного тестирования проверяет напряжение каждую секунду. Если напряжение не отвечает требованиям, или активное тестирование не проводилось один час, алгоритм запускает активное тестирование. Если тестирование пользовательского интерфейса не удается, алгоритм переходит в состояние ошибки.

Состояние активного тестирования управляет множеством проводящих импульсов симистора и обрабатывает результаты тестирования. Осуществляется 15 проводящих импульсов, каждый длительностью 100 мс, разнесенных по времени на 1 секунду. При завершении последнего импульса вычисляется падение напряжения. Если падение напряжения превышает норму, указывая на неудачное тестирование, другое тестирование выполняется через 30 секунд. Если результат активного тестирования в норме, алгоритм ожидает в этом состоянии 1 минуту перед возвратом в состояние пассивного тестирования или состояние самотестирования. Если активное тестирование не удается, алгоритм переходит в состояние ошибки. Если присутствует избыточное или низкое напряжение, алгоритм находится в этом состоянии 1 час перед очередным выполнением активного тестирования.

При нормальной работе устройство может функционировать в состоянии пассивного мониторинга, как показано на Фиг.15a. Устройство может непрерывно измерять напряжение линии и проверять одно или более изменений напряжения, которые могут указывать на разрыв или неравномерность импеданса в обратной линии нейтрали или провода или пути возврата через землю.

Изменения напряжения могут включать в себя падение напряжения линии ниже 200 Вольт, что может указывать на высокий импеданс пути возврата, рост напряжения линии выше 275 Вольт, что может указывать на высокий импеданс возврата в или около трансформатора питания, либо 20-вольтовое ступенчатое падение напряжения линии, происходящее на протяжении последовательных 5-секундных интервалов, что может являться результатом роста нагрузки потребителя и/или изменения импеданса пути возврата.

Как показано на Фиг.5, естественно возникающие провалы и пики напряжения могут имитировать эти и другие пассивные индикаторы напряжения разрыва или неравномерности импеданса в обратной линии нейтрали, проводе или пути возврата через землю.

По этой причине, при детектировании устройством одного или более пассивных индикаторов устройство может инициироваться активное тестирование для подтверждения или опровержения разрыва или неравномерности импеданса на обратной линии нейтрали или проводе или пути возврата через землю.

Активное тестирование может содержать измерение напряжения линии перед и после включения известного импеданса и сравнение разности напряжений, т.е. падение напряжения, с эталонным стандартом.

Измерение напряжения линии и включение известного импеданса могут быть выполнены, как показано на Фиг.15a и 15b, способом, который минимизирует влияние естественно возникающих пиков и провалов напряжения посредством усреднения результатов нескольких тестирований, проводимых за интервал времени, и последующего сравнения среднего результата с выбранным эталонным стандартом.

Алгоритм, показанный на Фиг.18, выполняется вслед за завершением аналогово-цифрового преобразования. 400 выборок осуществляются в интервалах 250 мс, давая в общем 100 мс или 10 циклов. Каждое значение прибавляется к суммирующему регистру для обеспечения эффективного усреднения напряжения.

Если устройство не подтверждает с помощью активного тестирования присутствие разрыва или неравномерности импеданса в обратной линии нейтрали или проводе или пути возврата через землю, устройство возвращается в состояние пассивного мониторинга.

Если устройство подтверждает с помощью активного тестирования присутствие разрыва или неравномерности импеданса в обратной линии нейтрали или проводе или пути возврата через землю, устройство инициирует подходящие функции сигнализации.

В завершение, следует понимать, что различные изменения, модификации и/или дополнения могут быть привнесены в конструкции и установку частей, включая алгоритмы, описанные выше, без отвлечения от духа объема изобретения.

Изобретение относится к мониторингу линий питания сетей распределения электропитания. Сущность: устройство содержит средство для измерения изменения напряжения, связанного с преднамеренным переключением известного импеданса в электрической сети, причем изменение напряжения включает в себя изменение, вызванное разрывом или неоднородностью импеданса в обратной линии нейтрали, и средство для выполнения алгоритма для идентификации разрыва или неоднородности импеданса в присутствии допустимых изменений в номинальном напряжении питания в электрической сети, включая изменения напряжения, вызванные операциями в сети, которые имитируют или скрывают разрыв или неоднородность импеданса в обратной линии нейтрали. Устройство также содержит средство для сравнения результата измерения с эталоном для обеспечения указания разрыва или неоднородности импеданса. Устройство реализует способ детектирования разрыва или неравномерности в обратной линии нейтрали сети распределения электропитания. Технический результат: снижение опасности поражения электрическим током. 2 н. b 18 з.п. ф-лы, 18 ил.

1. Устройство для детектирования разрыва или неравномерности в обратной линии нейтрали сети распределения электропитания, содержащей обратную линию нейтрали, активную линию и возврат через землю, содержащее:
средство для измерения изменения напряжения в течение временных интервалов, связанных с преднамеренным переключением известного импеданса в и вне электрической сети, причем изменение напряжения включает в себя изменение, вызванное разрывом или неоднородностью импеданса в обратной линии нейтрали;
средство для выполнения алгоритма идентификации разрыва или неоднородности импеданса в присутствии допустимых изменений номинального напряжения питания в электрической сети, включая изменения напряжения, вызванные операциями сети, которые имитируют или скрывают разрыв или неоднородность импеданса в обратной линии нейтрали; и
средство для сравнения результата измерения с эталоном для обеспечения указания о разрыве или неоднородности импеданса.

2. Устройство по п.1, в котором упомянутый алгоритм обеспечивает отличие сети, которая содержит обратную линию нейтрали, от сети, которая не содержит обратную линию нейтрали, при наличии аномалий в напряжении питания.

3. Устройство по п.1, в котором эталон выбран, чтобы отличать сеть, которая содержит обратную линию нейтрали, от сети, которая не содержит обратную линию нейтрали.

4. Устройство по любому из пп.1-3, в котором эталон содержит образцы данных, полученные из множества участков, где сеть не содержит обратную линию нейтрали.

5. Устройство по любому из пп.1, 2 или 3, в котором эталон содержит образцы данных, полученные из множества участков, где сеть содержит обратную линию нейтрали.

6. Устройство по любому из пп.1, 2 или 3, содержащее средство для измерения изменения напряжения в сети, включая изменение напряжения, вызванное произвольным или естественным переключением импедансов в сети.

7. Устройство по любому из пп.1, 2 или 3, содержащее средство для измерения изменения напряжения в сети, включая изменение напряжения, вызванное преднамеренным переключением известного импеданса в сети.

8. Устройство по любому из пп.1, 2 или 3, в котором средство для измерения содержит аналогово-цифровой преобразователь.

9. Устройство по любому из пп.1, 2 или 3, в котором средство для сравнения содержит микропроцессор и память для хранения данных, связанных с эталоном.

10. Устройство по любому из пп.1, 2 или 3, в котором указание содержит звуковую и/или визуальную сигнализацию и/или электрический сигнал.

11. Способ детектирования разрыва или неравномерности в обратной линии нейтрали сети распределения электропитания, содержащей обратную линию нейтрали, активную линию и возврат через землю, причем упомянутый способ содержит этапы, на которых:
измеряют изменение напряжения в течение временных интервалов, связанных с преднамеренным переключением известного импеданса в и вне электрической сети, причем изменение напряжения включает в себя изменение, вызванное разрывом или неоднородностью импеданса в обратной линии нейтрали;
выполняют алгоритм идентификации разрыва или неоднородности импеданса в присутствии допустимых изменений номинального напряжения питания в электрической сети, включая изменения напряжения, вызванные операциями сети, которые имитируют или скрывают разрыв или неоднородность импеданса в обратной линии нейтрали; и
сравнивают результат измерения с эталоном для обеспечения указания разрыва или неоднородности импеданса.

12. Способ по п.11, в котором алгоритм выполняют, чтобы отличать сеть, которая содержит обратную линию нейтрали, от сети, которая не содержит обратную линию нейтрали, при наличии аномалий в напряжении питания.

13. Способ по п.11, в котором эталон выбирают, чтобы отличать сеть, которая содержит обратную линию нейтрали, от сети, которая не содержит обратную линию нейтрали.

14. Способ по любому из пп.11-13, в котором эталон содержит образцы данных, полученные из множества участков, где сеть не содержит обратную линию нейтрали.

15. Способ по любому из пп.11-13, в котором эталон содержит образцы данных, полученные с множества участков, где сеть содержит обратную линию нейтрали.

16. Способ по любому из пп.11-13, содержащий этап, на котором измеряют изменение напряжения в сети, включая изменение напряжения, вызванное произвольным или естественным переключением импедансов в сети.

17. Способ по любому из пп.11-13, содержащий этап, на котором измеряют изменение напряжения в сети, включая изменение напряжения, вызванное преднамеренным переключением известного импеданса в сети.

18. Способ по любому из пп.11-13, в котором измерение выполняют средством, содержащим аналогово-цифровой преобразователь.

19. Способ по любому из пп.11-13, в котором сравнение выполняют средством, содержащим микропроцессор и память для хранения данных, связанных с эталоном.

20. Способ по любому из пп.11-13, в котором указание содержит звуковую и/или визуальную сигнализацию и/или электрический сигнал.