对地阻抗测量电路、对地阻抗测量方法
阅读说明：本技术 对地阻抗测量电路、对地阻抗测量方法 (Earth impedance measuring circuit and earth impedance measuring method ) 是由 李修连 江世军 于 2021-10-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种对地阻抗测量电路、对地阻抗测量方法,所述对地阻抗测量电路通过在隔离交流电源侧的火线和零线之间设置电源电压检测电路来检测隔离交流电源的电源电压,并在隔离交流电源侧的火线和零线之间、电气设备用电线路侧的火线和零线之间形成交流电正半周检测支路和交流电负半周检测支路,可以准确地检测出火线的对地阻抗值和零线的对地阻抗值,从而可以快速地判别出具体是哪条输出线路出现对地阻抗异常,并且实现了定量检测,对于用电安全保障、线路检测和维护具有积极作用。(The invention discloses an earth impedance measuring circuit and an earth impedance measuring method, wherein the earth impedance measuring circuit is used for detecting the power supply voltage of an isolated alternating current power supply by arranging a power supply voltage detecting circuit between a live wire and a zero line at the side of the isolated alternating current power supply, and an alternating current positive half-cycle detecting branch circuit and an alternating current negative half-cycle detecting branch circuit are formed between the live wire and the zero line at the side of the isolated alternating current power supply and between the live wire and the zero line at the side of a line for electrical equipment, so that the earth impedance value of the live wire and the earth impedance value of the zero line can be accurately detected, and the specific output line with earth impedance abnormality can be rapidly judged, quantitative detection is realized, and positive effects on electricity safety guarantee, line detection and maintenance are achieved.)
技术领域
本发明涉及隔离电源的用电线路对地阻抗检测技术领域，特别地，涉及一种对地阻抗测量电路，另外，还特别涉及一种采用上述对地阻抗测量电路的对地阻抗测量方法。
背景技术
隔离电源因其特有的电源特性，在很多场合广泛应用。但在隔离电源输出线路对地异常时，隔离电源的安全特点会丧失，甚至存在安全隐患。例如：隔离单相交流电源输出的火线对地阻抗比较小，人体碰触到电源输出的零线时，就有可能发生触电事故；同样地，隔离三相交流电源输出的任意一条电源线路对地阻抗比较小，人体触碰到其它输出电源线时，也有可能发生触电事故。而目前的常规检测方法不能分辨出对地阻抗异常的线路具体是哪一条输出电源线，也不能实时检测，而且当存在多条用电线路对地的阻抗偏小时，检测结果不准确，甚至有触电风险而不报警。另外，目前的常规检测方法只能实现定性检测，即只能检测出电源输出线路的对地阻抗异常，而无法检测出准确的阻抗值。
发明内容
本发明提供了一种对地阻抗测量电路、对地阻抗测量方法，以解决现有的常规检测方法存在的上述缺点。
根据本发明的一个方面，提供一种对地阻抗测量电路，用于检测隔离交流电源输出线路的对地阻抗是否异常，包括：
电源电压检测电路，设置在隔离交流电源侧并连接在火线和零线之间，用于检测隔离交流电源的电源电压；
对地阻抗检测电路，同时设置在隔离交流电源侧和电气设备用电线路侧，且连接在火线和零线之间，并在火线和零线之间形成交流电正半周检测支路和交流电负半周检测支路，用于检测隔离交流电源的火线和零线的对地阻抗值。
进一步地，所述电源电压检测电路包括电阻R1、电阻R2、第一电流检测器件，所述电阻R1和电阻R2串联在隔离交流电源侧的火线的零线之间，所述第一电流检测器件用于检测流经电阻R1和电阻R2的电流值，电阻R1和电阻R2的电阻值为已知。
进一步地，所述电源电压检测电路还包括二极管D1、二极管D2、电阻R3和电阻R4，所述电阻R3和电阻R4串联在隔离交流电源侧的火线的零线之间，且与电阻R1和电阻R2所在支路形成并联支路，所述二极管D1设置在电阻R1和电阻R2所在支路上，且二极管D1的负极与火线连接，正极与电阻R1连接，所述二极管D2设置在电阻R3和电阻R4所在支路上，且二极管D2的负极与零线连接，正极与电阻R3连接，二极管D1和二极管D2的压降、电阻R3和电阻R4的阻值均为已知，所述第一电流检测器件用于在交流电负半周检测电阻R1和电阻R2所在支路的电流值和在交流电正半周检测电阻R3和电阻R4所在支路的电流值。
进一步地，所述对地阻抗检测电路包括二极管DN、电阻RN1、电阻RN2、电阻RL1、电阻RL2、二极管DL、第二电流检测器件，所述二极管DN、电阻RN1、电阻RN2串联在火线与地线之间，且二极管DN的负极与火线连接，正极与电阻RN1连接，所述二极管DL、电阻RL1、电阻RL2串联在零线与地线之间，且二极管DL的负极与零线连接，正极与电阻RL1连接，并将电气设备用电线路侧的火线和零线分别与地线连接，火线与地线之间的阻抗形成等效电阻RL，零线与地线之间的阻抗形成等效电阻RN，所述等效电阻RL、二极管DL、电阻RL1、电阻RL2、等效电阻RN形成交流电正半周检测支路，所述等效电阻RL、等效电阻RN、二极管DN、电阻RN1、电阻RN2形成交流电负半周检测支路，其中，二极管DN和二极管DL的压降为已知，电阻RN1、电阻RN2、电阻RL1和电阻RL2的阻值均为已知，所述第二电流检测器件用于在交流电正半周检测二极管DL、电阻RL1、电阻RL2所在支路的电流值和在交流电负半周检测二极管DN、电阻RN1、电阻RN2所在支路的电流值。
进一步地，所述隔离交流电源为单相交流电隔离电源或者三相交流电隔离电源。
另外，本发明还提供一种对地阻抗测量方法，采用如上所述的对地阻抗测量电路，包括以下内容：
检测隔离交流电源的电源电压值；
分别检测交流电正半周检测支路中的电流值和交流电负半周检测支路中的电流值；
基于检测得到的电源电压值、交流电正半周检测支路中的电流值和交流电负半周检测支路中的电流值计算得到火线和零线的对地阻抗值。
进一步地，还包括以下内容：
将火线和零线的对地阻抗值与预设安全阈值进行比对，若火线的对地阻抗值或零线的对地阻抗值小于预设安全阈值时，发出报警提醒。
进一步地，所述检测隔离交流电源的电源电压值的过程包括以下内容：
在交流电负半周通过电压表检测电阻R1两端的峰值电压UN，由于电阻R1和电阻R2的阻值、二极管D1的压降均为已知，基于公式UNL＝UN*(R1+R2)÷R1+UD计算得到零线与火线之间的电压值，其中，UNL为零线相对火线的峰值电压，UD为二极管D1的压降；
在交流电正半周通过电压表检测电阻R3两端的峰值电压UL，由于电阻R3和电阻R4的阻值、二极管D2的压降均为已知，基于公式ULN＝UL*(R3+R4)÷R3+UD计算得到零线与火线之间的电压值，其中，ULN为火线相对零线的峰值电压，UD为二极管D2的压降。
进一步地，所述分别检测交流电正半周检测支路中的电流值和交流电负半周检测支路中的电流值的过程具体包括以下内容：
在交流电负半周通过电压表检测电阻RN1两端的峰值电压UN1，由于电阻RN1和电阻RN2的阻值、二极管DN的压降均为已知，基于公式IN1＝UN1/RN1计算得到电阻RN1所在支路的电流值，并基于公式UEL＝UN1*(RN1+RN2)÷RN1+UD计算得到地线与火线之间的电压值，其中，UEL为地线相对火线的峰值电压，UD为二极管DN的压降；
在交流电正半周通过电压表检测电阻RL1两端的峰值电压UL1，由于电阻RL1和电阻RL2的阻值、二极管DL的压降均为已知，基于公式IL1＝UL1/RL1计算得到电阻RL1所在支路的电流值，并基于公式UEN＝UL1*(RL1+RL2)÷RL1+UD计算得到地线与零线之间的电压值，其中，UEN为地线相对零线的峰值电压，UD为二极管DL的压降。
进一步地，所述基于检测得到的电源电压值、交流电正半周检测支路中的电流值和交流电负半周检测支路中的电流值计算得到火线和零线的对地阻抗值的过程具体包括以下内容：
在交流电负半周，IN＝IN0+IN1，其中，IN为测量回路中的总电流，IN＝(UNL-UEL)/RN，IN0为火线与地线之间的电流值，IN0＝UEL/RL；
在交流电正半周，IL＝IL0+IL1，其中，IL为测量回路中的总电流，IL＝(ULN-UEL)/RL，IL0为零线与地线之间的电流值，IL0＝UEN/RN；
将UNL、ULN、UEN、UEL、IN、IN0代入公式中联合求解得到：
RL＝[(UNL-UEL)*(ULN-UEN)-(UEN*UEL)]÷[IN1*UEN+IL1(UNL-UEL)]
RN＝[(UNL-UEL)*(ULN-UEN)-(UEN*UEL)]÷[IL1*UEL+IN1(ULN-UEN)]。
本发明具有以下效果：
本发明的对地阻抗测量电路，通过在隔离交流电源侧的火线和零线之间设置电源电压检测电路来检测隔离交流电源的电源电压，并在隔离交流电源侧的火线和零线之间、电气设备用电线路侧的火线和零线之间形成交流电正半周检测支路和交流电负半周检测支路，可以准确地检测出火线的对地阻抗值和零线的对地阻抗值，从而可以快速地判别出具体是哪条输出线路出现对地阻抗异常，并且实现了定量检测，对于用电安全保障、线路检测和维护具有积极作用。
另外，本发明的对地阻抗测量方法同样具有上述优点。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的对地阻抗测量电路的电路原理示意图。
图2是本发明另一实施例中的对地阻抗测量电路的电路原理示意图。
图3是本发明优选实施例的交流电正半周检测支路的电路原理示意图。
图4是本发明优选实施例的交流电负半周检测支路的电路原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图1所示，本发明的优选实施例提供一种对地阻抗测量电路，用于检测隔离交流电源输出线路的对地阻抗是否异常，包括：
电源电压检测电路，设置在隔离交流电源侧并连接在火线和零线之间，用于检测隔离交流电源的电源电压；
对地阻抗检测电路，同时设置在隔离交流电源侧和电气设备用电线路侧，且连接在火线和零线之间，并在火线和零线之间形成交流电正半周检测支路和交流电负半周检测支路，用于检测隔离交流电源的火线和零线的对地阻抗值。
可以理解，本实施例的对地阻抗测量电路，通过在隔离交流电源侧的火线和零线之间设置电源电压检测电路来检测隔离交流电源的电源电压，并在隔离交流电源侧的火线和零线之间、电气设备用电线路侧的火线和零线之间形成交流电正半周检测支路和交流电负半周检测支路，可以准确地检测出火线的对地阻抗值和零线的对地阻抗值，从而可以快速地判别出具体是哪条输出线路出现对地阻抗异常，并且实现了定量检测，对于用电安全保障、线路检测和维护具有积极作用。
具体地，所述电源电压检测电路包括电阻R1、电阻R2、第一电流检测器件，所述电阻R1和电阻R2串联在隔离交流电源侧的火线的零线之间，所述第一电流检测器件用于检测流经电阻R1和电阻R2的电流值，电阻R1和电阻R2的电阻值为已知。其中，所述第一电流检测器件可以采用电流表，将电流表直接串联在电阻R1、电阻R2所在支路中即可，由于电阻R1、电阻R2的阻值已知，结合检测到的支路中的电流值，即可计算得到隔离交流电源侧的火线与零线之间的电压值。所述第一电流检测器件也可以采用电压表，将电压表与电阻R1或者电阻R2并联，即可测得流过电阻R2的电流值，进而计算得到隔离交流电源侧的火线与零线之间的电压值。
作为优选的，如图2所示，在本发明的另一实施例中，所述电源电压检测电路还包括二极管D1、二极管D2、电阻R3和电阻R4，所述电阻R3和电阻R4串联在隔离交流电源侧的火线的零线之间，且与电阻R1和电阻R2所在支路形成并联支路，所述二极管D1设置在电阻R1和电阻R2所在支路上，且二极管D1的负极与火线连接，正极与电阻R1连接，所述二极管D2设置在电阻R3和电阻R4所在支路上，且二极管D2的负极与零线连接，正极与电阻R3连接，二极管D1和二极管D2的压降、电阻R3和电阻R4的阻值均为已知。所述第一电流检测器件用于在交流电负半周检测电阻R1和电阻R2所在支路的电流值和在交流电正半周检测电阻R3和电阻R4所在支路的电流值。在交流电负半周时，零线的电位高于火线的电位，电阻R1、电阻R2、二极管D1所在支路导通，电阻R3、电阻R4、二极管D2所在支路不导通，通过测量电阻R1、电阻R2、二极管D1所在支路中的电流值即可计算得到交流电负半周的电源电压。而在交流电正半周时，火线的电位高于零线的电位，电阻R1、电阻R2、二极管D1所在支路不导通，电阻R3、电阻R4、二极管D2所在支路导通，通过测量电阻R3、电阻R4、二极管D2所在支路中的电流值即可计算得到交流电正半周的电源电压。其中，所述第一电流检测器件的数量为两个，在两个并联的支路中各设置一个。
例如，在交流电负半周，测量电阻R1两端的电压峰值为UN，可以计算得到此时零线与火线之间的峰值电压UNL，计算公式为：
UNL＝UN*(R1+R2)÷R1+UD 公式1
其中，UNL为零线相对火线的峰值电压，UD为二极管D1的压降，R1为电阻R1的阻值，R2为电阻R2的阻值，由于R1、R2、UD均为已知，通过测量UN，即可计算得到UNL。
同理，在交流电正半周，测量电阻R3两端的电压峰值为UL，可以计算得到此时零线与火线之间的峰值电压ULN，计算公式为：
ULN＝UL*(R3+R4)÷R3+UD 公式2
其中，UNL为火线相对零线的峰值电压，UD为二极管D2的压降，由于R3、R4、UD均为已知，通过测量UL，即可计算得到ULN。
可以理解，通过设置两个并联的检测支路，并在每个检测支路中设置一个二极管来进行正向导通和反向截止，可以有效地降低交流电正半周和负半周之间的干扰，保证电源电压检测结果更加准确。
可以理解，结合图2、图3和图4所示，所述对地阻抗检测电路包括二极管DN、电阻RN1、电阻RN2、电阻RL1、电阻RL2、二极管DL、第二电流检测器件，所述二极管DN、电阻RN1、电阻RN2串联在火线与地线之间，且二极管DN的负极与火线连接，正极与电阻RN1连接，所述二极管DL、电阻RL1、电阻RL2串联在零线与地线之间，且二极管DL的负极与零线连接，正极与电阻RL1连接，并将电气设备用电线路侧的火线和零线分别与地线连接，火线与地线之间的阻抗形成等效电阻RL，零线与地线之间的阻抗形成等效电阻RN。所述等效电阻RL、二极管DL、电阻RL1、电阻RL2、等效电阻RN形成交流电正半周检测支路，具体如图3所示。所述等效电阻RL、等效电阻RN、二极管DN、电阻RN1、电阻RN2形成交流电负半周检测支路，具体如图4所示。其中，二极管DN和二极管DL的压降为已知，电阻RN1、电阻RN2、电阻RL1和电阻RL2的阻值均为已知，所述第二电流检测器件用于在交流电正半周检测二极管DL、电阻RL1、电阻RL2所在支路的电流值和在交流电负半周检测二极管DN、电阻RN1、电阻RN2所在支路的电流值。可以理解，所述第二电流检测器件于第一电流检测器件相同，均优选采用电压表。
具体地，在交流电负半周通过电压表检测电阻RN1两端的峰值电压UN1，由于电阻RN1和电阻RN2的阻值、二极管DN的压降均为已知，可以计算得到地线E与火线L之间的峰值电压，计算公式为：
UEL＝UN1*(RN1+RN2)÷RN1+UD 公式3
其中，UEL为地线相对火线的峰值电压，UD为二极管DN的压降，RN1为电阻RN1的阻值，RN2为电阻RN2的阻值。
同理，在交流电正半周通过电压表检测电阻RL1两端的峰值电压UL1，由于电阻RL1和电阻RL2的阻值、二极管DL的压降均为已知，可以计算得到地线E与零线N之间的峰值电压，计算公式为：
UEN＝UL1*(RL1+RL2)÷RL1+UD 公式4
其中，UEN为地线相对零线的峰值电压，UD为二极管DL的压降，RN3为电阻RN3的阻值，RN4为电阻RN4的阻值。
同时可以计算得到：
IN1＝UN1/RN1 公式5
IL1＝UL1/RL1 公式6
其中，IN1为在交流电负半周电阻RN1所在支路的电流值，IL1为在交流电正半周电阻RL1所在支路的电流值。
而在交流电负半周，UNL＝RN*IN+UEL，则
IN＝(UNL-UEL)/RN 公式7
其中，IN为在交流电负半周时测量回路中的总电流。
同理，在交流电正半周，ULN＝RL*IL+UEN，则
IL＝(ULN-UEN)/RL 公式8
其中，IL为在交流电正半周时测量回路中的总电流。
同时，
IN0＝UEL/RL 公式9
IL0＝UEN/RN 公式10
其中，IN0为在电流负半周时火线与地线之间的电流值，IL0为在电流正半周时零线与地线之间的电流值。
而
IN＝IN0+IN1 公式11
IL＝IL0+IL1 公式12
将公式7、公式9代入到公式11中得到：
(UNL-UEL)/RN＝UEL/RL+IN1 公式13
将公式8、公式10代入到公式12中得到：
(ULN-UEN)/RL＝UEN/RN+IL1 公式14
解公式13和公式14即可得到：
RL＝[(UNL-UEL)*(ULN-UEN)-(UEN*UEL)]÷[IN1*UEN+IL1(UNL-UEL)]
RN＝[(UNL-UEL)*(ULN-UEN)-(UEN*UEL)]÷[IL1*UEL+IN1(ULN-UEN)]。
另外，所述隔离交流电源为单相交流电隔离电源或者三相交流电隔离电源。
另外，本发明的另一实施例还提供一种对地阻抗测量方法，优选采用如上所述的对地阻抗测量电路，包括以下内容：
检测隔离交流电源的电源电压值；
分别检测交流电正半周检测支路中的电流值和交流电负半周检测支路中的电流值；
基于检测得到的电源电压值、交流电正半周检测支路中的电流值和交流电负半周检测支路中的电流值计算得到火线和零线的对地阻抗值。
可以理解，本实施例的对地阻抗测量方法，先通过电源电压检测电路检测得到隔离交流电源的电源电压，再通过交流电正半周检测支路和交流电负半周检测支路分别检测到相应的电流值，最后，即可基于电源电压值、交流电正半周检测支路中的电流值和交流电负半周检测支路中的电流值计算得到火线和零线的对地阻抗值，可以准确地检测出火线的对地阻抗值和零线的对地阻抗值，从而可以快速地判别出具体是哪条输出线路出现对地阻抗异常，并且实现了定量检测，对于用电安全保障、线路检测和维护具有积极作用。
可以理解，在本发明的其它实施例中，所述对地阻抗测量方法还包括以下内容：
将火线和零线的对地阻抗值与预设安全阈值进行比对，若火线的对地阻抗值或零线的对地阻抗值小于预设安全阈值时，发出报警提醒。
可以理解，所述检测隔离交流电源的电源电压值的过程包括以下内容：
在交流电负半周通过电压表检测电阻R1两端的峰值电压UN，由于电阻R1和电阻R2的阻值、二极管D1的压降均为已知，基于公式UNL＝UN*(R1+R2)÷R1+UD计算得到零线与火线之间的电压值，其中，UNL为零线相对火线的峰值电压，UD为二极管D1的压降；
在交流电正半周通过电压表检测电阻R3两端的峰值电压UL，由于电阻R3和电阻R4的阻值、二极管D2的压降均为已知，基于公式ULN＝UL*(R3+R4)÷R3+UD计算得到零线与火线之间的电压值，其中，ULN为火线相对零线的峰值电压，UD为二极管D2的压降。
可以理解，所述分别检测交流电正半周检测支路中的电流值和交流电负半周检测支路中的电流值的过程具体包括以下内容：
在交流电负半周通过电压表检测电阻RN1两端的峰值电压UN1，由于电阻RN1和电阻RN2的阻值、二极管DN的压降均为已知，基于公式IN1＝UN1/RN1计算得到电阻RN1所在支路的电流值，并基于公式UEL＝UN1*(RN1+RN2)÷RN1+UD计算得到地线与火线之间的电压值，其中，UEL为地线相对火线的峰值电压，UD为二极管DN的压降；
在交流电正半周通过电压表检测电阻RL1两端的峰值电压UL1，由于电阻RL1和电阻RL2的阻值、二极管DL的压降均为已知，基于公式IL1＝UL1/RL1计算得到电阻RL1所在支路的电流值，并基于公式UEN＝UL1*(RL1+RL2)÷RL1+UD计算得到地线与零线之间的电压值，其中，UEN为地线相对零线的峰值电压，UD为二极管DL的压降。
可以理解，所述基于检测得到的电源电压值、交流电正半周检测支路中的电流值和交流电负半周检测支路中的电流值计算得到火线和零线的对地阻抗值的过程具体包括以下内容：
在交流电负半周，IN＝IN0+IN1，其中，IN为测量回路中的总电流，IN＝(UNL-UEL)/RN，IN0为火线与地线之间的电流值，IN0＝UEL/RL；
在交流电正半周，IL＝IL0+IL1，其中，IL为测量回路中的总电流，IL＝(ULN-UEL)/RL，IL0为零线与地线之间的电流值，IL0＝UEN/RN；
将UNL、ULN、UEN、UEL、IN、IN0代入公式中联合求解得到：
RL＝[(UNL-UEL)*(ULN-UEN)-(UEN*UEL)]÷[IN1*UEN+IL1(UNL-UEL)]
RN＝[(UNL-UEL)*(ULN-UEN)-(UEN*UEL)]÷[IL1*UEL+IN1(ULN-UEN)]。
另外，由于测量时不可避免会存在一定的误差，因而需要对一些接近极限的值做预判，以免出现计算错误。例如，当测量到UL1接近0时，可认为RL很大，即火线对地阻抗值正常；当测量到UN1接近0时，可认为RN很大，即零线对地阻抗值正常。另外，当计算得到UEN接近ULN时，可认为RL很小，即火线对地阻抗值异常；当计算得到UEL接近UNL时，可认为RN很小，即零线对地阻抗值异常。可以理解，在上述的极限值情况下，很难检测得到准确的对地阻抗值。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种接地电阻遥测辅助凳