接地阻抗檢測裝置的製作方法
2023-04-25 04:32:06 1
本發明涉及一種接地阻抗檢測裝置，特別涉及一種測量接地線以及接地端之間的電阻值的檢測裝置。
背景技術：
當本地端設備耦接至電力系統時，本地端設備缺乏良好的接地的情況並不被接受，並且本地端設備故障的風險隨之上升。缺乏有效的接地系統將會導致各種問題，例如儀表誤差(instrumentation errors)、諧波失真、功率因子以及其他許多可能的間歇性的難題將會隨之發生。如果沒有通過正確的設計以及經常維護的接地系統來提供故障電流排除至地表的話，故障電流會自己找出意想不到的電荷排除路徑，甚至可能造成用戶觸電的危機。
此外，良好的接地系統也能有效防止損壞工廠以及設備，因此有必要提高設備的可靠性，並減少因故障電流而損壞設備以及造成人員觸電的可能性。再者，若能夠在電力系統操作之前即可得知接地阻抗的阻抗值的話，即可避免對接地阻抗過高的電力系統進行操作，進而得到事先避免危機發生的功效。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明提出一種接地阻抗檢測裝置，耦接至一電力系統，其中所述電力系統包括一第一電源線、一第二電源線以及一接地線，接地阻抗檢測裝置包括：一接地阻抗檢測電路以及一控制器。所述接地阻抗檢測電路包括一第一輸入節點以及一第二輸入節點，其中所述第一輸入節點耦接至所述第一電源線以及所述第二電源線之一者，所述第二輸入節點耦接至該接地阻抗檢測裝置的一接地端，其中所述接地阻抗檢測電路根據所述第一輸入節點以及所述第二輸入節點的電壓以及一直流參考電壓(VREF)而產生一直流輸出電壓(VOUT)。所述控制器根據所述直流參考電壓以及所述直流輸出電壓，判斷所述接地線以及所述接地端之間的一接地阻抗的一接地阻抗值(RPE)。
根據本發明的一實施例，所述電力系統為一單相三線系統，所述電力系統包括一火線、一中性線以及所述接地線，所述第一輸入節點耦接至所述火線以及所述中性線其中之一。
根據本發明的另一實施例，所述電力系統為一兩相三線系統，所述電力系統包括一第一火線、一第二火線以及所述接地線，所述第一火線具有一第一相位以及所述第二火線具有一第二相位，其中所述第一輸入節點耦接至所述第一火線以及所述第二火線之任一。
根據本發明的又一實施例，所述電力系統為一三相四線系統，所述電力系統包括一第一火線、一第二火線、一第三火線以及所述接地線，所述第一火線具有一第一相位、所述第二火線具有一第二相位以及所述第三火線具有一第三相位，其中所述第一輸入節點耦接至所述第一火線、所述第二火線以及所述第三火線其中之一。
根據本發明的一實施例，所述接地阻抗檢測電路更包括：一第一運算放大器、一第一電阻、一第二電阻、一第三電阻、一第四電阻、一第一電容以及一第二電容。所述第一運算放大器包括一第一正輸入節點以及一第一負輸入節點，其中所述第一運算放大器接收一直流供應電壓並比較所述第一正輸入節點以及所述第一負輸入節點的電壓值，而於一輸出節點產生所述直流輸出電壓。所述第一電阻具有一第一電阻值(R1)，且耦接於所述第一輸入節點以及所述第一負輸入節點之間。所述第二電阻具有一第二電阻值(R2)，且耦接於所述第一負輸入節點以及所述輸出節點之間。所述第三電阻具有一第三電阻值(R3)，且耦接於所述第二輸入節點以及所述第一正輸入節點之間。所述第四電阻具有一第四電阻值(R4)，且耦接於一參考輸入節點以及所述第一正輸入節點之間，其中所述直流參考電壓(VREF)提供至所述參考輸入節點。所述第一電容耦接於所述輸出節點以及所述第一負輸入節點之間，所述第二電容耦接於所述第一正輸入節點以及所述參考輸入節點之間，其中所述第一輸入節點包括一交流信號，所述第一電容以及所述第二電容用以選擇一帶寬以濾除所述交流信號。
根據本發明的一實施例，所述接地阻抗檢測電路更包括一第一箝位電路。所述第一箝位電路耦接於所述負輸入節點，用以提供所述負輸入節點箝位保護。
根據本發明的一實施例，所述控制器根據<![CDATA[ R PE = R 3 ( R 1 + R 2 ) V REF - R 1 ( R 3 + R 4 ) V OUT ( R 3 + R 4 ) V OUT - R 3 V REF ]]>的公式，得到所述接地阻抗值；其中VOUT為測量得出。
根據本發明的一實施例，接地阻抗檢測裝置更包括一交流電壓檢測電路。所述交流電壓檢測電路包括一第三輸入節點以及一第四輸入節點，其中所述第三輸入節點耦接至所述第一電源線，所述第四輸入節點耦接至所述第二電源線，其中所述交流電壓檢測電路根據所述第三輸入節點以及所述第四輸入節點的一交流電壓而輸出一檢測電壓，其中所述檢測電壓包括一直流部分(VDC)以及一交流部分，所述控制器根據所述交流部分的振幅(AM)而判斷所述交流電壓(VM)的大小，並根據所述直流部分以及所述直流輸出電壓(VOUT)而判斷所述接地阻抗值的大小。
根據本發明的一實施例，所述交流電壓檢測電路包括：一第二運算放大器、一第五電阻、一第六電阻、一第七電阻、一第八電阻、一第三電容以及一第四電容。所述第二運算放大器包括一第二正輸入節點以及一第二負輸入節點，其中所述第二運算放大器接收一直流供應電壓並比較所述第二正輸入節點以及所述第二負輸入節點的電壓值，而於一檢測電壓節點輸出所述檢測電壓。所述第五電阻具有一第五電阻值(R5)，且耦接於所述第三輸入節點以及所述第二負輸入節點之間。所述第六電阻具有一第六電阻值(R6)，且耦接於所述第二負輸入節點以及所述檢測電壓節點之間。所述第七電阻具有一第七電阻值(R7)，且耦接於所述第四輸入節點以及所述第二正輸入節點之間。所述第八電阻具有一第八電阻值(R8)，且耦接於一參考輸入節點以及所述第二正輸入節點之間，其中所述直流參考電壓提供至所述參考輸入節點。所述第三電容，耦接於所述檢測電壓節點以及所述第二負輸入節點之間，所述第四電容耦接於所述第二正輸入節點以及所述參考輸入節點之間，其中所述第三電容以及所述第四電容用以濾除一高頻噪聲。
根據本發明的一實施例，所述交流電壓檢測電路包括：一第二箝位電路以及一第三箝位電路。所述第二箝位電路耦接於所述第二負輸入節點，用以提供所述第二負輸入節點箝位保護。所述第三箝位電路耦接於所述第二正輸 入節點，用以提供所述第二正輸入節點箝位保護。
根據本發明的一實施例，所述控制器根據<![CDATA[ R PE = R 3 ( R 1 + R 2 ) V DC - R 1 ( R 3 + R 4 ) V OUT ( R 3 + R 4 ) V OUT - R 3 V DC ]]>的參考公式，得到所述接地阻抗值；其中VOUT為測量得出。
附圖說明
圖1顯示根據本發明的一實施例所述的接地阻抗檢測裝置的方框圖方框圖；
圖2顯示根據本發明的一實施例所述的接地阻抗檢測電路的電路圖；
圖3顯示根據本發明的另一實施例所述的接地阻抗檢測裝置的方框圖方框圖；
圖4顯示根據本發明的一實施例所述的交流電壓檢測電路的電路圖。
其中，附圖標記：
100、200、300 接地阻抗檢測裝置
101、301 接地阻抗檢測電路
102、302 一控制器
110 電力系統
201 第一運算放大器
202 第一電阻
203 第二電阻
204 第三電阻
205 第四電阻
206 第一箝位電路
207 第一電容
208 第二電容
303、400 交流電壓檢測電路
401 第二運算放大器
402 第五電阻
403 第六電阻
404 第七電阻
405 第八電阻
406 第二箝位電路
407 第三箝位電路
408 第三電容
409 第四電容
P1 第一電源線
P2 第二電源線
PE 接地線
NI1 第一輸入節點
NI2 第二輸入節點
NI3 第三輸入節點
NI4 第四輸入節點
RPE 接地阻抗
NREF 參考輸入節點
VREF 直流參考電壓
NOUT 輸出節點
VOUT 直流輸出電壓
NP1 第一正輸入節點
NN1 第一負輸入節點
NP2 第二正輸入節點
NN2 第二負輸入節點
VS 直流供應電壓
NDT 檢測電壓節點
VDT 檢測電壓
具體實施方式
為使本發明的上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特例舉一較佳實施例，並配合所附圖式，來作詳細說明如下：
以下將介紹根據本發明所述的較佳實施例。必須要說明的是，本發明提供了許多可應用的發明概念，在此所揭露的特定實施例，僅是用於說明達成與運用本發明的特定方式，而不可用以局限本發明的範圍。
圖1顯示根據本發明的一實施例所述的接地阻抗檢測裝置的方框圖。如圖1所示，接地阻抗檢測裝置100包括接地阻抗檢測電路101以及控制器102，接地阻抗檢測裝置100耦接至電力系統110，電力系統110具有第一電源線P1、第二電源線P2以及接地線PE，其中電力系統110用以輸出交流電壓。根據本發明的一實施例，接地阻抗檢測裝置100為連接電力系統的電力轉換器，如車用充電站。
接地阻抗檢測電路101包括第一輸入節點NI1以及第二輸入節點NI2，第一輸入節點NI1耦接至第一電源線P1以及第二電源線P2之一者，第二輸入節點NI2耦接至該接地阻抗檢測裝置的接地端，其中接地線PE以及接地端之間具有接地阻抗RPE，接地阻抗檢測電路101根據第一輸入節點NI1以及第二輸入節點NI2的電壓以及直流參考電壓VREF，而於輸出節點NOUT產生直流輸出電壓VOUT。
要知道的是，接地線PE為電力系統接地線，而接地端為接地阻抗檢測裝置100的本地設備接地端(local ground)。本發明的優點在於僅利用接地阻抗檢測裝置100本地的直流供應電壓以及本地的接地端，即可估算本地的接地端到遠程的接地線的阻抗。本發明的估算方法將於下文詳加敘述。
根據本發明的一實施例，控制器102根據直流參考電壓VREF以及測量得出的直流輸出電壓VOUT的電壓值，而判斷接地阻抗RPE的接地阻抗值。以下將詳細說明接地阻抗RPE與直流參考電壓VREF以及測量得出的直流輸出電壓VOUT的詳細關係。
根據本發明的一實施例，電力系統110為單相三線系統，並包括火線(live wire)、中性線(neutral wire)以及接地線(earth line)，也就是第一電源線P1以及第二電源線P2分別為火線(live wire)以及中性線(neutral wire)。當第一輸入節點NI1耦接至火線以及中性線其中之一時，接地阻抗檢測電路101即可根據第一輸入節點NI1以及第二輸入節點NI2的電壓以及直流參考電壓VREF而產生直流輸出電壓VOUT。
根據本發明的另一實施例，電力系統110為兩相三線系統，並包括第一火 線(Line 1)、第二火線(Line 2)以及接地線(earth line)，也就是第一電源線P1以及第二電源線P2分別為第一火線以及第二火線。當第一輸入節點NI1耦接至第一火線以及第二火線其中之一時，接地阻抗檢測電路101即可根據第一輸入節點NI1以及第二輸入節點NI2的電壓以及直流參考電壓VREF而產生直流輸出電壓VOUT。
根據本發明的又一實施例，電力系統110為三相四線系統，並包括第一火線(R)、第二火線(S)、第三火線(T)以及接地線，其中第一火線、第二火線以及第三火線之間的相位差皆為120度。此時，電力系統110具有第一電源線P1、第二電源線P2以及第三電源線P3，其中電力系統110具有第一電源線P1、第二電源線P2以及第三電源線P3分別為第一火線、第二火線以及第三火線。當第一輸入節點NI1耦接至第一火線、第二火線以及第三火線其中之一時，接地阻抗檢測電路101即可根據第一輸入節點NI1以及第二輸入節點NI2的電壓以及直流參考電壓VREF而產生直流輸出電壓VOUT。
圖2顯示根據本發明的一實施例所述的接地阻抗檢測電路的電路圖。如圖2所示，接地阻抗檢測電路200包括第一運算放大器201、第一電阻202、第二電阻203、第三電阻204、第四電阻205、第一箝位電路206、第一電容207以及第二電容208。
第一運算放大器201包括第一正輸入節點NP1以及第一負輸入節點NN1，其中第一運算放大器201接收直流供應電壓VS，並比較第一正輸入節點NP1以及第一負輸入節點NN1的電壓，而於輸出節點NOUT產生直流輸出電壓VOUT。
第一電阻202具有第一電阻值R1，並且耦接於第一輸入節點NI1以及第一負輸入節點NN1之間。根據本發明的一實施例，第一電阻202為以數個電阻串接，以符合安規的絕緣距離。第二電阻203具有第二電阻值R2，並且耦接於第一負輸入節點NN1以及輸出節點NOUT之間。
第三電阻204具有第三電阻值R3，並且耦接於第二輸入節點NI2以及第一正輸入節點NP1之間，其中第二輸入節點NI2耦接至該接地阻抗檢測裝置的接地端。第四電阻205具有第四電阻值R4，並且耦接於參考輸入節點NREF以及第一正輸入節點NP1之間，其中直流參考電壓VREF提供至參考輸入節點NREF。
第一箝位電路206耦接於第一負輸入節點NN1，用以消除第一負輸入節點NN1的突波，亦即提供箝位保護。第一電容207耦接於輸出節點NOUT以及第 一負輸入節點NN1之間，一第二電容208耦接於第一正輸入節點NP1以及參考輸入節點NREF之間，其中第一電容207以及第二電容208用以將接地阻抗檢測電路200設計為低通放大器，第一電容207以及第二電容208用以選擇一帶寬，進而濾除來自第一輸入節點NI1以及第二輸入節點NI2的交流信號，以減小交流信號對接地阻抗檢測電路200的影響，利用低通特性可於輸出節點NOUT產生直流輸出電壓VOUT。
當直流參考電壓VREF注入接地阻抗檢測電路200時，接地阻抗檢測電路200根據第一輸入節點NI1以及第二輸入節點NI2的電壓以及直流參考電壓VREF而產生直流輸出電壓VOUT，控制器102更根據測量得出的直流輸出電壓VOUT以及直流參考電壓VREF的差異來計算接地阻抗RPE。
根據本發明的一實施例，直流供應電壓VS為12V，直流參考電壓VREF為6V，並且接地阻抗RPE等效耦接至第一輸入節點NI1以及接地端之間，第一電阻值R1以及第三電阻值R3為1000kΩ，第二電阻值R2以及第四電阻值R4為402kΩ。然而，第一電阻值R1、第二電阻值R2、第三電阻值R3以及第四電阻值R4可任意選擇，在此為了方便說明，選擇第一電阻值R1等於第三電阻值R3且第二電阻值R2等於第四電阻值R4。
由於第一輸入節點NI1耦接至圖1電力系統110的第一電源線P1以及第二電源線P2其中之一，並且電力系統110利用第一電源線P1以及第二電源線P2輸出交流電壓，因為通過將接地阻抗檢測電路200設計為一低通特性的電路，所以輸出電壓VOUT為直流成分，故以下分析都只需要考慮直流成分。第一正輸入節點NP1的電壓值VP1可由公式1得到：
<![CDATA[ V P 1 = R 3 R 3 + R 4 V REF ]]> (公式1)
由於第三電阻值R3為1000kΩ、第四電阻值R4為402kΩ以及直流參考電壓VREF為6V，因此第一正輸入節點NP1的電壓值VP1為4.28V。由於理想的運算放大器的放大倍率為無限大，因此若將第一運算放大器201視為理想放大器的話，第一正輸入節點NP1以及第一負輸入節點NN1可視為虛短路(virtual short circuit)。
也就是，第一負輸入節點NN1的電壓值VN1等於第一正輸入節點NP1的電 壓值VP1而為4.28V，直流輸出電壓VOUT可經由公式2得到：
<![CDATA[ V OUT = R 1 + R 2 + R PE R 1 + R PE V P 1 ]]> (公式2)
圖1的控制器102經由比較直流參考電壓VREF以及測量得出的直流輸出電壓VOUT之差，可得知接地阻抗RPE的電阻值。
根據本發明的公式(2)再結合公式(1)可得出公式(3)，控制器102可利用公式3計算出接地阻抗RPE的電阻值。
<![CDATA[ R PE = R 3 ( R 1 + R 2 ) V REF - R 1 ( R 3 + R 4 ) V OUT ( R 3 + R 4 ) V OUT - R 3 V REF ]]> (公式3)
換句話說，圖1的控制器102可根據第一電阻值R1、第二電阻值R2、直流參考電壓VREF以及測量得出的直流輸出電壓VOUT，利用公式3計算出接地阻抗RPE的電阻值。
根據本發明的另一實施例，由於信號路徑上的雜散電容以及用以濾除幹擾的電容都會使檢測產生誤差，因此所述接地阻抗的計算方式需要相對應的修正。
圖3顯示根據本發明的另一實施例所述的接地阻抗檢測裝置的方框圖。如圖3所示，接地阻抗檢測裝置300包括接地阻抗檢測電路301、控制器302以及交流電壓檢測電路303。與圖1相比，接地阻抗檢測裝置300較接地阻抗檢測裝置100多了交流電壓檢測電路303。
交流電壓檢測電路303包括第三輸入節點NI3以及第四輸入節點NI4，其中交流電壓檢測電路303的第三輸入節點NI3以及第四輸入節點NI4分別耦接至第一電源線P1以及第二電源線P2，用以檢測第一電源線P1以及第二電源線P2的交流電壓VM，並於檢測電壓節點NDT輸出檢測電壓VDT。
要知道的是，接地線PE與接地端分別屬於電力系統310以及接地阻抗檢測裝置300的接地。
檢測電壓VDT包括直流部分VDC以及交流部分VAC，控制器302根據直流部分VDC以及測量得出的直流輸出電壓VOUT並利用公式4計算出接地阻抗RPE的電阻值。換句話說，公式4以直流部分VDC取代直流參考電壓VREF求得接 地阻抗RPE。控制器302更利用交流部分VAC的振幅AM得到電力系統310經由第一電源線P1以及第二電源線P2所提供的交流電壓VM的大小。
<![CDATA[ R PE = R 3 ( R 1 + R 2 ) V DC - R 1 ( R 3 + R 4 ) V OUT ( R 3 + R 4 ) V OUT - R 3 V DC ]]> (公式4)
根據本發明的一實施例，由於控制器302需要藉由交流電壓檢測電路303來檢測電力系統310所輸出的交流電壓VM，若控制器302仍以直流參考電壓VREF以及測量得出的直流輸出電壓VOUT求得接地阻抗RPE的話，必須額外利用一針腳將直流參考電壓VREF提供至控制器302。也就是，控制器302利用檢測電壓VDT的直流部分VDC以及測量得出的直流輸出電壓VOUT求得接地阻抗RPE時，則不需另外將直流參考電壓VREF提供至控制器302，控制器302的針腳亦可省下做為其他用途。
圖4顯示根據本發明的一實施例所述的交流電壓檢測電路的電路圖。如圖4所示，交流電壓檢測電路400包括第二運算放大器401、第五電阻402、第六電阻403、第七電阻404、第八電阻405、第二箝位電路406、第三箝位電路407、第三電容408以及第四電容409。
第二運算放大器401包括第二正輸入節點NP2以及一第二負輸入節點NN2，其中第二運算放大器401接收直流供應電壓VS並比較第二正輸入節點NP2以及第二負輸入節點NN2的電壓值，而於檢測電壓節點NDT產生檢測電壓VDT。
第五電阻402具有第五電阻值R5，並且耦接於第三輸入節點NI3以及第二負輸入節點NN2之間。根據本發明的一實施例，第五電阻402為以數個電阻串接，以符合安規的絕緣距離。第六電阻403具有第六電阻值R6，並且耦接於第二負輸入節點NN2以及檢測電壓節點NDT之間。
第七電阻404具有第七電阻值R7，並且耦接於第四輸入節點NI4以及第二正輸入節點NP2之間。根據本發明的一實施例，第七電阻404為以數個電阻串接，以符合安規的絕緣距離。第八電阻405具有第八電阻值R8，並且耦接於參考輸入節點NREF以及第二正輸入節點NP2之間，其中直流參考電壓VREF提供至所述參考輸入節點NREF。
第二箝位電路406耦接於第二負輸入節點NN2，用以消除第二負輸入節點NN2的突波。第三箝位電路耦接於第二正輸入節點NP2，用以消除第二正輸入 節點NP2的突波。
第三電容408耦接於檢測電壓節點NDT以及第二負輸入節點NN2之間。第四電容409耦接於第二正輸入節點NP2以及參考輸入節點NREF之間，其中第三電容408以及第四電容409用以選擇一帶寬讓交流成分可以通過使檢測電壓VDT包括直流部分VDC以及交流部分VAC，並可濾除高頻噪聲。
根據本發明的一實施例，直流供應電壓Vs為12V，直流參考電壓VREF為6V，並且電力系統310經由第一電源線P1以及第二電源線P2輸出的交流電壓VM的均方根(root mean square,RMS)大小為220V，第五電阻值R5以及第七電阻值R7為1000kΩ，第六電阻值R6以及第八電阻值R8為12.1kΩ。
當第三輸入節點NI3以及第四輸入節點NI4分別耦接至第一電源線P1以及第二電源線P2時，第三輸入節點NN3以及第四輸入節點NI4之間的交流電壓VM為220V。因此，當交流電壓VM的均方根為220V時，其峰值為311.08V，檢測電壓VDT的交流部分VAC的振幅AM為3.764V。
換句話說，控制器302可根據檢測電壓VDT的交流部分VAC的振幅AM、第五電阻值R5、第六電阻值R6、第七電阻值R7以及第八電阻值R8，回推而得到實際交流電壓VM。
因此，本領域普通技術人員能夠利用本發明圖2的接地阻抗檢測電路200所輸出的直流輸出電壓VOUT，結合接地阻抗檢測電路200的第一電阻202、第二電阻203、第三電阻204、第四電阻205以及直流參考電壓VREF的設計參數，並以公式3計算出準確的接地阻抗值RPE。
當需要降低控制器的輸入針腳時，則可利用本發明的圖4的交流電壓檢測電路400所輸出檢測電壓VDT的直流部分VDC取代直流參考電壓VREF，再以公式4計算出準確的接地阻抗值RPE。其中，控制器可將輸出檢測電壓VDT平均得到取代直流參考電壓VREF，且可同時檢測電壓VDT的交流部分VAC，可省去將直流參考電壓VREF輸入至控制器的輸入針腳。
以上敘述許多實施例的特徵，使所屬技術領域中具有通常知識者能夠清楚理解本說明書的形態。所屬技術領域中具有通常知識者能夠理解其可利用本發明揭示內容為基礎以設計或更動其他製程及結構而完成相同於上述實施例的目的及/或達到相同於上述實施例的優點。所屬技術領域中具有通常知識者亦能夠理解不脫離本發明的精神和範圍的等效構造可在不脫離本發明的精神和 範圍內作任意的更動、替代與潤飾，但這些相應的更動、替代與潤飾都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。