接地阻抗检测装置的制作方法

本发明涉及一种接地阻抗检测装置，特别涉及一种测量接地线以及接地端之间的电阻值的检测装置。

背景技术：

当本地端设备耦接至电力系统时，本地端设备缺乏良好的接地的情况并不被接受，并且本地端设备故障的风险随之上升。缺乏有效的接地系统将会导致各种问题，例如仪表误差(instrumentation errors)、谐波失真、功率因子以及其他许多可能的间歇性的难题将会随之发生。如果没有通过正确的设计以及经常维护的接地系统来提供故障电流排除至地表的话，故障电流会自己找出意想不到的电荷排除路径，甚至可能造成用户触电的危机。

此外，良好的接地系统也能有效防止损坏工厂以及设备，因此有必要提高设备的可靠性，并减少因故障电流而损坏设备以及造成人员触电的可能性。再者，若能够在电力系统操作之前即可得知接地阻抗的阻抗值的话，即可避免对接地阻抗过高的电力系统进行操作，进而得到事先避免危机发生的功效。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出一种接地阻抗检测装置，耦接至一电力系统，其中所述电力系统包括一第一电源线、一第二电源线以及一接地线，接地阻抗检测装置包括：一接地阻抗检测电路以及一控制器。所述接地阻抗检测电路包括一第一输入节点以及一第二输入节点，其中所述第一输入节点耦接至所述第一电源线以及所述第二电源线之一者，所述第二输入节点耦接至该接地阻抗检测装置的一接地端，其中所述接地阻抗检测电路根据所述第一输入节点以及所述第二输入节点的电压以及一直流参考电压(V_REF)而产生一直流输出电压(V_OUT)。所述控制器根据所述直流参考电压以及所述直流输出电压，判断所述接地线以及所述接地端之间的一接地阻抗的一接地阻抗值(R_PE)。

根据本发明的一实施例，所述电力系统为一单相三线系统，所述电力系统包括一火线、一中性线以及所述接地线，所述第一输入节点耦接至所述火线以及所述中性线其中之一。

根据本发明的另一实施例，所述电力系统为一两相三线系统，所述电力系统包括一第一火线、一第二火线以及所述接地线，所述第一火线具有一第一相位以及所述第二火线具有一第二相位，其中所述第一输入节点耦接至所述第一火线以及所述第二火线之任一。

根据本发明的又一实施例，所述电力系统为一三相四线系统，所述电力系统包括一第一火线、一第二火线、一第三火线以及所述接地线，所述第一火线具有一第一相位、所述第二火线具有一第二相位以及所述第三火线具有一第三相位，其中所述第一输入节点耦接至所述第一火线、所述第二火线以及所述第三火线其中之一。

根据本发明的一实施例，所述接地阻抗检测电路更包括：一第一运算放大器、一第一电阻、一第二电阻、一第三电阻、一第四电阻、一第一电容以及一第二电容。所述第一运算放大器包括一第一正输入节点以及一第一负输入节点，其中所述第一运算放大器接收一直流供应电压并比较所述第一正输入节点以及所述第一负输入节点的电压值，而于一输出节点产生所述直流输出电压。所述第一电阻具有一第一电阻值(R₁)，且耦接于所述第一输入节点以及所述第一负输入节点之间。所述第二电阻具有一第二电阻值(R₂)，且耦接于所述第一负输入节点以及所述输出节点之间。所述第三电阻具有一第三电阻值(R₃)，且耦接于所述第二输入节点以及所述第一正输入节点之间。所述第四电阻具有一第四电阻值(R₄)，且耦接于一参考输入节点以及所述第一正输入节点之间，其中所述直流参考电压(V_REF)提供至所述参考输入节点。所述第一电容耦接于所述输出节点以及所述第一负输入节点之间，所述第二电容耦接于所述第一正输入节点以及所述参考输入节点之间，其中所述第一输入节点包括一交流信号，所述第一电容以及所述第二电容用以选择一带宽以滤除所述交流信号。

根据本发明的一实施例，所述接地阻抗检测电路更包括一第一箝位电路。所述第一箝位电路耦接于所述负输入节点，用以提供所述负输入节点箝位保护。

根据本发明的一实施例，所述控制器根据$R_{\mathrm{PE}}=\frac{R_3\·(R_1+R_2)\·V_{\mathrm{REF}}-R_1\·(R_3+R_4)\·V_{\mathrm{OUT}}}{(R_3+R_4)\·V_{\mathrm{OUT}}-R_3\·V_{\mathrm{REF}}}$的公式，得到所述接地阻抗值；其中V_OUT为测量得出。

根据本发明的一实施例，接地阻抗检测装置更包括一交流电压检测电路。所述交流电压检测电路包括一第三输入节点以及一第四输入节点，其中所述第三输入节点耦接至所述第一电源线，所述第四输入节点耦接至所述第二电源线，其中所述交流电压检测电路根据所述第三输入节点以及所述第四输入节点的一交流电压而输出一检测电压，其中所述检测电压包括一直流部分(V_DC)以及一交流部分，所述控制器根据所述交流部分的振幅(AM)而判断所述交流电压(V_M)的大小，并根据所述直流部分以及所述直流输出电压(V_OUT)而判断所述接地阻抗值的大小。

根据本发明的一实施例，所述交流电压检测电路包括：一第二运算放大器、一第五电阻、一第六电阻、一第七电阻、一第八电阻、一第三电容以及一第四电容。所述第二运算放大器包括一第二正输入节点以及一第二负输入节点，其中所述第二运算放大器接收一直流供应电压并比较所述第二正输入节点以及所述第二负输入节点的电压值，而于一检测电压节点输出所述检测电压。所述第五电阻具有一第五电阻值(R₅)，且耦接于所述第三输入节点以及所述第二负输入节点之间。所述第六电阻具有一第六电阻值(R₆)，且耦接于所述第二负输入节点以及所述检测电压节点之间。所述第七电阻具有一第七电阻值(R₇)，且耦接于所述第四输入节点以及所述第二正输入节点之间。所述第八电阻具有一第八电阻值(R₈)，且耦接于一参考输入节点以及所述第二正输入节点之间，其中所述直流参考电压提供至所述参考输入节点。所述第三电容，耦接于所述检测电压节点以及所述第二负输入节点之间，所述第四电容耦接于所述第二正输入节点以及所述参考输入节点之间，其中所述第三电容以及所述第四电容用以滤除一高频噪声。

根据本发明的一实施例，所述交流电压检测电路包括：一第二箝位电路以及一第三箝位电路。所述第二箝位电路耦接于所述第二负输入节点，用以提供所述第二负输入节点箝位保护。所述第三箝位电路耦接于所述第二正输 入节点，用以提供所述第二正输入节点箝位保护。

根据本发明的一实施例，所述控制器根据$R_{\mathrm{PE}}=\frac{R_3\·(R_1+R_2)\·V_{\mathrm{DC}}-R_1\·(R_3+R_4)\·V_{\mathrm{OUT}}}{(R_3+R_4)\·V_{\mathrm{OUT}}-R_3\·V_{\mathrm{DC}}}$的参考公式，得到所述接地阻抗值；其中V_OUT为测量得出。

附图说明

图1显示根据本发明的一实施例所述的接地阻抗检测装置的方框图方框图；

图2显示根据本发明的一实施例所述的接地阻抗检测电路的电路图；

图3显示根据本发明的另一实施例所述的接地阻抗检测装置的方框图方框图；

图4显示根据本发明的一实施例所述的交流电压检测电路的电路图。

其中，附图标记：

100、200、300 接地阻抗检测装置

101、301 接地阻抗检测电路

102、302 一控制器

110 电力系统

201 第一运算放大器

202 第一电阻

203 第二电阻

204 第三电阻

205 第四电阻

206 第一箝位电路

207 第一电容

208 第二电容

303、400 交流电压检测电路

401 第二运算放大器

402 第五电阻

403 第六电阻

404 第七电阻

405 第八电阻

406 第二箝位电路

407 第三箝位电路

408 第三电容

409 第四电容

P1 第一电源线

P2 第二电源线

PE 接地线

N_I1 第一输入节点

N_I2 第二输入节点

N_I3 第三输入节点

N_I4 第四输入节点

R_PE 接地阻抗

N_REF 参考输入节点

V_REF 直流参考电压

N_OUT 输出节点

V_OUT 直流输出电压

N_P1 第一正输入节点

N_N1 第一负输入节点

N_P2 第二正输入节点

N_N2 第二负输入节点

V_S 直流供应电压

N_DT 检测电压节点

V_DT 检测电压

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特例举一较佳实施例，并配合所附图式，来作详细说明如下：

以下将介绍根据本发明所述的较佳实施例。必须要说明的是，本发明提供了许多可应用的发明概念，在此所揭露的特定实施例，仅是用于说明达成与运用本发明的特定方式，而不可用以局限本发明的范围。

图1显示根据本发明的一实施例所述的接地阻抗检测装置的方框图。如图1所示，接地阻抗检测装置100包括接地阻抗检测电路101以及控制器102，接地阻抗检测装置100耦接至电力系统110，电力系统110具有第一电源线P1、第二电源线P2以及接地线PE，其中电力系统110用以输出交流电压。根据本发明的一实施例，接地阻抗检测装置100为连接电力系统的电力转换器，如车用充电站。

接地阻抗检测电路101包括第一输入节点N_I1以及第二输入节点N_I2，第一输入节点N_I1耦接至第一电源线P1以及第二电源线P2之一者，第二输入节点N_I2耦接至该接地阻抗检测装置的接地端，其中接地线PE以及接地端之间具有接地阻抗R_PE，接地阻抗检测电路101根据第一输入节点N_I1以及第二输入节点N_I2的电压以及直流参考电压V_REF，而于输出节点N_OUT产生直流输出电压V_OUT。

要知道的是，接地线PE为电力系统接地线，而接地端为接地阻抗检测装置100的本地设备接地端(local ground)。本发明的优点在于仅利用接地阻抗检测装置100本地的直流供应电压以及本地的接地端，即可估算本地的接地端到远程的接地线的阻抗。本发明的估算方法将于下文详加叙述。

根据本发明的一实施例，控制器102根据直流参考电压V_REF以及测量得出的直流输出电压V_OUT的电压值，而判断接地阻抗R_PE的接地阻抗值。以下将详细说明接地阻抗R_PE与直流参考电压V_REF以及测量得出的直流输出电压V_OUT的详细关系。

根据本发明的一实施例，电力系统110为单相三线系统，并包括火线(live wire)、中性线(neutral wire)以及接地线(earth line)，也就是第一电源线P1以及第二电源线P2分别为火线(live wire)以及中性线(neutral wire)。当第一输入节点N_I1耦接至火线以及中性线其中之一时，接地阻抗检测电路101即可根据第一输入节点N_I1以及第二输入节点N_I2的电压以及直流参考电压V_REF而产生直流输出电压V_OUT。

根据本发明的另一实施例，电力系统110为两相三线系统，并包括第一火 线(Line 1)、第二火线(Line 2)以及接地线(earth line)，也就是第一电源线P1以及第二电源线P2分别为第一火线以及第二火线。当第一输入节点N_I1耦接至第一火线以及第二火线其中之一时，接地阻抗检测电路101即可根据第一输入节点N_I1以及第二输入节点N_I2的电压以及直流参考电压V_REF而产生直流输出电压V_OUT。

根据本发明的又一实施例，电力系统110为三相四线系统，并包括第一火线(R)、第二火线(S)、第三火线(T)以及接地线，其中第一火线、第二火线以及第三火线之间的相位差皆为120度。此时，电力系统110具有第一电源线P1、第二电源线P2以及第三电源线P3，其中电力系统110具有第一电源线P1、第二电源线P2以及第三电源线P3分别为第一火线、第二火线以及第三火线。当第一输入节点N_I1耦接至第一火线、第二火线以及第三火线其中之一时，接地阻抗检测电路101即可根据第一输入节点N_I1以及第二输入节点N_I2的电压以及直流参考电压V_REF而产生直流输出电压V_OUT。

图2显示根据本发明的一实施例所述的接地阻抗检测电路的电路图。如图2所示，接地阻抗检测电路200包括第一运算放大器201、第一电阻202、第二电阻203、第三电阻204、第四电阻205、第一箝位电路206、第一电容207以及第二电容208。

第一运算放大器201包括第一正输入节点N_P1以及第一负输入节点N_N1，其中第一运算放大器201接收直流供应电压V_S，并比较第一正输入节点N_P1以及第一负输入节点N_N1的电压，而于输出节点N_OUT产生直流输出电压V_OUT。

第一电阻202具有第一电阻值R1，并且耦接于第一输入节点N_I1以及第一负输入节点N_N1之间。根据本发明的一实施例，第一电阻202为以数个电阻串接，以符合安规的绝缘距离。第二电阻203具有第二电阻值R₂，并且耦接于第一负输入节点N_N1以及输出节点N_OUT之间。

第三电阻204具有第三电阻值R₃，并且耦接于第二输入节点N_I2以及第一正输入节点N_P1之间，其中第二输入节点N_I2耦接至该接地阻抗检测装置的接地端。第四电阻205具有第四电阻值R₄，并且耦接于参考输入节点N_REF以及第一正输入节点N_P1之间，其中直流参考电压V_REF提供至参考输入节点N_REF。

第一箝位电路206耦接于第一负输入节点N_N1，用以消除第一负输入节点N_N1的突波，亦即提供箝位保护。第一电容207耦接于输出节点N_OUT以及第 一负输入节点N_N1之间，一第二电容208耦接于第一正输入节点N_P1以及参考输入节点N_REF之间，其中第一电容207以及第二电容208用以将接地阻抗检测电路200设计为低通放大器，第一电容207以及第二电容208用以选择一带宽，进而滤除来自第一输入节点N_I1以及第二输入节点N_I2的交流信号，以减小交流信号对接地阻抗检测电路200的影响，利用低通特性可于输出节点N_OUT产生直流输出电压V_OUT。

当直流参考电压V_REF注入接地阻抗检测电路200时，接地阻抗检测电路200根据第一输入节点N_I1以及第二输入节点N_I2的电压以及直流参考电压V_REF而产生直流输出电压V_OUT，控制器102更根据测量得出的直流输出电压V_OUT以及直流参考电压V_REF的差异来计算接地阻抗R_PE。

根据本发明的一实施例，直流供应电压V_S为12V，直流参考电压V_REF为6V，并且接地阻抗R_PE等效耦接至第一输入节点N_I1以及接地端之间，第一电阻值R₁以及第三电阻值R₃为1000kΩ，第二电阻值R2以及第四电阻值R₄为402kΩ。然而，第一电阻值R₁、第二电阻值R₂、第三电阻值R₃以及第四电阻值R₄可任意选择，在此为了方便说明，选择第一电阻值R₁等于第三电阻值R₃且第二电阻值R₂等于第四电阻值R₄。

由于第一输入节点N_I1耦接至图1电力系统110的第一电源线P1以及第二电源线P2其中之一，并且电力系统110利用第一电源线P1以及第二电源线P2输出交流电压，因为通过将接地阻抗检测电路200设计为一低通特性的电路，所以输出电压V_OUT为直流成分，故以下分析都只需要考虑直流成分。第一正输入节点N_P1的电压值V_P1可由公式1得到：

$V_{P1}=\frac{R_3}{R_3+R_4}\·V_{\mathrm{REF}}$ (公式1)

由于第三电阻值R₃为1000kΩ、第四电阻值R₄为402kΩ以及直流参考电压V_REF为6V，因此第一正输入节点N_P1的电压值V_P1为4.28V。由于理想的运算放大器的放大倍率为无限大，因此若将第一运算放大器201视为理想放大器的话，第一正输入节点N_P1以及第一负输入节点N_N1可视为虚短路(virtual short circuit)。

也就是，第一负输入节点N_N1的电压值V_N1等于第一正输入节点N_P1的电 压值V_P1而为4.28V，直流输出电压V_OUT可经由公式2得到：

$V_{\mathrm{OUT}}=\frac{R_1+R_2+R_{\mathrm{PE}}}{R_1+R_{\mathrm{PE}}}\·V_{P1}$ (公式2)

图1的控制器102经由比较直流参考电压V_REF以及测量得出的直流输出电压V_OUT之差，可得知接地阻抗R_PE的电阻值。

根据本发明的公式(2)再结合公式(1)可得出公式(3)，控制器102可利用公式3计算出接地阻抗R_PE的电阻值。

$R_{\mathrm{PE}}=\frac{R_3\·(R_1+R_2)\·V_{\mathrm{REF}}-R_1\·(R_3+R_4)\·V_{\mathrm{OUT}}}{(R_3+R_4)\·V_{\mathrm{OUT}}-R_3\·V_{\mathrm{REF}}}$ (公式3)

换句话说，图1的控制器102可根据第一电阻值R₁、第二电阻值R₂、直流参考电压V_REF以及测量得出的直流输出电压V_OUT，利用公式3计算出接地阻抗R_PE的电阻值。

根据本发明的另一实施例，由于信号路径上的杂散电容以及用以滤除干扰的电容都会使检测产生误差，因此所述接地阻抗的计算方式需要相对应的修正。

图3显示根据本发明的另一实施例所述的接地阻抗检测装置的方框图。如图3所示，接地阻抗检测装置300包括接地阻抗检测电路301、控制器302以及交流电压检测电路303。与图1相比，接地阻抗检测装置300较接地阻抗检测装置100多了交流电压检测电路303。

交流电压检测电路303包括第三输入节点N_I3以及第四输入节点N_I4，其中交流电压检测电路303的第三输入节点N_I3以及第四输入节点N_I4分别耦接至第一电源线P1以及第二电源线P2，用以检测第一电源线P1以及第二电源线P2的交流电压V_M，并于检测电压节点N_DT输出检测电压V_DT。

要知道的是，接地线PE与接地端分别属于电力系统310以及接地阻抗检测装置300的接地。

检测电压V_DT包括直流部分V_DC以及交流部分V_AC，控制器302根据直流部分V_DC以及测量得出的直流输出电压V_OUT并利用公式4计算出接地阻抗R_PE的电阻值。换句话说，公式4以直流部分V_DC取代直流参考电压V_REF求得接 地阻抗R_PE。控制器302更利用交流部分V_AC的振幅AM得到电力系统310经由第一电源线P1以及第二电源线P2所提供的交流电压VM的大小。

$R_{\mathrm{PE}}=\frac{R_3\·(R_1+R_2)\·V_{\mathrm{DC}}-R_1\·(R_3+R_4)\·V_{\mathrm{OUT}}}{(R_3+R_4)\·V_{\mathrm{OUT}}-R_3\·V_{\mathrm{DC}}}$ (公式4)

根据本发明的一实施例，由于控制器302需要藉由交流电压检测电路303来检测电力系统310所输出的交流电压V_M，若控制器302仍以直流参考电压V_REF以及测量得出的直流输出电压V_OUT求得接地阻抗R_PE的话，必须额外利用一针脚将直流参考电压V_REF提供至控制器302。也就是，控制器302利用检测电压V_DT的直流部分V_DC以及测量得出的直流输出电压V_OUT求得接地阻抗R_PE时，则不需另外将直流参考电压V_REF提供至控制器302，控制器302的针脚亦可省下做为其他用途。

图4显示根据本发明的一实施例所述的交流电压检测电路的电路图。如图4所示，交流电压检测电路400包括第二运算放大器401、第五电阻402、第六电阻403、第七电阻404、第八电阻405、第二箝位电路406、第三箝位电路407、第三电容408以及第四电容409。

第二运算放大器401包括第二正输入节点N_P2以及一第二负输入节点N_N2，其中第二运算放大器401接收直流供应电压V_S并比较第二正输入节点N_P2以及第二负输入节点N_N2的电压值，而于检测电压节点N_DT产生检测电压V_DT。

第五电阻402具有第五电阻值R₅，并且耦接于第三输入节点N_I3以及第二负输入节点N_N2之间。根据本发明的一实施例，第五电阻402为以数个电阻串接，以符合安规的绝缘距离。第六电阻403具有第六电阻值R₆，并且耦接于第二负输入节点N_N2以及检测电压节点N_DT之间。

第七电阻404具有第七电阻值R₇，并且耦接于第四输入节点N_I4以及第二正输入节点N_P2之间。根据本发明的一实施例，第七电阻404为以数个电阻串接，以符合安规的绝缘距离。第八电阻405具有第八电阻值R₈，并且耦接于参考输入节点N_REF以及第二正输入节点N_P2之间，其中直流参考电压V_REF提供至所述参考输入节点N_REF。

第二箝位电路406耦接于第二负输入节点N_N2，用以消除第二负输入节点N_N2的突波。第三箝位电路耦接于第二正输入节点N_P2，用以消除第二正输入 节点N_P2的突波。

第三电容408耦接于检测电压节点N_DT以及第二负输入节点N_N2之间。第四电容409耦接于第二正输入节点N_P2以及参考输入节点N_REF之间，其中第三电容408以及第四电容409用以选择一带宽让交流成分可以通过使检测电压V_DT包括直流部分V_DC以及交流部分V_AC，并可滤除高频噪声。

根据本发明的一实施例，直流供应电压Vs为12V，直流参考电压V_REF为6V，并且电力系统310经由第一电源线P1以及第二电源线P2输出的交流电压V_M的均方根(root mean square,RMS)大小为220V，第五电阻值R₅以及第七电阻值R₇为1000kΩ，第六电阻值R₆以及第八电阻值R₈为12.1kΩ。

当第三输入节点N_I3以及第四输入节点N_I4分别耦接至第一电源线P1以及第二电源线P2时，第三输入节点N_N3以及第四输入节点N_I4之间的交流电压V_M为220V。因此，当交流电压V_M的均方根为220V时，其峰值为311.08V，检测电压V_DT的交流部分V_AC的振幅AM为3.764V。

换句话说，控制器302可根据检测电压V_DT的交流部分V_AC的振幅AM、第五电阻值R₅、第六电阻值R₆、第七电阻值R₇以及第八电阻值R₈，回推而得到实际交流电压V_M。

因此，本领域普通技术人员能够利用本发明图2的接地阻抗检测电路200所输出的直流输出电压V_OUT，结合接地阻抗检测电路200的第一电阻202、第二电阻203、第三电阻204、第四电阻205以及直流参考电压V_REF的设计参数，并以公式3计算出准确的接地阻抗值R_PE。

当需要降低控制器的输入针脚时，则可利用本发明的图4的交流电压检测电路400所输出检测电压V_DT的直流部分V_DC取代直流参考电压V_REF，再以公式4计算出准确的接地阻抗值R_PE。其中，控制器可将输出检测电压V_DT平均得到取代直流参考电压V_REF，且可同时检测电压V_DT的交流部分V_AC，可省去将直流参考电压V_REF输入至控制器的输入针脚。

以上叙述许多实施例的特征，使所属技术领域中具有通常知识者能够清楚理解本说明书的形态。所属技术领域中具有通常知识者能够理解其可利用本发明揭示内容为基础以设计或更动其他制程及结构而完成相同于上述实施例的目的及/或达到相同于上述实施例的优点。所属技术领域中具有通常知识者亦能够理解不脱离本发明的精神和范围的等效构造可在不脱离本发明的精神和 范围内作任意的更动、替代与润饰，但这些相应的更动、替代与润饰都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。