专利名称:供电系统的自动接地故障保护的制作方法
本发明一般涉及经可控电源施加给电气负荷电路以不同电量的供电系统，特别涉及到在该系统产生不正常的大量接地漏泄电流时，保护该系统用的改进装置。
在介绍本发明的过程中，将牵涉到用于火车头之类的大型自推进机车的推进系统，这种机车采用热力发动机(一般为16缸涡轮增压柴油发动机)驱动电力传动装置，该装置包括供电给许多直流牵引电动机的发电设备，而直流牵引电动机的转子转动时通过减速齿轮装置联接到机车的各轮轴组上。发电设备一般包括三相主牵引交流发电机。牵引发电机的转子机械联接到发动机的输出轴。激磁电流通入转动着的转子的磁场绕组时，交流发电机的三相定子绕组上就产生交流电压。这些电压经整流，加到牵引电动机的电枢和/或磁场绕组上。
机车柴油发动机处于“拖动”或推进工作状态时，必然会传送恒定的功率，这与油门调节情况及环境条件有关，与机车速率无关。从历史上看，历来机车控制系统的设计使机车司机可以从零到最大功率之间非连续地任意选择所希望的牵引功率，从而使发动机产生牵引和辅助载荷所要求的任何功率级。
发动机功率与曲轴转动的角速度及相对这个运动的转矩两者的乘积成正比。为改变和调节可利用的功率，一般的作法是在机车发动机上配备调速器，调节注入各发动机油缸中高压柴油(即燃油)的量，使曲轴的实际转速(转/分)对应于某一要求转速。所要求的转速是在容许极限范围内用手动操纵节流杆或节流手柄来设定的，节流杆有八个位置或“挡”可供选择，对应于最小(N1)和最大(N8)之间的功率位置，调速时，即将节流杆在此八个位置上移动。节流手柄是位于机车司机室中操纵台的一部分。节流手柄的位置确定调速器的发动机转速调定值。
在八个不同转速调定值下，发动机能发出相应的恒定功率(假定为最大输出转矩)。选用8号节流挡时，即可得到最高转速(例如，1，050转/分)和最高额定总功率(例如，4，000马力)。在正常情况下，对应于各挡位的发动机功率等于电力牵引系统所需的功率加上某些电力传动和机械传动辅助设备所消耗的功率;电力牵引系统则由发动机驱动的主交流发电机供电。
主交流发电机的输出功率(千伏安)与发电电压有效值大小及负荷电流两者的乘积成正比。此电压值随发动机的转速而变化，同时也分别是交流发电机电枢绕组和磁场绕组中电流值的函数。为了精确控制和调节发电机的功率输出，通常的作法是调节牵引发电机的磁场强度，以补偿负荷变化并减少实际千伏安(KVA)与要求千伏安(KVA)之间的误差。所要求的功率与发动机的具体转速调定值有关。这种励磁控制为节流杆各位置大体上恒定的最佳电力输出创造了平衡稳定的条件。交流发电机输出的调节功能由有关控制器进行，该控制器对节流阀的位置及分别表示电力牵引系统的某些参数或参量(例如，交流发电机的输出电压值和电流值)的若干反馈信号起反应。
在电力牵引系统中，所有电力设备(交流发电机、整流器、牵引电动机及其互接的接触器和电缆)需要良好绝缘，以防这些电力设备带电部分与地之间造成有害的短路。绝缘部分应能经受机车上极端恶劣的环境的，包括持续的振动、经常的机械振动、非经常性的维修、偶然的电气过载、较大范围的环境温度，以及极端潮湿和/或肮脏的大气环境。如果某元件的绝缘破损，或其介电强度下降，或潮气或累积的脏物使通向或处在绝缘表面的电阻降低时，电气设备与机车车身之间就会产生不希望有的高漏泄电流，而机车车身与地是处于同一个电位的。这种绝缘击穿会伴随着电离放电或飞弧现象。放电会在电压达到极限击穿值之前开始。绝缘部分越脏、越潮湿，则相对于实际击穿值的放电起始电压值就越低。如果无适当检测或不及时予以保护，其确实的危险是使原先无害的放电现象会很快变成或扩大到严重损坏绝缘系统，甚至使设备本身损坏到无法修理的程度。
通常的作法是在机车牵引系统中加接地故障保护。现有技术的一般作法，是在机车车身(地)与一个点之间(该点位于牵引系统直流牵引电动机之一电枢绕组和励磁绕组之间)，接上接地继电器的工作线圈。这是该系统中唯一有意进行接地的一个点，且在正常情况下，继电器线圈的接地漏泄电流值是微不足道的。但发生接地故障时，漏泄电流值超出继电器的“动作”电流值(例如，0.25安)，这时，接地继电器促使与交流发电机励磁回路串联的接触器断开，从而切断电力牵引系统。与此同时，警钟呜叫，信号装置上的有关信号灯燃亮。机车司机这时可以手动复位牵引系统，回复牵引电源。复位机构系设计成经三次尝试后进入锁定状态。现有技术的这种接地继电器对绝缘系统的任何潜在有害的破坏都相当敏感。但有时由于接地继电器动作而使牵引系统停车看来是不必要的，例如，当漏泄电流的增加主要是由于绝缘系统受潮引起时的情况就是如此，任何这类停车都会降低机车的生产率，这是不希望的。
本发明总的目的是提供经改进的手段以在自动响应所检测出的实际接地故障或初期接地故障中保护供电系统。
更具体的目的是对于包括可改变来自可控电源的电量给某一电气负荷电路的供电系统，其接地漏泄电流响应手段的一种装置，该装置会自动进行一系列功率限制和回复检测，以保护系统的电力设备免受接地故障造成的严重破坏，同时无需中断系统的正常运行。
在本发明的一个实施例中，电气负荷电路由适当的电源供电，供电量随着有关控制设备发出的可调控制信号值而变。在正常情况下，控制信号值由某一给定的指令信号连同输进控制设备的其它选用输入信号确定。典型的反馈信号是由电源或负荷电路中的接地漏泄电流产生的。控制设备包括接地故障响应器件，当反馈信号显示漏泄电流幅值超出正常值时该器件动作以便以下列方式改变控制信号值(1)若漏泄电流上升到高于预定的下降阀值电平但低于预定最大容许极限值，则限制控制信号，以使电源的功率输出降低到其正常规定的几分之一(此分数值与漏泄电流量超过阀值电平的部分成反比)。
(2)若漏泄电流值超过最大极限值，则(甲)限制控制信号，以使功率输出起码在预定时间间隔(例如，15秒钟)内限制为零;(乙)在该时间间隔终了时，若漏泄电流值低于某一复位点(此点比最大极限值低得多)，则零功率限制即自动消除。
接地故障响应器件应这样设计，由于漏泄电流值超出最大极限值之后该值依然推持超过上述复位点一段预定时间间隔，或者在漏泄电流再次超过最大极限值之前预定的时限内(例如30分钟)该接地故障响应器件有过“n”不同次重复动作的情况，则该接地故障响应器件不会自动消除零功率限制。在上述两种情况下，可以假定出现的是“永久性”而不是暂时性的接地绝缘故障，这时在授权维修人员找出并解决出现的问题，然后手动复位接地故障保护装置之前供电系统是继续保持断电状态的。但临时接地故障(这一般是由潮气过多引起的)则可以在部分减少电力供应期间或在此零功率限制自动消除之前的短时(例如15秒钟)零功率期间，予以自行补救(例如，藉干燥方法恢复绝缘介质的正常介电强度)，从而避免不必要或长时间的停电。
为了更好地理解本发明及其各项目的和优点，请参看附图阅读下列说明。
图1是牵引机车电力牵引系统示意图，其中包括热力原动机(例如，柴油发动机)、牵引交流发电机、多个牵引电动机和控制器;
图2是控制器(图1中以一个大方框表示)的详细方框图，它产生的输出信号用以控制交流发电机励磁磁场和发动机转速;
图3是表示控制器在正常情况下发出交流发电机磁场励磁控制信号的情况的“等效电路”图，图中还表示了控制器与本发明系统接地故障保护装置的各主要接口情况;
图4是说明根据本发明装设自动接地故障保护的最佳方式用的流程图;
图5、6、7和8是说明四个子程序最佳实施例(图4中以四个单步骤表示)工作过程的流程图。
图1中的牵引系统包括一个与电动发电机12的转子机械耦合的变速原动机11，电动发电机包括三相交流同步发电机，也叫主牵引交流发电机。主交流发电机的定子有一组三个星形连接的电枢绕组。在运转时该绕组上产生的三相电压加到至少一个三相双路无控制的电源整流器电桥13的交流输入端上。电桥13整流后的电力输出经直流总线14和各接触器(15c，16c)加到电气负荷电路上，该电路包括多个变速直流牵引电动机〔图1中只画出两个(15，16)〕并联连接的电枢绕组。上述电气设备11至16均装在火车头等自牵引机车上。实际应用中，各牵引电动机系挂在机车的不同轴上，而其传动轴则经减速传动装置(图中未示出)与有关机车轴连接。通常每个车架有两个或三个轴，每辆机车有两个车架。
牵引电动机具有不转动的磁场绕组(图中未示出)，在驱动或牵引运行方式下分别与其转动电枢上的绕组串联。但机车制动或减速时，牵引电动机的电枢绕组与电源整流器13断开，而接到一般的动力制动电阻格栅(图中未示出)上，电动机磁场绕组则彼此串联连接，以通过主交流发电机12的整流输出予以激励(换言之也可采用交流牵引电动机，在这种情况下则应在各电动机与直流总线14之间连接可控电力换流器)。
主交流发电机12转子上的磁场绕组12F经接触器12C接至经整流的激励电流相应电源17的输出上以进行激励。电源17最好包括三相控制整流电桥，由原动机驱动的辅助交流发电机发出的交流电压即加到该电桥的输入端子18上，辅助交流发电机实际上可由与主交流发电机12同一机架上的一组三相电枢辅助绕组组成。此电源包括用于改变加到交流发电机磁场直流电流大小的常规装置，从而减小输入线19上可变控制信号值与反馈信号值之间的差别，该反馈信号在驱动过程中表示电源整流器13输出电压平均值V。此电压值分别为磁场绕组12F中励磁电流值和主交流发电机12电枢绕组输出电流值的已知函数，且随原动机11的转速而变化。跨接在电源整流器直流输出端子的一般电压检测组件用以检测此电压值。
在交流发电机定子绕组中性点S与接地机壳或机车车架之间接了一个电阻相当低(例如，约125欧)的电流检测组件22，此组件在输出线23上提供表示电力牵引系统中接地漏泄电流幅值(IGND)的反馈信号。显然此IGND是经组件22在中性点S与主交流发电机12定子绕组中(位于电源整流器13)或接到电源整流器的电气负荷电路中的任何接地故障点之间流动电流的检测。该电气负荷电路包括牵引电动机15、16等的磁场绕组，在驱动的运行方式下还包括电动机的电枢绕组。
驱动交流发电机磁场12F的原动机11是热力或内燃机等同类发动机。在柴油发电机车上，其动力一般来自高功率涡轮增压四冲程十六缸柴油发动机。这类发动机有若干辅助系统，图1中用注有标号的方框表示了其中一些辅助系统。柴油发动机燃油系统24一般包括燃油箱、燃油泵和喷咀、挺杆和一对燃油泵齿条。喷咀用以将燃油注入配置在发动机对应两侧的两排或两行的各动力缸中;挺杆和一对凸轮轴上的燃油凸轮配合动作，用以在曲轴每转一圈期间驱动各注油器适当次;燃油泵齿条则用以控制每次各有关注油器动作时注入缸中的燃油量。发动机调速装置25的输出活塞控制着各油泵齿条的位置，从而也控制着加到发动机中的燃油量，油泵的两个齿条即接在发动机调速装置25上。调速器通过在预定范围内、按一定方向自动移动齿条，并减少发动机曲轴实际转速与规定转速之间差别的量值，以此来调节发动机的转速。规定转速用来自有关控制器26的变速控制信号进行调定，在此称该信号为转速指令信号或转速要求信号。发动机转速信号(RPM转/分)表示发动机曲轴的实际转速，因而也表示交流发电机磁场的实际转速。
发动机调速装置25的转速指令信号和交流发电机磁场调节器17的励磁控制信号来自控制器26。在正常驱动或牵引方式的运行情况下，这些信号值由指令信号值确定，该指令信号是靠手动操作节流阀27加到控制器上的，控制器即接在节流阀27上。机车节流阀一般有八个功率位置或操作档(N)，还有空档和停车挡。N1挡对应于发动机的最低规定转速(功率)，而N8挡对应于最高转速和全功率。在机车运行时如欲进行动力制动，司机可将节流手柄移到空挡位置上，并手动操纵普通制动控制器28的操纵杆，这时确定交流发电机励磁控制信号值的可变“要求制动”信号加到主控制器26上。(在制动情况下，表示来自主交流发电机12整流输出加到电动机磁场绕组上电流大小的反馈信号会加到交流发电机磁场调节器17上，在那里与线路19上的控制信号相减，以确定调节器予以响应的差值信号或误差信号。)在有两个或多个机车的系统中，通常只考虑第一个机车，而各尾随机车上的主控制器会通过列车线(Train Lines)接收表示司机在头一个机车中所选用的节流阀位置或“要求制动”的编码信号。
对于发动机的各功率等级都有相应的规定负荷。控制器26适当地把来自节流阀27的挡位信息变换成交流发电机磁场调节器17输入线19上大小相当的控制信号，从而在驱动状态下，只要交流发电机输出电压和负荷电流都在预定的极限范围内，即可将牵引功率调节得与所要求的功率相适应。为此目的，也为了能在某些不正常情况下降低额定负荷(即解除发动机的负荷)，有必要给控制器26提供有关各种运行条件的信息和牵引系统的参数。
更详细地说，控制器26一般要接收上述发动机转速信号RPM、电压反馈信号V和电流反馈信号11、12等，这些信号分别表示各牵引电动机电枢绕组电流的大小。此外，若发动机发不出所要求的功率，而且仍然保持在所要求的转速下，则控制器26还接收调速装置25发出的负荷控制信号。(负荷控制信号一经发出，就可以有效地减小线路19上控制信号的大小，从而削弱交流发电机的磁场，直到重新达到新平衡点为止。)如图1所示，加到控制器上的数据还有“最大电压”和“最大电流”的数据，“曲轴”数据和来自其它所选源的有关输入数据(图中用标有“其它”的方框表示)。“最大电压”和“最大电流”数据分别确定了交流发电机的输出电压和电流的最大极限值，“曲轴”数据表明发动机是否处于起动程序(即开动程序)中。交流发电机磁场调节器17经多线路串行数据连接线或总线21与控制器连通。控制器26还与“接触器驱动器”(方框29)连通。“接触器驱动器”在结构和配置上适宜根据该控制器的指令驱动交流发电机磁场接触器12C和各牵引电动机接触器15c，16c等。
为了对牵引系统中的接地故障有所反应，就把上述反馈信号(其值随接地漏泄电流IGND的大小而变化)经电流检测模件22的输出线路23加到控制器26上。若此信号表明接地漏泄电流IGND高出正常值，控制器就会履行后面即将谈到的某些保护功能，同时向机车司机室中的显示模件30发送适当的信息或警报信号。
在本发明目前最佳的实施例中，控制器26包括微型计算机。熟悉本专业的行家们都知道，微型计算机实际是市面上可买到的各种部件的协调系统，且是与可编制程序以执行若干所要求功能的各种电气线路和元件相连系的。一般微型计算机(如图2所示)中，其中央处理机(cpu)执行存储在可消除、电可编程序只读存储器(EPROM)中的操作程序，该存储器还存有程序中所用的若干表格和数据。中央处理机中装有普通计数器、寄存器、累加器、触发器(信号发送器)等，还有发出高频时钟信号的精密振荡器，微型计算机还包括随机存取存储器(RAM)，这种存储器可用以临时存储数据，并可由存储在电可编程序只读存储器(EPROM)中的程序所确定的不同地址位置上从随机存储器中读取数据。这些元件都由适当的地址、数据和控制总线彼此连接起来。在本发明实用的一个实施例中，采用了Intel 8086微型处理机。
图2中的其它方框代表将微型计算机与外部电路彼此连接起来用的普通外围元件和接口元件。更详细地说，标有“I/O”的方框是输入/输出电路，其作用是给微型计算机提供表示所选用的节流阀位置或制动器指令的数据、表示与机车牵引系统有关的各种电压、电流和其它反馈检测模件的读出值的数字信号。数字信号是从经普通信号连乘器32接到多信号调节器的模拟/数字转换器31产生的，传感器的各输出即分别加到这个信号调节器上。信号调节器具有一般的两重作用缓冲并位移(biasing)模拟传感器的输出信号。如图2所示，输入/输出电路还将微型计算机与交流发电机磁场调节器经多路总线21彼此连接。与发动机转速调节器，显示模件，接触器驱动器及与数字/模拟信号转换器33连接起来，数字/模拟信号转换器33的输出端接至线路19上。
编制控制器26的程序时，应使其能在线路19上产生一个控制信号，该控制信号的大小与机车司机所选择节流阀的位置(在正常驱动的运行方式下)有关，或者与司机所选用的制动器指令(在动力制动运行方式下)有关。目前在驱动状态下所完成的最佳方式见诸E.T.巴尔赫、R.E.比尔斯基和A.K.库马于一九八五年六月二十四日联名申请并已转让给通用电气公司的共同未决美国S、N，747，628专利申请书，该专利申请包括在本书中以供参考。其目前较突出的一些功能的方框简图如图3所示，现在说明图3的情况。
正如上述参考的专利申请中所介绍的那样，交流发电机励磁控制程序(图3中编号41)包括在标有“PWR”和“V&I”的两条通路上分别提供表示牵引功率基准值和公用电压和电流极限数值的子程序。此二值都是以每个机车轴为基础的。在正常情况下，它们随节流阀的位置而变，节流阀处于8挡的位置时达最大值。但在要求数据中发生逐步变化时，就可以用速率限制功能元件适当修改正常值，在响应车轮打滑或其它某些暂时性不正常情况时，则用“减少额定负荷”功能元件适当修改额定值。
如图3所示，来自励磁控制程序经修改的功率基准值系加到“不平衡校正”功能元件42上，表示牵引交流发电机12功率输出(每个机车轴)实际千瓦数的数据也在标有“千伏安(平均)”〔KVA(AV)〕的线路上加到功能元件42上。(为了从反馈信号VI1、I2等引出上述后一种数据，方框41中还包括了适当的信号处理程序)不平衡校正功能元件的输出表示了交流发电机输出的要求值。在需要对机车的不同电动机中任何较大的功率不平衡校正时，该要求值与已修改的功率基准输入值不同。
经修正的电压和电流(V&I)基准值馈到“基准极限值”功能元件43上，代表由最大电流(CUR-MAX)和最大电压(VOLT-MAX)分别确定的最大电流和电压极限值的数据也加到功能元件43上。最大电压极限值以下简写为VMAX。在功能元件43中输入了V&I基准值，以提供随高于电流最大极限值的输入而变的极限电流基准值(I)，并提供随高于VMAX所确定的极限输入而变的单独极限电压基准值。
极限电压基准值与交流发电机电压反馈信号V的实际值比较得出的差值即为电压误差值。然后按编制的补偿程序处理此误差得出表示电压误差值的电压控制值。此补偿程序采用比例加积分传递函数元件(图3中编号44)，与节流阀位置和机车及其控制设施的其它参数有关的数据确定该函数元件的增益。因此，电压控制值随其有关误差值时间的积分函数而变。采用了类似的程序(图3中未示出)用于将极限电流基准值与来自最大负荷牵引电动机的电动机电流反馈信号I(MAX)实际值进行比较，以产生等于其差值的电流误差值，如果需要该程序也用于将规定功率值与最大负荷电动机的实际功率指令，即将V乘以I(MAS)得出，进行比较以得到等于其差值的功率误差值。然后将后两种误差值按与传递函数元件44类似的编制补偿程序进行处理，由此得出分别表示电流和功率误差值的电流和功率控制值。这三个控制值都加到门电路45上，此电路用以选择通过极限函数元件46所需的最小值，而函数元件46输出的是输出信号VC，因而VC的值对应了最小控制值。装置47接在极限函数元件46和数字/模拟转换器33之间，用以嵌位输出信号VC的值，使该值等于零。
控制器26经线路19往交流发电机磁场调节器17发送模拟控制信号(图1)，此信号的大小由VC值确定。在驱动运行状态下，磁场调节器根据需要通过改变牵引交流发电机的磁场强度而对上述模拟控制信号有新反应，以减少电压反馈信号V与输出信号VC之间的任何差别。只要V和I(MAX)都在随节流阀位置变化的极限范围内，且不超过由功能元件43施加的各自最大极限值，VC即由功率控制值确定，这时功率控制值不是小于电压控制值就是小于电流控制值。这样，交流发电机输出电压就维持在任何能使实际与规定牵引功率之间基本上误差等于零的水平。但若V(或IMAX)具有超出其极限基准值的倾向，则电压(或电流)控制值就会被驱向低于功率控制值，于是VC值下降，从而使交流发电机输出调到任何能产生零电压(或电流)误差的水平。
根据本发明，若牵引系统中接地漏泄电流的大小超过预定的最大容许极限值，则可以使嵌位装置47动作至少历时预定的最小时间间隔(例如，约15秒钟)，以使线路19上的控制信号值降到为零，从而将主交流发电机12的功率输出限制为零。在此嵌位动作开始的同时，接触器断开的指令就传到接触器驱动器29上，正常励磁控制程序41被截止或切断，接地故障情况就记录在显示模件30上。为了检测并反应这种接地故障，控制器26包括接地故障响应装置，该装置在图3中以标有“接地故障保护程序”的方框48和标有“励磁截止程序，使VC＝0，断开功率接触器”的方框49表示。
处于零功率限制状态时，可能导致接地故障的任何过量潮气会干透，在这种情况下，故障就自行消除。在上述最小时间间隔终了时，除非(1)接地漏泄电流IGND在从该时间间隔开始之时计起的预定时限内(例如，约9秒)不降到低于预定的复位极限值(例如，低于最大极限值的70%左右)，或(2)接地故障响应装置在接地漏泄电流超过其最大容许极限值之前预定的时限(例如约30分钟)内已反复n(不同)次起动嵌位装置，其中n是预定的整数值(例如，3)，否则接地故障保护程序48会使嵌位装置47不工作，接通励磁控制程序，发出接触器闭合指令，从而自动消除零功率限制状态。若上述二种情况之一为真，则可以假设接地故障是“永久性”的或不能自行消除的，这时接地故障保护功能元件就必须用手动进行复位才能消除零功率限制。
如果，而且当接地电流检测模件22(图1)的输出线路23上的反馈信号表明，接地漏泄电流高于预定的降低阀值电平但不超过上述最大极限值时，则接地故障保护程序48同样起作用，以调整该控制信号的值使交流发电机的功率输出降低到正常规定值的几分之一。若牵引系统处在驱动的运行状态，则后一种功能最好藉减少VMAX值来实现;若牵引系统处在动力制动运行状态，则后一种功能最好藉减少制动要求值来实现，减少量应与超过降低额定负荷阀值范围的漏泄电流大小成正比。前面已经谈过，随着潮气的增加，接地漏泄电流具有上升的倾向，电离放电起始电压具有下降的倾向。当漏泄电流处在“中等”范围时(即接地漏泄电流到了非正常的高值但不超过其最大容许极限值时)，部分减少交流发电机的输出可以防止或起码减少可能有害的放电，而不致使牵引功率完全损耗掉，而且随着接地绝缘介质的除水，和介电强度逐步恢复正常，交流发电机电压幅值也可以增加。
虽然这种接地故障保护功能可以用各种不同的方法加以实现使其达到上面谈到的各种效果，但目前最好的方法是将微型计算机26按图4所示的程序编制程序。这种程序是每60毫秒重复一次。整个程序是从启动子程序51开始的，其中的一些基本步骤如图5所示。这个子程序是从查询点52开始的，它确定机车是否处于发动机起动状态。若然，则接地故障保护程序中的下一个也是最后一个步骤53就会起动第一计时器，然后复位第二和第三计时器及一对计数器。不然，子程序51会从查询点52往前进行到查询点54，在此要测定第一计时器的情况。只要此计时器仍在工作(即工作未完毕)，接地故障保护程序就到此终止。实际上，发动机11在起动过程中和起动后该第一计时器工作的一段时间(例如，约10秒钟)，接地故障保护功能是不能起作用的。
第一计时器计时时间一过，起动子程序51就会从查询点54往前进行到另一个查询点55，后者确定牵引系统是否处于动力制动状态;而随此之后的下一个步骤是预置接地漏泄电流的最大容许极限值和降低额定负荷值或阀值电平。若系统不处在制动状态，则预置步骤56会将对应于所要求的阀值电平(例如0.5安)的第一预定数(M1)加到“K1”寄存器中，并将对应于所要求的最大极限值(例如1.0安)的第二预定数(M2)加到“K2”寄存器中。或者，仅在动力制动状态下，预置步骤57会将对应于所要求的阀值电平(例如0.25安)的第三预定数(B1)加到K1寄存器中，并将对应于所要求的最大极限值(例如0.5安)的另一个数(B2)加到K2寄存器中。在本实例中，K1寄存器中的数约为K2寄存器中数的一半。B1最好是小于M1的一个数，B2是小于M2的一个数，这样就可以使牵引系统转接到其动力制动运行状态时提高接地故障保护装置的灵敏度。由于供电系统中固有的且由线路23上反馈信号表示的接地漏泄电流正常值在制动状态时(即当牵引电动机电枢绕组从电源整流器上断开时)要比驱动状态时低得多，因此以上情况即是所希望的，也是容许存在的。
预置步骤56或57之后，图5的子程序就进入查询点58，在此测定接地计数器(“GND CNTR”)的情况。接地计数器的工作情况将在介绍图6的接地子程序时一起介绍。若此计数器的计数不大于2，其控制就直接返回到主接地故障保护程序的下一步骤61上(图4)。但另一方面，在返回主程序中的步骤61之前，可以令步骤59用较小的数字取代寄存器K2中的数字。比较小的数值对应于接地漏泄电流所要求的复位电平。该复位点最好小于最大极限值(例如是其三分之二)。实际上，步骤59在接地故障保护装置工作时引用了可要求的“滞后现象”完成起动子程序51之后，接地故障保护程序履行读取和存储线路23上现有反馈信号值的步骤61，该反馈信号值对应于牵引系统中接地漏泄电流〔IGND〕的大小。如图4所示，这时程序往前进入查询点62，在此将存储值与寄存在寄存器K2中的数进行比较，以确定两者谁大。只要接地计数器未计测到多于二次的连续通过接地子程序(图6)，只要当接地漏泄电流IGND超过预置的最大容许极限值时，查询点62的答案才是肯定的。这之后，在接地漏泄电流IGND降低到上述置位电平以下之前，查询点62将继续保持肯定的答案。若查询点62的答案是肯定的，则需要进入接地子程序63。
现在参看图6来说明目前最佳实施例中的接地子程序63。该子程序从2号计时器的复位开始(步骤64)。接着，在步骤65上述接地计数器自动增值(即无论微型计算机的专用地址所存储的是什么计数值，总是增值1)。接下去是在步骤67上进行接地计数器情况的测定。若计数值是1，接地子程序在此就进入异常终止;不然它继续前进入另一个查询点69，在那里再重新测定接地计数器的情况，以确定计数值是否为2。若答案是肯定的，可以认为出现了接地故障，于是接地子程序有所响应，履行一系列步骤71至79。以后就可以知道，除非接地漏泄电流IGND超出了对于连续两次通过接地子程序的预置最大极限值(K2)，否则接地计数器上的计数值不会达到2，而这样会延迟步骤71至79，直至接地漏泄电流IGND在此情况开始被检测之后仍然在60毫秒内保持此极限值为止。实际上，接地子程序对接地漏泄电流IGND第一次超过预置最大极限值是不予理会的，而且若初次显示的接地故障实际上是由在不到60毫秒时间内就减少的无害电气瞬变(“噪音”)过程引起的话，则此子程序的其它步骤就不会被执行。
若接地计数器中的计数值是2，则暂时性接地故障计数器(“TEMR FAULT CNTR)就自动增值1(步骤71)，然后在步骤72上测定其情况。只要暂时性接地故障计数器的值不大于预定的整数“n”(一般n＝3)，查询点72的答案总是否定的，于是接地子程序就继续往前进入另一查询点73，3号计时器的情况就在此核实。若此计时器在计时(即计时未完结)子程序就直接从查询点73往前进入下一步骤74，不然的话3号计时器要在执行步骤74之前起动(步骤75)。设定3号计时器使其在起动后预定的一段时间“T”内工作(即继续计时)，而在本发明的实际应用中，T一般取30分钟左右。起动图3方框49所示的上述功能元件就可以在步骤74将主交流发电机12的功率输出限定为零，此外它会在显示模件30中插入“KILL PWR”(切断电源)的信息。接下去是起动4号计时器和将“接入”特征位设定于其真状态的步骤76。4号计时器是自动复位计时器，一般是将它设定到起动后持续计时15秒钟。从接地子程序63的步骤76，控制程序返回主程序，并在此点结束。
如图6所示，若在执行接地子程序之前，存储在暂时性接地故障计数器的计数值等于n(例如3)，步骤71会使计数值增加到n+1(例如4)，于是现查询点72的答案不是否定而是肯定。在这种情况下，可以认为是处在“永久性”接地故障状态，于是子程序会从查询点72往前进入步骤77，后者使2号和3号计时器复位，并使暂时性接地故障计数器复位。步骤77之后是步骤78和79。在步骤78中，预定数“N”加到接地计数器中，从而使其计数值停留在此数上。步骤79也会以步骤74相同的方式将交流发电机的功率输出限制在零值，此外还会在显示模件30中插入“WONT LOAD”(一般负荷)信息。从接地子程序63的步骤79，控制程序返回到主程序上，并在此点上结束。
若主程序中查询点62(图4)的答案在120毫秒或更长的时间内仍然是肯定的，则接地子程序(图6)会连续两次予以执行。在连续第三次通过此子程序时，查询点69的答案会是否定的，这时子程序会从查询点69往前进入另一个查询点81，在此重新测定接地计数器的情况以判定其计数值是否大于N。若不然，则控制返回到主程序并以此点终止。这之后，查询点81每隔60毫秒重复予以执行，直至接地漏泄电流IGND减少到低于复位电平，且查询点62产生否定答案为止。但一旦接地子程序63已经连续N次予以执行，则下一次通过此子程序时，查询点81的答案会是肯定的。在这种情况下，可以认为是处于“永久性”接地故障状态，于是在结束接地故障保护程序之前就履行步骤77至79。在应用本发明的典型实例中，取N等于150，历时9秒。此时间长度比上述15秒复位间隔短得多。
现在再回过来介绍图4所示的接地故障保护程序。显然，(11)在接地漏泄电流IGND超过其预定最大容许极限值之前，或(2)接地漏泄电流IGND超过此极限值历时至少60毫秒，然后降至低于其预定复位电平之后，并不需要接地子程序63。在以上任何一种情况下，查询点62的答案是否定的，同时主程序会从查询点62往前进入查询点82，在此核实接地特征位的情况。若接地特征位未处于真状态中，主程序会直接从查询点82往前进行到下一步骤83。不然，经查询点84进行到步骤83，前者要核实4号自动复位计时器的状态。只要此计时器工作，程序就会直接从查询点84进入下一步骤83。但一旦4号复位计时器在上述15秒间隔终了处暂停，则在步骤83之前需要另外执行步骤85。在步骤85中，由接地子程序63的步骤74施加的功率限制自动撤消或消除，显示模件中的“KILL PWR”(切断电源)信息被取销或复位，同时接地特征位置位于假状态。这就可以由励磁控制程序41(图3)的正常操作来确定主交流发电机12拟恢复到任何范围的功率输出。
在主程序步骤83中，接地计数器的计数值被复位到零。接下去就是查询点86，在此测定暂时性接地故障计时器的情况，看其计数值是否为零。若答案是肯定的，程序就直接从查询86进入另一个查询点87，否则需要在执行查询点87之前进行接地遗漏子程序88。接地遗漏子程序如图8所示，后面将予以介绍。如图4所示，查询点87是比较已存储的漏泄电流反馈信号值与寄存在寄存器K1中的数值，以确定两者谁大。若接地漏泄电流IGND大于其预调降低额定负荷阀值电平，则查询点87的答案是肯定的，在这种情况下需要进行降低额定负荷子程序89。
现在参看图7来说明本发明目前在降低额定负荷子程序89方面的最佳实施例。从查询点90开始，它要确定牵引系统是否处在动力制动工作状态。若不然，则检出最大电压极限值VMAX(步骤91)，然后由步骤92予以缩减。步骤92是计算VMAX与一个分数的乘积，该分数等于1减去接地漏泄电流IGND偏离降低额定负荷阀值电平的实际偏差与最大偏差的比值。实际偏差相当已存储的漏泄电流反馈信号的值减去(Less)寄存在寄存器K1中的数字，最大偏差对应如接地漏泄电流IGND要增加到所要求的降低额定负何为100%(即VC＝0)的预定值上述量值间的差值。后一数值大致等于，但最好是略大于(当牵引系统处于驱动状态时)前述接地漏泄电流的最大容许极限值。VMAX与上述分数的乘积存储起来，供励磁控制程序之用。
换言之如查询点90表明，牵引系统处在制动工作状态，则由降低额定负荷子程序中的步骤93检出要求制动信号值。这时在步骤94要对其予以缩减，也即计算所检出的数值与一个分数的乘值，该分数等于1减去(动力制动时)接地漏泄电流IGND偏离它的预定降低额定负荷阀值电平的实际与最大偏差的比值。要求制动值与此分数的乘积存储起来供励磁控制程序用。在执行步骤92或步骤94之后，降低额定负荷子程序89返回到接地故障保护主程序的最后步骤95(图4)，在那里“负荷限制”信息输入显示模件30中，“降低额定负荷”的特征位予以置位。一旦此降低额定负荷的特征位予以置位，励磁控制程序(41)将使用存储在降低额定负荷子程序步骤92中已缩减的VMAX值(或在动力制动状态下，使用存储在步骤94中已缩减的要求制动值)。
只要接地漏泄电流IGND不大于其预定的降低额定负荷阀值电平，查询点87的答案就会是否定的。在这种情况下如图4所示，接地故障保护程序的最终步骤97是消除降低额定负荷的特征位。这时励磁控制程序(41)会使用正常的VMAX和要求制动值。
在前述查询点86予以执行时，只要暂时性接地故障计数器中的计数值大于零，则接地故障保护程序会从查询点86经接地遗漏子程序88进入查询点87。现说明接地遗漏子程序88。图8是此子程序目前最佳的实施例方案。它开始于核实3号计时器情况的查询点98。若此计时器工作(表明接地漏泄电流IGND已超过其最大容许极限值，且接地子程序63的步骤71已在紧接之前的30分钟期间至少使暂时性接地故障计数器增值一次)，则该控制直接从接地遗漏子程序的查询点98返回到接地故障保护主程序的查询点87(图4)。但自上一次3号计时器开始计时起，一旦过了30分钟之后，查询点98的答案是肯定的，则接地遗漏子程序会进入另一个查询点99，在此核实2号计时器的情况。
鉴于每次接地子程序63予以执行时2号计时器要由步骤64来复位，显然此计时器原来是不工作的(即工作完毕)，因此图8中的接地遗漏子程序从查询点99进入步骤100，在此暂时性接地故障计数器自动减值1。步骤100后面是起动2号计时器的步骤101，接着接地遗漏子程序回到接地故障保护主程序上。2号计时器在启动之后予以置位以使其动作对应相当于 (T)/(n) (例如约10分钟)的一段预定间隔。此计时器一投入工作，接地遗漏子程序88直接从查询点99返回到接地故障保护主程序，而其计数减值步骤100在上述10分钟时限终了之前，是不会再次予以执行的(在此时限间隔可以假设没有新的接地故障发生)。这样若3号计时器表示30分钟时限终了时没有接地故障发生，则暂时性接地故障计数器自动忽略或失去一个计数值，且只要3号计时器不再起动，该计数器此后会在每个连续10分钟间隔终了时再忽略一次计数，直至其中的计数值减到零为止。显然这时如在任一30分钟周期期间反复出现四次接地故障，或如在一个30分钟周期中在不同时间内三次检测出接地故障，则暂时性接地故障计数器累积的计数值为4，而第四个接地故障是在下一个10分钟内检测的，第五个接地故障是在第四个接地故障之后30分钟之内发生的。
尽管通过举例介绍和说明了本发明的最佳实施例，毫无疑问，熟悉本专业的技术人员是会作出各种修改的。因此所附的总结性权利要求
旨在不脱离本发明的实质和范围的基础上概括所有这类修改方案。
权利要求
1.一种供电系统包括可控电源、电气负荷电路、连接电源和负荷电路的装置、与按可变控制信号值的函数改变其功率输出的电源有关的装置，用于提供自动接地故障保护的经改进的装置其特征在于包括有(a)控制装置，可响应某一给定指令信号和其它所选的输入信号而正常工作，以确定所说的控制信号值，从而可随要求控制所说的电源供应给所说的负荷电路的供电量；(b)电流检测装置，用以给所说的控制装置加上表示供电系统中接地漏泄电流大小的反馈信号；(c)所说的控制装置包括接地故障响应装置，当所说的反馈信号表明漏泄电流的大小不正常地变高该接地故障响应装置即行动作，如漏泄电流值超过预定的最大容许极限值时，将以下述方式改变所述控制信号的值也即至少在预定的最低时限内限制所说电源的功率输出至零值；(d)所说的接地故障响应装置在所说的最短时限终了时起作用，如漏泄电流值在超过上述最大极限值之后，在预定的时限内减小到低于预定的复位电平，可自动消除所说的零功率限制；(e)所说的控制装置包括改变所说的控制信号值的辅助装置，其方式为如所说的反馈信号表明漏泄电流值高于预定的降低额定负荷阀值电平但不超过所说的最大极限值，则所说的控制信号能使所说的功率输出减少到其正常要求值的几分之一。
2.如权利要求
1的接地故障保护装置，其中所说的辅助装置能按接地漏泄电流超出所说的阀值电平的大小成比例地减少所说的功率输出。
3.如权利要求
1的接地故障保护装置，其中所说的复位电平低于所说的最大限值。
4.如权利要求
1的接地故障保护装置，其中所说的复位电平小于所说的最大极限的约70%。
5.如权利要求
1的接地故障保护装置，其中当漏泄电流值在小于所说的最小时限的所述预定时间间隔内已持续超过上述复位电平之后，所说的接地故障响应装置不会自动消除所说的零功率限制。
6.如权利要求
1的接地故障保护装置，其中所说的接地故障响应装置，在紧接漏泄电流值超过上述最大极限值之前一预定的周期内，已反复“n”不同次地动作之后，不会自动消除所说的零功率限制。
7.如权利要求
6的接地故障保护装置，其中所说的接地故障响应装置，在漏泄电流值于所说的预定时限内已持续超出所说的复位电平之后，不会自动消除所说的零功率限制。
8.如权利要求
1的接地故障保护装置，其中所说的接地故障响应装置包括计时装置和计数装置;该计时装置随漏泄电流值超出所述的最大极限值而同时起动，且一经起动，就会在预定的时限(T)内连续计时;该计数装置在每次漏泄电流值超过所说的最大极限值时增加一个计数值;且(ⅰ)每当所说的计时装置表明所说的时间周期终了，并(ⅱ)在此之后只要所说的计时装置在依次预定的时间间隔终了处(每一时间间隔约为 (T)/(n) ，其中n是预定的整数)不再起动，则所说的计数装置就自动略计一次数;所说的计数装置一旦累积计数到n+1值，所说的接地故障响应装置就不会自动消除所说的零功率限制。
9.如权利要求
8的接地故障保护装置，其中当漏泄电流在所说的预定时限内持续超出所说的复位电平，或所说的计数装置累积到n+1的值时，所说的计时装置和所说的计数装置都会有所反应而自动复位。
10.如权利要求
1用于供电系统的接地故障保护装置，其中所说的可控电源是具有一组三相星形连接定子绕组和由功率调节装置励磁的旋转磁场的交流发电机。
11.如权利要求
10的接地故障保护装置，其中所说的电流检测装置连接在接地与所说的定子绕组的中性点之间。
12.权利要求
11的接地故障保护装置，其中所说的供电系统是安装在机车上的牵引系统，所说的电气负荷电路包括多个牵引电动机。
13.权利要求
12的接地故障保护装置，其中所说的相互连接装置包括非控制电源整流器，而所说的牵引电动机系直流电动机，各电动机具有电枢绕组和磁场绕组。
14.权利要求
13的接地故障保护装置，其中当牵引系统处在“发动机驱动”工作状态时，所说的负荷电路包括所说电动机的电枢绕组和磁场绕组;当牵引系统处在“动力制动”工作状态时，所说的负荷电路仅包括所说电动机的磁场绕组，且其中所说的接地故障响应装置包括具有下列作用的装置如系统不处于动力制动工作状态时用以将所说的最大极限值预调到第一电平上;若系统处在动力制动工作状态，用以将所说的最大极限值预调到预定的较低电平上。
15.如权利要求
14的接地故障保护装置，其中所说的阀值电平约为所说最大极限值的二分之一。
16.如权利要求
14的接地故障装置，其中所说的复位电平约为所说最大极限值的三分之二。
专利摘要
一供电系统，包括响应一可变控制信号的装置以改变某一电源的输出，和用于检测该系统中接地漏泄电流值的装置。所提供的保护装置用以在接地电流超过正常值时改变控制信号值，以便在除某些特定条件下(1)当接地电流值处于预定降低额定阀值电平和预定最大允许值之间的中间范围时，降低电源输出功率；(2)如接地电流值升至超过其最大极限将功率输出限制在零值范围至少一段最短时间间隔；(3)在最短时间间隔终了时自动消除零功率限制。
文档编号H02H7/00GK86106879SQ86106879
公开日1987年6月10日 申请日期1986年10月25日
发明者阿吉思·库塔奈尔·库马, 迈伦·李·史密斯, 威廉·约翰·怀特 申请人:通用电气公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan