双极高压直流接地故障检测的系统、方法和装置与流程

电功率分配系统对从能源到消耗所分配电功率的电气负载的功率分配进行管理。在飞机中，用来推进飞机的燃气涡轮引擎通常提供机械能，该机械能最终提供动力给例如发电机、起动器/发电机、永磁交流电机(PMA)、燃油泵、以及液压泵的多个不同附件，例如，用于飞机上所需的除推进之外的功能的设备。例如，现代飞机需要用于与航空电子设备、马达以及其它电气设备有关的电气负载的电功率。

随着时间过去，飞机电功率源电压已经增大。具有14和28伏直流(VDC)电功率系统的飞机已让位于具有工作在115伏交流(VAC)和230VAC的电功率系统的飞机。目前，飞机可包含一个或多个工作在包含正/负270VDC的电压的电功率源。例如，当前的宽机身双引擎商务喷气式客机使用的电气系统，其是包含工作在230VAC、115VAC、28VDC电压下的子系统连同包含正负270VDC源的双极高压直流子系统的混合电压系统。

高压DC电气系统中的电压达到可与家用AC系统相比的电平。在家用AC系统中，通常通过能够在约50毫秒(ms)内致动的机电开关，电路断路器能够跳闸至关闭位置以在接地电流超过25到30毫安(mA)的水平时使馈线去激励。但是，在高压DC电气系统中，由于对于为获得足够精确的电流测量所要求的接地回路(ground return loop)的有限访问，类似的规定非常复杂。也就是说，对于单极DC电压电气系统，输出电流和返回电流的差异难以被测量，因为来自负载的电流返回路径流经飞机底盘。

技术实现要素：

一方面中，用于飞机功率分配系统包括具有正电压引线和负电压引线的双极高压直流源组件；能够从双极高压直流源组件汲取电功率的电气加载组件；配置成通过在断开从双极高压直流源组件到电气加载组件的功率的打开状态和将功率从双极高压直流源组件耦合至电气加载组件的闭合状态之间进行切换来选择性地将功率从双极高压DC源组件耦合至电气加载组件的一组切换组件，其中第一子组的切换组件耦合至双极高压直流源组件的正引线，并且第二子组的切换组件耦合至双极高压直流源组件的负引线；以及耦合至该组切换组件的接地故障中断组件。接地故障中断组件配置成基于感测的流出该组切换组件的电流和从电气加载组件返回的电流之间的差来检测接地故障。

在另一方面中，接地故障缓解方法包括应用来自具有正电压引线和负电压引线的双极高压直流源组件的功率；闭合一组开关元件以将功率从双极高压直流源组件耦合至能够从双极高压直流源组件汲取电功率的电气加载组件；采用接地故障中断组件基于所感测的流出该组切换组件的电流与从电气加载组件返回的电流之间的差来检测接地故障；馈送指示所检测到的接地故障的信号给该组切换组件；以及打开该组切换组件以断开从双极高压直流源组件到电气加载组件的功率。

在另一方面中，接地故障中断装置包括耦合至一组切换组件的接地故障中断组件。该组切换组件配置成通过在断开从双极高压直流源组件到电气加载组件的功率的打开状态和将功率从双极高压直流源组件耦合至电气加载组件的闭合状态之间进行切换来选择性地将功率从双极高压DC源组件耦合至能够从双极高压直流源组件汲取电功率的电气加载组件。第一子组的切换组件耦合至双极高压直流源组件的正引线，并且第二子组的切换组件耦合至双极高压直流源组件的负引线。接地故障中断组件配置成基于感测的流出该组切换组件的电流与从电气加载组件返回的电流之间的差异检测接地故障。

附图说明

在附图中：

图1是根据本文所述各方面的飞机和电功率分配系统的示例自上而下的示意图。

图2是根据本文所述各方面的高压DC电功率分配系统的示例简图。

图3是图示根据本文所述各方面中断双极高压DC电功率系统上的接地故障的方法的流程图。

图4是根据本文所述各方面的具有接地故障中断组件的双极高压电功率分配系统的示例示意图。

图5是根据本文所述各方面的具有接地故障中断组件的双极高压电功率分配系统的示例示意图。

图6是根据本文所述各方面证明具有接地故障中断组件的双极高压电功率分配系统的操作的电压和电流波形的示例图。

图7是根据本文所述各方面证明具有接地故障中断组件的双极高压电功率分配系统的操作的电压和电流波形的示例图。

具体实施方式

本文以飞机的上下文描述了本发明的实施例，其实现从诸如涡轮引擎、喷气发动机燃料、氢等的能源产生电功率。然而，将理解，虽然在飞行器环境中描述本发明的一个实施例，但本发明不被这样限制，并且具有对诸如其他移动应用以及非移动工业、商业以及住宅应用的非飞行器应用中的电功率系统的一般应用。例如，适用的移动环境可包括飞机、航天器、航天运载火箭、卫星、机车、汽车等。商业环境可包括制造设施或发电和功率分配设施或基础设施。

本发明的至少一些实施例提供包括接地故障检测和中断能力的双极高压电功率分配系统、方法和装置。双极高压电功率分配系统包括例如固态功率控制器(SSPC)的一组切换组件。可以理解，“一组”可包括任意数量的固态开关，包括单个固态开关。类似地，如在此使用的“一组”可包括任意数量的元件，包括单个元件。可以理解，如在此使用的双极DC功率供应或双极DC功率源可被定义为直流电功率的源，其中输出电压可被设为正或负的并且可获得电流。可以理解，如在此使用的高压DC可被定义为以高到足以造成对生物危害的电压的电能。例如，跨干燥无破损的人体皮肤施加的大于50V的电压能够导致心脏颤动，如果其在人体组织中产生碰巧流经胸部区域的电流的话。可以理解，如在此使用的接地故障可被定义为在电气负载或功率分配系统的激励导体与诸如底盘接地的电气接地之间的无意接触。

目前，很少飞机包括诸如正和负270VDC的双极高压功率源，并且这些飞机中没有任何一个集成用于双极高压功率的电功率分配系统。然而，通过提供高压DC电气分配系统，双极高压DC源将不再被限制到飞机的单个区域。因此通过电气分配系统，双极高压DC源将需要缓解接地故障事件的能力，接地故障事件可能发生在其中负载由双极高压DC源供电的飞机上的任何位置。

现在转到图1，示出了根据本文所述各方面的飞机和电功率分配系统的示例性自上而下的示意图。飞机2图示为具有至少一个燃气轮机引擎，在此示为可彼此实质上相同的左引擎系统12和右引擎系统14。飞机2可具有任意数量的引擎系统。左引擎系统12可耦合至将机械能转换为电功率的一个或多个电功率源16。将理解，包括左右引擎系统12，14的飞机2中的任意或全部引擎可这样耦合至一个或多个双极高压DC电功率源16。双极高压DC功率源16可耦合至电功率分配系统18，电功率分配系统18选择性地激励共同构成电气负载的飞机2上的一组系统和装置。由双极高压DC功率源16通过电功率分配系统18供电的系统和装置可以是能够汲取电气负载的飞机上的任意系统或装置，并且包括但不限于飞行控制致动器26、用于驾驶舱显示的局部降频转换器27、环境控制系统28等。

在飞机2中，运行的左右引擎系统12，14提供可经线轴(spool)引出的机械能，以提供驱动力用于双极高压DC功率源16。其它功率源可包括但不限于发电机、蓄电池、燃料电池、诸如冲压空气涡轮机(RAT)的备用功率源、用于将一个或多个AC源输入转换为双极高压DC源的整流器等。电功率源16随后提供所生成的功率给系统和装置26，27，28的电气负载以进行负载操作，其由电功率分配系统18进行分配。

现在转到图2，示出了根据本文所述各方面的双极高压DC电功率分配系统50的示例图。双极高压DC电功率分配系统包括耦合至一组切换组件54的双极高压DC源组件52。该组切换组件54选择性地将功率从双极高压DC源组件耦合至电气加载组件58。与该组切换组件54和电气加载组件58均耦合，接地故障中断组件56提供对流出该组切换组件54和从电气加载组件58返回的电流的测量。通信组件60耦合至该组切换组件54以控制和监测该组切换组件54的状态。

双极高压DC源组件52是双极高压DC功率源或供应。双极高压DC源组件52可输出任意的正负电压电平以用于分配电功率给包含但不限于正负270V的电气加载组件58。

该组切换组件54包括一组固态开关。该组固态开关可包括能够在外部电压被施加在开关的一组控制端两端时开通或关断(即闭合或打开)的任意类型的固态开关。该组切换组件54中的每个固态开关可包括切换功率给电气加载组件58的负载电路系统的固态电子切换装置，以及不用机电组件使控制信号能够激活开关的耦合机构。该组切换组件54可以是任意类型的固态电子开关，包括但不限于固态功率控制器(SSPC)、包含单个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的固态继电器、包含以并联配置布置的多个MOSFET的固态继电器。

该组切换组件54的一个配置包括提供SSPC，其为控制供应给负载的电功率的半导体装置。此外，SSPC执行监督和诊断功能以识别过载情况并防止短路。SSPC在功能上与具有将保护接线和负载不受故障损害的机电切换元件的电路断路器类似，但是，由于SSPC比机电电路断路元件在切断功率时更加可靠和快速，SSPC通常被用在安全严格的功率系统中，如飞机中的那些系统中。SSPC相比较于要求近30ms以完成从一个状态彻底转换为另一个状态的机电开关来说，可以在大约毫秒内切换状态。采用SSPC来实现，该组切换组件54可包括内置监测和保护特征，包括但不限于电压监测、电流监测、温度监测、限流、I²t监测、电弧故障保护、以及低保真度接地故障保护等等。SSPC的内置监测和保护特征使得该组切换组件54能够用作对提供给负载的输出进行控制以确保正常操作的控制器。SSPC可包括可配置的微处理器，其可被编程以增加控制特性。对于接地故障监测，SSPC上的电流监测通常不具有足够的分辨率。也就是说，SSPC的电流监测功能能够在3至5％范围的分辨率。因此，采用SSPC的内置接地故障保护，通过约10安培(A)的开关不会检测到小于300mA的接地故障。

该组切换组件54可包括任意数量的开关，包括但不限于耦合至来自双极高压DC源组件52正引线的一个开关和耦合至来自双极高压DC源组件52负引线的第二开关。因此，在一个配置中，该组切换组件54包括耦合至来自双极高压DC源组件52正引线的第一SSPC和耦合至来自双极高压DC源组件52负引线的第二SSPC。

控制和监测该组切换组件54的状态的通信组件60与飞机的其它控制元件进行通信。通信组件60将SSPC的状态返回报告给其它运载工具管理控制系统。通信组件60能够传输数据给开关；该数据指示到开关的命令，读取包括开关是否是打开或闭合的开关状态并且监测包括开关温度的开关健康状况。通信组件60可基于能够传输与该组切换组件54的控制和状态有关的数据的任何数据通信硬件和协议，包括但不限于配置成实现认可标准485(RS-485)的平衡互连电缆、配置成实现控制器区域网络(CAN总线)协议的双线串行电缆、配置成实现认可标准232(RS-232)的三线或五线串行电缆、等等。

接地故障中断组件56监测双极高压DC分配系统50中正负SSPC电流的输出。对于双极高压电功率分配系统50，电流从双极高压DC源组件52行驶，输出至该组切换组件54，输出至电气加载组件58，并且然后再次返回。因此，接地故障中断组件56配置成确定从该组切换组件54流至电气加载组件58的电流与从电气加载组件58流回该组切换组件54的电流之间差。接地故障中断组件56可由任何能够确定指示双极高压电功率分配系统50中接地故障的差分电流的装置形成，包括但不限于常规的物理变换器、环流变换器、DC霍尔效应传感器和磁通门电流换能器。

现在参见图3，示出了图示根据本文所述各方面的中断双极高压DC电功率系统上接地故障的方法100的流程图。在110处，双极高压DC源组件52施加功率给双极高压DC分配系统50。依据双极高压DC源组件52的类型或配置，功率的施加可包括激活发电机，启动引擎，发布控制命令以激励该源，闭合一个或多个电路等。在112处，该组切换组件54闭合。电气加载组件58被激励，并且在正常操作期间，按照所述电气加载组件58的操作要求正确投入(sink)功率。如果接地故障发生，在114处，接地故障中断组件56检测该接地故障。为了检测接地故障，接地故障中断组件56可感测或检测指示接地故障的任何电气特性，包括但不限于电功率分配系统50内部或外部任意电气组件中的电压、电流、阻抗、电压变化、电流变化、阻抗变化。接地故障中断组件56能够采用用于信号检测和处理的任意模态感测或检测信号，包括但不限于数字的、模拟的、离散的、连续的或其组合。在116处，接地故障中断组件56馈送信号给该组切换组件54的监测模块，如下文图4和5中的组件218。在118处，该组切换组件56打开开关并使得电气加载组件58去激励。

现在参见图4，示出了根据本文所述各方面的具有接地故障中断组件232的双极高压电功率分配系统200的示例示意图。双极高压DC源组件210包括两个高压DC源211，每个均耦合至底盘接地236，一个通过负引线而另一个通过正引线。双极高压DC源组件210耦合至包含两个SSPC 212和214的该组切换组件216；第一SSPC 212耦合至双极高压DC源组件210的正侧，并且第二SSPC 214耦合至双极高压DC源组件210的负侧。双极高压DC源组件210和该组切换组件216间的耦合可包括限流线238。该组切换组件216耦合至接地故障中断组件232。接地故障中断组件232耦合至电气加载组件226。接地故障中断组件232与电气加载组件226之间的耦合可包括限流线238。

第一和第二SSPC 212，214可包括用于控制和保护该组切换组件216的许多子组件和模块。SSPC 212，214可包括主固态开关224，其打开或闭合以将电气加载组件226耦合至双极高压DC源组件210或将电气加载组件226与双极高压DC源组件210解耦。主固态开关224可包括一个或多个保护元件，包括但不限于金属氧化物可变电阻(MOV)、瞬时电压抑制器(TVS)等。SSPC 212，214可包括跨接开关输入、开关输出或二者的一个或多个缓冲电路228，用来抑制电压尖峰并阻尼在开关打开时由电路电感所引起的振铃。SSPC 212，214可包括一个或多个内置测试电路230以提供内置测试(BIT)特征。内置测试电路230允许操作发起内置测试(IBIT)方案，其使SSPC 212，214的自测试能够验证SSPC 212，214适当运行。内置测试电路230可测试SSPC的任意特征并包括但不限于用于电弧故障检测的电弧故障监测电路。当两个SSPC均打开时，由于半导体漏电而在各SSPC的输出处产生的电压由耦合至SSPC 212，214的输出和底盘接地236的电阻元件240，241管理。SSPC 212，214可包括开关控制子组件222，其能协调与外部通信组件234的通信，经由监测模块218实现保护功能并控制SSPC 212，214的主开关224的状态。监测模块218可包括任意监测特征用于确定能够损害开关的潜在事件，包括但不限于电压监测、电流监测、温度监测、电流限制、I²t监测、电弧故障保护以及低保真度接地故障保护等等。控制模块220能够基于来自任一个外部通信组件234或监测模块218或其组合中的输入对主开关224的状态进行控制。

如图4所示，接地故障中断组件232包括常规的具有磁芯的物理变换器。来自正负SSPC 212，214输出的正负馈电线电缆通过具有同相绕组的变换器进行馈送。变换器的感测绕组242提供指示接地故障的不平衡指示。在正常操作期间，在从电气加载组件226的负载的正侧流出的电流和来自电气加载组件226的负载的负侧的电流幅值相等的情况下，得到的感测电压为零。由于电气加载组件226的负载对称地底盘参考(chassis referenced)，如将会是具有单极DC电压源的系统的情况，在该组切换组件216的正或负输出上发生接地故障的点处，在接地故障中断组件232的变换器的感测绕组242上感测到正或负的电压尖峰，从而确定故障的存在和位置。在接地故障中断组件232的变换器上提供两个绕组以计与两个单独的监测接地故障的SSPC 212，214。由于在正常操作期间在变换器的磁芯中没有DC磁场，变换器可包括空芯或高磁导率磁芯。每个感测绕组242上的匝数可以增加以提供对接地故障的附加敏感性，如同能够所选择的磁芯材料的导磁率那样。可对来自每个感测线圈的输出电压进行滤波以消除由具有各种电气特性的多个负载之间的切换操作而形成的有害跳闸。

图5是根据本文所述各方面的具有接地故障中断组件的双极高压电功率分配系统的示例示意图。具有接地故障中断组件的双极高压电功率分配系统与图4所示系统类似；因此，相似的部件将采用加上100的相似的数字来识别，其中理解，对第一具有接地故障中断组件的双极高压电功率分配系统的相似部件的描述适用于第二具有接地故障中断组件的双极高压电功率分配系统，除非另有指示。接地故障中断组件332包括环流变换器。

图6示出了人体模型直接连接至正SSPC 212输出的情况下的接地故障检测系统的仿真结果。所提供的该组示例图意在图示该方法的一个非限制性示例，如所述的，而不特别代表该方法任何必要的信号、传感器、值或操作。在时刻(1)，功率被施加给双极高压DC源组件52，其为正负270VC供应，例如图4和图5中示为210，310。在时刻(2)，该组切换组件54闭合以激励电气加载组件58，该组切换组件54为两个SSPC 212，214。在时刻(3)，由450纳法(nF)的电容器并联500欧姆(Ω)的电阻器建模接地故障被施加给正SSPC 212，312的输出，从而在接地故障中断组件56，232，332的感测绕组242，342上触发电压尖峰。该信号被馈送给SSPC 212，214，312，314的开关控制子组件222，322的监测模块218，318。在确认发生故障的情况下，控制模块220，320可打开SSPC 212，214，312，314。

图7示出了人体模型直接连接至负SSPC 214，314输出的情况下的接地故障检测系统的仿真结果。再次，所提供的该组示例图意在图示该方法的一个非限制性示例，如所述的，而不特别代表该方法任何必要的信号、传感器、值或操作。在时刻(1)，功率被施加给双极高压DC源组件52，其为正负270VC供应，例如图4和图5中示为210，310。在时刻(2)，该组切换组件54闭合以激励电气加载组件58，该组切换组件54为两个SSPC 212，214，312，314。在时刻(3)，由450纳法(nF)的电容器并联500欧姆(Ω)的电阻器建模的接地故障被施加给正SSPC 212，312的输出，从而在接地故障中断组件56，232，332的感测绕组242，342上触发电压尖峰。再次，该信号被馈送给SSPC 212，214，312，314的开关控制子组件222，322的监测模块218，318。在确认发生故障的情况下，控制模块220可打开SSPC 212，214。

虽然具有单极DC源的电功率分配系统经由飞机底盘返回电流，但是具有双极DC源的电功率分配系统沿一根导线传输电流并通过另一根返回，从而实现访问来自每个供应的进给和返回。通过这种方式，接地故障中断组件利用了负载上正负导线。因此，双极DC电功率分配系统可包括发送和返回进给间差分电流的测量。差分电流测量使得双极DC电功率分配系统能够确定功率是否正从负载的一侧传输到指示接地故障的底盘接地。

上述实施例的技术效果包括基于提供简单且经济有效的接地故障检测和中断方案检测和缓解高压DC功率分配系统的接地故障事件。而且，上述实施例通过使用单个磁芯用于进给和返回电流规避了基于变换器的接地故障中断系统中的稳态DC偏置的问题，单个磁芯用于进给和返回电流导致在变换器的磁芯中无稳态磁场。上述电功率分配系统监测双极高压DC网络中正负SSPC电流的输出并能够确定5mA量级的接地漏电流以提供更加灵敏的接地故障检测系统。

就未描述的程度而言，各个实施例的不同特征和结构可根据需要相互结合使用。一个特征可能没有在所有实施例中图示并不是要被理解为它可以不存在，而是为了描述的简洁而这样做。因此，不同实施例的各种特征可根据需要相混合和匹配，以形成新实施例，无论是否明确描述新实施例。本文所述特征的全部组合或置换都由本公开涵盖。

本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本发明，并且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统并且执行任何结合的方法。本发明的可取得专利范围由权利要求书来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这类其它示例具有与权利要求书的文字语言完全相同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求书的文字语言的非实质差异的等效结构元件，则它们意在落入权利要求书的范围之内。

部件清单

2-飞机

12，14-引擎系统

16-双极高压DC功率源

18-电功率分配系统

26-控制致动器

27-局部降频转换器

28-环境控制系统

50-双极高压DC电功率分配系统

52-双极高压DC源组件

54-一组切换组件

56-接地故障中断组件

58-电气加载组件

60-通信组件

100-接地故障中断方法

110，112，114，116，118-方法100的步骤

200-双极高压DC分配系统

210-双极高压DC源组件

211-DC源

212-SSPC

214-SSPC

216-一组切换组件

218-监测模块

220-控制模块

222-开关控制和监测子组件

224-主开关

226-电气加载组件

230-BIT

228-缓冲电路

232-接地故障中断组件

234-通信组件

236-底盘接地

238-限流线

240-电阻器

242-感测绕组

300-双极高压DC分配系统

310-双极高压DC源组件

311-DC源

312-SSPC

314-SSPC

316-一组切换组件

318-监测模块

320-控制模块

322-开关控制和监测子组件

324-主开关

326-电气加载组件

330-BIT

328-缓冲电路

332-接地故障中断组件

334-通信组件

336-底盘接地

340-电阻器

338-限流线

342-感测绕组