用于检测电路中的电气故障的方法与流程

文档序号:14685966发布日期:2018-06-14 22:23

电气系统,例如出现在飞行器配电系统中的电气系统,采用电气汇流条和数英里的布线用于将公路从电功率源输送到电气负载。在发生电弧故障或其他失效状况的情况下,可以将高电流通过诸如空气的通常非传导媒介传输,导致在电弧失效点处或电弧失效点周围的配电系统的未预期的操作。



技术实现要素:

一种用于检测具有用于功率传输的传输线的电路中的电气故障的方法,该方法包含:第一感测沿传输线的至少一个的电压或电流中的至少一个;基于电压和电流中的所感测的至少一个来确定潜在电气故障状况;以及将沿传输线的至少一个的功率传输降低成低于第一预定的阈值。在降低之后,该方法包含:第二感测沿传输线的至少一个的电压或电流中的至少一个;将电压或电流中的所感测的至少一个与对应的电压或电流阈值比较;以及在电压或电流中的第二感测的至少一个的特性满足对应的电压或电流阈值时,确定已经发生电气故障。

附图说明

在附图中:

图1是根据本发明的一个实施例的配电系统的示意电路图;

图2是根据本发明的第一实施例示出配电系统的故障检测响应的一系列的图表。

具体实施方式

本发明的所描述的实施例针对可以例如用在飞行器中的电力分配系统(electricalpowerdistributionsystem)。虽然本描述主要针对用于飞行器的配电系统,但它还可适用于将电气系统用于将功率从功率源传输到电气负载的任何环境。

图1图示诸如飞行器中的示范配电系统的配电系统24的示范示意电路图,配电系统24包括发电机18、诸如固态开关26的电气开关、诸如电气传输线22、电缆、电缆接头或汇流条的电气互连、电气负载20以及电弧事件检测器30。如所示,发电机18与固态开关26电耦合,固态开关26进一步经由传输线22与电弧事件检测器30和电气负载20电耦合。固态开关26可包含开关组件28、诸如瞬态吸收器42的跨开关组件28所配置的瞬态抑制装置以及开关组件28下游的二极管44,二极管44从例如电气接地偏压到电力线。如所示,配电系统24还可以包含定位在发电机18附近的例如固有发电机18电感的第一电感29和例如固有传输线22电感的第二电感31。为了说明的目的,进一步显示传输线22,具有示例串联瞬态电气事件38,例如电弧故障。

在飞行器的实施例中,例如,操作的燃气涡轮发动机可提供机械能,其可经由线轴(spool)来提取,以便为发电机18提供驱动力。发电机18进而将所生成的功率提供给固态开关26,在开关组件28闭合时,将功率经由传输线22输送到电气负载20。在开关组件28断开时,因为瞬态吸收器42抑制由二极管44和第一和第二电感29、31的配置所生成的瞬态电信号,所以配电系统24中的电流的中断引起跨瞬态吸收器42的电流衰减。

预想用于将功率提供给电气负载20的附加功率源,例如应急功率源、冲压空气涡轮系统、起动器/发电机或电池。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。

固态开关26的一个示例可包括基于碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)的高带宽功率开关。SiC或GaN可基于其固态材料构造、其在更小的并且更轻的形状因数处理大功率级的能力以及其非常迅速地执行电气操作的高速开关能力来选择。固态开关26的另一示例可进一步包括还具有高速开关的能力的基于硅的功率开关。

电弧事件检测器30可进一步包括电流传感器32、电压传感器34以及处理器36,其中,电流传感器32能够感测和/或测量流过配电系统24的电流的电流特性,电压传感器34能够测量系统24的电压特性。电弧事件检测器30可进一步将控制信号40从处理器36提供给开关组件28,其中,控制信号40能够对开关组件28进行控制,并且因而,对固态功率开关26的操作进行控制。

电流和电压传感器32、34中的每个将相应的所感测的电流和/或电压特性提供给处理器36。可测量的示例的电流特性可包含,但不限于,瞬时电流、平均电流或电流中的变化率。同样地,可测量的示例的电压特性可包含,但不限于,瞬时电压、平均电压或电压中的变化率。虽然图示电流传感器32和电压传感器34中的每个在固态开关26处测量相应的电流和电压特性,但只要在开关组件28下游捕获测量值,就预想其他测量位置。虽然电流和/或电压传感器32、34描述为“感测”和/或“测量”配电系统24的相应的电流和电压特性,但预想,感测和/或测量可包含确定指示电流和/或电压特性或与其有关的值,而不是实际电流和/或电压值。还预想,电流和/或电压传感器32、34可提供相应的电流和/或电压特性,如上所述,并且处理器36执行关于特性的处理。另外,预想备选配置,其中,电流和电压传感器32、34与处理器36集成。

在其中例如电气连接中的物理缺陷引起传输能力的永久或暂时丧失的环境下,可发生电弧。在出现物理间隔的情况下,除了间隔的短距离之外的每个分开的端子之间的电压差可允许电弧在端子之间放电(strike)。电气系统可将电弧事件看作由跨间隔的电压降引起的突然电流降低或短路电流降低。在具有振动的环境下,例如,作为飞行器,由于振动可在物理缺陷的点处将电气连接重新连接和断开,所以电气连接中的物理缺陷可引起暂时电弧事件。

电弧事件检测器30通过将如由相应的电流和/或电压传感器32、34测量的配电系统24的电流和/或电压特性提供给处理器36来操作。处理器36基于电流和/或电压特性来做出是正在发生诸如电弧故障(在下文中被称为电弧事件)的可疑的电气故障还是已经发生可疑的电气故障的确定。例如,处理器36可将电流和/或电压特性与预定的电弧事件简档(profile)比较,预定的电弧事件简档可存储在处理器36的存储器中或可由处理器36读取。然后,处理器36可基于事件的检测而将控制信号40提供给固态开关26,以操作开关组件28。

虽然为了便于理解,仅图示单个发电机18、固态开关26、一组传输线22、电气负载20以及电弧事件检测器30,但预想,备用(alternate)的配电系统24具有配置成限定稳健的(robust)配电系统24或系统24的网络的前面提及的组件18、20、22、26、30中的一个或多个。例如,预想备选的配置,具有与每个固态开关26耦合的多于一个电气负载20、串联或并联配置的多于一组传输线22或配置成选择性地将多组传输线22与配电系统24的附加的部分耦合的多于一个固态开关26。

检测配电系统24中的电气故障的方法包含,在例如使用电流和电压传感器32、34来感测系统24的功率传输特性的同时,首先确定系统24中的可疑的或潜在的电气故障,然后,将沿传输线22的功率传输降低到低于能够创建电弧事件的第一预定的功率传输阈值。在预定的时间段之后,在再次感测系统24的功率传输特性的同时,配电系统24同时地将沿传输线22的功率传输增加到高于预定的阈值的功率传输水平。配电系统24基于在此过程期间所感测的功率传输特性而确定和/或确认可疑的或潜在的电气故障是否是实际电气故障,例如,系统24是否检测到系统电流到零的突燃下降,或系统24是否检测到增加沿传输线22的功率传输与对第二预定阈值的功率传输特性的对应增加之间的充分的延时。如果延迟满足例如预定的延时阈值,则延时可以是充分的。本方法可允许上述的过程运行多次,以便改进电弧事件的‘置信度’、估计电弧事件的存在或确认电弧事件的存在。

可参考图2中所呈现的时间校准的图表来进一步理解配电系统24操作的一个实施例。如所图示,第一图表50示出如由开关组件28的下游的电压传感器34测量的传输线电压信号52,第二图表54示出如由电流传感器32测量的配电系统电流信号56,第三图表58示出由电弧事件检测器30进行的事件确定60,以及第四图表62示出响应于电弧事件的检测而由电弧事件检测器30生成的控制信号40。

图表50、54、58、62另外图示第一时间实例64以及第二时间实例66、第三时间实例68、第四时间实例70以及第五时间实例72的顺序的对应的时间值。第一时间实例64与第三时间实例68之间的差定义使开关组件28从“接通”循环到“关断”(或反之亦然)之间的间隔时间段76。另外,第一与第二时间实例64、66之间的差定义足以可预测地“熄灭”电弧故障,也就是说,解除由于电气故障所引起的任何剩余的可能电弧事件的熄灭时间段78。

在本方法的开始时,配电系统24可能与电弧电气故障一起正在运行。如所示,控制信号40提供“接通”信号,并且因而,固态开关26允许功率(由电压和电流信号52、56表示)从发电机18流至电气负载20。在本方法的开始与第一时间实例64之间,发生电流信号56中的至少一个变化。电流信号56中的这个变化可例证连续的电弧故障中的中断,其中,如上面所解释的,电流中的下降可表示电弧的放电和由于放电所引起的对应的电流中的下降。如所图示,如由第三图表的事件确定60所表示的,电弧事件检测器30确定,对于处理器36,电流信号56中的变化足以确定正在发生可疑的电弧事件。换句话说,电弧中的放电可用来定义事件确定60。可用来定义事件确定的电弧的非限制的示例可包含配电系统24中的电流中的未预期下降或电压中的未预期下降。预想定义事件确定的备选的电气特性。

在检测到足够数量的事件之后,电弧事件检测器30尝试通过使固态开关26循环来确认电弧故障的存在。电弧事件检测器30通过与确定下一个事件(例如电弧中的下一个放电)同时生成“关断”控制信号40,后面有在至少间隔时间段76之后生成“接通”控制信号40,来使固态开关26循环。

如所图示,在第一时间实例(instance)64发生下一个事件确定。在该第一时间实例64,如上文所解释的,“关断”控制信号40使固态开关26的开关组件28断开,并且因而,由于瞬态吸收器42的配置而导致电压和电流信号52、56的衰减。如所示,熄灭时间段78比间隔时间段76短,并且因而,在发生于第三时间实例68的开关组件28的重新闭合之前,正在发生的任何电弧事件将熄灭。所图示的示例示出在第二时间实例66电弧事件的熄灭,其中电流突然下降到零安培。电弧事件检测器30可使用如由电压和/或电流信号52、56所指示的由电弧的熄灭引起的电气特性中的突然变化来确认在传输线22上正在发生电弧事件。相反地,在没有电气故障的情况下配电系统24将会检测例如衰减的电流信号56,该电流信号56将会可预测地衰减到零安培,而不是突然下降到零安培。例如,可以将所指示的电压和/或电流信号52、56与电弧熄灭简档(profile)或电流衰减简档比较。

在第三时间实例68,生成“接通”控制信号40,并且固态开关26闭合电路,使功率能够流过配电系统24。在其中传输线22中不存在中断的情况下,在第三时间实例68,电压和电流信号52、56两者将采用“接通”控制信号40同时地返回到正常操作特性。然而,在其中例如在配电系统24中存在传输线22中的中断或电弧故障的所图示情况下,在第三时间实例68(即,“接通”控制信号40的切换)与第四时间实例70(其中通过系统24的电压和/或电流增加成高于第二预定的阈值(示为先前的传输水平)的时刻)之间,在电压或电流信号52、56的至少一个中,可能存在可测量的延迟期80。在第二图表54中例证该延迟期80,其中电流信号56中的延迟指示电弧失效。换句话说,延迟期80表示传输线22中的中断的重新闭合,延迟期80还可指示电气故障。虽然在电流信号56的上下文中呈现延迟期80,但延迟还有可能以电压信号52呈现。

在所描述的方法中,可由配电系统24将第二时间实例66的电弧的熄灭或延迟期80的检测用来确认和/或建立在系统24中存在电气故障的置信度。如果如所描述地那样确认电气故障,则电弧事件检测器30可采取附加的行动,例如永久地或暂时地将配电系统24的至少一部分禁用,或减少由系统24输送的功率,以降低任何继续电弧事件的影响。如所示,在第五时间实例72,通过生成“关断”控制信号40,其可与电弧事件同步(timed)或可能不同步,直到系统24是不活动的而将配电系统24禁用。

任何附加的行动可通过由例如如通过延迟期80所测量的任何所确认的电气故障施加的所估计的危险和/或配电系统24、电气负载20的危险程度(criticality)来影响。另外,配电系统24和/或电弧事件检测器可将诸如数字错误消息的电气故障指示、诸如警报的声音指示符或诸如闪光的视觉指示符提供给用户或另一个系统。还预想,如上所述,可多次运行该方法,以便在采取任何行动之前,确认或建立故障存在的置信度。

配电系统24还可包含一个或多个滤波组件,以将电压信号52、电流信号56和/或传输线22上的任何电特性的噪声方面滤掉,以防止响应于假事件检测而操作方法(即,间断电路)。响应于假事件检测,方法的减少操作可避免与重复间断关联的有害的电路跳闸或配电质量问题。

在第三时间实例68未测量到延迟期80的情况下,控制信号40保持“接通”,并且配电网络继续输送功率到电气负载20。在一个示例中,可将本方法重置以寻找附加的可疑的电气故障。备选地,可在同步延迟(timeddelay)之后将本方法重置。还预想本发明的实施例,其中间隔时间段76比足以引起电气负载进入功率间断或重置状况的时间段短。换句话说,预想确认电弧事件的存在所需要的时间比将会引起操作的电气负载20间断的时间量短。例如,RTCADO-160G描述270VDC电气系统可支持50ms的功率间断,而上述的方法论所要求的间断时间可以是大约100μs,这可能对功率质量有微不足道的影响。

虽然所描述的实施例图示串联电弧事件的示例,但预想,可使用如在基本上类似的配置中针对并联电弧简档所测量的电压和/或电流特性来检测并且确认并联电弧事件。另外,预想可在配电网络的多个点处包含本发明的实施例,使得可确定包括电气失效的具体的点或段,并且例如,电源可通过备选的电气路径重新路由到达电气负载20。

由本公开预期除了上面的附图中所示出的实施例和配置之外的许多其他可能的实施例和配置。另外,可重新布置各种组件的设计和放置,使得能够实现许多不同的内联(in-line)配置。

本文中所公开的实施例提供用于检测电路中的电气故障的方法。可在上面的实施例中实现的一个优点是,上述的实施例通过确认故障,并且因而减少错误的假阳性(false-positive)故障指示来提供电弧电气故障的有效检测。上述的实施例的另一优点是,可多次运行本方法,以便在采取适当的行动之前,确认电气故障的存在,并且因而可通过减少有害的跳闸事件来改进功率质量。本方法还可采用滤波技术来进一步减少错误的假阳性故障指示。另外,在指示假阳性故障,但不确认假阳性故障的情况下,本方法允许不间断的电气负载操作。

上述的实施例的另一优点是,电气系统中的电弧事件检测器或一个或多个电气系统中的电弧事件检测器的网络可以能够精确地定义正在发生电气故障的位置。这可允许非常稳健的系统,其中由于一个或多个电弧事件检测器接近于任何给定的失效点而可以迅速地对电弧事件进行定位(并且安全地间断)。另外,通过对失效点进行定位,系统可允许在故障周围重新路由功率(如果可用),提供电气网络中的冗余。因而,上述的实施例为飞行器电力分配系统提供增加的安全性,并且因此,改进飞行器和空中旅行的总体安全性。此外,对正在发生电气故障的位置的精确定义降低或消除与必须对电气失效手动地进行测试和定位相关联的任何附加的维护时间和/或成本。

上述的实施例的又一优点是,串联和并联电弧故障都可由电路准确地检测,因而降低或消除由电弧事件而生成的任何局部热,局部热可引起电气火灾、冒烟、组件的熔融或对组件的损坏或电气系统或诸如飞行器的更大的结构的灾难性的失效。上述的实施例的另一优点是,本方法可以防止串联电弧故障或多个串联电弧故障发展成并联电弧故障。

本书面描述使用包含最佳模式的示例来公开本发明,并且,还使任何本领域技术人员能够实施本发明,包含制作和使用任何装置或系统和执行任何合并的方法。本发明的可取得专利范围由权利要求书定义,并且可包含本领域技术人员所想到的其他示例。如果这类其他示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构单元,或者如果它们包含具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构单元,则它们意图处于权利要求书的范围内。

再多了解一些
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