专利名称：用于测量配电系统中的压力接头的阻抗的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及检测配电系统中松动的和有故障的压力接头，更具体地涉及使用传送给负载的电能来监视压力接头的阻抗(来进行检测)。
背景技术：
在一设施例如建筑物中分配电能的电力系统通常包括不同类型的导体和装置，例如机械互连的开关、电路断路器、接触器、过载继电器、网络保护器以及类似物。该些导体可以是由用螺栓紧固在一起的部分组成的刚性母线和母线通道，包括分支连接。其它的导体包括用螺栓紧固到或夹持到该些母线或母线通道和上述各种装置的电缆。
这些系统中会一种方式的故障是当压力接头电阻增加时发生的。配合松动、灰尘、腐蚀或潮湿都是常见的导致电阻增加的原因。这种故障产生的热量使配电系统的效率降低并会导致电力中断。目前在本技术领域内检测这种故障的方法是红外线扫描。然而，这种技术通常需要部分地拆卸装置以便检测隐藏的接头，因而不适于进行连续监视。美国专利5,600,255号中已建议，通过向交流电力系统中注入一已知的直流电流并测量接头上的直流电压降可以检测一带着电的交流电力系统中的松动的连接。这种技术需要一恒定的直流电流源和滤波器以将读取的直流电压与该带电总线上的交流电压相隔离。
为了确定配电系统中的接头的阻抗，需要一种改进的方法和装置。
发明内容
根据本发明，使用流经通电的配电系统的负载电流来监视在该系统的一部分中的压力接头的阻抗。通电的配电系统是指传送电力的系统。因此，本发明不需要注入专用的监视电流。在该部分的两端测量电压并测量流过该压力接头的电流。该压力接头的阻抗就是用该电流的一函数除这两个电压读数的差(因而也就是该接头上的电压降)的一函数。在本发明的优选实施例中，当用于交流配电系统时，在每个电能周期内对该电压和电流进行多次重复测量。对于一个选定的测量数，将该电压差平方并求和。同样地，对于同样的测量数将该电流平方和求和并用它除该电压差的平方和以生成该压力接头上的阻抗。
为了滤除开关和其它瞬态现象，对在连续计算之间所获得的阻抗的变化加以限制。这可通过仅允许该阻抗值在连续计算之间改变一选定的步长而实现。在该示例性系统中，该步长等于一选定的增益与该阻抗的一最初的计算值的乘积。使这两个电压测量同步可进一步降低瞬态效应。
可利用装置的电压和电流测量能力来实施本发明，该些装置例如存在于一配电系统中的开关、电路断路器、接触器、过流继电器、监视器、分析器以及类似物，并在需要时补充以额外的测量装置。
通过从该些电压差的一个过零点(zero crossing)开始对该电压差求和并从该电流的一个最接近该电压差的该过零点的过零点对该电流测量值开始求和可以消除功率因数的影响。
本发明包括使用系统传送的交流或直流电来确定交流和直流配电系统中的压力接头的阻抗的一种方法和装置。
更具体地，本发明涉及一种使用系统传送的电能来确定一通电的配电系统的一部分中的压力接头上的阻抗的方法，其包括测量由电能在该配电系统的该部分的一第一端生成的一第一电压，测量由电能在该配电系统的该部分的一第二端生成的一第二电压，测量通过该压力接头的电流，并用该第一电压和第二电压的电压差除以该电流以确定该阻抗。
本发明还涉及使用系统提供的电能来确定一通电的配电系统的一部分中的压力接头的阻抗的装置，其包括测量由电能在该通电的配电系统的该部分的一第一端生成的一第一电压的第一电压测量装置，测量由电能在该通电的配电系统的该部分的一第二端生成的一第二电压的第二电压测量装置，测量通过该通电的配电系统的该部分的电流的电流测量装置，以及用该第一电压和第二电压的电压差除以该电流以确定该阻抗的装置。
参照附图阅读下面对优选实施例的描述可以完全理解本发明，附图包括图1是一包含本发明的理想电力系统的电路原理图。
图2是用于实现本发明的软件实现的流程图。
图3示出本发明对交流电压中的瞬态值和阻抗的分步变化的响应。
图4示出抖动(jitter)对本发明的响应的影响。
图5是本发明的一示例性应用的电路原理图。
具体实施例方式
图1是一应用了本发明的理想交流配电系统1的电路原理图。如提到的，本发明也可用于直流配电系统。该配电系统包括一电源3，该电源通过主母线5向馈电母线7和9提供电能。该馈电母线7向负载11提供电能，而馈电母线9向共同被称为厂内辅助系统(BOP)的其它负载13提供电能。配电系统1中在该馈电母线7和9的上游存在一电源阻抗Zs，其通常是电感性的，但也具有电阻成分。负载11和厂内辅助系统13的阻抗Zload和ZBOP可以是电感性的、电容性的或电阻性的。该馈电线7具有一由诸如母线或母线通道之间的螺栓连接或电缆端子连接等的机械连接形成的具有阻抗Zbus的压力接头15。通常这个阻抗将主要是电阻性的。
好的压力接头15将具有低阻抗，然而，有故障的压力接头会有相当大的电阻，这会导致发热和更严重的后果。这种有故障的压力接头可能是由导致该接头的电阻增加的配合松动、灰尘、腐蚀、潮湿、振动或热循环造成的。即使接头出现故障该压力接头15的电阻也可以非常低。然而在馈电母线传送巨大的负载电流的情况中，压力接头的阻抗的小的增加也会生成大量的热。提出的问题是即使存在电压谐波、开关瞬态值和负载变化也要确定压力接头的阻抗的变化。尽管在连接松动的情况下阻抗的变化发生较快，但通常由故障压力接头引起的阻抗的变化随时间缓慢地发生。
根据本发明，用流经该母线的电流除该母线的上游和下游电压的差值可确定包括压力接头15的馈电母线7中的阻抗，其公式如下Zbus=Vupstream-VdownstreamIbus=VdiffIbus]]>方程1这个技术会带来一些问题。当母线上的电压非常小并因此用一个大的数除一个小的数时，精度是一个问题。其它的问题是变化的功率因数、采样率抖动以及该上游电压和下游电压的瞬象之间的同步。如下面所讨论的，本发明将解决所有这些问题。
将该上游电压记录为在包括压力接头15的母线7的一部分19的第一端17测量的一第一电压。在一示例性系统中，由一第一继电器21通过一电压互感器23测量这个第一电压。一第二继电器25通过第二电压互感器29测量作为位于该部分19的一第二端27的第二电压的下游电压。尽管在本发明的示例性实现中示出了分离的继电器21和25，但是也可使用单个的继电器或其它装置来测量两个电压。由继电器21通过电流互感器31测量流经母线7的部分19的交流电流Ibus。继电器21或25都可以进行电流测量，或者可使用一组合单元或甚至分离的电流继电器测量电流。即使该总线的部分19很长，该压力接头15的阻抗也将占主要地位，并且不管怎样，因为导体本身的阻抗不会发生显著变化，所以该阻抗随时间变化就表示压力接头恶化。
当使用分离的继电器时，通过继电器21和25之间的同步链路33可以对电压和电流同步采样。可以使用已知的同步技术。例如，可以将继电器21和25中的一个指定为主继电器，该主继电器通过该同步链路33向作为从继电器的另一个继电器发送同步信号。这样的同步技术使继电器21和25可以捕捉到同样的波形。
根据本发明，在供给负载11的交流电能的每个周期内对部分19中的交流电压和电流进行多次重复采样。采样率越高则可以捕捉到更高次的谐波。
在本发明的示例性实施例中，继电器21和25是数字的。图2示出一流程图，该系统使用此流程图以确定母线部分19中的阻抗并因此确定压力接头15的阻抗的任何变化。开始时，考虑在该配电系统中可能位于要测量该第一和第二电压的点之间的任何变压器的效应。这种变压器将生成由变压比决定的该上游和下游电压的电压差。如果已知变压比，则可以将该变压比应用于电压样本。然而较好的是，该示例性系统可以确定并应用该变压比。通常配电系统中的变压器是降压变压器，在这种情况下如果存在一变压器则上游电压将大于下游电压。不管怎样，在37中用该下游电压除该上游电压而计算出该变压比VTXRATIO并将其保存。如果不存在变压器则这个比率将基本是1。然后进入一个循环，其中在38中周期性地采样和保存Vupstram、Vdownstream和Ibus在该示例性系统中，在交流电的每半个周期内要对这些参数中的每一个测量28次。收集一选定的采样数，如在39中所示，在该例子中该选定采样数是50。然后在40中根据该变压比来调整读取的上游电压。这使得在一开始时对于阻抗进行了读取的阻抗的标准化，无论是否存在变压器。下一步，在41中计算并保存该上游和下游电压的电压差Vdiff。然后在43中确定Vdiff和Ibus的过零点。使用极性的改变来确定Vdiff过零点。Ibus过零点被识别为最接近构成该Vdiff过零点的样本的并在该位置电流改变极性的电流样本。然后在45中对电压差和电流进行平方。然后在47中对50个样本的电压差的平方值求和以生成Vsum。类似地，在49中对50个样本的电流平方值求和以生成Isum。从相应的过零点开始计算该电压差和电流的50个样本以消除功率因数的影响。因此，在51中通过用Isum除Vsum来计算该馈电母线的该部分的阻抗和因此而来的压力接头15的大致阻抗，以生成计算的阻抗Rc。
如所讨论的，主要因为用大的数除小的数，而且也因为存在由测量时间中轻微的变化导致的抖动，所以该计算的阻抗Rc可能有很大的噪声。另外，该馈电支路7内的或厂内辅助系统9中的开关和其它瞬态现象会引入大的干扰。为了减小这些影响，对阻抗的连续计算可改变的数量加以限制。在本发明的示例性实施例中，将连续的阻抗输出值R的变化限制为等于阻抗的初始计算值R0与增益G的乘积的步长。因此在流程图35中，在53中确定是否为第一次计算阻抗Rc，如果是的话则在55中使该阻抗R输出等于该R0。然后在57中计算允许该阻抗R改变的步长，该步长等于R0与G的乘积。然后在59中使表示该阻抗的上次输出值的参数R-1等于R0。然后返回位于37的采样循环来生成下一组采样。因为下一次在51中计算阻抗将不是如53中所判断的第一次，所以在61中确定阻抗的这个新计算的值Rc是大于还是小于上次的输出值R-1。如果该新计算的值大于上次的输出值，则在63中将该步长X加到该阻抗上次的输出值R-1上来设置阻抗输出R，并在65中将这个新的值作为阻抗R输出。如果该新计算的值小于上次的输出值，则在67中将一负的步长-X加到该阻抗上次的输出值R-1并在65中作为阻抗R输出。在任何一种情况下，在69中这个新的阻抗输出值作为下一组采样的上次输出值被记录。
对本发明进行了计算机仿真以评定其有效性。在图3和4中示出了结果。在图3中，描记线71示出计算的阻抗的瞬时值。这就是图2中在51计算的值Rc。如图3所示，由于谐波影响该瞬时值具有相当大的噪声。也可看到在1.5秒和2.5秒处的负载开关的影响。描记线73代表由该平滑算法生成的中间值，该中间值是在图2中的65中输出的阻抗R。通过调节图2中在57中使用的增益G可以实现不同水平的平滑。
图3还在75示出3.5秒时总线阻抗增加到先前值的两倍。由于该算法中固有的增益(由对采样数据进行平方提供的)，在图3中这个增加表现为先前值的4倍。因为在该示例中将该平滑算法的增益G设为一低值以提供高水平的平滑，所以可见该中间值73缓慢地变到最终值。在该示例中，在大约9秒时或在阻抗的分步变化后的5.5秒时达到该最终值。
如上面提到的，样本不同步会导致抖动。图4示出在求和的组中的28个样本中13个样本的电流和电压不同步或者说49.2％的抖动的情况的仿真。在1.5和2.5秒处发生与如图3中相同的开关事件，但是在图4的示例中这些事件被抖动覆盖。然而，该阻抗输出的中间值73滤除了所有这样噪声，而仍然检测到在3.5秒处的该阻抗中的分步变化。
图5示出将本发明应用到一实际交流配电系统1’的情况。这个系统包括一连接到源(未示出)的向多个馈电母线79a-79d提供交流电的主母线77。反过来该馈电母线79a向多个负载例如电动机81a-81d供电。由一电动机起动器83来控制该些电动机81a-81c中的每一个，该电动机起动器83从该馈电母线79a向该电动机供电。公知地，每一个电动机起动器包括一电路断路器85、一接触器87和一负载继电器89。第四电动机81d是由一变速驱动器91通过另一个电路断路器85供电的。馈电母线79a到79d分别具有电路断路器85a到85d，这些断路器相邻于馈电母线与主母线77的连接处。该主母线77具有一保险丝93、一主切断开关95、一电表97、一降压变压器99和一主电路断路器85m。在馈电母线79a中与该发动机起动器83相邻处包括一额外的电路断路器85e。该配电系统1’具有若干由实点表示的压力接头103。这些压力接头103包括位于各种装置例如电路断路器85上的端子以及位于母线例如母线79a中的装运分拆(shipping split)处的螺栓连接103s。该电表97已包括一电压分接头105和一电流互感器107以实现测量功能。可以使用这些电压和电流测量来实现阻抗监视功能109。电路断路器85e、85d和85m包括一电流互感器107以实现保护功能。它们还具有一电压分接头105，或可以添加该电压分接头以实现该测量功能109。
如从图5中可见，电表97和主断路器85m位于包括该降压变压器99的、该主母线77的一部分的两端，该降压变压器99具有与该电表97和该主断路器85m相连接的两个压力接头103。因此该电表97可以测量上游电压而该主断路器85m可以测量下游电压。从该电表或该主断路器中读取的电流可以用于电流测量。应注意到阻抗将是该两个压力接头的阻抗与该变压器的阻抗的和。通过使用变压比来转换在该变压器的与读取电流所在侧相反的一侧读取的电压，可以消除该变压器的影响。尽管这种特殊的设置不能识别具体的故障连接，但是它将调查范围缩小到这两个接头上，然后可以检测这两个接头。从过零点开始对电压和电流进行采样的技术消除了该变压器引入的电感性阻抗。
通过使用嵌入其它元件的阻抗监视功能109获取的其它读数组合，可监视该配电系统1’中的其它压力接头103。例如，由该主断路器101和该断路器85e获取的读数来监视这两个断路器之间的压力接头。类似地，该断路器85e可以与该主断路器101合作来监视位于两者之间的一组压力接头，包括到该馈电断路器85a的连接。同样，必须进行更详细的调查以识别这两个断路器之间的特定的压力接头。也可见，如果将该阻抗监视功能109并入该过载继电器89中，则可以通过使用嵌入到断路器85e的阻抗监视功能来监视电动机起动器83的诸组件之间的压力接头。
因此应注意到，本发明允许使用交流配电系统发送的交流电在线监视该电力系统中的压力接头的阻抗。不需要使用直流监视系统所需的用来隔离交流电的恒定直流电流源或滤波器。在许多情况下，可利用现有的电压和电流测量元件将本发明用于目前的系统。
尽管已详细说明了本发明的具体实施例，但本技术领域内的技术人员应理解，可根据本公开的总的思想来对那些细节进行各种修正和变型。因此，公开的具体设置仅用于说明而不是限制本发明范围，本发明将包括所附的权利要求的整个范围及其任何和所有等价物。
权利要求
1.一种使用供电电能确定通电的配电系统(1)的一部分(19)中的压力接头(15)的阻抗的方法，该方法包括在该通电的电力系统(1)的该部分(19)的一第一端(17)测量由该供电电能生成的一第一电压；在该通电的电力系统(1)的该部分(19)的一第二端(27)测量由该供电电能生成的一第二电压；测量由该供电电能生成的流经该通电的电力系统的该部分(19)的电流；用该电流除该第一电压和第二电压之间的差以确定该阻抗。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，该第一电压、第二电压、和该电流的测量重复进行多次，且确定该配电系统的该部分(19)的阻抗的步骤包括根据该第一电压、第二电压和该电流的一选定的测量数对该第一和第二电压的差求和以生成一电压差之和并对该电流求和以生成一电流和，以及用该电流和除该电压差之和以生成该阻抗。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，该通电的配电系统是一交流配电系统，其中该第一电压、该第二电压和该电流都是交流的，且其中对该第一交流电压、该第二交流电压和该交流电流的测量基本上都是连续的。
4.根据权利要求2的方法，其特征在于，确定阻抗包括根据该第一电压、第二电压和该电流的该选定的测量数对该第一电压和该第二电压之间的差的平方进行求和以获得一电压差平方和及对该电流的平方进行求和以生成一电流平方和，并用该平方电流除该平方电压差以生成该阻抗的一种表示。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于，重复权利要求4中的步骤以生成连续的阻抗值，包括限制连续的该阻抗值之间的变化。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于，限制连续的阻抗值之间的变化包括当该阻抗大于该阻抗的一前面的值时，将该阻抗变为该阻抗的该前面的值加上一值X，当该阻抗小于该阻抗的该前面的值时，将该阻抗变为该阻抗的该前面的值减去该值X。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于，用该阻抗的一初始值乘以一选定的增益来生成该值X。
8.根据权利要求4的方法，其特征在于，该通电的配电网络是一交流配电网络，其中该第一电压、第二电压和该电流都是交流的，且其中确定该阻抗的步骤包括选择用于生成该电压差平方和及该电流平方和的、对该第一交流电压、该第二交流电压的测量和对该交流电流的测量，以消除该供电交流电中的任何功率因数。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，选择用于生成该电压差平方和的该第一交流电压和该第二交流电压的测量的选定的测量数以及用于生成该电流平方和的该交流电流的测量的选定的测量数以在该第一和第二交流电压差的一过零点和该交流电流的一最靠近的过零点开始进行测量。
10.根据权利要求1的方法，其特征在于，通过在两个分隔开的但没有被该压力接头隔开的点测量两个分隔的交流电压，通过该压力接头的电流流过该两个点且在这两个点之间已知一固定的阻抗，以及用该已知的固定阻抗除该两个分隔的电压测量值之间的差值来测量该电流。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于，该第一和第二电压测量值中的一个用作该两个分隔的电压测量值中的一个。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于，使用在该配电系统(1)中提供的装置测量该第一电压、该第二电压和该电流中的至少一个，该装置可以从包括开关、电路断路器、接触器、网络保护器、过电流继电器和监视器的组中选择。
13.根据权利要求1的方法，其特征在于，该通电的配电系统是一由交流电供电的配电系统，因而该第一电压、该第二电压和该电流都是交流的，且其中测量该第一交流电压和该第二交流电压的步骤包括当该第一交流电压和该第二交流电压相差一选定的量时从该第一交流电压和第二交流电压中计算一变压比并在确定该阻抗前将该变压比应用到该第一交流电压和该第二交流电压中的一个。
14.使用供电电能确定通电的配电系统(1)的一部分(19)中的压力接头(15)的阻抗的装置，该装置包括在该通电的配电系统(1)的该部分(19)的一第一端(17)测量由该供电电能生成的一第一电压的第一电压测量装置(21)；在该通电的配电系统(1)的该部分(19)的一第二端(27)测量由该供电电能生成的一第二电压的第二电压测量装置(25)；测量由该供电电能生成的流经该通电的电力系统的该部分(19)的电流的电流测量装置(31)；用该电流除该第一电压和第二电压之间的电压差以确定该阻抗的装置(35)。
15.根据权利要求14的装置，其特征在于，该供电电能是交流电，因而该第一电压、该第二电压和该电流都是交流的，并且测量该第一交流电压的该装置(21)、测量该第二交流电压的该装置(25)和测量该交流电流的该装置包括基本上同时测量该第一交流电压、该第二交流电压和该交流电流的同步装置(33)。
16.根据权利要求14的装置，其特征在于，测量该第一电压的该装置(21)、测量该第二电压的该装置(25)和测量该电流的该装置(31)重复测量该第一电压、该第二电压和该电流，且其中该确定阻抗的装置(35)包括从该第一电压、该第二电压和该电流的选定的测量数中重复计算该阻抗的装置(51-69)。
17.根据权利要求14的装置，其特征在于，该确定阻抗的装置(35)包括重复计算该第一和第二电压的相应的测量值之间的电压差的装置(41)，根据该第一和第二电压的该选定的测量数计算该电压差的平方和的装置(47)，根据该电流的该选定的测量数计算该电流的平方和的装置(49)，和用该电流平方和除该电压差平方和以生成连续的阻抗值的装置(51)。
18.根据权利要求17的装置，其特征在于，该确定阻抗的装置(35)包括限制该些连续的阻抗值内的变化的装置(53-69)。
19.根据权利要求18的装置，其特征在于，该限制连续的阻抗值的变化的装置(53-69)包括当该阻抗大于该阻抗的一前面的值时将该阻抗变为该阻抗的一前面的值加上一值X的装置(63)，以及当该阻抗小于该阻抗的该前面的值时将该阻抗变为该阻抗的该前面的值减去该值X的装置(67)。
20.根据权利要求18的装置，其特征在于，该限制连续的阻抗值的变化的装置(53-69)还包括用该阻抗的一初始值乘以一选定的增益以生成该值X的装置(57)。
全文摘要
用在配电系统(1)中的压力接头(15)的上游和下游处测量的由供电电能产生的电压的差值除以测量的电流，来计算作为该压力接头的阻抗的一函数的一值。为了消除由于以大数除小数而产生的噪声以及该配电系统中的瞬态现象，从大量样本的电压差和电流的平方计算该阻抗，并且限制连续的计算结果之间的变化以产生一稳定的中间值。
文档编号G01R31/02GK1584609SQ200410056048
公开日2005年2月23日 申请日期2004年8月12日 优先权日2003年8月19日
发明者D·G·劳克斯 申请人:伊顿公司