CN101789580B - 一种供电系统的故障检测与保护方法及实现该方法的装置 - Google Patents

Abstract

发明名称一种供电系统的故障检测与保护方法及实现该方法的装置。本发明涉及安全输电技术，具体地说，涉及一种供电系统的故障检测与保护方法，以及利用该方法的安全供电系统，为解决供电系统漏电故障和连接性故障提出了一种简单可靠的方案。本发明中，供电系统包括供电单元、受电单元、传输回路和故障检测单元。受电单元在输入于电压低于某设定值或由较高降到较低时，等效阻抗大于且区别于判断为漏电故障的设定值；供电单元的输出重复性地使受电单元的输入电压低于上述设定值或由较高下降到较低，然后恢复；故障检测单元通过检测供电单元的输出电流或负载阻抗是否在设定的范围来判断是否发生漏电故障。

Description

一种供电系统的故障检测与保护方法及实现该方法的装置

技术领域

本发明涉及安全输电技术，更具体地说，涉及一种供电系统的故障检测与保护方法，以及利用该方法的安全供电系统。

背景技术

据统计，我国每年触电死亡人数有数千人，其中因家用电器的触电死亡人数就有近一千人。如图1所示，是常见的电器设备供电示意图，市电直接经过供电线路送到用到装置，虽然这种方法简单，但有明显的缺点，很难对线间故障保护。因导线绝缘老化、异物损伤、火灾等多种原因都可能导致火线与零线间漏电，特别是当人体接触火线与零线时，容易酿成事故。而目前的工业电器、家用电器几乎都没有对供电线路线间漏电的有效保护，因电器设备数量巨大，即使是很小概率的事件，也是很大隐患。

如图2所示是一种高压直流供电示意图。一般的供电装置只有对大地的漏电检测，同样没有供电线路间的漏电检测，降低了这种供电方式的安全性。

供电线路间漏电检测之所以困难，是因为正常工作时传输线路本身就存在较大的电流，而很小的漏电都可能造成事故，这要求从较大的正常电流中检测到很小的漏电电流，并且能迅速得检测到，而实现该功能本身又不能太复杂，这正是本发明要解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在解决从供电端到用电装置的线间故障检测难题，提出包括近距离或远距离、直流或交流、单路或多路供电时漏电检测、连接故障的检测方法，并提出相应的保护方法，本发明还提出了利用这些方法组成的供电系统。

通常的供电系统都至少包含三个部分，即供电部分，本发明称之供电单元；接受电能的部分，本发明称之为受电单元；把电能由供电单元传送到受电单元的传输线路，本发明称之为传输回路。除此以外，为了检测供电系统的故障，还应有检测故障的部分，如图3所示，本发明称之为故障检测单元。供电单元是在正常工作时提供能量的部分，市电也可以作为一种特殊的供电单元。受电单元是正常工作时接收能量的单元，本发明所述的供电系统旨在把电能从供电单元传输到受电单元。通常电器使用中都包含有所述的供电系统。

本发明首先提出供电系统故障检测的两种基本方法为。第一种方法是，受电单元在输入电压绝对值低于某设定值Vt后，等效阻抗大于且区别于判断为漏电故障的设定值，或者输入电流小于且区别于判断为漏电故障的设定值；供电单元的输出重复性地使受电单元的输入电压绝对值低于上述设定值Vt一定时间Tlow，然后恢复到高于Vt；故障检测单元检测供电单元的输出电流或负载阻抗或代表负载阻抗的电压、电流值，判断该值在受电单元的输入电压低于设定值Vt后，是否在设定的范围，如果超出该范围则认为系统存在故障。通常的电路中，阻抗是通过一定电压下的电流或一定电流下的电压来测定的，因此电流、电压、阻抗之间是可以相互转换的，可以根据需要确定故障的判断基准。由于电压或电流的采取都需要一定的时间，因此上述的时间应大于采集电压或电流所需要的时间。故障检测单元可以在Tlow的间隔内完成故障判断，也可以先采集信号，在Tlow时间后进行判断。

本发明提出的第二种检测供电系统故障的方法为，受电单元在输入电压绝对值由某一较高电压Vh降低到某一较低电压V1后，等效阻抗大于且区别于判断为漏电故障的设定值，或者输入电流小于且区别于判断为漏电故障的设定值；供电单元的输出重复性地使受电单元的输入电压绝对值由上述较高电压Vh降低到上述较低电压V1以下，持续一定时间，然后恢复到Vh；故障检测单元检测供电单元的输出电流、负载阻抗或代表负载阻抗的电流或电压值，判断该值在供电单元的输出电压降低后是否在设定的范围，如果超出该范围则认为系统存在故障。

本发明中的较高电压和较低电压都是指电压的绝对值。

本发明提出的供电系统故障检测方法，由于供电单元的输出是重复性的，因而可以使供电系统在供电系统输出的恢复期间满足传输能量的要求，而在降低期间完成故障检测。这种重复性是非人工操作的自动重复性。

本发明还提出了几种改进的供电系统故障检测方法。所述受电单元包含有可控开关，可控开关串联于受电单元的输入和后级电路之间，当受电单元的输入电压低于某一设定值时，控制可控开关使受电单元的输入电流足够小而区别于判断为漏电故障的设定值。第二种改进方法所述受电单元包含储能部件、单向导电部件或可控开关，单向导电部件或可控开关串联于受电单元的输入和储能部件之间，当受电单元的输入电压低于从储能部件得到的电压时，限制储能部件向传输回路返送能量。这两种方法都使受电单元在给定条件下输入电流很小，阻抗较大，从而当有漏电故障时，故障检测单元能通过阻抗、电流或电压检测出来。

为了使故障检测单元能同时检测供电系统的连接性故障或开路故障，本发明提出了相应方法，在所述受电单元的输入并联有输入特征单元，并且当输入电压降低后，受电单元的输入特性主要由输入特征单元确定，输入特征单元的阻抗小于某设定值且大于判断为漏电故障的设定值；故障检测方法为，如果在输入电压降低期间供电单元的负载阻抗显著小于输入特征单元确定的阻抗，则认为供电系统存在漏电故障，如果该阻抗显著大于输入特征单元确定的阻抗，则认为供电系统存在开路或连接性故障。这里所谓的并联在受电单元的输入，是指功能上的并联，不一定是电气连接上的完全并联。例如为了控制输入特征单元，有可能利用储能部件为控制电路提供电源。

供电系统的故障可能由于线路某处漏电、人、动物触电造成，也可能受电单元故障造成。由于供电系统的承受能力、人、动物的承受能力都和时间有关系，如果能够在很短的时间内发现故障，就可以避免故障的进一步漫延。本发明中故障的最大检测延迟通常接近于重复周期。

为了进一步说明本发明的基本工作原理，用图4所示的电路进行仿真，仿真结果如图5所示。图4中，V1代表供电单元，r2和r3是传输回路的阻值，r5作为输入特征单元，C1为储能电容，PWL为可变的线间电阻，设定10mA为漏电故障的设定值。图4中，供电单元V1的输出重复性地下降，由300V下降到100V，储能电容C1上的电压在该间隙内变化很小，一直维持在略低于300V，线间电阻PWL的电流代表漏电流。故障检测单元将检测在V1电压下降时的输出电流。可以看出，供电系统正常时，该电流不到2mA，明显区别于设定的10mA。该电流是由作为输入特征单元的r5值确定的。当线间电阻达到5k欧后，虽然正常工作时，输出电流变化不大，但供电单元电压再降到100V时，故障检测单元检测了比正常时大得多的电流，超过20mA，此时可以判断供电系统存在漏电故障。

本发明还提出了基于故障检测方法的供电系统，采用上述的这些故障检测方法检测供电系统的故障，并且在检测到故障后，使供电单元输出较低的电压或者不输出，从而保护供电系统或者接触到供电系统的人或物体。进一步，供电单元中包括可控开关，当检测到故障时，可以控制该可控开关限制输出电压或电流。该可控开关还可以由一个周期性信号产生单元控制，使它重复性地开通和关断，从而便供电单元的输出电压重复性的降低。而该可控开关上并联一个阻抗后，可以通过测量可控开关关断时电压或阻抗单元上的电流判断出供电单元的负载是否有故障。

本发明可组成多路供电系统，如图11所示，一个供电单元对应多个受电单元，其中受电单元与前述的受电单元相同，在供电单元侧，还对每个传输回路设有可控开关和故障检测单元。由于每一路的电流可以单独地检测，每一路的故障也可以单独地检测。又因为每一路都有独立的可控开关，检测到故障后，一旦供电单元输出较高的正常工作电压，控制可控开关而限制有故障的传输回路，使它不影响其它路的正常工作。而在供电单元输出较低电压的间隙，根据需要可以打开有故障回路的可控开关，检测是否已正常，也可以暂时不开启而一直保持关断状态。

附图说明

图1是背景技术中通常的用电装置连接方法示意图。

图2是背景技术中高压直流供电的连接方法示意图。

图3是本发明提出的供电系统故障检测的基本方法示意图。

图4是用于说明本发明工作原理的仿真原理图。

图5是用于说明本发明工作原理的仿真结果图。

图6是本发明的第一实施例示意图。

图7是为本发明第二实施例的受电单元及仿真结果。

图8为本发明第三实施例的示意图及仿真结果。

图9为本发明第四实施例的示意图及仿真结果。

图10为本发明第四实施例的原理框图。

图11为本发明第五实施例的示意图。

图12为本发明第五实施例的具体原理图。

图13为本发明多路供系统的示意图。

具体实施方式

第一实施例如图6所示，本例旨在把市电能量传输给用电负载r2。其中D6和r2组成受电单元，D1、D2、D3、D4、r14、r7、c2和Q3组成供电单元，r4、r10、r11、r15、r14和比较器1、比较器2组成故障检测单元。Rx为模拟传输线路的漏电电阻。市电为220V50Hz的交流电。本实施例的工作原理为，受电单元中的D6为47V的稳压管，D1-D4先把交流电压转换成100Hz脉动直流Vd。当Vd电压低于47V时，D6的存在使流过受电单元的电流很小，阻抗很高。Vd以100Hz频率重复性地降低于47V以下，该时间间隔内无故障时传输回路的电流非常小。故障检测单元设有串联在回路的电阻r4，比较器2的作用为当Vd的电压高于30V左右时，比较器2输出低电平，使比较器1恒定输出高阻，从而不影响Q3的状态；当Vd电压低于30V左右时，比较器2呈高阻，如果r4上电压高于设定值Vref1，认为有漏电故障，比较器1输出低电平，关断Q3。C2的作用是发生故障后使Q3持续关断一段时间。图9右侧为仿真的结果，可以看到，当漏电流峰值达到30mA左右后，漏电故障被检测，并使输出电压很低。当漏电故障消失后，输出电压又恢复正常。

第一实施例中，重复性降低电压的频率为100Hz。Vref2用于设定故障电流的检测时机，为了提高检测可靠性，通常在Vd电压低于设定的47V延迟一点时间再检测回路电流，本实例中，当输出电压低于30V开始检测，此值可通过Vref2调节。判断为漏电故障的值由Vref1来设定，本实例中设定为0.1V，相当于流过r4的电流为1mA，即输出电压低于30V时如果回路电流大于1mA，则认为发生了漏电故障。此值可根据需要设定，但至少大于供电系统无故障的电流。

从第一实施例中可以看出，本发明的故障检测单元中，当供电单元输出电压较高时应屏蔽故障检测信号，使其只在受电单元的输入电压低于设定值后再起作用。

第一实施例中，因为串联的稳压管D6消耗了部分功率，影响了本方法的效率，适合于功率比较小的场合。第二实施例对此作进一步的改进，如图7所示，图中只画出受电单元部分，其它部分与第一实施例相同，第二实施例增加了可控开关Q4，并增加了Q4的控制电路。其基本原理为，当Vd的电压低于稳压管D6(仍为47V)时，r18电压为0，Q4关断，只有Vd电压高于约50V时，Q4才开通。这里的可控开关实现了受电单元在输入电压较低时输入电流很小的功能，由于可控开关工作在开关状态，所以损耗很小，从而提高了受电单元的效率。

第二实施例中，用电负载在受电单元输入电压较低时不能接受能量，一般不能使用在需要持续工作的场合，并且需要受电单元中增加控制电路，第三实施例作了进一步的改进，如图8所示。图中的受电单元包含了D11二极管作为单向导电部件，C4为储能部件，这里增大了用电负载。故障检测部分基本相同，调节了r11，使比较器在Vd为55V以下高阻。Vref1改成了10mV，采样电阻改为5欧，这样漏电故障的电流设定值为2mA，即Vd电压55V以下时，如果漏电流超过2mA，即认为存在漏电故障，并减小Q2的驱动电压。从仿真结果可以看到，当漏电电阻由100k欧降到10k欧时，漏电故障被检测到，并在下一周期降低了输出。

前面3个实施都是利用了市电电压的重复性降低，在有些场合，供电单元本来是恒定的直流，这时可以增加重复性降低输出电压的环节，实现故障检测。第四实施例如图9和图10所示，第四实施例中，受电单元与第二实施例非常类似，工作原理也是一样的，受电单元中增加了R1模拟接触电阻。传输回路中r19、r20为传输线路等效电阻，11、12为传输回路等效电感，以Rx模拟线间的漏电阻抗。供电单元中有250V的电压源，Q3串联在电压源上用以控制输出电压，Q3的驱动信号是周期为3mS，脉冲宽度2.7mS，关断300uS的方波。由图9右边的仿真结果图可以看出，当代表漏电阻值的Rx阻值降到10k时，驱动信号Vdrive关断。当漏电阻抗恢复后驱动信号恢复。而代表R1的连接阻抗增大到400k左右时，驱动信号也会关断。

第四实施例的工作原理为：比较器1用于漏电故障的检测，在驱动信号为高时由于D5接入比较器1正输入，比较器恒定输出高阻，与Ve无关；当驱动信号为低时，D5关断，如果传输回路存在漏电故障，漏电流较大，使Ve电压较高，使比较器1输出(Vov)低电平，该低电平通过二极管D3拉低驱动信号Vdrive，使Q3关断。调节r26、r16、r21、r25的阻值都可以漏电故障的设定值。比较器2用于连接故障的检测，根据相似的原理，如果后级存在开路故障或连接性故障，则在Q3驱动关断期间，Ve的电压会偏小，从而比较器2会输出(Vuv)低电平，通过D4拉低驱动信号Vdrive。

第四实施例中，重复性周期为3mS，关断时也就是检测时间300uS。重复性周期与检测时间是影响本发明效果的重要参数，它与故障响应速度、供电系统效率、受电单元储能部件保持时间、传输回路寄生参数、检测精度等因素有关，选定时应综合平衡。首先，重复周期决定故障检测的响应时间，重复周期要根据故障检测的目的来确定。如果为了防止触电事故，应根据人体在特定电压下的影响来确定，电压越高，要求的时间越短，另外直流和交流也不一样，不同频率对人体的影响也不一样，这方面设计可参考相关的安全标准。就供电系统效率而言，重复性周期较长时效率相对更高一些。检测时间与检测准确性有较大关系，当传输回路较长时，如果线路存在较大的电感和电容，则电路稳定需一定的时间，检测故障时为避免寄生参数的影响需要必要的时间，另外较长的检测时间可以减小其它因素的干扰。但因为检测期间供电系统不能完全传输能量，检测时间越长则供电系统效率越低。通常情况下，检测时间可以在几十微秒到几毫秒之间，取决于实际需要。这样，重复周期一般在几百微秒到几百毫秒之间。当然，如果需要受电单元持续工作时，则检测时间越长，储能部件容量应越大。

第四实施例中，如果电压是交流的，可以有多种方法实施本发明。可以先把交流信号整流成直流信号，再应用本实施例；可以单向开关换成双向可控开关，检测时应比较绝对值的大小；重复周期既可以与交流信号的频率相同，也可以不同。比如，在可以在交流信号的每个周期内开关几次，也可以每几次开关一次。可控开关可以用继电器，但是继电器的响应时间通常是数毫秒，在重复周期较短时不适用，另外，继电器也有开关次数的寿命限制。

针对故障判断，工程上有很多方法，比如可以在连续发生若干次故障才视为故障，或若干时间内发生若干次故障才视为故障；比如可以结合检测到的电流，如果电流很大，则一次就判断为故障；电流值的设定值也可以是可变的。本发明重点讨论对每一次对故障的检测，对检测后的故障分析处理不作详细描述。

对多路传输的供电系统，如图11所示作为本发明的第五实施例。可以采用第一实施例的基本方法，组成的两路传输供电系统如图12所示，供电单元中共用了主要的供电部分，各自有独立的故障检测单元，受电单元完全相同，另外都设置了可控开关Q3，当其中一路检测到故障时，控制该路的开关，另一路不受影响。本实施例中的受电单元可以应用其它实施例的受电单元和供电单元及故障检测单元。当然，很容易可以扩展很多路。

多路供电系统的另一个实施例如图13所示，供电单元内除了正常供电的第一电压源外，还存在一个第二电压源，第二电压源的输出电压低于第一电压源的正常工作电压。对每个传输回路，第一个电压源和第二电源个串联单向导电部件后连接到各个传输回路，并检测每个回路的电流。开始时，各传输回路断开第一电压源，由第二电压源供电，检测各传输回路的电流，如果正常再接通第一电压源，持续一定时间后，再断开第一电压源，由第二电压源供电，如此反复。如果检测到回路电流或阻抗超过设定的合理范围，认为该路供电存在故障，则不连接第一电压源。由于设置有单向导电部件或可控开关，各个传输回路之间相互隔离，使系统有很高的可靠性。

本发明中所述的单向开关既可以是可控的，比如MOS管、IGBT、三极管、可控硅等，或者继电器。也可以是不可控的开关，比如整流二极管。储能单元一般为电容、蓄电池等，但不限于此，比如电容串联电阻，电容串联电感，或者其它的储能组合，这些组合为电子工程师所公知，这里不再一一列举。输入特征单元使受电单元在输入电压较低时具有一定的输入特性，从而使检测单元能够检测出线路是否存在连接性故障，如开路。通常情况下，输入特征单元呈现一个较大的阻抗，从而检测单元可以检测到一个较小的电流，这个电流可以明显区别于漏电，这样当检测单元检测到输出电流过小时，可以认为传输回路的连接有故障。电阻是很简单的输入特征单元。为了便于检测并减小损耗，输入特征单元可以设计为具有恒流源的特性，这降低了对供电单元下降特性、下降电压的要求，使检测方法更加简单。为进一步改进性能，还可以使输入特征单元在输入电压较高的正常工作电压下电流很小甚至没有电流，在输入电压较低时才有一定的电流，这样使受电单元的效率更高。

通常的设计中，持续输出正常电压的时间和间隙的时间是固定的，但基于本发明的原理，当这些时间作一些变化时，并不影响本发明的使用。在实际应用中，还可以根据实时的检测结果调整检测间隙的时间，比如，当检测到结果比较临界时，可以增大检测间隙时间使结果更加可靠。也可以根据输出电压的情况调整持续输出正常电压的时间和间隙。比如输出电压更高时，为了更安全，可以使检测间隙更频繁。

Claims (14)

1.一种供电系统的故障检测方法，其中供电系统包括但不限于供电单元、故障检测单元、传输回路和受电单元，传输回路连接于供电单元和受电单元之间，供电单元向受电单元传送电能，其特征在于：

受电单元在输入电压绝对值低于某设定值Vt后，等效阻抗Rp大于且区别于判断为漏电故障的阻抗设定值Rf，或输入电流小于且区别于判断为漏电故障的电流设定值If；

供电单元的输出电压重复性地降低使受电单元的输入电压绝对值低于上述设定值Vt一定时间Tlow，然后恢复到高于设定值Vt；

故障检测单元检测供电单元的输出电流电值，判断该值在受电单元的输入电压绝对值低于设定值Vt后，是否在设定的范围，如果超出该范围则认为系统存在故障。

2.一种供电系统的故障检测方法，其中供电系统包括但不限于供电单元、故障检测单元、传输回路和受电单元，传输回路连接于供电单元和受电单元之间，供电单元向受电单元传送电能，其特征在于：

受电单元在输入电压绝对值由某一较高电压Vh降低到某一较低电压V1后，等效阻抗Rp大于且区别于判断为漏电故障的阻抗设定值Rf或输入电流小于且区别于判断为漏电故障的电流设定值If；

供电单元的输出电压重复性地降低使受电单元的输入电压绝对值由上述较高电压Vh降低到上述较低电压V1以下，持续一定时间，然后恢复到较高电压Vh；

故障检测单元检测供电单元的输出电流值，判断该值在供电单元的输出电压降低后是否在设定的范围，如果超出该范围则认为系统存在故障。

3.如权利要求1所述的供电系统故障检测方法，其特征在于：所述受电单元包含有可控开关，可控开关串联于受电单元的输入和后级电路之间，当受电单元的输入电压低于所述的某设定值Vt时，控制可控开关使受电单元的输入电流足够小而区别于判断为漏电故障的电流设定值If。

4.如权利要求1或2所述的供电系统故障检测方法，其特征在于：所述受电单元包含储能部件、单向导电部件或可控开关，单向导电部件或可控开关串联于受电单元的输入和储能部件之间，当受电单元的输入电压低于从储能部件得到的电压时，限制储能部件向传输回路返送能量。

5.如权利要求1或2所述的供电系统故障检测方法，其特征在于，所述受电单元的输入并联有输入特征单元，并且当输入电压降到某设定值Vt或由较高电压Vh降低到较低电压V1后，受电单元的输入特征主要由输入特征单元确定，输入特征单元的阻抗Rs小于某阻抗设定值Rx且大于判断为漏电故障的阻抗设定值Rf；故障检测方法为，如果在电压或电流所代表的负载阻抗R1显著小于输入特征单元的阻抗Rs，则认为供电系统存在漏电故障，如果对应的负载阻抗R1显著大于输入特征单元的阻抗Rs，则认为供电系统存在开路或连接性故障。

6.如权利要求1或2所述的供电系统故障检测方法，其特征在于，所述的供电单元的输出电压重复性地降低的重复周期不大于2S。

7.如权利要求6所述的供电系统故障检测方法，其特征在于，所述的供电单元的输出电压重复性地降低的频率为50Hz或60Hz或100Hz或120Hz。

8.一种供电系统，包括但不限于供电单元、故障检测单元、传输回路和受电单元，传输回路连接于供电单元和受电单元之间，供电单元向受电单元传送电能，其特征在于：

受电单元在输入电压低于某设定值Vt时或者由某一较高电压Vh降低到某一较低电压V1后，等效阻抗Rp大于且区别于判断为漏电故障的阻抗设定值Rf，或者输入电流小于且区别于判断为漏电故障的电流设定值If；

供电单元的输出电压重复性地降低使受电单元的输入电压低于上述设定值Vt以下或者由较高电压Vh降低到某一较低电压V1；

故障检测单元检测供电单元的输出电流值，判断该值在供电单元输出电压下降的某时间间隔内是否在设定的范围，如果超出该范围则认为系统存在故障，并使供电单元输出较低的电压或较小的电流或无输出，否则保持原来的重复状态。

9.如权利要求8所述的供电系统，其特征在于：受电单元包含可控开关，可控开关串联于受电单元的输入与后级电路之间，在受电单元的输入电压低于所述的设定值Vt后，控制可控开关使受电单元的输入电流足够小且区别于判断为漏电故障的电流设定值If。

10.如权利要求8或9所述的供电系统，受电单元包含储能部件、单向导电部件或可控开关，单向导电部件或可控开关串联于受电单元的输入和储能部件之间，当受电单元的输入电压低于从储能部件得到的电压时，限制储能部件向传输回路返送能量。

11.如权利要求8或9所述的供电系统，其特征为，所述供电单元包含有可控开关，且该可控开关串联在供电单元输出上，当所述故障检测单元检测到故障时，控制该可控开关使输出电压较小或输出电流较小或完全无输出。

12.如权利要求11所述的供电系统，其特征为，所述供电单元还包括一个周期性信号产生单元，使所述可控开关重复性开通和关断，从而使供电单元输出电压重复性地降低和升高。

13.如权利要求12所述的供电系统，其特征为，所述串联在供电单元上的可控开关上并联有阻抗单元Z，阻抗单元Z的直流阻抗为电阻；当可控开关关断时，直接或间接地检测可控开关上的电压或电流从而获得供电单元的负载阻抗值；如果检测到故障则保持可控开关的关断状态，否则由周期性信号产生单元使可控开关重复性地开通和关断。

14.如权利要求8或9所述的供电系统，其特征在于，所述供电单元重复性降低输出电压的周期与判断为漏电故障的电流设定值If的乘积不大于50毫安秒；重复周期不大于2秒；所述供电单元正常工作时的最高电压超过60V。