CN1033880A - 故障检测 - Google Patents

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奥利弗·瓦尔德斯
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Abstract

用于检测系统漏电流的装置，包括一个电源及将 电源加至负载的导体。一个断续器连在接地点，所以 系统的接地漏电流形成回路。断续器每12秒激励 一次以产生断续接地故障信号。在具有高容抗的多 馈线系统的有关位置处安装的磁传感器检测该信号， 传感器不受配电系统中随机电磁场和静电场的影响， 传感器与断续器同步运行，从而在方波断续脉冲的稳 态电平处进行检测。

Description

本发明涉及故障检测，特别是低电平直流故障电流的检测。更具体地说，它涉及用于在常用不接地多路馈线直流配电系统中检测接地故障的装置和方法，该系统具有大容量电抗元件并处于强电磁场的影响下。这些情况通常与发电和电力配电设施、工厂及其中的计算机/电子系统有关。在这种系统中，必须确定出接地故障同时不停止未受影响的设备的使用。
发电厂和变电站采用110到240伏不接地电池系统来操作控制系统和其它直流装置。一些控制系统是电厂工作完整性的关键并且必须随时工作。如果没有隔离，在不接地电池系统中的接地故障会导致电池接地，由此引起的电池电压降低足以影响电池系统的工作完整性。在系统中，如果两个接地故障在相同电池系统的两个相反极上同时出现，则电池通过地短路，如果两个或更多的同时接地故障出现在同一导线上，则会造成不需要的控制设备的旁路并引起故障或误动作，因此，必须尽快地和有效地进行绝缘并纠正第一错误，以减少整个电池系统被短路或不能工作的机会。
一个不接地直流配电系统的主要部件通常包括直流电池组和电池充电器。主电源导线将电池组与多路馈线配电盘的断路器和这些馈线的各个负载相连。与该系统有关的负载是电动机、螺线管线圈、继电器、电子监控设备和电子控制设备，与此类系统有关的常见特点是：第一，由配电线产生的相对地的杂散电容;第二，负载的输入容抗。杂散电容的值从几微微法拉到200微法拉或更多。这是一个重要的特征，因为它在用于找出接地故障电流的检测设备中起着重要的作用。
这种系统中的一个基本问题是，在更大的直流负载电流和电磁感应的噪音电流存在时，需要确定微小的直流故障电流，即，从低到高的阻抗接地故障。
在直流不接地配电系统中，重要的是确定在地与任意一根配电线或与这些导线相连的负载之间是否存在故障阻抗，若有故障出现，并且故障的阻抗值低于预定的警戒值，重要的是找出并排除故障而又不中断对支路或馈线的服务。
用于找出接地故障的一个方法是一次打开一个断路器，直到故障消失。在支路断电修理时故障被隔离。如果接地故障发生在一个关键的支路，该支路不能断开进行接地故障追踪，则该方法不适用。
一种已知的接地检测电路包括一个跨接在直流电源上的高阻抗中间抽头和一个位于中间抽头与地之间的指示电位计。直流系统中任何地方的接地故障都会引起电位计的指示。因为高阻抗将接地故障电流限制到几毫安，所以当故障发生时出错的设备不会被断开。
另一种检测电路包括两个从主导线两侧分别连到地的等值电阻和一个能在地与配电线之间切换的监视仪器。当线与地之间存在接地故障时，监视仪器指示出电压不平衡。这个不平衡表示要确定的接地故障的百分比。这个电路可以改变与配电线相连的负栽和电磁感应噪声的影响，从而有效地确定低电平故障电流。
在另一种配置中，由继电器或平行线圈驱动的螺线管代替了电阻。每个线圈连接在地和一根线之间。当存在接地故障时，在一个线圈上产生不平衡电势，它使电流流过线圈去激励机电系统和触发系统的接地故障状态。这种设计的局限是，仪器只能检测出相对高的故障电流状态，而不能确定出故障是在哪里发生的。需要另外的查找以确定故障所在，为追踪故障源，可以将交流信号引入直流系统。这种方法不能用于具有大杂散电容或灵敏电子设备（如负载）的系统，因为这样引入的交流信号必须经过很低阻抗的通路到地，阻抗越小，找出故障所需的交流引入信号就需要越大。由于能量高，可能会无意中断开控制装置，或损坏电子设备或与系统相连的负载。这些电路的关键特征是要求不断开它们来找出故障。这样，就需要一个故障检测系统来找出故障，需要一个故障检测系统在不中断这些关键电路的条件下来找出故障设备。
还已知在汽车或类似物中使用接地12伏电池电源的小系统中检测直流故障的方法。这种接地直流系统需要在电池电源的端子上跨接一个喷嘴。然后，在配线系统上设一个具有声音检测装置的检测器，这样，声音增大就表示哪里存在直流故障。这个系统在某一环境下根据高直流故障电流而工作，在这个环境中，因没有大的容抗或感性电抗，当检测出故障时，直流系统即有效地关闭。
还已知在交流系统中利用继电器来检测对地漏电，该继电器中断系统以脉冲输入的方式引入故障电流。但是，这种系统的特点是，利用一种永磁移动线圈测量仪的德.阿森沃尔（D′Arsonval）型测量器来检测脉冲输入。这种测量仪需要一个适于检测相当大的交流故障电流的电流互感器。这不适用来检测较低值的脉动直流故障电流。这种检测系统特别不适用于高静电和高电磁环境中。
在另一种接地故障检测的方法中，用一个斜率检测器来检测每秒2Hz频率的中断信号。通过将两个5000欧姆的电阻从直流配电线的两侧经过中断继电器接地来获取此信号。通过控制继电器的开闭，故障电流被间断以产生直流故障脉冲。同时，利用磁传感器和相应的电子器件来检测中断直流信号的上升和下降，即斜率。当确定出故障电流时，产生一个周期性声音信号或激发一个闪烁的的发光二板管显示。采用这种检测方法时，若直流配电系统的杂散电容大于50微法并且故障电阻大于5000欧姆，确定故障位置就会很困难，因为线上的杂散电容会吸收中断脉冲产生的大部分初始电流。这会产生一个假斜率信号，检测器电路将此认作故障状态。外部电磁干扰也会产生干扰检测器的不需要的输出信号。
因此，需要克服已有系统的缺点，提供一种有效的设施用以检测和找出供电系统中的故障。
用以下设施来消除已有系统的缺点：一个同步的检测系统，一个以低能量值工作的检测电路，以及消除杂散电容和不需要的电磁干扰的影响的装置。
根据本发明，提供了用于在供电系统中检测故障信号的装置和方法，该系统包括向与系统相连的负载供电的导体。一个阻抗元件跨接在电源上，阻抗元件有抽头点，一个连接体连接在抽头点和地之间，从而形成一个用于系统中故障信号的电路，一个断续器向系统周期性地输入接地故障脉冲信号，从而产生脉冲断续信号，一个与系统有关的磁检测器检测到此断续信号，并用于检测故障的位置。检测器与断续器同步工作，从而检测器检测到基本为稳态的脉冲。
在本发明的较佳方式中，脉冲为方波，在方波的稳态高电平期间进行检测。断续器电路包括一个产生同步信号的电阻/电容振荡器电路，或一个产生同步信号的晶体振荡器。
检测器组可以确定是正导体还是负导体出错。在故障检测之前，系统中的杂散电容基本通过部分包括在阻抗元件中的一组电阻放电，方波的周期要确定，以使得有足够的时间用于杂散电容的放电。一个脉冲器或断续器周期性地中断接地故障电路，以产生间断的接地故障信号。
提供一种用于在通常不接地多馈线直流配电系统中检测低电平对地漏电的装置和方法，该系统包括一个直流电源和从电源向与多馈线直流配电系统相连的负载供电的导线。
接地故障信号由永久性定位放置和/或便携式的检测装置来检测，检测装置靠近直流系统，使得稳态的间断直流接地故障信号可以被检测装置检测出来。从而可以找出直流系统中低电平的接地故障。
检测装置包括抑制噪声的装置，还包括消除配电系统容性和感性电抗、杂散电容以及不需要的电磁和静电源产生的变化磁场效应影响的装置。
当电流流过导体时，在导体周围的空间主生磁场。这个磁场的方向和强度与流过导体的电流的强度和方向以及与到导体中心的距离有关。用一个铁磁性材料圆环绕住导线，则部分磁场就限制在此环内。在圆环上割开一缝隙，将一磁敏感元件塞入缝隙中，这个装置就起了探头的作用，探测并提供流过导体的电流的方向和强度的信息。
达到磁饱和点时，流过导体的电流的大的变化只引起环绕导体的圆环中的磁场较小的变化，克服饱和状态的一种方法是，让另一根具有大小相等，方向相反的工作电流的导体（回路导体）穿过磁环。结果，磁圆环中的净磁场将等于零。外部磁场源（例如金属结构）被发现改变零磁平衡，并产生可由磁探头检测的影响磁场。为了克服最终磁场和，使该值为零，任何流过两根被监视导体中任意一根的电流的不平衡都会引起磁场的变化。这个由磁探头检测到变化提供了关于流过导体的不均匀电流的幅度的信息。
图1是解释一个具有各种负载的不接地直流系统的框图，其中在一个负载上出现接地故障，该框图还包括利用检测间断脉冲来检测这个故障的检测器。
图2是检测器电路框图。
图3和图4是图2中检测器电路的具体电路。
图5是检测间断接地故障信号的断续器的框图。
图6和图7是断续器的具体电路。
图8是电源的框图。
图9是电源的具体电路。
图10和11是对本发明基本原则进行解释的一般示意图，图10是先有技术的配置。
图12是表示检测定时的断续器脉冲的时钟周期。
图13是解释检测器电子系统的框图。
图中的标号分别代表：
图1：2000-断续器    图5：230-+5伏直流调节器
13，14，15-负载    201-振荡电路
24-检测器    211-电源及零参考
图2：501-控制电流    203-放大延迟电路
500-反向偏置    215-运算放大比较器
392-限流电阻    206-黄色发光二极管
389-放大器    200-功能选择开关
390-直流偏置调整    219-放大三极管
387-运算放大器和电压稳压器    207-开关电路
561，562，369-补偿调整    210-双向选择开关
图8：602-电源开关
345-双放大器零输出基准电路    604-电源变压器
341，344，346-测试放大器和低通滤    608-电容耦合电路
波器    610-整流电路
342-补偿平衡调整    606-整流电路
347-双同步继电器    612-5V调节电路
351-跟踪保持电路    615-高压保护电路
353-运算放大器和反相器    616-+发光二极管指示
365-平衡调整    614-发光二极管指示
367-运算放大器和低通滤波器    图10：805-测量仪
400-晶体振荡器    806-断续器电路和继电
器
370-红色发光二极管放大器    813-负载
397-滤波电容    图11：816-电子选择器电路
395-放大器（+）红色发光二极管    和继电器
378-放大器（-）红色发光二极管    806-电路和间歇继电器
377-（+）红色发光二极管    807-功能开关
380-（-）红色发光二极管    819-间断电子电路
371-运算放大器和正电压网络    815-继电器
372-负电压网络    850-振荡器
374-绿色，放大晶体管    813-负载
376-绿色发光二极管
图13：813-负载    901-系统放大器
816-自动线选择器    902-反馈
906-间断电路和继电器    904-负放大器
820-功能开关    903-正放大器
851-延迟    905-比较器组
906-输出显示
下面参照一个用于接地故障检测的不接地直流系统来具体描述本发明。
图1中，用于检测通常不接地直流系统中低电平对地漏电的装置，包括直流电池电源10。在本实施例中，主母线11和12从电池电源10对不同负载13、14和15供电，导线13a和13b从主母线11和12连到负载13。同样，主母线11和12与负载13相连。同样，主母线11和12通过导线14a和14b连到负载14。导线15a和15b与负载15相连。
在母线板或导体11和12上跨接电阻16和17，在电阻组16和17之间是一个抽头点18。以接地指示器19形式的响应元件连接在抽头点18和功能开关200之间，并通过功能开关200到接地点235，使得系统中接地故障漏电闭合一接地电路以使指示器19工作。功能开关200一方面将现存的警戒系统接地，另一方面启动接地故障检测器系统。在断续器电路2000上，有一输入基准信号通过线216接到点18。线212和213将断续器电路2000与线11和12相连。在362上，有一个与检测器电路125的同步信号361。线209将断续器电路2000与功能开关200相接并通过功能开关200连到接地点235。在断续器电路2000中，有一个以至少1/12Hz的频率打开和关闭的继电器。以这种方式经过接地故障电路产生一个稳定但断续的直流故障电流，从而获得直流接地故障信号。
在本发明的一个实施例中，对于负载电路13、14和15都分别提供了检测器24。这种检测器或传感器24包括一个磁传感元件25。检测电路125指示磁传感元件是否检测到一个间断的接地信号，这个例如是霍尔效应检测器的传感元件25分别与导线13a、13b、14a、14b、15a和15b有关。线362将一个同步信号361从断续器电路2000送到检测器24中的检测器电路125，以保证来自断续器2000的脉冲间的定时和检测器24中电路125的工作。这样大大增强了灵敏度，其工作在下面进行了更充分的描述。
在接地故障指示器19检测出上述实施例中存在接地故障电流之前，断续器2000不需要投入工作。但在某些情况下，省去了指示器19，则断续器2000则不考虑指示器19而持续工作。通过这种配置，任何便携式或永久设置的检测器25和/或传感器24都可指示故障电流。
参照图10、图11、图12和图13，它们描述了低电平接地漏电检测工作的基本原则。图10描述了图11和12所示发明所提出的先有技术中的问题。
在图10中，一个具有例如130伏电池电源800的不接地直流配电系统包括两个5000欧姆限流电阻801和802，分别从线803和804连到测量仪805。测量仪接到断续继电器806，然后接地807。当系统中任一位置上存在故障阻抗时，在线803和804与地807之间产生一个不平衡电压。这个不平衡与故障阻抗808成正比，并由监视系统的仪器805指示。如果线803和804中某一根对地直接短路，则会造成电流从不短路的线流到与此线连接的限流电阻。图10中，这就是803和电阻801。电流从电阻801流到仪器805，再到间歇继电器806，从间歇继电器806再到地807，通过地到故障点817，从故障点通过故障电阻808到有故障的线804，再回到直流配电系统。
在短路情况下，漏电电流值大约为26毫安。在这种条件下，与短路线804有关的杂散电容810消失，间歇电流具有0和26毫安的瞬时值。
对于一个具有大于100微法的杂散电容和大于40000欧姆的故障阻抗的配电系统，系统响应是不同的。当间歇继电器806关闭时，从电阻801和802的中心抽头811流出的电流分成三个方向。较高的电流路径是通过与故障线804相连的5000欧姆电阻802。流过5000欧姆电阻808的电流值是12.2毫安。第二条电流路径是经过40000欧姆电阻808，在806的第一间断周期的值是1.5毫安。第三条路径是电流流入线的杂散电容810，并作为电能积累。
当间歇继电器806关闭时，大约需要0.5秒使断续器电路达到稳态。故障线804与地之间的稳态电压是直流61.0伏。当间歇继电器打开时，断开805和两个5000欧姆电阻801和802与地807的连接。杂散电容810上积累的电能通过故障电阻808以指数衰减形式放电。
由电容器810的杂散线电容和电阻808的漏电故障电阻构成的电路的时间常数是Rf和Cs的乘积。在此特定情况下，时间常数为4秒。结果，当间歇继电器打开电路4秒钟之后，故障电阻808和杂散线电容810上的电压为28.18伏，是直流61.0伏初始稳态电压的38%。断续器电路打开1秒钟之后，故障电阻808和杂散线电容810上的电压大约为50伏（时间常数的25%）。如果断续器以每秒1周期的频率工作，通过故障电阻808的差动电流为0.25毫安。只有0.25毫安的原因是在第二次间断之后，在故障电阻808上只产生了11伏的差动电压。对于产生一个强的和稳定的接地故障信号来说，0.25毫安的漏电电流是太小了。
为克服检测很小电流的问题，并获得通得故障电阻808的较高值漏电流，在产生接地故障间断信号的断续器电路806中作了改进。
如图11所示的这样一种改进是，通过电子切换，只有与无故障线相连的限流电阻801与间歇继电器相连，另一个电阻802与间歇继电器断开。以这种方式，当间歇继电器闭合时，接地故障电流通过限流电阻801入地807，从地817通过故障电阻808回到直流配电系统。在间歇继电器闭合约5秒后，达到稳态，流过故障电阻808的电流大约为2.88毫安。当间歇继电器806打开时，杂散电容810上的电压大约为110伏。为使杂散电容迅速放电，放电电阻812由故障线接到地，如果电阻812的值等于电流限制电阻801，电路的充电常数就等于放电常数。
另一种改进包括延长间歇继电器周期，如图12所示。通过延长周期为12秒，即6秒用于故障电流流过，6秒用于杂散电容放电，作为脉冲的漏电流大约为2至2.75毫安。这个值比每秒间断一或两次时要高出约10倍，并且没有放电电阻。
图11的电路解释了与负载813相连的系统。杂散电容814在无故障线803上。示出了限流电阻801、802和放电电阻812和815。通过选择继电器来选择电阻与线803和804的不同连接。
本系统还被设计为能区分系统的哪一导体（正或负）上存在故障。通过装在两个导体上的磁传感器，检测器可以确定该故障。
图12的时序图表示了以12秒为周期的间断脉冲。检测器在间断脉冲的高电平时对脉冲同步地测量和采样。这样，根据此时序，以平坦的直流电平实现检测，消除了噪音的影响。通过这种实现检测的定时安排，系统的杂散电磁影响和变化被平衡抵消。这样可以检测到系统中小的直流信号变化，这是因为直流间断脉冲，并且本系统的灵敏度远远大于先有技术的系统。
图11示出建在直流配电系统一个支路上的接地故障检测器。自动选择器电路816指示直流配电系统中的任何不平衡并选择电阻对801和812，或802和815（一个从正线，一个从负线）连接到间歇继电器806的输入，从间歇继电器到功能开关820，从功能开关到地807。在图11中还示出磁传感器25，振荡器850，延迟电路851，故障电阻808以及与正、负导体有关的杂散电容810、814（Cs）。
当振荡电路从低向高变化时（图12中C2），信号通过延迟电路851，200微秒后（图12中C4），信号加到间歇继电器806上以控制关闭功作。当间歇继电器806启动后，801和812已经与间歇继电器的输入相连。电阻801通过选择器816，间歇继电器806和功能开关820接地。这种条件产生了一个通过漏电电阻808的漏电流。检测到传感器25（图3的C5）的磁场并馈给电子电路作处理用。
当振荡电路850变低时，间歇继电器806打开，电阻801断开，电阻812接地，通过功能开关820偏置自动间歇继电器806。这个安排使线杂散电容810以小于4秒的时间常数放电。
图12示出以C7波形表示的线杂散电容的充电和放电。波形C7的实线表示利用电阻812时线杂散电容上的电压。这是比较装置需要的，比较装置将间歇继电器关闭前的基准电压值与间歇继电器打开时的电压值进行比较。若线杂散电容没有充分放电，则两级间差动电压减小，传感器25的输出被部分利用。
该方法利用磁传感器25读出传送大直流电流（1至20安培之间）的导线上的直流电流的变化（2至20毫安之间）。如图2所示的磁传感器25包括一个带缝隙的磁环324，磁敏感元325放在此缝隙中。如图1所示，具有传感器元件325的圆环围绕二根导线803、804，这二根导线向与导线相连的负载813供电。通过这种安排，负载电流产生的磁场等于零，因为流过两根导线的电流大小相等，方向相反。所有其它的外部磁场源产生磁传感器25的输出，累积的电源值被系统用来作为零基准电平。
完成上述任务的电子电路如图13所示。由磁传感器探头325产生的信号通过系统放大器电路901。与这个系统放大器电路901相连的是负反馈环902，它控制系统放大器901的总增益。反馈环的打开和关闭由振荡器电路850产生的信号（图12中信号C2）控制。系统放大器电路901的输出同时馈入正放大器903“乘+2”和馈入负放大器904“乘-2”。电路903，904的输出使它的输入受C2信号（图12）控制。
参照图12和13，振荡器电路850，系统放大器901、反馈环902、“乘+2”和“乘-2”电路903和904的总体工作说明如下。当振荡器电路850产生的C2信号为低时，反馈环902关闭，系统放大器的总增益大约为200。这时，两个乘法电路903，904的输出等于零。然后，当C2信号为高并同时加在反馈环电路902和“乘+2”电路903上时，发生下列信号变化。负反馈环断开其输入，输出上保持加在系统放大器电路901的输入上的直流控制信号。“乘+2”电路903断开其输入，其输出保持加在比较电阻网络905上最后的信号值。如果这时引入一个磁场变化（图12的C1）到磁传感器组325，其输出将会变化，这个变化无负反馈地加到系统放大器电路901。结果，系统放大器电路901的增益大约增加100倍，使得电路的总增益大约为20000（200×100）。来自系统放大器电路901的输出信号只馈入“乘-2”电路904，其输出又馈给比较电阻网络905。
在比较电阻网络905，来自“乘-2”电路904的信号与“乘+2”电路903输出的固定值信号相加，其代数相加结果送到控制发光二极管906显示的下一级放大器。为避免同时断开反馈环902和“乘+2”电路903时出现竞争，相对于在一根通过磁传感器组325的导线上的直流故障电流的新的加入值，对间断信号加上一个200毫秒的延迟。这个时间延迟控制间歇继电器806的工作。继电器又控制释放用于产生磁场变化的直流错误电流。
在图2的检测器电路125的框图中，传感器324是一个基本上为环芯的磁传感元件，用于检测间断直流接地故障磁耦合信号。磁电流传感元件325（例如霍尔效应元件或类似元件）接收带有叠加噪音301的组合间断信号300。这些信号和噪音是从磁传感元件325沿导线326送入的，提供了平衡的信号特征。
平衡的组合信号送入一个直流精密测试放大器和低通滤波器341，将差动输入平衡信号变换为平衡输出信号。补偿平衡控制342对装置341的输出整形。341的输出信号沿导线343送到第二测试放大器和低通滤波器344，将平衡输入信号变换为不平衡输出信号。344的输出信号沿导线345送到运算放大器和低通滤波器346。运算放大器和低通滤波器346的输出送到线397和开关继电器347的一侧。开关继电器347的输入受控于线362，线362传送来自断续器电路203（图5）的同步信号361。开关继电器347的输出信号沿导线350送到跟踪保持电路351。跟踪保持电路351的输出信号沿导线352送到一个运算放大器和反相器电路353。电路353的输出信号沿导线354送到测试放大器341的输入端。
测试放大器344的输出信号也沿导体345送到运算放大器349和双向开关继电器347的一侧。来自开关继电器347一半的输出信号送到线360和运算放大器348的输入端。运算放大器348和349具有补偿调整元件561和562。运算放大器348的输出信号送到线363和平衡控制365的一侧。运算放大器349的输出信号送到线364和平衡控制365的一侧。平衡控制365的中间抽头送到线366和运算放大器348和低通滤波器367的输入。运算放大器367具有直流补偿控制调整369。
运算放大器367的输出信号送到线368以及运算放大器370、371和网络电路372的输入端。运算放大器370的输出送到线394和放大器电路395。放大器395的输出送到线396和红色发光二极管（LED）的正故障指示器377。
线394也连至电路元件滤波电容397和放大器电路378。放大器378的输出送到线379和红色发光二极管的负故障指示器380。
线368也连至负电压抑制电路372。电路372的输出送到线373和放大器电路374。放大器374的输出送到线375和绿色发光二极管的零故障指示器376。线368馈给运算放大器和正电压网络371。371的输出送到线373和绿灯放大晶体管374。
此电路从电源和稳压器在点381处得到负5伏的电压，从线382向全部运算放大器供电。也就是说，一个10V未稳压电源与点383相连，383的输出送到线384和5V正电压稳压器385的输入端;电压稳压器385的输出送到线386和电路的电子元件。
运算放大器和电压稳压器387向线388和放大器电路389输出一控制信号，装置387具有直流偏置调整控制元件390。放大器电路389的输出送到线391和限流元件392及线393。线393为磁电流传感元件325提供了一个恒压流。
直流测试放大器和低通滤波器341接收从磁电流元件325沿导线326传来的信号，并且只选通低于30Hz的信号。为合适的工作，直流放大器341的差动输出电压为±2毫伏之内。
为保证直流放大器输出电压在合适的范围之内，设有一平衡调整元件342。电路341的差动输出信号送到测试放大器344并转换为非平衡信号。来自电路344的输出信号分为两路。一路是作为自动增益控制（AGC）回路的电源。这个电路中的元件是继电器347和电路346、353。另一路作为信号显示电路的电源，这个电路包括继电器347，电路348，349，平衡元件365，运算放大器电路370，371，374，378和发光二极管显示376，377及380。
根据初始条件，馈给线362的同步信号361为低，双继电器347维持关闭。
自动增益控制环提供了一负反馈环，测试放大器341，344和运算放大器346的总增益约为200。自动补偿调整元件342将线343的信号设置为零伏的差动值。结果，在线345上有一个零伏的直流信号。线345上的信号具有±3V的稳定范围。对这个捕捉范围的解释是，在偏置调整元件342使线343上的信号为0V差动值后，外磁源可对线343上的这一差动0V信号变为某个正、负电压值，该电压值将由于放大电路344依次修正线345的信号;线345的信号同时送给运算放大器348和349，在±3V范围之内。这样，电路348和349的输出将通过平衡控制365进行比较，其平衡输出馈给线366，对于线345的信号在±3V之间的任何值，此输出都为0V。这个零输出信号送到放大器367的输入端。放大器367的输出信号通过偏置补偿元件369的调整为0V。
367的输出信号去往电路370，371和372。当该信号为零时，电路370将被断开，正负故障指示器绿色的LED将断开，且指示故障电流的绿色LED将接通。当362线上的同步信号变高时，双向继电器347使自动增益控制（AGC）环路开路，且负反馈电路脱离该电路。由于跟踪保持电路351维持继电器347断开之前在其上传输的最后一个值，线354的DC值则保持不变。当无负反馈时，放大器341和344电路的总增益将增加1000。继电器347的后一半使得运算放大器348的正输入端与仪器放大器344之间形式开路。运算放大器348起一个跟踪保持电路的作用，且其输出在开关继电器347打开期间不发生变化。当开关继电器347被打开时，运算放大器348中的电容器548使保持线363上的输出保持。
在同步信号361变强200毫秒之后，断续器板的开关继电器207（图5）关闭。这就允许DC接地故障电流流过，并由磁传感器检测出。传感器324应检测出其磁场的变化，该变化导致输入到放大器341的输出电压的变化。设备341将该输入电压变化放大，并输入设备344。经344放大及滤波之后，由于继电器347是打开的，则放大器349是唯一从线345接收信号的设备。由于放大器348的输出恒定而349的输出变化，所以平衡控制365输出与输入信号变化成正比变化。该变化由367放大，若线368上的信号大于250mV，正故障指示器接通，无故障指示器绿色LED熄灭，若线368上的信号低于-250mv，负故障指示器接通而无故障指示器绿色LED熄灭。
当使用便携检测器时，本地晶振400（如图2所示）用于和作为实时时钟的断续器板的晶振同步，控制电流设备501通过磁传感器由线502提供一个手动或电动控制DC偏置电流，这种设置的目的是要取代一个导体（例如图1的导体31a）周围的便携单元，反向偏置调节500抵消通常电路电流导致的磁场并使故障电流产生的磁场只由磁传感器325检测。
图3和图4是图2框图所示电路的详细说明：磁传感装置325通过导线326连至仪器放大器341，341的差分输出通过导体343送至344的差分输入。344的不平衡输出信号由导体345送到运算放大器和低通滤波器346，346的输出加至继电器347的一半，该继电器的输出又馈送到作为跟踪保持电路的运算放大器351。351的输出加至运算放大器353，353的输出又馈送到326的线上，344的输出通过导体345送至继电器347的一半。继电器347的输出由导体360送至图4的运算放大器电路348，在线345上的信号馈送到反向放大器349。
装置348和349的输出信号在输入到运算放大器367之前进行比较。367的输出送入线368中并到运算放大器370和371，若输入装置370的信号超过±250mv，则LED的377或380将导通。若线368的信号在±200mv之内，则绿色LED导通，装置编置控制390，参考电压放大器387，DC偏置放大晶体管389和限流电阻392被设置以便为磁传感器325提供图3所示的必要的偏置电流。
与磁传感器组件325有关的是一电流控制调节元件501，它通过磁传感器325进行手动或自动平衡电流调节，以便使磁传感器325的输出成为用于DC放大器341工作的值。
现在叙述图5的断续电路，该电路包括一个功能选择开关200，它在“测试”位置时使振荡电路201产生12秒一周频率的方波，201的输出信号馈送到线202并到放大器和延时电路203，从203输出两个信号，一个信号361作为同步信号送至线362，另一信号延迟200毫秒后由线205送至输入开关继电器207，所以同步信号超前跟踪信号约0.2秒，线205上的信号也送到黄色LED206以提供故障中断周期的指示。黄色LED在振荡器201输出的脉冲为正时导通以指示磁传感器324正在监视故障电流，并在脉冲为零时断开，故障电流电路开路。
开关继电器207的输出信号由线209送至双向开关继电器210。
在继电器210上有四个电阻110-113，电阻110和113用作传感以产生中断DC故障电流：只有其中之一与DC线相连且该电阻由比较电阻215确定，阻值约为5Ω，电源及零参考电路211在测试状态下通过线212和213连到DC配电线路，网络211的输出馈送到线214上，该电压是在电池线11和12之间电压的一半。
双极、双位开关200用于控制电站接地报警系统中210Ω电站接地阻抗的返回电流，以及用于产生1/12Hz频率接地故障电流的两个内阻为5Ω的电阻。
运算放大比较器215有两个输入端，线214连到电源和零参考电路211。线216连到比较器输入217，该输入217又与点18相连（图1）。电路215的输出信号送到线218，再送到放大电路219的输入端，电路219的输出由线220馈送给双向开关继电器210的输入端，继电器210的输入信号决定从主线到地选择限流电阻111或112以接通故障泄漏电流的电路，该漏电流通过磁传感器组件，继电器210选择电阻110或113以便将主线与开关继电器207的一侧连通，电阻110或113用于快速将PC配电线的杂散电容放电。
图6和图7提供了断续器的详细电路图，图6的集成电路201作为其输出频率为每12秒1周期的多路振荡器，另一晶振电路的基本频率为6兆Hz，以提供1/12Hz的输出，该晶振在有必要取代集成电路201和有关组件时才使用。
电路201的输出送出三极管Q3由Q3的集成极输出同步信号361到检测电路，201的同一输出还送到三极管Q3，并由Q2的集电极输出到断流器开关继电器207。
一个包括一个电阻和电容的模拟延迟电路与Q2集电极相连，且继电器207的输出与双向开关继电器210相连，如图6和图7所示。
图7中，两个电阻701，702和两个齐纳二极管703，704形成电源衰减电路和零点漂移参考电路211，211和来自元件16，17（图1）的中间抽头的参考信号输入到运算放大器215，215的输出218使三极管219导通或截止，这要视比较器的输出信号而定，当三极管219导通时，开关继电器210将电阻113连到中间抽头，当三极管219截止时，电阻111，112被相应地连接，双向开关210的两个中间抽与开关继电器207相连，207的中间抽头又连至功能选择开关，该开关接通接地故障电路及线电容放电电路，与中断电路相关的是一个正5伏稳压的集成电路210（图6）。
图8是稳压电源的电路框图，外电源600输入导体601并去往电源开关602。当602闭合时，开关的输出送至线602及电源变压器604，604的输出又送到605并由其输出到整流电路606，整流电路606的输出送至线607作为一个未稳压源加至+5V    LED电路616和所有其他需要+10V未稳压电源的电路。
电源变压器604的输出还通过导线605送至电容耦合电路608，该电路的输出送至线609和整流电路610∶610的输出送至线611并由其送至-5V调节电路612，该调节电路612的输出加至线613和LED电路614以及与线613相连的所有电路上，高压保护电路615有一输入端与线613相连，且其一个输出端与线611相连。
图9详细叙述了图8的电路框图，电源变压器604的一个输入端通过电源开关602连到主电源，且其输出由F1断路并从该处送到整流电路606的整流桥D3，D3的输出被电容C8和C1滤波并由线607输入到+10V配电系统，线607的输出还送至LED电路616的LED    DS1。
变压器604的输出运送到耦合电容C9和C10并由此送至整流电路610的整流二极管D4-D7，D4-D7的DC输出由电容C2和C7滤波并输入到调节电路612中，612的输出2送给LED电路614的DS2并输入到-5V配电线613和高压保护电路615。
当DC故障检测器工作时，首先通过观察指示器19（如图1的位于抽头点18和电站接地235之间的差分伏特计或告警系统）以证实故障的存在，这可指出在DC配电总线存在故障，但还不能确定其位于何处，然后，闭合开关200以接通断续脉冲器2000，通过磁通量检测传感器装置来检测至少高于+2毫安的低故障电流。
传感元件25在仪表19确定存在故障后分别来在导体13a，13b，14a，14b，15a，和15b上，随后调节输入偏置调节及中心偏置检测器342（图2-4）以便有效地使传感器24工作。
图1中，通过响应构成各个有接地故障的分支中的检测器24的指示装置的LED，蜂鸣器或仪表发出的脉冲信号，可以确定分支电路13a，13b，14a，14b，15a和15b的故障电流的检测和隔离情况，在这一实施例中，接地故障23的响应是在分支线14a或14b中。检测器24的检测电路125将通过由接地电路开路和闭路时由断续脉冲器2000产生的断续接地故障电流，检测器24中的指示器因此响应，在具有接地故障的那些电路中，检测器24中无指示器响应。
在图2-4的电路中，在传感器24中有一个绿色LED    376响应，这一对于接地故障输出所指示的响应以12秒之间隔反复出现，在图2-4的电路中，根据接地故障电流方向或线，将有一红色LED    377或LED    380响应。
在某些情况下，将检测器25沿导体14a和14b移到传感器不再检测到接地故障信号之处，将提供用于检测该接地故障实际位置的装置，事实上，检测器25只需用导体14a或14b替换，即可精确定出故障位置。
可在预估是固定检测器，进而，亦可在发生接地故障的电路中固定一个断续器，一个或多个检测器响应于它以测定接地故障的位置。
实质上，本发明的装置和方法确保了通常地不接地DC系统可以对于不接地负载保持工作并防止过量和不必要的系统停止时间，这系统必须在有接地故障时以及检测这些故障期间连续工作。
本发明检测器的特性包括其他下列方面，检测器可作为固态可装配架设备固定在有多个用于检测多馈线系统的不同馈线接地故障的多个独立通道中。检测器可检测130VDC系统中0-40，000Ω范围内的接地故障，但不仅限与此，当系统容抗为100mf时，系统自身工作以断开频率为1/12Hz的模拟故障电流，在某些情况下，频率范围从1/100Hz到几百Hz，将根据系统特性选择频率，且该系统的故障，尤其是系统的容抗将被检测。
传感器和有关电路允许时低的DC接地故障电流进行检测，即，该故障电流的磁分量检测幅度约为地球磁场强度1/20，显低于周围电磁场和静电场的幅度。如此，检测器实际上免受的环境场及其变化的影响，进而，该检测器可以同时检测多馈线DC配电系统中的多个接地。
可在本发明的装置和方法中进行变化和改型，自其都将在本发明的范畴之内，上述所有内容只是结合示图而予以解释，并不对称本发明构成限制，例如，在本发明的另一形式中，可以在AC单相系统中检测AC故障。同理，可以检测接地DC系统中的故障。当检测接地故障时，该系统的前提是必须被监视以便由检测系统确定偏离前提的故障，若必要，也可用微处理机确定这些情况。
即，虽然只是叙述了具有限流电阻16，17和指示装置19的不接地DC系统，但很清楚，它们不是必须要用的，电阻110-113将实现上述要求的限流阻抗。

Claims (59)

1、用于检测供电系统故障信号的装置，该供电系统包括把电源供给与系统相连的负载的导体，所述装置包括一个阻抗元件，用于跨接电源；一个在阻抗元件中间的抽头点；一个位于该抽头点及闭合系统的故障信号电路的点之间的导体；一个断续器，用于周期地发出脉冲信号到系统以便由其产生断续脉冲故障信号；一个系统定位检测器，用于检测断续脉冲故障信号，并由此提供故障的检测位置；以及用于和断续器同步工作从而使检测器检测断续脉冲故障信号的基本稳态电平的装置。
2、权利要求1所述的装置，其中，该系统是DC系统且脉冲是DC脉冲。
3、权利要求2所述装置，其中，DC脉冲是在去除了在脉冲断续信号变化时间的时间处被检测。
4、权利要求3所述装置，其中，断续脉冲基本上为方波且在该方波的稳态高电平期间进行检测。
5、权利要求1-4之一的所述装置，其中的断续器产生同步信号并包括将该同步信号馈送给到检测器的装置。
6、权利要求1-5之一的所述装置，包括一个晶振，用于产生同步信号，还有一个将该信号馈送给检测器的装置。
7、权利要求1-6之一的所述装置，其中，检测器包括一个磁检测器，用于对电源和负载之间导体的正、负导体进行定位，还包括用于确定故障信号是否位于电源和负载之间的正和/或负体之间的装置。
8、权利要求1-7之一的所述装置，脉冲的周期约为12秒。
9、权利要求1-8之一的所述装置，包括在对稳态断续脉冲进行取样和测量之前消除电磁变化影响的装置。
10、权利要求1-9之一的所述装置，包括检测至少2毫安故障信号的装置。
11、在供电系统中检测故障信号的装置，该供电系统包括将电源供给负载的导体并且在系统中有杂散电容，所述装置包括一个跨接于电源的阻抗元件;一个在阻抗元件中间的抽头;一个位于该中间抽头和接通系统的故障信号电路的点之间的导体;一个断续器，用于周期地为系统产生脉冲信号并由之产生断续脉冲故障信号;一个用于检测断续脉冲故障信号，进而提供故障的检测位置的系统定位检测器;并包括在系统中对杂散电容放电的装置。
12、权利要求11所述装置，其中，电源为DC电源且脉冲是DC脉冲，其中的检测器是磁检测器并在系统的杂散电容被完全充电或放电之后进行检测。
13、权利要求12所述装置，其中，放电装置包括一个有选择的跨接于电源上的电阻组，其中，该电阻组是阻抗元件的一部分且包括4个电阻，一对电阻与导体相连，还包括位于至少几个电阻之间的开关，在该开关的一个位置上可以把第一电阻连到一个导体而把另一电阻与第二导体相连，在开关的第二位置处，将第三电阻连到第一导体而第四电阻连到第二导体。
14、权利要求13所述装置，其中，在开关的第二位置处，至少有一个电阻用于对杂散电容放电而在第一位置处，至少有一电阻作为限流电阻。
15、权利要求14所述装置，其中，放电电阻值基本上确定为等于限流电阻值，所以电路的充电时间常数实际上等于其放电时间常数。
16、权利要求15所述装置，其中，电路的中断周期约为12秒，其中6秒用于故障信号流经限流电阻，另6秒用于使杂散电容通过放电电阻放电。
17、权利要求1-16之一的装置，包括用于在通常不接地DC系统中对接地故障信号进行检测的装置。
18、权利要求1-17之一的装置，包括使检测器在断续脉冲信号之前同步工作的装置。
19、权利要求11-18之一的装置，包括使检测器与断续器同步工作，并借此使检测器检测断续脉冲故障信号的稳态电平的装置。
20、权利要求5-19的装置，包括使检测器在断续脉冲信号之前同步工作的装置。
21、权利要求5-20的装置，包括在断续脉冲信号之前产生同步信号的装置。
22、在具有把电源加至与系统相连的负载的导体的系统中检测故障信号的方法，包括在电源上跨接一个阻抗元件，为阻抗元件提供一个中间抽头以使抽头点与系统中故障信号点之间的电路接通;周期性地以脉冲信号中断系统并由此在系统中产生脉冲断续信号，并检测系统断续脉冲信号位置，检测与断续信号同步从而在脉冲的稳态电平处进行检测。
23、权利要求23所述方法，其中，系统为DC系统并包括检测一个DC脉冲。
24、权利要求23所述方法，包括在去除了断续信号变化时间的时间处检测DC脉冲电平。
25、权利要求24所述方法，包括产生一个基本为方波的断续脉冲，并在方波的稳态高电平期间进行检测。
26、权利要求22-25之一的方法，包括产生一同步信号并将其馈送至检测器。
27、权利要求22-26之一的方法，包括产生一个来自晶振的同步信号并将其送至检测器。
28、权利要求22-27之一的方法，包括在电源和负载之间的正和/或负导体中检测故障电流。
29、权利要求22-28之一的方法，其中，脉冲周期约为12秒。
30、权利要求22-29之一的方法，包括在对断续脉冲信号的稳态电平进行取样和测量之前消除系统中电磁变化影响。
31、权利要求22-30之一的方法，包括对至少为2毫安的故障信号进行检测。
32、一种用于检测供电系统中故障信号的方法，该系统具有将电源加至负载的导体及杂散电容，该方法包括将一阻抗元件跨接于电源上，为该阻抗提供一中间抽头以使抽头点和系统故障信号点之间的电路导通;以一脉冲信号周期地中断该系统，进而有效地产生断续脉冲故障信号，检测断续脉冲信号的系统相对位置，并由之提供故障检测位置，在系统中检测故障之前对杂散电容进行充电或放电。
33、权利要求32所述方法，包括有选择地将一电阻跨接在电源上以便对杂散电容放电。
34、权利要求33所述方法，包括以大约12秒的周期将电路中断，其中6秒使故障信号流经限流电阻而另6秒使杂散电容通过放电电阻放电。
35、权利要求22-34之一的方法，包括在通常不接地DC系统中进行检测。
36、权利要求13-21之一的方法，其中，电阻组是阻抗元件的一部分并有四个电阻，一对电阻与每个导体相连，并包括至少几个电阻之间的开关，该开关依次地选择连接每一电阻以导通故障信号电路。
37、权利要求36所述装置，其中一个电阻对杂散电容放电而另一个电阻用于限流。
38、权利要求37所述装置，其中，放电电阻的阻值被确定以使电路的放电时间常数等于电路的充电时间常数。
39、一种在供电系统中检测低的接地泄漏电流的装置，该系统包括将电源加至负载的导体，该装置包括：
电阻元件，其一端与来自电源的导体相连;
一个选择断电器，与连有导体的电阻的相反端相连;
一个间歇继电器，与选择继电器相连，用于通过一个接地的功能开关周期的连接选择的电阻元件，由此在功能开关闭合时通过选定的电阻构成接地泄漏电流的接地电路;
一个导体定位检测器，用于当电流处于稳态电平时检测接地泄漏电流。
40、权利要求39所述装置，其中，间歇断续继电器使接地电路周期地中断，由此产生断续接地故障电流。
41、权利要求40所述装置，其中，断续脉冲接地故障电流的周期约为12秒。
42、权利要求39-41之一的装置，包括延时装置，用于在断续器中断接地电路之前操作检测器。
43、权利要求39-42之一的装置，包括产生同步信号的装置，该同步信号激励间歇继电器和延时装置。
44、权利要求43所述装置，其中，延时装置使检测器在获得一个稳态电平之后检测接地漏电流。
45、权利要求44所述装置，其中，延时要足够长以使系统中的杂散电容充分充电，检测器由此检测不受杂散电容影响的电流。
46、权利要求39-45之一的装置，其中，电阻元件包括四个电阻，一对电阻的一端与第一导体相连，另一对电阻的一端与第二导体相连，其中的选择继电器依次通过不同的电阻对与间歇继电器和功能开关连接以使接地电路导通。
47、权利要求46所述装置，其中，不同电阻用以对杂散电容放电以便在系统中限流。
48、权利要求47所述装置，其中，电阻元件包括放电电阻且其值被确定以使系统的充电时间常数等于系统的放电时间常数。
49、用于检测供电系统低的接地漏电流的方法，该系统包括位于电源和负载之间的导体，该方法包括：
将电阻元件的一端与来自电源的导体相连;
将选择继电器与该电阻和导体相连端的相反端相连;
将断续继电器与选择继电器相连，以便周期地通过功能开关将选择继电器接地，从而在功能开关闭合时通过选定电阻构成接地漏电流的接地电路。
确定检测器与系统的相对位置，以便在电流基本为静态时检测接地漏电流。
50、权利要求49所述方法，包括周期地用间歇继电器中断接地电路，从而产生断续脉冲接地故障电流。
51、权利要求49和50之一的方法，包括一个延时周期，用于在断续器中断接地电路之前运行检测器。
52、权利要求51所述方法，包括产生一同步信号以激励断续器并在延时周期前激励检测器。
53、权利要求52所述方法，其中，延时周期使检测器在得到稳态电平后检测接地电流。
54、权利要求53所述方法，其中的延时周期足够长以使系统的杂散电容充分充电。
55、用于检测供电系统低的接地漏电流的装置，该系统包括将电源加至负载的导体，所述装置包括：
其一端与来自电源的导体相连的电阻元件;
一个与电阻和导体相连端的相反端相连的选择继电器;
一个间歇继电器，它与选择继电器相连以便周期地将选择的电阻元件接地，进而通过选定的电阻构成接地漏电流的接地电路;
一个系统定位检测器，用于在电流为基本稳态时检测接地电流。
56、权利要求55所述装置，包括延时装置，用于在断续器中断接地电路时运行检测器。
57、权利要求56所述装置，包括产生同步信号的装置，该同步信号激励断续器并由延时装置，激励检测器。
58、权利要求57所述装置，其中的延时装置使检测器在获得一稳态电平后检测接地电流。
59、权利要求58所述装置，其中的延时使系统中的杂散电容得以在检测器检测接地电流之前充分充电。
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