CN105051996A - 用于保护电气网络的设备 - Google Patents

Abstract

一种设备，所述设备至少包括：第一部分(1)，所述第一部分(1)旨在检测网络中出现的电气故障；以及第二部分(2)，所述第二部分(2)包括将所述网络连接到电源(4)的至少一个开关(5)，所述第一部分(1)包括能够与所述网络耦合的至少一个反射检测系统1，所述系统检测和分析所述网络中出现的阻抗变化，当所述系统认为检测到的阻抗变化是电气故障时，所述系统发送信号以触发所述开关5的断开。

Description

用于保护电气网络的设备

技术领域

本发明的主题是一种用于保护电气网络的设备。无论所有类型的电气网络旨在用于电力供应还是数据传输，该设备适用于对其的保护而不管其性质。

背景技术

任何类型的电气设施的保护对于人员和财产的安全都是必要的。实际上，电气故障经常引起火灾，常常具有灾难性的后果。电气故障也可以引起敏感区域的带电，或者更显著地引起人员的触电身亡。

电气保护适用于所有类型的电气设施。这可以显著地包括例如建筑物、工业用地、飞机和汽车的电气保护。这还可以显著地包括对诸如风力农场或者光伏板阵列之类的新的电气生产基础设置的保护。其它的基础设施也需要电气保护，例如，电动车辆充电站。

在很多情况下，由电气故障所产生的影响被缺乏对电源关闭单元的响应性所恶化。实际上，当出现电气故障时，仍然存在很多太晚激活电源关闭单元的情况。故障检测时间是保护链中非常重要的参数。

对电气故障的出现的响应时间越短，防止或者至少限制其影响的可能性越大。

已知用于保护电气设施的解决方案。这些解决方案实质上基于诸如电流/电压关系之类的电气变量的分析。它们具有多个缺点，这些缺点取决于应用类型。

第一缺点是缺乏响应性。现今的设备代表了检测的质量与误警率之间的折衷，一些保护设备能够允许在作出断开电路的决定之前通过大约十五个电弧。

因此，许多现有的系统的响应时间太长。特别地，由于在作出保护线路的决定之前要求多次重复，所以诊断时间由于具有间歇性的串联电弧或并联电弧故障的事实而延长了。

对于一些应用，电气网络具有其它的限制，显著地如在飞机中的电缆网络的情况下。航空电子网络要求紧凑和轻量的冗余保护系统，提供最大的可靠性。存在用于航空的解决方案，但是显著地由于电流传感器，使飞机越来越电气化和对每条线路上的保护方案的限制以及因此每个负载上的保护方案的限制的事实导致体积越来越庞大以及因此而越来越重的电芯。因此，这些解决方案并非完全令人满意。

机动车辆内部的电缆网络针对其保护具有其它的要求。机动车辆中的保护系统当前限于保险丝。此领域中的新的限制显著地是由于对短路高度灵敏且具有爆炸危险的电池组的出现。电压电平也倾向于随着具有电弧现象或者引起严重后果的间歇性的故障的较大可能性而增加。

电气设施的其它固有特性要求特定的保护设备。特别地，相同的设备并不适用于具有不同频率的两个交流网络或者直流网络。用于直流网络的设备也不适用于交流网络。

当前的解决方案不会因此允许使用适用于所有应用的标准保护设备，或者至少不会允许使用对于所有这些应用具有相似结构的设备。在经济方面，这种标准化的缺乏不能实现生产成本的优化。

发明内容

本发明的一个目的显著地在于克服上述缺点。出于此目的，本发明的主题是用于保护电气网络的设备，所述设备至少包括：第一部分，所述第一部分用于检测在网络中出现的电气故障；以及第二部分，所述第二部分包括将所述网络连接到电源的至少一个开关，所述第一部分包括能够与电气网络耦合的至少一个反射检测系统，所述系统检测和分析在电气网络中出现的阻抗变化，当检测到的阻抗变化超过给定的阈值时，所述系统发送信号，以触发开关的断开，显著地能够描述故障的特性。

在一个特定实施例中，检测系统至少包括：

用于与电气网络耦合的耦合装置；

生成高频电气信号的注入单元，所述信号经由耦合装置被注入到所述网络中；

接收单元，所述接收单元能够经由耦合装置来接收所注入的信号的返回信号，所述单元对所接收的信号进行数字化；

控制和数据处理单元，所述控制和数据处理单元至少连接到接收单元，所述控制和处理单元分析由接收单元所提供的数字化数据；

通信装置，所述通信装置连接到控制和处理单元，所述通信装置能够至少向第二部分发送控制信息。

第一部分例如包括能够耦合在电气网络的多个位置处的一组反射检测系统。

所述网络包括至少一条线路，检测系统例如与每个线路端部相耦合。

所述网络由多个段(AB、AC、AD)组成，第i个段例如由n_i个检测系统来观察。

所述设备还包括例如用于测量网络内的电气变量的装置，当此变量的测量结果超过给定的阈值时，向开关发送断开命令，电气变量可以是电流。

耦合装置例如有利于通过将注入到线路中的信号定向在给定的方向上来执行方向耦合。

在一个特定实施例中，至少一个检测系统被编程为检测给定的线路区域中的阻抗变化。

用于触发开关的断开而发送的信号是编码信号，所述编码信号由检测系统注入的传感器信号所携带。

给定的检测阈值例如是可编程的。

在不同的可能的实施例中，在多条线路之中共享至少注入单元、接收单元以及控制和数据处理单元，一个或多个复用器插入在注入单元和接收单元与耦合单元之间，并且耦合单元属于每条线路。

所述设备可以能够有利地基于对由反射检测系统注入的信号的速度变化或者阻抗变化的检测来传送线路诊断信息。

网络例如是电信网络。

在一个有利的实施例中，设备的检测系统实施了例如MCTDR的多载波反射方法。

附图说明

根据随后并且参考附图给出的描述，本发明的其它特性和优点将变得显而易见，在附图中：

图1示出了根据本发明的设备的一个可能的实施例；

图2示出了由根据本发明的设备中使用的反射计所接收的返回信号的检测阈值的操作的示例。

图3示出了在网络中使用根据本发明的设备的示例。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的设备的可能的实施例的概观视图。根据本发明的设备至少包括两个部分：第一部分1，该第一部分1旨在检测和定位一条或多条电气线路3上的故障；以及第二部分2，该第二部分2由至少一个可控开关或者接触器5组成。此开关可以是机电的或者是电子的，例如基于晶体管或者晶闸管。此开关在输入端连接到电源4，并且在输出端连接到电气网络3。相反地，该开关可以在输出端连接到电源。这使得显著地考虑电池供电的系统的情况，其中要么是电池给发动机供电要么是发动机给电池供电(其则为充电)。

设备的第一部分由根据反射原理操作的至少一个故障检测系统1组成。

此原理类似于雷达的原理。在有可能检测到故障的电缆网络的一个或多个位置处注入电气信号(通常为高频信号或宽带信号)。信号通过网络传播，并且当其遇到电气不连续(即，阻抗变化)时返回其能量的一部分。在简单的情况下，信号沿着两线电源线路传播，至少两个导体对于其传播是必需的。本发明适用于包括单线或多线的电缆的所有其它类型电缆，特别是三线电缆、同轴电缆以及参考接地层的电缆。

电气不连续可能是由故障造成的。回到注入点的信号的分析允许与从中推断的这些不连续(即，可能的故障)的存在、性质以及位置有关的信息。

因此，根据本发明的设备中所使用的系统1包括实现此反射检测和定位原理的实施方式的单元。

因此，其包括注入单元11和耦合装置12。注入单元显著地包括传送电压(其形成注入信号，也被称为传感器信号)的频率发生器。频率发生器例如是可编程的。

注入单元生成通过耦合装置12被注入到网络3的点中的注入信号。出于此目的，耦合装置与网络的点耦合，此点是注入信号的输入点。系统被耦合到其上的电气线路是两线的，在导体的第一点处建立一个连接，并且在另一个导体上的第二点(面向第一点)处建立另一个连接。在具有接地层的多导体应用中，可以通过导体的一个点处的连接以及到接地层的另一个连接来实施一个耦合。耦合装置的功能显著地是：

注入被监测的线路的两个导体之间的传感器信号；

接收被监测的线路的两个导体之间的传感器信号。

其功能还可以是：

保护用于检测线路的本地信号的系统；

保护系统免于环境有关的侵害(闪电等)；

将传感器信号向被监测的线路定向，所述线路能够构成由多条线路所形成的网络的一部分，然后涉及方向耦合。

反射检测系统1还包括接收单元13，该接收单元13能够接收由所发送的所注入的信号遇到的不连续所返回的信号。这些返回的信号经由耦合装置12发送到接收单元。接收单元显著地包括自适应滤波器、低噪声放大器和模拟数字转换器。系统还包括智能单元14。此单元14连接到注入单元11以及接收单元13。其显著地实现了对注入单元的可编程频率发生器的控制。其接收由接收单元13提供的数字化的所接收的信号。其显著地执行这些数字数据的处理，以便确认故障的存在与否及其位置。

显著地在具有多个开关的实施例中，系统1还包括通信装置15，该通信装置15允许系统1与开关5通信或者与例如监测系统的其它系统通信。通信装置显著地使智能单元能够直接或者经由监测系统来远程控制开关5。如果检测到故障，控制单元实际上可以向开关5发送控制信号。在接收到此信号时，开关断开电源线路。出于此目的，开关5包括必要的接口，其能够基于经由通信装置15发送的低电平控制信号来断开电路。这些通信装置15与开关5之间的通信线路16可以是无线的。次级电缆还可以用作通信线路。通信系统还可以从其它单元接收信息，并且因此使得处理单元14能够在决策时考虑外部元件。这可以有利地当被保护的线路上的例如开关的部件改变状态时使用。然后处理单元知道这涉及系统的运行中的正常事件而非故障。

反射检测系统1将信号注入到具有频率谱的网络中，该信号不干涉线路上存在的有用信号或不干涉网络电缆环境，显著地满足与EMC限制有关的频率要求。所注入的信号的重复周期必须足够短以便允许系统检测可能潜在地毁坏设施的故障，因此，重复周期可能小于500μs或者甚至更短。出于此目的，可以根据例如MCTDR(多载波时域反射)的多载波反射方法或者具有相同频率特性的其它方法来有利地生成所注入的信号。

对于网络的线路3的带宽限制，信号使用例如具有小于一伏特的振幅以及约一百纳秒量级的周期率的100kHz与200MHz之间的频率。

在初始阶段，通过确定检测阈值来使反射检测系统参数化。检测阈值对应于给定的电压电平。当所接受的信号(源于遇到网络中的不连续)超过此阈值时检测到故障。此阈值可以是可变的。

图2示出了此类型的阈值的操作的示例。图2示出了以示例的方式给出的高斯传感器信号的返回信号(其在电气线路中传输，并且在这里被认为是此线路的参考签名(signature))，以及由连续的测量结果与信号21之间的差值的计算所产生的返回信号22。该参考由系统记录，并且在系统的生命期中的值得注意的时刻放置于存储器中，例如：

安装时；

第一次加电时；

系统或者子系统启动时；

在外部单元的控制下；

周期性地；

或者自动考虑可能会影响线路的签名并且不是故障的负载或者互连的状态的可变性。

信号的电压V被测量为时间t的函数。从时域到距离的转换基于传输速度的知识来进行，在安装系统时将传输速度参数化或者基于标准的测量结果来自动计算传输速度。原点24被定义为有线诊断系统与线路之间的耦合点，这也是零距离，其可以由系统来自动确定或者可以被定义为关于安装的参数。

每当曲线22的振幅的值超过阈值23(以示例的方式，其在整个线路长度上是线性的)时，认为线路上存在故障。信号的往返传播时间还允许确定行进的距离，并且因此对故障进行定位。在已经超过阈值之后，计算在原点与振幅的第一极大值之间的距离。此外，阈值23被定义为：

根据线路类型以便考虑所述线路的诸如阻尼和衰减之类的宽带特性；

根据故障类型(死故障、非死故障)；实际根据将要诊断的故障的类型，可以利用多个报警电平为相同的系统定义多个阈值。

一检测到故障，就经由通信装置15向开关5发送消息。

可以借助于反射检测系统1来检测的故障，电气线路中的阻抗变化相对应的故障显著地如下：

短路；

开路；

并联电弧；

串联电弧；

绝缘故障；

局部放电。

所有的这些故障都可能引起电气设施的损坏，特别是火灾或者电气设备的毁坏。必须要注意的是，现有的保护系统不检测开路。由于开路可以是意外带电的原因，所以开路可能会特别地危险。

当出现电气故障时，本发明有利地能够获得非常短的响应时间。所涉及的时间常数实际上非常小：

传感器信号注入到网络中的周期T，T是微秒级的；

直到故障之前的往返时间，相对于电气信号的传播速度以及所涉及的距离差不多为零；

所接收的信号的处理时间，其小于一毫秒，这是最终确定整个响应时间的时间；

所接收的信号的传输时间，这也是可以忽略的。

网络上的故障的出现与到开关5的电源的关闭命令之间的持续时间Δt因此是这样：Δt<1ms。

为了检测过电流和过电压(特别是电气过载)，电流传感器或者电压传感器可以与反射检测系统1耦合。此传感器可以包括电流数字化装置，然后向系统1的智能单元14发送数字化的值。根据本发明的设备的结构显著地取决于要保护的网络的复杂性。图1示出了其中设备包括反射检测系统1和开关5的简单的示例。

图3示出了其中根据本发明的设备包括开关5(设置在所要保护的网络的输入端)和多个反射检测系统的示例性实施例。在此示例中，网络包括第一两线线路30，第一两线线路30分成了三条两线线路3、3’、3”，从而形成各自连接电气设备41、电气设备42、电气设备43的三个支路。反射检测系统1放置于第一线路30的输入端。在电气设备中，检测系统1还与每条线路的端部耦合。如果系统1中的一个系统1在线路上检测到故障，那么所述系统向开关5发送断开命令。

检测系统1可以有利地经由通信信道来互连。然后，测量信号可以向可以使用其它系统的测量结果的主系统。这对于精确地定位故障是显著地有用的。在图3所示的示例中，放置于第一线路30上的网络输入端的检测系统1可以起到主系统的作用。具有其到此系统的距离的与不同的系统所检测到的故障有关的信息允许得出以下结论：所考虑的线路为与系统耦合的线路，该故障位于离系统为所测量的距离处。

传感器信号也可以用于传输信息，特别是与故障和相关联的距离有关的信息，在几个比特上编码此信息。图3所示的结构是借助于根据本发明的设备对网络进行网格化(meshing)的示例。有可能提供更加精密的网格化，显著地对于较大或者更加复杂的网络。然而，图3所示的简单的示例示出了这种类型的网格化的原理。还提供了网格化，其中，网络的每个段由多个检测系统1来观察，段是两个检测系统之间所包括的线路。特别地，可以实施网格化，其中，每个段由n个检测系统来观察，数字n是根据段而可变的。换句话说，第i个段由n_i个检测系统来观察。在图3中所示的示例中，网络包括三个段AB、AC、AD，其中，A、B、C、D分别是第一线路30上、第一分支3上、第二分支3’上以及第三分支3”上的检测系统的位置。每个段由设置在其端部的两个检测系统1来观察，但是也由经由节点40(分支从该节点离开)的其它段的检测系统来观察。因此，段AB由网络的所有检测系统1来观察。

这显著地提供了具有检测信息的冗余以及借助至少两个单独的传感器来去除怀疑的可能性。

在图3中所示的示例性应用中，设备包括与形成网格化的检测系统1相关联的开关、与该开关进行通信的检测系统。有可能将根据本发明的保护设备放置于每个检测系统1的位置中，该设备包括开关。这可能允许部分关闭网络的实施方式。这还允许使用标准的设备。因此，使保护设备网络化，以形成所需的网格化。使用了设备的开关或者另外根据段使用了设备的开关。

根据本发明的设备的多个实施例是可能的。在第一实施例中，第一部分和第二部分可以设置在相同的外壳中。具体而言，在这种情况下，开关和反射检测系统放置于相同的外壳中。

在不同的实施例中，如显著地在图1和图4所示地分布根据本发明的设备的部件。在此后一种情况下，设备包括至少一个开关和至少一个反射检测系统，该至少一个开关用以将网络或者网络的一部分与其电源隔离，该至少一个反射检测系统与开关进行通信。

也有可能将耦合装置12与检测系统1的其它部件分离。此实施例显著地适用于高电压下的线路的保护。因此，耦合装置在远离检测系统的其余部分的同时尽可能地靠近线路放置。将耦合装置与检测系统之间的链路建立为均匀且受控的阻抗链路，例如，一对双绞线或者50Ω的同轴电缆。

在不同的实施例中，耦合可以是无线的。

耦合可以有利地是方向的，如先前所示的。在这种情况下，设备仅检测一个方向上的故障，此方向是预先确定的。当要求保护的多条线路连接到母线上时，此耦合方法是特别合适的，电源电流经由线路从母线流到负载。相比于线路，母线具有低阻抗，传感器信号自然地向母线移动。方向耦合实现了下游的(即，朝负载的)传感器信号的定向。可以以多种方式实施方向耦合。例如，自感在作用于传感器信号的频率的同时可以向上游交织，以便增加上游的阻抗。

根据本发明的设备有利地实现了多种类型的故障的检测以及对多种类型的故障的快速响应，并且甚至实现了对多种类型的故障的预测。

源自反射计的测量结果(特别是阻抗变化或传播速度的变化)可以用于进行线路诊断。因此可以对控制和处理单元进行编程，以例如根据被定义为线路状态的特性的线路参数、阈值参数、事件参数或签名参数来进行此类型的诊断。根据本发明的设备可以显著地检测间歇性的或者“非死亡”故障，该间歇性的或者“非死亡”故障是线路或者负载的老化或者局部损坏或普通损坏(然而其可能会损坏设施或设备)的特性。

可以应用根据本发明的设备而不管网络的性质。换句话说，其独立于网络的性质。可以应用根据本发明的设备，而不管发射功率、不管频率、不管电压、无论电流是直流还是交流。实际上，所应用的反射方法独立于这些网络的性质。

还可以应用本发明来保护电信网络或者载波电流流动的电源网络。有利地，只要选择网络中传输的传感器信号的适当频率或用以区分信号的其它方法，反射方法不干涉网络内传输的数据。

同样有利地，和要求给网络提供电力的传统的电流和电压方案不同，当未给网络加电时，根据本发明的设备可以操作。这显著地允许在给网络加电前对网络进行控制。

反射检测系统可以有利地发送与电气故障的位置有关的信息。然后此信息可以由维护服务所使用。

可以有利地将根据本发明的设备集成到现有的保护设备中。换句话说，其可以通过将反射检测系统添加到传统设备来对传统设备进行补充，后者能够触发已安装的断路器或者开关断开。然后可以直接使用源自基于反射的传感器的信息来触发电路的断开或者与其它参数一起来促成触发决策。

可以有利地将根据本发明的设备参数化，以保护一个或多个线路区域。因此可以根据负载的类型或者线路区域来限定检测参数，特别是检测的灵敏度。例如，为了保护位于离设备为给定距离(例如，10米)处的负载，在位于9.5米与10.5米之间的区域上执行检测。在这种情况下，处理装置仅处理在要保护的区域中检测到的阻抗变化。

在根据本发明的设备的替代实施例中，可以将通信装置15、处理装置14或者控制和数据处理单元、注入单元11以及接收单元13汇集(pool)，即，通过在注入单元11和接收单元13与耦合装置12之间插入一个或多个复用器并且耦合装置12属于每条线路来在多条线路之中共享通信装置15、处理装置14或者控制和数据处理单元、注入单元11以及接收单元13。换句话说，耦合装置12被分配给线路中的每条线路，耦合装置与注入单元和接收单元之间的链路由一个或多个复用器来提供。

因此，每条线路由成功地并且周期性地执行的监测来保护。因此，可以通过确保要检测的最小故障的持续时间t_d为以下这样：

T1+T2…+Tn<t_d

来对于第一线路采用周期T1，以及对于第n条线路采用周期Tn，因而确保观察到故障，而不管其出现在哪条线路上。

Claims (15)

1.一种用于保护电气网络的设备，其特性在于，所述设备至少包括：第一部分，所述第一部分用于检测在网络中出现的电气故障；以及第二部分(2)，所述第二部分(2)包括将所述网络连接到电源(4)的至少一个开关(5)，所述第一部分包括能够与所述网络耦合的至少一个反射检测系统(1)，所述系统检测和分析所述网络中出现的阻抗变化，当检测到的阻抗变化超过给定的阈值时，所述系统发送信号，以触发所述开关(5)的断开。

2.根据权利要求1所述的设备，其特性在于，检测系统至少包括：

用于与电气网络耦合的装置(12)；

生成高频电气信号的注入单元(11)，所述信号经由所述耦合装置被注入到所述网络中；

接收单元(13)，所述接收单元(13)能够经由所述耦合装置来接收所注入的信号的返回信号，所述单元对所接收的信号进行数字化；

控制和数据处理单元(14)，所述控制和数据处理单元(14)至少连接到所述接收单元(13)，所述控制和处理单元分析由所述接收单元所提供的数字化数据；

通信装置(15)，所述通信装置(15)连接到所述控制和处理单元，所述通信装置(15)能够至少向所述第二部分(2)发送控制信息。

3.根据上述权利要求中的任一项所述的设备，其特性在于：所述第一部分包括能够耦合在电气网络的多个位置处的一组反射检测系统。

4.根据权利要求3所述的设备，其特性在于：所述网络包括至少一条线路(3、3’、3”)，检测系统与每个线路端部相耦合。

5.根据权利要求3或4中的任意一项所述的设备，其特性在于：所述网络由多个段(AB、AC、AD)组成，第i个段由n_i个检测系统来观察。

6.根据上述权利要求中的任一项所述的设备，其特性在于：所述设备还包括用于测量所述网络内的至少一个电气变量的装置，当此变量的测量结果超过给定的阈值时，向所述开关(5)发送断开命令。

7.根据权利要求6所述的设备，其特性在于：所述变量是电流。

8.根据权利要求2到7中的任一项所述的设备，其特性在于：所述耦合装置(12)通过将注入到所述线路中的所述信号定向在给定的方向上来执行方向耦合。

9.根据上述权利要求中的任一项所述的设备，其特性在于：至少一个检测系统(1)被编程为检测给定的线路区域中的阻抗变化。

10.根据上述权利要求中的任一项所述的设备，其特性在于：用以触发开关(5)的断开而发送的所述信号是编码信号，所述编码信号由所述至少一个检测系统(1)注入的传感器信号所携带。

11.根据上述权利要求中的任一项所述的设备，其特性在于：所述给定的检测阈值是可编程的。

12.根据权利要求2至11中的任一项所述的设备，其特性在于：在多条线路之中共享至少所述注入单元(11)、所述接收单元(13)以及所述控制和数据处理单元(14)，一个或多个复用器插入在所述注入单元(11)和所述接收单元(13)与所述耦合装置(12)之间，并且所述耦合装置(12)属于每条线路。

13.根据上述权利要求中的任一项所述的设备，其特性在于：所述设备能够基于对由所述反射检测系统(1)注入的信号的速度变化或者阻抗变化的检测来传送线路诊断信息。

14.根据上述权利要求中的任一项所述的设备，其特性在于：检测系统执行多载波反射方法。

15.根据权利要求14所述的设备，其特性在于：所述多载波反射方法是MCTDR。