CN105075050A - 接地故障保护系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开一种接地故障保护系统(216)。该接地故障保护系统可包括控制器(306)，该控制器配置成接收表示机器(100)的接地故障检测电压和直流链路电压的信号。基于该接地故障检测电压和该直流链路电压，该控制器可确定接地故障检测百分比值。该控制器可将最坏情况部件绝缘电压的绝对值与该机器的部件的额定绝缘电压进行比较。当最坏情况部件绝缘电压的绝对值高于该额定绝缘电压时，该控制器可基于该额定绝缘电压和该接地故障检测百分比值确定新的直流链路电压，并可通过使用该新的直流链路电压输出用于操作该机器的信号。

Description

接地故障保护系统和方法

技术领域

本发明总体涉及接地故障保护系统和方法，更具体地说，涉及用于在接地故障情况下保护电机的部件的接地故障保护系统和方法。

背景技术

电动机器或混合动力机器广泛用于各种工业应用中。需要高压电力系统驱动这些机器。通常，机架将与该高压电力系统中的高压电气部件的端子或导体电隔离开。

在正常工况下，泄漏电流存在于高压电源的导体和机架之间。因此，在高压电源的导体和机架之间的绝缘电阻通常很高。然而，在故障情况(例如，绝缘失效)下，来自高压电源的电流可泄漏至机架。这样的泄漏电流如果显著，则可表明机器部件疲劳或导体绝缘失效。为确保机器的合适的操作条件以及完整性，在这些故障情况下保护机器的部件是必要的。

于1990年2月20曰发布的Kumar等人的第1266117号加拿大专利(“′117专利”)中公开一种可用于在接地故障情况下保护电机的部件的示例性系统。′117专利中的系统包括在接地泄漏电流幅值异常高时被激活的接地故障响应装置。具体而言，当泄漏电流升高至高于预定的降额阈值水平但不高于预定的最大容许极限时，该系统将为电机提供电力的电源的输出减少到其正常所需量的一部分。′117专利解释了该部分与超过阈值水平的泄漏电流幅值成反比。当泄漏电流幅值升高到超过最大极限时，该系统在至少预定的时间间隔内将电力输出限制为零。在该时间间隔结束时，如果泄漏电流幅值在那时低于某个复位点(复位点明显低于该最大极限)，那么该系统自动地取消零电力限制。

虽然′117专利的系统可用于在接地故障情况下保护部件，但当接地泄漏电流幅值升高到超过最大极限时，′117专利的系统不必将电力输出限制为零。在某些应用中，在接地故障情况下将电机移动到工作间使得电源系统能被固定是非常理想的。然而，当电力输出被限制为零时，不能移动电机。

本发明的接地故障保护系统旨在解决上述问题和/或现有技术中的其他问题。

发明内容

在一方面，本发明涉及一种用于在接地故障情况下保护机器的系统。该系统可包括一个或多个存储指令的存储器以及一个或多个处理器，所述一个或多个处理器配置成执行指令以接收表示机器的接地故障检测电压和直流链路电压的信号，基于该接地故障检测电压和该直流链路电压确定接地故障检测百分比值，基于该接地故障检测百分比值和该直流链路电压确定最坏情况部件绝缘电压，以及将该最坏情况部件绝缘电压的绝对值与该机器的部件的额定绝缘电压进行比较。当该最坏情况部件绝缘电压的绝对值高于该额定绝缘电压时，该一个或多个处理器可配置成基于该额定绝缘电压和该接地故障检测百分比值来确定新的直流链路电压，并通过使用该新的直流链路电压输出用于操作机器的信号。

在另一方面，本发明涉及一种用于在接地故障条件下保护机器的计算机实现方法。该方法可包括：接收表示机器的接地故障检测电压和直流链路电压的信号，由处理器基于该接地故障检测电压和该直流链路电压确定接地故障检测百分比值，由处理器基于该接地故障检测百分比值和该直流链路电压确定最坏情况部件绝缘电压，以及由处理器将该最坏情况部件绝缘电压的绝对值与机器部件的额定绝缘电压进行比较。当该最坏情况部件绝缘电压的绝对值高于该额定绝缘电压时，该方法可包括：由处理器基于该额定绝缘电压和该接地故障检测百分比值确定新的直流链路电压，并通过使用该新的直流链路电压输出用于操作机器的信号。

在又一个方面，本发明涉及一种用于在接地故障情况下保护机器的存储指令的计算机可读存储装置。该指令可使一个或多个计算机处理器执行以下操作，包括：基于接地故障检测电压和直流链路电压确定接地故障检测百分比值，基于该接地故障检测百分比值和该直流链路电压确定最坏情况部件绝缘电压，以及将该最坏情况部件绝缘电压的绝对值与机器部件的额定绝缘电压进行比较。当该最坏情况部件绝缘电压的绝对值高于该额定绝缘电压时，该指令可进一步使该一个或多个计算机处理器基于该额定绝缘电压和该接地故障检测百分比值确定新的直流链路电压，并使用该新的直流链路电压输出用于操作机器的信号。

附图说明

图1是符合某些公开的实施例的示例性机器的示意图。

图2是可包括在图1的机器中的电力驱动系统的示意图。

图3是可包括在图2的电力驱动系统中的接地故障保护系统的示意图。

图4是符合某些公开的实施例的不同接地故障检测百分比值条件下的多个最坏情况部件绝缘电压中的每一个与多个直流链路电压之一之间的示例性关联的图解说明。

图5是描述了可由图3的接地故障保护系统在接地故障条件下对部件进行保护的示例性方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了符合某些公开的实施例的公开的示例性机器100。机器100除其他之外可包括电力驱动系统200。作为本文中使用的术语，“机器”是指可进行与特定行业(例如采矿、施工、农业等)相关的某种类型的操作、以及在工作环境(例如施工现场、采矿现场、发电厂等)之间或工作环境之内运行的固定式机器或移动式机器。固定式机器的非限制性实例包括在工厂环境或海上环境(例如海上钻井平台)中运行的发动机系统。移动式机器的非限制性实例包括商用机器，例如卡车、起重机、运土车辆、采矿车、反铲挖掘机、材料装卸设备、农耕设备、船舶、公路用车辆、或在工作环境中运行的任何其他类型的可移动式机器。

图2示出了符合某些公开的实施例的公开的示例性电力驱动系统200。电力驱动系统200可包括配置成产生、转移、转换或消耗高压电能的各种电气部件、设备、以及导线。作为本文中使用的术语，“高压”是指高于50伏的电压。参考图2，电力驱动系统200可包括发动机202、发电机204、整流器206、逆变器208、电网210、电动机212a和电动机212b、励磁机磁场调节器(EFR)214、以及接地故障保护系统216。

在运行中，发动机202的输出轴使发电机204的转子旋转以产生电力，例如，交流(AC)电的形式。该电力被提供给整流器206并且转换成直流(DC)电。该直流电可被提供给直流链路以产生直流链路电压。整流后的直流电可通过逆变器208再次被转换成交流电。逆变器208能够选择性地调整其输出端的频率和/或脉冲宽度，使得连接到逆变器208的输出端的电动机212a和电动机212b能以可变速度运行。电动机212a和电动机212b可通过最终组件(未示出)或直接地连接到机器100的驱动轮。

发动机202可为配置成产生机械动力以驱动发电机204的任何类型的装置。例如，发动机202可为柴油发动机、汽油发动机、气体燃料驱动的发动机，或任何其他类型的可操作为产生机械动力的部件。发电机204可为任何类型的可操作为利用从发动机202接收的机械动力来发电的部件。发电机204可为，例如，永磁电机、开关磁阻电机、直流电机、感应式机器或本领域已知的任何其他类型的电机。

当机器100正在减速时，机器100的动能被转换成驱动轮的旋转动力，该旋转动力使作为发电机的电动机212a和电动机212b旋转。电动机212a和电动机212b产生的电力可通过逆变器208被整流成直流电。电网210，例如，电阻式电网，可通过开关(未示出)连接到直流链路以消耗由电动机212a和电动机212b产生的直流电。

励磁机磁场调节器214可控制发电机204中的磁场电流，从而控制来自发电机204的电力输出。由于直流链路电压由来自发电机204的电力产生，励磁机磁场调节器214可控制该直流链路电压。

在一些实施例中，电力驱动系统200可进一步包括耦合到直流链路的能量存储器/源218，用于存储由电动机212a和电动机212b以及发电机204提供的电能，并提供电能以驱动电动机212a和电动机212b。例如，能量存储器/源218可包括一个或多个能够存储电能的蓄电池或电池。

接地故障保护系统216可包括多个部件，这些部件相互协作以在机器100运行期间作从机器100中收集信息。例如，接地故障保护系统216可包括各种传感器，例如，可用于测量例如电压、电流等的电压传感器、电流传感器等。接地故障保护系统216还可包括能够执行一个或多个计算机程序的硬件和/或软件的任何组合，计算机程序可包括算法，以处理，例如，如下文更加详细论述的各种传感器所完成的测量。接地故障保护系统216可进一步包括控制机器100的运行的控制装置。

图3示出了可与机器100结合使用的示例性接地故障保护系统216。接地故障保护系统216可包括通过数据总线308相互连接的直流链路电压传感器302、接地故障检测(GFD)电压传感器304、以及控制器306。虽然数据总线架构在图3中示出，但可使用任何合适的架构，包括有线和/或无线网络的任何组合。此外，这样的网络可集成到任何局域网、广域网、和/或因特网中。

直流链路电压传感器302可耦合到直流链路以测量被定义为直流正电势和直流参考电势之间的差的直流链路电压。在一些实施例中，直流参考电势可为机器100的机架的电势。直流链路电压传感器302可通过数据总线308向控制器306输出表示直流链路电压的信号。

接地故障检测电压传感器304可耦合到直流链路以检测接地故障检测电压。例如，当机器100处于接地故障情况时，接地故障检测电压传感器304可检测泄漏电流。接地故障检测电压传感器304可测量横跨泄漏电流正流经的负载电阻(未示出)的电压。测量的电压可定义为接地故障检测电压。接地故障检测电压传感器304可通过数据总线308向控制器306输出表示接地故障检测电压的信号。

控制器306可包括一起包括在单个装置中和/或单独设置的处理器306a、存储器306b、以及内存306c。处理器306a可包括一个或多个已知的处理装置，例如来自Intel^TM制造的Pentium^TM或者Xeon^TM系列的微处理器、AMD^TM制造的Turion^TM系列的微处理器或者任何其他类型的处理器。内存306c可包括一个或多个存储装置，其配置为存储用于控制器306执行与所公开的实施例有关的某些功能的信息。存储器306b可包括易失性或者非易失性的、磁性的、半导体、磁带、光学的、可移除的、不可移除的或者其他类型的存储装置或者计算机可读媒介。存储器306b可存储程序和/或其他信息，例如与从如下文更加详细论述的一个或多个传感器接收的处理数据有关的信息。

在一个实施例中，存储器306b可存储将多个最坏情况部件绝缘电压中的每一个关联到多个接地故障检测百分比值中的一个与多个直流链路电压中的一个的组合的映射。内存306c可包括一个或多个接地故障保护程序或者子程序，其从存储器306b或者其他位置加载，当由处理器306a执行时，执行与所公开的实施例一致的各种流程、操作或者过程。例如，内存306c可包括一个或多个程序，使得控制器306a能够尤其从直流链路电压传感器302和接地故障检测电压传感器304收集数据，根据所公开的实施例，例如关于图4和图5所讨论的那些实施例来处理该数据，并且在检测到接地故障时保护机器100的部件。

图4是可存储在存储器306b中以将多个最坏情况部件绝缘电压中的每一个关联到在可根据本发明的实施例而获得的不同接地故障检测百分比值条件下的多个直流链路电压中的一个的示例性映射的图解说明。本文中使用的“最坏情况部件绝缘电压”是指机器100中的部件在接地故障情况下正经受的电压应力。在图4中，最坏情况部件绝缘电压和直流链路电压以一般单位U来表示。该单位U可基于机器100的不同应用而变化。例如，U可为100伏、300伏或任何其他电压单位。在示例性实施例中，当接地故障检测百分比值为A％(图4中的线410)，并且直流链路电压为4U(X轴中的X1)时，最坏情况部件绝缘电压约为-2.7U(Y轴中的Y1)。因此，机器100中的部件正经受-2.7U的电压应力。当部件中的一个的额定绝缘电压为2U时，部件可能会损坏。另一方面，当机器100中的部件的额定绝缘电压为3U时，部件仍然可以正常运行。本文中使用的“额定绝缘电压”是指部件可承受的最大电压应力。可通过物理实验或者计算机模拟来建立图4所示的关联。

工业实用性

所公开的接地故障保护系统216可应用于要求对机器的电子部件进行接地故障保护的任何机器。现在将结合图5的流程图来描述接地故障保护系统216中的控制器306的操作。

如图5所示，控制器306可分别从直流链路电压传感器302和接地故障检测电压传感器304接收表示接地故障检测电压和直流链路电压的信号(步骤510)。控制器306可基于该接地故障检测电压和该直流链路电压通过某一算法来计算接地故障检测百分比值(步骤520)。例如，控制器306可用接地故障检测电压除以直流链路电压来获得接地故障检测百分比值。

控制器306可确定接地故障检测百分比值是否高于阈值百分比值(步骤530)。当该接地故障检测百分比值高于该阈值百分比值(步骤530，是)时，控制器306可输出表明机器100处于接地故障情况时的警报信号(步骤540)。当该接地故障检测百分比值低于该阈值百分比值(步骤530，否)时，可返回步骤510，该步骤中控制器306可接收表示接地故障检测电压和直流链路电压的附加信号。

在某些实施例中，控制器306可将接地故障检测百分比值与一个以上阈值百分比值进行比较，并且基于该比较确定系统的反应。例如，当该接地故障检测百分比值小于40％时，控制器306可确定接地故障泄漏是可接受的并且将不激活任何指示。当该接地故障检测百分比值介于40％到60％之间时，控制器306确定将激活二级接地故障事件。处于该等级的接地故障泄漏可能不会损害机器100中的部件，但如果该二级接地故障事件在很长一段时间(例如，数个小时)内保持激活时，可能需要注意。当该接地故障检测百分比值大于60％时，控制器306确定将激活三级接地故障事件。三级接地故障泄漏可损坏系统中的部件。常规地，当该三级接地故障事件被激活时，停止机器的运行。然而，当机器是矿场的矿用车时，即使当三级接地故障事件发生时，矿用车仍然需要运行，例如，移动回到工作间以便诊断系统的问题。

在公开的实施例中，控制器306可基于该接地故障检测百分比值和该直流链路电压计算最坏情况部件绝缘电压(步骤550)。控制器306可确定该最坏情况部件绝缘电压的绝对值是否高于机器100中的部件的额定绝缘电压(步骤560)。当该最坏情况部件绝缘电压的绝对值高于该额定绝缘电压(步骤560，是)时，控制器306可基于该额定绝缘电压和该接地故障检测百分比值计算新的直流链路电压(步骤570)。

例如，重新参照图4，当接地故障检测百分比值为A％(线410)时，并且直流链路电压为4U(X轴上的X1)时，最坏情况部件绝缘电压约为-2.7U(Y轴上的Y1)。因此，机器100中的部件正经受-2.7U的电压应力。当部件中的一个的额定绝缘电压为2U时，控制器306可基于2U的额定绝缘电压和A％的接地故障检测百分比值来计算新的直流链路电压。为此，控制器306可将2U的额定绝缘电压作为最坏情况部件绝缘电压(Y轴上的Y2)的绝对值，并且确定该新的直流链路电压约为2.9U(X轴上的X2)。

在计算该新的直流链路电压之后，控制器306可通过使用该新的直流链路电压输出用于操作机器100的信号(步骤580)。例如，控制器306可输出信号以指示励磁机磁场调节器214减小发电机磁场电流，从而减小发电机输出电压。因此，可将该直流链路电压减小到期望值。或者，控制器306可输出信号以打开开关从而将电网210与直流链路相连接，从而减小该直流链路电压。在一些实施例中，通过使用该新的直流链路电压操作机器100的信号可包括通过使用该新的直流链路电压将机器100移动到工作间。

当最坏情况部件绝缘电压的绝对值低于额定绝缘电压(步骤560，否)时，控制器306通过使用现有的直流链路电压可输出用于操作机器100的信号(步骤590)。例如，控制器可通过使用现有的直流链路电压输出信号以将机器100移动到工作间。

在一些实施例中，当机器100中有多个部件时，控制器306可将该最坏情况部件绝缘电压的绝对值与在该多个部件的额定绝缘电压之中的最小额定绝缘电压进行比较。当该最坏情况部件绝缘电压的绝对值高于该最小额定绝缘电压时，控制器306可基于该最小额定绝缘电压和该接地故障检测百分比值确定新的直流链路。

根据上述的实施例，当机器100中的部件正经受其不能经受的电压应力时，公开的接地故障保护系统216在接地故障情况下确定新的直流链路电压，并且将该直流链路电压调整为该新的直流链路电压。因此，即使当机器100在接地故障的情况下，公开的接地故障保护系统216允许操作机器100，例如将机器100移动到工作间，而不损坏机器100中的部件。

对于本领域技术人员来说显而易见的是，可对公开的接地故障保护系统做出各种修改和改变。在考虑公开的接地故障保护系统的说明书和实践的情况下，其他的实施例对本领域技术人员来说将是显而易见的。说明书和实例仅仅是示例性的，本发明的真实范围由以下权利要求书及其等价内容指出。

Claims (10)

1.一种用于在接地故障情况下保护机器(100)的系统(216)，包括：

存储指令的一个或多个内存(306b)；以及

一个或多个处理器(306a)，其配置成执行所述指令以：

接收表示所述机器的接地故障检测电压和直流链路电压的信号；

基于所述接地故障检测电压和所述直流链路电压确定接地故障检测百分比值；

基于所述接地故障检测百分比值和所述直流链路电压确定最坏情况部件绝缘电压；

将所述最坏情况部件绝缘电压的绝对值与所述机器的部件的额定绝缘电压进行比较；以及

当所述最坏情况部件绝缘电压的所述绝对值高于所述额定绝缘电压时，基于所述额定绝缘电压和所述接地故障检测百分比值确定新的直流链路电压，并且通过使用所述新的直流链路电压输出用于操作所述机器的信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个处理器进一步配置成：

当所述最坏情况部件绝缘电压的所述绝对值高于所述额定绝缘电压时，通过使用所述直流链路电压输出用于操作所述机器的信号。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个处理器进一步配置成：

将所述接地故障检测百分比值与阈值百分比值进行比较。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述一个或多个处理器进一步配置成：

仅当所述接地故障检测百分比值高于所述阈值百分比值时，确定所述最坏情况部件绝缘电压并且将所述最坏情况部件绝缘电压的所述绝对值与所述额定绝缘电压进行比较。

5.根据权利要求1所述的系统，其中

所述机器包括多个部件，并且

所述一个或多个处理器进一步配置成：

将所述最坏情况部件绝缘电压的所述绝对值与所述多个部件的多个额定绝缘电压之中的最小额定绝缘电压进行比较；以及

当所述最坏情况部件绝缘电压的所述绝对值高于所述最小额定绝缘电压时，基于所述最小额定绝缘电压和所述接地故障检测百分比值确定所述新的直流链路电压。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个处理器进一步配置成：

基于所述接地故障检测百分比值和所述直流链路电压，通过从映射中检索所述最坏情况部件绝缘电压来确定所述最坏情况部件绝缘电压，所述映射将多个最坏情况部件绝缘电压中的每一个关联到多个接地故障检测百分比值中的一个与多个直流链路电压中的一个的组合。

7.一种用于在接地故障情况下保护机器(100)的计算机实现方法，包括：

接收表示所述机器的接地故障检测电压和直流链路电压的信号；

由处理器(306a)基于所述接地故障检测电压和所述直流链路电压确定接地故障检测百分比值；

由所述处理器基于所述接地故障检测百分比值和所述直流链路电压确定最坏情况部件绝缘电压；

由所述处理器将所述最坏情况部件绝缘电压的绝对值与所述机器的部件的额定绝缘电压进行比较；以及

当所述最坏情况部件绝缘电压的所述绝对值高于所述额定绝缘电压时，由所述处理器基于所述额定绝缘电压和所述接地故障检测百分比值确定新的直流链路电压，并且通过使用所述新的直流链路电压输出用于操作所述机器的信号。

8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：

当所述最坏情况部件绝缘电压的所述绝对值高于所述额定绝缘电压时，通过使用所述直流链路电压输出用于操作所述机器的信号。

9.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：

将所述接地故障检测百分比值与阈值百分比值进行比较。

10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：

仅当所述接地故障检测百分比值高于所述阈值百分比值时，确定所述最坏情况部件绝缘电压并且将所述最坏情况部件绝缘电压的所述绝对值与所述额定绝缘电压进行比较。