CN105588994B - 用于电弧的检测和钝化的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于电弧的检测和钝化的方法和系统。该电弧在电装置(3)的至少一个连接元件(5)上，该方法和系统的特征在于，该系统包括：声获取通道(7)，其被配置用于获取由所述连接元件(5)发出的声信号；电获取通道(9)，其被配置用于获取电信号，该电信号表示向所述连接元件(5)供给的电流强度；以及耦接至所述声获取通道(7)和所述电获取通道(9)的相关器(11)，其被配置用于评估声信号与电信号之间的相关性，并且被配置用于使适当的截止信号(15)脱扣以中断与所述连接元件(5)有关的电路(17)，其中，所述相关性表示电弧的开始。
Description
技术领域
本发明涉及电弧检测领域，更具体地，涉及机载电装置中的电弧的检测和钝化。
背景技术
在最初传导电流的两个触点分开的情况下可产生电弧。然后，可能达到7000℃至10000℃的温度的放电在两个触点之间的空间中产生，并保持电传导。随着时间的推移在电存储、分配和/或服务元件中产生的持续电弧，可导致电元件以及相邻设备的劣化。
因此，为了防止电弧传播的风险，重要的是检测任何电弧的开始，以便中断电路。
电弧的检测一般基于向电元件供电的线路中的电流强度的测量。在实践中，当电弧发生时，电流强度显著升高，并且可能会超过额定电流强度几倍。
然而，为了防止与误警报有关的任何假脱扣(tripping)，重要的是在任何电路中断进行之前确认故障，从而需要处理或确认时间，这在许多情况下，与每秒100米的数量级的电弧的传播速度是不符合的。确认时间可以是几百毫秒，或甚至几秒钟，这取决于电流强度和温度。这些时间远远超过在没有对设备造成损坏和/或严重制约的情况下灭绝电弧所需的时间。
为了解决这类问题，使用绝缘装置来保护电元件和设备以防在确认时间期间电弧传播的风险。
特别是在对安全性和可靠性有特别严格的限制的航空领域中，飞行器中的核心电子系统和配电箱由若干绝缘和保护元件保护，以防止任何电弧在各种部件或电元件之间传播。
在实践中，电元件的端子设置有双绝缘，包括陶瓷屏障和垫圈以及特定的表面处理。例如，固定螺母的双重绝缘涉及：通过在该螺母上施加绝缘材料的螺母的表面处理以及添加具有凸起边缘的绝缘垫圈以禁止电弧的通过。此外，添加机械防护结构如格栅和/或盖以防止可能造成短路的小的外部金属部件或异物。
虽然非常有效，但是这些类型的保护具有若干缺点。具体地说，其使得安装变得复杂，并且增加了配电箱的尺寸和质量二者。而且，格栅和其他机械防护结构，由于限制电装置和外部环境之间的热交换而产生热应力。
因此，本发明的目的是提出一种用于电弧的检测和钝化的系统和方法，所述系统和方法易于部署，能够快速、准确并可靠地检测在电装置中任何电弧的发生，并且能够传送对电弧的钝化的快速响应，同时消除上述缺点。
发明内容
本发明由一种用于对在电装置的至少一个连接元件上的电弧进行检测和钝化的系统来限定，该系统包括：
声获取通道，其被配置用于获取由所述连接元件发出的声信号；
电获取通道，其被配置用于获取电信号，该电信号表示供给所述连接元件的电流强度；
耦接至所述声获取通道和所述电获取通道的相关器，该相关器被配置用于评估所述声信号与电信号之间的相关性，并且被配置用于使适当的截止信号脱扣以中断与所述连接元件有关的电路，其中，所述相关性表示电弧的开始。
根据本发明的系统使得能够以可靠的方式并且以最小的计算时间接近实时地检测在电装置的连接元件中的任何初期电弧，并且快速隔离有缺陷的连接。更具体地，该系统使得能够将对安装和绝缘的限制降至最低，同时使得电装置能够具有很高水平的可用性。
附图说明
通过参考附图对本发明的优选实施例的描述，本发明的进一步特征和优点将变得清楚，在附图中，
图1示出了根据本发明的一种实施例的用于对在电装置中的电弧进行检测和钝化的方法和系统的示意图；
图2示出了根据本发明的优选实施例的检测系统的示意图；以及
图3示出了根据图2所示的检测系统的用于检测在电装置上的电弧的方法的示意图。
具体实施方式
本发明的基本构思基于对两个不同物理变量(电流强度和声波)之间的相关性的评估，这使得能够快速并可靠地检测在电装置中的初期电弧。
图1示出了根据本发明的一种实施例的用于对在电装置3中的电弧进行检测和钝化的方法和系统1的示意图。
电装置3例如是配电箱，该配电箱包括电力部件和至少一个电连接元件5的组件。
检测和钝化系统1(在下文中指定为“检测系统”)由传感器和包括声获取通道7、电获取通道9和相关器11的电子数据获取、处理和控制卡实现。
声获取通道7被配置用于获取由每个连接元件5发出的声信号。具体地，声获取通道7包括声传感器71，声传感器71被设计成捕获在连接元件5的级(level)发出的声波。每个声传感器71安装在分配给对应的连接元件5的区域中，并且可以包括带宽范围从几十kHz至几百kHz的一个或更多个超声换能器(或麦克风)。
电获取通道9被配置用于获取以下电信号，该电信号表示向每个连接元件5供给的电流的强度。具体地，在向对应的连接元件5供电的电力供给线13上连接有至少一个传感器91或电流强度测量装置。将注意到，每个供给线13可以为多相类型，在该情况下，在每个相线中测量电流强度。
相关器11耦接至声获取通道7和电获取通道9，并且被配置用于评估声信号与电信号之间的相关性。相关器11还被配置用于使适当的截止信号(箭头15)脱扣以中断与连接元件5有关的电路17，其中，相关性表示在所述元件5中电弧的开始。更具体地，在连接元件5中建立了表示初期电弧的电过电流与也表示初期电弧的声波之间的相关性的情况下，相关器11在没有确认时段的情况下立即触发向所述连接元件5供电的供给线13的中断。在实践中，在确认了完全不同的并且表示电弧的开始的两个物理变量之间的相关性的情况下，则很可能电弧的开始以很高的概率是真的而不是误警报。因此，有缺陷的连接元件5与电装置3中的剩余元件以接近实时的方式隔离，结果，使电弧在所述电弧向有缺陷的连接元件5附近的任何传播之前被钝化。
图2示出了根据本发明的优选实施例的检测系统的示意图。
根据该示例，电装置3是机载配电柜或箱，所述机载配电柜或箱包括布置在对应隔室51至59中的一系列连接元件5。所述配电箱3例如包括在飞行器的核心电力系统中。每个隔室51至59包括与特定功能区对应的单元。物理地，单元优选被配置为封闭体腔，使得仅连接元件或有限数量的连接器的供电轨穿透所述单元的壁。每个连接元件5由包括相线13a、13b、13c的组合的供给线13供电。向单个连接元件5供电的单个供给线13被示出。更具体地，为了简化起见，在图2所示的图上仅示出了与隔室57中的单个连接元件5对应的装置(即，供给线13、声获取通道7和电获取通道9、以及相关器11)。
声获取通道7包括：声传感器71、放大器73、第一调节器75和第一滤波器77。
声传感器71安装在分配给连接元件5的单元(区域)中。蜂窝式容器使得声传感器71对源自单元的外部的噪声不敏感，从而使得声传感器71能够以较高的精度并且不受来自外部噪声的干扰的情况下捕获由连接元件5发出的声信号。有利地，传感器71包括例如基于MEMS(微机电系统)的一个或更多个超声换能器。
声信号放大器73连接至声传感器71，并且被配置用于放大从所述声传感器71接收的声信号。
第一调节器75连接至放大器73，并且被配置用于对声信号进行格式化。在实践中，声信号被格式化用于第一滤波器77进行的处理。第一滤波器77连接至调节器75，并且被配置用于对所述调节器75的输出处的声信号进行滤波。第一滤波器77例如使得能够消除声信号中存在的任何分离的或异常的数据，所述数据可能有助于例如随机错误。
电获取通道9包括：电流强度传感器91a至91c、第二调节器95和第二滤波器97。
电流强度传感器91a至91c安装在连接元件5的供给线13中。具体地，电流强度传感器连接在每个相线13a、13b、13c中，以捕获表示向连接元件5供给的电流的强度的电信号。
第二调节器95连接至电流强度传感器91a至91c，并且被配置用于对电信号进行格式化。
此外，第二滤波器97连接至第二调节器95，并且被配置用于对所述调节器95的输出处的电信号进行滤波。
相关器11还包括：存储器111、声比较器113、电比较器115和截止脱扣装置117。
存储器111被设计成存储至少一个声基准签名21a和至少一个电基准签名22，声基准签名21是电弧的特征，电基准签名22也是电弧的特征。
有利地，存储器111包括一系列声基准签名21a至21c，所述一系列声基准签名21a至21c中的每个根据连接元件5的环境上下文来限定。具体地，根据连接元件5的区域中的压力来限定每个声基准签名21a至21c，其中，已知的是，在飞行器的情况下，压力取决于高度。在存储器111中可以预先记录与飞行器的不同高度关联的表示电弧的一连串或预定序列的声基准签名21a至21c。
使用帕邢曲线和/或台架试验使用用于根据压力或高度来检测电弧的模型来预先构造一系列声基准签名21a至21c。因此，将压力和因而高度对电弧的声音以及电弧发生的影响考虑在内。有利地，首先通过计算得出所述声签名，然后，通过试验进行改善。
声比较器113连接至声获取通道7，并且被配置用于将声信号与声基准签名21a至21c进行比较，以确认声信号是否指示电弧的发生。
更具体地，声比较器113被设计成通过计算所述声信号与声基准签名之间的标准化相关系数并且通过将相关系数与预定声阈值进行比较来确认声信号是否指示电弧的发生，所述声阈值与和误警报的风险有关的敏感阈值对应。因此，如果相关系数超过预定声阈值，则认为声信号指示电弧的发生。
有利地，声比较器113应用以下分析，该分析涉及声信号的向量处理，或适于学习电弧信号的滤波处理。在实践中，为了适于由电弧产生的声签名的类型的可变性，可以使用ARMA类型(自回归移动平均)的鲁棒且充分通用的模型。ARMA模型是使用移动平均的自回归模型，其可应用于通过施加滑动时间窗口而测得的声信号。ARMA模型允许评估基准签名相对于结合电弧测量的实际信号的平均二次误差。
此外，电比较器115连接至电获取通道9，并且被配置用于将电信号与电基准签名22进行比较，以确定电信号是否指示电弧的发生。具体地，当过电流超过相线13a至13c之间的约为额定电流两倍的电检测阈值的情况下，认为电信号指示在这些相线之间发生电弧。同样，在电流强度位于几十毫安(mA)和几安培(A)之间时，认为电信号指示在带电部与连接元件5的结构和/或地面之间发生电弧。
截止脱扣装置117耦接至声比较器113和电比较器115，并且被配置用于在声信号指示电弧并且电信号也指示电弧的情况下使截止信号15脱扣。
检测系统1还包括：控制放大器31和连接至所述控制放大器31的电开关装置33。
控制放大器31被配置用于放大截止信号15，以使受电弧影响的隔室57有关的电路17中断。
电开关装置33(例如包括继电器、电子开关或机电开关)被配置用于在从控制放大器31接收到截止信号15时，中断连接元件5的电路17。
图3示出了根据图2所示的检测系统的用于检测在电装置上的电弧的方法的示意图。
步骤E1至E5与步骤E11至E15同时执行。
在步骤E1中，连接元件5的隔室57中的声传感器71检测可能与电弧的发生关联的噪声或声信号。
在步骤E2中，声放大器73对声信号进行放大，然后在步骤E3中通过第一调节器75对声信号进行调节，并且在步骤E4中通过第一滤波器77对声信号进行滤波。
在步骤E5中，声比较器113对于从第一滤波器77连续接收的声信号的可移动平均(根据ARMA模型)施加滑动时间窗口，从而产生连续的平均声信号。
然后，声比较器113将每个平均声信号与选自一系列声基准签名21a至21c的至少一个预定声签名21a进行比较，所述一系列声基准签名21a至21c中的每个与电弧的根据飞行器的压力或高度的代表签名对应。
换言之，飞行器的高度被应用为选择参数以选择与飞行器的当前位置对应的声签名。然后，声比较器113将每个平均声信号与选择的声签名21a进行比较。
有利地，声比较器113通过计算与连接元件5有关的平均声信号和选择的声签名21a之间的标准卷积乘积(standardized convolution product)来执行该比较。然后，标准卷积乘积得分指示在平均声信号(其表示由连接元件发出的噪声)和表示电弧的所选择的声签名21a之间是否存在相关性。具体地，声比较器113将标准得分中的每个得分与预定声阈值进行比较，以在至少一个得分超过所述声阈值的情况下确认检测到电弧。将注意到，可以通过试验和/或基于操作反馈来设定声阈值，以防止任何误警报。
同时，在步骤E11中，电传感器91a至91c测量向连接元件5供给的电流的强度。从传感器91a至91c接收的电信号在步骤E13中通过第二调节器95进行调节，然后，在步骤E14中通过第二滤波器97进行滤波。
在步骤E15中，电比较器115将电信号与电基准签名22进行比较，以确认所述电信号是否指示电弧的发生。具体地，在与连接元件5有关的电信号示出过电流(即，超过电检测阈值)的情况下，认为所述信号指示电弧的发生。
在步骤E16中，如果同一连接元件5示出指示电弧的声信号和也指示电弧的电信号，则截止脱扣装置117产生截止信号15。
在步骤E17中，控制放大器31对截止信号进行放大，以及在步骤E18中，电开关装置33中断受电弧影响的连接元件5的上行线路的电路17。
因此，根据本发明的检测方法和系统使得能够例如在飞行器的核心电子系统和配电箱中快速并且可靠地检测和灭绝电弧。在实践中，两个不同物理变量(即，参照电弧的签名而考虑的电流和声波)的相关性使得能够可靠并且实时地识别电弧的开始，而不需要确认时间。
由于对受电弧影响的区域的快速隔离，可以将对在设计配电箱时安装和绝缘的限制最小化，从而使得能够大大节省成本和重量二者。
此外，区域保护提供的优点在于：仅有缺陷的元件被隔离，从而提高了分配系统以及相应地供电的设备的可用性和灵活性二者。
Claims (8)
1.一种用于对在电装置(3)的至少一个连接元件(5)上的电弧进行检测和钝化的系统，其特征在于，所述系统包括：
声获取通道(7)，其被配置用于获取由所述连接元件(5)发出的声信号，
电获取通道(9)，其被配置用于获取电信号，所述电信号表示供给所述连接元件(5)的电流强度，以及
耦接至所述声获取通道(7)和所述电获取通道(9)的相关器(11)，其被配置用于评估所述声信号与所述电信号之间的相关性，并且被配置用于使适当的截止信号(15)脱扣以中断与所述连接元件(5)有关的电路(17)，其中，所述相关性表示电弧的开始，所述相关器包括：
存储器(111)，用于存储电弧的至少一个声签名(21a至21c)和电弧的至少一个电签名(22)，所述存储器(111)被设计用于存储一系列声签名(21a至21c)，所述一系列声签名中的每个声签名根据所述连接元件的高度来限定，
连接至所述声获取通道(7)的声比较器(113)，其被配置用于将声信号与所述至少一个声签名进行比较，以确认所述声信号是否指示电弧的发生，
连接至所述电获取通道(9)的电比较器(115)，其被配置用于将电信号与所述至少一个电签名进行比较，以确认所述电信号是否指示电弧的发生，以及
耦接至所述声比较器(113)和所述电比较器(115)的截止脱扣装置(117)，其被配置用于在所述声信号指示电弧并且所述电信号也指示电弧的情况下使所述截止信号脱扣。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述声比较器(113)被配置用于在与所述至少一个声基准签名进行比较之前，根据移动平均模型对声信号取平均。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述声获取通道(7)包括：
安装在分配给所述连接元件(5)的区域中的声传感器(71)，其被配置用于捕获由所述连接元件发出的声信号，
声信号放大器(73)，其被配置用于对从所述至少一个声传感器接收的声信号进行放大，
第一调节器(75)，其被配置用于对声信号进行格式化，以及
第一滤波器(77)，其被配置用于对在所述第一调节器的输出处的声信号进行滤波。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电获取通道包括：
安装在所述连接元件的供给线(13)中的至少一个电流强度传感器(91)，其被配置用于捕获表示供给所述连接元件的电流强度的电信号，
第二调节器(95)，其被配置用于对电信号进行格式化，以及
第二滤波器(97)，其被配置用于对在所述第二调节器的输出处的电信号进行滤波。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
控制放大器(31)，其被配置用于对所述截止信号(15)进行放大，以致动对与所述连接元件有关的所述电路的中断，以及
电开关装置(33)，其被配置用于在从所述控制放大器接收到所述截止信号时，中断所述连接元件的所述电路(17)。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电装置(3)是机载配电箱，所述机载配电箱包括布置在对应的隔室中的一系列连接元件，其中，每个连接元件通过包括相线(13a至13c)的组合的供给线(13)来供电。
7.一种飞行器，所述飞行器包括配电箱(3)和用于对所述配电箱中的电弧进行检测和钝化的根据权利要求1所述的系统。
8.一种用于对在电装置的至少一个连接元件上的电弧进行检测和钝化的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
获取由所述连接元件发出的声信号，
获取表示供给所述连接元件的电流的强度的电信号，
将所述声信号与一系列声签名(21a至21c)中的至少一个声签名进行比较，以确认所述声信号是否指示电弧的发生，所述一系列声签名中的每个声签名根据所述连接元件的高度来限定，
将所述电信号与至少一个电签名进行比较，以确认所述电信号是否指示电弧的发生，以及
在所述声信号指示电弧并且所述电信号也指示电弧的情况下，使适当的截止信号脱扣以中断与所述连接元件有关的电路。
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