CN106605152A - 定位电路中的电气故障 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及定位电气电路(50)中的电气故障(61)，更具体而言的是电气电路(50)的传输线(60)中的电气故障(61)。本发明的示例提供了一种方法和设备,用于:打开电气电路(50)中的开关(90)以在故障(61)处引起开路或不连续的;传送(100)要从开路或不连续反射的信号并接收(100)从开路或不连续反射的信号，以确定故障的位置。我们的发明的示例尤其适用于高压系统，例如超过100V。

Description

定位电路中的电气故障
本发明涉及定位电气电路中的电气故障，更具体而言的是电气电路的传输线中的电气故障。
许多电气系统例如飞行器功率分配系统中的那些电气系统使用长的传输线（通常长达数百米或千米）以将功率从电功率源传递到电气负载。然而，长的传输线能够遭遇需要修复的故障。已经做出尝试以便使用“反射计”来识别电气电路中的带电(live)传输线上的故障的位置。该技术涉及测量要从故障处的不连续或开路反射的信号所花费的时间。知道信号行进的速度，可以根据反射的信号从不连续返回所花费的时间来确定故障的位置。
然而，已经发现“反射计”技术仅适合在特定情形中，例如用于在低压应用中的故障。不能可靠地检测电气系统中的故障的位置引起用来确定故障的位置的耗时的研究要求关闭电气系统，这是不方便的。
根据本发明的第一方面，提供一种定位具有传输线的带电电气电路中的故障的方法，该方法包括：打开电气电路中的开关以在故障处引起开路或不连续；传送要从开路或不连续反射的信号和接收从开路或不连续反射的信号来确定故障的位置。
通过打开电气电路中的开关以在故障处提供开路或不连续，电气系统中的故障的位置(其先前还不是可靠地可检测到的，例如在高电压电路中，其中跨故障的电弧放电防止明显的开路或不连续生成)现在可以被检测。我们的发明的示例尤其适合于高压系统，例如100V或更高。
根据本发明的第二方面，提供一种定位具有传输线的电气电路中的故障的设备，该设备包括控制器,其用于：打开电气电路中的开关以在故障处引起开路或不连续；传送要被开路或不连续反射的信号和接收从开路或不连续反射的信号来确定故障的位置。
现在将参照附图仅通过示例描述本发明的实施例，其中：
图1是示出根据本发明的定位电气系统中的故障的示例的流程图；
图2示出图示本发明的电气系统的示例；
图3是图示本发明的电气系统的更详细的示例;以及
图4是示出在电气故障的定位期间图3的电气系统中的各个点处的响应的一系列图表。
图1示出定位具有传输线的电气电路中的故障的示例。在步骤10处打开电气电路中的开关。这引起电气电路中的电压连同跨故障的电弧电流一起下降，直到电弧电流下降到足以使电弧熄灭，从而在故障处引起开路或不连续。在步骤20处，传送到电路中的信号从故障处的开路或不连续反射。在步骤30处，接收从开路或不连续反射的信号，以确定故障的位置。例如，如果已知信号以已知速度在传输线中行进，则由反射的信号所花费的时间能够用来确定到故障的距离并因此确定故障的位置。
图2示出图示本发明的电气电路50的示例。电路包含一段电气布线60。电气布线60可例如在诸如飞行器、船等的交通工具中或在工厂、医院或其他设施中。图2示出已在布线60中发生的故障61。电路50还包含通过布线60彼此连接的电功率源70和电气负载80。在电气布线60中还提供开关90。开关90可以是形成电路的一部分的一些关联设备91的一部分，例如比如固态功率控制器（SSPC），功率发电机70或电流变换器。
为了确定故障61在电气布线60中的位置，所述电气布线60能够延长相当大的长度（例如几千米），开关90由电弧故障定位装置100中的控制器打开，这引起电气电路50中的电压和电流下降。当对于短电弧，跨故障61的电弧中的电流通常下降到200-400mA（但取决于间隙的大小而下降到不同的电流）时，电弧熄灭,从而导致开路。因为电弧现在已经被空隙取代，电弧熄灭在电气电路50中产生非常快速的电流下降，导致布线60的阻抗中的变化。来自提供到电气电路50的布线60的电弧故障定位装置100中的控制器的信号通过由故障61处的电弧熄灭引起的布线60的阻抗中的变化反射。反射的信号在这种情况下由电弧故障定位装置100接收，但其能够由电路50中的相同或一些其它位置处的另一组件接收。确定信号从电弧故障定位装置100行进到故障61并从故障61返回所花费的时间，并且知道信号在布线60中行进的速度，可计算到故障61的距离并因此可计算故障61的位置。可重复定位故障61的方法以甚至更精确地确定位置。
图3图示了典型的DC飞行器电功率分配电路150，其具有带有开关190的固态功率控制器（SSPC）装置191。该示例的SSPC装置191具有电弧故障检测（AFD）能力。电弧故障定位能力由包含反射计系统201的电弧故障定位装置200提供。图4示出了电路150中的各个点处的电气特性的波形。
在该示例中提供了以具有电压Vsrc和固有输出阻抗Zsrc的电气发电机170的形式的功率源。当在飞行器中使用时，操作的燃气涡轮机引擎可提供机械能，该机械能可用来为发电机170提供驱动力。
发电机170通过具有固有电感Lup和电阻Rup的上游电流限制布线171连接到SSPC191。在该示例中，主开关190提供有transorb(瞬态电压抑制二极管)192和二极管193，以抑制当开关被打开时生成的任何瞬态电信号。
开关190和电气负载150之间的布线161被示为具有固有电感Ldn和电阻Rdn。在布线160中存在被示为在两个单独的端子162、163之间的物理分离的故障161。还示出了具有固有电感Lload，电阻Lload和电容Cload 的负载180。
电弧故障定位装置200包含反射计系统201，其用来将信号传送到电气电路150中并接收从故障161反射的信号。故障定位装置200还具有用来打开和闭合开关190的开关装置202和用来控制反射计系统201和开关装置202并且计算到故障161的距离并因此计算故障161的位置的微处理器203。在该示例中，还示出了电流和电压传感器204、205，其可以用来检测故障161的发生。图3的示例的微处理器203布置成控制电弧故障检测和定位的功能以及特定电路150可以根据其使用而布置成执行的其它开关功能。
在图4中的时间（1）之前，系统中存在串联电弧故障。电弧故障的存在可以通过本领域技术人员已知的任何方法来检测，例如通过监测电路150的电流和/或电压来检测。备选地，定位故障的方法可周期性地执行，而不需要特别地检测到事先已经发生故障。
在图4中的点（1）处，图3的SSPC装置191中的电弧故障检测硬件具有足够的时间来标记可能的电弧故障。在该示例中，可通过检测由断开引起的短路电流减小和然后在电弧放电期间重新连接来确定电弧故障的存在。
在图4中的点（1）处，启用电弧故障定位装置200。在该点处，当在故障处的电弧放电已经被熄灭时，其开始传送要被电路中的故障反射的信号。
在点（2）处，通过进一步的短路电流减少来确认串联电弧故障，并且SSPC开关190被打开，这引起SSPC 191输出电压连同电弧电流一起下降。在当对于短电弧,电弧电流通常为200-400mA左右时发生的点（3）处，电弧熄灭。电弧熄灭的特征在于非常快的负dI / dt，其表示存在电弧故障。图3示出了缓冲器194，其包括串联在SSPC装置191的输出节点195和地196之间的电阻器和电容器。缓冲器194确保电弧在图4中的点（3）处熄灭。因为电弧现在已经被空隙取代，电弧的熄灭被电弧故障定位装置200中的反射计硬件201看作线路阻抗中的总变化。
由反射计系统201传送的信号从在故障161处的开路或不连续反射并被接收以测量信号行进到故障和返回所花费的时间并确定故障的位置。知道往返行程（装置200和故障161之间的距离的两倍）所花费的时间和电缆中的信号的传播速度，使用公式：到故障的距离=传播速度×所花费时间/2，装置200中的微处理器203计算从装置200到故障161的距离。
在点（4）处，SSPC开关190被闭合，并且SSPC 191输出电压上升以匹配线路电压。在该点处，因为在图3中所示的电极162、163的各个侧之间保持存在间隙，电弧电流不上升。在点（5）处，跨电极162、163的电压已充分上升用于在它们之间发生电弧放电并且环路电流上升。点（4）和（5）之间的延迟是存在串联电弧的另一指示。在点（6）处已经确认了电弧并且SSPC开关190被跳闸（被打开）。在点（7）处，环路电流已经下降到零。该确认/扰动/定位方法（点（1）至点（5））能够运行多次以进一步提高置信度。
已经发现，270VDC系统的功率质量能够支持根据航空和航天标准RTCA DO-160G的50ms的中断。对于我们的发明的示例的电弧故障扰动方法论用来正确地起作用所要求的中断时间为近似100微秒，这对功率质量具有不显著的影响。
一般来说，反射计方案要求更多的时间以便检测由于往返行程时间中的增加而更远的故障。假设近似0.66光速的传播速度，并且100m的最大电缆长度，往返行程时间能够按照如下计算：往返行程时间= 2 *距离/速度= 2 * 100 /（0.66 * 3×10 ^ 8）= 1微秒。因此，能够使用许多反射计信号以便监测电缆断裂。例如，在电弧在 t_delay期间在图4的点（3）处已经被熄灭之后，能够使用许多反射计信号。
可以对上述示例进行许多变化同时仍然落入本发明的范围内。例如，开关190可以是独立的组件，或者可以被提供为电路中的现有装置的部分，例如SSPC装置或功率发电机。像定位在飞行器中的布线中的故障一样，我们的发明的方法可以用于定位在其它情形例如船、工厂、医院和其他设施（例如太阳能或光伏设施）中的布线故障。要被开路或不连续反射的信号可在任何合适的时间传送，例如通过在开关被打开之前或者当开关被打开时重复地传送。它可以重复地传送直到反射的信号已被接收之后或直到开关随后已被闭合或开关随后已被闭合之后。

Claims (11)

1.一种定位具有传输线的电气电路中的故障的方法，所述方法包括：
打开所述电气电路中的开关以在所述故障处引起开路或不连续；
传送要从所述开路或不连续反射的信号；以及
接收从所述开路或不连续反射的信号以确定所述故障的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，打开所述电气电路中的所述开关引起所述电路中的电压下降，熄灭跨所述故障的电弧放电,导致在所述故障处的开路，在所述故障处传送的信号被反射。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述信号从所述开关被打开之前被重复地传送。
4.根据任何前述权利要求所述的方法，其中，所述电气电路携带电力。
5.根据前述权利要求所述的方法，其中，所述故障的所述位置通过测量用于要被所述开路或不连续反射并被接收的传送的信号所花费的时间和使用所述信号在所述电路的所述传输线中行进的预定速度来确定。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，使用以下来确定从所述信号被传送的位置到所述故障的距离：
到故障的距离=传播速度×所花费时间/2。
7.一种用于定位具有传输线的电气电路中的故障的设备，所述设备包括控制器,其用于：打开所述电气电路中的开关以在所述故障处引起开路或不连续的控制器；传送要被所述开路或不连续反射的信号和接收从所述开路或不连续反射的信号来确定所述故障的位置。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述控制器布置成在打开所述开关之前重复地传送所述信号。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的设备，其中，所述控制器布置成通过测量用于要被所述开路或不连续反射并被接收的传送的信号所花费的时间和使用所述信号在所述传输线中行进的预定速度来确定。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，使用以下来确定从所述信号被传送的位置到所述故障的距离：
到故障的距离=传播速度×所花费时间/2。
11.根据权利要求7至10中任何所述的设备，其中，在所述开关的输出和地之间提供缓冲器。
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