CN107534285B - 电网保护方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明主要涉及一种保护电网(100)免于电气故障的方法，所述电气故障生成第一类型信号和与第一类型信号的类型不同的第二类型信号，电网(100)包括电源(110)和电气装置(120)，二者之间设有接触器(133)，接触器(133)可以被设为两个状态：‑断开状态(0)，用于电源(110)不与电气装置(120)电连接；‑闭合状态(1)，用于电源(110)与电气装置(120)电连接；所述的方法包含以下步骤：‑检测(210)第一类型信号；‑设定(220)接触器处于断开状态(0)；‑验证(230)，在预设时间段，也被称为“决定断开的时间(T_dod)”期间验证(230)是否出现了第二类型信号；‑如果在决定断开的时间(T_dod)期间出现了第二类型信号，保持(240)接触器处于断开状态(0)；‑如果在决定断开的时间(T_dod)期间没有出现第二类型信号，设定(250)接触器为闭合状态(1)。

Description

电网保护方法和装置

技术领域

本发明的技术领域是电网(power grid)领域，特别是检测电网中出现的电弧故障(arc faults)领域。

本发明还涉及一种通过检测电弧故障保护电网的方法和装置。

背景技术

电网能够将电力传递给各种电负载，并可以产生电弧，也被称为电弧故障，其中最频繁的原因是触点的打开与闭合，电缆的切割，通过摩擦或老化导致的绝缘损耗，电缆的发热，以及包含连接损耗的振动。

尤其是电弧故障扫描会引起电网损坏或引发火灾。传统的保护设备(例如热断路器)不能系统地保护电网免于电弧故障，并且现有的电弧检测设备并不可靠到足以在要求苛刻的领域中实现，例如航空领域。

实际上，这种保护设备具有很高的误报率。因此，这种设备的集成，尤其是集成在航空体系内，将导致在系统中链末端由于突然跳闸而整体不安全，因此将引起运行恶化。

目前，飞行器电网的设计是通过安装标准规定的，并被设定为用于电缆绝缘和循环的示例性规则，目的是防止电弧故障的形成。不幸地是，这些安装标准具有局限性，飞行器中仍然有电火发生的可能。

直到最近，由于使用了低电压级别(115伏交流电压和28伏直流电压)，因此，关于航空领域中电气设备的规范不再考虑电弧故障的检测。

然而，在最近的飞行器中，许多液压的、机械的或者气动的装置被电气装置所取代，这意味着电负载增加了，并导致机载功率的增加。这要求将电压级别转换增加至现在可以达230伏的交流电压和+/-270伏的直流电压。

就此而言，该增加与空气环境所施加的约束相关：与海拔、温度循环关联的压力下降，以及湿度的变化，存在不可避免的电弧故障的风险。因此，以可靠的方式检测电弧故障便成了关键问题。

文件WO2014/001466描述了监视电网的装置和方法。然而，该文件中所描述的装置和方法没能最小化火灾的风险及其带来的损坏。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提出了一种用于确定电气故障的方法。该方法可靠，而且无需突然和不必要地中断由电网供电的电气设备的运行。在本发明中，提出了一种用于可靠地检测发生在电网中的电气故障并迅速保护电网、环境、人员和仪器的解决方案。

为此，本发明的第一方面涉及一种用于保护电网免于电气故障的方法，该电气故障生成第一类型信号和与第一类型信号的类型不同的第二类型信号，所述电网包括电源和电气装置，二者之间设有接触器，该接触器能够设为两个状态：

-断开状态，电源不与电气设备电连接；

-闭合状态，电源与电气设备电连接；

其中所述方法包括以下步骤：

-检测第一类型的信号；

-接触器设为断开状态；

-在被称为“决定断开的时间”的预定时间段内，验证是否出现了第二类型的信号；

-如果在决定断开的时间期间出现了第二类型信号，接触器保持断开状态；

-如果在决定断开的时间期间没有出现第二类型信号，接触器设为闭合状态。

根据本发明的第一方面所述的方法在电气故障(Electrical fault)为电弧故障的情况下尤其适用。“电弧故障”(Arc fault)是指在至少两个导体之间形成的可见的电流，它在例如空气这样的绝缘介质中传播。电弧故障生成各种物理现象，特别是电信号、声波、电磁干扰和光波。

根据本发明所述的方法一旦检测到第一类型的信号，就可以切断电网中的电流。该信号是电气故障独有的特征。然后，根据电网中电气故障的确认或未显示来将电流保持切断或重新建立。所述确认来自于检测电气故障的第二类型的信号特征。

根据本发明所述的第一方面的方法还可以包括以下考虑过的一项或任意可能的技术混合中的一项或几项特征：

-电网还包括用于检测第二类型信号的设备，其决定断开的时间大于第二类型信号传播到用于检测第二类型信号的设备所需的时间。这样无论产生信号的电网的位置在哪，都可以检测到第二类型信号；

-无论接触器处于断开状态还是闭合状态，第二类型信号都在电网中传播，也就是说，独立于电网的供应的状态之外；

-决定断开的时间小于电气装置的透明时间。这样在误报的情况下，电气设备不会停止工作；

-该方法还包括在接触器设为断开状态时与检测到第二类型信号时之间的时间相关步骤，这使得能够区分是由接触器打开引起的电气故障还是发生在电网内的电气故障；

-第一类型信号的信号为电信号；

-第二类型信号的信号为声信号。

“透明时间”是指电气设备在不再连接到电源时继续运行的时间。为此，例如电容器可以安装在电气设备中。当电源连接到电气设备时，电容器储存电能，然后当电源不再连接到电气设备时则恢复电能。

例如，用于航空领域的仪器的透明时间对用交流电运行的设备为200毫秒，对用直流电运行的被称为“A类”的仪器为200毫秒，对用直流电运行的被称为“B类”的仪器为50毫秒.

文件DO160的第16部分中明确了这些透明时间，这些是民用航空的规范参考标准。文件DO160明确了用于航空领域的仪器测试步骤和环境。

本发明的第二方面涉及一种用于保护电网免于电气故障的装置，该电气故障生成第一类型信号和与第一类型信号的类型不同的第二类型信号，所述电网包括电源和电气装置，其中该装置包括：

-能够检测第一类型信号的第一探测器；

-能够检测在被称为“决定断开的时间”的预定时间段内是否出现第二类型信号的第二探测器；

-可以被设为两种状态的接触器，电源不与电气装置电连接时为断开状态，电源与电气装置电连接时为闭合状态；

-控制设备，其设置为控制所述接触器，控制设备被设为：

□如果第一探测器检测到了第一类型信号，接触器设为断开状态；

□如果第二探测器在决定断开的时间内检测到了第二类型信号，接触器保持断开状态；

如果第二探测器在决定断开的时间内没有检测到第二类型信号，接触器设为闭合状态。

根据本发明第二方面所述的装置还可以具有一个或多个单独或根据任何可能的技术组合的特征。

优先地，接触器从闭合状态切换到断开状态不生成任何导致第二类型信号出现的电气故障。实际上，如果导致第二类型信号出现的电气故障是在由闭合状态切换到断开状态期间生成的，那么该电气故障可以被第二探测器检测到，这样即使在电网中存在的电气故障仅仅是由接触器的切换产生的，第一探测依然可以被确认。

该接触器，例如静态半导体接触器，也称为“固态电源接触器”(Solid-StatePower Contactor)，简称SSPC接触器。该SSPC接触器可以由电控制，并且在打开或闭合时不生成任何电气故障。

本发明的第三方面涉及一种包括用于根据本发明的第二方面所述的用于保护的装置的电网。

附图说明

当阅读下面的描述并审视与之相伴的附图时，可以更好地理解本发明及其各种应用。其中：

图1示意性地展示了根据本发明实施方式所述的具有用于保护的装置的电网；

图2展示了根据本发明实施方式所述的用于保护电网的方法的功能图；

图3为示出在本发明的第一优先实施方式中，用于保护图1的装置的接触器状态的时序图；

图4为示出在本发明的第二优先实施方式中，用于保护图1的装置的接触器状态的时序图；

附图仅以提供信息为目的，并不以任何方式限制本发明。

为了更加明确，在所有附图中都采用了相同的参考符号来标记相同或相似的元件。

具体实施方式

本发明特别具有一种旨在可靠地在电网中检测电气故障出现的方法和装置，一旦当电气故障形成时，仍然切断电网中的电流。本发明特别适用于电气故障为电弧故障的情况。

共同描述图1和图2。

图1示意性地展示了包括电源110和电气装置120的电网100。电源110提供输送电压E。电网100还包括根据本发明实施例所述的用于保护的装置130。它通过电线140连接到电源110和电气装置120上。

“电线”指电缆但也指返回电流元件，例如具有铝基传统结构的飞行器的架构，或者是复合材料基的飞行器构造的返回电流网。

电气故障可以发生在电网100中，它导致了第一信号类型和与第一信号类型不同的第二信号类型的出现。因此，第一类型信号和第二类型信号具有不同的传播速度，第一类型信号的传播速度比第二类型信号的传播速度要快。

根据一个实施方式，第一类型的信号，例如，可以为电信号。该电信号的传播速度，例如，在铜中可以为2.73×10⁸米/秒。根据另一个实施方式，第一信号，例如，可以为光信号。该光信号的传播速度，例如，在空气中可以为3×10⁸米/秒。

第二类型的信号，例如，可以为声信号。该声信号可以在电网100中传播，无论电网是否被通电。该声信号的传播速度，例如，在铜中可以为3350米/秒。

用于保护的装置130包括能够检测信号的第一探测器131和能够检测第二信号的第二探测器132。用于保护的装置130还包括设置在电源110和装置120之间的接触器133。

接触器133可以被控制并可以被设为两个状态，断开状态和闭合状态。当接触器处于断开状态时，电源110不与电气装置120电连接，电气装置120处于关闭状态。当接触器处于闭合状态时，电源110与电气装置120电连接，电气装置120处于断开状态。

根据本发明所述的用于保护电网100的方法的各种步骤如下，例如，如图2的功能图所示。

在步骤210期间，显示为电气故障的第一类型信号被第一探测器131检测到。然后在步骤220期间，接触器133被设为断开状态，其目的在于保护电网不受损伤并防止火灾发生。

第一类型的信号优选是具有高传播速度的信号，例如电信号或光信号，几乎瞬间到达第一探测器131。切断电流所需要的时间等于通过第一探测器131处理第一类型信号的时间加上接触器133的响应时间，也就是几毫秒。如此电网100可以非常快地得到保护。

就此而论，能够在几毫秒内切断电流使得其可以满足最严格的标准的要求。例如用于航空领域的AS5692标准，要求能够在小于8个半周期内切断电流，也就是对传统的115伏在固定频率400赫兹的操作下少于10毫秒，对新一代的115伏交流电和230伏交流电在可变频率达到800赫兹的操作下少于5毫秒。

在打开接触器133并中断电网100中的电流后，这需要确认确实发生了电气故障。实际上，检测到的第一类型的信号可以具有除了电气故障之外的源头。例如，在检测到的第一类型的信号为电信号的情况下，电信号可以由属于电网100的正常负载所引起，在某些操作模式中，可以具有同由电气故障引起的信号类似的特征。

然后，执行通过第二探测器对电气故障的第二类型信号的出现进行验证的步骤230。第二类型信号对电网100中电流的切断是耐受的，也就是说，即使当接触器133打开并且电流中断时，第二类型信号也会传播。

在第一实施方式中，接触器133从闭合状态切换至断开状态而不生成任何电气故障，以这样的方式不产生电气故障的第二类型特征的信号，也不触发第二类型信号的检测。然后将误报的情况视为真正的电气故障。为此，接触器因此可以是例如SSPC类的接触器。

在另一实施方式中，接触器133可以是传统的机械接触器。当传统的机械接触器从一个状态切换到另一个状态时，可以生成电气故障，被称为“寄生故障”(“parasiticfault”)。在本实施方式中，用于保护电网100的方法包括当接触器133处于断开状态的之时与当检测到由电气故障产生的第二类型的信号之时，二者之间的相关性步骤。与第二类型信号传播速度相结合的时间使得能够从被监控的电气故障中辨别寄生故障。

验证步骤230在被称为“决定断开的时间”(“decided opening time”)的预定时间段期间执行。第二探测器132被有利地如此设置，使得决定断开的时间大于第二信号传播至第二探测器132所需要的时间，而不需考虑发生电气故障的电网100的位置。

例如，考虑到距离第二探测器132的距离是50米，其中第二信号为声信号，传播速度为3350米/秒，决定断开的时间大于15毫秒。

然后可以有两种情况。如果第二类型信号在决定断开的时间期间内出现，电器故障就被确定，并且接触器133在步骤240期间保持断开状态。

另外，如果在决定断开的时间期间没有出现第二类型信号，则电气故障实际上为误报，并且接触器133在步骤250期间保持闭合状态。

此外，决定断开的时间有利地小于设备的透明时间。例如，对用于航空领域的设备，最小透明时间为50毫秒，决定断开的时间可以设为40毫秒。

因此，在误报的情况下，避免了电气装置120的突然中断。实际上，从电气装置120的角度来说，如果在透明时间结束前重新建立电流，则电流从不中断。

下面两个实施例对应于图3和图4，描述了一个本发明的优选实施方式，其中电气故障为电弧故障(Arc faults)。电弧故障生成第一类型的信号和第二类型的信号，分别为电信号和声信号。

图3为展示当电网100内实际出现电弧故障的时候，用于保护的装置130的接触器133的状态S的时间图。在轻微操作中，接触器133处于闭合状态，由图3时间图上的高状态值1表示，并且电气设备120处于通电状态。

发生在T_arc时刻的电弧故障同时驱动电信号和声信号的出现。电信号在T_d1时刻到达第一探测器131。然后将接触器133设为断开状态，在T_c时刻由图3的时间图上的低状态值0表示。

然后，在决定断开的时间T_dod结束之前的T_d2时刻声信号到达第二探测器132，也就是说在时刻T_c+T_dod之前就确定了电气故障的出现。因此接触器133保持断开状态。

因此，在电气装置120的透明时间T_tr过去之后，也就是在时刻T_c+T_tr之后的时刻，电气装置120处于关闭状态。

图4表示用于保护的装置130的接触器133的状态S的时间图。当电干扰而不是电气故障在电网100中发生时，会触发误报。在上述实施例中，在微小操作中，接触器133处于闭合状态，电气装置120处于通电状态。

电干扰在T_tr时刻出现并驱使由电气故障引起的有类似特征的电信号出现。由电干扰引起的电信号在T_d时刻到达第一探测器131。然后接触器133在T_c时刻设为断开状态。

然后，在决定断开的时间T_dod结束之前，也就是说在时刻T_c+T_dod时刻，第二探测器132没有探测到声信号，接触器133设为闭合状态。

因此，在电气装置120的透明时间T_tr过去之后，也就是在时刻T_c+T_tr之后的时刻，电气装置120仍然处于通电状态并且从它的角度没有发生任何事情。

因此，由于本发明，组合了两种不同的检测方法。一种为了当检测到电气故障时快速保护电网100而具有很短的反应时间，另一种为了确定电气故障增加可靠性而具有更长的反应时间。

当然，本发明不局限于参考附图所描述的实施方式，并且可以在不脱离很发明范围的情况下考虑备选方案。

Claims (7)

1.一种保护电网(100)免于电气故障的方法，电气故障生成第一类型信号和与第一信号类型不同的第二类型信号，所述第二类型信号为声信号，电网(100)包括用于检测第二类型信号的设备，电网(100)还包括电源(110)和电气装置(120)，二者之间设有接触器(133)，接触器(133)可以被设为两个状态：

-打开状态(0)，其用于电源(110)不与电气装置(120)电连接；

-闭合状态(1)，其用于电源(110)与电气装置(120)电连接；

所述方法其特征在于，包含以下步骤：

-检测(210)第一类型信号；

-当检测到第一类型信号设定(220)所述接触器处于打开状态(0)；

-在预设时间段期间验证(230)是否出现了第二类型信号，所述预设时间段大于第二类型信号传播到用于检测第二类型信号的设备所需的时间；

-如果在预设时间段期间出现了第二类型信号，保持(240)所述接触器处于打开状态(0)；

-如果在预设时间段期间没有出现第二类型信号，设定(250)所述接触器为闭合状态(1)。

2.如前一权利要求所述的方法，其中，决定打开的时间(T_dod)小于电气装置(120)的透明时间(T_tr)。

3.如权利要求1或2所述的方法，还包括当接触器(133)被放置在打开状态(0)和检测到第二类型信号的瞬间之间的时间关系的一步。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一类型信号为电信号。

5.用于保护电网(100)免于电气故障的装置(130)，电气故障生成第一类型信号和与第一信号类型不同的第二类型信号，电网(100)包括电源(110)和电气装置(120)，其中所描述的装置(130)包括：

-第一探测器(131)，其能够检测第一类型信号；

-第二探测器(132)，其能够检测第二类型信号；

-接触器(133)，其可以设为两个状态，打开状态(0)，用于电源(110)不与电气装置(120)电连接；闭合状态(1)，用于电源(110)与电气装置(120)电连接；

-用于控制设置接触器(133)的设备，用于控制的设备被设为：

如果第一探测器(131)检测到了第一类型信号，将接触器(133)设为打开状态(0)

如果第二探测器(132)在预设时间段期间检测到了第二类型信号，将接触器(133)保持打开状态(0)，所述预设时间段大于第二类型信号传播到用于检测第二类型信号的设备所需的时间；

如果第二探测器(132)在预设时间段期间没有检测到第二类型信号，将接触器(133)设为闭合状态(1)。

6.根据权利要求5所述的用于保护电网(100)免于电气故障的装置(130)，其中，接触器(133)为静态半导体接触器。

7.电网(100)，其包括根据权利要求5或权利要求6中所述的用于保护电网(100)免于电气故障的装置(130)。