CN108414891B - 针对飞行器上的高电压电力线的保护和故障检测 - Google Patents

Abstract

公开了一种针对飞行器上的高电压电力线的保护和故障检测。提供了一种用于传输高电压的高电压导体(100)。该高电压导体包括电力线(140)、故障检测单元(160)以及监测单元(170)。电力线(140)被配置用于传输电能。故障检测单元(160)被配置用于检测由电力线发出的电磁场，并且监测单元(170)被配置用于检测高电压导体的隔离退化。监测单元连接至故障检测单元并且被配置成接收在故障检测单元中引起的电信号，该电信号是由于高电压导体的隔离退化而引起的。因此，可以在早期阶段识别高电压导体的隔离退化。

Description

针对飞行器上的高电压电力线的保护和故障检测

技术领域

本发明涉及用于传输高电压的高电压导体、具有这样的高电压导体的用于飞行器的推进系统，并且涉及包括这样的推进系统的飞行器。

背景技术

通常，商用飞行器例如公务机或客机是由需要某种可燃燃料的涡轮机或发动机来驱动的。近来，已经付出了努力来提供电驱动发动机并且在飞行器中使用这样的发动机。

然而，在未来飞行器中，电力推进可能扮演主要角色。为了传输所需的电力量，可能需要远超现今的电压电平的电压电平。为此，可能需要特定的导体或线。

DE 10 2011 105 880 A1和US 9,162,770 B2总体上描述了一种具有存储电能的电池和驱动推进器的电动马达的用于飞行器的电驱动装置。

发明内容

本发明的目的可以是提供对高电压导体中的退化的早期检测，尤其针对在飞行器的推进系统中使用的高电压导体。

该目的由独立权利要求的主题来解决。本发明的进一步发展可以根据从属权利要求并且根据以下描述来得出。

根据本发明的一方面，提供了一种用于传输高电压的高电压导体。该高电压导体包括至少一个电力线、故障检测单元和监测单元。电力线被配置用于电能传输。故障检测单元被配置用于检测由电力线发出的电磁场。监测单元被配置用于检测高电压导体的隔离退化。此外，监测单元连接至故障检测单元并且被配置成接收在故障检测单元中引起的电信号，该电信号是由于高电压导体的隔离退化而引起的。

本文描述的高电压导体提出了用于飞行器上的高电压供应线的保护和故障检测系统，使得能够引入更高的电压电平，并且因此实现了电力推进所需的高电力电平的传输和使用。例如，用于电力推进的电压电平可以是1000伏特或者甚至更高，例如高达数千伏特。

已经认识到，电弧和火花可能影响和/或可能导致与用于飞行器中的推进系统的电力线的安装有关的约束。本文描述的高电压导体和推进系统提出使用隔离状况监测系统，该隔离状况监测系统可以在早期阶段检测出高电压导体的隔离故障或退化。即使不存在故障电流，也可以检测出退化。因此，可以避免进入飞行器的金属的和其他导电结构的元件中的故障电流。

例如，电力线是包括由隔离覆盖物所包围的导电芯的导电线。该导电芯可以是由例如铜、铝、钛或者包括这些材料中的一个或更多个的合金或适用于在飞行器中传输电能的其他材料制成的长的金属元件。该隔离覆盖物可以由例如塑料制成，并且可以被布置成将导电芯与其周围环境电绝缘。

故障检测单元也可以被称为电磁天线，该电磁天线被特别地嵌入在高电压导体内部并且靠近电力线，使得从电力线发出的电磁场在故障检测单元内引起电信号，该电信号可以被监测单元检测到并且该电信号可以指示高电压导体的隔离退化。

注意，即使高电压导体的隔离处于合适的状况下，也可以在故障检测单元中引起电信号。然而，监测单元可以被配置成使得其基于电信号的特征来识别和辨别高电压导体的隔离是否退化，其中电信号的特征尤其可以包括电信号的幅度或电压、电流和/或信号图案。

根据本发明的实施方式，故障检测单元包括在高电压导体的纵向方向上延伸的导电检测器。

特别地，导电检测器可以是电磁天线。在一个实施方式中，导电检测器是金属元件，例如线。

根据本发明的另一实施方式，高电压导体包括包围电力线和故障检测单元的电屏蔽件。

电屏蔽件可以是圆周包围电力线和故障检测单元的网线。电屏蔽件被布置为将可能发生的故障电流传导至预定的连接点。例如，电屏蔽件可以连接至地。

根据本发明的另一实施方式，监测单元连接至电屏蔽件并且被配置成检测由于高电压导体的隔离退化而流经电屏蔽件的故障电流。

换句话说，监测单元被配置成控制或观察电屏蔽件并且识别正施加至电屏蔽件的电流或电位。在电屏蔽件处检测到电流或电位的情况下，可以得出以下结论：高电压导体的隔离被退化或者至少部分地处于使得故障电流从电力线流至电屏蔽件的不当状况下。

根据本发明的另一实施方式，监测单元被配置成接收并存储由于电力线的放电而导致的在故障检测单元上的电信号的至少一个信号图案特征，其中，监测单元还被配置成将从故障检测单元接收的电信号与至少一个信号图案进行比较。

例如，可以捕获由退化的隔离所导致的典型信号图案并且可以将典型信号图案提供给监测单元，使得可以通过将所接收的信号图案与已知的信号图案进行比较来识别从故障检测单元接收的相似或完全相同的信号图案，从而识别隔离的退化。为了接收并存储已知的信号图案，监测单元可以包括存储器。特别地，该存储器可以是持久性存储器。

根据本发明的另一实施方式，监测单元被配置成：如果所接收的电信号与所存储的至少一个信号图案中的至少一个信号图案匹配，则生成警报信号。

警报信号可以由监测单元输出并且可以经由信号线被传输至显示器或用于向人工操作员显示信息的另一装置。警报信号可以包括与从故障检测单元接收的信号图案有关的信息，并且还可以包括与隔离退化有关的附加信息——特别是在后者信息可以从存在于监测单元的存储器中的已知信号图案导出的情况下。

根据本发明的另一实施方式，监测单元连接至故障检测单元的第一端并且连接至故障检测单元的第二端。

换句话说，监测单元连接至故障检测单元的两端，使得在两端处接收的信号可以被彼此比较。在故障检测单元的两端处接收的信号的这种比较可以有助于确定退化的隔离的位置。

根据本发明的另一实施方式，监测单元被配置成：生成周期性重复信号，并且将该周期性重复信号提供给第一端，并且在第二端处接收周期性重复信号，并且将所提供的周期性重复信号与所接收的周期性重复信号进行比较，并且如果所接收的周期性重复信号与所提供的周期性重复信号不匹配则生成警报信号。

在该实施方式中，故障检测单元用于将周期性重复信号从一端传输到另一端。通过将输出信号与输入信号进行比较，可以确定故障检测单元的传输特性并且可以根据传输特性得出有关高电压导体的状况的结论。例如，高电压导体的机械损伤还可能损伤故障检测单元并且因此可能对传输特性有影响。

注意，监测单元还可以接收并存储针对高电压导体的若干不同类型的机械损伤的典型传输特性，使得可以基于故障检测单元的传输特性来识别损伤的类型。

根据本发明的另一实施方式，故障检测单元还包括光传导检测器。该光传导检测器连接至监测单元并且被配置成接收由高电压导体的隔离退化引起的电弧产生的光信号并且光传导检测器还被配置成将所接收的光信号传输至监测单元。

换句话说，监测单元被配置成接收电信号和光信号并且分析这些信号以确定故障检测单云的状况，并且因此确定高电压导体的状况或状态，尤其是高电压导体的隔离的状况或状态。

注意，光传导检测器还可以在故障检测单元的两端处连接至监测单元，使得参照导电检测器所提供的信息以相似的方式应用于光传导检测器。

根据本发明的另一实施方式，高电压导体还包括隔离材料，隔离材料至少包围电力线和故障检测单元，使得电力线和故障检测单元彼此间隔开。

隔离材料被定位于高电压导体的电屏蔽件内部。电力线和故障检测单元即导电检测器和光传导检测器被嵌入在隔离材料内并且在高电压导体的纵向方向上延伸。可以提供隔离材料以确保高电压导体的高电压绝缘。除了电力线的隔离层之外，还可以提供隔离材料。然而，电力线可以不包括隔离层，使得电力线仅是嵌入在隔离材料内的导电芯。

根据本发明的另一实施方式，隔离材料由光学半透明(translucent)材料制成。

因此，从电力线发出的电弧或火花产生穿过光学半透明隔离材料馈送到光传导检测器中的光信号。通常，在隔离退化的情况下发生电弧和/或火花。因此，高电压导体的隔离退化可以在早期阶段被识别。

根据本发明的另一实施方式，高电压导体还包括包围电力线和故障检测单元的外部保护涂层。

特别地，外部保护涂层包住高电压导体的电屏蔽件和所有其他部件。特别地，外部保护涂层适于保护高电压导体免受机械损伤。

注意，高电压导体的隔离退化可以由外部影响(例如机械损伤)或由部件老化造成。无论如何，本文描述的高电压导体的故障检测单元和监测单元被配置成在隔离退化开始的早期阶段检测高电压导体的不期望的操作和行为。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于飞行器的推进系统。该推进系统包括电驱动发动机、电能源以及如上下文所描述的高电压导体。电能源被配置成向电驱动发动机提供电能。高电压导体连接至电能源并且连接至电驱动发动机以向发动机提供电能。

注意，电能源可以包括多个和/或不同的电能提供单元，例如发电机或电池。然而，推进系统可以包括若干电能源以满足冗余要求。此外，推进系统可以包括多个发动机以提供所需的推进力。

根据本发明的实施方式，监测单元被配置成：如果监测单元检测到高电压导体的隔离退化，则生成警报信号和/或维护信号并且将这些信号提供给操作员。

从而，通知操作员可能需要维护高电压导体或者至少需要对高电压导体的状况的更详细的确认。

根据本发明的另一方面，提供了一种飞行器，其包括如上下文所描述的推进系统。

附图说明

将在下文中结合下面的附图描述本发明，在附图中，相似的附图标记表示相似的元件，并且在附图中：

图1示出了常规电导体的示意图；

图2示出了根据本发明的示例性实施方式的高电压导体的示意图；

图3示出了根据本发明的另一示例性实施方式的高电压导体的示意图；

图4示出了根据本发明的另一示例性实施方式的推进系统的示意图；

图5示出了根据本发明的示例性实施方式的飞行器的示意图。

具体实施方式

以下详细描述实质上仅是示例性的，而并非旨在限制本发明或者本申请以及限制本发明的用途。此外，并不意图受呈现于前述背景或下述详细描述中的任何理论所束缚。

附图中的表示和图示是示意性的而不是按比例的。相似的附图标记表示相似的元件。

对上述高电压导体和推进系统以及飞行器的更好的理解可以通过审阅本申请所附的图示以及审阅下述具体实施方式来获得。

本发明可以使得非常高电压的电缆或导体由于永久的监管和保护系统而能够工作。该系统可以允许对电缆(高电压导体)的隔离阻障(isolation barrier)的退化进行非常早期的检测。因此，一旦已经检测到隔离阻障的非常早期的退化，则可以结束飞行并且可以实施抢先维护。本发明提供恰当的手段以检测电弧故障并且实现如关断电力系统的适当动作。例如，监测单元可以被配置成断开一个或更多个开关以将有故障的高电压导体从电能供应装置断开。

本发明涉及由隔离材料包围的高电压导体(也称为电缆)。在这样的电缆的外部，使用金属外编织层或屏蔽。在隔离材料内部，将嵌入有电晕检测系统。电晕作为电压和压力的函数而发生。电压越高和/或大气压力越低(高达远在50000英尺FL之上的最大值)，则电晕效应将越高。虽然不认为电晕是隔离故障，但是电晕可能在延长时段内导致隔离能力的损坏。电晕首先发生在隔离物的孔洞或裂缝处。因此，可以利用电晕的存在作为对隔离能力的变化或者隔离退化的早期指示。

通常，这种检测可以基于以下两个原理中的一个或两个：

a)光学检测

电晕伴随着光学现象发生。如果隔离材料是半透明的，则光学纤维可以沿着电缆获得任何效应。如果设计是使得在健康状况下隔离物不会显示任何电晕效应，则将在电缆中获得任何光效应。

b)电磁检测

现今，在实验室中可以精确地确定电晕放电的电磁足迹。该技术被用于对在高电压操作的飞行设备上的防电晕设计进行验证。如果将接收天线(故障检测单元的导电检测器)嵌入在导体内部，则可以检测到电磁足迹的变化，并且可以确定电晕的存在。

此外，沿着电缆的金属外编织层(例如，网线)将允许在电导体(电力线)与金属壳之间的持续的故障电流监管。这可以防止在隔离能力突然崩溃的情况下电能的释放，其中，在隔离能力突然崩溃的情况下电晕检测将不会获得任何缓慢退化(例如外部机械损伤)。

飞行中电晕检测系统与永久的隔离监管系统的结合将允许在飞行器包线(aircraft envelope)的限制下操作和安装非常高电压的电力线。对于隔离物中的非常早期的变化的检测使得能够安全地完成飞行并且能够在推进系统丧失之前或者在任何外部损坏发生之前执行修理和维护。

作为选项，可以使用隔离芯信号线或光学纤维来检测电力线的断开。健康信号可以连续地穿过该芯信号线从一个端子传输到另一个端子并且返回。在电力线断开的情况下，假设信号线也将断开，即健康信号传输被干扰，这可以通过监测单元的适当的信号处理电路来检测。信号线(故障检测单元)还可以用来确定穿过电力线的电压降，例如检测过载状况。

图1示出了常规电导体的示意性表示。注意，当提及导体的部件时在图1中以及在图2至图5中使用相似的附图标记。

高电压导体100包括第一电力线140和第二电力线150。电力线中的每一个包括导电芯，并且可选地包括隔离层142、152。电力线140、150被嵌入在隔离材料130内。可选的隔离层142、152和隔离材料130提供电力线的电绝缘。此外，高电压导体100包括将隔离材料130连同电力线140、150一起包围的电屏蔽件120。该电屏蔽件120可以是沿着高电压导体100的整个长度延伸的网线。该电屏蔽件120被布置为保护高电压导体的周围物免受由于退化的隔离材料130或任何其他故障而造成的故障电流。为此，电屏蔽件120可以连接至地。在电屏蔽件120的外侧，提供外部保护涂层110以保护高电压导体100免受机械损伤。

注意，高电压导体100可以包括额外的层，或者可以将所呈现的层中的一个或更多个层在功能上和/或结构上分离成多于一个的子层。例如，电屏蔽件120可以包括由不同材料制成的或者被不同地构造的两个子层。类似的考虑适用于例如外部保护涂层110。

图2示出了与图1中示出的高电压导体相似的高电压导体100。然而，图2示出的高电压导体100还包括故障检测单元160，该故障检测单元160也嵌入在隔离材料130内并且沿高电压导体100的纵向方向大体上平行于电力线140、150延伸。如图2中所见，故障检测单元160与电力线中的每个电力线间隔开。

故障检测单元160可以是导电线或者在其中可以通过电磁场引起电流的任何其他元件。如果电力线140、150传导电流，则电力线140、150会发出电磁场。如果隔离层142、152和/或隔离材料130由于机械损伤或老化而经历了退化，则这些电磁场可能发生变化。因此，如果电磁场发生变化，则引入故障检测单元160内的电流也发生变化。因此，作为结果或基于通过故障检测单元传输的电信号可以得出关于隔离部件退化的结论。注意，由电力线142、152发出的电磁场可以以交替的或不规则的方式(例如强度的时间峰值)变化或者也可以被影响使得强度永久地改变。

图3示出了图2的高电压导体100，其中另外示意性地示出了监测单元170。此外，除导电检测器162之外，高电压导体100还包括光传导检测器164。光传导检测器164大体上平行于导电检测器162和电力线延伸，其中，仅示出了电力线中的一个。

隔离材料130由光学半透明材料制成，使得由在电力线140与电屏蔽件120之间的或在两个电力线之间的电弧和/或火花产生的光信号使得光信号被引入光传导检测器164。

监测单元170连接至导电检测器162并且连接至光传导检测器164。如图3中可见，监测单元170连接至检测器162、164的两端。这些连接在右侧由实线示出并且在左侧由虚线示出。因此，监测单元170可以检测到由故障检测单元传输至高电压导体的两端的电信号和光信号。为了对由检测器162、164传输的电信号和光信号进行检测和处理，可以应用上文描述的原理。为了简洁起见，此处不再重复这些细节，并且参照上文相应部分。

注意，故障检测单元160的导电检测器162和光传导检测器164可以不用于高电压导体中的电能传输，而是专门用于传输便于检测高电压导体100的隔离(隔离材料130和隔离层142、152)退化的信号。

图4示出了用于飞行器的推进系统200，其中推进系统包括第一电能源205和第二电能源206、在前面的附图中示出的高电压导体100、以及发动机210。电能源205可以是发电机而电能源206可以是包括一个或更多个电池模块的电池。发动机210是分配并连接至推进器以生成用于驱动飞行器的推进力的电驱动马达。

如在该图中可见，电能源通过高电压导体100连接至发动机，其中电能源中的每个电能源可以通过开关从高电压导体断开。通常，在仅需要电能源中的一个的情况下(例如，如果发电机205恰当地工作，则可以不需要电池206)或者在电能源中的一个发生故障的情况下，将电能源与高电压导体断开并且从而与发动机断开。反过来同样适用：在需要额外的电力的情况下，可以将两个电能源都连接至高电压导体100。

图4还示出了包括若干功能模块的监测单元170。监测单元170包括控制监测模块172、飞行警告模块174、以及维护模块176。监测单元的这些功能模块被配置成验证和指示高电压导体100——特别是高电压导体的隔离——的状态和状况。如果从故障检测单元160接收到的信号超过类似信号幅度和/或信号图案(signal pattern)的信号特征或参数的预定阈值，或者如果从故障检测单元160接收到的信号与已知的信号图案相似或相同，则功能模块可以生成并输出警报信号。

图5示出了包括推进系统200的飞行器300。电能源205、206可以布置在飞行器的机身或机翼内并且发动机和推进器(未示出)可以更具体地布置在飞行器的机翼处。高电压导体100将电能源与一个或多个发动机互相连接以提供用于驱动发动机的电力。高电压导体可以具有从几米直至几十米或者甚至几百米的长度。监测单元170被布置成使得其能够验证高电压导体的状况并且使得所生成的警报信号被提供给操作员。例如，警告灯可以点亮以指示高电压导体的不期望的状况。该警告灯可以被布置在飞行器的驾驶员座舱中或乘务员或操作员注意到的别的地方。替选地或另外地，警报信号可以被传输至地面控制站，在地面控制站可以发起飞行器的最初维护步骤。

尽管已经在上述本发明的详细描述中呈现了至少一个示例性实施方式，但是应该理解的是存在大量的变型。还应该理解的是一个或多个示例性实施方式仅是示例，而非旨在以任何方式限制本发明的范围、适用性或配置。相反地，上述详细描述将为本领域技术人员提供用于实现本发明的示例性实施方式的方便的路线图。可以理解的是，在不脱离如所附权利要求中阐述的本发明的范围的情况下，可以在示例性实施方式中描述的元件的功能和布置方面做出各种改变。

另外，注意，“包括”或“包含”不排除任何其他元素或步骤，并且“一”或“一个”不排除多数或复数个。另外注意，参照以上示例性实施方式中的一个示例性实施方式描述的特征或步骤还可以与上述其他示例性实施方式的其他特征或步骤相结合地来使用。权利要求中的附图标记不应被解释为限制。

附图标记列表

100 高电压导体

110 外部保护涂层

120 电屏蔽件

130 隔离材料

140 第一电力线

142 隔离层

150 第二电力线

152 隔离层

160 故障检测单元

162 导电检测器

164 光传导检测器

170 监测单元

172 控制监测模块

174 飞行警告模块

176 维护模块

200 推进系统

205 第一电能源

206 第二电能源

210 发动机

300 飞行器

Claims (13)

1.一种用于传输高电压的高电压导体(100)，包括：

电力线(140)，其被配置用于电能传输；

故障检测单元(160)，其被配置用于检测由所述电力线发出的电磁场；

监测单元(170)，其被配置用于检测所述高电压导体的隔离退化；

其中，所述监测单元连接至所述故障检测单元并且所述监测单元被配置成接收在所述故障检测单元中引起的电信号，所述电信号是由于所述高电压导体的隔离退化而引起的，

其中，所述监测单元连接至所述故障检测单元的第一端并且连接至所述故障检测单元的第二端，

其中，所述监测单元被配置成：生成周期性重复信号，并且将所述周期性重复信号提供给所述第一端，并且在所述第二端处接收所述周期性重复信号，并且将所提供的周期性重复信号与所接收的周期性重复信号进行比较，并且如果所接收的周期性重复信号与所提供的周期性重复信号不匹配则生成警报信号。

2.根据权利要求1所述的高电压导体(100)，

其中，所述故障检测单元包括在所述高电压导体的纵向方向上延伸的导电检测器(162)。

3.根据权利要求1或2所述的高电压导体(100)，还包括：

电屏蔽件(120)，其包围所述电力线和所述故障检测单元。

4.根据权利要求3所述的高电压导体(100)，

其中，所述监测单元连接至所述电屏蔽件并且所述监测单元被配置成检测由于所述高电压导体的隔离退化而流经所述电屏蔽件的故障电流。

5.根据权利要求1或2所述的高电压导体(100)，

其中，所述监测单元被配置成接收并存储由于所述电力线的放电而导致的在所述故障检测单元上的电信号的至少一个信号图案特征；

其中，所述监测单元被配置成将从所述故障检测单元接收的电信号与所述至少一个信号图案进行比较。

6.根据权利要求5所述的高电压导体(100)，

其中，所述监测单元被配置成：如果所接收的电信号与所存储的至少一个信号图案中的至少一个信号图案匹配，则生成警报信号。

7.根据权利要求1或2所述的高电压导体(100)，

其中，所述故障检测单元还包括光传导检测器(164)；

其中，所述光传导检测器连接至所述监测单元；

其中，所述光传导检测器被配置成接收由所述高电压导体的隔离退化引起的电弧产生的光信号，并且其中，所述光传导检测器被配置成将所接收的光信号传输至所述监测单元。

8.根据权利要求1或2所述的高电压导体(100)，还包括：

隔离材料(130)，其至少包围所述电力线和所述故障检测单元，使得所述电力线和所述故障检测单元彼此间隔开。

9.根据权利要求8所述的高电压导体(100)，

其中，所述隔离材料由光学半透明材料制成。

10.根据权利要求1或2所述的高电压导体(100)，还包括：

外部保护涂层(110)，其包围所述电力线和所述故障检测单元。

11.一种用于飞行器(300)的推进系统(200)，所述推进系统包括：

电驱动发动机(210)；

电能源(205，206)，其被配置成向所述电驱动发动机提供电能；

根据前述权利要求中任一项所述的高电压导体(100)；

其中，所述高电压导体连接至所述电能源并且连接至所述电驱动发动机以向所述电驱动发动机提供电能。

12.根据权利要求11所述的推进系统(200)，

其中，所述监测单元被配置成：如果所述监测单元检测到所述高电压导体的隔离退化，则生成警报信号和/或维护信号并且将这些信号提供给操作员。

13.一种飞行器(300)，包括根据权利要求11或12所述的推进系统(200)。

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