CN109524942A

CN109524942A - 包括电气保护系统的电气链路

Info

Publication number: CN109524942A
Application number: CN201811087857.6A
Authority: CN
Inventors: 帕特里克·奥姆斯
Original assignee: Airbus Operations SAS
Current assignee: Airbus Operations SAS
Priority date: 2017-09-18
Filing date: 2018-09-18
Publication date: 2019-03-26
Anticipated expiration: 2038-09-18
Also published as: FR3071351B1; EP3457510B1; EP3457510A1; US20190089074A1; FR3071351A1; CN109524942B; US10903645B2

Abstract

本发明涉及一种电气链路，其包括包围至少两个导体的保护套，每个导体由绝缘护套包围。电气链路还包括电气保护系统，其具有：与每个导体相关联的：被安排成围绕导体的绝缘护套的导电护套、被安排在导体上且被配置成在激活时断开并使导体断电的断路器、连接到导电护套且被配置成在接收激活信号时生成非零电流的直流电流发生器、以及连接到导电护套和断路器的漏电流检测组件；定序器，其向电气链路的电流发生器持续提供激活信号。导体的检测组件被配置成测量通过导电护套的电流且将与该电流成比例的电压与第一和第二值范围相比较，并且在以下情况下激活断路器：该电压在第一值范围之外，同时电流发生器生成非零电流；或者该电压在第二值范围之外。

Description

包括电气保护系统的电气链路

技术领域

本发明涉及一种电气链路，所述电气链路包括用于将高直流电压传输到用户设备项的至少两根电缆，所述链路包括用于安全地提供电能的电气保护系统。

背景技术

飞行器的电气设施包括链接到用户设备项的电源，所述用户设备项经由彼此绝缘并安排在保护套中的电缆供给电能。

在飞行器中消耗的电力不断增加。这种趋势不可避免地导致飞行器中电源的电压电平升高，所述电压电平通常为28伏特DC(DC指代直流)的数量级到540伏特DC的数量级的电压。

这样的电压值揭示了飞行器中的新问题。例如，在护套的电绝缘性下降的情况下，如果电流从保护套泄漏或在所述保护套的电缆之间泄漏，则可能发生并联电弧，同样地，在导体断开的情况下可能发生串联电弧。

存在经由包括若干电缆的保护套确保向飞行器的用户设备项提供高压和直流电能的需要。

发明内容

本发明旨在解决这种需要并且涉及一种电气链路，所述电气链路包括包围至少两个导体的保护套，其中，所述导体中的每一个适合于将直流电压源链接到用户设备项，每个导体由绝缘护套包围，所述电气链路还包括电气保护系统，所述电气保护系统包括：

·与每个导体相关联的：

o导电护套，被安排成围绕所述导体的所述绝缘护套，

o断路器，被安排在所述导体上、并且被配置成在被激活时断开并使所述导体断电；

o直流电流发生器，连接到所述导电护套并且被配置成在接收到激活信号时生成非零电流；以及

o漏电流检测组件，连接到所述导电护套和所述断路器；

·定序器，连续地向所述电气链路的所述电流发生器提供激活信号；

导体的所述检测组件被配置成测量通过所述导电护套的电流并且将与所述电流成比例的电压与第一值范围和第二值范围进行比较，所述检测组件在以下情况下激活所述断路器：

-如果所述电压在所述第一值范围之外，同时所述电流发生器生成非零电流；或者

-如果所述电压在所述第二值范围之外，同时所述电流发生器生成零电流。

根据本发明的配备有电气保护系统的电气链路使得在这两个导体中的至少一个上发生指示保护套的完整性丧失的异常漏电流时，能够在电子电路的短暂响应时间之后停止(通过断开一个或多个导体)全部或仅一部分能量传输。电能的快速断开(几毫秒)避免了通过在周围材料上引起的热效应(电弧)和对周围材料的电流注入以及高压HV到保护套周围的环境中的传播而造成的损坏。

附图说明

通过阅读关于附图所给出的对示例性实施例的以下说明，本发明的上述特征以及其他特征将变得更加明显，在附图中：

-图1表示了根据本发明的实施例的包括电气设施的飞行器，该电气设施具有经由电气链路连接到多个用户设备项的电源；

-图2表示了根据本发明的实施例的图1中所示的电气设施以及电气链路的电气保护系统表示的框图，所述链路包括保护套和电气保护系统；

-图3表示了图2中所示的电气链路的保护套的横截面图；

-图4表示了图2中所示的电气设施的电气图；

-图5a至图5c是展示了当保护套及其部件没有故障时图2中所示的电气设施上的信号的趋势的简图；

-图6a至图6c是展示了当保护套呈现出第一种情况的完整性丧失时图2中所示的电气设施上的信号的趋势的简图；

-图7a至图7c是当保护套呈现出第二种情况的完整性丧失时与图6a至图6c的简图类似的简图；

-图8a至图8c是当保护套呈现出第三种情况的完整性丧失时，与图6和图7中简图类似的简图。

具体实施方式

关于图1至图3，飞行器A包括具有高直流电压电源2的电气设施1，该高直流电压电源向至少两个用户设备项5a、5b提供能量，其中，每个用户设备项经由电气链路100链接到电源2。电气链路100包括由绝缘材料制成的保护套4和安排在护套中的至少两个电导体30，每个导体30将电源2链接到用户设备项5a、5b。

为了确保保护套4的导体30之间的绝缘，每个导体30由绝缘护套31夹套，并且保护套4的内部也填充有绝缘材料34。

电源2还通过电流返回线路6链接到用户设备项5a、5b。在上面的描述中，电流返回线路6应理解为是返回导体或电流返回网络。

高压电源2提供直流电压HV，该直流电压可以是相同极性的两个电压，例如，2倍+540V，或相反极性的两个电压，例如，+270V和-270V。

飞行器A还包括导电结构(未示出)，该导电结构由飞行器的处于参考电位并且形成地50(图4中可见)的任何金属导电元件(例如：框架、滑行装置、驾驶室地板的副框架)形成。

根据本发明，电气链路100包括电气保护系统3，该电气保护系统用于经由保护套4来确保电能从电源2传输到用户设备项5a、5b。

关于图2和图3，电气保护系统3包括定序器20，并且对于链路中的每个导体30，以相同的方式包括：

-由绝缘材料33包围的(例如金属格子型的)导电护套32，所述导电护套32安排在导体30的绝缘护套31上并且直接与所述绝缘护套31接触(见图3)；以及

-分析和断路装置21，安排在例如壳体/电子电路板上，并且该分析和断路装置确保检测去往或来自导电护套32的漏电流，并且在检测到电流泄漏时确保断开导体30。

电流泄漏在三种情况下发生：

-当保护套4和绝缘材料34损坏并且导电护套32与飞行器A的导电结构相接触时，

-当其中一个导体30的绝缘护套31损坏并且在导电护套32与导体30之间发生电弧或接触时；

-当绝缘材料34损坏并且两个导电护套32相接触时。

关于图4，例如采用微编程类型的定序器20接收时钟信号作为输入。定序器20具有多个通道Q1、Q2，被称为输出端，其中，每个输出端与单个导体30相关联并且连接到专用于该导体的分析和断路装置21。

定序器20实施预定义的序列，该序列包括以牵引器方式连续地激活输出端Q1、Q2，也就是说，连续地将激活信号发送到输出端Q1、Q2(在给定时刻上接收激活信号的单个输出端)。

输出端Q1、Q2的连续激活由定序器的时钟定速。作为示例，时钟频率是40Hz，使得每个输出端Q1、Q2在25毫秒的时间上被激活。

专用于导体30的分析和断路装置21包括断路器42、直流电流发生器43和漏电流检测组件49。

断路器42安排在导体30上、在导体30的上游端(电源侧)处。如已知的，断路器42用作开关，当其接收到激活命令时，其断开并因此使导体30断电。

直流电流发生器43连接在地50与导电护套32的电流注入点40之间，所述注入点例如位于导体30的上游端(电源侧，断路器的下游)。

电流发生器43还连接到专用于导体30的定序器20的输出端Q1、Q2，使得该电流发生器的操作取决于所述输出端的激活或不激活：

·如果输出端被激活，则电流发生器43被激活并在电流注入点40处注入非零偏置电流Ig，从而确保导电护套32的偏置；并且

·如果输出端被去激活，则电流发生器43不产生任何电流(Ig＝0)。

检测组件49包括：用于测量通过导电护套32的电流Ir的分流型电流测量电阻器44；以及连接在电阻器44与断路器42之间的比较模块46、紧接着是多路复用器模块47、并且然后是确认模块48。比较模块46和多路复用器模块47以及确认模块48的功能例如在适当编程的微控制器中实施。

具有已知值R_分流的电阻器44在第一端子处连接到导电护套32的电流采样点41并且在第二端子处连接到地50。电流采样点41例如位于导体30的下游端(用户设备项侧)处。如已知的，电阻器44的端子处的电压Ur与通过电阻器44和导电护套32的电流Ir成比例，即Ur＝Ir R_分流。

比较模块46经由被称为检测线的电气链路45连接到分流器44的第一端子。检测线45中的电压是与电流Ir成比例的电压Ur。

比较模块46将检测线45中的电压Ur与两个电压值范围进行比较，如下：

·当电流发生器43被激活并且保护套4没有呈现出任何绝缘故障问题时，以检测线45中的电压Ur的预期值为中心的高范围。该预期电压Ur值被称为最大电压Ur_最大，并且

·当没有电流注入导电护套32时，以与检测线45中的电压相对应的零电压为中心的低范围。

在绝对值上，高范围的最小值大于低范围的最大值。

检测组件49因此被配置成通过使用分流电阻器44来测量通过导电护套32的电流Ir，并将分流电阻器44的端子处的与所述电流Ir成比例的电压Ur的值与高范围和低范围进行比较。

在关于图4所展示的示例性实施例中，比较模块46包括两个窗口比较器46a、46b，每个窗口比较器包括，如已知的，两个比较器C1、…、C4以及接收这两个比较器的输出作为输入的OR逻辑门。在Ur_最大为正的示例中，安排如下：

·对于高范围的窗口比较器46b：

-第一比较器C4具有其正输入端子连接到电阻器44的第一端子，以及其负输入端子连接到提供参考电压V_参考4(高范围的最高电压值)的直流电压发生器(未示出)；

-第二比较器C3具有其负输入端子连接到电阻器44的第一端子，以及其正输入端子连接到提供参考电压V_参考3(高范围的最低电压值)的直流电压发生器(未示出)；

-OR逻辑门接收这两个比较器C4、C3的输出作为输入。

·对于低值范围的窗口比较器46a：

-第一比较器C2具有其正输入端子连接到电阻器44的第一端子，以及其负输入端子连接到提供参考电压V_参考2(低范围的最高电压值)的直流电压发生器(未示出)；

-第二比较器C1具有其负输入端子连接到电阻器44的第一端子，以及其正输入端子连接到提供参考电压V_参考1(低范围的最低电压值)的直流电压发生器(未示出)；

-OR逻辑门接收这两个比较器C2、C1的输出作为输入。

参考电压的选择决定了Ur的最大可接受变量，因此也决定了Ir的最大可接受变量。电流Ir的最小值和最大值考虑了注入电流Ig以及可能存在于飞行器的电气设施中的正常且可接受的漏电流。

多路复用器模块47接收这两个窗口比较器46a、46b的输出信号作为输入，并且还连接到与导体30相关联的定序器20的输出端Q1、Q2。

在关于图4所展示的示例性实施例中，多路复用器模块47包括两个AND逻辑门，即，接收专用于高范围的窗口比较器46b的输出的第一AND逻辑门47b，以及接收专用于低范围的窗口比较器46a的输出的第二AND逻辑门47a。

第一AND逻辑门47b的输入还直接连接到与导体30相关联的定序器20的输出端Q1、Q2，而第二AND逻辑门47a的输入通过NOT逻辑门47c连接到所述输出端Q1、Q2(如果其输入是设置为0的信号，则产生设置为1的信号作为输出，并且反之亦然)。

OR逻辑门47d接收这两个AND逻辑门47a、47b的输出作为输入。OR逻辑门的输出信号S-结果被发送到确认模块48。

如果接收到的信号S_结果被设置为1，则确认模块48接收输出信号S_结果(S_Result)并对被称为确认时间tc的时间进行倒计时。如果信号S_结果在确认时间tc的整个持续时间上保持为1，则在时间tc结束时，确认模块48将设置为1的激活信号S_输出(S_Out)发送到断路器42。

在接收到设置为1的信号S_输出时，断路器断开导体30。

确认时间tc被选择为考虑电子器件在Q1与Q2之间的每次转换上的稳定时间以及电流Ig的稳定时间。因此，对于25毫秒(40Hz时钟)的通道激活时间，5毫秒的确认时间tc是合适的值。

关于图5至图8展示了根据本发明的保护系统的操作示例。这些图示出了，对于电气设施1，当从时间T1直到时间T2、与电气链路相关联的定序器的输出端被激活时，信号Ig和Ir(图5a、图6a、图7a、图8a)、Ur(图5b、图6b、图7b、图8b)和S_结果/S_输出(图5c、图6c、图7c、图8c)的趋势的示例。

在这些示例中：

HV＝540V(导体中的电流为30A)

Ig＝1A

R_分流＝10欧姆10瓦特

V_参考4＝15V

V_参考3＝5V

V_参考2＝2.5V

V_参考1＝-2.5V

定序器时钟频率：40Hz

tc＝5毫秒

Ur_最大基本上等于10伏特(在正常漏电流内)

Ur_最小基本上等于0伏特(在正常漏电流内)。

关于图5a至图5c，考虑保护套没有呈现出故障的情况。

从时间0到时间T1，电气链路10的电流发生器43被去激活并且电流Ig等于0。因此Ir和Ur也基本上为零。

窗口比较器46a检测到Ur在低范围内并提供设置为0的输出信号。

窗口比较器46b本身检测到Ur在高范围之外并提供设置为1的输出信号。

与窗口比较器46a相关联的AND逻辑门47a接收来自比较模块46的设置为0的信号以及来自定序器20的设置为1的信号(由于NOT逻辑门47c)。因此，来自门47a的信号为0。

与窗口比较器47b相关联的AND逻辑门46b接收来自比较模块46的设置为1的信号以及来自定序器20的设置为0的信号。因此，来自门47b的信号为0。

确认模块48接收来自多路复用器模块47的设置为0的信号S_结果，并且不触发对确认时间tc的倒计时。

从时间T1直到时间T2，电流发生器43将电流Ig注入导电护套32，并且在时间T1上，Ig的值立即变为等于1A。在时间T1与T2之间，电流Ir趋向于达到接近/但小于Ig的最大值，但是由于电容效应而不是瞬时地达到。实际上，电流Ir的值达到其最大值需要几毫秒(大约1毫秒或2毫秒的数量级)。

电压Ur遵循Ir的曲线并在几毫秒后达到其值Ur_最大。

在几毫秒的延迟期间，窗口比较器46b检测到电压Ur在高范围之外并提供设置为1的输出信号。

AND逻辑门47b接收来自比较模块46的设置为1的信号以及来自定序器20的设置为1的信号。

确认模块48接收来自多路复用器模块47的设置为1的信号S_结果，并且启动对确认时间tc的倒计时。现在，电压Ur在小于确认时间tc的时间之后达到其最大值Ur_最大，使得断路器未被激活(信号S_输出保持为0)。

从T2开始，电流发生器43被去激活，并且电流Ig的值在时间T2瞬间变为零。由于电容效应，Ir趋向于达到零值但不是瞬时地达到。实际上，电流Ir的值变为零需要几毫秒(大约1毫秒或2毫秒的数量级)。

电压Ur遵循Ir的曲线并且在几毫秒之后也达到其接近0的最小值(由于杂散效应)。

在几毫秒的延迟期间，窗口比较器46a检测到电压Ur在所述范围之外并提供设置为1的输出信号。

AND逻辑门47a接收来自比较模块46的设置为1的信号以及来自NOT逻辑门47c的设置为1的信号。

确认模块48因此接收来自多路复用器模块的设置为1的信号S_结果，并且启动对确认时间tc的倒计时。现在，电压Ur在小于确认时间tc的时间之后达到其接近0的最小值，使得断路器未被激活(信号S_输出保持为0)。

因此，确认模块48能够考虑电流Ir的稳定性对电流Ig的注入/断开的影响。

在图6的示例中，考虑这样的情况，其中，保护套4以及导体30的导电护套32的绝缘护套33被损坏，使得从时间T0开始，导电护套32与飞行器的(在0V电位处的)结构相接触。

从时间T0到时间T1，电流发生器43被去激活，并且情况与以上关于图5所描述的相同时间段上的情况相同。

从时间T1开始，电流发生器43将电流Ig注入到导电护套32中，该导电护套瞬间取1安培的值。在时间T1与T2之间，电流Ir具有接近0的值，因为大部分Ig由于导电护套32与飞行器的结构的接触而流入该结构中。因此，电压Ur保持在接近0伏特的值。

窗口比较器46b检测到电压Ur在高范围之外并提供设置为1的输出信号。

确认模块48因此接收来自多路复用器模块的设置为1的信号S_结果，并且启动对确认时间tc的倒计时。在确认时间结束时，确认模块将设置为1的激活信号S_输出发送到断路器。

在图7的示例中，考虑这样的情况，其中，导体30之一的绝缘护套31从位于时间T1之前的时间Tp损坏，使得导电护套32和导体30(或另一条链路的导体)相接触。

从时间T0到时间Tp，电流发生器43被去激活并且电流Ig的值为零。确认模块48接收来自多路复用器模块47的设置为0的信号S_结果。

从时间Tp开始，电流Ir遵循链接至来自导体30的电流泄漏的向上斜率，而电流发生器43被去激活并且不输送电流。电压Ur从时间Tp开始遵循与电流Ir相同的斜率。

窗口比较器46a检测到Ur在低范围之外并提供设置为1的信号。

确认模块48在大于确认模块的确认时间tc的时间上接收来自多路复用器模块47的设置为1的信号S_结果，并且确认模块将设置为1的激活信号S_输出发送到断路器。

在图8的示例中，考虑这样的情况，其中，保护套4下方的绝缘体34被损坏，使得两个导电护套32从时间T0开始相接触。

从时间T1开始，电流发生器43注入1A的电流Ig，该电流分布在这两个导电护套32中，因为这两个导电护套是相接触的。在时间T1与T2之间，这两个电流Ir的总和趋向于达到接近于Ig的最大值，由于电容效应而不是瞬时地达到。

由于这两个分流电阻器44是并联的，因此电压Ur在1ms或2ms之后稳定在正常值的一半的值。

确认模块48因此接收来自多路复用器模块47的设置为1的信号S_结果，并且启动对确认时间tc的倒计时。在确认时间结束时，确认模块48将设置为1的激活信号S_输出发送到断路器。

根据本发明的配备有如上所述的电气保护系统3的电气链路100使得在这两个导体中的至少一个上发生指示保护套的完整性丧失的异常漏电流时，能够在电子电路的短暂响应时间之后停止(通过断开一个或多个导体)全部或仅一部分能量传输。电能的快速断开(几毫秒)避免了通过在周围材料上引起的热效应(电弧)和周围材料的电流注入以及高压HV到保护套周围的环境中的传播而造成的损坏。

在未示出的变型中，确认模块48连接到旨在用于用户的显示屏，并且确认模块48发送信号以在将信号S_输出设置为1从而激活断路器的同时在显示屏上显示警报。

电流发生器43优选地限制在具有被选择为对于自然人来说是无害的限制内的电压，通常小于50伏特。这种优选的选项能够为自然人增加一定程度的附加保护。

在本发明的未示出的变型中，各个电流分析和断路装置21的短路装置42彼此连接成使得一个断路器42的激活引起所有其他断路器42的激活，以便完全切断通过电缆4的电能传输。

已经描述了本发明以经由飞行器A的电气设施1的电缆来保护电能的传输。然而，本发明可应用于任何其他类型的交通工具，例如，船或机动车辆。

特别地经由图4中所展示的针对正HV电压的示例描述了本发明。考虑到其他参数(正或负HV电压，正或负偏置电流Ig)，本发明的修改在本领域技术人员的能力范围内。

被描述为执行比较模块46和多路复用器模块47的功能的设置仅是本发明的示例性实施例。在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用其他逻辑设置来实现这些功能。

在图中未示出的本发明的变型中(该变型的操作和电气图与以上关于图1至图8所描述的相同)，电气链路的保护套是织机型的。在这种情况下，电导体是同轴型的并且在所述护套中一起布线。

最后，代替电阻器44，可以使用用于测量通过导电护套32的电流Ir的其他类型的电流传感器。这些电流传感器将采用适合于电气链路100的电特性的技术。

Claims

1.一种电气链路(100)，包括包围至少两个导体(30)的保护套(4)，其中，所述导体(30)中的每一个适合于将直流电压源(2)链接到用户设备项(5a，5b)，每个导体(30)由绝缘护套(31)包围，其特征在于，所述电气链路(100)还包括电气保护系统(3)，所述电气保护系统包括：

·与每个导体(30)相关联的：

ο导电护套(32)，被安排成围绕所述导体(30)的所述绝缘护套(31)，

ο断路器(42)，被安排在所述导体(30)上、并且被配置成在被激活时断开并使所述导体(30)断电；

ο直流电流发生器(43)，连接到所述导电护套(32)并且被配置成在接收到激活信号时生成非零电流(Ig)；以及

ο漏电流检测组件(49)，连接到所述导电护套(32)和所述断路器(42)；

·定序器(20)，连续地向所述电气链路(100)的所述电流发生器(43)提供激活信号，

所述导体(30)的所述检测组件(49)被配置成测量通过所述导电护套(32)的电流(Ir)并且将与所述电流(Ir)成比例的电压(Ur)与第一值范围和第二值范围进行比较，所述检测组件(49)在以下情况下激活所述断路器(42)：

-如果所述电压(Ur)在所述第一值范围之外，同时所述电流发生器(43)生成非零电流(Ig)；或者

-如果所述电压(Ur)在所述第二值范围之外，同时所述电流发生器(43)生成零电流。

2.根据权利要求1所述的电气链路(100)，其特征在于，在绝对值上，所述第一值范围的最小值大于所述第二值范围的最大值。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的电气链路(100)，其特征在于，所述定序器包括多个输出端(Q1，Q2)，其中每个输出端专用于单个导体(30)并且连接到所述电流发生器(43)以及与所述导体相关联的所述检测组件(49)。

4.根据权利要求1所述的电气链路(100)，其特征在于，每条电气链路的所述检测模块(49)包括：

-电阻器(44)，具有第一端子和第二端子，所述电阻器在其第一端子处连接到所述导电护套(32)并且在其第二端子处连接到地(50)；

-比较模块(46)，经由被称为检测线(45)的电气链路连接到所述电阻器(44)的所述第一端子，并且被配置成将所述检测线(45)中的所述电压(Ur)的值与第一电压值范围和第二电压值范围进行比较。

5.根据权利要求4所述的电气链路(100)，其特征在于，所述比较模块(46)包括第一窗口比较器(46b)和第二窗口比较器(46a)，第一窗口比较器用于将所述检测线中的所述电压的值与所述第一值范围进行比较，以及所述第二窗口比较器用于将所述检测线中的所述电压的值与所述第二值范围进行比较。