CN109596977B - 开关故障检测系统 - Google Patents

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Abstract

一种确定电气系统的两个或更多个串联开关中的故障的系统和方法。电气系统包括至少一个AC电源，至少一个传感器，至少两个串联开关，以及包括处理器和存储器的故障分析模块。该方法包括由至少一个AC电源向电气系统施加至少一个时变信号。该方法还包括由故障分析模块从至少一个传感器接收在电气系统的至少一个节点处的至少一个时变信号的至少一个测量结果。该方法还包括由故障分析模块接收至少一个预定信号参数，并且由故障分析模块基于至少一个测量结果和至少一个预定信号参数确定故障的存在。

Description

开关故障检测系统
技术领域
本发明涉及电气系统中故障开关的检测和识别。更具体地，本发明涉及串联开关故障检测和识别。
背景技术
电气系统通常采用多个开关和继电器来在操作期间启用和/或停用各种系统组件。一个开关的故障可能导致整个系统停止服务，直到识别并更换故障开关。用于识别故障开关的传统过程通常涉及由技术人员单独测试每个开关的操作。单独测试可能非常耗时并且导致电气系统较长时间停止运行。
发明内容
在一个实施例中，一种确定电气系统的两个或更多个串联开关中的故障的方法。电气系统包括至少一个AC电源、至少一个传感器、至少两个串联开关、以及包括处理器和存储器的故障分析模块。该方法包括由至少一个AC电源向电气系统施加至少一个时变信号。该方法还包括通过故障分析模块从至少一个传感器接收在电气系统的至少一个节点处的至少一个时变信号的至少一个测量结果。该方法还包括通过故障分析模块接收至少一个预定信号参数，并且通过故障分析模块基于至少一个测量结果和至少一个预定信号参数，确定故障的存在。
通过以下更详细的描述，结合通过示例的方式示出的本发明的原理的附图，本发明的其它特征和优点将变得明显。
附图说明
图1是根据一个实施例的包括串联开关故障检测系统的电气系统的框图。
图2是根据实施例的示例性电路的示意图。
图3是根据实施例的图2的电路的测量特性的数据表。
图4是根据实施例的示例性电路的示意图。
图5是根据实施例的图4的电路的测量特性的多通道示波器显示器的图像。
图6是根据实施例的图5的示波器显示器的通道2的展开图。
图7是根据实施例的图4的电路的测量特性的多通道示波器显示器的图像。
图8是根据实施例的故障检测方法的流程图。
只要有可能，在所有附图中将使用相同的附图标记来表示相同的部件。
具体实施方式
提供一种能够识别电气系统中的故障开关的开关故障检测系统。例如，与不包括本文公开的一个或多个特征的概念相比，本公开的实施例提供了一种能够分析电气系统的阻抗以隔离故障开关的开关故障检测系统。
图1中示出了电气系统100的框图。在图1的实施例中，具有电源115(例如，50-60HzAC)的负载110经由包括至少两个串联开关的开关电路120选择性地通信地连接到其上。开关电路120可以包括至少一个单次开关122，其被配置为选择性地将电路连接到负载110，负载110包括至少一个主开关124和/或至少一个辅开关126。在一些实施例中，至少两个串联开关包括至少一个主开关124和/或至少一个辅开关126。在一些实施例中，至少两个串联开关包括至少一个主开关124。在一些实施例中，辅开关126可以配置为经由与主开关124分开的路径选择性地将电源115连接到负载110。在一些实施例中，至少一个单次开关122选择性地将电路连接到不包括主开关124的负载110。在一个实施例中，至少一个单次开关122选择性地将电路连接到负载110，负载110包括辅开关126并且不包括主开关124。在一个实施例中，在主开关124发生故障之后，至少一个单次开关122选择性地将电路连接到负载110，负载110包括辅开关126并且不包括主开关124。在一个实施例中，到负载110的电路可以包括辅开关126并且被配置为直到主开关124被修理和/或更换而允许电气系统100的操作。在一些实施例中，可以与主开关124并联地包括主开关电容器128。在一些实施例中，可以与辅开关126并联地包括辅开关电容器130。
在图1的实施例中，故障传感器150可以与至少两个串联开关并联连接到开关电路120。故障传感器150包括电源152，电源152还包括能量存储单元154(例如，电池，燃料电池和/或电容器)、开关模式电源156(SMPS)和分离式轨道隔离变压器158。双阈值操作/释放继电器模拟器(relay emulator)160触发故障传感器150以开始确定开关电路120是否正常操作的测试序列。在一些实施例中，故障传感器150可以接收外部线圈输入信号162，其可以使双阈值操作/释放继电器模拟器160开始测试序列。
故障传感器150还包括隔离区域164，隔离区域164被配置为屏蔽其中的组件免受可能影响在测试序列期间由故障传感器150进行的测量的准确性的杂散信号。在一些实施例中，至少一个主开关124的启用可以启动测试序列。
在测试序列期间还启用延迟计时器168。延迟计时器168将测试序列的进一步实现延迟预定的时间长度，该进一步实现允许至少一个主开关124闭合。在延迟时段之后，测试信号172经由包括主开关124的电路由测试信号生成模块170施加到负载110。信号生成模块170可以包括信号发生器174。放大器/驱动器176增强测试信号172的功率，并且经由信号发生器耦合电路178将测试信号172施加到负载110和开关电路120。在一些实施例中，放大器/驱动器176可以包括推挽放大器。在一些实施例中，信号发生器耦合电路178可以包括电压跟随器。在一些实施例中，测试信号表现出至少约1千赫兹(1kHz)，至少约10千赫兹(10kHz)，至少约100千赫兹(100kHz)，至少约300千赫兹(300kHz)，至少约500千赫兹(500kHz)，小于约100兆赫兹(100MHz)，小于约10兆赫兹(10MHz)，小于约1兆赫兹(1MHz)，及其组合的频率。
测试信号172可以由故障传感器150的信号接收器模块180检测。信号接收器模块180可以包括信号接收器耦合电路182、可以被配置为去除杂散信号(例如，线路噪声)的滤波器模块184、信号放大器186和检测电路188(例如，振幅检测、相位角检测及其组合)。在一些实施例中，信号接收器耦合电路182可以包括电压跟随器。在一些实施例中，信号放大器186可以包括推挽式放大器。
故障分析模块190接收并分析由检测电路188测量的测试信号172的振幅和/或相位角。故障分析模块190可包括处理器和包含指令的存储器，所述指令在由处理器执行时导致故障分析模块190分析测试信号172并通知用户是否检测到故障。比较模块192将测试信号172与对应于至少一个主开关124的位置的预定信号参数进行比较。故障继电器识别模块194分析与预定信号参数相对的(opposite)测试信号172并确定至少一个主开关124是否发生故障。如果存在多个至少一个主开关124，则故障继电器识别模块194可以进一步确定至少一个主开关124中的哪个发生故障。
如果故障分析模块190确定至少一个主开关中的至少一个发生故障，则故障分析模块190可以生成继电器故障信号196。继电器故障信号196可以连接到装置(例如，显示器，计算机，无线设备(例如，手机，平板电脑，笔记本电脑))以向用户通知故障。故障分析模块190可以另外地使单次开关启用模块198启用至少一个单次开关122以选择替代电路路径。在一些实施例中，替代电路路径包括至少一个辅开关126。
图2是例示串联开关故障检测的示例电路200的示意图。在图2的示例中，电路200包括与第一电阻器220串联的接地AC电源210。节点230与第一电阻器220串联电连接。第一串联开关240与节点230串联电连接。第一串联开关240包括与第一电容器244并联的第一继电器242。节点250还与第一串联开关240串联电连接。第二串联开关260与节点250串联电连接。第二串联开关260包括与第二电容器264并联的第二继电器262。节点270还与第二串联开关260串联电连接。第二电阻器280进一步电连接到节点270。传感器290(例如，示波器)电连接到电路200并且被配置为测量节点230和节点270处的电压。在一些实施例中，第一电容器244的电容和第二电容器264的电容是不同的。
图3是数据表300，示出了对于第一继电器242和第二继电器262的每个位置组合，在节点230和节点270处由传感器290测量的电压。如图3的数据所示。如图3的数据可见，每个开关组合导致由传感器290测量的电压的唯一组合。由继电器位置导致的数据的唯一性允许用户基于数据确定继电器242,262的位置。继电器242,262的位置的确定也可以例如通过采用如图1所描述的故障分析模块190而自动进行。
例如，如果希望两个继电器242,262都闭合，由传感器290收集的数据可以由故障分析模块190分析，以确定哪个继电器(一个或多个)已经发生故障(即，打开)。然后，故障分析模块190可以生成继电器故障信号196以通知用户继电器已经发生故障。
图4是例示串联开关故障检测的示例电路400的示意图。在图4的示例中，电路400包括接地的第一AC电源410。在一些实施例中，第一AC电源410可以是高频AC电源。高频是指大于约1千赫兹(1kHz)的频率。在一些实施例中，测试信号表现出至少约1千赫兹(1kHz)，至少约10千赫兹(10kHz)，至少约100千赫兹(100kHz)，至少约300千赫兹(300kHz)，至少约500千赫兹(500kHz)，小于约100兆赫兹(100MHz)，小于约10兆赫兹(10MHz，小于约1兆赫兹(1MHz)，及其组合的频率。在另一实施例中，第一AC电源410可以表现出至少1千赫兹(1kHz)，至少3千赫兹(3kHz)，至少10千赫兹(10kHz)，至少40千赫兹(40kHz)，至少60千赫兹(60kHz)，至少100千赫兹(100kHz)，至少500千赫兹(500kHz)，至少1千兆赫兹(1GHz)及其组合的频率。第一电阻器420与第一AC电源410串联电连接。节点A430与第一电阻器420串联电连接。第一电容器440与节点A 430串联电连接。节点B 450与第一电容器440串联连接。
在图4的示例中，第一电感器460电连接到节点B 450。节点C 470与第一电感器460串联电连接。电阻器480与节点C 470串联电连接。接地的第二AC电源490电连接到电阻器480。在一些实施例中，第二AC电源490可以是低频AC电源。低频是指小于约1千赫兹(1kHz)的频率。在一些实施例中，第二AC电源490可以表现出小于1千赫(1kHz)，小于500赫兹(500Hz)，小于100赫兹(100Hz)，小于65赫兹(65Hz)，小于60赫兹(60Hz)，小于50赫兹(50Hz)，小于40赫兹(40Hz)及其组合的频率。
在图4的示例中，第一串联开关500电连接到节点B 450。第一串联开关500包括与第一串联开关电容器504并联的第一继电器502。节点F 510进一步与第一串联开关500串联电连接。第二串联开关520与节点F 510串联电连接。第二串联开关520包括与第二串联开关电容器524并联的第二继电器522。节点D 530进一步与第二串联开关520串联电连接。第二电感器540电连接到节点D 530。节点G 550与第二电感器540串联电连接。接地电阻器560与节点G 550串联电连接。第二电容器570电连接到节点D 530。节点E 580与第二电容器570串联电连接。接地电阻器590与节点E 580串联电连接。至少一个传感器(未示出)可以电连接到电路400并且被配置为测量节点430,450,510,530,550和/或580中的一个或多个处的特性(例如，电压)。在一些实施例中，第一串联开关电容器504的电容和第二串联开关电容器524的电容是不同的。
在图4的示例中，第一AC电源410提供大约500千赫兹(500kHz)的高频信号，第二AC电源490提供大约50赫兹(50Hz)的低频信号。
图5示出了在电路400的各个节点处收集的数据的传感器视图600，其中，第一继电器502和第二继电器522都闭合。轨迹1 601是节点C 470处的波形。轨迹2 602是节点B 450处的波形。轨迹3 603是节点E 580处的波形。轨迹4 604是节点G 550处的波形。
图6是在节点B 450处测量的波形的扩展传感器视图650。图6的波形示出了来自第一AC电源410的500kHz信号652和来自第二AC电源490的50Hz信号654的叠加。
如果第一继电器502或第二继电器522中的至少一个打开，则信号的路径将包括第一串联开关电容器504和/或第二串联开关电容器524中的至少一个。将附加电容包括在信号路径中可以改变信号遇到的阻抗。阻抗取决于信号的频率。例如，电容器可以用作高通滤波器。因此，允许高频信号基本上无衰减地通过。相同的电容器可以显著衰减低频信号。图7示出了传感器视图700，其包括对应于两个继电器502,522都闭合的波形的左部分701。传感器视图700还包括对应于第一继电器502打开而第二继电器522闭合的波形的右部分702。轨迹1 705是节点B 450处的波形。轨迹2 706是节点D 530处的波形。轨迹3 707是节点G 550处的波形。轨迹4 708是节点E 580处的波形。如图7所示，当第一继电器502打开时存在的附加电容导致信号的显着衰减。
如图7所示，由第一AC电源410和第二AC电源490产生的波形遇到对应于继电器502,522的位置的不同阻抗。不同的阻抗导致在电路400的各个节点处呈现不同的波形。在一些实施例中，诸如服务技术人员的用户可以查看波形以确定哪个继电器是打开的并且因此需要修理或更换。在一些实施例中，故障分析模块190可以分析波形以确定哪个继电器(一个或多个)是打开的并且可能需要修理或更换。故障分析模块190可以另外通知用户一个或多个继电器可能需要修理或更换。
在一个实施例中，可以在具有多于两个串联开关的电气系统中执行故障确定。可以在具有至少3个串联开关，至少5个串联开关，至少7个串联开关，至少10个串联开关，至少20个串联开关或更多个串联开关的系统中执行故障确定和识别。在一些实施例中，可以采用附加信号源(例如，AC电源)来为波形提供额外的复杂性以供分析。在一些实施例中，可以采用至少3个信号源，至少4个信号源，至少5个信号源或更多信号源。在一些实施例中，信号源的频率可以在约1赫兹(1Hz)至至少1千兆赫(1GHz)，至少2千兆赫(2GHz)，至少5千兆赫(5GHz)，至少10千兆赫兹(10GHz)或更高的范围内。在一些实施例中，波形的形状可以包括正弦曲线、正方形和/或锯齿形。
图8是确定电气系统中的故障开关的方法的流程图800。在框810处，至少一个AC电源将至少一个时变信号施加到电气系统。在框820处，故障分析模块从至少一个传感器接收在电气系统的至少一个节点处的至少一个时变信号的至少一个测量结果。在框830处，故障分析模块接收至少一个预定信号参数。在框840处，故障分析模块基于至少一个测量结果和至少一个预定信号参数来确定故障的存在。

Claims (18)

1.一种确定电气系统(100)的至少一个串联开关(240)中的故障的方法，所述电气系统(100)包括至少一个AC电源(115)、至少一个传感器(290)、至少两个串联开关、以及包括处理器和存储器的故障分析模块(190)；
其中，所述至少两个串联开关的第一串联开关包括第一电容器和与所述第一电容器并联的第一继电器，所述至少两个串联开关的第二串联开关包括第二电容器和与所述第二电容器并联的第二继电器，其中，第一电容器和第二电容器具有不同的电容值，所述方法包括：
通过所述至少一个AC电源(115)向电气系统(100)施加至少一个时变信号；
通过所述故障分析模块(190)从所述至少一个传感器(290)接收在电气系统(100)的至少一个节点(230)处的所述至少一个时变信号的至少一个测量结果；
通过所述故障分析模块(190)接收至少一个预定信号参数；以及
通过所述故障分析模块(190)基于所述至少一个测量结果和所述至少一个预定信号参数确定故障的存在。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个时变信号包括至少两个时变信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个测量结果包括至少两个测量结果。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，在所述电气系统的至少两个节点处确定所述至少两个测量结果。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个测量结果包括电压测量结果。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预定信号参数包括至少一个电压。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个时变信号包括频率小于1千赫兹的第一时变信号。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述至少一个时变信号还包括频率大于1千赫兹的第二时变信号。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述至少一个时变信号还包括第三变化信号，所述第三变化信号具有与所述第一时变信号和所述第二时变信号不同的频率。
10.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括通知用户存在故障。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述时变信号包括正弦波形、方波波形或锯齿波形。
12.一种串联开关(240)故障检测系统，所述系统包括至少两个串联开关；
其中，所述至少两个串联开关的第一串联开关包括第一电容器和与所述第一电容器并联的第一继电器，所述至少两个串联开关的第二串联开关包括第二电容器和与所述第二电容器并联的第二继电器，其中，第一电容器和第二电容器具有不同的电容值；
所述串联开关(240)故障检测系统还包括处理器以及包含指令的存储器，所述指令在由处理器执行时使系统：
通过至少一个AC电源(115)向系统施加至少一个时变信号；
通过故障分析模块(190)从至少一个传感器(290)接收在电气系统(100)的至少一个节点(230)处的至少一个时变信号的至少一个测量结果；
通过所述故障分析模块(190)接收至少一个预定信号参数；以及
通过所述故障分析模块(190)基于所述至少一个测量结果和所述至少一个预定信号参数确定故障的存在。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述至少一个时变信号包括至少两个时变信号。
14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述至少一个时变信号包括频率小于1千赫兹的第一时变信号。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述至少一个时变信号还包括频率大于1千赫兹的第二时变信号。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述至少一个时变信号还包括第三变化信号，所述第三变化信号具有与所述第一时变信号和所述第二时变信号不同的频率。
17.根据权利要求12所述的系统，其中，所述至少一个测量结果包括至少两个测量结果。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，在所述电气系统的至少两个节点处确定所述至少两个测量结果。
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