CN110221136A - 用于检测电弧故障的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于检测电弧故障(42,44)的系统和方法包括：通过控制器模块(46)从上游电气构件的输出处的第一功率特性传感器接收第一感测功率特性；通过控制器模块(46)从下游电气构件的输入处的第二功率特性传感器接收第二感测功率特性，输入和输出由导体连接；通过控制器模块(46)确定第一感测功率特性和第二感测功率特性之间的差异；以及提供导体处的电弧故障(42,44)的指示。

Description

用于检测电弧故障的系统和方法

技术领域

本发明涉及用于检测电弧故障的系统和方法。

背景技术

电气系统如在飞行器功率分配系统中发现的电气系统，采用电气母线和数英里的线，用于将功率从功率源输送到电气负载。在电弧故障或其它故障情况下，高电流可能通过通常不导电的介质(如空气)传输，对于电弧故障点处或附近的功率分配系统具有不合期望的后果。

发明内容

一方面，本公开涉及一种功率分配系统，其包括具有输出和配置为感测输出处的功率特性的第一功率特性传感器的上游电气构件、具有输入和配置为感测输入处的功率特性的第二功率特性传感器的下游电气构件、将输出与输入导电连接的导体，以及控制器模块，控制器模块具有存储在存储器中的电弧故障阈值，并且与第一功率特性传感器和第二功率特性传感器通信连接，并且配置为通过从第一功率特性传感器接收第一感测功率特性和从第二功率特性传感器接收第二感测功率特性确定是否存在电弧故障，确定第一感测功率特性和第二感测功率特性之间的差异，确定校准因子并基于校准因子修改电弧故障阈值，将差异与修改后的电弧故障阈值进行比较，以及在满足比较时，提供导体处的电弧故障的指示。校准因子包括温度因子、电流因子或定时因子中的至少一个。

另一方面，本公开涉及一种用于检测功率分配系统中的电弧故障的方法，该方法包括：在控制器模块中从上游电气构件的输出处的第一功率特性传感器接收第一感测功率特性；在控制器模块中从下游电气部件的输入处的第二功率特性传感器接收第二感测功率特性，该输入和输出由导体连接；通过控制器模块确定第一感测功率特性和第二感测功率特性之间的差异；通过控制器模块确定故障阈值校准因子；基于故障阈值校准因子修改存储在控制器模块的存储器中的电弧故障阈值；将确定的差异与修改后的电弧故障阈值进行比较；以及在满足比较时，提供导体处的电弧故障的指示。故障阈值校准因子包括温度因子、电流因子或定时因子中的至少一个。

技术方案1. 一种功率分配系统，包括：

具有输出和配置成感测所述输出处的功率特性的第一功率特性传感器的上游电气构件；

具有输入和配置成感测所述输入处的功率特性的第二功率特性传感器的下游电气构件；

将所述输出与所述输入导电地连接的导体；以及

控制器模块，其具有存储在存储器中的电弧故障阈值，并且与所述第一功率特性传感器和所述第二功率特性传感器通信连接，并且配置为通过以下确定电弧故障是否存在：接收来自所述第一功率特性传感器的第一感测功率特性和来自所述第二功率特性传感器的第二感测功率特性，确定所述第一感测功率特性和所述第二感测功率特性之间的差异，确定校准因子并基于所述校准因子修改所述电弧故障阈值，将所述差异与修改后的电弧故障阈值进行比较，以及在满足所述比较时，提供所述导体处电弧故障的指示；

其中所述校准因子包括温度因子、电流因子或定时因子中的至少一个。

技术方案2. 根据技术方案1所述的功率分配系统，其特征在于，所述校准因子包括所述温度因子或所述电流因子中的至少一个以及所述定时因子。

技术方案3. 根据技术方案2所述的功率分配系统，其特征在于，所述比较的满足包括超过修改后的电弧故障阈值达一时间段，其中所述时间段与所述定时因子相关。

技术方案4. 根据任何前述技术方案所述的功率分配系统，其特征在于，所述温度因子与所述导体的实际或估计温度相关。

技术方案5. 根据任何前述技术方案所述的功率分配系统，其特征在于，所述电流因子与穿过所述导体的实际或估计电流相关。

技术方案6. 根据技术方案5所述的功率分配系统，其特征在于，所述温度因子与基于穿过所述导体的电流而得到的所述导体的估计温度相关。

技术方案7. 根据技术方案6所述的功率分配系统，其特征在于，所述温度因子还与基于在一时间段内穿过所述导体的电流而得到的所述导体的估计温度相关。

技术方案8. 根据任何前述技术方案所述的功率分配系统，其特征在于，所述校准因子包括一时间段内的温度因子或一时间段内的电流因子中的至少一个。

技术方案9. 根据任何前述技术方案所述的功率分配系统，其特征在于，所述上游电气构件或所述下游电气构件中的至少一个是固态功率控制器，所述固态功率控制器包括相应的集成的第一功率特性传感器或第二功率特性传感器。

技术方案10. 根据技术方案9所述的功率分配系统，其特征在于，所述第一功率特性传感器是电压传感器，所述第二功率特性传感器是电压传感器，并且所述控制器模块配置为在满足所述比较时提供串联电弧故障的指示。

技术方案11. 根据技术方案9或技术方案10所述的功率分配系统，其特征在于，所述第一功率特性传感器是电流传感器，所述第二功率特性传感器是电流传感器，并且所述控制器模块配置为在满足所述比较时提供并联电弧故障的指示。

技术方案12. 根据任何前述技术方案所述的功率分配系统，其特征在于，所述功率分配系统包括在一组上游和下游电气构件处的功率特性传感器阵列，并且其中所述控制器模块配置成确定在所述功率特性传感器阵列中的两个之间是否存在电弧故障，并且在满足所述比较时提供所述功率分配系统何处存在所述电弧故障的指示。

技术方案13. 一种用于检测功率分配系统中的电弧故障的方法，所述方法包括：

在控制器模块中接收来自上游电气构件的输出处的第一功率特性传感器的第一感测功率特性；

在所述控制器模块中接收来自下游电气构件的输入处的第二功率特性传感器的第二感测功率特性，所述输入和所述输出由导体连接；

通过所述控制器模块确定所述第一感测功率特性和所述第二感测功率特性之间的差异；

通过所述控制器模块确定故障阈值校准因子；

基于所述故障阈值校准因子修改存储在所述控制器模块的存储器中的电弧故障阈值；

将确定的差异与修改后的电弧故障阈值进行比较；以及

在满足所述比较时，提供所述导体处的电弧故障的指示；

其中所述故障阈值校准因子包括温度因子、电流因子或定时因子中的至少一个。

技术方案14. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，修改所述电弧故障阈值包括基于所述温度因子或所述电流因子中的至少一个以及所述定时因子来修改所述电弧故障阈值。

技术方案15. 根据技术方案14所述的方法，其特征在于，所述比较的满足包括超过修改后的电弧故障阈值达一时间段，其中所述时间段与所述定时因子相关。

技术方案16. 根据技术方案15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过控制器模块采取补救措施来消除所述电弧故障。

技术方案17. 根据技术方案13至技术方案16中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：重复地接收所述第一感测功率特性，重复地接收所述第二感测功率特性，重复地确定所述故障阈值校准因子，重复地修改所述电弧故障阈值，以及重复地比较确定的差异与修改后的电弧故障阈值。

技术方案18. 根据技术方案13至技术方案17中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：从一组上游电气构件和下游电气构件处的功率特性传感器阵列接收所述第一感测功率特性和第二感测功率特性，并且在满足所述比较时提供所述功率特性传感器阵列何处存在所述电弧故障的指示。

技术方案19. 根据技术方案13至技术方案18中任一项所述的方法，其特征在于，所述温度因子与所述导体的实际或估计温度相关，或其中所述电流因子与穿过所述导体的实际或估计电流相关。

技术方案20. 根据技术方案19所述的方法，其特征在于，所述温度因子与基于穿过所述导体的电流而得到的所述导体的估计温度相关。

附图说明

图1是根据本文描述的各个方面的飞行器和飞行器的功率分配系统的俯视示意图。

图2是根据本文描述的各个方面的功率分配系统和串联电弧故障的发生的示意图。

图3是根据本文描述的各个方面的另一功率分配系统和串联电弧故障的发生的示意图。

图4是根据本文描述的各个方面的功率分配系统的示意图和并联电弧故障的发生的示意图。

图5是根据本文描述的各个方面的另一功率分配系统的示意图和并联电弧故障的发生的示意图。

部件列表：

10 飞行器

12 左发动机系统

14 右发动机系统

16 功率分配节点

18 发电机

20 电气负载

22 传输线

30 功率分配系统

32 功率源

34 固态功率控制器

36 电接地部

38 导体

40 开关元件

42 电弧故障

44 串联电弧故障

46 控制器模块

48 处理器

50 存储器

52 第一电压传感器

54 第二电压传感器

56 输出

58 输入

60 通信线

62 信号输出通路

120 电气负载

130 功率分配系统

134 固态功率控制器

140 开关元件

152 电压传感器

156 输出

170 输入

172 输出

174 输入

176 输出

178 输入

179 输入

180 主功率分配单元

182 辅功率分配单元

184 第一辅功率分配单元

186 第二辅功率分配单元

190 第二电压传感器

192 第三电压传感器

194 第四电压传感器

196 第五电压传感器

198 第六电压传感器

199 第七电压传感器

230 功率分配系统

242 电弧故障

244 并联电弧故障

252 电压传感器

254 电压传感器

260 通信线

330 功率分配系统

334 固态功率控制器

340 开关元件

352 电压传感器

356 输出

362 信号输出通路

380 主功率分配单元

382 辅功率分配单元

384 第一辅功率分配单元

386 第二辅功率分配单元

392 电压传感器

394 电压传感器

396 电压传感器

398 电压传感器

399 电压传感器。

具体实施方式

本公开所述的方面涉及一种功率分配系统，其可用在例如飞行器中。尽管该描述主要针对用于飞行器的功率分配系统，但是它也适用于使用电气系统将功率从功率源传输到电气负载的任何环境。

尽管将描述"一组"各种元件，但将理解的是，"一组"可包括任何数目的相应元件，包括仅一个元件。同样如这里所使用的，虽然传感器可描述为"感测"或"测量"相应的值，但是感测或测量可包括确定指示相关值或与相应值相关的值，而不是直接感测或测量值本身。感测值或测量值可进一步提供给其它构件。例如，可将值提供给控制器模块或处理器，并且控制器模块或处理器可对该值执行处理以确定代表值或代表所述值的电特性。

连接表示(例如，附接、联接、连接和连结)要宽泛地理解，且可在一系列元件之间包括中间部件，以及在元件之间包括相对移动，除非另外指出。因此，连接表示不一定是指两个元件直接地连接，且与彼此成固定关系。在非限制性实例中，连接或断开可有选择地构造、连接或可连接成对相应元件之间的电连接进行提供、启用、停用等。非限制性实例的功率分配总线连接或断开可通过开关、总线连接逻辑或构造成启用或停用总线下游的电气负载的激励的任何其它连接器来启用或操作。

如这里所使用的，"系统"或"控制器模块"可包括至少一个处理器和存储器。存储器的非限制性示例可包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存，或一种或多种不同类型的便携式电子存储器，如光盘、DVD、CD-ROM等，或这些类型的存储器的任何合适的组合。处理器可配置为运行设计为执行各种方法、功能、处理任务、计算等的任何合适的程序或可执行指令，以允许或实现本文描述的技术操作或操作。程序可包括计算机程序产品，其可包括用于执行或具有储存在其上的机器可执行的指令或数据结构的机器可读介质。此机器可读介质可为可由通用或专用计算机或具有处理器的其它机器存取的任何可用的介质。大体上，此计算机程序可包括具有执行特定任务或实施特定抽象数据类型的技术效果的例行程序、程序、对象、构件、数据结构、算法等。

如这里所使用的，可控开关元件或"开关"是可控制以在第一操作模式和第二操作模式之间切换的电气设备，在第一操作模式，开关是"闭合的"，旨在将电流从开关输入传送到开关输出，而在第二操作模式，开关是"断开的"，旨在阻止电流在开关输入和开关输出之间传输。在非限制性实例中，连接或断开(诸如由可控开关元件启用或禁用的连接)可选择性地配置为提供、启用、禁用等各个元件之间的电连接。

可在具有开关的任何电路环境中实施本公开的非限制性方面。可包括本公开的方面的电路环境的非限制性示例可包括飞行器功率系统架构，其能够从涡轮发动机(优选燃气涡轮发动机)的至少一个转轴产生功率，并且通过至少一个固态开关(如固态功率控制器(SSPC)开关装置)向一组电气负载输送功率。SSPC的一个非限制性示例可包括基于碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)的高功率开关。可基于它们的固态材料构造、它们在更小和更轻的形状因子中处理高电压和大功率水平的能力以及它们非常快速地执行电气操作的高速开关能力来选择SiC或GaN。可包括附加的开关装置或附加的硅基功率源开关。

本公开的方面可在具有开关的任何电路环境中实施。可包括本公开的方面的电路环境的非限制性示例是飞行器功率系统架构，其能够从涡轮发动机(优选燃气涡轮发动机)的至少一个转轴产生功率，并且通过至少一个固态开关(如固态功率控制器(SSPC)开关装置)向一组电气负载输送功率。SSPC的一个非限制性示例可包括基于碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)的高功率开关。可基于它们的固态材料构造、它们在更小和更轻的形状因子中处理高电压和大功率水平的能力以及它们非常快速地执行电气操作的高速开关能力来选择SiC或GaN。可包括附加的开关装置或附加的硅基功率源开关。

另外，如本文所使用的，电弧或电弧放电事件是跨越传统非导电介质(如空气)的电流的不合期望或非期望的传导。例如，在非限制性情况中，并联电弧可包括至少部分地连接旨在彼此绝缘的两个点的电弧放电事件。在另一个非限制性情况中，串联电弧可包括其中导电介质在预期导电路径的两个部分之间变得不导电或导电性差的电弧放电事件。此外，在非限制性情况中，电弧放电事件或"电弧故障"可包括不合期望的功率损耗情况，而不管是否存在明显的电弧表现(例如，可见或视觉上可识别的发生)。在另一个非限制性情况中，串联电弧可包括不合期望的阻抗。

电弧可能发生在这样的环境中，例如，电连接中的物理缺陷引起传输能力的永久或暂时丧失。在发生物理分离的情况下，除了短的分离距离之外，每个分离的端子之间的电压差可允许电弧在端子之间撞击。在具有振动的环境中，例如在移动的飞行器中，电连接中的物理缺陷可能导致间歇性的电弧放电事件，因为振动在物理缺陷点处断开并重新连接电连接。在另一示例性方面，电弧可能由松散的端子连接或拉伸的串联故障引起或与其相关。

示意图仅出于图示目的，且其附图中反映的大小、位置、顺序和相对尺寸可变化。

如图1中所示，飞行器10示为具有至少一个燃气涡轮发动机，其示为左发动机系统12和右发动机系统14。备选地，功率系统可具有更少或附加的发动机系统。左发动机系统12和右发动机系统14可基本相同，并且还可包括至少一个功率源，如电机或发电机18。飞行器还示为具有一组功率消耗构件或电气负载20，例如，如，致动器负载、飞行关键负载或非飞行关键负载。电气负载20经由功率分配系统与至少一个发电机18电联接，功率分配系统包括例如功率传输线22或母线排，以及功率分配节点16。应当理解，图1所示的方面仅是功率分配系统的一个非限制性实例，并且除了所示的之外的许多其它可能的方面和构造是本公开所预期的。此外，图1中所示的各种构件的数量和放置也是与本公开内容相关联的方面的非限制性实例。

在飞行器10中，操作左发动机系统12和右发动机系统14提供机械能，机械能可通常经由转轴取得以提供发电机18的驱动力。发电机18又产生功率，如交流电(AC)或直流电(DC)功率，并将所产生的功率提供给传输线22，传输线22将功率输送到位于整个飞行器10各处的功率分配节点16。功率分配节点16经由输电线22接收AC或DC功率，且可按需要提供开关、功率转换或分配管理，以便将期望的功率提供至电气负载20来用于负载操作。

示例性功率分配管理功能可包括但不限于选择性地启用或停用功率至特定电气负载20的输送，例如，取决于可用的功率分配供应、电气负载20功能的关键性，或飞行器的操作模式，如起飞、巡航或地面操作。可包括附加的管理功能。此外，可包括用于向电气负载20提供功率的附加功率源，如应急功率源、冲压空气涡轮系统、起动机/发电机、电池等，并且替代或补充功率源。应当理解，虽然在飞行器环境中示出了一个方面，但是本公开不限于此并且普遍应用于非飞行器应用中的功率系统，其它移动应用和非移动工业、商业和住宅应用。

图2示出了飞行器10的功率分配系统30的非限制性示意性实例。如图所示，功率分配系统30可包括至少一个功率源32、可开关构件如包括代表性开关元件40的SSPC 34、电气负载20(示意性地示为电阻器)和电连接功率源32、SSPC 34和电气负载20的导体38。功率源32和电气负载20中的每一个还可电连接到电接地部36。电接地部36的非限制性方面可包括公共电接地部、接地部、公共框架如飞行器机架等。

功率分配系统30还可包括具有处理器48和存储器50的控制器模块46。控制器模块46可配置成或适于执行可控操作，例如，响应于接收的信号、数据等，并产生控制命令、信号或另一个启用或操作功能输出。例如，如图所示，控制器模块46可通过信号输出路径62与SSPC 34通信连接，并且配置成或适于可操作地控制开关元件40的开关功能。在一个非限制性方面，控制器模块46可包括或形成功率管理监测和控制(PMMC)单元的一部分。

图2还示出了在导体38的一段中发生的代表性电弧故障42。所示的电弧故障42的具体位置仅是示意性电弧放电事件的一个非限制性实例。可包括本公开的各方面，其中根据本文可检测、识别导电连接上的任何地方的电弧故障42，以及电弧故障42的实际位置。在该实例中，电弧故障42可包括在SSPC 34的输出56的下游与电气负载20的输入58的上游发生的串联电弧故障44。虽然图2的示意图未示出在功率源32或SSPC 34与电气负载20之间的大导体38长度或跨度，但在实际飞行器10环境的非限制性方面，功率源32或SSPC 34与电气负载20之间的导体38的长度或跨度可为大约几米的长距离。

可包括本公开的非限制性方面，其中一组功率特性传感器可相对于功率分配系统30的构件定位、设置、放置等。例如，如图所示，诸如第一电压传感器52的功率特性传感器可定位于SSPC 34的输出56和电接地部36之间，而诸如第二电压传感器54的另一个功率特性传感器可定位在电气负载20的输入58和电接地部36之间。在每种情况下，相应的电压传感器52,54可配置、调整、启用等以感测或测量相应位置处的电压。该组电压传感器52,54还可例如通过通信线60与控制器模块46通信连接，并且可将所感测的电压或代表其的通信提供给控制器模块46。

串联电弧故障44的初始表现(如一对端子上的电压降增加)可相对较小，并且电气负载20可继续执行其正常功能。然而，电弧故障44或电弧放电事件可逐渐增加对接触表面的损坏并因此增加热产生。这可能导致热失控情况，造成更严重的损坏，包括周围绝缘失效和相邻电路损坏。在串联电弧故障44的早期阶段期间的及时检测和适当的动作可极大地改善功率分配系统30的预期操作以及最小化电气负载20功能的丧失。

电弧保护系统的一些非限制性方面基于执行模式识别任务以搜索从作为时间的函数的一系列电流或电压测量获得的波形中的电弧"特征"。这种电弧电流或电压波形的特征识别或检测可受到环境特性的影响，环境特性在飞行器10的环境中可包括振动、连接线或导体38的传输特性的存在、绝缘材料、包括水的液体和蒸汽的存在、导体的材料、形状和尺寸等。此外，电气负载20(如有刷电机)的非限制性方面可产生、导致或检测波形，该波形随着刷磨损而随使用而变化。另外，引起功率损耗和加热的电压降可通过附加或备选机构发生，包括但不限于连接器、继电器、开关等处的磨损接触表面。这种电压降可能引起直接问题，包括产生过多的热，以及成为全面电弧放电事件的前兆阶段。然而，这种泄漏可能涉及很少或没有电弧放电并且不太可能触发电弧特征识别，并因此此电弧保护系统可能"不可检测"。

此外，不正确地检测电弧故障(实际上没有电弧故障或电弧放电事件发生)反过来影响或中断功率分配系统的至少一部分的运行，导致"误动作"。备选地，检测波形的变化也可能未由检测系统检测到，即使它们可能指示可能的电弧情况。

本公开的各方面通过应用观测到的电压将受到电弧故障42和测量误差影响的不同方式的知识来启用或以其它方式适于或配置成提高检测灵敏度，从而最小化必须对测量误差进行的容差并因此改善电弧故障42的检测灵敏度。减少测量误差还降低了传感器、数据或检测差异足够大以触发错误检测的可能性。可包括本公开的非限制性方面，其中SSPC34或电气负载20包括或包含集成电压传感器52,54。

本发明的非限制性方面可配置或调整以感测或测量每一功率分配系统30中的至少两个位置处的电压以确定所述至少两个位置之间的电压降。例如，如图2所示，第一电压传感器52和第二电压传感器54可感测或测量SSPC 34的输出56和电气负载20的输入58处的相应电压。在另一个非限制性示例中，来自第一电压传感器52和第二电压传感器54的感测或测量的电压可供应、提供、传递或传送到控制器模块46，控制器模块46可适用或配置为确定相应位置之间的电压降。检测到超过值、阈值、范围等的电压降可能意味着电弧故障42状态，例如串联电弧故障44。在一个非限制性实例中，值、阈值、范围等可为预定的或动态的，并且可存储在控制器模块46的存储器50中。控制器模块46可适于将所确定的电压降与值、阈值、范围等进行比较。在满足比较时，控制器模块46可确定是否发生或已经发生电弧故障42。

可包括本公开的非限制性方面，其中基于感测电压的比较在功率分配系统30中检测电弧故障42的灵敏度可受到功率分配系统30的相应电压传感器52,54的精度的限制。例如，每个感测或测量的电压的误差容限可能超过正或负5％，且由于控制器模块确定的相对小的电压降，尤其是在适于或配置为避免误跳闸时，在从安全性观点来看更良性的早期阶段中可能检测不到强度逐渐增加的串联电弧故障44。

因此，本公开的非限制性方面可包含一组非限制性考虑因素，其适于或配置成最小化控制器模块46在每个电压差确定中的误差的影响。在另一个非限制性方面，本文描述的公开内容可允许准确检测电弧故障42，而无需在整个功率分配系统30中实现高准确性电压测量的费用和复杂性。

在图2的一个非限制性实例中，功率分配系统30可包括28伏DC飞行器应用，其中导体38设计成满足从SSPC 34的输出到负载的导体38电压降小于1伏的要求。在上述实例中，可确定最大阈值或范围。例如，如果每个电压传感器52,54包括最大5％的误差，并且功率源是28伏特，则第一电压传感器52和第二电压传感器54之间的最大电压差可为5伏特，用于非故障确定。这包括通过第一电压传感器52读取最大感测电压(28伏特加2伏特，大约5％误差，等于感测到30伏特)，导体38上预期的1伏特压降，以及第二电压传感器54的最小感测电压(27伏特，在1伏导体38下降后，减去2伏特，大约5％误差，等于感测的25伏特；30伏特减去25伏特等于5伏特阈值用于非故障确定)。

此外，可包括本公开的各方面，其中每个电压测量点总是由相同的功率特性传感器、电压传感器52,54等测量，并且类似地，电路和互连导体38保持相同(例如，除非在维护期间被替换等)。因此，如果适当考虑感测或测量的功率特性状况，如温度和电流，则误差差异也应保持不变。因此，在本公开的非限制性方面，可通过发现观测到的电压测量值的不合期望的变化来实现电弧故障42的检测，即使其小于绝对误差容限。然而，观测到的电压差可能受到许多因素的影响，包括该时刻的电流。下面包括一组非限制性因素和途径，以最小化它们对故障检测能力的灵敏度的影响。虽然本公开的各方面可包括本文描述的所有因素，但是应当理解，使用因素子集的实施方式可提供足够的灵敏度改进。

在一个非限制性实例中，第一因素可包括功率分配系统30的环境状况。例如，用于28V DC飞行器负载的铜线导体38可指定为在所有环境状况下在上游端子或连接点到下游端子或连接点之间的最大电压降小于1.0V。因此，如果在150摄氏度和最大电流下为1.0V，则在包括电流在内的所有其它状况不变的情况下，在-50摄氏度时可为0.6V。如本文所使用的，包括导体38的公开方面的温度可直接受到穿过构件的电流量的影响。可包括本公开的非限制性方面，其中功率分配系统30、控制器模块46等根据需要包括温度传感器、温度读数或温度测量，用于提供基于温度的计算、测量、考虑等。

如果可评估导体38的温度，则可使用标准工程计算或已知值来应用适当的补偿。类似地，电压降可与电流的减小成比例地减小，使得如果测量电流，则可使用标准工程计算或已知值来减小总电压降容差。然而，可注意到，该实例中两个因子的最大变化包括在实际值或确定值中(例如，当组合预期的、期望的或已知的电流和温度值或考虑时，导体38的最大变化是1.0V)。因此，可包括本公开的非限制性方面，其中当检测到的电弧故障42将超过该值时，可忽略导体38上小于1.0V的电压降。

在另一个非限制性实例中，功率分配系统30的考虑或因素可包括定时因子。例如，如上所述的环境变化可能在1毫秒至几小时的范围内的时间段内被感测、测量、确定等。相反，预期由电弧放电事件42引起的电压差快速变化。例如，温度随时间的变化将随着时间"出现"平滑，如电压传感器52,54所感测到的。相反，电弧故障42可能包括迅速或突然的电压变化，例如由于导体38的电弧放电端子的振动接触。

通过在确定电弧故障42发生时结合环境考虑或诸如温度、电流、校准等的因素或定时考虑或因素的至少一个子集，功率分配系统30可更准确地确定发生"真正的"电弧故障42，与错误或误电弧故障发生相反。可包括本公开的非限制性方面，其中温度、电流、校准等可考虑到，以确定电弧故障42是否在启动期间，在一时间段内重复地(例如，如果温度随时间上升，可发生新的校准)，在间隔时间段期间，或按需要，发生或已经发生，例如，以验证或检验可疑的电弧故障42检测或确定。上述考虑、因素等可包括在值、阈值、范围等中。例如，在本公开的一个非限制性方面，值、阈值、范围等可包括定时组分或因子，其需要满足以确定电弧故障42已经或正在发生(例如，超过1毫秒内超过5 V差异，或超过1秒内超过1.5 V差异可能导致确定电弧故障)。

此外，可包括本公开的非限制性方面，其中当确定故障正在、已经或可能发生时，可定制或选择上述考虑、因素等，或值、阈值或范围。例如，旧的、老的或受污染的构件，如带有开关或接触器的构件，可至少部分地阻止导电构件实现紧密的电接触。在一些情况下，这种老化或污染的构件可能发展成串联故障或串联电弧故障，但仍可在本公开中感测和测量为电压差。在一个非限制性方面，本公开可定制为感测和比较电压差，如本文所述，以识别老化或污染的构件，并且例如通过比较、考虑、因素等来识别，即使在没有实际或物理电弧放电事件的情况下，也可能发生故障。类似地，相邻平行导体之间的污染等同样可引入不合期望的电流，本公开的这些方面可定制或选择成识别并联故障，或即使在没有实际或物理电弧放电事件的情况下也可能发生故障。在这些非限制性实例中，出于本公开的方面的目的，可将预电弧故障视为"电弧放电事件"或"电弧故障"，并且可通过前述因素、考虑、比较等来检测。

采用单独的电压传感器52,54，使得控制器模块46可确定电压差，从而不再需要单独的、专用的或附加的电压表探头，以跨越距感测或测量电压的终端的距离(例如，探头跨越SSPC 34的输出56到电气负载20的输入58)。在确定电弧故障42时，如串联电弧故障44正在或已经发生，可包括本公开的非限制性方面，其中功率分配系统30、控制器模块46或其组合可采用补救措施、动作、警报或通知等，以停止电弧故障42、减少电弧故障42、识别电弧故障42、引起对电弧故障42的注意或消除电弧故障42。在本公开的一个非限制性方面，补救措施可包括例如通过信号输出路径62产生控制信号或可控制地操作功率源32、SSPC 34或其组合。在此实例中，断开可开关元件40或SSPC 34可作为断路器操作以消除电弧故障42。

图3示出了根据本公开另一方面的另一功率分配系统130。功率分配系统130类似于功率分配系统30；因此，除非另有说明，否则相似的部分将标识为增加100的相似数字，应理解，功率分配系统30的相同部分的描述适用于功率分配系统130，除非另外指出。一个区别在于功率分配系统130包括如下所述的多层功率分配网络。

如图所示，功率分配系统30可包括连接在主功率分配单元180上游的功率源32，主电功率分配单元180还与一组辅功率分配单元182并联连接在上游，辅功率分配单元182示为第一辅功率分配单元184和第二辅功率分配单元186。主分配单元180可包括具有开关元件140的SSPC 134，以及位于SSPC 134或主分配单元180的输出156处的功率特性传感器，如第一电压传感器152。SSPC 134或可开关元件140可通过信号输出路径162可控地或通信地与控制器模块46连接。

第一辅分配单元184可包括具有开关元件140的SSPC 134，以及至少一个功率特性传感器，如位于SSPC 134或第一辅分配单元184的输入170处的第二电压传感器190，以及位于SSPC 134或第一辅分配单元184的输出172处的第三电压传感器192。类似地，第二辅分配单元186可包括具有开关元件140的SSPC 134，以及至少一个功率特性传感器，如位于SSPC134或第二辅分配单元186的输入174处的第四电压传感器194，以及位于SSPC 134或第二辅分配单元186的输出176处的第五电压传感器196。在非限制性实例中，SSPC 134或开关元件140中的每一个可通过相应的信号输出路径162可控地或通信地与控制器模块46连接。

如图所示，第一辅分配单元184的输出172可在输入178处连接在第一电气负载20的上游。诸如第六电压传感器198的功率特性传感器可定位在第一电气负载20的输入178处。同样如图所示，第二辅分配单元186的输出176可在输入179处连接在第二电气负载120的上游。诸如第七电压传感器199的功率特性传感器可定位在第二电气负载120的输入179处。每个相应的电压传感器152,190,192,194,196,198,199还可与控制器模块46通信连接，例如，通过通信线60，并且可将所感测的电压或代表其的通信提供到控制器模块46。

如本文所述，本公开的各方面通过应用观测到的电压将受到电弧故障42和测量误差影响的不同方式的知识来启用或以其它方式适于或配置成提高检测灵敏度，从而最小化必须对测量误差进行的容差并因此改善电弧故障42的检测灵敏度。

本发明的非限制性方面可配置或调整以感测或测量每一功率分配系统130中的至少两个位置处的电压以确定所述至少两个位置之间的电压降。例如，本公开的非限制性方面可检测、计算或以其它方式确定功率分配系统130的至少两个位置之间的电压降，如在主功率分配单元180的输出156与第一辅分配单元184的输入170之间，在主功率分配单元180的输出156与第二辅分配单元186的输入174之间，在第一辅分配单元184的输出172与第一电气负载20的输入178之间，在第二辅分配单元186的输出176与第二电气负载120的输入179之间，或其组合。

如本文所述，相应的电压传感器152,190,192,194,196,198,199可感测或测量相应输入或输出156,170,172,174,176,178,179处的相应电压。在另一个非限制性示例中，来自相应电压传感器152,190,192,194,196,198,199的感测或测量的电压可供应、提供、传递或传送到控制器模块46，其可适于或配置成确定各个位置156,170,172,174,176,178,179之间的电压降。本公开的非限制性方面可包括顺序地相应位置(例如，在第一辅分配单元184的输出172与第一电气负载20的输入178之间)或具有中间构件的相应位置(例如，主分配单元180的输出156与第一电气负载20的输入178之间)。检测到超过值、阈值、范围等的电压降可能意味着电弧故障42状态，例如串联电弧故障44。所示的电弧故障42的具体位置仅是示意性电弧放电事件的一个非限制性实例。可包括本公开的非限制性方面，其中功率分配系统130、控制器模块46等可限定一组值、阈值、范围等，使得相应电压传感器152,190,192,194,196,198,199之间的每个电跨度可限定独立阈值。在又一个非限制性实例中，可根据需要包括或定位附加的或更少的电压传感器152,190,192,194,196,198,199，以减少构件数量，提高可靠性等。例如，第二电压传感器190和第四电压传感器194可有效地具有相同的电压测量值，因此可省略一个。备选地，可包括第二电压传感器190和第四电压传感器194，以确定传感器190,194之间是否发生故障。

此外，可包括本公开的非限制性方面，其中控制器模块46可配置成或适于基于从该组电压传感器152,190,192,194,196,198,199接收的相应的感测电压来确定电弧故障42在哪里或已经在哪里发生。例如，如果确定在第一辅分配单元184的输出172和第一电气负载20的输入178之间发生电弧故障42，则可控制、执行补救措施，以仅中断功率分配系统130的受电弧故障42影响的部分(例如，仅仅是输出172和输入178之间的跨度)。因此，可包括本公开的非限制性方面，其中例如对第二电气负载120的供电不会由于电弧故障42的检测和修复而中断。

虽然所示的功率分配系统130仅具有主分配单元180和辅分配单元182，但是本公开的各方面可应用于具有更多级别(三级分配单元等)的更复杂系统并且可应用于与功率源32、电气负载20,120等相关联功率的总线、功率馈送器等。

图4示出了根据本公开另一方面的另一功率分配系统230。功率分配系统230类似于功率分配系统30,130；因此，除非另有说明，否则相似的部分将标识为增加200的相似数字，应理解，功率分配系统30,130的相同部分的描述适用于功率分配系统230，除非另外指出。一个区别在于功率分配系统230包括与控制器模块46通信连接的电流传感器252,254形式的功率特性传感器。在本发明的该非限制性方面，第一电流传感器252和第二电流传感器254在相应的SSPC输出56和电气负载输入58处的定位可用于确定电弧故障242何时或是否已经发生，如作为并联电弧故障244，其中通电导体电弧放电到电接地部36；也就是说，电弧故障244与电气负载20并联。虽然并联电弧故障244示出为电弧放电到电接地部36，但是可包括本公开的非限制性方面，其中电弧引导到具有与功率源32电势不同的任何其它导电构件、装置、元件等。

功率分配系统230可确定电流差是否指示电弧故障242正在或已经发生。如这里所使用的，电流差是在上游构件处提供的电流(如，由第一电流传感器252测量的SSPC 34的输出56)和在下游构件处接收的电流(如，由第二电流传感器254测量的电气负载20的输入58)之间的差。

可包括本公开的非限制性方面，其中控制器模块46构造成或适于通过以下来改善检测灵敏度(并且降低错误检测的概率)：确定一组相应的电流传感器252,254之间的电流差，将确定的电流差异与值、阈值、范围等比较以最小化误差在感测、测量或确定相应电流值时的影响，使电流差方法有效，而没有在每个功率分配系统位置、构件、节点等中实现高准确性电流测量的费用和复杂性。

这种情况对于诸如具有金属底盘的飞行器的交通工具应用是典型的。由于电弧故障与负载并联，因此通常会增加通过断路器的总电流，并因此可能使断路器跳闸。然而，电弧故障回路的阻抗很可能足以将电流限制到断路器将保持相当长的一时间段的值。

最初，在并联电弧故障244期间，故障电流(特别是如果是由于跟踪或间歇电弧放电)可能仅引起适度的额外功率消耗，使得电气负载20可继续正常操作，并且功率分配系统230继续操作而没有指示故障，不知道该问题。然而，电弧放电可能会增加局部损坏，这通常会随着时间的推移而增加泄漏或电弧故障电流，从而增加在故障位置产生的热。备选地，在本公开的另一非限制性方面，并联电弧故障244可增加流过上游装置(例如，SSPC 34)的总电流。

为了检测该电弧故障242，控制器模块46接收或确定在每个电流传感器252,254处感测到的相应电流，并确定两个感测值之间的电流差。两个计量计的读数的差异将表明存在并联电弧故障244。然而，这里描述的减少或阻止误动作的愿望仍然存在。

在正常功率分配系统230操作期间(例如，非故障状况)，期望从SSPC 34输出56提供的电流将等于或匹配在电气负载20输入58处接收的电流(例如，在误差范围内)。在一个非限制性实例中，每个感测或测量的电流的误差容限可超过正或负2.5％，且由于控制器模块46确定的相对小的电流下降，尤其是在适于或配置为避免误跳闸时，在从安全性观点来看更良性的早期阶段中可能检测不到强度逐渐增加的并联电弧故障244。因此，本公开的非限制性方面可包含一组非限制性考虑因素，其适于或配置成最小化控制器模块46在每个电流差确定中的误差的影响。

在图4的一个非限制性实例中，功率分配系统230可包括200安培的最大导体，其具有正或负2.5％的不确定性的误差测量。在上述实例中，可确定最大阈值或范围。例如，如果在SSPC 34输出56处提供的实际电流是20安培，则感测到的最大2.5％误差可为25安培(20安培加上200安培的2.5％)。在类似的非故障状态中(例如，其中将全部20安培输送到电气负载20输入58)，感测到的最小电流可为15安培(20安培减去200安培的2.5％)。因此，对于非故障确定，最大电流差可为第一感测电流和第二感测电流之间的差异，可为10安培。在具有双向电流的功率分配系统230中，对于非故障确定，使用上述实例可导致-10安培的电流差异。因此，可认为-10安培到10安培之间的电流差异的任何确定都是无故障的。

此外，可包括本公开的各方面，其中每个电流测量点总是由相同的功率特性传感器、电流传感器252,254等测量，并且类似地，电路和互连导体保持相同(例如，除非在维护期间被替换等)。因此，如果适当考虑感测或测量的功率特性状况，如温度和电流，则误差差异也应保持不变。因此，在本公开的非限制性方面，可通过发现观测到的电流测量值的不合期望的变化来实现电弧故障242的检测，即使其小于绝对误差容限。然而，观测到的电流差可能受到许多因素的影响，包括该时刻的电流。最小化它们对故障检测能力的灵敏度的影响的非限制性因素和途径组包括在上面，并且同样适用于功率分配系统230。因素或考虑可包括功率分配系统230的环境状况，如电流和温度、定时因素等，如本文所述。虽然本公开的各方面可包括本文描述的所有因素，但是应当理解，使用因素子集的实施方式可提供足够的灵敏度改进。

图5示出了根据本公开另一方面的另一功率分配系统330。功率分配系统330类似于功率分配系统30,130,230；因此，除非另有说明，否则相似的部分将标识为增加300的相似数字，应理解，功率分配系统30,130,230的相同部分的描述适用于功率分配系统330，除非另外指出。一个区别在于功率分配系统330包括如下所述的多层功率分配网络。

如图所示，功率分配系统330可包括连接在主功率分配单元380上游的功率源32，主电功率分配单元180还与一组辅功率分配单元382并联连接在上游，辅功率分配单元182示为第一辅功率分配单元384和第二辅功率分配单元386。主分配单元380可包括具有开关元件340的SSPC 334，以及位于SSPC 334或主分配单元380的输出356处的功率特性传感器，如第一电流传感器352。SSPC 334或可开关元件340可通过信号输出路径362可控地或通信地与控制器模块46连接。

第一辅分配单元384可包括具有开关元件340的SSPC 334，以及至少一个功率特性传感器，如定位于SSPC 334或第一辅分配单元384的输出172处的第三电流传感器392。第二辅分配单元386可包括具有开关元件340的SSPC 334，以及至少一个功率特性传感器，如位于SSPC 334或第二辅分配单元386的输入174处的第四电流传感器394，以及位于SSPC 334或第二辅分配单元386的输出176处的第五电流传感器396。在非限制性实例中，SSPC 334或开关元件340中的每一个可通过相应的信号输出路径162可控地或通信地与控制器模块46连接。

如图所示，第一辅分配单元384的输出172可在输入178处连接在第一电气负载20的上游。诸如第六电流传感器398的功率特性传感器可定位在第一电气负载20的输入178处。同样如图所示，第二辅分配单元386的输出176可在输入179处连接在第二电气负载120的上游。诸如第七电流传感器399的功率特性传感器可定位在第二电气负载120的输入179处。每个相应的电流传感器352,392,394,396,398,399还可与控制器模块46通信连接，例如，通过通信线260，并且可将所感测的电流或代表其的通信提供到控制器模块46。

如本文所述，本公开的各方面通过应用观测到的电流将受到电弧故障242和测量误差影响的不同方式的知识来启用或以其它方式适于或配置成提高检测灵敏度，从而最小化必须对测量误差进行的容差并因此改善电弧故障242的检测灵敏度。

本发明的非限制性方面可配置或调整以感测或测量每一功率分配系统330中的至少两个位置处的电流以确定所述至少两个位置之间的电流差异。例如，本公开的非限制性方面可检测、计算或以其它方式确定功率分配系统330的至少两个位置之间的电流差异，如在主功率分配单元380的输出356与辅分配单元382的输入端170,174处接收的电流的总和之间，在第一辅分配单元384的输出172和第一电气负载20的输入178之间，在第二辅分配单元386的输出176与第二电气负载120的输入179之间，或其组合。如图所示，第一辅分配单元384不包括位于输入170处的电流传感器，但是可根据需要计算、确定接收的电流等，或与预期结果进行比较。在此意义上，只有输入或输出356,170,172,174,176,178,179的子集可配置有电流传感器。

如本文所述，相应的电流传感器352,392,394,396,398,399可感测或测量相应输入或输出356,172,174,176,178,179处的相应电流。在另一个非限制性实例中，来自相应电流传感器352,392,394,396,398,399的感测或测量的电流可供应、提供、传递或传送到控制器模块46，其可适于或配置成确定相应位置356,170,172,174,176,178,179之间的电流差异。检测到超过值、阈值、范围等的电流差可暗示电弧故障242状况，如并联电弧故障244。可包括本公开的非限制性方面，其中功率分配系统330、控制器模块46等可限定一组值、阈值、范围等，使得相应电流传感器352,392,394,396,398,399之间的每个电跨度可限定独立阈值。

此外，可包括本公开的非限制性方面，其中控制器模块46可配置成或适于基于从该组电流传感器352,392,394,396,398,399接收的相应的感测电流来确定电弧故障242在哪里或已经在哪里发生。例如，如果确定在第一辅分配单元384的输出172和第一电气负载20的输入178之间发生电弧故障242，则可控制、执行补救措施，以仅中断功率分配系统330的受电弧故障242影响的部分(例如，仅仅是输出172和输入178之间的跨度)。因此，可包括本公开的非限制性方面，其中例如对第二电气负载120的供电不会由电弧故障242检测和修复中断。

虽然所示的功率分配系统330仅具有主分配单元380和辅分配单元382，但是本公开的各方面可应用于具有更多级别(三级分配单元等)的更复杂系统并且可应用于与功率源32、电气负载20,120等相关联功率的总线、功率馈送器等。

除上图中所示的之外，许多其它可能的方面和构造由本公开构想出。例如，可包括本公开的其它非限制性方面，其中电压和电流传感器的组合适于或配置成检测功率分配系统中的串联和并联电弧故障。另外，可重新布置各种构件的设计和布置，使得可实现许多不同的联机配置。

本文公开的方面提供了一种用于检测功率分配系统中的电气故障的设备和方法。技术效果是上述方面使得能够检测或确认电路中的电气故障，并提供这种故障的指示或补救。在上述方面中可实现的一个优点在于，上述方面提供了电弧电气故障的主动检测，并因此减少了错误的假阳性故障指示，减少了误跳闸。

上述方面的另一个优点是可在发生电弧的位置精确地确定电弧的检测。这可允许非常稳健的系统，其中由于一个或多个电弧功率特性传感器接近任何给定的故障点，可快速定位(并且安全地中断)电弧放电事件。另外，通过定位故障点，系统可允许功率围绕故障而改向(如果可用)，从而在功率分配系统中提供冗余。因此，上述方面提供了飞行器功率分配系统的安全性提高，且因此改善了飞行器和空中旅行的总体安全性。此外，精确地限定发生电气故障的位置减少或消除了与必须手动测试和定位电气故障相关的任何额外维护时间或成本。

本公开描述了一种用于在功率分配系统中检测并联电弧故障或串联电弧故障的系统和方法，其中重量、体积和成本的增加最小。在一些功率分配系统中，如飞行器内的供电装置，必须连续监测由固态开关控制的数百个电路。这里描述的系统可包括在手动检测不合理的情况下自动检测故障。

尽管现有的现代功率分配单元包含电压和电流监测，但这种固有测量的精度通常太低而不能直接产生灵敏、可靠的电弧检测功能。通过在确定故障是否正在或已经发生时包括因素或考虑，可进行更精确的故障检测，可能无需修改现有系统构件。

在设计飞行器构件时，要考虑的重要因素是尺寸、重量和可靠性。上述功率分配系统导致较轻重量、较小尺寸、提高性能和提高可靠性的系统。零件数量减少和维护减少将降低产品成本并降低运营成本。减小重量和尺寸与飞行期间的竞争优势相关。

在并未描述的一定程度上，各种方面的不同特征和结构可按期望与彼此组合。在所有方面中可能未示出的一个特征并不意味着其不可构成，而是仅为了描述简单而这样做。因此，不同方面的各种特征可按期望混合和匹配来形成新的方面，而不论是否清楚描述新方面。本文所述的组合或置换可由本公开覆盖。

本书面描述使用了实例来公开本公开内容的方面，包括最佳模式，且还使本领域的任何技术人员能够实施本公开案的方面，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法。本公开内容的专利范围由权利要求书限定，且可包括本领域的技术人员想到的其它实例。如果此类其它实施例具有并非不同于权利要求书的书面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求书的书面语言无实质差别的等同结构元件，则期望此类其它实例在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种功率分配系统，包括：

具有输出和配置成感测所述输出处的功率特性的第一功率特性传感器的上游电气构件；

具有输入和配置成感测所述输入处的功率特性的第二功率特性传感器的下游电气构件；

将所述输出与所述输入导电地连接的导体；以及

控制器模块，其具有存储在存储器中的电弧故障阈值，并且与所述第一功率特性传感器和所述第二功率特性传感器通信连接，并且配置为通过以下确定电弧故障是否存在：接收来自所述第一功率特性传感器的第一感测功率特性和来自所述第二功率特性传感器的第二感测功率特性，确定所述第一感测功率特性和所述第二感测功率特性之间的差异，确定校准因子并基于所述校准因子修改所述电弧故障阈值，将所述差异与修改后的电弧故障阈值进行比较，以及在满足所述比较时，提供所述导体处电弧故障的指示；

其中所述校准因子包括温度因子、电流因子或定时因子中的至少一个。

2.根据权利要求1所述的功率分配系统，其特征在于，所述校准因子包括所述温度因子或所述电流因子中的至少一个以及所述定时因子。

3.根据权利要求2所述的功率分配系统，其特征在于，所述比较的满足包括超过修改后的电弧故障阈值达一时间段，其中所述时间段与所述定时因子相关。

4.根据任何前述权利要求所述的功率分配系统，其特征在于，所述温度因子与所述导体的实际或估计温度相关。

5.根据任何前述权利要求所述的功率分配系统，其特征在于，所述电流因子与穿过所述导体的实际或估计电流相关。

6.根据权利要求5所述的功率分配系统，其特征在于，所述温度因子与基于穿过所述导体的电流而得到的所述导体的估计温度相关。

7.根据权利要求6所述的功率分配系统，其特征在于，所述温度因子还与基于在一时间段内穿过所述导体的电流而得到的所述导体的估计温度相关。

8.根据任何前述权利要求所述的功率分配系统，其特征在于，所述校准因子包括一时间段内的温度因子或一时间段内的电流因子中的至少一个。

9.根据任何前述权利要求所述的功率分配系统，其特征在于，所述上游电气构件或所述下游电气构件中的至少一个是固态功率控制器，所述固态功率控制器包括相应的集成的第一功率特性传感器或第二功率特性传感器。

10.根据权利要求9所述的功率分配系统，其特征在于，所述第一功率特性传感器是电压传感器，所述第二功率特性传感器是电压传感器，并且所述控制器模块配置为在满足所述比较时提供串联电弧故障的指示。