CN110350483A - 具有接地故障检测功能的功率变流装置以及故障检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于功率变流装置的接地故障检测方法。该方法通过电压传感器分别测量第一电压和第二电压，并将第一电压和第二电压转换为第一数字电压信号和第二数字电压信号；通过控制器接收并根据第一数字电压信号和第二数字电压信号提取对应的第一电压的特征量和第二电压的特征量；进而判断功率变流装置的接地故障的类型以及定位接地故障的位置；以及当判断功率变流装置发生接地故障时，对功率变流装置进行关机处理。该方法可以减小了检测盲区，并且更有效、准确地定位接地故障的位置，便于接地故障的及时排查。
Description
技术领域
本发明涉及电气系统领域，具体而言，涉及一种具有接地故障检测功能的功率变流装置以及故障检测方法。
背景技术
中压变频器由于输出容量大而广泛应用于钢铁冶金、石油化工、轨道交通等中高压大功率应用场合。由于中压变频器与电机之间往往通过较长的电缆连接，因此，电机与中压变频器之间连接的电缆容易发生接地故障，该接地故障大多是由于电缆绝缘老化或者物理损坏所导致。传统的变频器接地故障检测方法是通过接地漏电流的变化来判断接地故障的发生。然而，一方面接地漏电流信号很微弱，尤其是变频器工作在低频运行段和高阻接地状态，容易出现检测盲区；另一方面，该方法不能有效地定位故障发生的位置，给故障排查带来了不便。
因此，需要一种能够缩小检测盲区，而且有效地定位接地故障位置便于故障排查的接地故障检测方法。
发明内容
为了解决现有技术中存在的一个或多个问题，本发明提供了一种具有接地故障检测功能的功率变流装置以及故障检测方法。
根据本发明的一方面，提供了一种应用于功率变流装置的接地故障检测方法，所述功率变流装置包括整流电路、母线电容、逆变电路；其中所述整流电路电性耦接于开关组，所述开关组件电性耦接于电网，所述母线电容电性耦接于所述整流电路与所述逆变电路之间，所述逆变电路的交流相电性耦接于电机，所述功率变流器装置还包括电压传感器和控制器，所述电压传感器的输入端电性耦接于所述逆变电路的交流相，所述电压传感器的输出端连接于所述控制器；所述方法包括：通过所述电压传感器分别测量第一电压和第二电压，并将所述第一电压和所述第二电压转换为第一数字电压信号和第二数字电压信号；通过所述控制器接收所述第一数字电压信号和所述第二数字电压信号，根据所述第一数字电压信号和所述第二数字电压信号提取对应的所述第一电压的特征量和所述第二电压的特征量；并且根据所述第一电压的特征量和所述第二电压的特征量来判断所述功率变流装置的接地故障的类型以及定位接地故障的位置；以及当判断所述功率变流装置发生接地故障时，对所述功率变流装置进行关机处理。
在一个实施例中，所述逆变电路的交流相包括第一相、第二相和第三相，所述电压传感器包括分压电路、差分电路以及AD转换电路，所述分压电路分别连接于所述第一相、所述第二相和所述第三相其中两者，分别测量所述第一电压和所述第二电压，并且输出第一分压电压和第二分压电压；所述差分电路接收所述第一分压电压和所述第二分压电压，并对所述第一分压电压和所述第二分压电压进行共模噪音抑制处理，分别输出第一差分电压信号和第二差分电压信号，所述AD转换电路连接于所述差分电路，接收并将所述第一差分电压信号和所述第二差分电压信号进行数字编码，输出所述第一数字电压信号和所述第二数字电压信号。
在一个实施例中，所述第一电压的特征量包括所述第一电压的平均值或有效值，所述第二电压的特征量包括所述第二电压的平均值或有效值。
在一个实施例中，通过所述控制器接收所述第一数字电压信号和所述第二数字电压信号，根据所述第一数字电压信号和所述第二数字电压信号分别提取对应的所述第一电压的特征量和所述第二电压的特征量包括：通过所述控制器对所述第一数字电压信号进行平均值计算以获取所述第一电压的平均值；或者通过所述控制器对所述第一数字电压信号进行均方根计算以获取所述第一电压的有效值，以及，通过所述控制器对所述第二数字电压信号进行平均值计算以获取所述第二电压的平均值；或者通过所述控制器对所述第二数字电压信号进行均方根计算以获取所述第二电压的有效值。
在一个实施例中，根据所述第一电压的特征量和所述第二电压的特征量判断所述功率变流装置的接地故障的类型以及定位接地故障的位置包括：根据所述第一电压的有效值和所述第二电压的有效值来判断并定位交流接地故障的位置；或者根据所述第一电压的平均值和所述第二电压的平均值来判断并定位直流接地故障的位置。
在一个实施例中，所述分压电路分别连接于所述第一相和所述第三相，且根据所述第一电压的所述有效值和所述第二电压的有效值来判断并定位交流接地故障的位置包括：当所述第一电压的有效值小于第一预设值，并且所述第二电压的有效值大于第二预设值，则判断并定位为所述逆变电路的所述第一相发生了交流接地故障；或者当所述第一电压的有效值大于所述第二预设值，并且所述第二电压的有效值大于所述第二预设值，则判断并定位为所述逆变电路的所述第二相发生了交流接地故障；或者当所述第一电压的有效值大于所述第二预设值，并且所述第二电压的有效值小于所述第一预设值，则判断并定位为所述逆变电路的所述第三相发生了交流接地故障。
在一个实施例中，根据所述第一电压的平均值和所述第二电压的平均值来判断并定位直流接地故障的位置包括：当所述第一电压的平均值和所述第二电压的平均值都小于第三预设值时，判断并定位为所述母线电容的正端发生了直流接地故障；或者当所述第一电压的平均值和所述第二电压的平均值都大于第四预设值时，判断并定位为所述母线电容的负端发生了直流接地故障。
可替代地或附加地，该方法还可以包括通过该控制器输出跳闸信号，以断开连接于所述开关组。
作为例子，所述电压传感器可以为双路电压传感器；所述数字编码可以为曼彻斯特编码。
根据本发明的第二方面，提供了一种具有接地故障检测功能的功率变流装置，包括整流电路、母线电容、逆变电路；其中所述整流电路电性耦接于开关组，所述开关组件电性耦接于电网，所述母线电容电性耦接于所述整流电路和所述逆变电路之间，所述逆变电路的交流相电性耦接于电机，其中逆变电路的交流相包括第一相、第二相和第三相；所述功率变流器装置还包括电压传感器和控制器，所述电压传感器的输入端电性耦接于所述逆变电路的所述第一相、所述第二相和所述第三相其中两者，所述电压传感器的输出端连接于所述控制器；其特征在于：所述电压传感器分别测量第一电压和第二电压，并将所述第一电压和所述第二电压转换为第一数字电压信号和第二数字电压信号；所述控制器接收所述第一数字电压信号和所述第二数字电压信号，根据所述第一数字电压信号和所述第二数字电压信号提取对应的第一电压的特征量和第二电压的特征量；并根据所述第一电压的特征量和所述第二电压的特征量来判断所述功率变流装置接地故障的类型以及定位接地故障的位置；以及当判断所述功率变流装置发生接地故障时，对所述功率变流装置进行关机处理。
在一个实施例中，所述电压传感器包括分压电路、差分电路以及AD转换电路，所述分压电路分别连接于所述第一相、所述第二相和所述第三相其中两者，分别测量所述第一电压和所述第二电压，并输出第一分压电压和第二分压电压；所述差分电路接收所述第一分压电压和所述第二分压电压，并对所述第一分压电压和所述第二分压电压进行共模噪音抑制处理，分别输出第一差分电压信号和第二差分电压信号，所述AD转换电路连接于所述差分电路，接收并将所述第一差分电压信号和所述第二差分电压信号进行数字编码，输出所述第一数字电压信号和所述第二数字电压信号。
作为例子，所述第一电压的特征量包括所述第一电压的平均值或有效值，所述第二电压的特征量包括所述第二电压的平均值或有效值。
在一个实施例中，所述控制器对所述第一数字电压信号进行平均值计算以获得所述第一电压的平均值，或者对所述第一数字电压信号进行均方根计算以获得所述第一电压的有效值。
所述控制器对所述第二数字电压信号进行平均值计算以获得所述第二电压的平均值，或对所述第二数字电压信号进行均方根计算以获得所述第二电压的有效值。
在一个实施例中，所述控制器根据所述第一电压的有效值和所述第二电压的有效值来判断并定位交流接地故障的位置；或者根据所述第一电压的平均值和所述第二电压的平均值来判断并定位直流接地故障的位置。
在一个实施例中，所述分压电路分别连接于所述第一相和所述第三相，当所述第一电压的有效值小于第一预设值，所述第二电压的有效值大于第二预设值，所述控制器判断并定位为所述逆变电路的所述第一相发生了交流接地故障；或者当所述第一电压的有效值大于所述第二预设值，所述第二电压的有效值大于所述第二预设值，所述控制器判断并定位为所述逆变电路的所述第二相发生了交流接地故障；或者当所述第一电压的有效值大于所述第二预设值，所述第二电压的有效值小于所述第一预设值，所述控制器判断并定位为所述逆变电路的所述第三相发生了交流接地故障。
在一个实施例中，当所述第一电压的平均值和所述第二电压的平均值都小于第三预设值时，所述控制器判断并定位为所述母线电容的正端发生了直流接地故障；或者当所述第一电压的平均值和所述第二电压的平均值都大于第四预设值时，所述控制器判断并定位为所述母线电容的负端发生了直流接地故障。
可替代地或附加地，当所述功率变流装置进行关机处理后，所述控制器还可以输出跳闸信号，以断开所述开关组。
作为例子，所述电压传感器可以为双路电压传感器。
在一个实施例中，所述控制器包括特征量提取单元、逻辑判断单元和脉冲处理单元；其中所述特征量提取单元根据所述第一数字电压信号和所述第二数字电压信号提取对应的所述第一电压的特征量和所述第二电压的特征量；所述逻辑判断单元根据所述第一电压的特征量和所述第二电压的特征量来判断所述功率变流装置接地故障的类型以及定位接地故障的位置；当判断所述功率变流装置发生接地故障时，所述脉冲处理单元对所述功率变流装置进行关机处理。
根据本发明以上方面提供的以功率变流装置的两个交流相对地电压(亦即，相电流)的平均值或有效值作为特征量来判断接地故障的类型和定位接地故障的位置的接地故障检测方法，不但能够缩小检测盲区，而且能够有效地定位接地故障位置便于故障的排查。本发明提供的改进的功率变流装置，利用该功率变流装置的电压传感器，分别测量功率变流装置的两个交流相对地电压，即两个相电压，并对这两个交流相对地电压的特征量进行提取，可实现接地故障类型的判断和故障位置的定位。
应当理解的是，以上的一般性描述和后文的详细描述仅是示例性的，并不能限制本发明。
附图说明
下面将参照附图详细描述本发明的示例实施例，本发明的上述和其它目标、特征和优点将变得更加显而易见。
图1为一种示例性的单向功率变流装置中的接地故障检测的原理框图；
图2为一种示例性的双向功率变流装置中的接地故障检测的原理框图；
图3为根据本发明的第一实施例的接地故障检测方法的流程图；
图4为根据一个实施例的由控制器判断接地故障类型和定位接地故障位置的逻辑图表；
图5为A相接地故障的波形示意图；
图6为B相接地故障的波形示意图；
图7为C相接地故障的波形示意图；
图8为母线电容的正端接地故障的波形示意图；
图9为母线电容的负端接地故障的波形示意图；以及
图10为根据一个示例性实施例的电压传感器的结构示意图。
具体实施方式
现将参考附图更全面地描述本发明的示例性实施例。应理解，本文中的示例性实施例仅是提供用来帮助理解本发明，而不应以任何形式限制本发明。提供这些实施例是为了使本发明的描述更加全面和完整，并将示例性实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本发明的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
此外，本文描述的特征、结构或优点可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略特定细节中的一个或多个，或者可以采用其它等效的方法、方式、装置、步骤等来代替。为了简明起见，对于本领域中公知的结构、方法、装置、实现或者操作，将不再赘述。
电力输电系统包括功率变流装置和电机，所述功率变流装置的3个交流相与三相电机之间通过电缆连接。电力输电系统一般分为大电流接地系统和小电流接地系统。针对大电流接地系统，如果发生单相接地故障，亦即，单个交流相接地故障，由于中性点对地阻抗很小，所以接地的交流相的相电压被施加到低阻抗回路上，形成大电流，能够触发过流保护跳闸，因此容易检测。针对小电流接地系统，如果发生单相接地故障，由于中性点对地阻抗很大，接地电流很小，所以无法触发常规的过流保护。对于小电流接地系统，发生接地故障通常不会马上造成大的过流现象，电力输电系统仍然可以继续运行，如果对接地故障处理不及时或处理不当，电力输电系统在接地故障下持续运行可能会导致故障扩大化，进而由单相接地故障转变为相间故障，造成电力输电系统的严重损坏。因此，需要一种适用于小电流接地系统的故障检测技术。
目前，适用于小电流接地系统的故障检测方法大致可分为电流法和电压法两类。
在电流法中，当电力输电系统发生接地故障后，电力输电系统中三相电机的不接地的中性点将出现零序电压，在该零序电压的作用下，将产生流过中性点的零序电流。因此，通过对零序电流的检测能够实现对接地故障的检测。
电流法检测的难点在于：流过中性点的零序电流是电力输电系统的电容电流减去电缆对地的分布电容的电流，当零序电流很小，且检测信号又很微弱时，零序电流的信噪比较低，使得电容电流波形不稳定，因此，接地故障和接地电阻处于非稳定状态。为了减小测量零序电流的误差，需要选取精度高的零序电流互感器，甚至需要能够测量mA级零序电流的互感器。为了使传输零序电流的接线电缆抗干扰，可以采用屏蔽线作为接线电缆。
在电压法中，电压法检测的基本原理是根据零序电压判断电力输电系统是否发生了接地故障。该方法无法定位故障的位置，只能结合零序电流测量才能定位故障的位置。虽然通过零序电压检测法能判断出电力输电系统是否发生接地故障，但是却无法直接定位出具体故障相和故障极，对于故障的定位排除带来了不便。
本发明的目的是提供一种接地故障检测方法，不但能检测接地故障的类型，还能实现准确地定位接地故障位置，例如故障相和故障极，缩短排除故障的时间。
本发明通过在功率变流装置的三个交流相中的任意两个上，例如，A相、B相和C相中的任意两个，安装有一个电压传感器，用以检测功率变流装置对应两个交流相对地电压，即相电压；并且通过电压传感器将检测到的两个相电压进行处理输出两个数字电压信号，再通过控制器接收两个数字电压信号，并且从两个数字电压信号中提取两个相电压对应的特征量，实现接地故障类型的判断和接地故障位置的定位。在一个优选实施例中，通过电压传感器测量功率变流装置的两个交流相对地电压，再由控制器根据该两个相电压可以计算出另一个交流相对地电压。控制器也可以根据该两个相电压计算出功率变流装置中三个交流相之间的线电压，无需增加额外的传感器来测量线电压，亦即，检测功率变流装置中三个交流相之间的线电压所应用电压传感器与用于检测接地故障的电压传感器是同一个电压传感器。在另一个优选实施例中，检测功率变流装置中三个交流相之间的线电压所应用电压传感器与用于检测接地故障的电压传感器可以是分开的两个电压传感器。
本发明的一些实施例尤其适用于小电流接地系统的接地故障检测，例如，功率变流装置与三相电机相连的电缆的接地故障检测，其中三相电机具有不接地的中性点。
接地故障的类型主要分为交流接地故障和直流接地故障。交流接地故障的其中一种类型为单相接地故障。当功率变流装置的一个交流相接地时，亦即，发生单相接地故障，假定接地阻抗为零，接地的交流相的相电压接近零，非接地的交流相的相电压升高为线电压。接地故障的交流相降低的相电压和非接地故障的交流相上升的相电压与接地阻抗相关，因此交流接地故障中的单相接地故障会导致三个交流相对地电压的有效值升高或降低，可以选择交流相对地电压的有效值作为判断交流接地故障和定位接地故障位置的电压的特征量。直流接地故障包括母线电容(亦即，直流母线电容)的正端或负端发生接地故障。当母线电容的正端发生接地故障时，功率变流装置的交流相对地电压的平均值会出现大的负偏置电压，同理，当母线电容的负端发生接地故障时，功率变流装置的交流相对地电压的平均值会出现大的正偏置电压。根据以上规律，可以选择交流相对地电压的平均值作为判断直流接地故障和定位接地故障位置的电压的特征量。
图1为一种示例性的单向功率变流装置中的接地故障检测的原理框图，电能从电网经单向变流器装置传输给电机，实现电能的单向传输。图2为一种示例性的双向功率变流装置中的接地故障检测的原理框图，电能可以从电网经双向变流装置传输给电机，也可以从电机经双向变流装置传输给电网，实现电能的双向传输。图1和图2示出了根据本发明的功率变流装置和电压传感器3的拓扑结构和连接关系的示例。如图1和图2所示，功率变流器1包括整流电路2、母线电容4、逆变电路6。其中整流电路2的一侧电性耦接于开关组7，开关组7电性耦接于电网8。母线电容4电性耦接于整流电路2的另一侧和逆变电路6的一侧之间。逆变电路6的另一侧电性耦接于电机9，逆变电路6的该另一侧包括三个交流相，例如A相、B相和C相，分别与电机9的三根连接线通过连接电缆进行电性耦接，其中电机9为三相电机。
图1和图2中还示出了电压传感器3，即，电压检测点的位置。电压传感器3的两个输入端分别与功率变流装置中逆变电路6的两个交流相(在图1和图2中以A相和C相为例)电性连接，电压传感器3的输出端连接于控制器5。应理解，此处的连接关系为示例性的，电压传感器可连接逆变电路的三个交流相中的任意两个，本发明不限于图示的例子。
其中，电压传感器3的两个输入端分别与功率变流装置1的逆变电路的三个交流相的其中两个电性连接，并且电压传感器3的输出端连接于控制器5。电压传感器3分别测量逆变电路6的三个交流相对地电压的其中两个，例如第一电压和第二电压，并将第一电压和第二电压转换为第一数字电压信号和第二数字电压信号。控制器5接收第一数字电压信号和第二数字电压信号，并根据该第一数字电压信号和第二数字电压信号提取对应的第一电压的特征量和第二电压的特征量。然后，控制器5根据第一电压的特征量和第二电压的特征量来判断功率变流装置1的接地故障的类型和定位接地故障的位置。当判断功率变流装置1发生接地故障时，可以封锁该控制器5输出的控制信号，以对功率变流装置1进行关机处理。具体而言，控制器5包括特征量提取单元51、逻辑判断单元52和脉冲处理单元53。特征量提取单元51接收电压传感器3输出的第一数字电压信号和第二数字电压信号，并根据第一数字电压信号和第二数字电压信号提取对应的第一电压的特征量和第二电压的特征量。逻辑判断单元52接收第一电压的特征量和第二电压的特征量来判断接地故障的类型以及定位接地故障的位置。当判断功率变流装置1的三个交流相或者母线电容发生接地故障时，逻辑判断单元52会输出故障信号，使得脉冲处理单元53封锁控制器5输出控制信号，对功率变流装置1进行关机处理。图4为根据一个实施例由控制器判断接地故障类型以及定位接地故障位置的逻辑图表。
图10中示出了根据一个实施例的电压传感器的示意图。电压传感器可包括分压电路31、差分电路32和AD转换电路33。如图10所示，分压电路31分别连接于功率变流装置1中的逆变电路的三个交流相中的两个，分别测量第一电压和第二电压，并且输出第一分压电压和第二分压电压。差分电路32接收第一分压电压和第二分压电压，并对第一分压电压和第二分压电压进行共模噪音抑制处理，分别输出第一差分电压信号和第二差分电压信号。AD转换电路33连接于差分电路32，接收并将第一差分电压信号和第二差分电压信号进行数字编码，并向控制器5输出第一数字电压信号和第二数字电压信号。
下面将参照实施例并结合附图来描述本发明。应理解，以下实施例中的任何细节仅是为了便于理解本发明，而不以任何方式限制本发明的保护范围。
第一实施例
本发明的第一实施例提供了一种实现上述交流接地故障和直流接地故障的检测和定位的方法。图3为根据本发明的第一实施例的接地故障检测方法的流程图。
在本实施例中，功率变流装置1如图2所示，包括整流电路2、母线电容4和逆变电路6，其中，整流电路2经由开关组7电性耦接于电网8，母线电容4电性耦接于整流电路2与逆变电路6之间，逆变电路6的交流相电性耦接于电机9。逆变电路6的交流相包括第一相、第二相和第三相，即A相、B相和C相，功率变流装置1还包括电压传感器3和控制器5，其中，电压传感器3为双路电压传感器。电压传感器3的两个输入端分别连接于A相、B相和C相的其中两相，电压传感器3的输出端连接于控制器5。
电压传感器的结构如图10所示，电压传感器3包括分压电路31、差分电路32以及AD转换电路33，分压电路31分别连接于功率变流装置1的A相、B相和C相其中两者，分别测量两个交流相对地电压(相电压)，即第一电压和第二电压；差分电路32接收第一电压和第二电压，并对第一电压和第二电压进行共模噪音抑制处理，分别输出第一差分电压信号和第二差分电压信号，AD转换电路33连接于差分电路32，接收并将第一差分电压信号和第二差分电压信号进行数字编码，然后输出第一数字电压信号和第二数字电压信号至控制器5，其中第一数字电压信号和第二数字电压信号为曼切斯特编码，曼切斯特编码可有效提高信号的抗干扰能力。
如图3所示，该接地故障检测方法可包括以下步骤。
在步骤S301，获取和上传功率变流装置中两个交流相的相电压。首先，通过电压传感器5分别测量功率变流装置中两个交流相对地电压(相电压)，亦即，第一电压和第二电压，通过电压传感器的分压电阻和差分电路(在图10中示出)对第一电压和第二电压进行信号调整和信号滤波。然后，差分电路分别输出第一差分电压信号和第二差分电压信号到AD转换电路。最后，通过AD转换电路将第一差分电压信号和第二差分电压信号转换为第一数字电压信号和第二数字电压信号，其中第一数字电压信号和第二数字电压信号为曼切斯特编码，并将第一数字电压信号和第二数字电压信号上传到控制器5。曼切斯特编码可有效提高信号的抗干扰能力。
在步骤S302，提取第一电压和第二电压的特征量。首先，通过电压传感器3将采集交流相对地电压(相电压)的瞬时值并将其转化为数字量。其次，控制器根据接收到的数字量，对相电压的瞬时值进行累加和以及平方和的数据处理，再根据电机的工作频率在一个周期内进行累加平均和均方根计算，这样就能够在电机频率动态变化过程中正确提取相电压平的均值和相电压的有效值。
具体而言，控制器5包括特征量提取单元51、逻辑判断单元52和脉冲处理单元53。特征量提取单元51接收第一数字电压信号和第二数字电压信号，并且根据第一数字电压信号和第二数字电压信号提取对应的第一电压的特征量和第二电压的特征量，其中第一电压的特征量包括第一电压的平均值或有效值，第二电压的特征量包括第二电压的平均值或有效值。
在本实施例中，控制器5接收第一数字电压信号和第二数字电压信号，根据第一数字电压信号和第二数字电压信号提取对应的第一电压的特征量和第二电压的特征量包括：通过控制器5对第一数字电压进行平均值计算以获取第一电压的平均值；或者通过控制器5对第一数字电压信号进行均方根计算以获取第一电压的有效值；以及通过控制器5对第二数字电压信号进行平均值计算以获取第二电压的平均值；或者通过控制器5对第二数字电压信号进行均方根计算以获取第二电压的有效值。具体而言，通过控制器5中特征量提取单元51对接收到的第一数字电压进行平均值计算以获取第一电压的平均值；或者通过控制器5中特征量提取单元51对接收到的第一数字电压信号进行均方根计算以获取第一电压的有效值；以及通过控制器5中特征量提取单元51对接收到的第二数字电压进行平均值计算以获取第二电压的平均值；或者通过控制器5中特征量提取单元51对接收到的第二数字电压信号进行均方根计算以获取第二电压的有效值。
在步骤S303，根据提取的第一电压的特征量和第二电压的特征量判断功率变流装置的接地故障的类型和定位接地故障的位置。根据第一电压的特征量和第二电压的特征量判断功率变流装置的接地故障的类型和定位接地故障的位置包括：根据第一电压的有效值和第二电压的有效值来判断并定位交流接地故障的位置，或者根据第一电压的平均值和第二电压的平均值来判断并定位直流接地故障的位置。具体而言，通过逻辑判断单元52接收第一电压的特征量和第二电压的特征量，并根据判断交流接地故障并准确定位到故障的交流相，或者第一电压的平均值和第二电压的平均值判断直流接地故障并准确定位到母线电容的故障端。
在本实施例中，电压传感器3的输入端连接功率变流装置的A相和C相，分别测量A相对地电压和C相对地电压。在其他实施例中，电压传感器3的输入端连接功率变流装置的B相和C相，分别测量B相对地电压和C相对地电压；或者电压传感器3的输入端连接功率变流装置的A相和B相，分别测量A相对地电压和B相对地电压。本实施例以电压传感器3的输入端连接功率变流装置的A相和C相为例进行说明，但并不以此为限。
当A相对地电压(亦即，第一电压)的有效值明显降低且小于第一预设值，而C相对地电压(亦即，第二电压)的有效值上升且大于第二预设值时，则逻辑判断单元52可以判断并定位为A相对地发生了接地故障，亦即，A相发生了交流接地故障。当A相对地电压的有效值上升且大于第二预设值，而C相对地电压的有效值上升且大于第二预设值时，则逻辑判断单元52可以判断并定位为B相对地发生了接地故障，亦即，B相发生了交流接地故障。当A相对地电压的有效值明显上升且大于第二预设值，而C相对地电压的有效值降低且小于第一预设值时，则逻辑判断单元52可以判断并定位为C相对地发生了接地故障，亦即，C相发生了交流接地故障。当A相对地电压的平均值和C相对地电压的平均值均小于第三预设值时，则逻辑判断单元52可以判断并定位为母线电容的正端发生接地故障，亦即，母线电容的正端发生了直流接地故障。当A相对地电压的平均值和C相对地电压的平均值均大于第四预设值时，则逻辑判断单元52可以判断并定位为母线电容的负端发生接地故障，亦即，母线电容的负端发生了直流接地故障，其中第一预设值、第二预设值、第三预设值以及第四预设值可以根据需要测量的接地电阻的范围灵活设定。
以上判断接地故障的类型和定位接地故障的位置可以由如图1和图2所示的控制器5中的逻辑判断单元52来执行。图4示出了控制器判断接地故障类型和定位接地故障位置的一个例子，图表中的符号“U”表示相电压。应理解，图4中示出的各类预设值仅是示例性的，可根据实际需要来设置，而不以任何方式限制本发明。另外，图5示出了A相接地故障的波形示意图；图6为B相接地故障的波形示意图；图7为电机C相接地故障波形示意图；图8为母线电容的正端接地故障波形示意图；图9为母线电容的负端接地故障波形示意图。
请参照图4，其中，分别以A相对地电压作为第一电压，并且C相对地电压作为第二电压为例进行了说明。如图4所示，根据第一电压的有效值和第二电压的有效值来判断并定位交流接地故障的位置包括：当第一电压的有效值<0.8*U，其中U指相电压的电压值，并且第二电压的有效值>1.2*U，则判断并定位为A相发生了交流接地故障，A相对地电压波形和C相对地电压波形如图5所示；当第一电压的有效值>1.2*U，并且第二电压的有效值>1.2*U，则判断并定位为B相发生了交流接地故障，A相对地电压波形和C相对地电压波形如图6所示；当第一电压的有效值>1.2*U，并且第二电压的有效值<0.8*U，则判断并定位为C相发生交流接地故障，A相对地电压波形和C相对地电压波形如图7所示。根据第一电压的平均值和第二电压的平均值来判断和定位直流接地故障的位置包括：当第一电压的平均值<-0.3*0.5Udc和第二电压的平均值<-0.3*0.5Udc时，其中Udc为直流母线电压值，判断为母线电容的正端发生接地故障，A相对地电压波形和C相对地电压波形如图8所示；或者当第一电压的平均值>0.3*0.5Udc和第二电压的平均值>0.3*0.5Udc时，则判断为母线电容的负端发生接地故障，A相对地电压波形和C相对地电压波形如图9所示。
在其他实施例中，电压传感器3的输入端可以连接功率变流装置的A相和C相，用以测量A相对地电压和C相对地电压，其中电压传感器为双路电压传感器或者两个单路电压传感器的组合；然后，电压传感器3将两个相电压转换为第一数字电压信号和第二数字电压信号，并且将其传输至控制器5，控制器5根据第一数字电压信号和第二数字电压信号可以计算并提取出A相对地电压的有效值和平均值，B相对地电压的有效值和平均值，C相对地电压的有效值和平均值；或者电压传感器3的输入端可以分别连接到功率变流装置的A相、B相和C相，用以测量A相对地电压、B相对地电压和C相对地电压，其中电压传感器为三路电压传感器或者三个单路电压传感器的组合；然后，电压传感器3将三个相电压转换为第一数字电压信号、第二数字电压信号和第三数字电压信号，并且将其传送至控制器5，控制器5根据第一数字电压信号、第二数字电压信号和第三数字电压信号可以计算并提取出A相对地电压的有效值和平均值，B相对地电压的有效值和平均值，C相对地电压的有效值和平均值。当A相对地电压的有效值明显降低，而B，C两相对地电压的有效值上升时，则可判断A相对地发生了接地故障，亦即，A相发生了交流接地故障。当A相对地电压的有效值电压明显升高，另B，C两相中的一相对地电压的有效值升高，而另一相对地电压的有效值降低，则可判定为B、C两相中的另一相发生了交流接地故障。当A，B，C三相对地电压的平均值均明显升高且大于第四预设值，则可判定为母线电容的负端发生了直流接地故障。当A，B，C三相对地电压的平均值均明显降低且小于第三预设值，则可判定为母线电容的正端发生了直流接地故障。
在步骤S304，处理接地故障。首先，封锁控制器5输出的控制信号，即当控制器5中逻辑判断单元52根据第一电压的特征量和第二电压的特征量判断出功率变流装置发生了交流接地故障或直接接地故障时，脉冲处理单元53封锁控制信号，用以关断整流电路2和逆变电路6中功率半导体开关，进而对整流电路2和逆变电路6进行关机处理。然后，在控制器5对整流电路2和逆变电路6进行关机处理，控制器5再输出跳闸信号，用以断开开关组。具体而言，逻辑判断单元52输出跳闸信号至执行单元10，例如，开入开出板，然后由执行单元10控制开关组断开，使得功率变流装置中整流电路2与电网8之间断开连接，其中，开关组可以为断路器。
第二实施例
该实施例提供了一种具有接地故障检测功能的功率变流装置。该功率变流装置包括整流电路2、母线电容4、逆变电路6。其中整流电路2的一侧电性耦接于开关组7，开关组7电性耦接于电网8，母线电容4电性耦接于整流电路2的另一侧和逆变电路6的一侧之间，逆变电路6的另一侧的交流相电性耦接于电机9，逆变电路6的交流相包括第一相、第二相和第三相，即A相、B相和C相。功率变流器装置还包括电压传感器3和控制器5，电压传感器3的输入端分别电性耦接于逆变电路6的第一相、第二相和第三相其中两者，电压传感器3的输出端连接于控制器5。
电压传感器3的结构如图10所示，电压传感器3包括分压电路31、差分电路以及AD转换电路，分压电路分别连接于功率变流装置的A相、B相和C相其中两者，分别测量两个交流相对地电压，即第一电压和第二电压，并输出第一分压电压和第二分压电压；差分电路接收第一分压电压和第二分压电压，并对第一分压电压和第二分压电压进行共模噪音抑制处理，分别输出第一差分电压信号和第二差分电压信号，AD转换电路连接于差分电路，接收并将第一差分电压信号和第二差分电压信号进行数字编码，然后输出第一数字电压信号和第二数字电压信号至控制器5，其中第一数字电压信号和第二数字电压信号为曼切斯特编码，曼切斯特编码可有效提高信号的抗干扰能力。
控制器5接收电压传感器3输出的第一数字电压信号和第二数字电压信号，根据第一数字电压信号和第二数字电压信号提取对应的第一电压的特征量和第二电压的特征量，并根据第一电压的特征量和第二电压的特征量判断功率变流装置接地故障的类型和定位接地故障的位置。当判断所述功率变流装置发生接地故障时，可封锁控制器输出的控制信号，以对功率变流装置进行关机处理，亦即，控制器5控制整流电路2和逆变电路6中功率半导体开关关断，用以对整流电路2和逆变电路6进行关机处理。在对整流电路2和逆变电路6进行关机处理后，控制器5再输出跳闸信号至开关组7，用于断开开关组7，使得功率变流装置中整流电路2与电网8之间断开连接，其中，开关组7可以为断路器。
控制器5提取的第一电压的特征量包括第一电压的平均值或有效值，第二电压的特征量包括第二电压的平均值或有效值。
控制器5对第一数字电压信号进行平均值计算以获取第一电压的平均值；或者控制器5对第一数字电压信号进行均方根计算以获取第一电压的有效值。控制器5对第二数字电压信号进行平均值计算以获取第二电压的平均值；或者控制器5对第二数字电压信号进行均方根计算以获取第二电压的有效值。具体而言，控制器5包括特征量提取单元51、逻辑判断单元52和脉冲处理单元53。特征量提取单元51接收第一数字电压信号和第二数字电压信号，并根据第一数字电压信号和第二数字电压信号提取对应的第一电压的特征量和第二电压的特征量，例如，特征量提取单元51对第一数字电压信号进行平均值计算以获取第一电压的平均值；或者特征量提取单元51对第一数字电压信号进行均方根计算以获取第一电压的有效值。特征量提取单元51对第二数字电压信号进行平均值计算以获取第二电压的平均值；或者特征量提取单元51对第二数字电压信号进行均方根计算以获取第二电压的有效值。
控制器5可以根据第一电压的有效值和第二电压的有效值来判断和定位交流接地故障的位置，也可以根据第一电压的平均值和第二电压的平均值来判断和定位直流接地故障的位置。具体而言，控制器5中逻辑判断单元52根据第一电压的有效值和第二电压的有效值来判断和定位交流接地故障的位置，也可以根据第一电压的平均值和第二电压的平均值来判断和定位直流接地故障的位置。
当逻辑判断单元52判断出功率变流装置发生了接地故障时，所述脉冲处理单元53封锁控制信号，用以对功率变流装置进行关机处理。
在本实施例中，电压传感器3的输入端连接功率变流装置的A相和C相，其中电压传感器3为双路电压传感器，但并不以此为限。电压传感器3通过光纤与控制器5连接，可以实现高压隔离作用。电压传感器3分别测量A相对地电压和C相对地电压，其中，A相对地电压作为第一电压，C相对地电压作为第二电压。例如，当控制器5提取的第一电压的有效值小于第一预设值，第二电压的有效值大于第二预设值时，控制器判断和定位为A相对地发生了交流接地故障；当第一电压的有效值大于第二预设值，第二电压的有效值大于第二预设值，控制器5判断和定位为B相对地发生了交流接地故障；当第一电压的有效值大于第二预设值，第二电压的有效值小于第一预设值，控制器5判断并定位为C相对地发生了交流接地故障。当第一电压的平均值和第二电压的平均值都小于第三预设值时，控制器5判断并定位为母线电容4的正端发生了直流接地故障；当第一电压的平均值和第二电压的平均值都大于第四预设值时，控制器5判断并定位为母线电容4的负端发生了直流接地故障，其中第一预设值、第二预设值、第三预设值以及第四预设值可以根据需要测量的接地电阻的范围灵活设定。
以上判断接地故障的类型和定位接地故障的位置可以由如图2所示的控制器来执行。图4示出了控制器判断接地故障类型和定位接地故障位置的一个例子，应理解，图4中示出的各类预设值仅是示例性的，可根据实际需要来设置，而不以任何方式限制本发明。另外，图5示出了A相接地故障的波形示意图；图6为B相接地故障的波形示意图；图7为电机C相接地故障波形示意图；图8为母线电容的正端接地故障波形示意图；图9为母线电容的负端接地故障波形示意图。
请参照图4，其中，分别以A相对地电压作为第一电压，并且C相对地电压作为第二电压为例进行了说明。如图4所示，根据第一电压的有效值和第二电压的有效值来判断并定位交流接地故障的位置包括：当第一电压有效值<0.8*U，其中U指相电压的电压值，并且第二电压有效值>1.2*U，则判断并定位为A相发生了交流接地故障，A相对地电压波形和C相对地电压波形如图5所示；当第一电压有效值>1.2*U，并且第二电压有效值>1.2*U，则判断并定位为B相发生了交流接地故障，A相对地电压波形和C相对地电压波形如图6所示；当第一电压有效值>1.2*U，并且第二电压有效值<0.8*U，则判断并定位为C相发生交流接地故障，A相对地电压波形和C相对地电压波形如图7所示。根据第一电压的平均值和第二电压的平均值来判断和定位直流接地故障的位置包括：当第一电压平均值<-0.3*0.5Udc和第二电压平均值<-0.3*0.5Udc，Udc是直流母线电压值时，判断为母线电容的正端发生了直流接地故障，A相对地电压波形和C相对地电压波形如图8所示；或者当第一电压平均值>0.3*0.5Udc和第二电压平均值>0.3*0.5Udc时，则判断并定位为母线电容的负端发生了直流接地故障，A相对地电压波形和C相对地电压波形如图9所示。
以上描述的附图中的流程图和框图，图示了按照本申请各种实施例的设备、方法和装置的可能实现的体系架构、功能和操作。流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、电路、程序段、或用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个按顺序示出的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的基于硬件的系统或电路来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
描述于本申请实施例中所涉及到的模块或单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。本领域技术人员可以理解，上述实施方式的全部或部分步骤可以被实现为由CPU执行的计算机程序或者指令。在该计算机程序被CPU执行时，执行本发明提供的上述方法所限定的上述功能。这种程序或指令可以存储于一种计算机可读存储介质中，该存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
此外，需要注意的是，上述附图仅是根据本发明示例性实施方式的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，可以理解，除非特别说明，这些处理可以是同步或异步执行的。
以上具体地示出和描述了本发明的示例性实施方式。应理解，本发明不限于本文描述的详细结构、设置方式或实现方法；本发明的保护范围仅由所附权利要求来定义，涵盖权利要求保护范围内的各种修改和变形。
Claims (21)
1.一种应用于功率变流装置的接地故障检测方法，所述功率变流装置包括整流电路、母线电容、逆变电路；其中所述整流电路电性耦接于开关组，所述开关组件电性耦接于电网，所述母线电容电性耦接于所述整流电路与所述逆变电路之间，所述逆变电路的交流相电性耦接于电机，所述功率变流器装置还包括电压传感器和控制器，所述电压传感器的输入端电性耦接于所述逆变电路的交流相，所述电压传感器的输出端连接于所述控制器；所述方法包括：
通过所述电压传感器分别测量第一电压和第二电压，并将所述第一电压和所述第二电压转换为第一数字电压信号和第二数字电压信号；
通过所述控制器接收所述第一数字电压信号和所述第二数字电压信号，根据所述第一数字电压信号和所述第二数字电压信号提取对应的所述第一电压的特征量和所述第二电压的特征量；并且根据所述第一电压的特征量和所述第二电压的特征量来判断所述功率变流装置的接地故障的类型以及定位接地故障的位置；以及当判断所述功率变流装置发生接地故障时，对所述功率变流装置进行关机处理。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述逆变电路的交流相包括第一相、第二相和第三相，所述电压传感器包括分压电路、差分电路以及AD转换电路，所述分压电路分别连接于所述第一相、所述第二相和所述第三相其中两者，分别测量所述第一电压和所述第二电压，并且输出第一分压电压和第二分压电压；所述差分电路接收所述第一分压电压和所述第二分压电压，并对所述第一分压电压和所述第二分压电压进行共模噪音抑制处理，分别输出第一差分电压信号和第二差分电压信号，所述AD转换电路连接于所述差分电路，接收并将所述第一差分电压信号和所述第二差分电压信号进行数字编码，输出所述第一数字电压信号和所述第二数字电压信号。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述第一电压的特征量包括所述第一电压的平均值或有效值，所述第二电压的特征量包括所述第二电压的平均值或有效值。
4.如权利要求3所述的方法，其中，通过所述控制器接收所述第一数字电压信号和所述第二数字电压信号，根据所述第一数字电压信号和所述第二数字电压信号分别提取对应的所述第一电压的特征量和所述第二电压的特征量包括：
通过所述控制器对所述第一数字电压信号进行平均值计算以获取所述第一电压的平均值；或者通过所述控制器对所述第一数字电压信号进行均方根计算以获取所述第一电压的有效值，以及
通过所述控制器对所述第二数字电压信号进行平均值计算以获取所述第二电压的平均值；或者通过所述控制器对所述第二数字电压信号进行均方根计算以获取所述第二电压的有效值。
5.如权利要求4所述的方法，其中，根据所述第一电压的特征量和所述第二电压的特征量判断所述功率变流装置的接地故障的类型以及定位接地故障的位置包括：
根据所述第一电压的有效值和所述第二电压的有效值来判断并定位交流接地故障的位置；或者根据所述第一电压的平均值和所述第二电压的平均值来判断并定位直流接地故障的位置。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述分压电路分别连接于所述第一相和所述第三相，且根据所述第一电压的所述有效值和所述第二电压的有效值来判断并定位交流接地故障的位置包括：
当所述第一电压的有效值小于第一预设值，并且所述第二电压的有效值大于第二预设值，则判断并定位为所述逆变电路的所述第一相发生了交流接地故障；
或者当所述第一电压的有效值大于所述第二预设值，并且所述第二电压的有效值大于所述第二预设值，则判断并定位为所述逆变电路的所述第二相发生了交流接地故障；
或者当所述第一电压的有效值大于所述第二预设值，并且所述第二电压的有效值小于所述第一预设值，则判断并定位为所述逆变电路的所述第三相发生了交流接地故障。
7.如权利要求5所述的方法，其中，根据所述第一电压的平均值和所述第二电压的平均值来判断并定位直流接地故障的位置包括：
当所述第一电压的平均值和所述第二电压的平均值都小于第三预设值时，判断并定位为所述母线电容的正端发生了直流接地故障；
或者当所述第一电压的平均值和所述第二电压的平均值都大于第四预设值时，判断并定位为所述母线电容的负端发生了直流接地故障。
8.如权利要求1所述的方法，还包括通过该控制器输出跳闸信号，以断开所述开关组。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述电压传感器为双路电压传感器。
10.如权利要求2所述的方法，其中，所述数字编码为曼彻斯特编码。
11.一种具有接地故障检测功能的功率变流装置，包括整流电路、母线电容、逆变电路；其中所述整流电路电性耦接于开关组，所述开关组件电性耦接于电网，所述母线电容电性耦接于所述整流电路和所述逆变电路之间，所述逆变电路的交流相电性耦接于电机，其中逆变电路的交流相包括第一相、第二相和第三相；所述功率变流器装置还包括电压传感器和控制器，所述电压传感器的输入端电性耦接于所述逆变电路的所述第一相、所述第二相和所述第三相其中两者，所述电压传感器的输出端连接于所述控制器；其特征在于：
所述电压传感器分别测量第一电压和第二电压，并将所述第一电压和所述第二电压转换为第一数字电压信号和第二数字电压信号；
所述控制器接收所述第一数字电压信号和所述第二数字电压信号，根据所述第一数字电压信号和所述第二数字电压信号提取对应的第一电压的特征量和第二电压的特征量；并根据所述第一电压的特征量和所述第二电压的特征量来判断所述功率变流装置接地故障的类型以及定位接地故障的位置；以及当判断所述功率变流装置发生接地故障时，对所述功率变流装置进行关机处理。
12.如权利要求11所述的功率变流装置，其中，所述电压传感器包括分压电路、差分电路以及AD转换电路，所述分压电路分别连接于所述第一相、所述第二相和所述第三相其中两者，分别测量所述第一电压和所述第二电压，并输出第一分压电压和第二分压电压；所述差分电路接收所述第一分压电压和所述分压第二电压，并对所述第一分压电压和所述第二分压电压进行共模噪音抑制处理，分别输出第一差分电压信号和第二差分电压信号，所述AD转换电路连接于所述差分电路，接收并将所述第一差分电压信号和所述第二差分电压信号进行数字编码，输出所述第一数字电压信号和所述第二数字电压信号。
13.如权利要求12所述的功率变流装置，其中，所述
第一电压的特征量包括所述第一电压的平均值或有效值，所述第二电压的特征量包括所述第二电压的平均值或有效值。
14.如权利要求13所述的功率变流装置，其中，所述控制器对所述第一数字电压信号进行平均值计算以获得所述第一电压的平均值，或者对所述第一数字电压信号进行均方根计算以获得所述第一电压的有效值。
15.如权利要求13所述的功率变流装置，其中，所述控制器对所述第二数字电压信号进行平均值计算以获得所述第二电压的平均值，或对所述第二数字电压信号进行均方根计算以获得所述第二电压的有效值。
16.如权利要求13所述的功率变流装置，其中，所述控制器根据所述第一电压的有效值和所述第二电压的有效值来判断并定位交流接地故障位置；或者根据所述第一电压的平均值和所述第二电压的平均值来判断并定位直流接地故障的位置。
17.如权利要求16所述的功率变流装置，其中，所述分压电路分别连接于所述第一相和所述第三相，
当所述第一电压的有效值小于第一预设值，所述第二电压的有效值大于第二预设值，所述控制器判断并定位为所述逆变电路的所述第一相发生了交流接地故障；
或者当所述第一电压的有效值大于所述第二预设值，所述第二电压的有效值大于所述第二预设值，所述控制器判断并定位为所述逆变电路的所述第二相发生了交流接地故障；
或者当所述第一电压的有效值大于所述第二预设值，所述第二电压的有效值小于所述第一预设值，所述控制器判断并定位为所述逆变电路的所述第三相发生了交流接地故障。
18.如权利要求16所述的功率变流装置，其中：
当所述第一电压的平均值和所述第二电压的平均值都小于第三预设值时，所述控制器判断并定位为所述母线电容的正端发生了直流接地故障；
或者当所述第一电压的平均值和所述第二电压的平均值都大于第四预设值时，所述控制器判断并定位为所述母线电容的负端发生了直流接地故障。
19.如权利要求11所述的功率变流装置，其中，当所述功率变流装置进行关机处理后，所述控制器输出跳闸信号，以断开所述开关组。
20.如权利要求11所述的功率变流装置，其中，所述电压传感器为双路电压传感器。
21.如权利要求11所述的功率变流装置，其中，所述控制器包括特征量提取单元、逻辑判断单元和脉冲处理单元；其中所述特征量提取单元根据所述第一数字电压信号和所述第二数字电压信号提取对应的所述第一电压的特征量和所述第二电压的特征量；所述逻辑判断单元根据所述第一电压的特征量和所述第二电压的特征量来判断接地故障的类型以及定位接地故障的位置；当判断所述功率变流装置发生接地故障时，所述脉冲处理单元对所述功率变流装置进行关机处理。
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