CN111398849B - 用于检测设备及线路故障的测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测设备及线路故障的测量系统（1），该测量系统（1）包括评估单元（AE）和至少一个传感器单元（S1），其中测量系统（1）就故障确定该故障频率相对于预定极限频率是高还是低，以及测量系统（1）还提供关于一个故障或多个故障的数据。

Description

用于检测设备及线路故障的测量系统

技术领域

本发明涉及用于检测设备及线路故障的测量系统。

背景技术

电气装置和设备越来越容易受到电压浪涌的影响。在低压网络中，低能量故障和高能量故障都会发生。由于外部影响，例如闪电事件，高能量故障被耦合到低压网络中。由于越来越多地使用半导体技术和/或开关操作（例如，通过电机、接触器），低能量故障也更频繁地发生在低频网络中。由于电气部件的进一步微型化，对所有类型故障的易损性正在增加。高能脉冲比低能脉冲发生得更少。

为保护易受损坏的组件免受这些故障的影响，使用了电涌保护装置。这些装置可以阻止伴随电压浪涌的脉冲电流。

低能故障（脉冲）通常不会触发电涌保护装置，但当重复率高时，可能会导致设备永久性损坏。

过去，为了能够检测故障及其对网络和电涌放电器的影响，开发了各种各样的装置。例如，已知如何利用脉冲计数器计数高能电涌事件。

另一方面，还可以测量闪电电流。为此，例如，由专利申请人提供装置。并且各种测量探头也被发现可用于实验室。

然而，上述装置不能可靠地检测低能故障。过去，为了在装置认证期间检测低能故障，已经提出了所谓的电磁兼容性测试。例如，从DE4212751C2中已知一种数字评估电路，其可以测量数字组件的电磁兼容性。从DE29514423U1中还已知一种紧凑型电磁兼容性（EMC）传感器。从DE3742397C1中已知一种网络分析装置，其用于识别、分析、登记、记录以及报告电磁故障。从DE19507809C2已知一种用于检测脉冲状干扰的测量方法。

然而，这些装置不适合监控正在进行的操作，并且通常不适合检测高能故障。

此外，上述装置或者需要在装置中进行干预，和/或涉及通过测量装置的测量来改变到装置的线路信号。这可能会导致信息的丢失。

发明内容

本发明为解决提出的问题提供了一种测量系统，是一种用于检测设备及线路故障的测量系统，通过频率区别故障类型，包括评估单元和至少一个传感器单元，所述测量系统通过评估单元将出现的故障频率与预先设定的极限频率比较判断是高频率故障还是低频率故障，以及所述测量系统还提供一个故障或多个故障的数据。

该测量系统可以检测高能故障和低能故障两者，而不会显著地改变可能有用的信号。

根据本发明，通过独立权利要求的特征来解决该问题。从属权利要求、说明书以及附图中示出了本发明的有利实施例。

在下文中，将参照附图并借助优选实施例更详细地解释本发明。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例的传感器单元的示意性布置；

图2示出了根据本发明实施例的传感器单元和评估装置的示意性布置；

图3示出了根据本发明实施例的推挽信号的传导路径的示意性布置；

图4示出了根据本发明实施例的当使用共同参考点时推挽信号的传导路径的示意性布置；

图5示出了共模信号的传导路径的示意性布置；

图6示出了根据本发明实施例的用于提供推挽信号和共模信号的导体轨迹的示意性布置；

图7示出了根据本发明实施例的示例性评估逻辑关系图；

图8示出了根据本发明实施例的关于推挽信号的第一导体轨迹层的导体轨迹；

图9示出了根据本发明实施例的关于推挽信号的第二导体轨迹层的导体轨迹；

图10示出了根据本发明实施例的关于共模信号的导体轨迹层的导体轨迹，以及

图11示出了根据本发明实施例的元件的示意性布置。

具体实施方式

在下文中，将参照附图更详细地介绍本发明。应当注意，将描述各个方面，其中每个方面可以单独使用或组合使用。也就是说，任何给定的方面都可以用于本发明的不同实施例，除非明确表示为纯粹的替代。

此外，在下文中为了简单起见，通常总是提及一个项目。然而，除非明确提及，本发明还可以包括许多特定项目。因此，词语“一”和“一个”的使用应被视为意味着在单个实施例中使用了至少一个项目。

在下文描述的方法中，方法的各个步骤可以以任何期望的顺序排列和/或组合，除非上下文另有明确说明。此外，除非另有明确说明，否则这些方法可以相互结合。

数值指示通常不应理解为精确值，但也应包含+/-1%至+/-10%的公差。

就本申请中提到的标准、规范等而言，将总是指至少在提交日期可适用的标准、规范等。也就是说，如果是标准或规范等被后继者更新或替换，则本发明应适用于那个版本。

就下文中使用的术语绕组而言，还特别意味着一个导体回路或多个导体回路。

在下文中提及电路时，应指输入/输出电路以及装置或设备项目内的内部电气连接两者。

附图中示出了各种实施例。

本发明使得在没有相互影响的情况下检测高能脉冲和低能脉冲成为可能。特别地，本发明可以提供高能脉冲和低能脉冲的同时检测，而没有相互影响。

为此，本发明利用了高能故障（例如脉冲）可能会发生在几百千赫（kHz）的频率范围内，而低能故障的频率也可能会发生在几百兆赫（MHz）的事实。

由于本发明，可以检测频率为1赫兹至高达几百兆赫或在千兆赫范围内的（脉冲状）故障，通过频率区别故障类型。

特别地，本发明允许无缝检测包含典型低能故障和典型高能故障两者的频率范围。

本发明能够在该过程中进行连续监控。

例如，这种连续监控能够基于记录的历史进行追溯推理。如果装置出现故障，这些数据可能有助于故障排除。

例如，评估单元AE的事件数据可以链接到其他事件。

例如，如果壳体部分中的风扇控制器经常出现故障，可以从比较数据中推断原因是否是网络干扰（例如电压浪涌）。如果可以找到故障源，则可以找到适当的补救措施。

此外，如果设施发生改变，故障可能会增加，并且这些故障可以借助数据进行诊断。

例如，如果安装了新的电机，并且导致故障越来越多，则评估单元AE可以借助于事件数据的时间戳来推断原因是电机的实施。

用于检测设备及线路故障的测量系统1包括至少一个评估单元AE和至少一个传感器单元S1。

在不限制一般性的情况下，测量系统还可以包括一个以上的传感器单元S1。例如，图3-5示出的三个或以上的传感器单元S1、S2、... Sn。该数量可以受到例如这种传感器单元到评估单元AE的连接可能性的数量的限制。

传感器单元S1、S2、Sn尤其是感应有用信号的感应传感器。

感应传感器的优点是不需要对电路进行干预。相反，数据和/或电源线周围的杂散场可以感应地用作信息源，而不改变数据和/或电源线上的有用信号。此外，感应传感器S1、S2、Sn在测量系统1中相对于被监控线路是绝缘的。

这种传感器向评估单元AE提供特别是用于高能脉冲的差分信号。差分信号（推挽信号）在两个导体上传输。由于传感器单元S1相对于设备或装置的良好绝缘，在这方面提供了（足够高的）容量，使得传感器单元S1也可以同时向评估单元AE提供共模信号。

此外，通过在高频范围内将传感器单元S1、S2、Sn的两个导体之一提供到设备的接地导体的低电阻连接，这可以用于向评估单元AE提供共模信号。高频范围内的这种低电阻连接可以由适当容量的电容器提供，使得两个导体上的同相高频信号现在变得可检测。高频范围内的低电阻连接在图2中表示为高频电桥。基于容量的不同，电容器甚至可能在某些频率下构成短路。

测量系统1还适于就故障确定该故障的频率相对于预先设定的极限频率是高频率故障还是低频率故障，并且测量系统1还提供关于一个故障或多个故障的数据。

数据的提供可以通过与评估单元AE连接的本地显示器DIS提供。同样，例如，还可以设置成在评估单元AE处提供开关元件，以便评估过去（存储的）故障的历史和相应的事件数据。

在不限制一般性的情况下，可以替代地或附加地设置成测量系统1还包括有通信接口I/O。

通过通信接口，可以提供单个和/或多个（存储的）故障或其事件数据（能量、电压、电流、持续时间、频率、时间等）用于进一步评估。特别地，通信接口I/O可以包括标准化的无线接口或有线接口。从专利申请的意义上来说，提供既意味着主动提供，以便事件数据被直接地或以时间延迟或周期性地中继到另一装置，提供又意味着被动的通过另一装置获取或调用。

在本发明的一个实施例中，具有初级侧和次级侧的变压器U布置在传感器单元S1和评估单元AE之间，其中传感器单元S1连接到初级侧。评估单元AE的子单元可以连接到次级侧。

在该过程中，变压器U提供电流隔离。此外，通过合适地选择传递比，电压电平可以适合于评估单元AE。此外，提供了有用信号的进一步去耦。

这种变压器U可以特别经济地设计在电路板PCB上。例如，传感器单元的第一连接导体铺设在电路板上形成导体回路，该导体回路在电路板中形成变压器U的初级绕组。

在多极连接中，属于（一件设备或装置的）连接的所有导体以相同的方式（相同的缠绕方向）平行铺设。然后，它们共同构成变压器U的初级绕组。

图3还示出了一个实施例，其中多个传感器单元各自具有到电路板PCB的双极连接。在这种情况下，每个传感器单元都有自己的参考点。每个这种双极连接的导体回路以相同的方向一个接一个地布置的如图所示。另一方面，图4示出了一个实施例，其中多个传感器单元各自具有到电路板的单极连接。在这种情况下，多个传感器单元具有共同（接地）参考点。

变压器U的次级绕组可以位于多层电路板PCB内的相同层上或至少一个相邻层上。次级绕组的匝数将取决于次级侧上用于进一步传播的期望感应电压。

变压器U的次级绕组可以连接到具有参考电位（例如，地线/GND）的导体轨迹。绕组的另一导体轨迹可以在另一侧连接到评估单元AE/AE_2的评估逻辑。评估单元AE/AE_2能够检测和评估高能故障脉冲。该评估可以用例如互补金属氧化物半导体（CMOS）存储器触发器来完成。

在本发明的一个实施例中，评估单元AE包括模拟/数字转换器。在这种情况下，没有必要提供多级模拟/数字（A/D）转换器。相反，仅仅一个二进制转换器就足够了。

如图7所示，可以用触发器进行示例性评估。其执行1位A/D转换。

在本发明的一个实施例中，极限频率是从250kHz到1MHz范围内来选择，用于对高频/低频的鉴别。

例如，图8示出了第一导体层的导体轨迹的路线。图9示出了第二导体层的导体轨迹的路线。这两个层一起代表推挽信号的传导路径。推挽信号通过电线L_S1传送到传感器单元S1。然后，推挽信号通过导体轨迹L_AE传送到评估电子AE/AE_1，用于高能故障。

如图8和图9所示，用于检测低能故障的共模信号可以通过传感器元件的电线L_AE_1来转移。如图10所示，该电线电感耦合到具有两个导体回路的导体回路L_AE_2。应当注意，图10仅示出变压器U的次级侧，而初级侧可以例如在图8或图9的表示中找到。显然，导体回路的数量可以相应地调整。

尽管图10示出了关于如此形成的变压器U的彼此并排的布置，但是本发明不限于此。相反，图6所示的导体结构也可以布置在不同的导体层中，例如电路板的导体层。然后，导体轨迹L_AE_1和L_AE_2形成相应的附加电线或变压器U。

由于这种布置，提供了低能共模信号与高能推挽信号的分离，如图1和图2相对于图3所表示的那样。这使得在不同的评估子单元AE_1和AE_2中检测和处理各自的信号而不受彼此影响成为可能。

在该过程中，如此形成的变压器U提供共模信号的电流分隔。

连接到传感器单元S1的输入线L_S1可以在一个（或多个）导体回路中以相同的方向铺设。

这样，推挽信号实际上不受影响。

变压器U可以设计成与多层电路板的至少一个其他层相邻或者优选地在电路板的至少一个其他层上，并且作为一个或多个导体回路。

这产生了高频（电磁）耦合。

耦合可以优选地设计成没有铁磁材料，因为这种材料会影响线性度和/或导致实际期望信号的（部分）消失。

也就是说，在实施例中可以单独检测故障。例如，低频故障可以在第一评估子单元AE_1中检测，而高频故障可以在第二评估子单元AE_2中检测。此外，这种布置不仅允许结构隔离，而且允许同时检测低频故障和高频故障。

在另一实施例中，如图2所示，与设备/装置的公共接地电位的连接提供了例如功能性接地。

特别地，测量系统1至少在某些时候适用于具有低频电压的电线。

附图标记一览表

1 测量系统；

AE 评估单元；

S1、S2、……Sn 传感器单元；

I/O 通信接口；

U 变压器；

PCB 电路板；

FE 共用接地；

AE_1、AE_2 评估子单元；

L_AE 连接到评估单元的电线；

L_S1 连接到传感器单元的电线；

L_AE_1 连接到评估子单元的电线；

L_AE_2 连接到评估子单元的电线；

DIS 显示器。

Claims (8)

1.一种用于检测设备及线路故障的测量系统（1），通过频率区别故障类型，包括评估单元（AE）和至少一个传感器单元（S1），其特征在于，所述测量系统（1）通过评估单元将出现的故障频率与预先设定的极限频率比较判断是高频率故障还是低频率故障，以及所述测量系统（1）还提供一个故障或多个故障的数据；借助于故障数据的时间戳推断故障原因；

其中：所述高频率故障是高能频率故障，所述低频率故障是低能频率故障；

所述传感器单元（S1）输出差分信号，用以提高故障频率的检出能力；

所述评估单元（AE）包括有模拟/数字转换器，用于数字化评估；

系统还具有初级和次级的变压器（U）布置在所述传感器单元（S1）和所述评估单元（AE）之间，用以提供信号隔离，所述变压器（U）的初、次级通过电路板（PCB）上的导体轨迹回路形成， 所述传感器单元（S1）是感应传感器，所述变压器的初级作为感应传感器输出差分信号用于高频率故障评估，所述变压器次级输出共模信号用于低频率故障评估。

2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统（1）还包括有通信接口（I/O）。

3.根据上述权利要求中任意一项所述的测量系统，其特征在于，所述评估单元（AE）用于监控多个传感器单元（S1、... S4）。

4.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述极限频率的设定范围从250kHz到1MHz。

5.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统具有共用接地（FE）连接。

6.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，低频故障在评估单元（AE）中的第一评估子单元（AE_1）中检测，高频故障在评估单元（AE）中的第二评估子单元（AE_2）中检测。

7.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，低频故障在第一评估子单元（AE_1）中检测，而高频故障在与所述第一评估子单元（AE_1）电隔离的第二评估子单元（AE_2）中检测。

8.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述系统用于低频电压线路。

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