CN111742234A - 接地故障检测 - Google Patents

Abstract

在配电系统中提供了一种接地故障检测方法。该方法包括：检测(30)配电系统中的接地故障；向第一切换设备发送指令以将第一能量存储单元(1)与能量存储系统断开连接(31)，而其余的能量存储单元仍然并联连接到DC总线，以能够继续向配电系统供电；以及再次测试(32)接地故障。再次实施对接地故障的测试，并且重复断开连接、测试和重新连接的步骤，直到接地故障已经被识别(36、37)或者所有能量存储单元已经被测试为止。

Description

接地故障检测

技术领域

本发明涉及接地故障检测系统和方法，该接地故障检测系统和方法用于能量存储模块，特别是包括向终端用户提供电能的电化学单元或电池的模块。

背景技术

各种类型的存储电能模块或存储电能功率单元在许多应用中变得越来越普遍，特别是对于存在与敏感环境中的排放有关的环境问题或公共健康问题的场合。存储电能功率单元通常用于提供电能来操作装备，以避免在使用时的排放，尽管所存储的能量可以已经以许多不同的方式生成。所存储的电能还可以用于在否则从电网或从各种类型的发电系统供电的系统中提供调峰，各种类型的发电系统包括柴油发电机、燃气轮机或可再生能源。飞机、交通工具、船舶、离岸钻井装置或在偏远地区的钻井装置和其它动力设备都是大规模存储电能的用户的示例。交通工具驾驶员可以在市中心使用存储能量功率单元，并且在主干道路上从内燃机充电，以减少在城镇和城市中的有害排放，或者交通工具驾驶员可以从电力供应充电。利用混合动力或全电动驱动系统，来设计在相对靠近居住区域或在敏感环境中进行大部分航行的渡轮。渡轮在靠近海岸时可以利用所存储的能量为船舶供电，在离岸时使用柴油发电机对电池再充电。在一些国家，只要该存储能量单元对于所覆盖的距离足够可靠，则用于对存储能量单元充电的、来自可再生能源的电力的可用性意味着可以使用全电动船舶，而完全不使用柴油或其它不可再生能源。在停靠时，无论是混合动力还是全电动，存储能量单元都可以从岸上充电。为了获得足够可靠的存储能量单元以长期用作主电源，在技术的发展中必须解决某些技术问题。

发明内容

根据本发明的第一方面，一种配电系统中的接地故障检测方法，该配电系统包括能量存储系统、系统控制器以及接地故障检测系统，其中能量存储系统包括多个能量存储单元，多个能量存储单元中的每个能量存储单元一起并联连接到配电系统的DC总线；每个能量存储单元包括串联连接在一起的多个能量存储模块；该方法包括：检测配电系统中的接地故障；向第一切换设备发送指令以将第一能量存储单元与能量存储系统断开连接，而其余的能量存储单元保持并联连接到DC总线，以能够继续向配电系统供电；再次测试接地故障；如果接地故障不再存在，则提供接地故障在第一能量存储单元中的指示；如果接地故障仍然存在，则从控制器发送指令以重新连接第一能量存储单元；从控制器发送指令以将下一个能量存储单元断开连接；再次测试接地故障；以及重复断开连接、测试和重新连接的步骤，直到接地故障已经被识别或者所有的能量存储单元已经被测试为止。

如果在已经测试了所有能量存储单元之后，接地故障持续存在，则可以提供接地故障在配电系统的除了能量存储系统之外的一部分中的指示。

当已经识别出具有故障的机柜时，系统可以在没有该机柜的情况下继续运行——在一些情况下，故障可能在机柜中而不是在机柜的模块中——或者操作员可以更换该机柜中的所有电池模块，而不寻找故障的确切位置，但是优选地，该方法还包括：将可移除的接地故障检测单元连接到已经识别出接地故障的、被断开连接的能量存储单元，以及实施识别能量存储单元内的有故障的能量存储模块的过程。

该过程可以包括：在两个端子处隔离第一模块；在其余模块中检查接地故障；如果不存在接地故障，则移除并更换被隔离的模块；如果接地故障仍然存在；则重新连接被隔离的模块；隔离下一个模块；再次在机柜中检查接地故障；如果接地故障仍然存在，则重复隔离和检查的步骤，直到故障模块被确定为止。

该方法还可以包括：在移除并更换故障模块并且确定不存在另外的故障模块之后，将机柜重新连接到能量存储系统。

可以在本地机柜控制器的控制下自动实施隔离、检查和重新连接的步骤，通过将控制信号发送到模块切换设备来隔离模块，以在其余模块中测试接地故障，并且如果未发现接地故障，则重新连接该模块。

根据本发明的第二方面，一种配电系统包括：能量存储系统、系统控制器和接地故障检测系统；其中能量存储系统包括多个能量存储单元，多个能量存储单元中的每个能量存储单元一起并联连接到配电系统的DC总线；每个能量存储单元包括串联连接在一起的多个能量存储模块；其中接地故障检测系统包括接地故障检测模块和控制模块；其中每个能量存储单元包括切换设备，以在控制模块的控制下，将每个能量存储单元连接到DC总线或者将每个能量存储单元与DC总线断开连接，而其余能量存储单元保持并联连接到DC总线，以能够继续向配电系统供电。

机柜中可以存在一个能量存储设备，或者机柜中可以存在多个能量存储设备。对于多个能量存储设备，这些能量存储设备并联连接或者以串联和并联的组合连接，但是优选地，每个能量存储模块包括串联连接在一起的多个能量存储设备。

能量存储设备可以包括电化学单元或电池中的一种。

配电系统可以是能够在存在接地故障状况下继续操作的隔离式功率系统。

附图说明

现在将参考附图描述根据本发明的用于配电系统中的能量存储模块的接地故障检测系统和方法的示例，其中：

图1是图示可以在其中应用本发明的模块化存储能量系统的示例的框图；

图2是图示本发明的框图；并且

图3是图示根据本发明的方法的流程图。

具体实施方式

早期的大型电池是铅酸，但是最近，针对大型应用已经开发了锂离子电池以用于电能存储。锂离子电池通常被加压，并且电解质是易燃的，因此在使用和存储锂离子电池时需要小心。锂离子电池可能出现的问题是热失控，这可以由在制造期间在电池单元中产生的内部短路而引起。诸如机械损坏、过度充电或不受控制的电流之类的其它原因也可能会引起热失控，但是电池系统设计通常适于避免这些情况。无法完全排除单元的制造问题，因此需要预防措施，以使出现热失控的影响最小化。在大型锂离子电池系统中，限制在热失控期间释放的能量的量是一个挑战。热事件可以使单个单元中的温度从20℃至26℃的范围内的标准操作温度升高到多达700℃至1000℃。安全操作温度低于60℃，因此这是一个严重的问题。

在海洋和离岸产业中，对于船舶或钻机的风险有严格的规定，一个要求是不得将多余的温度从一个单元传递到另一个单元。如果出现过热，则应当将过热限制在单个电池中，并且不允许扩散。另外，对于海洋和离岸应用，任何装备的重量和体积都受到严格限制，导致紧凑、轻便的系统是优选的。生产紧凑、轻便的如下系统是一个挑战，该系统实现所需的热隔离并且快速且有效地冷却出现过热的单元。

在锂离子电池系统中，非常重要的是，电池单元的温度不超过规定的操作温度，并且整个系统中的单元温度是均匀的。在规定的操作温度窗口之外的持续操作可能会严重影响电池单元的寿命，并且增加出现热失控的风险。

对于海洋应用，由于安装成本以及模块在船舶或离岸平台上所占用的重量和空间，特别关注于以能量存储模块的最大充电或放电速率来使用能量存储模块，诸如电池。此外，与存储能量系统的陆基使用相比，维护和修理或更换是复杂且昂贵的，因此延长存储能量模块的寿命特别重要。以锂离子电池为例，锂离子电池对高温敏感，因此重要的是，对于锂离子电池系统的所有单元，确保操作温度和环境温度被控制，以确保达到设计寿命。单个单元上的局部变化或过热点也可能会损害可实现的总寿命。

图1中图示了可以应用本发明的能量存储系统的示例。该系统包括能量存储单元(例如，机柜或柜体1)，其中多个能量存储模块10通过总线2a一起以串联的方式电连接到柜体控制器28，并且通过总线2b电连接到中央控制器3。通常，模块包括足够的大约3V的电池单元，这些电池单元以串联的方式电连接以形成至少78V的电池模块，在一些情况下，形成高达120V的电池模块。在大约1kV的单个机柜或柜体内，电池模块以串联的方式电连接。对于整个系统，在电池室中存在并联的多个柜体。

能量存储模块中的每个能量存储模块由冷却流体冷却，该冷却流体从冷却系统5通过入口管6和出口管7循环。冷却系统可以以串联或并联的方式流体连接。并联连接简化了向每个模块提供相同温度的冷却流体。冷却流体通常是水，水比合成冷却剂便宜且易于获取和处置。每个能量存储模块10包括以串联的方式电连接在一起的多个能量存储设备，例如，多个电池单元。这种类型的包含冷却的模块化系统特别适用于锂离子单元。

在模块10内，在每个单元的一侧，提供了电池单元冷却器，经由入口管6和出口管7，来自冷却系统5的冷却流体通过该电池单元冷却器来冷却电池单元。单元冷却器包括供冷却流体流过的管道，该管道可以是金属管道，但是更通常是合成材料，诸如聚合物塑料(例如，聚乙烯)、聚酰胺(诸如PA66塑料)、或者热塑性塑料(诸如TCE2、TCE5)或者其它合适的材料，该材料可以被模制或挤压成所需的形状，并且能够承受能量存储模块10的正常操作温度。

US20160336623描述了一种用于能量存储设备的监控和调节系统，该监控和调节系统包括电池管理系统，在充电、放电或空闲时，该电池管理系统能够在所测量的电流超过预定阈值时断开继电器或接触器，并且还可以包括监控单元中的接地故障或漏电流状况。

电气系统中的接地故障是不期望有的，并且可能会引起安全问题，因此需要在实际情况下尽快消除接地故障。有许多可以用在配电网络中的标准化接地系统。TT系统是其中电源装备的点直接接地并且用电器本地直接接地的系统；TN系统是其中电源接地并且所有外露的导电部分连接到中性导体的系统；并且IT系统是没有到地的连接的系统，IT系统被隔离或存在高阻抗接地连接。

对于接地的功率系统(诸如TN系统)，接地故障会导致故障电流，该故障电流可能会非常大，系统必须被设计成通过保险丝、断路器或等效物来消除该故障电流。然而，隔离式功率系统(IT系统)通常能够在接地故障状况下继续操作，尽管期望通过将故障装备与功率系统断开连接来尽快消除接地故障。如果未及时消除故障，则在IT系统中存在接地故障状况的情况下维持操作会导致对地电压升高，这可能会引起设备的损坏或者对人员造成威胁。未被消除的接地故障还可以使IT系统更容易遭受第二次接地故障。在这种情况下，第二次接地故障通常在TN系统中引起与第一个接地故障类似的故障电流。

对于关键操作，诸如对于海洋和离岸功率系统，例如对于医院装备在钻井船舶或者在岸上的位置保持，通常认为在存在接地故障的情况下，维持操作比冒险将必要设备断开连接更好。对于海洋和离岸功率系统，接地故障通常引起总线绑定的打开、船上的两个功率系统的隔离，使得如果出现第二次接地故障，只有一半的功率系统被关闭。这并不是理想情况，如果可能，则仍然应当将故障装备断开连接。

为了消除接地故障，需要将故障装备断开连接的手段，通常是断路器，并且必须知道接地故障的位置，以便将正确的装备断开连接。用于隔离式系统的接地故障检测系统可以用于检测接地故障，并且连接到检测系统的电流互感器可以提供故障出现在系统的哪个部分的指示。能量存储系统可以包括并联连接的数个电池单元，并且如果在这些电池单元中的一个电池单元中出现接地故障，则需要大量的电流互感器来进行精确定位。

通常，仅在系统级提供接地故障检测，这给出已经出现接地故障的指示，但是没有关于故障位于系统的哪个部分的指示。这需要大量的手动故障排除，这十分耗时，并且在大多数情况下需要在通电的系统上操作。一旦已经定位了接地故障，就可以将系统的相关部分断开连接。如果要更准确地实施接地故障检测，常规方法需要针对每个分支的电流互感器。在能量存储系统中的接地故障的情况下，期望能够以更有效的方式定位故障，以便确定哪个机柜有故障，并且随后确定机柜内待更换的所有模块，而无需使用大量的电流互感器来获得更详细的信息。尽管可以将电流互感器定位在每个机柜上以给出接地故障的更精确的位置并且将其隔离，但这仍然是笨重且昂贵的，而本公开的设计克服了这些问题。

本发明利用常规能量存储系统的内置特征来有效地定位和消除故障，而不需要许多电流互感器来定位接地故障。在更粗略的水平上，这还可以在没有手动故障排除的情况下实施。图2和图3图示了本发明的系统以及使用本发明的方法来处理接地故障所涉及的过程。多个机柜1通过DC总线41、42并联连接。为两相均提供了电流互感器43。每个机柜内都有控制器3，该控制器3包括诸如断路器40之类的切换设备，该切换设备可以在经由来自中央控制器44的控制信号而接收到控制指令时被激活。没有来自中央控制器的功率流。两相均被断开连接，并且电池串与系统的其余部分完全电气隔离。控制器能够一次性打开或关闭每个机柜中的断路器，以将该机柜断开连接。同时，所有其它机柜仍然连接到系统，并且能够提供能量。

当在能量存储系统中检测到30接地故障时，对于包含能量存储模块10的多个机柜1中的每个机柜，可以使用位于机柜中的切换设备40来一次将一个机柜断开连接。可以通过使用可编程逻辑控制器(PLC)断路器或提供电气隔离的其它合适的手段来将该过程自动化。可以在中央系统控制器的控制下选择断路器并且将断路器断开连接。从n个机柜1中的第一个机柜开始，响应于将该机柜断开连接的指令，通过打开该机柜的断路器来将机柜n＝1断开连接31。进行测试32以查看是否仍然存在接地故障。如果在机柜1已经被断开连接之后仍然存在33接地故障，则响应于来自控制器的指令，通过关闭断路器来将该机柜重新连接34。选择35下一个机柜(n＝n+1)，然后以相同方式断开连接31。重复该过程，直到将特定机柜1断开连接的效果是接地故障检测器指示36不再存在接地故障为止。可以由图2的电流互感器43与数据处理单元一起提供接地故障检测器，该数据处理单元通常是系统控制器43的一部分。不再存在接地故障的指示意味着已经成功定位了37接地故障，并且保持如下的特定机柜断开连接，将该特定机柜断开连接导致接地故障被移除。

该方法适用于定位单个接地故障，因此不适用于在设计上具有“接地故障”的TN系统。如果系统中存在两个接地故障(例如，TN系统中的第一次实际接地故障或者IT系统中的第一次接地故障和第二次接地故障)，则将流过与短路具有相同数量级的大故障电流，因此，此时系统中的断路器中的一个断路器由于该高电流而操作，以阻止大故障电流的流动。尽快消除第一次接地故障避免了进入该阶段。当该断路器已经操作时，该断路器实际上已经隔离了接地故障中的一个接地故障，因此本发明的方法可以用于定位和消除第二次接地故障。

然后可以将操作员引导到有故障的能量存储单元以测试机柜内的故障。一旦已经识别出故障机柜，就可以将故障缩小到模块水平。这依赖于将模块断开连接，因此要求各个模块能够被隔离。例如，每个模块可以在模块内设置有断路器，以在两个端子处将模块隔离。还可以远程地操作该断路器。可以以与图3的过程类似的方式，由操作员使用可移除的或手持式的接地故障检测系统在该特定机柜上实施该过程，但是在具有接地故障的机柜内，一次隔离一个模块，直到故障消失。然后可以将有故障的能量存储模块断开连接，从机柜中取出并且更换，然后将该机柜重新连接到能量存储系统。实际上，在每个模块中具有断路器的成本以及机柜或串中相对较低数目的模块意味着，通过移除连接到模块的功率电缆等来手动地一次将一个模块断开连接可能是优选的。

可以在不需要附加硬件的情况下实施本发明的方法，使得能够在能量存储系统中自动定位接地故障，而不需要每个电池组上的电流互感器。经由安装在每个机柜中的可编程逻辑控制器或其它类似设备控制的断路器可以轻松地被集成到能量存储系统中。该方法允许做出以下快速检查：当在配电系统级上检测到接地故障时，故障是否位于能量存储系统中，以及如果故障位于电池系统中，该检查是否消除了故障；或者该方法指示能量存储系统中没有故障，然后可以对配电系统的其它部分进行手动故障排除。配电系统包括功率系统的电气连接到能量存储单元的所有部分。可以通过使用变压器将功率电路的一部分与功率电路的另一部分分离，因此与能量存储单元在同一功率系统中的、其中间不具有变压器的所有部分都被包括在配电系统中。

与功率系统的其它部分相比，本发明的方法特别适合于能量存储系统，因为在电池系统中存在以并联的方式电连接在一起的多个电源或负载，即，图2所示的机柜。每个机柜单独地对系统而言并不重要，因此与将操作不应当被中断的特定负载的电机断开连接相比，可以暂时地将机柜断开连接，而不会失去任何功能。每个机柜断开连接的时间通常在5秒到20秒的范围内，在该间隔中，与被断开连接的机柜相比，其它机柜可以增加或减少它们的充电状态。但是，该间隔足够短，使得被重新连接的电池组与其它组之间的充电状态的差异非常有限，意味着这可以安全地完成。

能量存储系统能够在最大功率暂时降低的情况下处理操作，最大功率的暂时降低与将包含电池模块的一个机柜断开连接有关，例如在图2中图示的示例中，在整个测试过程中，五个机柜中的四个机柜保持被连接。将电池组断开连接只表示功率的暂时减少，但是可用的能量不会长时间减少，因为一旦已经识别出故障，就可以在短时间后重新连接健康的电池组。

在能量存储系统中检测到接地故障的情况下，将系统设置为自动实施故障排除以确定哪个机柜有故障，避免了很多手动故障排除。这减少了维修成本，因为故障排除所需的工时可以被限于识别和更换如下的机柜中一个或多个模块所花费的时间，而无需在可以开始该步骤之前遍历每个机柜，系统已经将该机柜识别为有故障。在故障排除中减少对人员的使用，会降低对故障功率系统进行故障排除期间受伤的风险。该方法使得能够显著减少系统必须在存在接地故障的情况下继续操作的时间，因此使出现严重的第二次接地故障的风险最小化。每个机柜中都不需要电流互感器来精确定位故障，这减少了组装时间、成本和空间要求。

尽管已经针对电化学单元(诸如电池，例如锂离子电池、碱性电池或NiMh电池或其它电池)给出了详细的示例，但是本发明适用于其它类型的存储能量单元，特别是非圆柱形电容器、超级电容或超级电容器、燃料单元或其它类型的能量存储。

Claims (10)

1.一种配电系统中的接地故障检测的方法，所述配电系统包括一个能量存储系统、一个系统控制器以及一个接地故障检测系统，所述能量存储系统包括多个能量存储单元，所述多个能量存储单元中的每个能量存储单元一起并联连接到所述配电系统的一个DC总线；每个能量存储单元包括串联连接在一起的多个能量存储模块；所述方法包括：

检测所述配电系统中的接地故障；

向第一切换设备发送指令以将第一能量存储单元与所述能量存储系统断开连接，而其余的多个能量存储单元保持并联连接到所述DC总线，以能够继续向所述配电系统供电；

再次测试接地故障；

如果所述接地故障不再存在，则提供所述接地故障在所述第一能量存储单元中的指示；如果所述接地故障仍然存在，则从控制器发送指令以重新连接所述第一能量存储单元；

从所述控制器发送指令以将下一个能量存储单元断开连接；

再次测试接地故障；以及

重复所述断开连接、所述测试和所述重新连接的步骤，直到已经所述接地故障已经被识别或者所有的能量存储单元已经被测试为止。

2.根据权利要求1所述的方法，其中如果在已经测试了所有能量存储单元之后，所述接地故障持续存在，则提供所述接地故障在所述配电系统的除了所述能量存储系统之外的一部分中的指示。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述方法还包括：

将一个可移除的接地故障检测单元连接到已经识别出接地故障的被断开连接的能量存储单元，以及

实施识别所述能量存储单元内的一个有故障的能量存储模块的过程。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述过程包括：

在两个端子处隔离第一模块；

在其余的多个模块中检查接地故障；

如果不存在接地故障，则移除并更换被隔离的模块；如果接地故障仍然存在；则重新连接被隔离的模块；

隔离下一个模块；

再次在机柜中检查接地故障；

如果所述接地故障仍然存在，则重复所述隔离和所述检查的步骤，直到故障模块被确定为止。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法还包括：在移除并更换所述故障模块并且确定不存在另外的故障模块之后，将所述机柜重新连接到所述能量存储系统。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在一个本地机柜控制器的控制下自动实施所述隔离、所述检查和所述重新连接的步骤，通过将控制信号发送到一个模块切换设备来隔离所述模块，以在其余的多个模块中测试接地故障，并且如果未发现接地故障，则重新连接所述模块。

7.一种配电系统，所述配电系统包括一个能量存储系统、一个系统控制器以及一个接地故障检测系统；其中所述能量存储系统包括多个能量存储单元，所述多个能量存储单元中的每个能量存储单元一起并联连接到所述配电系统的一个DC总线；每个能量存储单元包括串联连接在一起的多个能量存储模块；其中所述接地故障检测系统包括一个接地故障检测模块和一个控制模块；其中每个能量存储单元包括一个切换设备，以在所述控制模块的控制下，将一个能量存储单元连接到所述DC总线或者将一个能量存储单元与所述DC总线断开连接，而其余的多个能量存储单元保持并联连接到所述DC总线，以能够继续向所述配电系统供电。

8.根据权利要求7所述的配电系统，其中每个能量存储模块包括串联连接在一起的多个能量存储设备。

9.根据权利要求8所述的配电系统，其中所述多个能量存储设备包括电化学单元或电池中的一种。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的配电系统，其中所述配电系统是能够在存在接地故障状况下继续操作的隔离式功率系统。

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