CN113785533A - 检测脉冲电力分配系统中的故障的方法 - Google Patents

Abstract

一种检测电力分配系统中的故障的方法，包括以频率F1在系统上放置信号，然后检测故障导致的系统阻抗变化引起的信号的变化，其中该信号变化是相位的变化、信号音的变化或负载处的电压水平的变化之一。在一个实施例中，可以使用带阻滤波器来减弱在负载或源处的信号。在另一个实施例中，电力源可以是周期性脉冲电力源，并且信号可以在周期性脉冲电力源的空闲阶段期间被放置在系统上。

Description

检测脉冲电力分配系统中的故障的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年5月3日提交的美国临时申请第62/842,627号的优先权，该申请的主题通过引用其整体并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及故障检测，并且更具体地涉及以太网分配系统上的脉冲电力中故障保护的方法。

背景技术

企业环境中启用网络的客户端设备需要数据(或控制)连接和电力来运行设备。传统上，数据连接由铜缆LAN布线(如Cat 6或Cat 6a)或光纤LAN布线(如OM3、OM4或OS2)提供。运行负载设备的电力通常由附近的交流电插座提供。IEEE标准机构于2002年完成了一项被称为“以太网供电(PoE)”的技术，该技术将数据通信与电力在源处相结合，并安全地传输到负载。该直流电力叠加在数据信号的顶部。直流电压低于60V并且电流小于2A。这种技术的优点是能够避免在客户端设备附近提供交流电插座的安装成本，并允许由非电工安全地安装电缆(归类为SELV)。这项技术已成功地应用于该行业。该技术的一些缺陷在于，高效地传输电力的能力(例如，在布线中具有低损耗)和在布线被捆绑时管理环境温度的大幅上升。这些缺点的根本原因是使用低于60V的电压传输电力所需的高电流。例如，如果允许电压增加10倍，则电流将下降10倍(对于相等的电力传输)，电缆中的电力损耗将下降100倍(注意，电缆中的电力损耗与I²R成正比，其中R是电缆的电阻)。因此，存在对一种技术的需求，该技术可以大大提高电压(以便传输更多的电力)，并且该技术可以被认为是安全的(非电工可以安装电缆)。安全提高电压的一种方法是利用脉冲电力技术。在这里，高电压(比如说300–600V)被脉冲接通一毫秒左右，然后脉冲退回并以周期性的方式重复。(注意，该周期性脉冲波形可表示为具有RMS电压值，该值在计算电力传输时是直流电压的等效)。在重新接通另一个高电压脉冲之前，检查电缆以确保电缆上没有故障(故障可能是有人触摸传导导线)。如果该技术能够满足上述要求(即，故障不会经历超过一毫秒或两毫秒的高电压)，则可以认为该技术是安全的，非电工可以安装电缆。这项新技术的另一个好处是，用于传输电力的导线规格可以利用更大规格的导线(即更小直径的导线)，从而减小电缆尺寸并降低材料成本。低数据速率通信信号(用于管理电力分配)也可以以多种方式施加到电力信号上。(嵌入脉冲电力波形中的)数据通信信号的带宽限制在电力脉冲周期和脉冲本身的转换速率之间。可以轻松地支持10kbps到100kbps的数据速率。

IEC-60950-1(将由62368-1取代)是一项信息技术安全标准，定义并分类了电路类型(即ELV(超低电压)、SELV(安全或分离超低电压)、LCC(限流电路)或TNV(电信网络电压))。为了被认为是SELV或LCC，电力源设备的输出电压必须与地面隔离(例如，变压器隔离)，因此单一故障不会产生电击风险。归类为SELV或LCC的设备被认为是安全的，允许操作员和安装员不受限制地接近。可接近的部件中SELV状态的电压应不超过42.4Vac峰值或超过60Vdc长于200ms。(71Vac峰值或120Vdc的绝对限制一定不能被超过。)SELV电路必须通过两级保护(例如，双重绝缘或带接地导电屏障的基本绝缘)与危险电压分开。规定LCC分类是为了确保在正常运行或单一故障条件下，可被汲取的电流不会产生危险。LCC分类的电压(对于人可接触的部件)不得超过450Vac峰值或450Vdc，允许的最大电路电容为0.1uF，对于人接触的部件，不超过1500Vac峰值或1500Vdc，允许的最大存储电荷为45uC，可用能量不得超过350mJ。例如，如果故障电阻为2kΩ，并且电压脉冲为400Vdc，电流等于200mA，曝光的最大持续历时＝4.4ms。

脉冲波形的等效DC电压是等于Vp*SQRT(t1/T)的rms电压，其中Vp是脉冲电压幅值，T是信号周期，t1是脉冲持续历时。在下面如图1所示的示例中，rms电压计算为Vrms＝305*SQRT(1/1.5)＝249V。周期越长(例如，如图所示为1.5ms)，rms电压越低。请注意，负载的电力传输等于rms电压平方除以负载电阻(假设配电线路没有电阻)。2kΩ负载中的电流在250V的rms电压下为125mA。本例中的峰值电流为152.5mA。rms电流可有效地被用于电力传输能力，而峰值电流可用于确定保持在“安全”水平下的最大暴露时间。下面所示的图2显示了给定电流水平时的最大暴露时间(持续历时)。例如，使用152.5mA峰值电流，人体可安全处理305V(导致152.5mA峰值电流)的全身电压的最大持续历时约为8ms。图1是脉冲电力分配系统(A)的简单框图。(B)示出了脉冲电力幅值和持续历时的时域视图，(C)示出了输送至负载的等效DC电力(脉冲周期性信号(B)的rms值)。图2示出了人体对电力故障的最大暴露时间。例如，如果一个人暴露在500V的电力源下(并且使用2.0kW的人体模型，将产生250mA的电流)，那么只要暴露时间的持续历时小于3ms，就可以认为是安全的。

该脉冲电力系统所具有的与PoE系统相比的优点，是电流水平可以低得多，因此传输该电力的电缆上的电力降将更小(因此更高的电力传输效率)。作为电力传输效率的进一步示例，让我们假设我们具有需要75W的电力的负载，并且希望电力传输效率高于10％(即，布线必须吸收不超过7.5W的电力)。假设24AWG导线(84mΩ/m)被使用时，PoE系统(源电压＝60)和脉冲电力系统(源电压＝250Vrms)的最大电缆长度是多少。PoE系统可以传输47m距离的电力，而脉冲电力系统可以传输820m距离的电力。

要解决的一个重要问题是当人与电力导体接触时的故障检测，以便这些导体上的电力能够被立即去除，从而具有安全的电力分配方法。下面所示的图3是由电力源和负载组成的代表性数字电力传输系统(这是电力传输和故障检测的现有技术方法)。这种方法，在空闲时间间隔内，监测电容上电压的衰减时间。衰减时间由RC时间常数决定，故障将高度主导并控制R值。因此，缓慢的衰减时间表示无故障的标准电力传输，较快的衰减时间指示存在故障。注意，图3中的电阻R₄表示分配电缆的电阻以及与电力导体接触的人的电阻。因此，如果没有来自人接触电力导线的故障，R4可能相当大(例如，1MΩ)，并且如果有人接触电力导线，R4可能非常低(例如1000Ω)。在“空闲”时段(当发射器不发送电力时)，S1、S2、S3和S4均打开，并且在节点16处监测电缆电压。电压在该空闲时段衰减，但衰减速率与R3、R4和C1、C2形成的RC时间常数相对应。如果没有故障(即，没有人与电力导线接触)，电压将有一个大的衰减时间(见下图3B中的时间段B)。另一方面，如果存在故障，衰减时间将显著减小(见下面图3B中的时间段D)。必须设置阈值，以便能够区分两个时间段B和D。此方法可以检测人何时在T_detect秒内接触电力导体。最坏情况下的最大时间T_detect等于T_power(电力传输时段A)和采样时段时间T_idle之和(故障大约中途插入到空闲时段，因此在该时段结束时无法检测到)。图3是电力分配系统的框图(A)，该电力分配系统利用快速故障检测技术确保电力分配安全。附加地，示意图(A)实施数据通信方案，以在源和负载之间建立控制通信。相对于时间发生的不同函数的时域视图(B)。在循环A(和C)期间，电力在一段时间的持续历时内从源(通过S₁闭合)传输到负载。在循环B(和D)期间，将电力去掉(通过断开S₁)并监测分配线路以检测故障。在正常循环(B)中，电压根据RC时间常数下降(R由R₃表示，故障的情况下由R₃&R₄的并联组合表示，C由线路电容C₁和负载电容C₂表示)。在故障循环(D)中，电压下降得更快是由于减小的电阻，减小的电阻是由于R₄(故障电阻)的应用。开关S₂&S₃(在源中)被用于将信息传输至负载，而开关S₄(在负载中)用于将信息从负载传输至源。

这种电力分配技术的另一个重要特征是通信方法，使得发射器可以与接收器通话，接收器可以与发射器通话。在上面的图3A中，发射器侧的开关S2或S3和接收器侧的开关S4提供了半双工通信方法。通信发生在如图3B所示的空闲时段(时间段B和或D)。图4示出了空闲时段的数据通信。图4是脉冲电力分配技术的时域视图，其提供关于时间发生的不同函数(到负载的电力传输、具有数据通信的空闲时段)。发射器至接收器的通信工作如下：在空闲时段内，电压放电，如果S2开关闭合(该电路起到上拉电路的作用)电压将开始升高(从而对电容充电)形成逻辑一。如果S2开关保持打开，电压继续遵循放电曲线，形成逻辑零。如果使用S3而不是S1，S3电路形成下拉电路，逻辑一可能是当放电曲线不变时，逻辑零是当放电曲线加速时(当S3启用)。

接收器到发射器的通信工作如下：发射器放置S2(上拉电路)并且接收器开关S4起下拉电路的作用，因此可以加速放电曲线。逻辑一或零类似于S3开关用于发射器至接收器通信。发射器至接收器通信的循环在一个空闲循环内执行，并且接收器至发射器的通信在替代的空闲循环内执行。

发明内容

一种检测电力分配系统中故障的方法，包括以频率F₁在系统上放置信号，然后检测故障导致的系统阻抗变化引起的信号变化，其中该变化是相位变化、信号音变化或负载电压水平变化中的一种。在一个实施例中，可以使用带阻滤波器来减弱负载或源处的信号。在另一个实施例中，电力源可以是周期性脉冲电力源，并且信号可以在周期性脉冲电力的空闲阶段被置于系统上。

附图说明

图1显示了脉冲电力分配系统的简单框图。

图2显示了电力故障对人体的最大暴露时间。

图3是使用故障检测的脉冲电力分配系统的框图。

图4是脉冲电力分配技术的时域视图，该技术提供了相对于时间发生的不同函数。

图5是有故障和无故障电力分配系统中负载的代表性示意图。

图6是具有故障检测和双向通信能力的电力分配系统的框图。

图7是有或没有故障存在的以频率F₁为中心的幅值和相位频率响应。

图8是另一种脉冲电力分配系统的框图，该系统利用源和负载处的电流测量进行故障检测。

图9是另一种脉冲电力分配系统的框图，该系统利用源处的阻抗测量进行故障检测。

图10是利用振幅衰减检测方法进行故障检测的另一种脉冲电力分配系统的框图。

具体实施方式

本发明涉及几种检测由于系统故障导致的阻抗变化引起的测试信号变化的方法。图5、6、7示出了故障检测的第一种技术。该技术是一种连续扫描方法，用于确定是否故障存在。该方法依赖于RC电路的电阻(其中故障会降低电阻值)变化时发生的特定频率的相位变化。图5是有或者没有故障(A&B)的电力分配系统中负载的代表性示意图。有或者没有故障的负载的相位响应谱在C中示出。下面图5描述了当电阻被降低时相位如何变化。图的A部分示出了不存在故障时RC电路的阻抗和相位。图的B部分示出了存在故障时(并且因此，由于较低的电阻，相位被降低)RC电路的阻抗和相位。C部分示出了在“感测-频率”下采样时将发生的相位变化。感测-频率应设置在最大相位变化点下，以获得强信号。

下面图6中示出了包含该检测方法的电力分配系统的示意图。图6是具有故障检测和双向通信能力的电力分配系统的框图。源和负载中的F₁框表示频率为F₁的带阻滤波器。因此，在频率为F₁时，观察该框时看到的阻抗(使用人的棍状图作为参考)非常高，并且不会穿过源或负载。如果故障状况发生(通过与两个导线接触的人)，相位变化(从正常状况到故障状况)将被检测到(通过相位检测器)，并且电力将被关闭一段时间。从源到负载的数据通信利用双音通信。从负载到源的数据通信是通过负载改变电容性负载和源检测相位变化来完成的。注意这种技术可以在空闲时段和电力传输时段中工作(只要具有感测-频率的带阻滤波器在电力源和负载之前被应用)。

下面图7示出了使用相移技术的电力分配系统的幅值和相位谱。图7是以频率F₁为中心的有和没有故障存在的幅值和相位频率响应。

数据通信可按如下方式完成。为了从发射器到接收器进行通信，发射器中的振荡器可以发射两个频率(一个用于逻辑一，另一个用于逻辑零)。这种技术被称为双音通信系统。接收器只是检测这些音。为了从接收器到发射器进行通信，接收器可以采用双音系统，或者以特定频率改变负载特性，使得发射器可以检测这些负载特性的变化。

图8显示了用于故障检测的第二种技术。该技术是一种连续扫描方法，用于确定故障是否存在，如下面图8所示。该方法依赖于示出的四个电流测量值(I_src-p&I_load-p或I_src-n&I_load-n或I_src-p&I_load-n或I_src-n&I_load-p)中的两个(一个来自发射器，一个来自接收器)以及接收器和发射器之间的通信技术。该技术通过将两个经测量的电流相减来确定故障电流I_fault的幅值。发射器必须接收来自接收器侧的经测量的电流，以便执行电流减法，如果计算的故障电流足够高，则使发射器中的电力源开路以防受伤。通信技术可以是方法#1中描述的双音方法。图8示出了另一种脉冲电力分配系统的框图，该系统具有利用源和负载处的电流测量进行故障检测的功能。注意如果存在故障，故障电流将导致电流I_src-p和I_src-n增加，而不会影响电流I_load-p或I_load-n。因此，监测源中的电流之一和负载中的电流之一，对确定是否故障已发生将是足够的。故障检测确定可在电力或空闲循环期间发生。同时注意在空闲时间期间的脉冲电力不必为零，相反它可以达到较低的连续安全水平(例如，60VDC)。

图9示出了用于故障检测的第三种技术。该技术是一种连续扫描方法，用于确定是否故障存在，如下面图9所示。该方法依赖于向接收器发送的信号音。信号音的幅值取决于故障存在与否。如果故障不存在，则由于陷波滤波器位于音频率的中心，信号音所显示的阻抗非常高。如果存在故障，信号音所显示的阻抗将较低，因此可在发射器电路内检测到。

通信技术可以是方法#1中描述的双音方法。图9是另一种脉冲电力分配系统的方框图，该系统利用电力源处的阻抗测量进行故障检测。在电力或(在脉冲电力波形的过渡区之外的)空闲循环期间，在频率F1处进行阻抗测量。电力源中示出的附加的陷波滤波器在脉冲电力开关频率中心，以提供从开关边缘感应的频率的附加衰减。从源到负载的数据通信利用双音通信。从负载到源的数据通信是通过负载改变电阻负载和源检测阻抗变化来完成的。

图10示出了第四种故障检测方法。该技术是一种故障扫描方法，用于确定是否故障存在，如下面图10所示。在周期性脉冲电力波形的空闲部分期间确定故障检测。在此间隔期间，施加10V周期性脉冲信号。在正常状况下，电力源处的10V峰值电压在负载处被分为5V。如果存在故障，负载处的5V电压将被减小至约1.5V(由于2kΩ故障的存在)。可以在电力源设备中检测到从5V降低到1.5V的情况，并适当地保持电力关闭。电力应在确定为安全间隔的一段时间内保持关闭，然后恢复到正常状态。

数据通信可通过以下方法完成。为了从发射器(电力源)到接收器(负载)进行通信，在脉宽调制(或脉冲编码调制)方案中使用从10-12V工作的电力源发出的数据信号。负载将有在电力源到负载通信过程中切换的50kΩ电阻器。为了从接收器(负载)到发射器(源)进行通信，50kΩ电阻器被打开和关闭以产生脉冲宽度(或脉冲代码)调制的信号。这里源将检测5到4伏之间的振幅(这里，发射器注入恒定的10伏)。当然，这只是在源和负载之间提供通信信道的一种方法，还有许多其他的实现这个的方法。图10是具有利用振幅衰减检测方法进行故障检测的另一类型脉冲电力分配系统的框图。在脉冲电力波形的空闲部分，10V电力源由负载电阻调制。在正常情况下，周期性信号的最小值为10V电力源的1/2(5V)，在故障情况下，最小电压降到利用10V脉冲波形(例如脉冲数调制、脉冲宽度调制、脉冲代码调制等)从源到的负载的数据通信。从负载到电力源的数据通信是通过负载改变电阻负载和源检测这种振幅变化来完成的。

Claims (6)

1.一种检测电力分配系统中的故障的方法，包括：

提供电力源；

提供被所述电力源供电的负载；

提供将所述电力源连接至所述负载的导体；

将频率F1的信号放置在将所述电力源连接至所述负载的所述导体上；以及

检测所述信号的变化，所述信号的变化指示故障引起的所述系统中阻抗的变化，其中所述信号变化是相位的变化、信号音的变化或所述负载处的电压水平的变化之一。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述信号变化是相位的变化。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述信号变化是音的变化。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述信号变化是所述负载处的电压水平的变化。

5.如权利要求1-4所述的方法的任一项，进一步在所述电力源提供带阻滤波器，并且在所述负载提供带阻滤波器，其中所述两个带阻滤波器以频率F1为中心，以减小所述电力源处和所述负载处的所述信号。

6.如权利要求1-5所述的方法的任一项，其中所述电力分配系统提供周期性电力脉冲，并且在所述周期性脉冲电力的空闲循环期间发送所述信号。

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