專利名稱：用于檢測來自電力系統(tǒng)中裝備的泄漏或故障電流的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電氣系統(tǒng)的保護(hù)，尤其涉及為了確定由這種系統(tǒng)供電的電氣設(shè)備中的泄漏和/或故障電流而對信號進(jìn)行測量、分析與辨別的方法。本發(fā)明還涉及電氣系統(tǒng)中電流的頻率成分的識別。本發(fā)明還涉及雖然不是排他但是尤其用在1-T (隔離地和/或接地故障受限的)供電網(wǎng)絡(luò)中而且尤其是危險區(qū)域(例如但不限于礦區(qū))中的供電網(wǎng)絡(luò)中檢測高頻電流接地故障與泄漏的方法。本發(fā)明還涉及在確定接地泄漏故障及尤其是當(dāng)繼電器與開關(guān)電源電子產(chǎn)品設(shè)備(例如但不限于變速驅(qū)動器)一起工作時提高繼電器可靠性的方法。本發(fā)明還涉及用于解釋寬帶寬測量信號以便標(biāo)記可能由于開關(guān)電子產(chǎn)品工作所導(dǎo)致的潛在危險而不是為了簡化分析而把這種信號作為噪聲丟棄的方法。該方法包括對來自多個傳感器或測量點(diǎn)的信號的實(shí)時分析，以便提供1-T供電網(wǎng)絡(luò)中的故障診斷和定位信息。
背景技術(shù)：
接地泄漏設(shè)備是電氣安全性中的一個關(guān)鍵部件而且常常也是校準(zhǔn)所需的。接地泄漏保護(hù)是要提高安全性，而不對該接地泄漏安全設(shè)備所連接到的電氣系統(tǒng)造成不想要的和不期望的中斷。在最壞的情況下，電氣安裝中的接地泄漏和故障電流會造成觸電和/或產(chǎn)生電弧。不象檢測過載電流而且隨后隔離該斷路器所附連的電氣系統(tǒng)的斷路器，接地泄漏設(shè)備主要用于保護(hù)人員不會觸電。過載斷路器設(shè)計成當(dāng)電流超過預(yù)先設(shè)定的限制時中斷電路。由于致命觸電所需的電流只要不到幾安培不到幾秒鐘，因此過載斷路器事實(shí)上沒有提供防止觸電的保護(hù)。接地泄漏保護(hù)設(shè)備一般設(shè)計成在10到IOOmA之間的故障電流和在中斷時間在感測到故障電流后40到100毫秒之間跳閘。接地泄漏設(shè)備是基于經(jīng)電源線進(jìn)入設(shè)備的電流量應(yīng)當(dāng)確切地與經(jīng)電源線離開設(shè)備的電流量相等而且任何差異都是由于電流到成纜和/或物理地的電流泄漏和/或不受控分支造成的原理。如果在允許器械的暴露主體變得連接到帶電有功源的電氣器械的布線中存在故障，那么與該帶電器械接觸的人可能觸電，因?yàn)樵摻佑|代替經(jīng)中線或其它電源線而提供了電流到地的并聯(lián)路徑。這就是要采用接地泄漏保護(hù)設(shè)備的情形。斷路器一般將不會對小而致命的附加電流流動起反應(yīng)。在接地泄漏保護(hù)設(shè)備中，通過比較流經(jīng)電路的有功和中線電流來感測接地泄漏電流，其通常是通過測量兩種線都通過的線圈中所感應(yīng)出的電流的簡單手段實(shí)現(xiàn)的。在正常情況下，在有功和中線導(dǎo)體中將分別流動著等量但相反的電流，因此在線圈中不會感應(yīng)出電流。這種感測技術(shù)同樣可應(yīng)用到三相系統(tǒng)(有或者沒有中線連接)，其中經(jīng)相束輸送的所有負(fù)載電流都應(yīng)當(dāng)經(jīng)相同的相束返回。由于不平衡的供電在線圈中感應(yīng)出的電流和由于對成纜和/或物理大地的故障條件造成的返回有功和中線電流可以用于利用開關(guān)設(shè)備或者繼電器觸發(fā)對電路的中斷。不是所有電氣系統(tǒng)都受接地泄漏設(shè)備的保護(hù)。這種設(shè)備相對昂貴而且會遭受不想要的(亂真)跳閘，因?yàn)樵跊]有任何安全性影響的情況下在有功和中線電流之間可能會存在不平衡的情況。對于包括包含具有共模噪聲抑制過濾的開關(guān)電源電子產(chǎn)品的負(fù)載的系統(tǒng)來說，尤其是這樣。在這種負(fù)載中，有一些接地泄漏電流是正常的，并不一定指示故障而且常常不會造成觸電危險。這種負(fù)載在正常、非故障情況下產(chǎn)生泄漏電流的事實(shí)使得真正接地泄漏故障的檢測及什么水平的泄漏電流可以接受更加復(fù)雜。通常，在確定接地泄漏設(shè)備使用的范圍和/或在啟動保護(hù)跳閘之前允許流動的泄漏電流水平的時候，在安全性與運(yùn)行現(xiàn)實(shí)之間達(dá)成一個折中。誤跳閘可以通過利用用于要被這樣保護(hù)的單個裝備的獨(dú)立接地泄漏保護(hù)設(shè)備來最小化。在這種情況下，接地泄漏跳閘閾值可以為單個設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化。一種更加成本有效的備選方案可以是把具有已知泄漏的設(shè)備放到具有有更高激活閾值的接地泄漏保護(hù)設(shè)備的電路上。用于接地(地)系統(tǒng)的規(guī)章在不同國家之間變化很大。保護(hù)性接地連接確保所有暴露的導(dǎo)電表面都與地球表面處于相同的電勢，以避免如果一個人觸摸發(fā)生絕緣故障的設(shè)備的話被電擊的危險。這確保，在絕緣故障的情況下，高電流將流動，這種高電流將觸發(fā)例如保險絲或斷路器的過電流保護(hù)設(shè)備，由此斷開電源。專利文獻(xiàn)公開了各種接地泄漏電路和保護(hù)設(shè)備，例如在EP0880213中所公開的那種。該專利公開了一種接地泄漏檢測電路，包括用于輸送對應(yīng)于在要保護(hù)的電路中所出現(xiàn)的接地泄漏電流的電流的接地泄漏電流轉(zhuǎn)換器。它包括連接到電路的存儲元件和與該存儲元件并聯(lián)的負(fù)載及用于比較跨所述存儲元件出現(xiàn)的電壓的至少一部分與第一閾值的比較電路。這種電路也在德國專利申請3，807，935中公開了。在以上提到的德國專利申請中所公開的接地泄漏開關(guān)的情況下，總電流轉(zhuǎn)換器用于檢測接地泄漏并且用于生成對應(yīng)于接地泄漏的量而且饋送到電容器形式的存儲元件的電流?？缢鲭娙萜鞑⒙?lián)的是包括分壓器的負(fù)載，所述分壓器用于獲得跨所述電容器逐漸擁有的電壓的部分電壓，這個部分電壓與參考電壓進(jìn)行比較。在不可接受的泄漏電流的情況下，從電容器得到的部分電壓將超過參考電壓，其結(jié)果是跳閘機(jī)制被觸發(fā)，通過這種方式，其中發(fā)生了接地泄漏的電路將被斷開。這種已知的接地泄漏檢測電路有缺點(diǎn)，即在給電容器充電的過程中，由分壓器構(gòu)成的負(fù)載已經(jīng)吸收了電流，其結(jié)果是電容器的充電被延遲而且能量將損失。該專利中所公開的發(fā)明的目的是提供一種接地泄漏檢測電路，其中負(fù)載具有閾值電路，所有這些都是以這樣一種方式，如果跨存儲元件的電壓超過第一閾值，就對與接地泄漏電流成比例的電流執(zhí)行測量。如果電流測量顯示接地泄漏電流太高，跳閘機(jī)制就響應(yīng)。在另一個例子中，美國專利號3737726公開了一種用于操作電路中斷裝置的接地泄漏檢測器，包括具有抽頭次級繞組的磁勢平衡變壓器、用于整流由于給出更高電壓和更低電壓的不平衡而在次級繞組中感應(yīng)出的電壓的裝置、由較高的整流電壓充電至預(yù)定電壓的第一存儲設(shè)備、由充電時第一存儲設(shè)備接通的第一開關(guān)設(shè)備、由較低的整流電壓充電的第二存儲設(shè)備及當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)設(shè)備接通時接通的第二開關(guān)設(shè)備，以便使得第二存儲設(shè)備能夠經(jīng)第二開關(guān)設(shè)備放電到所述電路中斷裝置中并操作其。在采礦業(yè)，對于開關(guān)電源電子產(chǎn)品的使用有快速增長，例如用于礦山機(jī)械的變速驅(qū)動器(VSD)、運(yùn)輸機(jī)、泵、風(fēng)扇及處理廠應(yīng)用和裝備。如果在應(yīng)用中不小心，那么變速驅(qū)動器(有時候也稱為變壓、變頻VVVF或V3F驅(qū)動器)會導(dǎo)致電源和開關(guān)頻率電流諧頻和傳導(dǎo)噪聲，結(jié)果是對其它裝備，尤其是控制和保護(hù)繼電器，產(chǎn)生相互作用。當(dāng)利用造成電力安全性問題的VSD工作時，出現(xiàn)了關(guān)于保護(hù)繼電器的現(xiàn)場可靠性的問題。更具體而言，關(guān)于繼電器與變速驅(qū)動器和類似開關(guān)電源電子產(chǎn)品裝備一起工作的過程中接地泄漏、接地連續(xù)性和接地故障鎖定的檢測，繼電器已經(jīng)遇到了問題。這些問題分成兩大類:1.由開關(guān)電源電子產(chǎn)品產(chǎn)生的、對保護(hù)繼電器預(yù)期操作的電干擾，危及繼電器保護(hù)功能，常常導(dǎo)致誤跳閘 '及2.電氣保護(hù)計劃的真正折中，尤其是對接地故障受限的1-T供電網(wǎng)絡(luò)，其中一般與開關(guān)電源電子產(chǎn)品一起使用的共模過濾器可能允許較高頻率的交流故障電流路徑不受中線接地阻抗的限制，這有可能導(dǎo)致故障狀態(tài)下較高的觸摸電勢。對電源頻率應(yīng)用、對1-T網(wǎng)絡(luò)和危險區(qū)域使用振幅閾值或時間/電流特性的接地泄漏保護(hù)繼電器在本領(lǐng)域中已經(jīng)是已知的。還已知檢測電力網(wǎng)絡(luò)中的電弧故障和危險跨步及觸摸電勢的繼電器。還已知采用頻域分析來識別信號分析中的頻譜，并且識別電力系統(tǒng)應(yīng)用中電弧的存在。不具體與電力系統(tǒng)頻率的頻率成分是電力電子技術(shù)中相對現(xiàn)代進(jìn)步的結(jié)果。在把現(xiàn)代電子設(shè)備引入工業(yè)過程之前，DC和較高無功頻率AC信號不可能在與接地泄漏保護(hù)相關(guān)的測量中存在。存在很多種場景，其中，作為所安裝電源電子產(chǎn)品裝備的結(jié)果，除電源頻率和電源頻率的諧頻之外的信號有可能進(jìn)入安全接地回路。這些場景中的一些代表故障情況；有些代表電力系統(tǒng)的正常工作。共模接地環(huán)路電流有時候是由為了最小化傳導(dǎo)與輻射電噪聲并且從而確保與其它電氣系統(tǒng)的電磁兼容(EMC)而施加到開關(guān)電源電子產(chǎn)品的過濾的特殊設(shè)計所引入的。參考1-T網(wǎng)絡(luò)，共模接地環(huán)路電流代表危險環(huán)境中可能不受控制的電力流，因?yàn)榛芈冯娏髟诔衫|地回路和物理地之間以與各自環(huán)路阻抗成反比的比率劃分。一旦電流在物理地中流動，它就不再受正常防爆控制的管理。潛在的引燃源不限于主頻率。類似地，接地故障有限的1-T網(wǎng)絡(luò)中的觸摸電勢無疑既受接地故障限制阻抗控制，又受成纜地連續(xù)性的主動測量控制。這一般依賴于單個一次保護(hù)星形(star)與限制阻抗。包含共模EMC過濾器的裝備的并聯(lián)連接可以示為折中由這種類型的供電系統(tǒng)所提供的保護(hù)等級。目前，傳統(tǒng)的保護(hù)繼電器集中在電源頻率(50/60HZ)、電子合成的電源頻率(接近DC，大約為100Hz)及電源或合成電源頻率的諧頻。DC信號，及關(guān)于來自開關(guān)電源電子產(chǎn)品的開關(guān)或載波頻率及其諧頻(因此具有更高的頻率)的信號，一般被調(diào)諧到電源頻率及其諧頻的保護(hù)裝備過濾掉了，從而增強(qiáng)其預(yù)期運(yùn)行區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的可靠性。這種方法把電源頻率及其諧頻之外的信號看作干擾。因此，保護(hù)裝備對大地中可能發(fā)生的、處于通常感興趣的頻率之外的電流視而不見。減小的帶寬和感測電路中的過濾一般用來增加抵抗短暫或虛假(因此具有更高頻率)信號的健壯性。在尋求提高繼電器對不必要跳閘的免疫性的時候，信號過濾或減小的帶寬可能掩蓋導(dǎo)致持續(xù)DC或較高頻率AC電流的潛在危險事件，這種持續(xù)DC或較高頻率AC電流可能造成電弧、損壞、人員受傷或者死亡。盡管有可能在地下運(yùn)行的同時測量來自裝備的信號，但是這通常太危險而且與使用用于這種測量的傳統(tǒng)裝備的規(guī)章相反。危險的(可能爆炸性的)環(huán)境阻止了使用傳統(tǒng)電氣裝備來測量DC或較高頻率的AC共模信號。而且，測量裝備的手動使用將不是例行的或者連續(xù)的。在缺少測量數(shù)據(jù)的情況下，不期望電流流動就不明顯，而且，如果不加控制，這些電流可能處于危險水平。類似地，可以顯示包含共模過濾以減少噪聲發(fā)射的開關(guān)電源電子產(chǎn)品的并聯(lián)產(chǎn)品會在故障情況下導(dǎo)致不經(jīng)故障限制阻抗返回的大循環(huán)電流。這些電流中的一部分直接與電源電子產(chǎn)品的載波或者開關(guān)頻率相關(guān)，而不與合成的電源頻率或者合成的電源頻率諧頻相關(guān)。由于故意的感測帶寬限制，不能分解較高頻率電流(載波頻率及其諧頻)的保護(hù)裝備將檢測不到這些故障電流，而且，除非其感測帶寬中的電流成分也在故障中生成，否則可能不能清除故障情況。過去，DC和較高頻率的AC信號被感測裝備本身或者被在信號的測量之前添加的專用過濾從保護(hù)繼電器測量值中過濾掉了。盡管噪聲過濾技術(shù)是眾所周知的，但是簡單的寬帶過濾器將既丟棄現(xiàn)在感興趣的重復(fù)且持續(xù)的頻率又丟棄虛假噪聲。已確定的信號處理技術(shù)允許從噪聲或瞬態(tài)干擾中提取感興趣的信號。大多數(shù)現(xiàn)有的電氣保護(hù)設(shè)備都調(diào)諧到基本電源頻率(50Hz或者60Hz)而且因此對仍然流動而且可能造成電弧或電擊的DC和較高頻率的接地泄漏電流都視而不見，而沒有來自于控制繼電器的預(yù)防性動作。設(shè)計成檢測電弧故障的繼電器對高頻是敏感的但依賴于電弧的事先存在用于檢測而且不能在第一時間阻止電弧。它們一般還調(diào)諧到瞬態(tài)電流和非穩(wěn)態(tài)電流，響應(yīng)寬帶電流頻譜(不是特定的諧頻頻譜)；而且不分析特征化電源頻率或電源電子產(chǎn)品開關(guān)頻率的單個頻率頻譜。對于改進(jìn)已有的用于檢測電氣系統(tǒng)中故障和泄漏電流的方法與裝置仍然存在持續(xù)的需求，以便維持和改進(jìn)這種系統(tǒng)的安全性，順應(yīng)由這些系統(tǒng)供電的電源電子產(chǎn)品技術(shù)的同步進(jìn)步。更特別地，當(dāng)安裝在1-T或者接地故障有限網(wǎng)絡(luò)中時，一般為MEN系統(tǒng)中的應(yīng)用而設(shè)計的現(xiàn)代開關(guān)電子產(chǎn)品和電噪聲抑制技術(shù)具有會影響接地泄漏電流而且因此會影響觸摸電勢的特殊特性。干擾信號電平電壓和電流源是弱電的，因此會受外部源的支配。其它源的存在使得解釋低壓測量信號更加困難。干擾會作為偽保護(hù)故障、繼電器誤動或者保護(hù)違規(guī)表現(xiàn)出來。在VSD的基本操作中，它們整流AC干線，以調(diào)節(jié)具有顯著電容的DC鏈路。有功(開關(guān))電源電子產(chǎn)品輸出級脈寬調(diào)制該DC鏈路的電壓，合成可變電壓、可變頻率的輸出波形。試驗(yàn)環(huán)路電流代表危險環(huán)境下可能不受控制的電流。在IT網(wǎng)絡(luò)中，返回電流在成纜與物理地之間以相對于并聯(lián)環(huán)路阻抗的比率劃分。在某些情況下，驅(qū)動這些環(huán)路電流的干擾源可能超過1.S.限制。一旦電流在物理地中流動，它就處于危險的環(huán)境中而且不受防爆控制。觸摸電勢和引燃源不一定限于50Hz而且可以象高頻時一樣危險。提高保護(hù)繼電器免疫性的舉措會掩蓋可能危險的情形。EC保護(hù)中的持久誤跳閘可能指示HF循環(huán)電流。制造商積極地降低對試驗(yàn)接地噪聲的繼電器敏感性。有效的技術(shù)已經(jīng)用于降低敏感性，例如用于智能終端的信號關(guān)聯(lián)和同步過濾錯誤檢測/正確通信代碼。但是，已知的設(shè)計還是存在安全性問題，因?yàn)槭沟脤υ囼?yàn)接地噪聲不太敏感-即，更加健壯-的繼電器可能掩蓋干擾源接近危險水平的情況。高頻共模環(huán)路電流是現(xiàn)代驅(qū)動技術(shù)的主要后果而且不能消除。這些電流的減輕是控制相對環(huán)路阻抗，因此控制這些電流在返回到源時所采取的路徑，的功能。
適于用在危險(爆炸性)環(huán)境中的電氣保護(hù)設(shè)備受澳大利亞與國際標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格監(jiān)管，所述標(biāo)準(zhǔn)具有由獨(dú)立權(quán)威機(jī)構(gòu)發(fā)行和維護(hù)的證書。在本專利申請的時候，具有足夠帶寬以便正確分解由電源電子產(chǎn)品設(shè)備產(chǎn)生的載波或開關(guān)頻率電流的、得到認(rèn)證的電氣保護(hù)設(shè)備還不可用于商業(yè)購買和在危險環(huán)境，例如采礦，中的應(yīng)用。為了通過改進(jìn)接地泄漏保護(hù)中的安全性來提高盡管不是排他但是尤其在危險(可能是爆炸性的)環(huán)境中的安全性，需要解決上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了檢測包括噪聲帶寬的故障電流以避免關(guān)于接地泄漏、接地連續(xù)性和與VSD —起使用的接地故障鎖定繼電器的操作安全性問題的方法。在嘗試改善或消除以上所提到的現(xiàn)有技術(shù)問題時，本發(fā)明設(shè)法提供對電氣系統(tǒng)中的電流泄漏、電流成分和/或故障電流進(jìn)行測量、分析與辨別的方法。本發(fā)明還提供雖然不是排他但是尤其用于危險區(qū)域(例如但不限于礦區(qū))中1-T和故障受限網(wǎng)絡(luò)中檢測DC和較高頻率接地故障電流與泄漏的方法。本發(fā)明還提供了用于通過使用噪聲帶寬把這種缺陷作為接地泄漏來檢測變速驅(qū)動器中故障與泄漏電流的方法。本發(fā)明還提供了用于分析1-T網(wǎng)絡(luò)中開關(guān)電源電子產(chǎn)品應(yīng)用所特有的接地環(huán)路電流的頻率成分的方法，以便啟動保護(hù)裝備，或者參考泄漏電流頻譜中的反常變化來提供報警和診斷信息。信號提取的先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用及這些信號參考1-T網(wǎng)絡(luò)中接地泄漏保護(hù)的特性的后續(xù)分析是創(chuàng)新的而且唯一的。根據(jù)一種優(yōu)選實(shí)施方式，分析之前存在但被現(xiàn)有電氣保護(hù)設(shè)備過濾掉的信號成分。如果保護(hù)裝備不能夠觀察到這些信號成分，那么擴(kuò)展的解釋就不可能。一旦信號數(shù)據(jù)可以獲得，該數(shù)據(jù)就可以被解釋為指示真正的故障、部件失敗或者意外的布線修改，這種布線修改沒有導(dǎo)致危險情況但是在未來可能會導(dǎo)致。對識別危險的全信號頻譜的分析的缺失是不期望的。一旦信號信息已知，這種信息就可以參考具體應(yīng)用來分析和解釋，并且提供關(guān)于接地泄漏的源的診斷信息。例如，泄漏電流中異常變化的源可能是運(yùn)行在特定基頻和唯一開關(guān)頻率的VSD:這種信息可以用于在復(fù)雜系統(tǒng)中定位泄漏電流的源(可能象單個受損電容器一樣簡單)。根據(jù)本發(fā)明的方法可以在網(wǎng)絡(luò)中的各個位置應(yīng)用。作為一個例子，如果在用于故障受限1-T網(wǎng)絡(luò)的一次保護(hù)星形應(yīng)用，就使得所獲得的數(shù)據(jù)可以遠(yuǎn)程地用于在地下或者在危險環(huán)境中運(yùn)行的機(jī)械的接地泄漏和其它故障的檢測、監(jiān)視與診斷，而不在該危險區(qū)域中使用傳統(tǒng)的測量工具與分析。本發(fā)明的一個目的是通過提供觀察共模環(huán)路、電流與電壓所需的寬帶寬測量裝備來提高保護(hù)繼電器的免疫性，這可能會掩蓋可能危險的情況。還有一個目的是減小接地電流保護(hù)中持久的不想要的繼電器跳閘。本發(fā)明還有一個目的是提供用于解釋與1-T供電網(wǎng)絡(luò)中變速驅(qū)動應(yīng)用關(guān)聯(lián)的干擾信號與接地環(huán)路電流的方法。本發(fā)明的一個目標(biāo)是提供用于檢測DC和/或較高頻率泄漏電流存在的方法，以便使得能夠啟用保護(hù)裝備來消除可能的危險，例如爆炸性大氣中的電弧或火花引燃、跨步與觸摸電勢，因?yàn)閷εc帶電裝備接觸的人員和電子部件過熱的危險來自于未建模的能流。本發(fā)明的另一個目標(biāo)是，為了提供幫助對產(chǎn)生導(dǎo)致電氣保護(hù)裝備激活的故障的裝備進(jìn)行識別、分辨或修復(fù)的診斷信息，在電氣系統(tǒng)中提供用于特征化穩(wěn)態(tài)功率和開關(guān)頻率諧頻的方法。本發(fā)明還提供了用于解釋來自開放帶寬的數(shù)據(jù)的方法，使得觀察者可以確定變速驅(qū)動是否造成了電流泄漏。本發(fā)明還提供了一種繼電器，這種繼電器能夠檢測和解釋允許確定接地泄漏及尤其是來自變速驅(qū)動的接地泄漏的源的數(shù)據(jù)。以一種廣泛的形式，本發(fā)明包括:繼電器，為了分析啟動保護(hù)裝備的接地泄漏電流，能夠檢測與開關(guān)電源電子產(chǎn)品的正常運(yùn)行相關(guān)的DC和較高頻率信號(與瞬態(tài)電子噪聲或故障情況相反)。以另一種廣泛的形式，本發(fā)明包括:一種方法，用于通過以下步驟來檢測和解釋DC和較高頻率的信號，以使得能夠提供幫助對產(chǎn)生泄漏電流的裝備進(jìn)行識別、分辨或修復(fù)的診斷信息:a)采樣從開關(guān)電子裝置生成的電信號，b)分析來自所采樣的信號的數(shù)據(jù)，獲得可能唯一識別信號來源的特征，c)比較所述數(shù)據(jù)特征與來自已知裝備的數(shù)據(jù)特征，該已知裝備具有在另一個時間從同一裝備獲得的等效數(shù)據(jù)，d)對采樣信號進(jìn)行解釋，以確定所述數(shù)據(jù)是否指示觸電危險。本發(fā)明還提供了測量、分析與確定包括開關(guān)電源電子產(chǎn)品的電氣系統(tǒng)中的泄漏和/或故障電流的方法，而且通過讀取和解釋所采樣的信號，該方法使得能夠識別以下:a)直流電流泄漏或故障電流；b)電源頻率電流的基頻和諧頻成分；c)開關(guān)轉(zhuǎn)換器電流的基頻和諧頻成分。以所述方法方面的另一種廣泛形式，本發(fā)明包括:一種方法，用于檢測和解釋源自電氣系統(tǒng)中開關(guān)電源電子產(chǎn)品的電信號，以使得能夠分析那些信號以便確定接地泄漏或故障；該方法包括步驟:a)米樣由電氣裝置生成的信號，b)從給該裝置供電的電氣系統(tǒng)中的一個或多個測量點(diǎn)取得測量值；c)采樣在所述電氣系統(tǒng)中流動的電流或電流組，d)把采樣后的信號轉(zhuǎn)換成適于分析的數(shù)據(jù)形式，e)分析所述數(shù)據(jù)，以確定其指示所連接的電源電子產(chǎn)品裝備中的故障或者可能的故障，f )解釋所述數(shù)據(jù)，以確定是否指示觸電危險。根據(jù)一種優(yōu)選實(shí)施方式，該方法還包括步驟:a)如果電源頻率或者電源諧頻泄漏電流超過指定的水平和持續(xù)時間，就激活保護(hù)裝備以使電源開路，b)如果DC或較高頻率的泄漏電流處于過高的水平，就激活保護(hù)裝備以使電源開路，c)提供關(guān)于有可能造成所檢測到的泄漏電流的裝備的特性的診斷信息。
根據(jù)一種優(yōu)選實(shí)施方式，測量可以從電氣系統(tǒng)中的一個或多個觀測點(diǎn)進(jìn)行，例如單個導(dǎo)體、導(dǎo)體組、并聯(lián)支路中的一個電流的直接測量值，以便推斷在第二并聯(lián)支路中流動的電流。優(yōu)選地，采樣后的時域數(shù)據(jù)利用離散傅立葉變換、快速傅立葉變換或者類似的確定的信號處理技術(shù)轉(zhuǎn)換到頻域中。根據(jù)一種優(yōu)選實(shí)施方式，對給定的假設(shè)運(yùn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與狀態(tài)中所識別出的電流的解釋使得能夠推斷以下一個或多個事件和/或參數(shù):( i )直流電流到物理或傳導(dǎo)地中的泄漏；(ii)電源頻率電流的基頻和諧頻成分到物理或傳導(dǎo)地中的泄漏；(iii)相應(yīng)電源頻率諧頻的相對幅值；(iv)基頻和諧頻開關(guān)轉(zhuǎn)換器電流到物理或傳導(dǎo)地中的泄漏；(V)功率轉(zhuǎn)換器的額定開關(guān)頻率；(vi)關(guān)于開關(guān)轉(zhuǎn)換器或者由該開關(guān)轉(zhuǎn)換器供電的裝備的無效或故障共模過濾器。根據(jù)一種實(shí)施方式，所述方法使用寬帶頻域分析和人工智能(包括但不限于模式識別)來識別電力網(wǎng)絡(luò)中有功相、中線、接地試驗(yàn)導(dǎo)體中的電源和開關(guān)基頻與諧頻。本發(fā)明為已知的現(xiàn)有技術(shù)和所識別出的缺點(diǎn)提供了可供選擇的方案。以上及其它的目的和優(yōu)點(diǎn)將從以下描述變得顯然。在描述中，參考所附表示，其中該表示構(gòu)成描述的一部分，而且其中通過說明示出了其中可以實(shí)踐本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。將對這些實(shí)施方式進(jìn)行充分具體的描述，以便使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，而且應(yīng)當(dāng)理解，在不背離本發(fā)明范圍的情況下，可以使用其它實(shí)施方式而且可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)性的變化。因此，以下具體描述不應(yīng)當(dāng)從限制的意義上來看，而且本發(fā)明的范圍最好是由所附權(quán)利要求來定義。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將根據(jù)一種優(yōu)選的但非限制性的實(shí)施方式更具體地描述本發(fā)明。在此所參考的例子是說明性的，而不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是限制本發(fā)明的范圍。盡管在此已經(jīng)描述了本發(fā)明的各種實(shí)施方式，但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，這些能夠修改，而且因此，這里的公開內(nèi)容不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是限制到所述的精確細(xì)節(jié)，而是有利于使這種改變和變化都屬于所述描述的范圍之內(nèi)。盡管本發(fā)明的方法與裝置方面將參考其對1-T網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用來描述，但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，本發(fā)明還有可供選擇的應(yīng)用。測暈、分析與解釋方法根據(jù)所述方法，第一步是測量信號并且獲得必要的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。這是通過數(shù)字采樣來進(jìn)行的。信號測暈:電流或電流組的數(shù)字采樣是利用足夠的帶寬來執(zhí)行的，以便適當(dāng)?shù)刂亟ê铣傻碾娫搭l率及其諧頻及開關(guān)電子產(chǎn)品的基本載波頻率與調(diào)制邊帶的振幅與相位。這種采樣帶寬包括直流電流。測量可以從電氣系統(tǒng)中的一個或多個觀測點(diǎn)進(jìn)行:a)單個導(dǎo)體(大地、中線或者單個的相導(dǎo)體)；b)導(dǎo)體組(同時采樣三個單個的相導(dǎo)體，或者還有中線(如果存在的話)，作為電流平衡，來直接測量跨三相束的殘余或泄漏電流);
c)利用關(guān)于相對支路阻抗的適當(dāng)假設(shè)(例如，成纜地電流結(jié)合三相殘余電流的測量，以便推斷在物理地中流動的電流)，對并聯(lián)支路中的一個電流的直接測量，以便推斷在第二并聯(lián)支路中流動的電流，d)利用測量值的幅度、相位與頻率成分對并聯(lián)支路中的電流的直接測量，以決定哪個支路包含流動的接地故障和/或總接地故障電流。
_7] 信號轉(zhuǎn)換:采樣后的時域數(shù)據(jù)利用離散傅立葉變換、快速傅立葉變換或者類似的確定的信號處理技術(shù)轉(zhuǎn)換到頻域中。這種轉(zhuǎn)換在頻域中產(chǎn)生采樣后數(shù)據(jù)中每個頻率成分的幅度與相位。限制通過離散或快速傅立葉變換生成的頻域數(shù)據(jù)的振幅頻譜，以丟棄寬帶噪聲基底，只留下與感興趣的特定成分頻率關(guān)聯(lián)的顯著頻譜線。信號分析頻域信息用于:識別基本電源頻率(這個頻率可能是由通過可變開關(guān)電子產(chǎn)品的負(fù)載合成的或者處于固定的電源頻率[一般是50/60HZ])。如果存在直流電流成分，就識別它。依賴于在哪里進(jìn)行電流測量，電源頻率和低次諧頻可能存在，也可能不存在。如果識別出基本電源頻率，就在幅度和頻率中識別電源頻率諧頻(一般是基本電源頻率的整數(shù)倍)。如果存在多個開關(guān)電子模塊，就可以檢測到那個頻率的多個電源頻率和諧頻。從開關(guān)電子產(chǎn)品為包括直流電流或可變(合成的)交流電流的負(fù)載識別基本開關(guān)(或者載波)頻率。在檢測到多個載波頻率的時候，它們是通過相對于所識別出的基本電源頻率識別邊帶成分來區(qū)分的。然后，所述信息可以用于:i )如果電源頻率或者電源諧頻泄漏電流超過指定的水平和持續(xù)時間，就激活保護(hù)裝備以對電源進(jìn)行開路，ii)如果高頻泄漏電流處于過量的水平，就激活保護(hù)裝備以對電源進(jìn)行開路，iii)警告存在處于會造成對給定位置問題的幅度的高頻電流，并且提供診斷信息，以幫助定位指示在所檢測到的信號頻率成分的電平剛發(fā)生了顯著變化的源(例如，運(yùn)行在40Hz基頻的變速驅(qū)動器在3.4KHz開關(guān)就是所述信號的造成原因)，這可以指示布線基礎(chǔ)設(shè)施中的部件故障或者不可接受的變化。根據(jù)所述方法，可以從所獲得的信號數(shù)據(jù)得出有些問題(存在如果不是真正的也是潛在的故障)的推論，例如不應(yīng)當(dāng)存在的電流的存在。通過提供具有擴(kuò)展帶寬的繼電器，以便包含傳統(tǒng)上被保護(hù)裝備丟棄的頻率成分，而且利用信號處理來特征化所檢測到的信號，繼電器能夠提供高級的保護(hù)并且因此通過增加現(xiàn)代開關(guān)電源電子產(chǎn)品在危險區(qū)域中的部署而根據(jù)需要提供提高的安全性。本領(lǐng)域技術(shù)人員將進(jìn)一步認(rèn)識到，在不背離在此廣義描述的本發(fā)明整體主旨與范圍的情況下，可以對本發(fā)明進(jìn)行各種變化與修改。
權(quán)利要求
1.一種對電氣系統(tǒng)中的電流或電流組進(jìn)行數(shù)字采樣的方法，包括:在所述采樣過程中利用足夠的帶寬來重建合成的電源頻率及其諧頻和開關(guān)電子產(chǎn)品的基本載波頻率與調(diào)制邊帶的幅值與相位。
2.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字采樣方法，其中采樣帶寬包括直流電流。
3.如權(quán)利要求2所述的數(shù)字采樣方法，其中采樣是在電氣系統(tǒng)中的一個或多個觀測點(diǎn)進(jìn)行的。
4.如權(quán)利要求3所述的數(shù)字采樣方法，其中所述觀測點(diǎn)包括單個導(dǎo)體或者導(dǎo)體組。
5.如權(quán)利要求4所述的數(shù)字采樣方法，其中所述單個導(dǎo)體選自大地、中線或者單獨(dú)相導(dǎo)體。
6.如權(quán)利要求4所述的數(shù)字采樣方法，還包括同時采樣三個單獨(dú)相導(dǎo)體以便直接測量跨三相束的殘余或泄漏電流的步驟。
7.如權(quán)利要求4所述的數(shù)字采樣方法，包括直接測量并聯(lián)支路中的一個電流以便推斷第二并聯(lián)支路中流動的電流的步驟。
8.如權(quán)利要求4所述的數(shù)字采樣方法，還包括作出關(guān)于成纜地中的相關(guān)支路阻抗與三相殘余電流結(jié)合的測量的假設(shè)來推斷物理地中流動的電流的步驟。
9.如權(quán)利要求8所 述的數(shù)字采樣方法，還包括把信號轉(zhuǎn)換到頻域中的步驟。
10.如權(quán)利要求9所述的數(shù)字采樣方法，其中頻域使用選自離散傅立葉變換或快速傅立葉變換的信號處理技術(shù)。
11.如權(quán)利要求10所述的數(shù)字采樣方法，還包括轉(zhuǎn)換信號以便在頻域中產(chǎn)生所采樣數(shù)據(jù)中每個頻率成分的幅度與相位的步驟。
12.如權(quán)利要求11所述的數(shù)字采樣方法，其中限制由離散或快速傅立葉變換產(chǎn)生的頻域數(shù)據(jù)的頻譜以丟棄寬帶噪聲基底。
13.如權(quán)利要求12所述的數(shù)字采樣方法，還包括只留下與感興趣的特定成分頻率關(guān)聯(lián)的顯著頻譜線的步驟。
14.如權(quán)利要求13所述的數(shù)字采樣方法，還包括分析頻域數(shù)據(jù)以便確定基本電源頻率的步驟。
15.如權(quán)利要求14所述的數(shù)字采樣方法，其中頻域分析識別信號分析中的頻譜，并且識別電力系統(tǒng)應(yīng)用中電弧的存在。
16.如權(quán)利要求15所述的數(shù)字采樣方法，其中，如果存在直流電流成分，就識別它。
17.如權(quán)利要求16所述的數(shù)字采樣方法，其中，依賴于在哪里識別出基本電源頻率，識別出幅度與頻率為基本電源頻率整數(shù)倍的電源頻率諧頻。
18.如權(quán)利要求17所述的數(shù)字采樣方法，還包括:如果系統(tǒng)中存在多個開關(guān)電子模塊就可以檢測到多個電源頻率與該頻率的諧頻的步驟。
19.如權(quán)利要求18所述的數(shù)字采樣方法，其中基本開關(guān)(或載波)頻率是從開關(guān)電子產(chǎn)品為包括直流電流或可變(合成的)交流電流的負(fù)載識別的。
20.如權(quán)利要求19所述的數(shù)字采樣方法，其中，在檢測到多個載波頻率的時候，這些載波頻率是通過相對于所識別出的基本電源頻率識別邊帶成分來區(qū)分的。
21.如權(quán)利要求20所述的數(shù)字采樣方法，還包括利用測量出的信息進(jìn)行以下動作的步驟:如果電源頻率或者電源諧頻泄漏電流超過指定的水平和持續(xù)時間，就激活保護(hù)裝備以使電源開路。
22.如權(quán)利要求21所述的數(shù)字采樣方法，還包括利用測量出的信息進(jìn)行以下動作的步驟: 如果高頻泄漏電流處于過量的水平，就激活保護(hù)裝備以使電源開路。
23.如權(quán)利要求22所述的數(shù)字采樣方法，還包括利用測量出的信息進(jìn)行以下動作的步驟: 確定高頻電流在某一位置存在并且提供幫助定位不想要的電流的來源的診斷信息。
24.一種檢測并解釋DC和較高頻率信號的方法，以使得能夠通過以下處理提供幫助對產(chǎn)生泄漏電流的裝備的識別、分辨或修復(fù)的診斷信息: a)采樣從開關(guān)電子裝置生成的電信號， b)分析來自所采樣的信號的數(shù)據(jù)，以獲得可能唯一識別該信號的來源的特征， c)比較所述數(shù)據(jù)特征與來自已知裝備的數(shù)據(jù)特征，該已知裝備具有在另一個時間從同一裝備獲得的等效數(shù)據(jù)， d)對采樣信號進(jìn)行解釋，以確定所述數(shù)據(jù)是否指示觸電危險。
25.一種測量、分析與確定電氣系統(tǒng)中的泄漏和/或故障電流的方法，所述電氣系統(tǒng)包括開關(guān)電源電子產(chǎn)品，而 且，通過讀取和解釋所采樣的信號，使得能夠識別以下: a)直流電流泄漏或故障電流； b)主頻率電流的基頻和諧頻成分； c)開關(guān)轉(zhuǎn)換器電流的基頻和諧頻成分。
26.一種用于檢測和解釋源于電氣系統(tǒng)中開關(guān)電源電子產(chǎn)品的電信號以使得能夠分析那些信號以便確定接地泄漏或故障的方法， 該方法包括以下步驟: a)采樣由電氣裝置生成的信號， b)從給該裝置供電的電氣系統(tǒng)中的一個或多個測量點(diǎn)取得測量值； c)采樣在所述電氣系統(tǒng)中流動的電流或電流組， d)把采樣后的信號轉(zhuǎn)換成適于分析的數(shù)據(jù)形式， e)分析所述數(shù)據(jù)，以確定其指示所連接的電源電子產(chǎn)品裝備中的故障或者可能的故障， f)解釋所述數(shù)據(jù)，以確定是否指示觸電危險。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，還包括以下步驟: a)如果電源頻率或者電源諧頻泄漏電流超過指定的水平和持續(xù)時間，就激活保護(hù)裝備以使電源開路， b)如果DC或較高頻率的泄漏電流處于過量的水平，就激活保護(hù)裝備以使電源開路， c)提供關(guān)于有可能造成所檢測到的泄漏信號的裝備特征的診斷信息。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中測量是從電氣系統(tǒng)中的至少一個觀測點(diǎn)進(jìn)行的。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其中所述觀測點(diǎn)是單個導(dǎo)體。
30.如權(quán)利要求28所述的方法，其中所述觀測點(diǎn)是導(dǎo)體組。
31.如權(quán)利要求29或30所述的方法，其中所述觀測點(diǎn)是對并聯(lián)支路中一個電流進(jìn)行直接測量的點(diǎn)。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其中對并聯(lián)支路中一個電流的直接測量的觀察允許推斷在第二并聯(lián)支路中流動的電流。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，其中采樣后的時域數(shù)據(jù)利用離散傅立葉變換轉(zhuǎn)換到頻域中。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其中采樣后的時域數(shù)據(jù)利用快速傅立葉變換轉(zhuǎn)換到頻域中。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，其中采樣后的時域數(shù)據(jù)利用信號處理技術(shù)轉(zhuǎn)換到頻域中。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，其中對給定的假設(shè)運(yùn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與狀態(tài)中所識別出的電流的解釋使得能夠推斷以下事件和/或參數(shù)中的一個或多個: (i )直流電流到物理或傳導(dǎo)地中的泄漏； (ii)電源頻率電流的基頻和諧頻成分到物理或傳導(dǎo)地中的泄漏； (iii)相應(yīng)電源頻率諧頻的相對幅值； (iv)基頻和諧頻開關(guān)轉(zhuǎn)換器電流到物理或傳導(dǎo)地中的泄漏； (V)功率轉(zhuǎn)換器的額定開關(guān)頻率； (vi)開關(guān)轉(zhuǎn)換器或者由開關(guān)轉(zhuǎn)換器供電的裝備上的無效或故障共模過濾器。
37.一種繼電器，其能夠?yàn)榱朔治鼋拥匦孤╇娏饕詥颖Ｗo(hù)裝備，檢測與開關(guān)電源電子產(chǎn)品的正常運(yùn)行相關(guān)的DC和較高頻率信號(與暫態(tài)的電氣噪聲相對)。
38.如權(quán)利要求37所述的繼電器，還包括:擴(kuò)展后的帶寬，以便包括傳統(tǒng)上被保護(hù)裝備丟棄的頻率成分。
39.如權(quán)利要求38所述的繼電器，還包括:用于進(jìn)行信號處理以特征化所檢測到的信號的裝置，該繼電器能夠根據(jù)需要通過增加現(xiàn)代開關(guān)電源電子產(chǎn)品在危險區(qū)域中的部署提供高級保護(hù)并且由此提供提高的安全性。
全文摘要
一種對電氣系統(tǒng)中的電流或電流組進(jìn)行數(shù)字采樣的方法，包括在所述采樣過程中使用足夠的帶寬重建合成的電源頻率及其諧頻和開關(guān)電子產(chǎn)品的基本載波頻率與調(diào)制邊帶的幅值與相位。
文檔編號G01R31/02GK103168245SQ201180036160
公開日2013年6月19日 申請日期2011年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月7日
發(fā)明者T·A·懷利, I·韋伯斯特, P·斯特皮恩 申請人:Amp控制股份有限公司