专利名称：用于检测高阻接地网络中的接地故障的系统的制作方法
技术领域：
本实用新型大体涉及功率转换电路，并特别涉及用于检测高阻接地网络系统中的接地故障的系统。
背景技术：
已知利用各种功率转换器电路的多种设备，诸如在工厂自动化系统中使用的电机驱动系统、发电系统等。通常，电机驱动被连接至电源(最常连接到电网)，并进行工作从而以受控方式来向负载提供电功率。在电压功率转换电路中，经由功率转换器将来自AC电源的电功率转换为直流(DC)功率。然后，通过经由DC总线耦合至转换器的逆变器将DC功率转换为具有受控频率、相位和幅度的AC功率，可以施加该AC功率以驱动诸如电机的外部负载。 通常，期望检测高阻接地网络上的驱动是否工作在接地故障中，使得可以在接地故障导致电路的部件失灵之前就清除接地故障。在操作中，在导致系统的部件(诸如电动机)和电缆中的高电压应力的接地故障期间，总线电压大大增加。由于高阻接地网络上的接地故障期间通常存在的高阻，所以故障电流小且因而经常可忽略，由此使得难以可靠地将这种故障与负载的大改变分尚开。绝大多数用于检测高阻接地网络上的接地故障的传统技术是基于针对传输线的简化阻抗模型。然而，当应用于包含功率转换器的系统时，这些技术缺乏足够的准确性。另一种检测高阻接地网络上的接地故障的方式是通过测量电路中的输出相对地电压。然而，这种技术是复杂的，并且只能识别输出相对地故障。相应地，将期望开发如下系统其在这样的系统工作期间和/或这样的系统工作之前，检测功率转换电路中的高阻接地网络上接地故障的存在和位置。
实用新型内容简要地，根据本实用新型的一个实施例，提供了一种用于检测高阻接地网络中的接地故障的系统。该系统包括放大器，该放大器被配置为耦合到DC总线的低压侧，以检测DC总线的低压侧与地电势之间的节点处的电压。该系统还包括低通滤波器，该低通滤波器耦合到放大器的输出，以生成中点对地信号。根据另一方面，提供了一种用于检测高阻接地网络中的接地故障的系统。该系统包括电压源功率转换电路，该电压源功率转换电路包括功率转换器，用于将输入的AC功率转换成施加到DC总线的DC功率；以及逆变器，用于将来自DC总线的DC功率转换成输出AC功率。该系统还包括中点对地电压检测电路，耦合到DC总线的低压侧以及地电势，并且被配置为生成中点对地电压信号；以及监测和分析电路，耦合到中点对地电压检测电路，并且被配置为基于中点对地电压信号，检测高阻网络中的接地故障。
当参照附图阅读以下详细描述时，将会更好地理解本实用新型的这些和其它特征、方面及优点，在附图中，相似的附图标记始终表示相似的部件，其中图I示出根据本实用新型的方面的示例性电压功率转换电路，该电压功率转换电路具有用于检测高阻网络中的接地故障的系统。图2示出DC总线电压测量电路的示例性配置，该DC总线电压测量电路具有图I的电压功率转换电路中所采用的中点对地电压检测电路。图3示出用于在对图I的电压源功率转换电路的负载供电或移除该电路的负载之前检测该电路中的高阻故障的示例性处理步骤。图4示出了用于在对电路的负载供电期间，检测图I的电压源功率转换电路中的高祖故障的示例性处理步骤。图5不出了用于使用利用图4的处理估计的中点对地电压的输出频率分量(Vmgload)来检测高阻网络中的负载侧接地故障的位置的示例性处理步骤。图6示出了使用所测量的中点对地电压来检测DC接地故障的另一示例性实施例。 具体实施方式
如下面详细描述的那样，本技术的实施例用于提供用于检测功率转换电路(诸如在电动机驱动系统中所采用的功率转换电路)的高阻接地网络中的接地故障的系统。具体地，本技术提供了用以基于测得的中点对地电压来检测接地故障(诸如负载侧、DC侧或AC输入侧)的存在和位置的离线和在线检测技术。在说明书中，提及“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”表明所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是并不是每个实施例均必然包括该特定特征、结构或特性。而且，这些短语并不必然指代同一实施例。另外，当结合一个实施例描述特定特征、结构或特性时，主张结合其它实施例对该特定特征、结构或特性进行变化处于本领域技术人员的知识之内，而不管是否对这种变化进行了明确描述。现在转向附图并首先参照图1，图I示出了电压功率转换电路10。电压功率转换电路10包括功率转换器12，功率转换器12被配置为从电源14接收输入的AC功率，并将AC功率转换为施加到DC总线16的DC功率。电压功率转换电路10还包括耦合到功率转换器12的逆变器18，逆变器18将来自DC总线16的DC功率转换成输出AC功率。此外，电动机20耦合到逆变器18并由逆变器18来驱动。在所示实施例中，电压功率转换电路10还包括耦合至电动机20并由电动机20驱动的负载22。在所示实施例中，电压功率转换电路10包括滤波器电路24，用于从自电源14接收的AC功率中过滤高阶谐波。在某些实施例中，滤波器电路24包括电磁干扰及谐波滤波器。此外，电压功率转换电路10包括总线电容器及滤波器26，总线电容器及滤波器26被配置为对与DC总线16相关联的谐波进行滤波。在所示实施例中，电压功率转换电路10还包括被配置为测量DC总线电压的DC总线电压测量电路28。此外，中点对地电压检测电路30耦合至DC总线电压测量电路28。在目前设计的配置中，中点对地电压检测电路30耦合至DC总线16的中点以及地电势，并被配置为生成中点对地电压信号。电压功率转换电路10还包括监测和分析电路32，监测和分析电路32耦合至中点对地电压检测电路30，并被配置为基于中点对地电压信号而检测高阻网络中的接地故障。应注意，尽管结合电动机驱动描述用于检测高阻接地网络中的接地故障的本技术，然而本技术并不限于这些应用。相反，可以利用相同的方法检测多种电路应用中的接地故障，特别是在DC总线与AC/DC整流一起使用的电路应用中检测接地故障、或者更一般地在转换电路和DC/AC转换电路中检测接地故障。在一个实施例中，监测和分析电路32被配置为在对负载22施加功率之前检测高阻网络中的接地故障。在操作中，监测和分析电路32被配置为确定检测到的中点对地电压是否呈现了表示线路侧接地故障的线路侧基频分量。在另一示例性实施例中，监测和分析电路32被配置为确定检测到的中点对地电压是否呈现了表示DC总线接地故障的DC偏移分量。在另一个示例性实施例中，检测和分析电路32被配置为，在将逆变器18的所有高压侧开关或低压侧功率电子开关置于导通状态时，确定检测到的中点对地电压是否呈现了DC偏移分量。在这个示例性实施例中，电压功率转换电路10包括控制电路34和驱动器电路36，用于控制逆变器18的功率电子开关的操作。 在另一个示例性实施例中，监测和分析电路32被配置为在以输出AC功率驱动负载22期间检测高阻网络中的接地故障。在这个示例性实施例中，监测和分析电路32被配置为检测中点对地电压的、表示线路侧接地故障的线路侧基频分量。此外，监测和分析电路32被配置为检测中点对地电压的、表示DC总线接地故障的DC偏移分量。另外，监测和分析电路32被配置为检测中点对地电压的、表示负载侧接地故障的输出频率分量。在所示实施例中，监测和分析电路32包括存储器38，存储器38被配置为存储检测到的中点对地电压。此外，监测和分析电路32还包括处理器40，处理器40被配置为确定各分量诸如中点对地电压信号的线路侧基频分量、中点对地电压信号的DC偏移分量和中点对地电压信号的输出频率分量，以分别检测线路侧接地故障、DC总线接地故障和负载侧接地故障。存储器38可以包括硬盘驱动器、光盘驱动器、磁带驱动器、随机存储存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、独立磁盘冗余阵列(Redundant ArrayOf Inexpensive Disk, RAID)、快闪存储器、磁光存储器、全息存储器、磁泡存储器、磁鼓(magnetic drum)、记忆棒、Mylar 磁带、智能盘(Smart Disk)、薄膜存储器、极碟(zipdrive)等等。在某些实施例中，关于检测到的高阻网络中的接地故障的信息可以通过显示器42显示给用户。应注意，本实用新型不限于任何用于执行本实用新型的处理任务的特定处理器。术语“处理器”在本文中使用时旨在表示如下的任意机器该机器能够进行对执行本实用新型的任务而言必要的运算或计算。术语“处理器”旨在表示如下的任意机器该机器能够接受结构化输入，并能够根据指定规则处理该输入以产生输出。还应注意，如本领域技术人员所理解的，短语“被配置为”在本文中使用时意味着处理器被装备了用于执行本实用新型的任务的硬件和软件的组合。图2示出DC总线电压测量电路28的示例性配置50，DC总线电压测量电路28具有图I的电压功率转换电路中所采用的中点对地电压检测电路30。在目前设计的配置中，中点对地电压检测电路30包括放大器52，放大器52耦合至DC总线16的低压侧54，以检测DC总线16的低压侧54与地电势56之间的节点处的电压。此外，低通滤波器58耦合至放大器52的输出，以生成中点对地电压信号60。在这个不例性实施例中，低通滤波器58被配置为对检测到的电压中的开关波纹进行滤波，并生成中点对地电压信号60。[0032]如之前参照图I所描述的那样，由监测和分析电路32处理中点对地电压信号60，以检测接地故障的存在和位置。具体地，分析中点对地电压信号60，以确定中点对地电压信号60的线路侧基频分量、中点对地电压信号60的DC偏移分量和中点对地电压信号60的输出频率分量，以检测线路侧接地故障、DC总线接地故障和负载侧接地故障。应注意，可以在以输出AC功率驱动负载22之前或者在以输出AC功率驱动负载22期间,检测接地故障的存在和位置，这将在以下更详细地描述。图3示出用于在对负载22供电之前检测图I的电压源功率转换电路10中的高阻故障的示例性处理步骤70。在方框72，开始接地故障检查。在这个示例性实施例中，电压源功率转换电路的逆变器不进行工作，且负载未被供电。在方框74，针对电路10确定初始源接地类型。在某些实施例中，可以由电压源功率转换电路10的用户指定初始源接地。如果电路被识别为Y接地系统，那么确定中点对地电压是否呈现基频分量(方框76)。在这个示例性实施例中，检验中点对地电压的基频是否为约60Hz(在北美)。此外，如果检测到的中点对地电压的基频分量与输入相电压基本相同，则将故障表征为源侧接地故 障(方框78) ο此外，如果中点对地电压的基频分量与输入相电压不同，则确定中点对地电压是否呈现DC偏移分量(方框80)。在某些实施例中，针对角接地系统进一步确定中点对地电压的DC偏移分量(方框82)。如方框84所表不的那样,将中点对地电压的DC偏移分量与预定阈值相比较，以检测DC总线接地故障。在一个示例性实施例中，通过以下等式对中点对地电压的DC偏移分量进行近似Vngdc = 1/2 X Vdc X Rgnd/ (Rgn^Rflt)(I)其中Vmgd。为中点对地电压的DC偏移分量，Vdc为测得的差分DC总线电压，Rgnd为中性点电阻，且Rflt为接地故障电阻。如果中点对地电压的DC偏移分量具有较低值，那么如方框86所表示的那样，将逆变器的所有高压侧或低压侧功率电子开关置于导通状态。再一次地，在方框88，检验中点对地电压的DC偏移分量。在一个示例性实施例中，当所有功率电子开关都被禁用时，中点对地电压不呈现DC偏移分量。如果中点对地电压的DC偏移分量高于预定阈值，则识别负载侧接地故障(方框90)。此外，如方框92所表示的那样，检查电流分量，以检测负载的哪个相出现故障。在这个实施例中，分别以Isu、1和Isw表示输出负载电流。例如，在所示实施例中，电流分量在相“X”较高，表示相“X”中的负载侧接地故障(方框94)。在另一个实施例中，如果中点对地电压的DC偏移分量低于预定阈值，则表明无故障情况(方框96)。于是，如方框98所表示的那样，将高压侧或低压侧功率电子开关置于其各自的非导通状态，并报告接地故障状态，同时系统为下一循环做好准备。图4示出了用于检测在驱动负载22期间图I的电压源功率转换电路10中的高阻故障的示例性处理步骤110。在方框112处，从所测量的中点对地电压(Vmg)对开关纹波进行滤波。此外，采用带通滤波器来检测中点对地电压的线路侧基频分量(Vmgs)(方框114)。在该示例性实施例中，在测量中点对地电压之前，针对电路10确定初始源接地类型。在方框116处，将线路侧基频分量与第一阈值进行比较。在该示例性实施例中，第一阈值是AC输入的源电压(Vs)和第一常数(kl)的函数。在某些示例性实施例中，第一常数kl是大约
O.25至大约O. 75。在一个示例性实施例中，第一常数kl是大约O. 5。如果线路侧基频分量大于第一阈值，则系统具有Y接地系统或角接地(cornergrounded)系统的线路侧接地故障(方框118)。替选地，如果线路侧基频分量小于第一阈值，则系统没有线路侧接地故障(方框120)。在该示例性实施例中，采用具有作为逆变器频率的滤波频率的另一带通滤波器来确定输出频率分量(Vmgltjad)(方框122)。此外，在方框124处，将输出频率分量与第二阈值进行比较。在该示例性实施例中，第二阈值是输出电压(V。)和第二常数(k2)的函数。在某些示例性实施例中，第二常数是大约O. 25至大约O. 75。在一个示例性实施例中，第二常数k2是大约O. 5。如果输出频率分量大于第二阈值，则系统具有负载侧接地故障(方框126)。替选地，如果输出频率分量小于第二阈值，则系统没有负载侧接地故障(方框128)。·在该示例性实施例中，如方框130所表示的，确定中点对地电压的DC偏移分量(Vmgd。)。在方框132处，将DC偏移分量与第三阈值进行比较。在该示例性实施例中，第三阈值是总线电压(Vde)和第三常数(k3)的函数。在某些示例性实施例中，第三常数是大约
O.25至大约O. 75。在一个示例性实施例中，第三常数是大约O. 5。如果DC偏移分量大于第三阈值，则系统具有DC总线接地故障(方框134)。替选地，如果DC偏移分量小于第三阈值，则系统没有DC总线接地故障(方框136)。图5示出了示例性处理步骤140，其用于使用利用图4的处理估计的中点对地电压的输出频率分量(Vmgltjad)，检测高阻网络中的负载侧接地故障的位置。如所示出的，使用中点对地电压的输出频率分量来检测负载侧接地故障(方框126)。在方框142处，估计中点对地电压的输出频率分量的相角(Z VmgloJ。此外，将所估计的相角与逆变器输出电压的相角(Z V。)进行组合，以确定差别相角(φ )(方框144)。在方框146处，检验差别相角是否是定值。如果差别相角不具有定值，则表示系统的另一驱动的负载侧接地故障。替选地，如果差别相角呈现定值，则利用中点对地电压的输出频率分量来确定表示驱动的各个相中的故障的、驱动的每个相的相应相角(方框152和154)。在该示例性实施例中，相角表示驱动的相“X”具有接地故障。图6示出了用于使用所测量的中点对地电压来检测DC接地故障的另一示例性实施例160。在该示例性实施例中，对使用图I的中点对地电压检测电路获得的中点对地电压(Vfflg)信号进行滤波，以滤除开关纹波和DC信号(方框162)。此外，估计均方根值，以确定中点对地电压的基频分量(Vmgs)的幅值(方框164)。类似地，对中点对地电压(Vmg)信号进行滤波以滤除开关纹波和DC信号，从而确定中点对地电压的DC偏移分量(Vmgde)的幅值。在一个示例性实施例中，如果基频分量(Vmgs)大于预定阈值，则显示AC接地故障信号。在另一示例性实施例中，如果DC偏移分量(Vmgde)大于预定阈值，则显示DC接地故障信号。因此，该技术有利于使用中点对地电压的基频分量和DC偏移分量对AC和DC接地故障进行在线检测。如本领域技术人员所理解的，上述示例、示范以及处理步骤可以通过基于处理器的系统(诸如通用计算机或专用计算机)上的适当代码来实现。还应注意，本技术的不同实现可以以不同的顺序或基本上同时地(即，并行地)执行本文所述的一些步骤或所有步骤。此外，可以以多种编程语言(诸如C++或JAVA)来实现功能。如本领域技术人员所理解的，这样的代码可以存储或者适于存储在一种或多种有形机器可读介质上，诸如存储在存储器芯片、本地或远程硬盘、光盘(例如，⑶光盘或DVD光盘)或者其它介质上，这些介质可以由基于处理器的系统访问以执行所存储的代码。注意，有形介质可以包括纸或在其上打印指令的其它适当介质。例如，可以经由对纸或其它介质的光学扫描来电捕获指令，然后对指令进行编译、解析或者必要时以适当的方式另行处理，并且然后存储在计算机存储器中。上述结构的各个方面可以用于检测诸如电动机驱动系统的高阻接地系统中的接地故障。特别地，上述技术利用中点对地电压信号以检测高阻网络中的接地故障的存在和位置。有利地，该技术有利于高阻网络中在驱动负载侧、DC总线侧以及线路侧的接地故障的离线和在线识别，从而增强了这样的系统的可靠性。尽管本文仅示出和描述了本实用新型的某些特征，但是对本领域技术人员来说，可以进行多种修改和改变。因此，要理解的是，所附权利要求旨在覆盖落入本实用新型的真 正精神内的所有这样的修改和改变。
权利要求1.一种用于检测高阻接地网络中的接地故障的系统，其中，所述系统包括 放大器，被配置为耦合到DC总线的低压侧，以检测所述DC总线的低压侧与地电势之间的节点处的电压；以及 低通滤波器，耦合到所述放大器的输出，以生成中点对地信号。
2.根据权利要求I所述的系统，其中，所述系统还包括监测和分析电路，所述监测和分析电路被配置为基于所述中点对地信号，检测所述高阻网络中的接地故障。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述监测和分析电路被配置为基于所述中点对地信号，检测所述高阻网络中的接地故障的位置。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述监测和分析电路被配置为基于所述中点对地信号的DC偏移分量和所述中点对地信号的基频分量，检测DC总线接地故障、负载侧接地故障以及线路侧接地故障。
5.一种用于检测高阻接地网络中的接地故障的系统，其中，所述系统包括 电压源功率转换电路，包括功率转换器和逆变器，所述功率转换器将输入的AC功率转换成施加到DC总线的DC功率，所述逆变器将来自所述DC总线的DC功率转换成输出AC功率； 中点对地电压检测电路，耦合到所述DC总线的低压侧以及地电势，并且被配置为生成中点对地电压信号；以及 监测和分析电路，耦合到所述中点对地电压检测电路，并且被配置为基于所述中点对地电压信号而检测高阻网络中的接地故障。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述中点对地电压检测电路耦合到DC总线电压测量电路。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述中点对地电压检测电路包括放大器，耦合至IJ所述DC总线的低压侧，以检测所述DC总线的低压侧与地电势之间的节点处的电压；以及低通滤波器，耦合到所述放大器的输出，以生成所述中点对地电压信号。
8.根据权利要求5所述的系统，其中，所述监测和分析电路被配置为在以所述输出AC功率对负载供电之前或在以所述输出AC功率对负载供电期间，检测所述高阻网络中的接地故障。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述监测和分析电路被配置为基于中性点对地电压信号的DC偏移分量和频率分量，检测所述高阻网络中的接地故障的位置。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述监测和分析电路被配置为估计所述中性点对地电压的相角，以检测在高阻接地系统中具有所述接地故障的驱动的相。
专利摘要本实用新型公开了一种用于检测高阻接地系统中的接地故障的系统，该系统包括放大器，被配置为耦合到DC总线的低压侧，以检测DC总线的低压侧与地电势之间的节点处的电压；以及低通滤波器，耦合到放大器的输出，以生成中点对地信号。
文档编号G01R31/08GK202583375SQ201120403069
公开日2012年12月5日 申请日期2011年10月10日 优先权日2010年10月9日
发明者韦立祥, 刘志军, 布赖恩·帕特里克·布朗, 大卫·W·基尔施尼克, 鲁斯·J·克尔克曼, 里夏德·A·卢卡谢夫斯基, 加雷·斯基宾斯基, 卡洛斯·丹尼尔·罗德里格斯-瓦尔德斯 申请人:洛克威尔自动控制技术股份有限公司