СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ УТЕЧКИ ИЛИ ТОКОВ ПОВРЕЖДЕНИЯ ИЗ ОБОРУДОВАНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ Российский патент 2016 года по МПК G01R19/257 

ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к защите электрических систем и, более конкретно, относится к способу измерения, анализа и различения сигналов для определения утечки и/или токов повреждения в электрических устройствах, запитанных от таких систем. Изобретение также относится к распознаванию частотных составляющих токов в электрических системах. Изобретение кроме того относится к способам обнаружения замыканий на землю и утечек высокочастотных токов в частности, хотя и не исключительно, в питающих электрических сетях с изолированной нейтралью (I-T) и/или ограниченным замыканием на землю и, в частности, в питающих электрических сетях в опасных зонах, таких как, но без ограничения, шахты. Изобретение также относится к способу повышения надежности реле при определении утечек на землю, в частности, когда реле работают вместе с электроникой переключения электропитания, включая, но без ограничения, приводы переменной скорости. Изобретение кроме того относится к способу интерпретации широкополосных сигналов измерений для выявления потенциальных опасностей, которые могут произойти из-за работы переключающей электроники, вместо того чтобы отвергать такие сигналы, как шум, для упрощения анализа. Способ включает анализ в реальном времени сигналов от нескольких преобразователей или точек измерения, чтобы получить информацию по диагностике и местонахождению неисправности в питающих электрических сетях с изолированной нейтралью.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Устройства утечки на землю являются критически важным компонентом электробезопасности и часто требуются в силу правил. Защита от утечки на землю предназначена для повышения безопасности без внесения нежелательных и ненужных искажений в электрическую систему, к которой подсоединено защитное устройство утечки на землю. Утечки на землю и токи повреждений в электрических установках могут, в худшем случае, привести к поражению электрическим током и/или создать условия для возникновения дуги. В отличие от автоматических прерывателей, которые обнаруживают перегрузку по току и затем изолируют электрическую систему, с которой соединен прерыватель, устройства утечки за землю в основном используют для защиты персонала от поражения электрическим током. Автоматический прерыватель при перегрузке рассчитан на размыкание цепи, когда ток превышает заданный предел. Если ток, который может привести к смертельному поражению электрическим током меньше нескольких ампер в течение менее чем несколько секунд, автоматический прерыватель при перегрузке практически не обеспечивает защиту от поражения. Защитные устройства утечки на землю обычно рассчитаны на токи срабатывания или повреждения от 10 до 100 мА и на время прерывания от 40 до 100 миллисекунд после обнаружения тока повреждения. Устройства утечки на землю основаны на том принципе, что величина тока, поступающего в устройство по линиям подачи, должна быть точно такой же как и величина тока, выходящего из устройства по линиям подачи, и что любое отклонение происходит из-за утечки тока и/или неконтролируемого ответвления тока на кабельную и/или физическую землю.

Если существует неисправность в электропроводке электрического устройства, которая позволяет открытому корпусу устройства соединиться с действующим активным источником, лицо в контакте с действующим устройством может получить поражение электрическим током, поскольку такой контакт создает параллельный путь на землю для тока вместо следования через нейтраль или другие питающие линии. Именно в такой ситуации применяется защитное устройство утечки на землю. Автоматический прерыватель обычно не будет реагировать на небольшой, хотя и фатальный, дополнительный ток.

В защитном устройстве утечки на землю ток утечки на землю отслеживается путем сравнения активного и нейтрального токов, протекающих через контур, обычно путем простого средства измерения тока, индуцированного в катушке, через которую пропущены оба провода. В нормальных условиях в активном и нейтральном проводниках будут протекать равные и противоположные токи, соответственно, и, следовательно, индуцированного тока в катушке не будет. Техника отслеживания в равной мере применима к трехфазной системе (с нейтральным соединением или без него), где весь ток нагрузки, подаваемый через фазные провода, должен возвращаться через те же фазные провода. Ток, индуцированный в катушке несбалансированными питающим и обратным активным и нейтральным токами из-за состояния утечки на кабельную и/или физическую землю, может быть использован для запуска прерывания контура с использованием коммутационного оборудования или реле.

Не все электрические системы защищены устройства утечки на землю. Такие устройства относительно дорогие и могут быть подвержены нежелательному (помеховому) срабатыванию, поскольку могут существовать обстоятельства, когда может быть дисбаланс между активным и нейтральным токами без каких-либо последствий для безопасности. Это, в частности, верно для систем, которые включают нагрузки, содержащие коммутационную электронику с фильтрацией синфазного шума. В таких нагрузках некоторый уровень тока утечки на землю является нормальным, необязательно указывает на неисправность и часто не представляет опасности поражения электрическим током. Тот факт, что такие нагрузки генерируют ток утечки в нормальных условиях без повреждения, усложняет обнаружение действительного повреждения с утечкой на землю, а также определение, какой уровень тока утечки приемлем. Обычно достигается компромисс между безопасностью и эксплуатационной реальностью при определении величины использования устройства утечки на землю и/или уровня тока утечки, который может протекать до защитного срабатывания.

Помеховое срабатывание можно минимизировать путем использования отдельных защитных устройств утечки на землю для отдельных частей защищаемого оборудования. В таких случаях пороги срабатывания утечки на землю могут быть оптимизированы для отдельных устройств. Более экономичная альтернатива может заключаться в помещении устройства с известной утечкой на контур, который имеет защитное устройство утечки на землю с более высоким порогом активации.

Правила заземления систем в разных странах отличаются. Защитное заземляющее соединение обеспечивает, что все открытые проводящие поверхности имеют тот же электрический потенциал, что и поверхность Земли, чтобы избежать риска удара током, если человек дотронется до устройства, в котором произошло повреждение изоляции. Это обеспечивает, что в случае повреждения изоляции будет протекать большой ток, который приведет в действие устройство защиты от превышения тока, такое как плавкий предохранитель или автоматический прерыватель, таким образом отсоединив подачу электропитания.

В патентной литературе раскрыты разные схемы и защитные устройства утечки на землю, например в ЕР 0880213. В этом патенте раскрыта цепь обнаружения утечки на землю, включающая преобразователь тока утечки на землю для подачи тока, который соответствует току утечки на землю в защищаемой схеме. Он включает элемент хранения, соединенный с цепью, и нагрузку, подсоединенную параллельно элементу хранения, а также цепь для сравнения по меньшей мере одной части напряжения на элементе хранения с первым пороговым значением. Такая схема также раскрыта в патентной заявке Германии №3,807,935.

В случае переключателя утечки на землю, раскрытого в вышеуказанной патентной заявке Германии, общий преобразователь тока используется для обнаружения утечки на землю и для генерации тока, который соответствует величине утечки на землю и который подается на элемент хранения в форме конденсатора. Параллельно упомянутому конденсатору подсоединена нагрузка, которая включает делитель напряжения для получения частичного напряжения от того, которое существует на конденсаторе, и это частичное напряжение сравнивается с контрольным напряжением. В случае неприемлемого тока утечки частичное напряжение, полученное с конденсатора, будет больше контрольного напряжения, что приведет к приведению в действие механизма срабатывания, посредством которого цепь, в которой имеет место утечка на землю, будет отключена. Эта известная цепь обнаружения утечки на землю имеет недостаток в том, что во время зарядки конденсатора нагрузка, формируемая делителем напряжения, уже потребляет ток, в результате чего зарядка конденсатора занимает больше времени и энергия теряется. Цель изобретения, раскрытого в настоящем патенте, заключается в том, чтобы предложить цепь обнаружения утечки на землю, где нагрузка снабжена цепью порогового значения, так что, если напряжение на элементе хранения превысит первое пороговое значение, измерение выполняется по току, пропорциональному току утечки на землю. Механизм срабатывания реагирует, если измерение тока выявит, что ток утечки на землю чрезмерно высокий.

В еще одном примере, патенте США №3737726, раскрыт детектор утечки на землю для работы средства прерывания рабочей цепи, включающего трансформатор защиты трехфазных кабелей, имеющий вторичную обмотку с отводами, средство для выпрямления напряжений, индуцируемых во вторичной обмотке в результате нарушения баланса, чтобы подавать более высокое и более низкое напряжение, первое устройство хранения, которое заряжается до заданного напряжения более высоким выпрямленным напряжением, первое переключающее устройство, питание на которое подает первое устройство хранения после зарядки, второе устройство хранения, которое заряжается более низким выпрямленным напряжением, и второе переключающее устройство, питание на которое подается, когда подано питание на первое переключающее устройство, чтобы позволить второму устройству хранения разряжаться на упомянутое средство прерывания цепи для работы последнего через второе переключающее средство.

В горнодобывающей промышленности быстро растет использование электроники переключения электропитания, такой как приводы с переменной скоростью для подвижного горного оборудования, конвейеров, насосов, вентиляторов и обрабатывающих установок и оборудования. Безотносительно к применению, приводы с переменной скоростью (иногда также называемые приводами переменного напряжения, приводами переменной частоты VVVF или V3F) могут приводить гармоникам тока электропитания и частоты переключения и проводимому шуму, что приводит к воздействию на другое оборудование, в частности реле управления и защиты. Высказывается озабоченность полевой надежности защитных реле, когда они эксплуатируются вместе с приводом переменной скорости, в отношении к электробезопасности. Более конкретно, встречаются проблемы с реле в отношении обнаружения утечки на землю, целостности заземления и блокировки повреждения заземления во время работы реле вместе с приводами с переменной скоростью и подобным электронным оборудованием для переключения электропитания.

Эти проблемы разделяются на две широкие категории.

1. Электрические помехи при эксплуатации защитного реле, создаваемые электроникой переключения электропитания, которые ухудшают защитную функцию реле, часто приводя к помеховому срабатыванию.

2. Истинное ухудшение схемы электрической защиты, в частности, на подающих электрических сетях с изолированной нейтралью, ограниченных по повреждению заземления, где обычно используют синфазные фильтры с электроникой переключения электропитания, может создавать альтернативные пути повреждения для тока более высокой частоты, не ограниченные импедансом "нейтраль-земля", что потенциально приводит к повышенным потенциалам при касании во время состояний неисправности.

Защитные реле утечки на землю, которые используют пороги величины или характеристики времени/тока для частотных применений электрической сети, для сетей с изолированной нейтралью и опасных зон, уже известны в данной области техники. Также известны реле, которые обнаруживают создающие дугу повреждения в электрических сетях и опасные потенциалы в местах, куда можно наступить или которых можно коснуться. Также известно применение частотного анализа для идентификации спектров в анализах сигналов и для идентификации присутствия электрической дуги в электрических системах.

Частотные составляющие (гармоники), конкретно не связанные с частотой электрической системы, являются следствием относительно современных достижений в электронной технологии электропитания. До введения современной электроники в промышленные процессы сигналы постоянного тока и сигналы переменного тока с более высокой неэлектрической частотой вряд ли присутствовали в измерениях, связанных с защитой путем утечки на землю. Существуют разные сценарии, в которых возможно, что другие сигналы, чем электрические частоты и гармоники электрической частоты, поступают на защитное замыкание через землю вследствие установленной силовой электроники. Некоторые из этих сценариев представляют условия повреждений, некоторые представляют нормальную работу электрической системы.

Синфазные токи контура заземления иногда вводятся особыми конструкциями фильтрации, применяемой для переключающей силовой электроники, чтобы минимизировать проводимый и излучаемый электрический шум и таким образом обеспечить электромагнитную совместимость с другими электрическими системами. В применении к сети с изолированной нейтралью синфазные токи контура представляют потенциально неконтролируемый поток энергии в опасном окружении, поскольку обратный ток делится между кабельным заземлением через землю и физическим заземлением в отношении, обратно пропорциональном импедансам соответствующих контуров. Поскольку ток протекает в физическое заземление, он больше не может управляться обычными огнестойкими органами управления. Источники вероятного воспламенения не ограничены основной частотой.

Подобным же образом, потенциал касания на повреждении заземления сети с изолированной нейтралью полностью управляется как импедансом, ограничивающим повреждение заземления, так и проактивным измерением целостности кабельного заземления. Это обычно основано на одной первичной защитной звезде и ограничивающем импедансе. Параллельное подсоединение оборудования, имеющего фильтры синфазной электромагнитной совместимости, может ухудшать уровень защиты, обеспечиваемой этим типом питающей системы.

Традиционные защитные реле в настоящее время сосредоточены на электрических частотах (50/60 Гц), на создаваемых электроникой электрических частотах (рядом с постоянным током приблизительно до 100 Гц) и на гармониках электрической или созданной электрической частоты. Сигналы постоянного тока и сигналы, связанные с переключением или несущей частотой и ее гармониками от переключения силовой электроники (более высокие частоты), обычно отфильтровываются защитным оборудованием, настроенным на электрическую частоты и ее гармоники, чтобы повысить надежность эксплуатации в намеченной области. Этот подход рассматривает сигналы вне электрической частоты и ее гармоники как помехи. Такое защитное оборудование следовательно не реагирует на потоки тока, которые могут происходить в заземлении вне частот, обычно представляющих интерес. Уменьшенная полоса частот и фильтрация в цепях слежения обычно применяются для повышения стойкости к кратковременным или паразитным сигналам (более высокой частоты).

В попытке снизить ненужные срабатывания реле использование фильтрации сигналов или уменьшенной полосы частот может маскировать потенциально опасные события, которые приводят к продолжительному потоку постоянного тока или переменного тока более высокой частоты, что может вызывать возникновение дуги, повреждение, травму или смерть персонала. Хотя можно измерять сигналы от оборудования при работе под землей, использовать обычное оборудование для таких измерений обычно очень опасно и противоречит правилам. Опасные (потенциально взрывоопасные) среды не позволяют использовать обычное электрическое оборудование для измерения синфазных сигналов постоянного тока или переменного тока более высокой частоты. Более того, ручное использование измерительного оборудования не будет обычным или непрерывным. В отсутствие данных измерений неочевидно, что протекают нежелательные токи, и если их оставить без контроля, такие токи могут присутствовать на опасных уровнях.

Подобным же образом, можно показать, что параллельное подсоединение переключающей силовой электроники, включающей синфазную фильтрацию для уменьшения шума, может приводить к большим циркулирующим токам во время состояний повреждения, которые не возвращаются через импеданс, ограничивающий повреждение. Составляющая этих токов прямо связана с несущей или переключающей частотой силовой электроники, а не с создаваемой электрической частотой или гармониками создаваемой электрической частоты. Защитное оборудование, которое не может решать проблему тока более высокой частоты (частота несущей и ее гармоники) из-за намеренных ограничения полосы отслеживания, не будет обнаруживать эти токи повреждения и может не удалить состояние повреждения, если только составляющие тока в его полосе отслеживания также не созданы во время повреждения.

В прошлом сигналы постоянного тока и переменного тока более высокой частоты отфильтровывались из измерений защитного реле или самим отслеживающим оборудованием, или целенаправленной фильтрацией перед измерением сигнала. Хотя методы фильтрации шума хорошо известны, простой широкополосный фильтр не будет принимать во внимание как повторяющиеся, так и устойчивые частоты, представляющие сейчас интерес, а также паразитный шум. Применяемые способы обработки сигнала позволяют извлекать представляющие интерес сигналы из шума или кратковременной помехи.

Подавляющее большинство существующих электрических защитных устройств настроено на основную электрическую частоту (50 Гц или 60 Гц) и поэтому не воспринимает постоянный ток и ток более высокой частоты утечки на землю, которые все равно протекают и потенциально вызывают образование дуги или поражение электрическим током без препятствующего действия контролирующего реле. Реле, которые рассчитаны на обнаружение поражений, образующих дугу, чувствительны к высоким частотам, но полагаются на предварительном существовании дуги для обнаружения и не препятствуют образованию дуги в первом случае. Они также обычно настроены на токи при переходном процессе, а не на токи стабильного состояния, реагируют на широкополосные спектры тока (не на спектры конкретных гармоник) и не анализируют спектры отдельных частот, которые характеризуют гармоники электрических частот или частот переключения силовой электроники.

Существует постоянная необходимость совершенствования известных способов и устройств для обнаружения токов повреждения и утечки в электрических системах, чтобы поддерживать и улучшать безопасность таких систем и включать современные достижения в технологию силовой электроники, которая запитана от этих систем. Более конкретно, современная переключающая электроника и способы подавления электрического шума, обычно рассчитанные на применение в системе многократного заземления (MEN), имеют специфические характеристики, которые могут влиять на ток утечки на землю и на потенциалы в местах касания, если такая электроника установлена в сети с изолированной нейтралью или ограниченным повреждением заземления.

Уровень напряжения помеховых сигналов и источники тока электрически слабые, так что на них могут влиять внешние источники. Присутствие других источников затрудняет интерпретацию сигналов измерения низкого напряжения. Помехи могут проявляться как псевдо-повреждения защиты, неправильная работа реле или сбои в защите.

При работе приводы переменной скорости выпрямляют переменный ток от сети для регулирования звена постоянного тока с значительной емкостью. Длительность активного (переключаемого) выходного импульса силовой электроники модулирует напряжения звена постоянного тока для производства выходной волны переменного напряжения и переменной частоты. Токи контура управления представляют потенциально неконтролируемый поток энергии в опасной среде. В сети с изолированной нейтралью обратный ток разделяется между кабельным и физическим заземлениями в некотором отношении относительно импедансов параллельных контуров. Источники помех, вызывающие эти токи в контурах могут превышать пределы промышленной безопасности в определенных условиях. Если ток протекает в физическом заземлении, он находится в опасной среде и вне огнестойких органов управления. Потенциалы касания и источники воспламенения необязательно ограничены 50 Гц и могут быть в равной мере опасны при высоких частотах.

Инициативы по повышению невосприимчивости защитного реле могут маскировать потенциально опасные ситуации. Постоянные помеховые срабатывания в кабельном заземлении могут указывать на циркулирующие высокочастотные токи. Производители активно снижают чувствительность реле, чтобы управлять шумом заземления. Используются эффективные способ снижения чувствительности, такие как корреляция сигнала и коммуникационные коды обнаружения/исправления ошибок синхронной фильтрации для интеллектуальных оконечных устройств. Однако существует проблема безопасности в отношении известных конструкций, в которых реле, которое выполнено менее чувствительным, чтобы контролировать шум заземления - т.е. более стойким, может маскировать состояние, когда источники помех приближаются к опасным уровням.

Высокочастотные синфазные токи в контурах являются основным последствием современной технологии приводов и не могут быть устранены. Уменьшение этих токов является функцией управляющего импеданса соответствующего контура, поэтому контролирующего по какому пути эти токи возвращаются в источник.

Электрические защитные устройства, подходящие для использования в опасных (взрывоопасных) средах жестко регулируются австралийскими и международными стандартами, и сертификаты публикуются и поддерживаются независимыми органами. На время подачи патентной заявки сертифицированные электрические защитные устройства с достаточной полосой частот для надлежащего разделения токов несущей или переключающей частоты, создаваемые приводами силовой электроники, отсутствуют в широкой продаже и не доступны для применения в опасных средах, таких как шахты.

Существует необходимость решения вышеизложенных проблем, чтобы повысить безопасность, в частности, хотя и не исключительно в опасных (потенциально взрывоопасных) средах путем повышения безопасности обнаружения утечки на землю.

ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение предлагает способ обнаружения токов повреждения, включая полосу шума, чтобы избежать проблем эксплуатационной безопасности по утечке на землю, целостности заземления и реле блокировки повреждения заземления, используемые вместе с приводами переменной скорости.

В попытке уменьшить или устранить проблемы уровня техники, определенные выше, настоящее изобретение направлено на создание способа измерения, анализа и различения утечки тока, составляющих тока и/или токов повреждения в электрических системах. Изобретение кроме того предлагает способы обнаружения постоянного тока и токов более высокой частоты повреждений заземления и утечек, в частности, хотя и не исключительно, в сетях с изолированной нейтралью и ограниченным повреждением в опасных зонах, таких, но без ограничения, как шахты. Изобретение кроме того предлагает способ обнаружения повреждения и токов утечки в приводах с переменной скоростью путем использования полосы шума для обнаружения таких неисправностей, как утечка на землю. Настоящее изобретение кроме того предлагает способ анализа частотного содержания токов контуров заземления, относящихся к переключающей силовой электронике в питающей сети с изолированной нейтралью для приведения в действие защитного оборудования или для предоставления предостерегающей и диагностической информации в отношении аномальных изменений в спектрах токов утечки.

Применение передовых методов извлечения сигналов с последующим анализом этих сигналов в отношении особенностей защиты от утечки на землю в сети с изолированной нейтралью является новым и уникальным. Согласно одному предпочтительному варианту осуществления, составляющие сигналов анализируют, как раньше, но отфильтровывают существующими электрическими устройствами защиты. Если защитное оборудование не способно отслеживать эти составляющие сигналов, расширенная интерпретация будет невозможна. После получения данных по сигналам эти данные могут быть интерпретированы, чтобы указать на фактическое повреждение, неисправность компонента или ненамеренную модификацию кабеля, которая не привела к опасному состоянию, но оно может произойти в будущем. Отсутствие анализа полного спектра сигнала для идентификации опасности нежелательно.

После получения информации по сигналу ее можно проанализировать и интерпретировать в отношении конкретного применения и получить диагностическую информацию относительно источника утечки на землю. Например, источником аномального изменения в токе утечки может быть привод с переменной скоростью, работающий на конкретной основной частоте и уникальной частоте переключения. Такую информацию можно использовать для определения места источника тока утечки (вероятно простого как один поврежденный конденсатор) в сложной системе.

Способ согласно изобретению может быть применен в разных местах в сети. Для примера, если его применить на звезде первичной защиты сети с изолированной нейтралью ограниченного повреждения, он позволяет использовать собранные данные для дистанционного обнаружения, контроля и диагностики утечки на землю и других повреждений в оборудовании, эксплуатирующемся под землей или в опасной среде, без использования обычных измерительных инструментов и анализа в самой опасной зоне.

Одна цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы повысить невосприимчивость защитного реле, которая может маскировать потенциально опасные ситуации, путем предложения широкополосного измерительного оборудования, требующегося для того, чтобы отслеживать синфазные контуры, токи и напряжения. Еще одна цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы уменьшить количество постоянных нежелательных срабатываний реле в защите от тока на землю. Еще одна цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить способ интерпретации помеховых сигналов и токов контура заземления, которые связаны с применением приводов с переменной скорость в питающей сети с изолированной нейтралью.

Одна цель изобретения заключается в том, чтобы предложить способ обнаружения присутствия постоянного тока и/или токов ток утечки более высокой частоты для того, чтобы позволить привести в действие защитное оборудование для устранения потенциальных опасностей, таких как образование дуги или воспламенение от искры во взрывоопасных атмосферах, потенциал в месте, куда можно наступить или которого можно коснуться, как опасность для персонала, контактирующего с оборудованием, на которое подается электропитание, и перегрев электрических деталей и узлов, возникающий из-за немоделируемых потоков энергии.

Еще одна цель изобретения заключается в том, чтобы предложить электрическую систему, способ определения характеристик энергии в стабильном состоянии и гармоник частоты переключения для получения диагностической информации, помогающей определить, выделить или отремонтировать оборудование, создающее повреждение, приводящее к приведению в действие электрического защитного оборудования.

Изобретение кроме того предлагает способ интерпретации данных из открытой полосы частот, чтобы соответствующее лицо могло определить, вызывает ли привод с переменной скоростью утечку тока.

Изобретение также предлагает реле, которое способно обнаруживать и интерпретировать данные, которые позволяют определить источник утечки на землю и, более конкретно, утечки на землю из привода с переменной скоростью.

В одной широкой форме настоящее изобретение включает:

- реле, способное обнаруживать сигналы постоянного тока или сигналы более высокой частоты, которые относятся к нормальной эксплуатации переключающей силовой электроники (в противоположность кратковременному электрическому шуму или состоянию повреждения) для цели анализа токов утечки на землю, чтобы привести в действие защитное оборудование.

В другой широкой форме настоящее изобретение включает:

- способ обнаружения и интерпретации сигналов постоянного тока и сигналов более высокой частоты для получения диагностической информации для помощи в идентификации, разделении или ремонте оборудования, создающего ток утечки, путем:

a) дискретизации электрического сигнала, созданного переключающим электронным устройством,

b) анализа данных дискретизированного сигнала для получения характеристик, которые могут уникально идентифицировать источник сигнала,

c) сравнения характеристик данных с характеристиками известного оборудования, с эквивалентными данными, взятыми с того же оборудования в другое время,

d) интерпретации дискретизированного сигнала, чтобы убедиться, указывают ли данные на электрическую опасность.

Настоящее изобретение кроме того предлагает способ измерения, анализа и определения токов утечки и/или повреждения в электрических системах, включая переключающую силовую электронику, и позволяет, путем считывания и интерпретации дискретизированных сигналов, идентифицировать:

a) утечку постоянного тока или токи повреждения;

b) основную и гармонические составляющие токов сетевой частоты;

c) основную и гармонические составляющие токов переключающего преобразователя.

В еще одной широкой форме аспекта способы настоящее изобретение включает:

- способ обнаружения и интерпретации электрических сигналов, исходящих из переключающей силовой электроники в электрической системе, чтобы позволяет выполнить анализ этих сигналов для определения утечки на землю или повреждения;

причем способ включает следующие этапы:

a) дискретизация сигнала, созданного электрическим устройством,

b) измерение в одной или нескольких точках электрической системы, питающей данное устройство,

c) дискретизация тока или группы токов, протекающих в электрической системе,

d) преобразование дискретизированных сигналов в форму данных, подходящую для анализа;

e) анализ этих данных для определения их указаний на повреждения или потенциальные повреждения в подсоединенном оборудовании силовой электроники;

f) интерпретация данных для того, чтобы убедиться, указывают ли они на электрическую опасность.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления способ кроме того включает следующие этапы:

a) активация защитного оборудования, чтобы разомкнуть цепь подачи электропитания, если токи утечки электрической частоты или электрической гармоники превышают определенные уровни и продолжительности,

b) активация защитного оборудования, чтобы разомкнуть контур подачи электропитания, если постоянный ток утечки или ток утечки более высокой частоты имеют чрезмерные уровни,

c) предоставление диагностической информации относительно характеристик оборудования, которое вероятно явилось причиной обнаруженных сигналов утечки.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления, измерение может быть выполнено в одной или нескольких точках наблюдения в электрической системе, таких как один проводник, группа проводников, прямое измерение одного тока в параллельной ветви, чтобы сделать вывод о токе, протекающем во втором параллельной ветви. Предпочтительно, дискретизированные данные во временной области преобразуются в частоту с использованием дискретных преобразований Фурье, быстрых преобразований Фурье или подобным им признанным способом обработки сигнала.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления, интерпретация идентифицированных токов в какой-то предполагаемой эксплуатационной топологии и состоянии позволяет сделать вывод об одном или нескольких из следующих событий и/или параметров:

(i) утечка постоянного тока в физические или проводные заземления;

(ii) утечка основной и гармонических составляющих токов сетевой частоты в физические или проводные заземления;

(iii) относительные амплитуды соответствующих гармоник электрической частоты;

(iv) утечка токов преобразователя переключения основной и гармонических частот в физические или проводные заземления;

(v) номинальная частота переключения силового преобразователя;

(vi) неэффективные или неисправные синфазные фильтры на переключающих преобразователях или оборудовании, которое запитано от переключающих преобразователей.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления, способ использует анализы широкополосной частотной области и искусственный интеллект (включая, но без ограничения, распознавание образов) для идентификации электроэнергии и основных частот и гармоник переключения в активной фазе, нейтрали, проводниках управления заземлением и электрических сетях.

Настоящее изобретение предлагает альтернативу известному уровню техники и выявленным недостаткам. Вышеуказанные и другие цели и преимущества станут понятны из последующего описания. В описании сделана ссылка на прилагаемые изображения, которые являются его частью и на которых для примера показаны конкретные варианты осуществления изобретения на практике. Эти вариант осуществления будут описаны достаточно подробно, чтобы дать возможность специалистам в данной области осуществить изобретение на практике, и при этом следует понимать, что могут быть использованы другие варианты осуществления и что конструктивные изменения могут быть внесены без нарушения объема изобретения. Поэтому последующее подробное описание не должно восприниматься в ограничивающем смысле, и объем настоящего изобретения наилучшим образом определен в прилагаемой формуле изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Настоящее изобретение теперь будет описано более подробно на предпочтительном, но не ограничивающем, варианте осуществления.

Упоминаемые примеры являются иллюстративными и не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретения. Хотя в настоящем документе описаны разные варианты осуществления изобретения, следует понимать, что они могут быть модифицированы, и поэтому приведенные здесь раскрытия должны истолковываться не как ограничивающие изложенные точные подробности, а как допускающие такие изменения, которые подпадают под сферу описания. Хотя аспекты способа и устройства изобретения будут описаны со ссылкой на их применение в сетях с изолированной нейтралью, следует понимать, что изобретение имеет альтернативные применения.

Способ измерения, анализа и интерпретации

Согласно методологии, первым шагом является измерение сигнала и получение данных, необходимых для анализа. Это делается путем цифровой дискретизации.

Измерение сигнала

Цифровую дискретизацию тока или группы токов осуществляют с достаточной полосой частот, чтобы правильно реконструировать амплитуду и фазу создаваемой электрической частоты и ее гармоник, а также основной несущей частоты переключающей электроники и боковой полосы модуляции. Полоса частот для дискретизации включает постоянный ток.

Измерение может быть выполнено в одной или нескольких точках наблюдения в электрической системе:

a) один проводник (проводник земли, нейтрали или отдельной фазы);

b) группа проводников (одновременная дискретизация трех проводников отдельных фаз и/или нейтрали (если она есть) как сбалансированность тока, чтобы непосредственно измерить остаточный ток или ток утечки на трехфазном жгуте);

c) прямое измерение одного тока в параллельной ветви, чтобы сделать вывод о токе, протекающем во второй параллельной ветви, с подходящими предположениями относительно импедансов ветвей (например, измерение тока кабельного заземления в сочетании с остаточным током трех фаз, чтобы сделать вывод о токе, протекающем в физическом заземлении).

d) прямое измерение тока в параллельных ветвях, используя содержимое магнитуды, фазы и частоты измерений, чтобы определить, какая ветвь имеет повреждение заземления и/или совокупное протекание тока повреждения заземления.

Преобразование сигнала

Дискретизированные данные во временной области преобразуют в частотную область, используя дискретные преобразования Фурье, быстрые преобразования Фурье или подобный им признанный способ обработки сигнала. Это преобразование дает магнитуду и фазу каждой частотной составляющей в дискретизированных данных в частотной области.

Спектр амплитуды данных в частотной области, созданных дискретным или быстрым преобразованием Фурье, ограничен, чтобы не принимать во внимание широкополосный шум и оставлять только значащие спектральные линии, связанные со специфическими составляющими частотами, представляющими интерес.

Анализ сигнала

Информацию в частотной области используют для:

идентификации основной электрической частоты (которая может быть создана нагрузкой посредством переменной переключающей электроники или на фиксированной сетевой частоте (обычно 50/60 Гц). Если существует составляющая постоянного тока, она идентифицируется. В зависимости от того, где выполнено измерение, электрическая частота и гармоники низкого порядка могут присутствовать или отсутствовать.

Если идентифицирована основная электрическая частота, гармоники электрической частоты определяют по магнитуде и частоте (обычно целочисленные кратные основной электрической частоты). Если есть электронные модули множественного переключения, могут быть обнаружены электрическая частота и несколько гармоник этой частоты.

Основная частота переключения (или несущая) идентифицируется для нагрузок, которые включают постоянный ток или изменяющиеся (создаваемые) переменные токи от переключающей электроники. Если обнаружены несколько несущих частот, их различают путем идентификации комбинационных составляющих относительно идентифицированных основных электрических частот.

Эту информацию затем можно использовать для:

i) приведения в действие защитного оборудования, чтобы разомкнуть цепь подачи электропитания, если токи утечки электрической частоты или гармоник превышают установленные уровни и продолжительности;

ii) приведения в действие защитного оборудования, чтобы разомкнуть цепь подачи электропитания, если токи утечки высокой частоты имеют чрезмерные уровни;

iii) предостережения о том, что токи высокой частоты существуют с амплитудой, которая является причиной озабоченности с учетом их местонахождения, и предоставления диагностической информации для помощи в обнаружении места источника (например, причиной сигнала является привод с переменной скоростью, работающий на основной частоте 40 Гц, при переключении на 3,4 кГц), чтобы указать, что заметное изменение, которое только что произошло на уровне обнаруженных составляющих частоты сигнала, может указывать на повреждение узла или детали или неприемлемое изменение в кабельной инфраструктуре.

Согласно способу из данных сигнала можно сделать вывод о том, что что-то не так (существует потенциал, если не реальное повреждение), например присутствуют токи, которые не должны присутствовать. Путем предложения реле с расширенной полосой частот для включения частотных составляющих, которые обычно не принимаются во внимание защитным оборудованием, и используя обработку сигналов для определения характеристик обнаруживаемых сигналов, такое реле способно обеспечивать превосходную защиту и, поэтому, повышенную безопасность, которая необходима в связи с расширяющимся применением современной переключающей силовой электроники в опасных зонах.

Кроме того, специалистам в данной области техники будет понятно, что в изобретение могут быть внесены многие изменения и модификации без нарушения общей идеи и объема изобретения, описанного в настоящем документе в широком смысле.

Настоящая группа изобретений относится к защите электрических систем и, более конкретно, относится к способу измерения, анализа и различения сигналов для определения утечки и/или токов повреждения в электрических устройствах, запитанных от таких систем. Способ включает цифровую дискретизацию тока или группы токов в электрической системе с использованием достаточной полосы частот в упомянутой дискретизации для реконструкции амплитуды и фазы созданной электрической частоты и ее гармоник и основной несущей частоты переключающей электроники и боковых полос частот модуляции, анализ в реальном времени сигналов от нескольких преобразователей или точек измерения, чтобы получить информацию по диагностике и местонахождению неисправности в питающих электрических сетях с изолированной нейтралью. При этом способ включает распознавание частотных составляющих токов в электрических системах. Изобретение кроме того раскрывает способы обнаружения замыканий на землю и утечек высокочастотных токов, в частности, хотя и не исключительно, в питающих электрических сетях с изолированной нейтралью (I-T) и/или ограниченным замыканием на землю и, в частности, в питающих электрических сетях в опасных зонах, например, таких как шахты. Изобретение также относится к способу повышения надежности реле при определении утечек на землю, в частности, когда реле работают вместе с электроникой переключения электропитания. Изобретение кроме того относится к способу интерпретации широкополосных сигналов измерений для выявления потенциальных опасностей, которые могут произойти из-за работы переключающей электроники, вместо того чтобы отвергать такие сигналы, как шум, для упрощения анализа. Защитное устройство способно обнаруживать сигналы постоянного тока и более высокой частоты, которые относятся к нормальной и анормальной эксплуатации переключающей силовой электроники, подключенной в качестве нагрузки к электрической системе, при этом осуществляется анализ токов утечки на землю с целью включения защитного оборудования. Технический результат заключается в повышении точности измерения и анализа сигналов электрических систем, включающих переключающую электронику, и улучшении их методов защиты. 3 н. и 36 з.п. ф-лы.

1. Способ цифровой дискретизации тока или группы токов в электрической системе, включающий использование достаточной полосы частот в упомянутой дискретизации для реконструкции амплитуды и фазы созданной электрической частоты и ее гармоник и основной несущей частоты переключающей электроники и боковых полос частот модуляции.

2. Способ цифровой дискретизации по п. 1, отличающийся тем, что полоса частот для дискретизации включает постоянный ток.

3. Способ цифровой дискретизации по п. 2, отличающийся тем, что дискретизацию выполняют в одной или нескольких точках наблюдения в электрической системе.

4. Способ цифровой дискретизации по п. 3, отличающийся тем, что точки наблюдения включают один проводник или группу проводников.

5. Способ цифровой дискретизации по п. 4, отличающийся тем, что один проводник выбирают из проводника заземления, нейтрали или отдельной фазы.

6. Способ цифровой дискретизации по п. 4, кроме того включающий этап одновременной дискретизации трех проводников отдельных фаз, чтобы непосредственно измерить остаточный ток или ток утечки на жгуте трех фаз.

7. Способ цифровой дискретизации по п. 4, включающий этап прямого измерения одного тока в параллельной ветви, чтобы сделать вывод о токе, протекающем во второй параллельной ветви.

8. Способ цифровой дискретизации по п. 4, кроме того включающий этап измерения относительных импедансов ветвей в кабельном токе заземления в сочетании с остаточным током трех фаз, чтобы сделать вывод о токе, протекающем в физическом заземлении.

9. Способ цифровой дискретизации по п. 8, кроме того включающий этап преобразования сигналов в частотную область.

10. Способ цифровой дискретизации по п. 9, отличающийся тем, что в частотной области используют метод обработки сигнала, выбираемый из дискретных преобразований Фурье или быстрых преобразований Фурье.

11. Способ цифровой дискретизации по п. 10, кроме того включающий этап преобразования сигнала для получения магнитуды и фазы каждой частотной составляющей в дискретизированных данных в частотной области.

12. Способ цифровой дискретизации по п. 11, отличающийся тем, что спектр данных частотной области, полученных дискретным или быстрым преобразованием Фурье, ограничен, чтобы не принимать во внимание широкополосный собственный шум.

13. Способ цифровой дискретизации по п. 12, кроме того включающий этап оставления только значащих спектральных линий, связанных с конкретными представляющими интерес частотами составляющих.

14. Способ цифровой дискретизации по п. 13, кроме того включающий этап анализа данных в частотной области для определения основной электрической частоты.

15. Способ цифровой дискретизации по п. 14, отличающийся тем, что анализ в частотной области идентифицирует спектры в анализах сигналов и идентифицирует присутствие электрической дуги в электрической системе.

16. Способ цифровой дискретизации по п. 15, отличающийся тем, что идентифицируется составляющая постоянного тока, если она существует.

17. Способ цифровой дискретизации по п. 16, отличающийся тем, что в зависимости от того, идентифицируется ли основная электрическая частота, по магнитуде и частоте идентифицируются гармоники электрической частоты, которые являются целочисленными кратными основной электрической частоты.

18. Способ цифровой дискретизации по п. 17, кроме того включающий этап, на котором, если в системе существуют несколько переключающих электронных модулей, могут быть обнаружены несколько электрических частот и гармоник такой частоты.

19. Способ цифровой дискретизации по п. 18, отличающийся тем, что основная (или несущая) частота переключения идентифицируется для нагрузок, которые включают или постоянный ток, или изменяющиеся созданной электрической частотой переменные токи от переключающей электроники.

20. Способ цифровой дискретизации по п. 19, отличающийся тем, что, если обнаружены несколько несущих частот, их различают путем идентификации комбинационных составляющих относительно основных электрических частот.

21. Способ цифровой дискретизации по п. 20, кроме того включающий этап использования информации измерений для:
приведения в действие защитного оборудования для размыкания цепи подачи электропитания, если токи утечки электрической частоты или гармоник электрической частоты превышают установленные уровни и продолжительности.

22. Способ цифровой дискретизации по п. 21, кроме того включающий этап использования информации измерений для:
приведения в действие защитного оборудования для размыкания цепи подачи электропитания, если токи утечки высокой частоты имеют чрезмерные уровни.

23. Способ цифровой дискретизации по п. 22, кроме того включающий этап использования информации измерений для:
убеждения в том, что токи высокой частоты существуют в некотором месте, и для получения диагностической информации для помощи в определении места источника нежелательного тока.

24. Способ цифровой дискретизации по п. 1, включающий этапы:
a) обнаружения и интерпретации сигналов постоянного тока и тока более высокой частоты для того, чтобы позволить получить диагностическую информацию для помощи в идентификации, выделении или ремонте оборудования, создающего ток утечки;
b) дискретизации электрического сигнала, естественным путем созданного электроникой переключения питания, подключенными к электрической системе нагрузками;
c) анализа данных дискретизированного естественным путем созданного сигнала для получения характеристик данных, которые могут уникально идентифицировать источник этого сигнала;
d) сравнения характеристик данных с характеристиками данных известного оборудования, с эквивалентными данными, полученными от того же оборудования в другое время;
e) интерпретации дискретизированного сигнала для того, чтобы убедиться, указывают ли данные на электрическую опасность.

25. Способ цифровой дискретизации по п. 5, включающий этап считывания и интерпретации дискретизированных сигналов для идентификации:
f) утечки постоянного тока или токов повреждений;
g) основной и гармонических составляющих токов сетевой частоты;
h) основной и гармонических составляющих токов переключающего преобразователя.

26. Способ обнаружения и интерпретации электрических сигналов, естественным путем созданных током или группой токов, протекающих в переключающей силовой электронике, являющейся подключенной нагрузкой в электрической системе, чтобы позволить путем анализа этих сигналов определить утечку на землю или повреждение, причем способ включает этапы:
a) дискретизации сигнала, созданного в электрической системе током или группой токов в электрическом устройстве;
b) измерения в одной или нескольких точках в электрической системе, подающей электропитание на это устройство, и цифровой дискретизации тока или группы токов в электрической системе с использованием достаточной полосы частот в упомянутой дискретизации для реконструкции амплитуды и фазы созданной электрической частоты и ее гармоник и основной несущей частоты переключающей электроники и боковых полос частот модуляции;
c) дискретизации тока или группы токов, протекающих в электрической системе;
d) преобразования дискретизированных сигналов в форму данных, подходящую для анализа;
e) анализа данных для определения, указывают ли они на повреждения или потенциальные повреждения в подсоединенном силовом электронном оборудовании;
f) интерпретации данных, чтобы убедиться, указывают ли они на электрическую опасность.

27. Способ по п. 26, кроме того включающий этапы:
a) приведения в действие защитного оборудования для размыкания цепи подачи электропитания, если токи утечки электрической частоты или гармоник электрической частоты превышают установленные уровни и продолжительности;
b) приведения в действие защитного оборудования для размыкания цепи подачи электропитания, если токи утечки постоянного тока или тока более высокой частоты имеют чрезмерные уровни;
c) получения диагностической информации относительно характеристик оборудования, которое возможно является причиной обнаруженных сигналов утечки.

28. Способ по п. 27, отличающийся тем, что измерение выполняют по меньшей мере в одной точке наблюдения в электрической системе.

29. Способ по п. 28, отличающийся тем, что точкой наблюдения является один проводник.

30. Способ по п. 28, отличающийся тем, что точкой наблюдения является группа проводников.

31. Способ по п. 29 или 30, отличающийся тем, что точкой наблюдения является точка прямого измерения одного тока в параллельной ветви.

32. Способ по п. 31, отличающийся тем, что наблюдение прямого измерения одного тока в параллельной ветви позволяет сделать вывод о токе, протекающем во второй параллельной ветви.

33. Способ по п. 32, отличающийся тем, что дискретизированные данные во временной области преобразуют в частотную область, используя дискретные преобразования Фурье.

34. Способ по п. 33, отличающийся тем, что упомянутые дискретизированные данные во временной области преобразуют в частотную область, используя быстрые преобразования Фурье.

35. Способ по п. 34, отличающийся тем, что дискретизированные данные во временной области преобразуют в частотную область, используя способ обработки сигнала.

36. Способ по п. 35, отличающийся тем, что интерпретация идентифицированных токов в какой-то предполагаемой эксплуатационной топологии и состоянии позволяет сделать вывод об одном или нескольких следующих событиях и/или параметрах:
(i) утечка постоянного тока в физическое или проводное заземления;
(ii) утечка основной и гармонических составляющих токов сетевой частоты в физическое или проводное заземления;
(iii) относительные амплитуды соответствующих гармоник электрической частоты;
(iv) утечка токов переключающего преобразователя основной частоты и гармоник в физическое или проводное заземления;
(v) номинальная частота переключения электрического преобразователя;
(vi) неэффективные или поврежденные синфазные фильтры на переключающих преобразователях или оборудовании, которое запитано от переключающих преобразователей.

37. Защитное устройство, способное обнаруживать сигналы постоянного тока и более высокой частоты, которые относятся к нормальной и анормальной эксплуатации переключающей силовой электроники, подключенной в качестве нагрузки к электрической системе, для цели анализа токов утечки на землю, чтобы включить защитное оборудование, причем защитное устройство выполнено с возможностью цифровой дискретизации тока или группы токов в электрической системе с использованием достаточной полосы частот в упомянутой дискретизации для реконструкции амплитуды и фазы созданной электрической частоты и ее гармоник и основной несущей частоты переключающей электроники и боковых полос частот модуляции.

38. Защитное устройство по п. 37, кроме того имеющее расширенную полосу частот для включения частотных составляющих, которые обычно не принимаются во внимание защитным оборудованием.

39. Защитное устройство по п. 38, кроме того имеющее средство для обработки сигнала, чтобы определять характеристики обнаруженных сигналов, причем защитное устройство способно обеспечивать превосходную защиту и, поэтому, повышенную безопасность, которая необходима из-за увеличивающегося применения современной переключающей силовой электроники в опасных зонах.