CN116540008A - 用于检测dc***中的接地故障的***和方法 - Google Patents

用于检测dc***中的接地故障的***和方法 Download PDF

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Abstract

本发明题为用于检测DC***中的接地故障的***和方法。提供一种用于定位直流(DC)电力传输***中的接地故障的接地故障检测***。该***包括接地故障检测组件和电流传感器。接地故障检测组件包括第一开关和第一电阻元件，其按照串联配置相互电耦合。接地故障检测组件还包括第二开关和第二电阻元件，其按照串联配置相互电耦合。此外，电流传感器在操作上耦合到负载，并且配置成在将第一开关或第二开关的至少一个切换成导通状态时测量负载处的故障电流。

Description

用于检测DC***中的接地故障的***和方法
技术领域
本发明一般涉及直流***，以及更具体来说，涉及用于检测直流***中的接地故障的***和方法。
背景技术
直流(DC)电力传输***相比交流(AC)电力传输***越来越普遍地用于在各种应用中传送电力。一种这样的应用包括海洋应用，其还可包括海洋应用的船舶构建和推进***。DC电力传输***优先于AC电力传输***被船只拥有者采用，因为DC电力传输***具有优于AC电力传输***的多个优点。优点的一部分可包括例如更好的效率、更低的发射、更低的噪声级和更高的可用性。
但是，当前可用的DC电力传输***在检测DC电力传输***中发生的接地故障方面具有局限性。常规DC电力传输***采用一种接地机制，其包括并联耦合到电源的多个电阻器和多个电容器。多个电阻器和多个电容器分别帮助提供接地参考电压和使接地参考电压稳定。但是在负载处的故障发生时，多个电容器经由地回路放电，这生成脉冲电流。常规DC电力传输***中采用的接地机构无法检测这种脉冲电流，这导致不合需要的结果。
因此，存在对用于检测DC电力传输***中的接地故障的改进***和方法的需要。
发明内容
简言之，按照一个实施例，提供一种用于定位直流(DC)电力传输***中的接地故障的接地故障检测***。该接地故障检测***包括接地故障检测组件和电流传感器。接地故障检测组件包括第一开关和第一电阻元件，其按照串联配置相互电耦合。接地故障检测组件还包括第二开关和第二电阻元件，其按照串联配置相互电耦合。此外，电流传感器在操作上耦合到负载，并且配置成在将第一开关或第二开关的至少一个切换成导通状态时测量负载处的故障电流。
在另一个实施例中，提供一种直流(DC)电力传输***。该DC电力传输***包括：电源，配置成提供DC电力；DC母线，配置成传送来自电源的DC电力；至少一个负载，在操作上耦合到DC母线；以及接地故障检测***，在操作上耦合到DC母线。接地故障检测***包括接地故障检测组件和至少一个电流传感器。接地故障检测组件包括第一开关和第一电阻元件，其按照串联配置相互电耦合。接地故障检测组件还包括第二开关和第二电阻元件，其按照串联配置相互电耦合。此外，至少一个电流传感器在操作上耦合到至少一个负载，并且配置成在将第一开关或第二开关的至少一个切换成导通状态时测量至少一个负载处的故障电流。
在又一个实施例中，提供一种用于检测和定位DC电力传输***中的接地故障的方法。该方法包括识别DC电力传输***中的接地故障，在识别DC电力传输***中的接地故障时切换接地故障检测组件中的第一开关和第二开关的至少一个，分别在切换第一开关或第二开关时通过第一电阻元件和第二电阻元件的至少一个来传递故障电流以增加故障电流的幅值，使用操作上耦合到各负载的电流传感器在增加故障电流的幅值时测量一个或多个负载处的故障电流，基于各负载处的所测量故障电流来检测接地故障的位置。
技术方案1：一种用于定位直流(DC)电力传输***中的接地故障的接地故障检测***，包括：
接地故障检测组件，包括：
第一开关和第二开关；
第一电阻元件和第二电阻元件；
其中分别按照串联配置将所述第一开关电耦合到所述第一电阻元件以及将所述第二开关电耦合到所述第二电阻元件，以及
电流传感器，在操作上耦合到负载，并且配置成在将所述第一开关或所述第二开关的至少一个切换成导通状态时测量所述负载处的故障电流。
技术方案2：如技术方案1所述的接地故障检测***，其中，所述第一开关和所述第二开关包括机械开关或者半导体开关。
技术方案3：如技术方案1所述的接地故障检测***，还包括配置成提供平衡接地参考电压的DC接地组件。
技术方案4：如技术方案3所述的接地故障检测***，其中，所述DC接地组件包括第三电阻元件和第四电阻元件、第一电容元件和第二电容元件或者其组合，用于提供所述平衡接地参考电压。
技术方案5：如技术方案3所述的接地故障检测***，其中，所述DC接地组件的接地阻抗高于所述接地故障检测组件的检测器阻抗。
技术方案6：如技术方案1所述的接地故障检测***，其中，所述第一开关在所述DC电力传输***中的DC母线的负汇流条上的所述接地故障发生时被切换成导通状态，而所述第二开关在所述DC电力传输***中的所述DC母线的正汇流条上的所述接地故障发生时被切换。
技术方案7：如技术方案1所述的接地故障检测***，其中，所述第一开关和所述第二开关配置成基于预定义切换模式来连续切换，以定位所述DC电力传输***中的所述接地故障。
技术方案8：一种直流(DC)电力传输***，包括：
电源，配置成提供DC电力，
DC母线，配置成传送来自所述电源的DC电力；
至少一个负载，在操作上耦合到所述DC母线；
接地故障检测***，在操作上耦合到所述DC母线，包括：
接地故障检测组件，包括：
第一开关和第二开关；
第一电阻元件和第二电阻元件；
其中分别按照串联配置将所述第一开关电耦合到所述第一电阻元件以及将所述第二开关电耦合到所述第二电阻元件；以及
至少一个电流传感器，在操作上耦合到所述至少一个负载，并且配置成在将所述第一开关或所述第二开关的至少一个切换成导通状态时测量所述至少一个负载处的故障电流。
技术方案9：如技术方案8所述的DC电力传输***，其中，所述第一开关在所述DC电力传输***中的所述DC母线的负汇流条上的所述接地故障发生时被切换成导通状态，而所述第二开关在所述DC电力传输***中的所述DC母线的正汇流条上的所述接地故障发生时被切换。
技术方案10：如技术方案8所述的DC电力传输***，还包括配置成提供平衡接地参考电压的DC接地组件。
技术方案11：如技术方案10所述的DC电力传输***，其中，所述DC接地组件包括第三电阻元件和第四电阻元件、第一电容元件和第二电容元件或者其组合，用于提供所述平衡接地参考电压。
技术方案12：如技术方案10所述的DC电力传输***，其中，所述DC接地组件的接地阻抗高于所述接地故障检测组件的检测器阻抗。
技术方案13：如技术方案8所述的DC电力传输***，其中，所述第一开关和所述第二开关配置成基于预定义切换模式来连续切换，以定位所述DC电力传输***中的所述接地故障。
技术方案14：如技术方案8所述的DC电力传输***，其中，至少一个负载包括电动机、能量储存元件或者其组合。
技术方案15：如技术方案8所述的DC电力传输***，其中，所述电流传感器包括电流变换器。
技术方案16：一种方法，包括：
识别DC电力传输***中的接地故障；
在识别所述DC电力传输***中的所述接地故障时切换接地故障检测组件中的第一开关和第二开关的至少一个；
分别在切换所述第一开关或所述第二开关时使故障电流经过第一电阻元件和第二电阻元件的至少一个，以增加所述故障电流的幅值；
使用操作上耦合到各负载的电流传感器在增加所述故障电流的幅值时测量一个或多个负载处的所述故障电流；以及
基于各负载处的所测量故障电流来检测所述接地故障的位置。
技术方案17：如技术方案16所述的方法，还包括基于预定义切换模式来连续切换所述第一开关和所述第二开关。
技术方案18：如技术方案16所述的方法，其中，切换所述第一开关或所述第二开关的至少一个包括在所述DC电力传输***中的DC母线的负汇流条上的所述接地故障发生时切换所述第一开关，而在所述DC电力传输***中的所述DC母线的正汇流条上的所述接地故障发生时切换所述第二开关。
技术方案19：如技术方案16所述的方法，还包括以固定频率来切换所述第一开关或所述第二开关的至少一个，以生成交流接地电流或直流接地电流，以及使用电流变换器来测量所述交流接地电流或所述直流接地电流，以检测所述接地故障的所述位置。
技术方案20：如技术方案16所述的方法，还包括将与所述接地故障的所检测位置对应的所述负载与所述DC电力传输***中的DC母线隔离。
附图说明
通过参照附图阅读以下详细描述，将会更好地了解本发明的这些及其他特征、方面和优点，附图中，相似标号在附图中通篇表示相似部件，附图包括：
图1是按照本发明的一实施例、包括接地故障检测***的直流(DC)电力传输***的示意表示。
图2A和图2B是按照本发明的一实施例、耦合到第一DC母线并且配置成检测和定位电耦合到第一DC母线的负载处的接地故障的示范接地故障检测***的示意表示。
图3是按照本发明的一实施例、包括其中还包含电阻元件的DC接地组件的接地故障检测***的示意表示。
图4是按照本发明的一实施例、包括其中还包含第一电容元件和第二电容元件的DC接地组件的接地故障检测***的备选实施例的示意表示。
图5是表示按照本发明的一实施例、用于检测和定位DC电力传输***中的接地故障的方法中涉及的步骤的流程图。
具体实施方式
本发明的实施例包括用于定位直流(DC)电力传输***中的接地故障的***和方法。接地故障检测***包括接地故障检测组件和一个或多个电流传感器。接地故障检测组件包括第一开关、第二开关、第一电阻元件和第二电阻元件。分别按照串联配置将第一开关电耦合到第一电阻元件，以及将第二开关按照串联配置电耦合到第二电阻元件。一个或多个电流传感器在操作上耦合到一个或多个相应负载，并且配置成在将第一开关或第二开关的至少一个切换成导通状态时测量相应负载处的故障电流。第一开关或第二开关的至少一个切换成导通状态使故障电流能够经过第一电阻元件或第二电阻元件的至少一个。在故障电流经过第一电阻元件和第二电阻元件时，故障电流的幅值增加，这使一个或多个电流传感器能够测量相应负载处的故障电流。此外，接地故障的位置基于一个或多个负载处的故障电流的测量来检测。
图1是按照本发明的一实施例、包括接地故障检测***110的直流(DC)电力传输***100的示意表示。DC电力传输***100包括操作上耦合到第一DC母线130的直流(DC)电源120。在一个实施例中，DC电源120包括操作上耦合到整流器124的AC电源122，以及第一DC母线130耦合到整流器124的输出。在另一个实施例中，DC电力传输***100可包括多个DC电源120。DC电源120生成DC电力，其通过第一DC母线130传送到与第一DC母线130在操作上耦合的一个或多个负载140。在一个实施例中，负载140的一部分可在操作上耦合到第二DC母线150，以及第二DC母线150可经由第一DC-DC转换器160耦合到第一DC母线130。在一个实施例中，一个或多个负载140可包括交流(AC)负载142和DC负载144。在具体实施例中，AC负载142可包括电动机，以及DC负载144可包括能量储存元件、例如电池。AC负载142经由逆变器170在操作上耦合到第一DC母线130或第二DC母线150。逆变器170将从第一DC母线130或第二DC母线150所接收的DC电力转换成AC电力，并且将AC电力提供给相应AC负载142。类似地，DC负载144经由第二DC-DC转换器180在操作上耦合到第一DC母线130或第二DC母线150。DC-DC转换器180接收来自第一DC母线130或第二DC母线150的DC电力，基于相应DC负载要求来转换DC电力，并且将其提供给DC负载144。在一个实施例中，DC电力传输***100可包括中压(例如1 KV-10 KV)DC电力传输***。在另一个实施例中，DC电力传输***100可包括船舶DC电力传输***。
接地故障可因各种原因而在DC电力传输***100中的一个或多个负载140处发生。原因的一部分可包括降低的绝缘、对绝缘***的物理损坏或者对DC电力传输***100的绝缘***的过量瞬态或稳态电压应力。DC电力传输***100包括耦合到第一DC母线130的接地故障检测***110，其在接地故障发生时检测和定位DC电力传输***100中的接地故障。接地故障检测***110包括接地故障检测组件112、DC接地组件114以及操作上耦合到一个或多个负载140的一个或多个电流传感器116。DC接地组件114用来提供DC电力传输***100的接地，并且还检测DC电力传输***100中的接地故障。此外，接地故障检测组件112和一个或多个电流传感器116用来定位接地故障的起源。在一个实施例中，DC接地组件114和接地故障检测组件112可相互并联耦合。在另一个实施例中，接地故障检测组件112和DC接地组件114可在不同位置耦合到第一DC母线130，并且可以具有或者可以不具有相互之间的物理耦合。
此外，在定位一个或多个负载处的接地故障时，DC电力传输***100使用已知传输和连网协议来隔离一个或多个有故障负载。在一个实施例中，附加接地故障检测***(未示出)可耦合到第二DC母线150，以检测和定位操作上耦合到第二DC母线150的负载中的接地故障。在另一个实施例中，接地故障检测***110和附加接地故障检测***可配置成相互无关地或者组合地进行操作，以使用适当部件和量度来检测和定位接地故障。
图2A和图2B是按照本发明的一实施例、耦合到第一DC母线210并且配置成检测和定位电耦合到第一DC母线210的负载230处的接地故障220的示范接地故障检测***200的示意表示。第一DC母线210耦合到电源240，并且包括正汇流条212和负汇流条214。接地故障检测***200包括接地故障检测组件250和DC接地组件260，其相互按照并联配置电耦合在第一DC母线210的正汇流条212与负汇流条214之间。此外，第一DC母线210的正汇流条212和负汇流条214在中性点270使用已知技术经由DC接地组件260来接地，以提供平衡接地参考电压。提供平衡接地参考电压的任何已知技术可用来形成DC接地组件260，其中一部分稍后在本说明书中描述。DC接地组件260和接地故障检测组件250分别在第一中点265和第二中点255耦合到中性点270。此外，负载230经由正汇流条212和负汇流条214电耦合到第一DC母线210。
在正常操作期间，正汇流条212和负汇流条214中的平衡接地参考电压分别相当于相对中性点270的正DC电压(+Vdc)和负DC电压(-Vdc)。此外，接地故障220可在负汇流条214、正汇流条212或者在两者发生。在接地故障220在正汇流条212发生的状况下，正汇流条212的电压(其为(+Vdc))偏移到0，而负汇流条212的电压(其为(-Vdc))偏移到-2Vdc。类似地，如果接地故障220在负汇流条214发生，则正汇流条212的正DC电压(+Vdc)从+Vdc偏移到-2Vdc，而负汇流条214的负DC电压从-Vdc偏移到0。因此，通过测量正汇流条212的DC电压的偏移或者负汇流条214的DC电压的偏移，接地故障检测***200检测DC电力传输***(图1)中的接地故障220的发生，并且还识别接地故障220已经发生的汇流条。
此外，如图2A所示，在耦合到负载230的负汇流条214处的接地故障220发生时，在图1的DC电力传输***中引起由箭头280所表示的故障电流。故障电流280形成回路，并且从负载230经由负汇流条214经过电源240、DC接地组件260流动，并且到达中性点270。这种故障电流使正汇流条212的正DC电压(+Vdc)从+Vdc偏移到+2Vdc。接地故障检测***200检测DC接地参考电压的偏移，并且通知用户或***控制器(未示出)。在一个实施例中，DC接地组件260可将故障电流280限制到预定幅值，这不要求DC电力传输***的立即关闭。DC接地组件260可包括各种配置，下面论述其中一部分。
图3是包括其中还包含电阻元件320的DC接地组件310的接地故障检测***300的示意表示。接地故障检测***300与图2A和图2B的接地故障检测***200基本上相似，其中具有相对图2A和图2B的DC接地组件260的一些差异。在这个实施例中，第三电阻元件320和第四电阻元件330相互串联耦合，使得第三电阻元件320与第四电阻元件330之间的中点265耦合到中性点270。
图4是包括其中还包含第一电容元件370和第二电容元件380的DC接地组件360的接地故障检测***350的备选实施例的示意表示。接地故障检测***350与图2A和图2B的接地故障检测***200基本上相似，其中具有相对图2A和图2B的DC接地组件260的一些差异。在这个实施例中，图3的电阻元件320、330可采用第一电容元件370和第二电容元件380来取代。第一电容元件370和第三电容元件380相互串联耦合，使得第一电容元件370与第二电容元件380之间的中点265耦合到中性点270。
继续参照图2A，虽然检测DC电力传输***(图1)中的接地故障，但是没有检测接地故障220已经发生的负载230的位置。这归因于DC接地组件260的阻抗，其限制故障电流280的幅值，以避免对DC电力传输***的损坏。流经DC接地组件260的故障电流280的幅值是使得接地故障检测***200无法检测DC电力传输***中流动的故障电流280。因此，接地故障检测***200使用接地故障检测组件250将故障电流280的幅值增加到预定义极限，其可由接地故障检测***200来检测。接地故障检测***200检测DC电力传输***中的各负载230处的故障电流280，因为故障电流280将仅在接地故障220已经发生的负载230处被检测。因此，接地故障检测***200使用故障电流280来检测DC电力传输***中的接地故障220的位置。
参照图2B，在由DC接地组件260检测接地故障220时，接地故障检测***200定位接地故障220已经发生的负载230。为此，接地故障检测***200包括接地故障检测组件250以及操作上耦合到负载230的一个或多个电流传感器290。接地故障检测组件250包括：第一开关252，其串联地电耦合到接地故障检测组件250的中点255上面的第一电阻元件254；以及第二开关256，其串联地电耦合到接地故障检测组件250的中点255下面的第二电阻元件258。在一个实施例中，第一开关252和第二开关256可包括机械开关或者半导体开关。
接地故障检测组件250设计成使得接地故障检测组件250的检测器阻抗小于DC接地组件260的阻抗。检测器阻抗选择成使得故障电流280在转向从接地故障检测组件250流动时将故障电流280的幅值增加到预定义极限，其是接地故障检测***200可测量的。为此，第一开关252和第二开关256的至少一个可切换成导通状态。在第一DC母线210的负汇流条上检测到接地故障220的状况下，第一开关252切换成导通状态，或者如果在第一DC母线120的正汇流条212上检测到接地故障，则第二开关256切换成导通状态。此外，如果接地故障在正汇流条212和负汇流条214已经发生，则第一开关252和第二开关256同时切换成导通状态。
在这个示例中，由于接地故障在负汇流条214已经发生，所以第一开关252切换成导通状态。第一开关252的这种切换使故障电流280能够经过第一电阻元件254，其具有比DC接地组件260、例如图3的第三电阻元件320要低的阻抗。例如，在中压DC电力传输***(例如1 KV-1 KV)中，图3的DC接地组件260的第三电阻元件320和第四电阻元件330(图3)选择成使得故障电流280不超过1安培，第一电阻元件254和第二电阻元件258则选择成使得故障电流280可增加到总共10安培。因此，使故障电流280经过第一电阻元件254而不是DC接地组件260增加故障电流280的幅值，其是一个或多个电流传感器290可测量的。在一个实施例中，第一开关252和第二开关256可配置成在DC电力传输***的操作期间基于预定义切换模式来连续切换，以检测DC电力传输***中的接地故障220的位置。为此，第一开关252和第二开关258可基于预定义切换模式来连续切换，以生成交流接地电流或直流接地电流。此外，可监测交流接地电流或直流接地电流的输出波形，以检测与预定义输出波形的任何偏差。与预定义输出波形的任何偏差可表示接地故障220，以及由于第一开关252和第二开关258连续切换，所以各负载230处的一个或多个电流传感器290可测量负载230的每个处的故障电流280，以确定接地故障220的位置。在这种实施例中，一个或多个电流传感器290可包括电流变换器。
测量负载230处的故障电流280的上述过程能够应用于多个负载，其中各负载如图1所示在操作上耦合到电流传感器。由于各负载在操作上耦合到相应电流传感器，所以使故障电流经过第一电阻元件和第二电阻元件的至少一个使各电流传感器能够测量相应负载处的故障电流。随后，电流传感器测量故障电流的负载识别为有故障负载，并且将这类有故障负载与DC电力传输***隔离。
图5是表示按照本发明的一实施例、用于检测和定位DC电力传输***中的接地故障的方法400中涉及的步骤的流程图。方法400包括在步骤410识别DC电力传输***中的接地故障。方法400还包括在步骤420，在识别DC电力传输***中的接地故障时切换接地故障检测组件中的第一开关和第二开关的至少一个。在一个实施例中，第一开关和第二开关基于预定义切换模式来连续切换。在另一个实施例中，在DC母线的负汇流条上的接地故障发生时切换第一开关，而在DC母线的正汇流条上的接地故障发生时切换第二开关。在又一个实施例中，第一开关或第二开关的至少一个以固定频率来切换，以生成交流接地电流或直流接地电流，以及交流接地电流或DC接地电流使用电流变换器来测量，以检测接地故障的位置。方法400还包括在步骤430，分别在切换第一开关或第二开关时使故障电流经过第一电阻元件和第二电阻元件的至少一个，以增加故障电流的幅值。方法400还包括在步骤440，使用操作上耦合到各负载的电流传感器在增加故障电流的幅值时测量一个或多个负载处的故障电流。方法400还包括在步骤450基于各负载处的所测量故障电流来检测接地故障的位置。在一个实施例中，方法400还包括将与接地故障的所检测位置对应的负载与DC电力传输***中的DC母线隔离。
要理解，技术人员将会知道来自不同实施例的各种特征的可互换性，并且所述的各种特征以及各特征的其他已知等效体可由本领域的技术人员来混合和匹配，以便按照本公开的原理来构成其他***和技术。因此要理解，所附权利要求书预计涵盖落入本发明的真实精神之内的所有这类修改和变更。
虽然本文仅说明和描述了本发明的某些特征，但本领域的技术人员将会想到多种修改和变更。因此要理解，所附权利要求书预计涵盖落入本发明的真实精神之内的所有这类修改和变更。

Claims (10)

1.一种用于定位直流(DC)电力传输***中的接地故障的接地故障检测***，包括：
接地故障检测组件，包括：
第一开关和第二开关；
第一电阻元件和第二电阻元件；
其中分别按照串联配置将所述第一开关电耦合到所述第一电阻元件以及将所述第二开关电耦合到所述第二电阻元件，以及
电流传感器，在操作上耦合到负载，并且配置成在将所述第一开关或所述第二开关的至少一个切换成导通状态时测量所述负载处的故障电流。
2.如权利要求1所述的接地故障检测***，其中，所述第一开关和所述第二开关包括机械开关或者半导体开关。
3.如权利要求1所述的接地故障检测***，还包括配置成提供平衡接地参考电压的DC接地组件。
4.如权利要求3所述的接地故障检测***，其中，所述DC接地组件包括第三电阻元件和第四电阻元件、第一电容元件和第二电容元件或者其组合，用于提供所述平衡接地参考电压。
5.如权利要求3所述的接地故障检测***，其中，所述DC接地组件的接地阻抗高于所述接地故障检测组件的检测器阻抗。
6.如权利要求1所述的接地故障检测***，其中，所述第一开关在所述DC电力传输***中的DC母线的负汇流条上的所述接地故障发生时被切换成导通状态，而所述第二开关在所述DC电力传输***中的所述DC母线的正汇流条上的所述接地故障发生时被切换。
7.如权利要求1所述的接地故障检测***，其中，所述第一开关和所述第二开关配置成基于预定义切换模式来连续切换，以定位所述DC电力传输***中的所述接地故障。
8.一种直流(DC)电力传输***，包括：
电源，配置成提供DC电力，
DC母线，配置成传送来自所述电源的DC电力；
至少一个负载，在操作上耦合到所述DC母线；
接地故障检测***，在操作上耦合到所述DC母线，包括：
接地故障检测组件，包括：
第一开关和第二开关；
第一电阻元件和第二电阻元件；
其中分别按照串联配置将所述第一开关电耦合到所述第一电阻元件以及将所述第二开关电耦合到所述第二电阻元件；以及
至少一个电流传感器，在操作上耦合到所述至少一个负载，并且配置成在将所述第一开关或所述第二开关的至少一个切换成导通状态时测量所述至少一个负载处的故障电流。
9.如权利要求8所述的DC电力传输***，其中，所述第一开关在所述DC电力传输***中的所述DC母线的负汇流条上的所述接地故障发生时被切换成导通状态，而所述第二开关在所述DC电力传输***中的所述DC母线的正汇流条上的所述接地故障发生时被切换。
10.如权利要求8所述的DC电力传输***，还包括配置成提供平衡接地参考电压的DC接地组件。
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