专利名称：用于检测在牵引系统中的早期故障的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及电子系统领域，具体上，本发明涉及用于在诸如机车或运输车辆等牵引车辆中的初始故障检测的方法和系统。
背景技术：
机车或运输车辆以及用于大重量托运应用的其他大牵引车辆通常使用许多高功率电部件，诸如交流发电机、动力制动格栅、牵引电机、鼓风机等。这些部件由于各种原因而故障，其中一个原因是通常是由绝缘不良引起的接地问题。例如，机车工作在持续冷冻和融化的环境中，所述环境通过在电绝缘中产生裂缝而使得绝缘系统变差。机车的牵引驱动系统具有许多绝缘的绕组，由于诸如老化、潮湿、磨损、灰尘等的原因而随着时间的过去在驱动系统和机车的框架之间产生过量的泄露电流。对于牵引电机尤其是这样，因为湿气经常进入这些部件，这是由于这些部件靠近铁轨以及环境条件的接触。由于在机车的电子系统中的过量泄露电流而导致的故障是系统停机和工作故障的一个主要原因。
泄露电流检测器在许多种类的电设备上是标准的，以便用于防止对设备的损害或保护人员免受伤害，在交流系统中通过传统方法来进行泄露电流监控方面有广泛的工业背景。接地故障可能作为在多个不同系统部件中的任何一个中的故障的结果发生。在机车的情况下，这样的部件包括推进驱动系统、电池和辅助设备。在所述推进驱动系统中，可以在一个或几个部件中出现接地故障，所述几个部件包括交流发电机、整流器、电缆、牵引电机、动力制动电阻器和鼓风机电机。
但是，许多接地实际上是短暂的。经常，当故障发生时，电系统的一部分不工作，并且机车准备被修理。但是，一旦机车进入车间来修理，系统不再显示异常接地，并且修理人员不能识别故障起因。这经常是由于在电部件中的湿气引起的过量的泄露电流。在机车进入车间之前，湿气已经变干，因此消除了高泄露电流。能够进入绝缘系统和导致高泄露电流的湿气量经常部分地依赖于绝缘系统的条件。正常的系统经受作为变化的潮湿条件结果的相对较小的泄漏电流的变化，而具有变差的绝缘的系统可能经受与湿气相关联的泄漏电流的较大变化。而且，泄漏电流依赖于系统的电压电平，传统的方法一般仅仅当电压在其最高电平时提供灵敏的保护。
期望在例如电机和驱动器中具有对绝缘泄露发生情况的早期警告，以便在发生故障之前采取行动。产生自绝缘缺陷和变差的接地故障一般在它们引起任何损害之前、即在泄漏电流达到临界水平之前随着时间、以日期顺序而发展。2002年7月16日授权给Kliman等的、题目为“早期泄漏电流故障检测装置和方法”的、共同转让的美国专利第6,421,618通过引用被整体并入在此，它描述了用于在电系统中测量泄漏电流和预测早期故障的方法。但是，现有技术在监控可能与潮湿相关联的泄漏电流和以这样的方式操作机车以最小化工作故障的方法方面是欠缺的。
发明内容
因此期望改善在电系统中的泄露检测的可用性以使能早期故障检测，并且在一些情况下，如果泄漏电流与湿气相关联则继续电系统的操作。
还期望减少机车工作故障和降低维护成本。
简而言之，按照一个实施例，本发明是一种用于操作包括电机的电系统以便预测在所述电机中的早期故障的方法。所述方法包括产生用于表示在电机的中点和电接地之间的电流的中点到接地泄露信号，并且在存储器中存储接地泄露信号。所述方法也包括确定电系统的温度标准，如果所述泄露信号超过所选择的门限并且如果未满足所选择的温度标准，则在降低的功率条件下操作所述电系统。所述方法也包括如果所述泄露信号小于所选择的门限，则以正常的功率条件来操作所述电系统。在另一个实施例中，所述方法包括分析所存储的接地泄露信号以预测在所述电系统中的早期故障。所述方法也包括如果所述泄露信号超过所选择的门限并且满足所述温度标准，则终止所述电系统的操作。
按照本发明的另一个实施例，本发明包括一种用于预测在机车的电机中的早期故障的系统。所述系统包括泄漏电流检测器，它能够确定用于表示在电机的中点和电接地之间的电流的中点到接地泄露信号；以及存储器，用于存储接地泄露信号。所述系统也包括传感器，用于监控所述电机的温度标准；以及处理器，用于响应于所述检测器和传感器而当泄露信号超过所选择的门限并且满足所述温度标准时防止在正常功率条件下运行机车。
在所附的权利要求中给出了被相信具有新颖性的本发明的特征。但是，通过随后结合附图的说明，可以最佳地明白本发明及其另外的目的和优点，其中图1用于图解“Y”连接的电机或发电机的现有技术示意电路图，所述电机或发电机具有电流传感器，其中包括从中点到地的电阻器，用于检测泄漏电流；图2是用于图解按照本发明的一个优选实施例的、用于典型的直流机车的推进驱动系统的示意电路图；图3是用于图解按照本发明的一个优选实施例的、用于监控泄漏电流的处理器的方框图；图4是用于图解作为挡和速度的函数的预期泄漏电流的图；图5是图解按照本发明的一个优选实施例的故障检测的方法的流程图；图6是按照图5的方法的泄漏电流和挡设置对时间的图。
具体实施例方式
图1中示出了泄露监控实现方式的一个现有技术的形式，图1图解了使用从“Y”连接的电机或发电机13的中点12到地的泄露电流传感器11，诸如电阻器。每当在连接到电机或发电机13的系统中的其他任何位置发生接地时，电流将流入电流传感器11。这个电流随后被监控，以便当泄漏电流达到预定水平时可以使能警告或跳闸。或者，可以使用对本领域内的技术人员公知的其他形式的泄漏电流传感器来测量泄漏电流。另外，虽然在此的说明主要以泄漏电流的形式来举例，但是所述电流与泄露电压成比例，因此电流或电压都可以用作泄露信号。
图2是电系统的电路图，它例如包括推进驱动系统，它被概括标示为20，用于典型的直流驱动机车。推进驱动系统20包括三相机器13(它可以例如包括电机或发电机，并且在图2的机车实施例中包括交流发电机)，它被诸如柴油机24的原动机驱动。通过改变机器13的场、继而电压来调制牵引力。三相电压随后被整流器26全波整流以产生直流电压。牵引电机28通常是具有电枢30和主电极32的、串联的场直流牵引电机。在机车推机驱动系统20中，依赖于应用而通常在整流的直流电源的直流总线34上存在并联的四个或六个牵引电机。泄漏电流如图1那样被连接在机器13的中点12和机车框架(在这个实施例中是地)之间的传感器11监控，因为在系统的任何部分中的这样的泄露必须流经传感器11。通过传感器11的电流是泄漏电流。
图2还图解了用于反转或制动驱动系统20的制动格栅40。制动格栅40是用于在机车的动力制动期间散热的并联电阻器。一个或多个吹风机电机42也连接到直流总线34。吹风机电机最好具有多个速度，以向制动格栅40和牵引电机28提供冷却空气循环。虽然使用用于典型直流驱动机车的推进驱动系统的示例来描述了在此包括的监控泄漏电流的说明，但是可以考虑并且本领域内的技术人员可以明白下面所述的方法也适用于交流驱动机车信号，因为本发明不限于特定的推进驱动系统环境。
现在参见图3，三相机器13(图1)的泄漏电流被使用传感器11测量，被整流器/低通滤波器�？�52整流和滤波，并且被系统处理器54分析，所述系统处理器54可以包括分析/趋势块56。用于推论早期接地故障的所有测量以从机器13的中点到框架(地)的泄漏电流传感器11来开始。以由预定时段T(在一个实施例中例如T＝30分钟)分割的离散的采样来查看泄露电流I。泄露电流I和指示推进系统20的操作条件的其他参数——诸如电压和挡设置——被存储在存储器60中来作为操作条件的函数，以便将泄漏电流与类似的操作条件相比较。
在一个实施例中，泄漏电流被除以用于操作条件的预期的泄漏电流值以获得归一化的泄漏电流。本领域内的技术人员明白，预期的泄漏电流依赖于系统的电压。因此，在较高的挡设置，当电压高时，可以预期较大的泄漏电流。在一个示例中，平均、最大和最小的泄漏电流被存储作为在各种机车速度区间上的挡设置的函数。图4中图解了标称的泄漏电流。最大和最小的泄漏电流可以类似地被示出。可以使用一种温度检测系统55来提供绕组温度的温度读数，如下更详细所述。在一个实施例中，温度检测系统55使用热模型，它接收表示环境温度、气流、电流、电压、机器的每分钟转数(rpm)的输入信号来预测温度。或者，所述温度检测系统可以使用温度传感器，诸如在本领域内的技术人员公知的任何类型的温度传感器。
优选的是，来自传感器11的原数据被清理(例如被过滤或预处理)以降低来自诸如湿度等因素的暂态效应和噪音。虽然不要求，但是一些类型的过滤可用于防止暂态效应产生连续趋势推测中的错误结果。可以对于所有的数据执行过滤，或在另一个实施例中，只有独立的来源——诸如湿度传感器——指示数据包括暂态效应时才执行过滤。为了过滤，向叠加的数据过滤窗口中形成原数据(最好具有不超过25％的重叠)。每个数据过滤窗口的长度依赖于暂态效应的持续时间。例如，如果正在下雨，相当于几个小时的数据可能是有益的。可以通过下列方式来使用“中值调整”技术来去除非正常值计算在数据过滤窗口内的数据的中值，并且将例如10-20％的极值——特别是大的极值——替换为中值。
优选的是，在泄漏电流达到预定水平——它在一个实施例中例如是400ma——之前检测泄漏电流。如果泄漏电流达到预定的电平，则可以执行一种行为，诸如警告、警报或自动停机。在一个实施例中，可以有不同等级的“故障”。例如，故障记录/警告可以通过在一个等级上的电流(诸如400ma)产生，并且用于预测电流何时将达到第二个更危险的等级(诸如800ma)。在所述第二等级上，处理器54可以进行降低机器13的电压的预防行为。可以使用第三和更高的等级(诸如1600ma)来作为机器停机等级。另外，在较低等级(诸如800ma)的长期运行会需要关闭机器。
图5是图解用于早期故障检测的技术、在一些情况下是如果泄漏电流与湿度相关联则用于电系统的持续运行的技术的流程图。在步骤110，如上所述测量泄漏电流。泄漏电流值和最好是其他数据——诸如实际的挡设置——被记录和存储在存储器60中。在步骤115，所述方法确定泄漏电流是否超过可接受的极限。这可以通过以下来确定触发警报、安全元件的跳闸或监控泄漏电流的操作员确定泄漏电流超过极限。如果泄漏电流超过极限，则处理进行到步骤120，其中温度传感器55测量所选择的温度数据。优选的是，温度数据被存储在存储器60中。在步骤125，处理确定是否满足所选择的温度标准。优选的是，选择所述标准，使得温度标准应当指示潮湿应当不引起高泄露电流。所述标准可以包括一个或多个温度条件，用于指示牵引电机和交流发电机被加热和工作在足够散出任何潮气的温度。在一个实施例中，所述标准包括使得牵引电机绕组达到预选的温度。优选的是，所述预选温度在大约70和90摄氏度之间，并且最好为大约80摄氏度。所述温度应当保持或高于所述预先温度达到使得潮气蒸发的足够长的时间(例如2-3分钟)。所述标准也可以包括在绕组和环境温度之间的温差。例如，所述标准可以包括使得绕组温度大于50度，并且使得绕组温度减去环境温度大于40度。
如果在步骤125未满足温度标准，则在步骤130机车工作在退化操作模式中。这可以包括将实际的挡设置降低为泄漏电流在可接受的极限内的设置。如上所述，降低挡设置降低了总线上的电压，导致在泄漏电流中的可预期的缩小。在牵引电机工作在降低的速度期间，实际的挡设置可以在泄漏电流值允许的情况下递增。在步骤135，吹风机电机42在低速设置工作。使得吹风机以低速运行使得绕组能够更快地加热，由此散出可能正在引起过量的泄漏电流的任何潮气。优选的是，机车保持在退化操作状态足够长，以达到下述效果使得牵引电机和交流发电机可以充分地被加热以散出可能正在引起高泄漏电流的任何潮气。
处理返回步骤110，并且再次测量和与所选择的极限比较泄漏电流。优选的是，在处理确定泄漏电流已经超过所选择的极限之后，以提高的频率监控泄漏电流和其他参数。优选的是，以在大约1-10分钟之间的时间间隔、更好的是以大约5分钟的时间间隔T来监控和存储泄漏电流和相关参数。如果在步骤115泄漏电流在所选择的极限内，则机车进行到正常操作，如步骤145所示。在步骤160，维护人员查看从存储器60获得的存储数据以得到泄漏电流历史。所存储的数据用于监控在推进系统20内的电绝缘的有效性，并且提供早期牵引系统接地故障指示。另外，使用所存储的数据，可以预定或执行正确的维护行为以去除或校正故障部件。当机车工作条件保持不变(即相同的工作电压)时，在短时间(例如20-30分钟)内大于20％的泄漏电流的变化指示泄漏电流可能与湿气相关联，并且可以安排适当的维护。
如果处理在步骤125确定满足了温度标准并且泄漏电流超过所选择的极限，则在步骤155记录故障，并且机车保持在受限的运行中，或者机车停机，如本领域内所公知的那样。
图6图解了用于描述当按照本发明的一个实施例操作机车时相对于时间的所测量的泄漏电流和挡设置。挡设置和泄漏电流的值表示用于说明按照上述方法的机车的运行的值。这样，本领域内技术人员可以明白用于挡设置和泄漏电流的其他值是可能的。200指示表示指令挡设置的曲线。指令挡设置200是传送来自牵引电机的所需功率以便以期望的速度推进机车所需要的挡设置。从时间0到时间1，指令挡设置是挡8。在时间1，指令挡设置被降低到挡0。在时间2，指令挡设置返回挡8，并且在所描述的时段保持在挡8上。
210指示表示实际挡设置的曲线。从时间0到时间1，机车在正常的运行下行进，并且实际的挡设置也是挡8，由此满足指令挡设置。220指示表示泄漏电流的曲线。从时间0到时间1，泄漏电流220在用于正常运行的工作带内。如图所示，泄漏电流是大约220毫安，这是用于挡设置的可接受的值。从时间1到时间2，实际的挡设置210被降低到零，并且泄漏电流220几乎接近零。在时间2，响应于在指令挡设置200中的变化，实际的挡设置210被提高到8。如图所示，当实际的挡设置210被提高到8时，泄漏电流220大于正常的操作带，并且超过可允许的极限。响应于超过所选择的极限的泄漏电流220，在时间3实际的挡设置210被降低到挡1。如图所示，降低实际的挡设置210具有下述期望效果使得泄漏电流220下降到可接受的电平。
机车工作在降低的实际挡设置210以使得绕组加热一段时间。在时间4，实际的挡设置被提高到挡3，并且监控泄漏电流。从时间4到时间5，随着潮气在绕组加热时被蒸发，泄漏电流下降。在时间5，实际的挡设置被提高到挡4。正如所料，泄漏电流220由于较高的挡设置而提高，但是在挡设置210中的小提高将泄漏电流保持在可所接受的等级内。在时间6、7和8，实际的挡设置210递增，直到在将泄漏电流220保持在可接受等级的同时实际的挡设置再次匹配指令挡设置200。
本发明解决一个长期存在的问题提供在例如电机和驱动器中的绝缘泄露发展的早期警告，以便可以在存在故障之前可以采取行为。从绝缘缺陷和恶化产生的接地故障一般随着时间、以日期为顺序、在它们引起任何损害之前、即在泄漏电流达到临界水平之前发展。另外，所述方法提供了下述技术如果泄漏电流与潮湿相关联则允许电系统的连续操作。
当引入本发明的元件或其实施例时，短语“一种”、“该”、和“所述”意欲表示存在一个或多个元件。术语“包括”、“包括”、和“具有”意欲是包含性的，并且表示可能存在不同于所列出的元件的其他元件。
虽然已经图解和说明了本发明的各种实施例，但是本领域内技术人员可以明白，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下向其进行许多改变和修改。由于可以在不脱离本发明的范围的情况下在上述的结构中进行各种改变，因此在附图中所示的或在上述说明中包括的所有事项应当被解释为说明性的，而不是以限定的含义来解释。
权利要求
1.一种用于操作包括电机(28)的电系统(20)以便预测在所述电机中的早期故障的方法，包括产生用于表示在所述电机的中点和电接地之间的电流的中点到接地泄露信号；在存储器(60)中存储所述接地泄露信号；确定所述电系统的温度标准；如果所述泄露信号超过所选择的门限并且如果未满足所选择的温度标准，则在降低的功率条件下操作所述电系统；以及如果所述泄露信号小于所选择的门限，则以正常的功率条件来操作所述电系统。
2.按照权利要求1的方法，还包括分析所存储的接地泄露信号以预测在所述电系统中的早期故障。
3.按照权利要求1的方法，还包括如果所述泄露信号超过所选择的门限并且满足所述温度标准，则终止所述电系统的操作。
4.按照权利要求1的方法，还包括如果当满足所述温度标准时所述泄露信号超过所选择的门限，则记录故障。
5.按照权利要求1的方法，其中所述温度标准包括在牵引电机绕组温度和环境温度之间的最小温差。
6.按照权利要求1的方法，其中所述电系统是机车的电系统。
7.一种用于操作包括至少一个牵引电机(28)的、机车的电系统(20)以便预测由侵入所述牵引电机的绝缘体中的潮气所引起的早期故障的方法，所述方法包括产生用于表示在所述电机的中点和电接地之间的电流的中点到接地泄露信号；在存储器(60)中存储所述接地泄露信号；确定所述电系统的温度标准；如果所述泄露信号超过所选择的门限并且如果未满足所选择的温度标准，则在降低的功率条件下操作所述电系统；如果所述泄露信号小于所选择的门限，则以正常的功率条件来操作所述电系统；如果泄露信号超过所选择的门限并且满足所述温度标准，则终止所述电信号的运行；分析所存储的接地泄露信号以预测在所述电系统中的早期故障。
8.按照权利要求7的方法，还包括如果当满足所述温度标准时所述泄露信号超过所选择的门限，则记录故障。
9.按照权利要求7的方法，其中所述温度标准包括在牵引电机绕组温度和环境温度之间的最小温差。
10.一种用于预测在机车的电机中的早期故障的系统。所述系统包括泄漏电流检测器(11)，能够确定用于表示在电机的中点和电接地之间的电流的中点到接地泄露信号；存储器(60)，用于存储所述接地泄露信号；传感器(55)，用于监控所述电机的温度标准；以及处理器(54)，用于响应于所述检测器和传感器而当所述泄露信号超过所选择的门限并且满足所述温度标准时防止在正常功率条件下运行机车。
全文摘要
一种用于操作包括电机的电系统以便预测在所述电机中的早期故障的方法和系统。产生并且在存储器中存储用于表示在电机的中点和电接地之间的电流的中点到接地泄露信号。如果泄露信号超过所选择的门限，则所述电系统工作在降低的功率条件下以控制电流。对于温度检测系统，确定在其上任何潮气会引起高泄漏电流的电系统的温度标准。并且监控温度和将其与所选择的温度标准相比较。如果泄露信号返回到在所选择的门限内，则电系统返回在正常功率条件下的操作。分析存储在存储器中的泄漏电流信号信息以预测在电系统中的早期故障。
文档编号G01M17/00GK1712922SQ20041005982
公开日2005年12月28日 申请日期2004年6月22日 优先权日2004年6月22日
发明者阿吉思·K·库马 申请人:通用电气公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
