CN101015031A - 用于检测真空开关器件中的高压状态的方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种用于检测断续器内高压状态的方法，包括：测量从断续器内的触点产生的电弧发射出的光的强度；将测量强度与预定值相比较；以及当测量强度超出预定值时提供指示。

Description

用于检测真空开关器件中的高压状态的方法与装置

技术领域

本发明涉及检测高功率电气开关器件中的故障状态，尤其涉及检测真空断续器中的高压状态。

背景技术

过去几年来，特别是随着消费者与工业对电力需求的日益增长，北美电力网的可靠性已受到了严酷的考验。高压输电网中单个元件的故障会导致株连整个系统的灾难性停电。在电力网中使用的基本元件之一是用来闭合或断开高强度电流、高压AC电源的机械开关。尽管半导体器件将使本申请取得一些进展，但是极高电压与电流的组合仍使得在本发明中更倾向于使用机械开关。

基本上有两种用于这些高功率机械开关的配置：充油与真空。充油开关使用浸入在具有高电介质强度的基于碳氢化合物的液体中的触点。这种高电介质强度要求在将它们断开以中断电路时，开关触点能承受电弧电势。由于高电压运行状态，油的周期性替换需要避免在油分解期间形成爆炸性气体。周期性运行需要切断电路，这会是不便和昂贵的。烃油可能是有毒的，并且如果它们泄漏到环境中，则可能造成严重的环境灾害。另一配置是在开关触点周围使用真空环境。如果开关触点周围的气压足够低，则可避免电弧放电与对开关触点造成损坏。在这类断续器中有真空损失，则在它们切换负载时，将在触点之间造成严重的电弧并损坏开关。在一些应用中，真空断续器长时间地处于备用。直到它们进入运行才可能检测到真空损失，这将在最需要的时候导致开关的直接故障。因此需要在触点发生电弧放电引起开关故障之前提前知道断续器中的真空是否退化。目前，这些器件都以使检查难以进行或代价昂贵的方式封装。检查要求从连接到器件的电路中移走电源，这是不可能的。将需要遥测开关内的气压状态，从而不需要直接检查。同时还需要在开关运行且处于工作电压时，周期性地监测开关内的气压。

可以看到：现有技术的器件已经充分涵盖了对这些断续器器件的真空外壳内的气压进行的简单测量，但是实际上并非如此。一个主要因素就是开关被用于开关对地具有7与100千伏之间电势的高AC电压。这使得应用现有技术压强测量器件将是非常困难和昂贵的。由于成本和安全性的限制，现有技术的复杂高电压绝缘技术并不适用。所需要的是一种安全和便宜的、测量高电压断续器中高压状态的方法和装置，更佳地是远离开关测量，且最佳地是开关处于工作电压时测量的方法和装置。

图1是现有技术的真空断续器的第一示例的横截面视图100。这个特定元件是由加州圣何塞(San Jose)的Jennings Technology所制造的。触点102和104负责开关功能。通常低于10^-4torr(托)的真空存在于区域114的触点附近以及由罩108、罩110、波纹管112、以及绝缘套管106所围绕的外壳内。波纹管112允许相对于固定触点102移动触点104，以便获得或断开电气连接。

图2是现有技术的真空断续器的第二示例的横截面视图200。该元件也是由加州圣何塞(San Jose)的Jennings Technology所制造的。在该现有技术的实施例中，触点202和204执行开关功能。通常低于10^-4tort的真空存在于区域214的附近以及由罩208、罩210、波纹管212、以及绝缘套管206所围绕的外壳内。波纹管112允许相对于固定触点204移动触点202，以便获得或断开电气连接。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于检测断续器内的高压状态的方法，包括测量断续器内由触点产生的电弧所发射的光的至少一部分的强度，并将测量强度与预定值相比较，且当测量强度超出预定值时，提供第一指示。

本发明的另一个目的是提供一种用于检测断续器内的高压状态的方法，包括：通过置入断续器的外壁内的窗口传输光束；反射光束使其离开反射表面，该反射表面驻留在断续器的内部体积中；测量反射光束的至少一部分的强度；将测量强度与预定值相比较；且当测量强度小于预定值时提供一指示。

本发明的又一个目的是提供一种用于检测断续器内的高压状态的方法，包括在断续器的外壁内放置膜片，其中对于低于第一预定值的内部气压，膜片处于收缩位置，而对于高于第二预定值的内部气压，膜片处于膨胀状态。该方法还包括：在膜片的外表面引导光束；当膜片处于收缩位置时检测来自外表面的反射光束；当膜片的外表面处于膨胀状态时产生不可检测的反射光束；并且当不再检测光束时产生高压指示。

本发明的另一个目的是提供一种用于检测断续器内的高压状态的方法，包括在断续器的外壁内放置膜片，其中对于低于第一预定值的内部气压，膜片处于收缩位置，而对于高于第二预定值的内部气压，膜片处于膨胀状态。该方法还包括：在膜片的外表面引导光束；当膜片处于膨胀位置时检测来自外表面的反射光束；当膜片的外表面处于收缩位置时产生不可检测的反射光束；并且当检测到光束时生成高压指示。

本发明的又一个目的是提供一种用于检测断续器内的高压状态的方法，包括：在断续器的封闭体积内放置压强传感器，将窗口置入断续器的外壁内，将压强传感器所得压强测量值转换成光学信号，并引导光学信号穿过该窗口。

本发明的另一个目的是提供一种用于检测断续器内的高压状态的方法，包括在断续器的封闭体积内放置压强传感器，将压强传感器所得压强测量转换成RF信号，并将RF信号传输到位于断续器外部的接收器。

本发明的又一个目的是提供一种用于检测断续器内的高压的装置，包括：封闭在断续器内、并具有第一表面与第二表面的可收缩器件，其中该第一表面相对于断续器安装；具有第一端与第二端的轴，其中该第一端连接到可收缩器件的第二表面；以及用于检测轴的第二端的位置的装置。

本发明的另一个目的是提供一种用于检测断续器内的高压的装置，该装置包括：具有活塞、第一体积和第二体积的汽缸，其中活塞将第一体积与第二体积分隔开，第一体积流体连接到断续器的内部体积；连接到活塞并伸出汽缸外的轴；以及用于检测轴的位置的装置。

附图说明

参阅以下详细描述将可更好地理解本发明。该描述将参考附图，其中：

图1是现有技术的真空断续器的第一示例的横截面视图；

图2是现有技术的真空断续器的第二示例的横截面视图；

图3是根据本发明一实施例的用于检测电弧放电触点的器件的部分横截面视图；

图4是根据本发明一实施例的处于低压状态的汽缸驱动光学压强开关的部分横截面视图；

图5是根据本发明一实施例的处于高压状态的汽缸驱动光学压强开关的部分横截面视图；

图6是根据本发明一实施例的处于低压状态的波纹管驱动光学压强开关的部分横截面视图；

图7是根据本发明一实施例的处于高压状态的波纹管驱动光学压强开关的部分横截面视图；

图8是根据本发明一实施例的用于检测来自电触点的溅射碎片的光学器件的部分横截面视图；

图9是根据本发明一实施例的自供电光学传输微电路的部分横截面视图；

图10是根据本发明一实施例的自供电RF传输微电路的部分横截面视图；

图11是根据本发明一实施例的处于低压状态的膜片驱动光学压强开关的部分横截面视图；

图12是根据本发明一实施例的处于高压状态的膜片驱动光学压强开关的部分横截面视图。

具体实施方式

本发明涉及用于测量高压真空断续器内的压强的方法与装置。作为示例，随后描述的各种实施例都与图1所示的断续器一起使用。这并非旨在将发明实施例仅限于这种断续器配置，而是本发明的说明性实施例同样适用于图2所示器件或其它任何类似器件。

图3是根据本发明一实施例的用于检测电弧放电触点的器件的部分横截面视图300。随着区域114的压强的增大，由于气体的电离造成压强增大，触点104与102之间将发生电弧放电。电绝缘光电检测器310被用来观测在触点104与102之间分开时在间隙306中所发射的光304。光电检测器310可以是固态光电二极管或光电晶体管型检测器，或者也可以是光电乘法器型检测器。考虑到成本，固态器件是较佳的。光电检测器310被耦合到控制和连接电路312，该电路312包括将来自光电检测器310的信号转换成有用信息所需的必要元件(包括计算机处理器、存储器、模拟放大器、模数转换器、或者其它所需电路)。光电检测器310通过光纤电缆308光学连接到透明窗口302。电缆308向高工作电压的断续器提供所需的物理与电气绝缘。通常，电缆308由光学透明玻璃纤维、塑料、或陶瓷材料构成，并且是非导电性的。窗口302安装在断续器的外壳上，最好安装在绝缘体套管106上。窗口302也可安装在罩上(例如108)(为了方便或如果需要)。窗口302由光学透明材料制成，包括但不限于玻璃、石英、塑料、或陶瓷。尽管没有说明，但是可能期望将多条电缆308连接到单个光电检测器310，以便监控例如三相接触器中三个断续器的任一个的状态。类似地，还需要将各自具有单独电缆308的三相光电检测器310连接到单个控制单元312。本实施例的一个优点是：控制单元312和/或光电检测器310都可位于距离断续器较远处。这允许对断续器进行方便的监控而不需要从电路中移除电源。应当注意：元件308、310、以及312并不相对于图中的其它元件成比例。

尽管对由触点102、104的电弧放电产生的光304的测量是对区域114的气压的间接测量，但却是对断续器中产生故障的机制的直接观测。在足够低的气压上，因为本底部分气压不支持残余气体的电离，所以将观测不到显著的触点电弧放电。随着气压的增大，由电弧放电所产生的光将增多。光电检测器310可观测从电弧放电触点发射出的光的强度、频率(颜色)、和/或持续时间。在已知气压状态下由触点电弧放电所产生的数据之间的相关性可用来产生“触发等级”或报警状态。由光电检测器310所产生的观测数据可与存储在控制器312中的基准数据相比较以产生报警状态。光的强度、光的颜色、波形形状、以及持续时间的每个特性可单独或组合使用，以便指示故障状态。或者，根据等离子物理学的第一原理生成的数据也可用作基准数据。

图4是根据本发明一实施例的处于低压状态的汽缸驱动光学压强开关404的部分横截面视图。图5是根据本发明一实施例的处于高压状态的汽缸驱动光学压强开关404的部分横截面视图。在这些实施例中，压强检测汽缸器件404包括连接到弹簧410的活塞406。腔室408流体连接到用于检测区域416中的气压的断续器402的内部。与轴412连接的是活塞406。反射器件414连接到轴412，该反射器件可以是适于将从光缆418发射的光束的至少一部分返回到光缆420的任何表面。轴412在低压下收回到汽缸404内，并拉紧弹簧410，如图4所示。光纤电缆418和420，与光电发送器422、光电检测器424、以及控制单元426一起检测轴412的位置。在高压下，弹簧410将轴412伸出到反射器件414遮断来自光纤电缆418(经由光电发送器422)的光束的位置，从而经由电缆420将反射光束发送回光电检测器424。当光电检测器424接收到信号时产生报警状态，指示断续器402中的高压状态。轴412伸出以遮断光束时的气压根据活塞406的相关于弹簧410的弹簧常数的横截面积来确定。在低压下拉直的弹簧将产生报警状态。光纤电缆418和420向电路中的器件422-426提供必要的电绝缘。虽然前面的实施例已经示出传输与检测反射光束的光纤电缆，但是显然可通过将各条光导电缆418与420的端部彼此相对来使用类似的配置。在这种情况下，轴412的端部插入到两条电缆之间，并在伸出位置阻挡光束。在光束被阻挡时产生报警状态。

图6是根据本发明一实施例的处于低压状态的波纹管驱动光学压强开关的部分横截面视图。图7是根据本发明一实施例的处于高压状态的波纹管驱动光学压强开关的部分横截面视图。波纹管602安装在断续器402内，并且对断续器的内部密封，从而用于断续器402内部的真空密封得到保持。波纹管的内部体积604与断续器外部的大气压流体接触。这可通过在轴606周围提供较大间隙、或提供从波纹管602穿过断续器内壁的附加通道(未示出)来实现。波纹管602以这种方式制造：当波纹管内部的气压等于波纹管外部的气压时处于图7所示的收缩位置。当波纹管外部被抽成真空，则波纹管向断续器420的区域416内部延伸。在图7所示的报警(高)压强状态轴606伸出，并将反射器件608置于遮断来自电缆418的光束的位置，而且将光束的至少一部分通过电缆420反射到检测器424。与波纹管的直径相关的“硬度”决定报警气压等级。更坚硬的波纹管材料将导致更低的报警气压等级。光纤电缆418与420为器件中的电路422-426提供必要的电绝缘。虽然前面的实施例已经示出传输与检测光束的光纤电缆，但是显然可通过使各个光导电缆418与420的端部彼此相对来使用类似的配置。在这种情况下，轴606的端部插入两条电缆之间，并在伸出位置遮挡光束。在光束被遮挡时产生报警状态。

图8是根据本发明一实施例的用于检测来自电触点的溅射碎片的光学器件的部分横截面视图800。随着断续器内部气压的增大，将在触点102与104之间的间隙306中产生电弧放电。电弧放电将从接触表面“溅射”物质，并在各个内表面上沉积这些物质。特别是，溅射碎片将沉积在表面802上，以及窗口302的内表面808上。从光缆418发射的光束通过窗口302传输到反射表面802。反射表面802将部分光束返回到光缆420。窗口表面808上的溅射碎片的量将决定光束806的衰减程度。如果光束衰减到低于特定量，则由控制单元426产生报警。另外，溅射碎片也将覆盖反射表面802，从而导致光束的进一步衰减。端口804置于窗口302的附近，以有助于将任何溅射物质传送到窗口表面。该实施例能够提供用于检测断续器内部真空缓慢退化的连续监控功能。光束强度可经由控制器426连续监控并记录，以随着断续器内部真空状态的恶化而安排预防性维护。

图9是根据本发明一实施例的自供电光学传送微电路902的部分横截面视图900。微电路902包括衬底904、光学传送器件906、压强测量元件908、放大器与逻辑电路910、以及感应电源912。微电路902可以是：单片硅集成电路；具有陶瓷衬底、以及互连到其上的多个硅集成电路与离散元件的混合集成电路；或者基于印刷电路板的器件。通过互连到衬底904上电路的单片压强传感器908测量断续器中的区域114和114’的气压。放大器和逻辑电路910转换来自压强传感器908的信号信息以便由光学发送器件906传输。来自器件906的光学传输经由位于断续器外部的光缆420通过窗口302传送到控制单元426。光学传输可以是模拟或数字的，但最好是数字的。微电路902可传输连续的气压信息、高压报警信息，或两者。感应电源912从断续器内的振荡磁场获得电源。这通过在衬底904上放置导线回路(未示出)，然后整流并过滤从导线回路获得的感生AC电压来实现。光电发送器件906可以是如本领域技术人员所公知的发光二极管或激光二极管。衬底904上元件的构造实质上可以是单片的或混合的。因为器件902中没有电路参考接地，所以不需要高压绝缘。用于器件424、426的高压绝缘由如本发明前述实施例的光缆420提供。

图10是根据本发明一实施例的自供电RF传输微电路1002的部分横截面视图1000。微电路1002包括：衬底1004；压强测量元件1006；放大器、逻辑、以及RF传输电路1008；以及感生电源1010。微电路1002可以是单片硅集成电路；具有陶瓷衬底、以及互连到其上的多个硅集成电路与离散元件的混合集成电路；或者基于器件的印刷电路板。通过互连到衬底1004上的电路的单片电路压强传感器1006测量断续器中的区域114和114’的气压。放大器和逻辑电路转换来自压强传感器1006的信号信息，以便由集成在电路1008内的RF发送器进行传输。来自器件906的RF传输经过绝缘体106传输到位于断续器外部的接收器单元1014。各种协议与方法适用于集成电路的RF传输，这是本领域技术人员所公知的。为了本发明的目的，RF传输包括微波与毫米波传输。接收器单元1014可以位于距离断续器任何方便距离处，在微电路1002所包含的发送器的范围内。接收器单元可设置成监控来自驻留在多个断续器器件的一个或多个微电路的传输。单元1014包括必要的处理器、存储器、模拟电路、监控传输的接口电路，并按需发出报警与其它信息。感生电源1010从断续器内的振荡磁场获得电源。这通过在衬底1004上放置导线回路(未示出)，然后整流并过滤从导线回路获得的感生AC电压来实现。

图11是根据本发明一实施例的处于低压状态的膜片驱动光学压强开关的示意性视图1100。图12是根据本发明一实施例的处于高压状态的膜片驱动光学压强开关的示意性视图1200。通过使用膜片1101可获得用于检测断续器高压的低成本可选实施例。膜片1101固定到通常是中空且管状的构件1104。构件1104又固定在断续器片1106的一部分。或者，膜片1101可直接附着到断续器的外表面(如果方便的话)。由于薄圆顶材料的易碎性，构件1104使用焊接或铜焊连接到断续器的较厚金属构件。构件1104也可能铜焊到绝缘体部分(例如，参考前面图中的106)的端口。在断续器内部处于低压时，则圆顶1101可处于收缩位置，如图11所示。处于高压时，圆顶1101可处于图12的膨胀位置。圆顶从收缩状态变化到膨胀状态时的压强将处于2到14.7psia的范围，更好是在2与7psia之间。圆顶位置通过元件418-426来检测。在低压状态，收缩圆顶生成相对平坦的平面1102。由发送器件422生成的光束经由光缆418传输到表面1102。反射光束经由光缆420从表面1102返回到光学检测器件424。在高压状态，圆顶快速形成近似半球的膨胀形状，并在其表面1202具有显著曲率。此曲率使得从光缆418端部发射出的光束偏离光缆420的接收端，从而在检测器424引起信号损耗，并在器件426的电路内产生报警状态。也可能通过使用光缆418和420来反转逻辑，以便检测处于膨胀位置的圆顶的附近，从而在其降低到近似平面位置时产生信号损耗。或者，可通过位于圆顶外表面的机械轴(未示出)来检测圆顶位置，轴的另一端遮断光束，如图4-7的实施例中所示。

Claims (26)

1.一种用于检测断续器内的高压状态的方法，其特征在于，包括：

测量从所述断续器内的触点产生的电弧发射出的光的至少一部分的强度；

将所述测量强度与预定值相比较；以及

当所述测量强度超出所述预定值时提供第一指示。

2.如权利要求1所述的用于检测断续器内的高压状态的方法，其特征在于，还包括：

测量所述电弧的持续时间；

将所述测量持续时间与预定时间段相比较；以及

当所述测量持续时间超出所述预定时间段时提供第二指示。

3.如权利要求1所述的用于检测断续器内的高压状态的方法，其特征在于，所述测量强度由光电检测器确定。

4.如权利要求3所述的用于检测断续器内的高压状态的方法，其特征在于，从所述电弧发射出的光的所述至少一部分通过光纤电缆导向至所述光电检测器。

5.一种用于检测断续器内的高压状态的方法，其特征在于，包括：

使光束传输通过位于所述断续器外壁的窗口；

使所述光束从反射表面反射，所述反射表面驻留在所述断续器的内部体积内；

测量反射光束的至少一部分的强度；

将所述测量强度与预定值相比较；以及

当所述测量强度小于所述预定值时提供指示。

6.如权利要求5所述的用于检测断续器内的高压状态的方法，其特征在于，所述光束通过光纤电缆传输到所述窗口。

7.如权利要求5所述的用于检测断续器内的高压状态的方法，其特征在于，所述反射光束通过光纤电缆传输到测量器件。

8.如权利要求7所述的用于检测断续器内的高压状态的方法，其特征在于，所述测量器件包括光电检测器。

9.一种用于检测断续器内的高压状态的方法，其特征在于，包括：

将膜片置入所述断续器的外壁内，其中对低于第一预定值的内部压强所述膜片处于收缩位置，而对高于第二预定值的内部压强所述膜片处于膨胀状态；

在所述膜片的外表向引导光束；

当所述膜片处于所述收缩位置时，检测来自所述外表面的反射光束；

当所述膜片的所述外表面处于膨胀位置时，产生不可检测的反射光束；以及

当不再检测到所述光束时，生成高压指示。

10.如权利要求9所述的用于检测断续器内的高压状态的方法，其特征在于，使用光纤电缆将所述光束导向所述外表面。

11.如权利要求9所述的用于检测断续器内的高压状态的方法，其特征在于，使用光纤电缆将所述反射光束传输到检测器件。

12.如权利要求9所述的用于检测断续器内的高压状态的方法，其特征在于，所述第一预定值在2与7psia之间。

13.如权利要求9所述的用于检测断续器内的高压状态的方法，其特征在于，所述第二预定值在2与7psia之间。

14.一种用于检测断续器内的高压状态的方法，其特征在于，包括：

将膜片置入所述断续器的外壁内，其中对低于第一预定值的内部压强所述膜片处于收缩位置，而对高于第二预定值的内部压强所述膜片处于膨胀位置；

在所述膜片的外表面引导光束；

当所述膜片处于所述膨胀位置时，检测来自所述外表面的反射光束；

当所述膜片的所述外表面处于收缩位置时，产生不可检测的反射光束；以及当检测到所述光束时，生成高压指示。

15.如权利要求14所述的用于检测断续器内的高压状态的方法，其特征在于，使用光纤电缆将所述光束导向所述外表面。

16.如权利要求14所述的用于检测断续器内的高压状态的方法，其特征在于，使用光纤电缆将所述反射光束传输到检测器件。

17.如权利要求14所述的用于检测断续器内的高压状态的方法，其特征在于，所述第一预定值在2与7psia之间。

18.如权利要求14所述的用于检测断续器内的高压状态的方法，其特征在于，所述第二预定值在2与7psia之间。

19.一种用于检测断续器内的高压状态的方法，其特征在于，包括：

将压强传感器置入所述断续器的封闭体积内；

将窗口置入所述断续器的外壁内；

将所述压强传感器所得的压强检测值转换成光信号；以及

引导所述光信号通过所述窗口。

20.如权利要求19所述的用于检测断续器内的高压状态的方法，其特征在于，所述光学信号通过光纤电缆传输到接收器件。

21.如权利要求19所述的用于检测断续器内的高压状态的方法，其特征在于，所述接收器件包括光电检测器。

22.如权利要求19所述的用于检测断续器内的高压状态的方法，具特征在于，所述压强传感器通过所述断续器内的磁场供电。

23.一种用于检测断续器内的高压状态的方法，其特征在于，包括：

将压强传感器置入所述断续器的封闭体积内；

将通过所述压强传感器所得的压强检测值转换成RF信号；以及

将所述RF信号传输到位于所述断续器外部的接收器。

24.如权利要求23所述的用于检测断续器内的高压状态的方法，其特征在于，所述压强传感器通过所述断续器内及其周围的磁场供电。

25.一种用于检测断续器内的高压状态的装置，其特征在于，包括：

具有活塞的汽缸、第一体积和第二体积的汽缸，

所述活塞分隔所述第一体积与第二体积，

所述第一体积流体连接到所述断续器的内部体积；

连接到所述活塞并伸出所述汽缸外的轴；以及

用于检测所述轴的位置的装置。

26.一种用于检测断续器内的高压状态的装置，其特征在于，包括：

封闭在所述断续器内、具有第一表面与第二表面的可收缩器件，所述第一表面相对于所述断续器固定，所述第二表面随着所述断续器内压强的增大可相对于所述第一表面移动；

具有第一端与第二端的轴，所述第一端连接到所述可收缩器件的所述第二表面；以及

用于检测所述轴的所述第二端的位置的装置。

Images