CN101431236A - 电弧闪光消除系统,装置和方法 - Google Patents

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T·阿索肯
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Abstract

本发明涉及电弧闪光消除系统，装置和方法。一种消除电动机控制中心(420)中的电弧闪光的方法。该方法包括检测对应于电动机控制中心(420)的电弧闪光。响应于检测该电弧闪光，并且在延迟(445)之后确定电弧闪光是否继续，并且响应于确定电弧闪光继续，触发消弧装置(431)。

Description

电弧闪光消除系统，装置和方法
相关申请的交叉参考
本申请是2007年3月30日提交的美国专利申请序列No.11/693849的后续申请，其全部内容作为参考结合在本文中。
技术领域
本发明涉及电弧闪光防护以及消除技术，并且尤其涉及用于此目的的消弧(crowbar)设备。
背景技术
电力电路以及开关设备具有绝缘分开的导体。空气间隙通常在某些区域中用作这种绝缘的部分或者全部。如果导体彼此太靠近或者电压超过了绝缘特性，那么在这些导体之间会出现电弧。导体之间的空气或者任何绝缘(气态或固态电介质)可被离子化，从而使得其导电，这也将形成电弧。电弧温度可高达20000摄氏度，使导体和相邻材料气化，并且释放大量的能量。
电弧闪光是由于相对相、相对中性线、或者相对地之间的电弧故障所导致的快速能量释放的结果。电弧闪光可产生很高的热量、强烈的光、压力波、以及声音/冲击波。然而，电弧闪光电流通常远小于短路电流，并因此期望延迟或者不跳闸断路器，除非选择断路器来处理电弧故障情况。诸如国家环境政策法案(NEPA)，职业安全与卫生条例(OSHA)，以及电气和电子工程师协会(IEEE)之类的代理以及标准规定了流过个人保护衣服以及设备发出的电弧闪光，但不存在由规定所形成的消除电弧闪光的设备。
标准熔丝和断路器典型地不能对电弧闪光足够快速地反应。“消弧装置”是一种企图对电路短路并且因此将电能从电弧闪光转移出去的保护设备。那么通过使得熔丝断路器或者断路器跳闸并且切断电源而清除将要产生的三相短路故障。通用的减小电弧闪光的设备采用机械和/或电-机械工艺，其能承受从将要产生的短路中得到的较大的电流值。因此，本领域中需要一种克服这些缺陷的电弧闪光消除布置。
发明内容
本发明的实施例包括这一种消除电动机控制中心的电弧闪光的方法。该方法包括检测对应于电动机控制中心的电弧闪光。响应该检测，在延迟之后，确定电弧闪光是否继续，并且响应于确定电弧闪光继续，使消弧装置跳闸。
本发明的另一实施例包括一种电动机控制中心，其包括电路支路，与电路支路进行故障保护通信的限流断路器，以及与该电动机控制中心电力连接的消弧装置。该限流断路器响应电路支路内的电流值而切断其中的电流，并且该消弧装置响应对应于电动机控制中心的持续限定期间的电弧闪光情况，以消除该电弧情况。
本发明的另一实施例包括配电系统。该配电系统包括开关设备和与该开关设备电力连接的电动机控制中心。该电动机控制中心包括电路支路，与电路支路进行故障保护通信的限流断路器，以及与该电动机控制中心电力连接的消弧装置。该限流断路器响应电路支路内的电流值而切断其中的电流，并且该消弧装置响应对应于电动机控制中心的持续限定期间的电弧闪光情况，以消除该电弧情况。
附图说明
当参考附图阅读下面的详细说明时，本发明的这些以及其他特征，方面以及优点将更好理解，其中所有附图中相同的特征标识相同的部件，其中：
图1是根据本发明实施例的具有消弧装置和激励电路的电路的示意图；
图2是根据本发明实施例的具有球形电极和触发器栓的消弧外壳的剖面图；
图3是根据本发明实施例的具有等离子枪触发器的消弧装置的透视图；
图4是根据本发明实施例的烧蚀性等离子枪触发器的剖面图；
图5是根据本发明实施例的电弧闪光消除方法的流程图；
图6是根据本发明实施例的消弧装置的示意图；
图7是根据本发明实施例的消弧装置的示意图；
图8是根据本发明实施例的配电系统的方框示意图；以及
图9是根据本发明实施例的配电系统的方框示意图。
具体实施方式
本发明实施例的发明人已经创新地意识到受控电弧可用作电弧闪光消除的消弧装置，并且这种受控电弧比现有的消弧装置更快，提供了增强的电路保护。图1示出具有电源22的电路201，给信号可控的断路器26保护的三个单独的母线24A，24B，24C提供三相电力A，B，C。通过母线提供电力给一个或多个负载28A，28B，28C。
断路器26在短路的情况下打开。然而，在电弧闪光30的情况下不打开，这是因为流过电弧闪光30的电流小于短路的熔断电流，其中该短路的熔断电流使得断路器26跳闸。此外，与诸如断路器26之类的机械断路器相关的延迟可使得电弧闪光30的能量导致无法预料的设备损坏以及可能的人身伤害。
为了解决这个问题，根据本发明的各方面，将消弧装置32连接到电路中，以快速消除电弧闪光。它提供连接到每个相应的相A，B，C上的间隙电极34A，34B，34C。间隙35或者多个间隙将这些电极34A，34B，34C彼此隔开。该间隙可位于空气或者其它绝缘气体中，例如氮气，六氟化硫，或者任何其他合适的惰性气体。间隙35中的触发器设备36将绝缘气体的局部部分离子化，以激励电极34A，34B，34C之间的保护性电弧37(最好参见图2)。这种保护性电弧37快速吸收来自电路201的能量，消除了危害的电弧闪光30。将电极34A，34B，34C密封在坚固耐压容器或者外壳38中以承受与保护性电弧37相关的爆炸能量，该坚固耐压防护容器或者外壳38可包括声冲击波吸收器41。外壳38可以是例如由能够承受所计算的TNT量的爆炸等效物的钢、其他金属或者合金，或者塑料合成物制成的耐压防护容器。
电弧闪光30的低电流(与短路相比)使得较早检测更加困难。因为这个原因，可提供一个或多个诸如差动电流传感器42和/或光学传感器44之类的合适的传感器来检测电弧闪光30。这种传感器在本领域中是公知的。
传感器42，44连接到逻辑电路46，该逻辑电路46在检测到电弧30时产生消弧装置触发器激励指令48。这样通知触发电路52提供脉冲54给触发器36，该触发器使在电极34A，34B，34C之间的间隙35中的某些气体离子化。这样就降低了间隙阻抗，激励了电极34A，34B，34C之间的保护性电弧37。对于给定电路电压，可通过电极34A，34B，34C的尺寸和间隔，并通过在如后所述的触发器中提供烧蚀性材料来设计消弧装置的间隙35。触发降低了电极34A，34B和34C上的阻抗，这样系统电流流进了消弧装置32。
间隙35的阻抗可被设计成支持电弧，该电弧引出足以打开断路器26的电流。除此之外，断路器跳闸信号50可由逻辑电路46产生，以打开断路器26。然而，电弧闪光的消除在断路器26具有打开的时间之前由保护性电弧37完成。
图2示出具有球形电极34A，34B，以及触发器36的消弧装置外壳38的剖面图。该外壳可包括阻尼层41，以吸收由保护性电弧37产生的声冲击波。触发器36可以是电极栓36、电极对、或者接收足以离子化主电极34A，34B之间的某些气体的电流脉冲的加热元件。可替换地，触发器可以是烧蚀性等离子枪60(最好参见图3)，该烧蚀性等离子枪60将诸如聚四氟乙烯，缩醛树脂，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或者任何烧蚀性聚合体之类的烧蚀材料的等离子体以超声波速度注入到电极间的间隙35中。这样就在电极之间产生了导电通道，对于快速和保护消弧装置电流响应，快速并且显著降低了间隙阻抗。图3是具有三个球形电极34A，34B，34C以及在电极34A，34B，34C之间注入等离子体62的等离子枪触发器60的消弧装置的透视图。在外壳38中设置一个或多个压力释放孔39。这些孔39恒定打开，由孔39的尺寸来控制释放速度，或者它们仅在压力超过给定的安全阈值时才通过阀或者迸发板(burst plate)来打开。提供过滤器40以防止颗粒物释放。孔的内壁由烧蚀性材料(例如，聚四氟乙烯，缩醛树脂，PMMA，或者尼龙等等)形成，从而在热蒸汽和颗粒排出到外壳38之前冷却该热蒸汽和该颗粒。
图4是等离子枪60的剖面图，其具有第一和第二电极64，66，一杯烧蚀性材料68和扩散喷管70。在电极64，66之间简短的电压脉冲形成了电弧72，该电弧72加热并且烧蚀该杯材料68中的一部分从而产生高导电等离子体62。如图3所示，将这种等离子体注入到球形电极34A，34B和34C之间的间隙35中，以激励如图2所示的保护性电弧37。
根据上面的描述，电路201使得电弧闪光消除的方法更容易了。图5示意性地示出根据本发明实施例的一种用于电弧闪光消除的方法73。该方法包括连续检测用于电弧闪光30的电路74。响应于确定76出现了电弧闪光30，该方法包括触发78消弧装置32并且使断路器26跳闸80。在消弧装置32被触发78之后，该方法还包括维护82该电气系统，以消除电弧闪光30的起因，检测84对于磨损的消弧装置32，如果需要的话对其维护以及最后，复位86该断路器26，将电路201的电气系统返回到服务中。
在实验测试过程中已经发现，实施本发明各方面的消弧装置比任何其他已知的电弧闪光消除技术更快。该消弧装置32采用烧蚀性等离子触发器进行操作，并且在10-65千安的三相电路中被测试。在采用5kA电流的8/20微秒触发脉冲进行触发后，其实现了小于0.2ms的能量传送时间。这种响应比当前已知的机械电弧故障保护系统的大约3ms的响应时间要快大约15倍。此外，消弧装置32避免了电路201受到由机械消弧装置产生的熔断电流的突然浪涌所带来的损伤。与机械消弧装置没有进行吸收相反，本文中描述的这种消弧装置32吸收了电气系统中10-20％的能量。此外，该消弧装置32非常牢固，可升级，并且在修理之前可重复使用几次，比其他技术所花费的费用更少，并且更加可靠，这是因为它没有移动部件。如上所述，烧蚀性等离子枪60要求很少的启动能量，并且也没有移动部件。
电极间的间隙35的阻抗可进行设计并且由各种参数来进行控制，这些参数包括间隙电极34A，34B，34C的尺寸和间隔以及触发器的等离子体62的特性。等离子体62的特性由等离子枪的电极64，66、烧蚀杯68的内部尺寸、触发器的脉冲形状以及能量、和杯68的材料来确定。例如，在上述的连续测试中，消弧装置电极34A，34B，34C是40mm直径的球体，分别与相邻的球体间隔25mm或者具有位于距离公共中心点为37.52mm的半径处的球体中心。该触发器是具有杯68的烧蚀性等离子枪60，其中杯68由缩醛树脂形成，内腔直径是3mm，腔长度为8mm。喷管70位于电极34A，34B，34C球体中心的平面下方的约25mm处。杯68可由如上所述的其他烧蚀性材料形成，或者如果希望的话，由多个材料的组合形成。
本发明的装置以各种方式构造成。例如，多个消弧装置单元32可以被构造成用于保护电路。图6示出了实施本发明各方面的例如包括两个消弧装置321，322的消弧装置的第二实施例202。第一消弧装置321具有由第一间隙隔开的第一和第二电极34A，34C1，该第一间隙具有第一电弧触发设备36A。第一电极34A连接到电路的第一相A，第二电极34C1连接到电路的第三相C。第二消弧装置322具有由第二间隙隔开的第三和第四电极34B，34C2，该第二间隙具有第二电弧触发设备36B。第三电极34B连接到电气系统的第二相B上，第四电极34C2连接到电气系统的第三相C上。
图7示出实施本发明各方面的例如包括三个消弧装置321，322，323的消弧装置的第三实施例203。第一消弧装置321具有由第一间隙隔开的第一和第二电极34A，34G1，该第一间隙具有第一电弧触发设备36A。第一电极34A连接到电路的第一相A上。第二电极34G1接地。第二消弧装置322具有由第二间隙隔开的第三和第四电极34B，34G2，该第二间隙具有第二电弧触发设备36B。第三电极34B连接到电气系统的第二相B上，第四电极34G2接地。第三消弧装置323具有由第三间隙隔开的第五和第六电极34C，34G3，该第三间隙具有第三电弧触发设备36C。第五电极34C连接到电气系统的第三相C，第六电极34G3连接到地。
例如根据本发明实施例的消弧装置可设置在如321，322，323之类的模块单元中，这些模块单元可安装在例如图6和7所示的不同结构中。这些单元的主电极可以设置有电弧调节以适用于不同的电压。
图8示出配电系统399的实施例的方框示意图，该配电系统399可包括本文中描述和示出的消弧装置32的各个方面。示出电力连接器400在电源22和开关设备405之间。应该理解，示出电力连接器400为单条线路，但其可包括多于一相的电源，例如图1中示出的三相A，B，C，以及开关中性线(未示出)。将电力从电源22提供给包括断路器26的开关设备405。开关设备405分配电力给一个或多个电动机控制中心(MCC)410，415，420，其进一步将电力分配给下游的电负载425。如上所述，响应于电弧闪光30的检测，消弧装置32消除了电弧闪光30，并且引出足以打开断路器26的电流，因而将电力从MCC 410，415，420以及下游的负载425中除去。在一个实施例中，在检测电弧30之后，消弧装置32产生断路器断开信号50以打开断路器26。尽管为了演示的目的将消弧装置32演示为与开关设备405分隔开，但是应该知道其可以一体地设置在开关设备405之内。
如上所述，图8所示的消弧装置32在开关设备405之内提供了电弧闪光30的保护，紧接着在开关设备405内检测到这种电弧闪光30的开始之后，打开断路器，从而将电力从MCC 410，415，420的全部下游负载425中除去。
图9示出了可替换的配电系统430的实施例的方框示意图代表。像例如图1所示的消弧装置32那样的消弧装置431与电动机控制中心420电力连接，并且响应对应于电动机控制中心420的持续限定期间的电弧闪光30的情况，从而消除电弧闪光30的情况。尽管图9中示出消弧装置431与一个MCC 420连接，应该知道，本文中描述的实施例可以包括多于一个的消弧装置431与多于一个的MCC连接，例如MCC 410，415，420与诸如开关设备405那样的开关设备进行电力连接。
在一个实施例中，MCC 420包括一个或多个与电路支路440，445，450进行电力连接并且进行故障保护通信的快速动作限流断路器432。每个限流断路器432响应每个电路支路440，445，450中的电流值，从而响应于过电流值来中断其中的电流。可选地，主断路器435可以保护MCC420中的所有支路440，445，450。就像断路器26，主断路器435可使得足够的电流来支持电弧闪光30而不中断，并且还包括不足以消除期望电弧闪光30的响应时间。
限流断路器432与断路器26和435的区别在于它们提供足够的灵敏度来中断维持电弧闪光30的电流量。此外，这种限流断路器432经常提供八到十毫秒(近似为每秒电周期中60个周期的一半)的响应时间。因此，择性打开适当的断路器432可以消除出现在限流断路器432的下游的任何电弧闪光30。因此，通过限流断路器432的选择性打开消除电弧闪光30，增强了系统430的选择性，这是因为其它断路器432和它们对应的负载不受影响，仍然在运行之中。这种增强的选择性是理想的，这是因为它减少了断路器435，26的故障触发，其能影响另外正确运行的支路440，445，450。在某些工业中，就像例如材料处理工业那样，非常期望减少电力的任何中断，这是因为这种电力中断可以对这些处理过程带来非常高的破坏。
结合由限流断路器432提供给设置在断路器432的下游的支路440，445，450的电弧闪光30的保护，还希望在MCC 420中提供电弧闪光30的消除。本发明的实施例在MCC 420内提供电弧闪光30的消除，同时增强选择性，因而减小了不期望的电力服务中断的可能性。在一个实施例中，MCC 420中的电弧闪光消除和选择性可由消弧装置431来提供，该消弧装置431例如是本文中结合限流断路器432描述的消弧装置32。
在一个实施例中，诸如至少一个差动电流传感器42和光学传感器44那样的传感器与通过伴随有电弧闪光30的情况来检测电弧闪光30的逻辑电路46进行信号通信。响应于对指示可能的电弧闪光30的情况的检测，逻辑电路46启动延迟445。在该延迟455之后，与至少一个传感器42，44进行信号通信的另一逻辑电路460评估表示电弧闪光30的情况是否继续存在。如果表示电弧闪光30的情况继续存在，则逻辑电路460通过提供消弧装置触发启动指令48给触发电路52来触发消弧装置431，从而提供脉冲54给消弧装置431，以消除如上所述的电弧闪光30。由延迟电路455提供的时间延迟量大于限流断路器432的响应时间，从而使得限流断路器432响应限流断路器432的下游的任何电弧闪光30。在一个实施例中，期望合适的时间延迟是约七到十毫秒。
因此，如果表示潜在的电弧闪光30的情况的起因在一个限流断路器432的下面，这将由其中包含该起因的特定支路440，445，450的限流断路器432来消除，并且在延迟455之后将不再存在。因此，如果在延迟455之后，由逻辑电路460进行的评估发现表示潜在电弧闪光30的情况不再出现，继续提供电力给不出现电弧闪光30情况的剩余支路440，445，450，从而为MCC 420提供电弧闪光30保护和增强的灵敏性。
可替换地，如果表示潜在的电弧闪光30的情况在延迟455之后继续存在，那么表示出潜在电弧闪光30的起因位于限流断路器432的上游，并且启动消弧装置431。如上所述，除了启动消弧装置32以外，触发电路52可以提供断路器跳闸信号50给对应于电动机控制中心420的断路器26。优选的是，为了进一步增强灵敏性并且防止正确运行的MCC(诸如图9中的MCC 410，415)中断，触发电路52可提供断路跳闸信号465给开关设备405中的断路器470，该开关设备405和与被检测的电弧闪光30相关联的特定MCC 420电力连接并且与其对应。可替换地，触发电路52可提供断路器跳闸信号475给MCC 420内的断路器435。
在一个实施例中，图9中示出的消弧装置431容易通过电缆480的外部附件而更新到现有的MCC 420上。此外，这种更新安装需要电弧传感器，例如差动电流传感器42或光学传感器44中的至少一个。在另一个实施例中，消弧装置431可以直接安装在MCC 420内。
尽管本发明的实施例已经采用分立的逻辑电路部件进行描述和示出，但是应该清楚本发明的范围并不局限于此，并且本发明还应用于采用集成逻辑电路部件的消弧装置431中。
尽管本发明已经参考示意性实施例进行了描述，但是应该知道，不脱离本发明的范围可进行各种改变并且可将其元件替换成等效物。此外，可进行许多变形，以使得特定的情形或材料可适应本发明不脱离其基本范围的教导。因此，其意图在于，本发明并不局限于就像实现本发明所期望的最好的或者仅有的模式那样公开的特定实施例，而是，本发明包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。同样，在附图和说明书中，已经公开了本发明的示意性实施例，尽管已经采用了特定的术语，但是除非另有说明，他们可仅使用通用并且描述性的含义，并且目的不在于限制，因此本发明并不局限于此。此外，术语第一，第二等的使用并不标识任何顺序或者重要性，而宁可说是术语第一，第二等用于将一个元件与其他元件区分开。此外。术语一，一个等的使用并不标识数量的限制，而宁可说是标识至少一个所涉及项的出现。

Claims (10)

1、一种消除电动机控制中心(420)中的电弧闪光(30)的方法，该方法包括：
检测对应于电动机控制中心(420)的电弧闪光(30)；
响应于该检测，并且在延迟(445)之后，确定电弧闪光(30)是否继续；以及
响应于确定电弧闪光(30)继续，触发消弧装置(431)。
2、权利要求1的方法，其中触发消弧装置(431)包括触发在耐压防护壳(38)中电极(34A、34B、34C)之间的间隙(35)中的保护性电弧(37)。
3、权利要求2的方法，还包括触发该间隙(35)到足够低的阻抗，从而使得保护性电弧(37)使与电动机控制中心(420)相关联的电路中的断路器(470，26)跳闸。
4、权利要求1的方法，其中该触发包括使与电动机控制中心(420)进行故障保护通信的信号可控的断路器(470，26，435)跳闸。
5、权利要求1的方法，其中该延迟(445)大于与电动机控制中心(420)的电路支路(440，445，450)进行故障保护通信的限流断路器(432)的响应时间。
6、一种电动机控制中心(420)，包括：
电路支路(440，445，450)；
与该电路支路(440，445，450)进行故障保护通信的限流断路器(432)，该限流断路器(432)响应于电路支路(440，445，450)内的电流值以中断其中的电流；以及
与电动机控制中心(420)进行电力连接的消弧装置(431)，该消弧装置(431)响应对应于电动机控制中心(420)的持续的限定期间的电弧闪光情况(30)，以消除该电弧闪光情况(30)。
7、权利要求6的电动机控制中心(420)，其中该持续的限定期间大于限流断路器(432)的响应时间。
8、权利要求6的电动机控制中心(420)，还包括：
与电路支路(440，445，450)进行故障保护通信的并且设置在电路支路(440，445，450)上游的断路器(470，26，435)，该断路器(470，26，435)响应消弧装置(431)，以中断电动机控制中心(410，415，420)中的电流。
9、一种配电系统(430)，包括：
开关设备(405)；
与该开关设备(405)进行电力连接的电动机控制中心(420)，该电动机控制中心(420)包括：
电路支路(440，445，450)；
与电路支路(440，445，450)进行故障保护通信的限流断路器(432)，该限流断路器(432)响应电路支路(440，445，450)内的电流值以中断其中的电流；以及
与该电动机控制中心(420)进行电力连接的消弧装置(431)，该消弧装置(431)响应对应于电动机控制中心(420)的持续的限定期间的电弧闪光情况(30)，以消除该电弧闪光情况(30)。
10、权利要求9的配电系统(430)，还包括：
设置在开关设备(405)中的断路器(470，26)，该断路器(470)(26)与电动机控制中心(420)进行故障保护通信，并且响应于消弧装置(431)以中断提供给电动机控制中心(420)的电流。
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