CN101640406A - 电弧闪光检测系统、设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于断路器的电弧闪光系统和操作方法。这种电弧闪光系统包括第一传感器例如光检测器，和检测断路器参数的第二传感器。这种电弧闪光系统响应于来自第一传感器和第二传感器的信号以确定是否发生电弧闪光事件，以避免断路器的有害的跳闸。

Description

电弧闪光检测系统、设备和方法

技术领域

本发明涉及防止和减轻电弧闪光的技术，并且特别涉及防止低电压断路器中的有损害的跳闸。

背景技术

电力线路和开关装置具有被绝缘体隔离的导体。在一些区域空气间隙时常被作为部分或所有这种绝缘体。如果导体彼此过于靠近，或者电压超过绝缘特性，那么在导体之间可能发生电弧。导体之间的空气或任何绝缘体(气体或固体电介质)都可能变成电离的，使其成为传导性的，其可导致产生电弧。电弧温度可能高达20,000℃，使导体和相邻材料气化，并释放大量的能量。

电弧闪光是由于在相-相、相-零或相-地之间的电弧放电而引起的快速能量释放的结果。电弧闪光可产生高热、强光、压力波和声波/冲击波。然而，电弧闪光电流通常比短路电流小得多，因此断路器的延迟或不跳闸是可预期的，除非选择断路器处理电弧闪光状况。诸如国家环境政策法案(NEPA)、职业安全与卫生条例管理局(OSHA)以及电气及电子工程师学会(IEEE)等机构和标准通过个人防护衣和设备来调节电弧闪光问题，但条例没有确立消除电弧闪光的装置。

典型地，电弧闪光至少部分地通过使用光传感器或光检测器而得到检测，光传感器或光检测器检测由电弧发射出的光。这些光传感器对于光是非常敏感的，并可被来自周围环境的明亮的光触发。这种对周围光线状况的敏感性导致了断路器有害的跳闸，致使不必要的电功率损失到保护电路中。

因此，虽然目前的电弧闪光检测系统适合于其预期目的，但在本领域中仍存在对减少或消除电弧闪光事件的错误检测的电弧闪光检测装置的需求。

发明内容

本发明提供了一种利用断路器检测电弧闪光的方法。该方法包括检测断路器中的光的存在。检测断路器参数，该参数指示断路器中的接触臂的位置。使电弧闪光检测器的响应延迟某一固定的时段。最后，在固定时段之后如果仍检测到光，那么使断路器跳闸。

本发明还提供了一种具有壳的断路器。入口端子定位在壳的一端。出口端子也定位在壳的一端，其中，出口端子电联接在入口端子上。可移动的接触臂设置在壳中，其中，接触臂电联接在入口端子和出口端子之间。光传感器定位以检测壳中的光的存在。参数传感器被联接以测量断路器参数。电弧闪光检测器电联接在光传感器和参数传感器上，电弧闪光检测器响应于来自光传感器和所述参数传感器的信号而使断路器的跳闸延迟。

本发明还提供了一种具有光传感器和参数传感器的断路器。跳闸单元电联接在光传感器和参数传感器上。跳闸单元具有控制器，其响应于可执行的计算机指令，用于延迟断路器响应于接收到来自光传感器和参数传感器的信号的跳闸响应。

附图说明

当参照附图阅读以下详细说明时，将更好地理解本发明的这些以及其它特征、方面和优势，其中在所有附图中相同的标号表示相同的部件，其中：

图1是根据一个示例性实施例的带有电弧闪光检测系统的电路的示意图；

图2是利用电压互感器的电弧闪光检测系统的一个实施例的示意图；

图3是当接触臂分开时断路器的电压和电流曲线的图示；

图4是图2的实施例的电路的示意图；

图5是断路器的平面图，其具有与断路器机构相关联的断路器参数传感器；

图6是图5的断路器的平面图，其中，断路器处于开位置；和

图7是根据一个示例性实施例的电弧闪光检测方法的流程图；

部件列表：

20电路

22功率源

24母线A

26母线B

28母线C

30断路器

32负载

34电弧故障检测器

36接触臂

38机构

40手柄

42跳闸杆组件

44跳闸单元

46电流互感器

48光传感器

50断路器参数传感器

具体实施方式

用于检测电弧闪光事件的系统与诸如断路器的装置是集成一体的，以容许电功率的中断，并最大限度地减小电弧闪光造成的损害。图1显示了带功率源22的电路20，此功率源为三个相应的受到可由信号控制的断路器30保护的母线24、26、28提供3-相电功率A、B、C。功率通过母线提供给一个或多个负载32。

断路器30通常设置成在异常操作状况下，例如短路状况下被断开。然而，在电弧闪光30的情况下，断路器典型地可能不断开，因为流过电弧闪光的电流低于短路的电流电平，短路电流会使断路器30跳闸。为了提供这种额外的功能，电弧闪光检测器34监测断路器30的操作状况以检测电弧闪光事件。

断路器30还包括一个或多个接触臂36，其设置成可在闭合状态和断开状态之间移动，在闭合状态下，电流从功率源22流向负载32，在断开状态下电功率的流动被中断。接触臂36电联接到入口端子52上，其将断路器30电连接在功率源22上。接触臂36还联接在机构38上，机构38包括诸如弹簧和连杆等构件，以使接触臂36在受到操作员通过例如断开开关或手柄40而激励时从闭合位置移动到断开位置。机构还使用一种跳闸杆组件42，其容许接触臂36在异常操作状况下快速断开。

机构38还联接在跳闸单元44上。跳闸单元44可以是电子式的，其具有带处理器的控制器，处理器执行计算机指令，用于控制断路器30的操作。跳闸单元44还可以是机械组件，其包含诸如磁铁等构件或热响应装置，其在异常操作状况下激励跳闸杆组件42。在跳闸单元44是电子单元的情况下，一组电流互感器46提供了指示经由断路器30流入母线24，26，28中的电流水平的信号。

断路器30还包括电联接在电弧闪光检测器34上的第一传感器48和第二传感器50。如以下将更详细论述的那样，电弧闪光检测器34使用接收自第一传感器48和第二传感器50的数据以确定电弧闪光事件是否发生，或者事件是否是正常的或预期的操作状况。在示例性实施例中，第一传感器48是光传感器或光检测器。光传感器48响应于撞击光传感器48中的检测器的光子而发送信号。因为电弧闪光产生光，所以来自光传感器的信号发送指示了电弧闪光事件。然而，在断路器30的壳31中，还存在其它也可能产生光的事件。例如，当断路器在闭合位置和断开位置之间操作时，在接触臂的触点和联接在断路器的出口端子54上的固定触点之间会瞬间产生等离子弧。在电触点分开和电流中断的任何时间都会产生这类等离子弧。应该懂得，电弧闪光检测器34需要区分由断路器30正常操作所产生的来自光传感器48的信号。

为了将电弧闪光事件与正常操作区别开，电弧闪光检测器34利用来自断路器参数传感器50的数据。断路器参数传感器50可以是任何类型的提供断路器30的操作指示的传感器，这类传感器包括，但不限于电压互感器、联接在接触臂36上的指示开关、联接在机构38上的指示开关、联接在跳闸杆组件42上的指示开关、或者电联接在外部装置上的传感器，诸如过电流传感器56。应该懂得，断路器参数传感器50的实例是示例性的，并且权利要求的范围不应受到如此的限制。

电弧闪光检测器34包括体现在可执行的计算机指令中的算法，用于比较来自光传感器48的信号、来自电流互感器46和参数传感器50的电流水平，如图块58中所示。如果从光传感器48接收到信号，并且电流互感器46测量出异常的电流水平，那么电弧闪光检测器34确定断路器30的操作状态。如果参数传感器50指示接触臂处于闭合位置，那么这指示电弧闪光事件正在发生，因为光传感器48所检测的光不是由于断路器触点的分开而引起的。之后电弧闪光检测器34继续至图块60，在此处，当机构38被激励时信号被发送至跳闸单元44，致使断路器触点分开，并且电功率的流动被中断。如果图块58返回的结果是否定的，那么这意味着光传感器48已经发送信号，并且参数传感器50指示至少其中一个接触臂36已经移动。例如，如果过电流传感器56指示高的电流水平，那么这将指示断路器将发生跳闸以清除故障。电弧闪光检测器继续至图块62，在此处进行电弧闪光检测器34的响应。在预定的时间段之后，电弧闪光检测器34返回其正常状态。

现在参看图2-4，其显示了参数传感器50是联接在断路器30上的电压互感器64的一个示例性实施例。电压互感器64包括电联接在断路器30的入口端子52侧的第一连接66。电压互感器64的第二连接68电联接在断路器30的出口端子54侧。电压互感器64是一种容许以高精度测量电压的类型的互感器。电压互感器将较高水平的电压和电流调整至可利用正常测量仪表直接测量的较低的水平。

在操作期间，电弧闪光检测器34接收断路器30处的电流和电压的测量值。在状况正常的情况下，如图3的线70所示，电压测量值的导数dV/dT为零或接近零。因而，当dV/dT曲线为零时，如区间72中所示，这指示接触臂36是闭合的且没有移动。随着接触臂36移动，dV/dT曲线发生变化，例如区间74中所示。这种dV/dT曲线上的变化指示接触臂36断开，并且电弧闪光检测器34响应于光传感器48的信号而延迟至例如区间74的末端。如果光传感器48在区间74的末端例如点76处仍然发送信号，那么这将指示电弧闪光事件正在发生。在这种情形下，在接触臂36已经移动并且电弧闪光正在发生的情况下，电弧闪光检测器可采取额外的步骤，例如发送信号给上游断路器(未显示)以中断电功率的流动或使用本领域中已知的其它电弧闪光减轻技术。

因而，在示例性实施例中，电弧闪光检测器34从电压互感器输出78、电流互感器输出80和光传感器输出82中获得数据作为输入。这些输入同用于预期操作状态的已知值进行比较，并进入逻辑判定树以确定需要采取什么动作，例如延迟电弧闪光响应84。因此，当没有电弧闪光事件发生时，电弧闪光检测方法将减少断路器30的有害的跳闸。有害跳闸的减少减少了电路20的维护和操作费用。

现在转到图5和图6，其显示了另一实施例，其中断路器参数传感器50是一种开关，例如微型开关86。如上面论述的那样，断路器30包括接触臂36，其联接在入口端子52和出口端子54之间。断路器机构38通过连杆88，90而联接在接触臂36上。连杆88，90与机构38一起造成接触臂36在闭合弹簧96的作用力下闭合。连杆88，90还将接触臂36保持在闭合位置，克服弹簧94的作用力，直至被例如跳闸杆组件42释放。

在操作期间，当接触臂36处于闭合位置时(图5)，微型开关86处于断开位置。当接触臂断开时(图6)，例如由于跳闸单元44检测到故障或受到例如机构38的激励时，连杆88，90开始运动，致使接触臂36围绕枢轴92而旋转。这种旋转是由于弹簧，例如弹簧94所施加的作用力而引起的。接触臂36的旋转造成电功率的中断，并使电路脱离功率源22。

当连杆88，90从闭合位置移动到断开位置时，连杆90的表面与微型开关86相互作用。这种相互作用造成微型开关86从断开位置移动到闭合位置。微型开关86的闭合完成了电路，其导致信号传输至电弧闪光检测器34中。如上面论述的那样，接触臂36的断开会造成瞬时的等离子弧的形成，其可被光传感器48检测到。当微型开关86闭合时，信号的传输对电弧闪光检测器34指示接触臂36是断开的，并且传感器34的响应应被延迟。因而，可避免有害的跳闸和错误的电弧闪光事件的指示。应该懂得，虽然所示微型开关86与连杆90相互作用，但该图是示例性的，并且可将微型开关86设置成与机构38中的任何连杆，例如连杆88相互作用。此外，还可将微型开关86设置成直接与接触臂36相互作用，以进一步最大限度地减小发送指示接触臂36是断开的信号所需要的时间量。

电弧闪光检测器34可包括一个或多个处理器和相关联的电子构件(未显示)，其能够接收、存储和执行计算机指令，以容许电弧闪光检测器执行本文所述的方法。在图7中显示了用于最大限度地减小有害的跳闸和电弧闪光事件错误指示的示例性过程100。过程100开始于图块102，并继续至确定光传感器48是否已经检测到光的判定图块104。如果判定图块104返回否，那么过程100回送至开始图块102，以再次开始过程100。

如果判定图块104返回是，那么过程100继续至判定图块106以确定电流互感器46是否测量到任何异常电流水平。如果没有异常电流读数，那么过程100再次回送至开始图块102。如果判定图块106返回是，那么过程100继续至图块108以确定断路器参数传感器50是否已经提供了指示断路器断开的任何信号。利用上面参照图5-6的示例，如果微型开关86没有被激励，那么判定图块108返回否。这可能指示电弧闪光事件的发生。然后过程100继续至图块110，在图块110中使断路器机构跳闸，容许连杆88，90在弹簧94的作用力下移动，并中断流入到电路20中的电流。然后过程100停止于图块112。

如果判定图块108返回是，那么这指示接触臂36是断开的，并且由光传感器48检测到的光并非是由于电弧闪光事件引起的。然后过程100继续至图块114，在图块114中，使电弧闪光检测器34的响应延迟某一预定的时间量。一旦这个时间周期到期，例如在图3的点76处，那么就在判定图块116中确定光传感器48是否仍然检测到光。如果判定图块116返回是，意味着仍然检测到光，那么过程100移动至图块110，在图块110处使断路器跳闸，并使过程停止于图块112。如果判定图块116返回否，那么过程100回送至图块102，并再次开始。

虽然已经利用集成逻辑电路构件的方框图描述并显示了本发明的一个实施例，但是应该懂得，本发明的范围并不受到如此限制，而且本发明还将应用于可利用离散的逻辑电路构件或利用机械计时延迟而非包含在软件中的计时延迟的电弧闪光检测器。

虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但是应该懂得，在不脱离本发明的范围内，可做出各种变化，并且等效物可替代其元件。另外，在不脱离本发明的本质范围的情况下，可进行许多改进，以使得特殊的情形或材料适应本发明的教导。因此，本发明并不局限于作为被认为是实现本发明的最佳模式或唯一模式的特殊的实施例，相反本发明将包括落在权利要求范围内的所有实施例。另外，在附图和说明书中已经公开了本发明的示例性实施例，虽然可能采用了特殊术语，但除非声明，否则其只是用于普通且描述性的意义，而非用于限制目的，因此本发明的范围并不局限于此。此外，术语“第一”、“第二”等的使用并不表示任何顺序或重要性，相反术语“第一”、“第二”等用于将一个元件与另一元件区分开。此外，术语“一”、“一个”等的使用并不表示数量的限制，而是表示至少存在一个所指事物。

Claims (10)

1.一种利用断路器(30)检测电弧闪光的方法，其包括：

检测所述断路器(30)中的光的存在(104)；

检测指示所述断路器(30)中的接触臂(36)的位置的断路器参数(108)；

使电弧闪光检测器的响应延迟一段固定的时间(114)；

在所述一段固定的时间之后，如果仍然检测到所述光，就使所述断路器跳闸(110)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检测断路器参数(108)包括测量所述断路器的输入侧和输出侧之间的电压电势的步骤。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括对所述测量的电压取导数(70)的步骤。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，如果所述电压导数的值响应于所述检测光的存在(104)而发生变化，那么就执行使所述电弧闪光检测器的响应延迟(114)。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括接收断开所述断路器的信号，并响应于接收到所述信号而执行使所述电弧闪光检测器的响应延迟(104)的步骤。

6.一种断路器(30)，包括：

壳(31)；

位于所述壳(31)的一端的入口端子(52)；

位于所述壳(31)的一端的出口端子(54)，所述出口端子(54)电联接在所述入口端子(52)上；

在所述壳(31)中的可移动的接触臂(36)，所述接触臂(36)电联接在所述入口端子(52)和所述出口端子(54)之间；

光传感器(48)，其被定位来检测所述壳(31)中的光的存在；

参数传感器(50)，其被联接来测量断路器参数；和

电弧闪光检测器(34)，其电联接在所述光传感器(48)和所述参数传感器(50)上，所述电弧闪光检测器(34)响应于来自所述光传感器(48)和所述参数传感器(50)的信号而延迟所述断路器(30)的跳闸。

7.根据权利要求6所述的断路器(30)，其特征在于，所述参数传感器(50)是电压互感器(78)，其可操作地联接在所述入口端子(52)和所述出口端子(54)之间。

8.根据权利要求6所述的断路器(30)，其特征在于，所述参数传感器(50)对来自断路器断开装置(38)的信号起响应。

9.根据权利要求8所述的断路器(30)，其特征在于，所述断路器断开装置是一种过电流继电器(56)。

10.根据权利要求8所述的断路器(30)，其特征在于，所述断路器断开装置是一种手动断路器断开开关(40)。

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