CN101911225B - 用于隔离中压的系统 - Google Patents

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Abstract

一种信号隔离变压器(205)可以被布置为使得信号隔离变压器(205)的第一线圈(202)位于中压隔室(210)中且信号隔离变压器(205)的第二线圈(204)位于中压隔室(210)的外部(230)。该变压器跨越由接地壁(212)限定的开口(214)以隔离中压隔室(210)中的故障。

Description

用于隔离中压的系统
优先权声明和相关申请
本申请要求2008年1月9日提交的题为“A Method for Isolating aMedium Voltage”的美国临时专利No.61/019,994和2008年1月9日提交的题为“Signal Isolating Transformer and System Including Same”的美国临时专利No.61/019,962的优先权，其整体地通过引用结合到本文中。
技术领域
公开的实施例一般性地涉及用于隔离中压的方法和系统。
背景技术
一般可以在若干不同的标准化电压电平下获得电交流电(AC)功率。可以将高达约600伏的电平分类为低压(LV)。可以将约69,000伏以上的电平分类为输电电压。可以将LV与输电电压之间的电平分类为中压(MV)。
可以从MV电源对高额定功率的电气设备进行馈电。MV电源存在触电死和闪光烧伤的危险。因此，安全规范通常要求接近MV电源仅限于经过培训的服务人员。为了限制接近MV电源，可以将包含MV电路的设备部分装入金属隔室中或设置在受限房间或储藏室中。如本文所使用的，在物理上将MV电路的某些或所有组件与非MV组件分开的隔室、房间、储藏室、或其它结构被称为中压隔室。可以将包含MV电路的设备部分视为在设备的MV侧，而将仅包含LV电路并因此具有较少受限接近的设备部分视为在设备的LV侧。
由MV电源馈电的电气设备还可以包含用于保护和控制的LV装置。LV装置可以包括但不限于恒温器。LV装置可以通过导线连接到LV电路，该LV电路可以包括能够被人工操作员触摸的接口装置。接口装置可以包括但不限于开关、指示灯、仪表、显示屏等。
安全规范通常要求提供保护装置以防止MV电源侵占LV电路，即使在MV电路中产生电弧故障期间也是如此。此类保护装置可以包括用具有指定最小厚度的金属屏障将LV布线与MV布线分开。在指定最小厚度下，金属屏障能够在足够长的时间间隔内抵抗被来自MV电弧故障的等离子体或辐射熔化，使得故障将首先被例如熔丝、断路器等MV保护装置清除。
图1示出现有技术装置100(例如，高额定功率的电气设备)的简化表示，该装置100包括至少一个包括MV布线及其它MV组件的MV电路161和至少一个包括LV布线及其它LV组件的LV电路150。MV电路161被包含在位于装置的MV侧的MV隔室110内，并且LV电路150被包含在MV隔室110和LV隔室130两者内。MV隔室包括用于将MV隔室与LV隔室隔离的接地金属壁112。MV隔室110还可以包含一个或多个MV装置162。
LV电路150之一包括被安装在MV隔室110中的多个串联常闭LV恒温器131～134和被安装在LV隔室130中并与LV恒温器131～134串联连接的LV继电器136(例如过热继电器)。LV恒温器131～134被用来监视MV隔室110中的关键组件的温度，并且LV继电器被用来断开或闭合LV隔室130中的一个或多个LV控制电路。
在操作中，通过常闭LV恒温器131～134向LV继电器136施加来自LV隔室的120 VAC控制功率140，从而激励LV继电器136并将LV继电器136的触头移动到闭合LV隔室中的控制电路138的闭合位置。如果LV恒温器131～134的任何之一检测到过高温度，则给定的LV恒温器断开，从而使LV继电器136去激励并将LV继电器136的触头移动到断开LV隔室130中的LV控制电路138的断开位置。LV控制电路138的断开促使生成警报142信号。响应于该警报信号，或作为替换，可以显示警告消息，可以中断电源等。
如图1所示，载送120 VAC控制功率的LV布线150通过MV隔室的接地金属壁112。当在MV电路(例如161)中发生电弧故障时，由于电弧故障而引起的等离子体160可能接触包括MV隔室110中的LV恒温器131～134和LV布线150的LV电路。当等离子体160接触LV恒温器131～134或LV布线150时，等离子体160的高温和/或高压可以导致LV恒温器131～134和/或LV布线150的隔离失败。该隔离失败可以产生经由等离子体160的在MV电路161与LV电路150之间的直接连接170，从而向LV恒温器131～134、LV布线、以及其它与其相连的LV组件施加MV。由于此类LV电路中的装置和布线通常未被充分隔离以经受大得多的MV，所以这些装置和布线的隔离还可能在未被直接暴露于等离子体的位置处击穿。MV可以继续以上述方式从一个LV电路跳到另一LV电路，直至MV到达人机接口装置180并产生可能致命的电击危险为止。
为了使与潜在的电弧故障相关的风险最小化，可以将位于MV隔室110中的每个LV装置装入接地的金属箱中，并且可以将位于MV隔室110中的所有LV布线布置在接地的金属管道中。对于此类实施方式，接地金属箱和管道中的金属可具有足以在期望的时间间隔内抵抗被MV电弧故障的等离子体或辐射熔化的厚度。然而，此类配置实现起来常常是困难且昂贵的，对于具有位于MV隔室中的许多LV装置和/或在MV隔室中的分散位置中的LV装置的应用而言尤其如此。
发明内容
在实施例中，电气系统包括具有限定开口的至少一个壁的中压隔室。信号隔离变压器包括具有第一芯柱和第二芯柱的芯、缠绕第一芯柱的第一线圈、和缠绕第二芯柱的第二线圈。导电板连接到所述壁和所述芯，被设置在第一线圈与第二线圈之间，并覆盖所述开口。第一线圈可以位于中压隔室中，并且第二线圈可以位于中压隔室外部，诸如在低压隔室中。可以将金属板电接合到所述芯。第一和第二线圈可以具有相同或不同的匝数。可选地，可以将调谐电容器并联地电连接到第一线圈或第二线圈的任何之一。
可以将一组低压恒温器设置在中压隔室内以便将第一线圈电连接到恒温器。所述恒温器可以运行使得任何恒温器的断开促使第二线圈的阻抗增大。低压继电器可以电连接到第二线圈。如果这样，则恒温器运行使得任何恒温器的断开促使继电器的触头移动。
在替换实施例中，信号隔离变压器包括具有第一芯柱和第二芯柱的芯，缠绕第一芯柱的第一线圈、缠绕第二芯柱的第二线圈、和连接到芯的金属板。该金属板被设置在第一线圈与第二线圈之间并延伸通过所述芯。第一线圈位于中压隔室中，第二线圈位于中压隔室外部，并且所述金属板覆盖中压隔室的接地金属壁中的开口以防止等离子体从中压隔室中的第一线圈传到在中压隔室外部的第二线圈。第一和第二线圈可以具有相同或不同的匝数。可选地，可以将调谐电容器并联地电连接到第一线圈或第二线圈的任何之一。
在替换实施例中，电气系统包括中压隔室，该中压隔室包括限定开口的壁。信号隔离变压器包括芯、缠绕芯的第一部分的第一线圈、缠绕芯的第二部分的第二线圈、和封装第一线圈和第二线圈及芯的模制壳。该壳将第一线圈设置在所述壁的一侧并将第二线圈设置在所述壁的相对侧，从而所述模制壳包括覆盖开口的凸缘。所述信号隔离变压器还可以包括电连接到在所述模制壳内部的芯的一个或多个导电插入物，所述导电插入物用于提供从所述芯到地的路径。第一和第二线圈可以具有相同或不同的匝数。可选地，可以将调谐电容器并联地电连接到第一线圈或第二线圈的任何之一。
附图说明
考虑以下说明、所附权利要求和附图，本文所述的实施例的方面、特征、益处和优点将变得明显，在附图中：
图1示出现有技术装置(例如，高额定功率的电气设备)的简化表示，该现有技术装置包括至少一个MV电路和至少一个LV电路；
图2示出包括至少一个MV电路和至少一个LV电路的装置的各种实施例；
图3A～3C示出根据各种实施例的图2的装置的信号隔离变压器的各种视图；
图4A～4C示出根据其它实施例的图2的装置的信号隔离变压器的各种视图；
图5公开根据实施例的对候选继电器进行的示例性试验测量；以及
图6示出隔离中压的方法的各种实施例。
具体实施方式
在描述本方法、系统和材料之前，应理解的是本公开不限于所述的特定方法、系统和材料，因为这些可以改变。还应理解的是本说明书所使用的术语仅仅是为了描述特定的版本或实施例的目的，而并不意图限制范围。例如，如本文和所附权利要求所使用的单数形式“一”和“该”包括复数提及物，除非上下文另外清楚地指明。另外，本文所使用的词语“包括”意图意指“包括但不限于”。除非另外定义，否则本文所使用的所有技术和科学术语具有与本领域的普通技术人员一般理解的相同的意义。
而且，应理解的是本发明的至少某些附图和说明已被简化以集中在与清楚地理解本发明相关的元件上，同时出于明了的目的消除本领域的普通技术人员将认识到还可以包括本发明的一部分的其它元件。然而，由于此类元件在本领域中众所周知，并且由于此类元件不一定有利于本发明的更透彻理解，本文未提供此类元件的说明。
图2示出包括至少一个MV电路261和至少一个LV电路的装置的各种实施例。图2的装置包括将MV隔室210与LV隔室230电隔离的信号隔离变压器205。在图2的装置中，由于由信号隔离变压器提供的电气隔离，MV隔室210内的每个LV组件不需要被装入接地金属箱中，并且位于MV隔室210中的LV布线250不需要被容纳在接地金属管道中。在许多应用中，图2的装置制造起来比图1的装置成本低，因为与信号隔离变压器相关的成本常常低于与将MV隔室内的LV组件装入金属箱和与将MV隔室中的LV布线布置在接地金属管道中相关的成本。信号隔离变压器205包括连接到常闭LV恒温器231～234的第一线圈202和连接到LV继电器236的第二线圈204。
如图2所示，第一线圈202位于MV侧，而第二线圈204位于LV侧。对于此类实施例，MV隔室的接地金属壁212限定尺寸被确定为接纳信号隔离变压器205的开口214。用这种布置，替代于使LV布线通过MV隔室的接地金属壁212，只有信号隔离变压器205通过MV隔室的接地金属壁212。如本文所使用的，金属可以指的是实际金属或另一导电材料。根据各种实施例，该装置还可以包括并联连接到第一线圈202或第二线圈204的调谐电容器206。(图2描绘并联连接到第二线圈204的电容器206)。第一线圈和第二线圈可以包括不同的匝数，以便第二线圈204包含比第一线圈202多或少的匝数。然而，可以有每个线圈包括相同匝数的实施例。
在操作中，向第二线圈204和LV继电器236线圈的串联组合施加来自LV隔室的120VAC控制功率240。如果至少一个常闭LV恒温器231～234由于过高的温度而断开，则第二线圈204的阻抗可比LV继电器236线圈的阻抗大得多，并且此高阻抗将限制通过第二线圈204的电流小于LV继电器236线圈的释放电流(drop-out current)。然而，如果所有常闭LV恒温器231～234都闭合(即，无过高温度)，则结果得到的第一线圈202两端的短路可以通过磁耦合促使第二线圈204具有比LV继电器236线圈的阻抗低得多的阻抗。该低阻抗允许比LV继电器236线圈的吸合电流大的电流流过第二线圈204，从而激励LV继电器236线圈并使LV继电器236线圈的触头移动到使LV隔室中的控制电路238闭合的闭合位置。LV控制电路238的断开促使产生警报信号242。响应于警报信号或作为替换，可以显示警告信息、可以中断电源等。
当在MV电路261中发生电弧故障时，可能产生电离气体或等离子体260的导电云。等离子体260可以包围在位于MV隔室中的LV电路的LV组件(例如LV恒温器231～234)和LV布线250附近。由于LV组件231～234或LV布线250的隔离通常不能经受住等离子体260内的高温或高压，所以隔离可能失败。该隔离失败可生成经由等离子体260的在MV电路与LV电路之间的直接连接270，从而向该LV电路和与其相连的任何其它LV电路施加MV。
在MV隔室中的LV电路上的MV的存在可对LV电路的LV装置和LV布线的隔离施加大的电压过应力。该应力可能导致LV电路的LV装置和LV布线的隔离失败，即使LV装置231～234和LV布线250位于未被直接暴露于等离子体的区域中也是如此。然而，受到影响的LV电路231～234和250由于由信号隔离变压器产生的分离而不直接延伸超过MV隔室。因此，可能存在对MV隔室中的LV电路的材料损坏，但MV隔室外面的物理危害的威胁大大降低。
当MV隔室中的给定LV电路的隔离失败时，可以产生从LV电路到接地金属壁212的路径。该到地的路径可以用于防止出现在LV电路上的MV被施加于与该LV电路相连的其它LV电路。当产生到地的路径时，非常大的电流可通过受影响的LV电路流到地。这些大的电流可以使LV布线250的部分汽化，并且此类汽化可以用于防止出现在LV电路上的MV被施加于与该LV电路相连的其它LV电路。可选地，可以在不影响正常操作的情况下故意产生到地252的一个路径。
当在信号隔离变压器的第一线圈202与故障位置之间的LV布线250中未产生到地的路径时，信号隔离变压器的第一线圈202与芯之间的隔离可能失败，从而导致MV施加于芯。信号隔离变压器的芯经由一个或多个导体接地。第一线圈202与芯之间的隔离失败本身将产生用于MV的经由导体到地的路径。当产生此类路径时，非常大的电流可以流过受影响的LV布线250并流过将芯连接到地的导体。尽管非常大的电流可能使LV布线250汽化，但芯接地(core-grounding)导体的尺寸被确定为使其将不会在受影响的LV布线汽化或故障被MV保护装置清除之前汽化。因此，在没有到达第二线圈204的任何等离子体260的情况下，将没有MV被施加于第二线圈204或施加于LV侧230的任何人机接口装置。
图3A、3B和3C示出根据各种实施例的图2的装置的信号隔离变压器205的各种视图。图3A是从MV部(图2中的210)观察的变压器205的侧视图。虚线214表示金属壁212中的开口。图3B是变压器205在其延伸通过金属壁212中的开口214时的视图。图3C是从LV部(图2中的230)观察的变压器205的侧视图。
信号隔离变压器包括具有第一芯柱(leg)311和第二芯柱312的芯310、缠绕第一芯柱311的第一线圈321、缠绕第二芯柱312的第二线圈322、和连接到芯310的金属板330。金属板330被设置在第一线圈312与第二线圈322之间并延伸通过芯310。金属板330具有指定最小厚度并且尺寸被确定为完全覆盖MV隔室的接地金属壁212中的上述开口214。因此，当在MV隔室中发生电弧故障时，该金属板防止由电弧引起的等离子体从MV侧传到LV侧。金属板330可以提供导电的任何适当方式附着于MV隔室的接地金属壁。例如，根据各种实施例，该金属板可以通过例如安装孔324中的导电螺栓之类的紧固件附着于MV隔室的接地金属壁。
芯310可以具有任何适当形状或构造，诸如箱形层压钢，并且芯310被安装于金属板330，使得第一芯柱311在金属板330的一侧而第二芯柱312在金属板330的另一侧。当金属板330被附着于MV隔室的接地金属壁时，第一芯柱311在MV侧而第二芯柱312在LV侧。可以将芯310电连接到金属板330，从而一旦金属板330被附着于MV隔室的接地金属壁，金属板330和芯310两者就都通过例如安装孔324中的导电螺栓接地。金属板330被配置为使得其不充当芯上的短路线匝。例如，根据各种实施例，金属板330可以限定用于防止金属板330充当芯310上的短路线匝的狭缝。
第一线圈321可以包括电连接到装置的MV侧上的LV布线的任何数目的端子325、326，而第二线圈322可以包括电连接到装置的LV侧上的LV布线的端子327～328。
根据各种实施例，第一和第二线圈可以具有相同的匝数和相同的工作电压。根据其它实施例，第一和第二线圈可以具有不同的匝数和不同的工作电压。通常，第一和第二线圈中的每一个可以针对其自己的工作电压被隔离。
用上述配置，将没有故障电流直接到达第二线圈，将没有等离子体通过金属板到达第二线圈，并且在第二线圈的隔离上将不会发生过大的应力。因此，在LV侧上的人机接口装置处不产生可能致命的电击危险。
图4A、4B和4C示出根据其它实施例的信号隔离变压器405的各种视图。图4的信号隔离变压器包含与图3的信号隔离变压器中的元件类似的许多元件，但是不同之处在于图4的信号隔离变压器的芯410和线圈421、422被封装在模制环氧树脂壳440中而不是被安装于金属板。模制环氧树脂壳440限定装在MV隔室的接地金属壁412中的开口414上的凸缘。模制环氧树脂壳440包括由金属或另一导电材料制成的插入物442，该插入物442被模制到凸缘中并被配置为接纳紧固件(例如螺栓)，该紧固件用来将信号隔离变压器附着于MV隔室的接地金属壁。可以将金属插入物442电连接到模制环氧树脂壳440内部的芯410以提供用于由于MV电路中的电弧故障而引起的电流的到地的路径。凸缘用于阻止任何等离子体进入LV隔室，因为凸缘厚度足以抵抗在MV保护装置能够运行之前被MV电弧故障的等离子体或辐射熔化。
第一线圈421可以包括电连接到装置的MV隔室中的LV布线的任何数目的端子425、426，而第二线圈422可以包括电连接到装置的LV隔室中的LV布线的端子427～428。
图2～4所示的信号隔离变压器在LV恒温器与LV继电器之间引入未在图1的装置中出现的附加串联电阻和电抗。而且，图2～4所示的信号隔离变压器即使在一个或多个LV恒温器断开时也可以汲取磁化电流。因此，通常基于这些事实来选择LV继电器。
图5示出对示例性LV继电器—在这种情况下为由Potter & Bromfield制造的具有零件号KUP-14A35-120的继电器—进行的试验测量。在图5中，在x轴上示出60Hz下的线圈伏特AC(VAC)，而在y轴上示出线圈安培。如图5所示，如果未被保持，则线圈在标记为501的区域中释放。如果未被保持，该线圈在标记为502的区域中抖动(chatter)。在标记为503的区域中，至少要求有0.023安培下的75 VAC以促使示例性的LV继电器吸合。由于信号隔离变压器引起的附加电阻和电抗两端的0.023安培下的电压降被矢量相加到75VAC以确定新的且更大的最小吸合值。
而且，如图5所示，LV继电器在通过候选继电器线圈的电流小于0.008安培时释放。因此，由于信号隔离变压器而引起的磁化电流应小于0.008安培。该磁化电流是反应滞后的。因此，如果磁化电流过大，则可以通过与第一线圈或第二线圈中的任何一个并联地添加可选调谐电容器(图2中的206)来用反应超前电流抵消大部分磁化电流。图2示出与第二线圈204并联的电容器206。
图6示出隔离中压的方法600的各种实施例。方法600可以例如用来将中压隔室中的电弧故障与在中压隔室外部的人机接口装置隔离。方法600在方框602处开始，在那里，将信号隔离变压器定位为使得信号隔离变压器的第一线圈在中压隔室中而信号隔离变压器的第二线圈在中压隔室的外部。从方框602开始，过程前进到方框604，在那里，通过将连接到信号隔离变压器的金属板附着于接地壁来覆盖由中压隔室的接地壁限定的开口。
根据各种实施例，过程从方框604前进到方框606，在那里，第一线圈连接到中压隔室中的低压电路。从方框606开始，过程可以前进到方框608，在那里，第二线圈连接到在中压隔室外部的低压电路。
应认识到，可以将各种上述及其它特征和功能或其替换按照期望组合成许多其它不同的系统或应用。特别地，可以用通过断开一组触头来用信号通知其操作的任何LV装置代替LV恒温器。而且应认识到，本领域的技术人员随后可以进行各种目前未预见或未预期的也意图被以下权利要求涵盖的替换、修改、变更或对其的改善。

Claims (15)

1.一种用于隔离中压的系统，包括：
中压隔室(210)，所述中压隔室包括中压电路(261)和低压电路以及限定开口(214)的至少一个壁(212)；以及
信号隔离变压器(205)，包括：
具有第一芯柱(311)和第二芯柱(312)的芯(310)，
缠绕第一芯柱的第一线圈(321)，
缠绕第二芯柱的第二线圈(322)，以及
连接到所述壁和所述芯的导电板(330)，
其中所述导电板被设置在第一线圈与第二线圈之间，并且所述导电板覆盖所述开口，其中所述导电板(330)电接合到所述芯并且进一步电连接到所述壁，
其中所述第一线圈位于所述中压隔室中，以及
所述第二线圈位于所述中压隔室外部。
2.权利要求1的系统，其中所述第二线圈位于低压隔室中。
3.权利要求1的系统，其中所述第一线圈包括第一匝数，所述第二线圈包括第二匝数，并且第一匝数不等于第二匝数。
4.权利要求1的系统，其中所述第一线圈包括第一匝数，所述第二线圈包括第二匝数，并且第一匝数等于第二匝数。
5.权利要求1的系统，还包括与所述第二线圈并联的调谐电容器。
6.权利要求1的系统，还包括与所述第一线圈并联的调谐电容器。
7.权利要求1的系统，还包括：
设置在所述中压隔室内的多个低压恒温器；
其中所述第一线圈电连接到所述恒温器。
8.权利要求7的系统，其中所述恒温器运行使得任何恒温器的断开促使所述第二线圈的阻抗增大。
9.权利要求7的系统，还包括：
电连接到所述第二线圈的低压继电器。
10.权利要求9的系统，其中所述恒温器运行使得任何恒温器的断开促使所述继电器的触头移动。
11.一种用于隔离中压的系统，包括：
具有中压电路(261)和低压电路的中压隔室(210)，其中所述中压隔室包括限定开口(414)的壁(412)；以及
信号隔离变压器(405)，包括：
芯(410)，
缠绕所述芯的第一部分的第一线圈(421)，
缠绕所述芯的第二部分的第二线圈(422)，以及
模制壳(440)，所述模制壳封装第一和第二线圈以及芯，并且将第一线圈设置在所述壁的一侧而将第二线圈设置在所述壁的相对侧，其中所述模制壳包括覆盖所述开口的凸缘，其中所述信号隔离变压器还包括一个或多个导电插入物(442)，所述导电插入物电连接到所述模制壳内部的芯以提供从芯到地的路径，
其中所述第一线圈位于所述中压隔室中，以及
所述第二线圈位于所述中压隔室外部。
12.权利要求11的系统，还包括：
设置在所述中压隔室内的多个低压恒温器；
其中所述第一线圈电连接到所述恒温器。
13.权利要求12的系统，其中所述恒温器运行使得任何恒温器的断开促使第二线圈的阻抗增大。
14.权利要求13的系统，还包括：
电连接到第二线圈的低压继电器。
15.权利要求14的系统，其中所述恒温器运行使得任何恒温器的断开促使所述继电器的触头移动。
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