CN102202455B - 等离子体生成设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及等离子体生成设备。具体而言，提供了一种设备，如电弧减轻装置(110)，其可包括第一等离子体生成装置(136)和第二等离子体生成装置(138)。第二等离子体生成装置可包括一对相对且间隔开的电极(144a，144b)以及连接在其间的低电压高电流能量源(148)。通道(194)可构造成用以在第一等离子体生成装置与第二等离子体生成装置之间引导等离子体，使得第二等离子体生成装置接收由第一等离子体生成装置产生的等离子体。来自于第一等离子体生成装置的等离子体可用来将该一对相对的电极之间的区域的阻抗减少到足以容许由于低电压高电流的能量源而引起在其间形成电弧。

Description

等离子体生成设备

技术领域

本发明的实施例主要涉及等离子体枪，并且更具体地涉及烧蚀性等离子体枪。

背景技术

电力线路和开关装置通常涉及由绝缘体隔离的导体。在一些区域中，空气空间通常用作此种绝缘体的一部分或全部。如果导体彼此过于接近，或电压差超过绝缘性能，则在导体之间可能会出现电弧。导体之间的空气或任何绝缘体(气体或固体电介质)可变成电离的，使得绝缘体导通，且从而产生电弧。电弧温度可高达20,000℃，使导体和相邻的材料气化，以及释放出能破坏电路的爆炸性能量。

电弧闪光是由相-相、相-中性点或相-地之间的电弧故障造成的快速能量释放的结果。电弧闪光可产生类似于爆炸那样的高热、强光、压力波和声波/冲击波。然而，电弧故障电流在大小方面通常比短路电流要小得多，且因此预计电路断路器会延迟或不会跳闸，但该断路器选择为用以处理电弧故障状态除外。通常，电弧闪光减轻技术使用标准的熔断器和电路断路器。然而，这些技术的响应时间缓慢并不会快到足以减轻电弧闪光。

已经用于减轻电弧故障的一种其它技术是采用短接(机械短路器(crowbar))开关，该开关定位在电力母线与地面之间，或在相与相之间。在发生电弧故障时，短路器开关使电力母线上的线电压短路，且使能量转移远离电弧闪光，因此保护器材免受电弧爆炸造成的破坏。在电力母线上所产生的短路导致上游电路断路器消除栓接故障。大且昂贵的这些开关定位在主电力母线上，导致触发时的栓接故障状态。结果，公知的是机械短路器在上游变压器上引起极端应力。

需要一种改进的电弧闪光防止机构，其具有改善的响应时间且成本效益合算。

发明内容

一方面，提供了一种设备，如电弧减轻装置。电弧减轻装置可包括第一等离子体生成装置和第二等离子体生成装置，以及在一些情形中具有第三等离子体生成装置。等离子体生成装置可构造成用以发射在其中生成的等离子体，以便提供在主电极之间的等离子体桥，该主电极隔开至少大约50mm。例如，电弧减轻装置可包括主电极。

第二等离子体生成装置可包括一对相对且间隔开的电极。低电压高电流的能量源可连接在相对的电极之间。通道可构造成以便在第一等离子体生成装置与其它等离子体生成装置之间引导等离子体。例如，第二等离子体生成装置可构造成用以接收由第一等离子体生成装置所产生的等离子体，以便减小在第二等离子体生成装置的相对电极之间的区域的阻抗。例如，该阻抗可减小到足以容许由于低电压高电流的能量源而在第二等离子体生成装置的相对电极之间形成电弧。第二等离子体生成装置可包括烧蚀性材料，其构造成用以在该对相对电极之间存在电弧时被烧蚀。

第一等离子体生成装置可包括第一电极、与第一电极间隔开的基电极，以及高电压低电流的能量源，该能量源构造成用以在第一电极与基电极之间产生足以导致其间空气击穿的电势差(比如说，在电流小于或等于大约1A时为至少大约8kV)。第一等离子体生成装置还可包括第二电极，该第二电极与基电极相对且间隔开。低电压高电流的能量源(比如说，构造成用以产生小于或等于大约1kV的电压和至少大约4kA的电流)可连接在第二电极与基电极之间，其中，第二电极和基电极都设置成以便在第一电极与基电极之间存在电弧时导致击穿其间的空气。第一等离子体生成装置还可包括构造成用以在第二电极与基电极之间存在电弧时被烧蚀的烧蚀性材料。

在一些实施例中，低电压高电流的能量源可连接在第一电极与第二电极之间，与高电压低电流的能量源并联。高电压低电流的能量源可构造成用以提供跨过第一电极和基电极的高电压低电流脉冲，而低电压高电流的能量源可构造成用以响应于该高电压低电流脉冲提供跨过第一电极和基电极的低电压高电流脉冲。

另一方面，提供了一种设备，如电弧减轻装置。电弧减轻装置可包括第一等离子体生成装置和第二等离子体生成装置。第二等离子体生成装置可包括一对相对且间隔开的电极，以及连接在其间的低电压高电流的能量源。通道可构造成用以在第一等离子体生成装置与第二等离子体生成装置之间引导等离子体，使得第二等离子体生成装置接收由第一等离子体生成装置所产生的等离子体。来自于第一等离子体生成装置的等离子体可用来将在该对相对电极之间的区域的阻抗减小到足以容许由于低电压高电流的能量源而引起在其间形成电弧。

附图说明

当参照附图阅读如下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更容易理解，所有附图中的相似标号表示相似的零件，在附图中：

图1为根据示例性实施例所构造的电力系统的简图；

图2为图1中的电弧减轻装置的透视图；

图3为图2中的等离子体生成系统的透视图；

图4为图2中的等离子体生成系统的平面视图；

图5为图2中的等离子体生成系统的局部透视图；

图6为图2中的等离子体生成系统的局部分解透视图；

图7为图2中的等离子体生成系统的电路图；

图8为图2中的等离子体生成系统的等离子体枪的截面简图，绘出了在一个等离子体枪的第一电极与基电极之间电弧的形成；

图9为图2中的等离子体生成系统的电路图，绘出了在一个等离子体枪的第一电极与基电极之间电弧的形成；

图10为图2中的等离子体生成系统的等离子体枪的截面简图，示出了在等离子体枪的第二电极与基电极之间的电弧的形成；

图11为图2中的等离子体生成系统的电路图，示出了在等离子体枪的第二电极与基电极之间电弧的形成；

图12为图2中的等离子体生成系统的透视图，绘出了等离子体经由其跨过的运动；

图13为图2中的等离子体生成系统的电路图，绘出了等离子体经由其跨过的运动；

图14为图2中的等离子体生成系统的电路图，绘出了在其余等离子体枪的电极之间的电弧的形成；以及

图15为绘出图2中的电弧减轻装置的操作的示意性侧视图。

零件清单

100电力系统

102电源

104负载

106电路断路器

108公共母线

108a，108b，108c导线

110电弧减轻装置

112电弧容置装置

114电信号监测系统

116电弧闪光事件

118电弧闪光判定系统

120电参数

122参数

124电弧闪光传感器

126电弧故障信号

128，130，132主电极

134等离子体生成系统

136，138，140等离子体枪

141壳体

142a和142b，144a和144b，146a和146b电极

148低电压高电流脉冲能量源

150高电压低电流脉冲能量源

152烧蚀性材料部分

153槽口

154，156，158腔室区域

160端口

162电极

163整流器

164电阻器

166电容器

168电阻-电容充电电路

170开关

172高电压脉冲变压器

174初级绕组

176次级绕组

178整流器

180电阻器

182电容器

184电阻-电容充电电路

186电阻器

188电感器

190开关

192电阻器

194通道

196通路

198a，198b，198c电弧

200等离子体

202等离子体桥

204保护性电弧

具体实施方式

下文参照附图详细地描述本发明的示例性实施例，其中，相同的参考标号在所有图中表示相同的部分。这些实施例中的一些可满足以上及其它需要。

参看图1，示出了电力系统，且其大体上由参考标号100表示。电力系统100包括构造成用以经由电路断路器106传送电力至负载104的电源102。例如，电源102可使用如图所示的三相构造或例如通过单相构造，将交流(AC)电力传送至公共母线108。电源102和负载104还可经由公共母线108联接到电弧减轻装置110上。电弧减轻装置110可装容在电弧容置装置112内。

电信号监测系统114可构造成用以监测电力系统100中的电流变化，该电流变化可能由于电弧闪光事件116而引起。在一个实例中，电信号监测系统114包括电流变压器。电弧闪光判定系统118可构造成用以接收来自电信号监测系统114的电参数120以及来自电弧闪光传感器124的参数122。如本文所用，用语“参数”是指可用作标记电弧闪光事件的量，举例来说，例如光照、热辐射、声音、压力和/或源于电弧闪光事件116的射频信号。因此，传感器124例如可包括光学传感器、热辐射传感器、声音传感器、压力变换器和/或射频传感器。基于参数120和122，电弧闪光判定系统118可产生表示出现电弧闪光事件116的电弧故障信号126。如下文所述，电弧故障信号126可用于启动电弧减轻装置110。

参看图1和图2，电弧减轻装置110可包括分别连接到公共母线108的导线108a，108b，108c上的主电极128，130，132(例如，对应于不同的相、中性点或地面的不同导体)。尽管该实施例示出了三个主电极，但其它实施例可根据电力系统的需要而包括更多或更少的电极。主电极128，130，132之间的间隙可能是电力系统100正常操作所需的，而必要的间隙量取决于系统电压。例如，以大约600V操作的低电压系统可能在主电极128，130，132之间需要大约25mm的间隙，而以大约15kV操作的中压系统可能需要主电极间隔开至少大约50mm，以及在一些情形中大于100mm或甚至150mm。

参看图1至图6，电弧减轻装置110可包括等离子体生成系统134。等离子体生成系统134可包括一个或多个等离子体生成装置，如等离子体枪136，138，140，其由壳体141支承并设置在主电极128，130，132之间。各等离子体枪136，138，140均可包括一对相对且间隔开的电极142a和142b，144a和144b，146a和146b。电极142a，142b，144a，144b，146a，146b例如可由铜和/或不锈钢制成，且可包括端子以便使电极连接到相应的能量源148，150(下文所述)上。

各等离子体枪136，138，140还可包括烧蚀性材料。例如，各等离子体枪136，138，140均可包括电介质烧蚀性材料部分152，其分别设置成邻近成对的相对电极142a和142b，144a和144b，146a和146b(例如，与这些成对的相对电极层合)。如下文进一步所述，烧蚀性材料部分152可构造成使得至少一种烧蚀性材料部分152在对应的一对相对电极142a和142b，144a和144b，和/或146a和146b之间存在足够的电流电弧时将被烧蚀。可选的烧蚀性材料例如包括聚四氟乙烯、聚甲醛聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和/或其它烧蚀性聚合物。

电极142a，142b，144a，144b，146a，146b中的一些和烧蚀性材料部分152可限定槽口153，使得当组装在一起时，该电极和烧蚀性材料部分一起用来在各等离子体枪136，138，140内限定相应的腔室区域154，156，158。如下文将进一步描述的那样，在等离子体枪136，138，140操作期间，在腔室154，156，158中可发生烧蚀和对应的等离子体生成，这些腔室限定朝向主电极128，130，132附近的区域敞开的端口160。

参看图2至图7，相应的低电压高电流的脉冲能量源148可跨过各对相对的电极142a和142b，144a和144b，146a和146b连接。在此上下文中，″低电压高电流″脉冲能量源是指构造成用以产生小于或等于大约1kV的电压和至少大约4kA的脉冲电流的能量源。低电压高电流脉冲能量源148可构造成使得在对应的一对相对电极142a和142b，144a和144b，146a和146b之间存在电弧时，与电弧相关联的电流足以烧蚀至少一个烧蚀性材料部分152。低电压高电流脉冲能量源148的实例在下文中提供。

一个等离子体枪(比如说，等离子体枪136)可包括另一电极162。与等离子体枪136相关联的电极142a，142b，162在下文分别称为″第二″电极(142a)、″基″电极(142b)和″第一″电极(162)。高电压低电流脉冲能量源150可跨过第一电极162和基电极142b连接，且可构造成用以产生足以导致其间空气击穿的至少瞬时的电势差。在该上下文中，″高电压低电流″脉冲能量源是指构造成用以产生至少大约8kV的电压和小于或等于大约1A的脉冲电流的能量源。高电压低电流脉冲能量源150的实例在下文中提供。

高电压低电流脉冲能量源150例如可为电容器放电电路或为基于脉冲变压器的。高电压脉冲能量源150可包括与电源(未示出)成电力连接的整流器163、形成电阻-电容充电电路168的电阻器164和电容器166，以及设置成与电容器166串联的开关170。例如，高电压低电流的脉冲能量源150可接收大约120至480V的AC(120-480VAC)电压，且电容器166可充电至大约240V的预定电压。高电压低电流的脉冲能量源150还可包括具有初级绕组174和次级绕组176的高电压脉冲变压器172。初级绕组174可通过开关170与电源(未示出)成电力连接，而次级绕组176可与第一电极162和基电极142b成电力连接。

例如，低电压高电流的脉冲能量源148可为使用微法级电容器的电容放电电路，该微法级电容器产生相对较高的电流和相对较低的电压(例如，在低于大约1kV的电压下为大约5kA)。低电压高电流脉冲能量源148可包括与电源(未示出)成电力连接的整流器178，以及构造为电阻-电容充电电路184的电阻器180和电容器182。例如，低电压高电流的脉冲能量源148可从电源(未示出)接收大约480VAC的电压，且电容器182可充电直至大约600V。电容器182可与该对电极142a和142b并联，且与电阻器180串联。低电压高电流脉冲能量源148还可包括电阻器186、在整流器178和第二电极142a之间串联连接的电感器188。此外，开关190和电阻器192可跨过整流器178串联连接，以便在低电压高电流脉冲能量源148的测试期间提供放电路径。

等离子体生成系统134可包括构造成用以容许在等离子体枪136，138，140之间流体连通的通道(或管道，conduit)194。例如，电极142a，142b，144a，144b，146a，146b，162和各枪136，138，140的烧蚀性材料部分152可构造成以便限定与由壳体141所限定的通路196结合成一体的腔室154，156，158。

参看图1和图7至图11，在操作中，电弧闪光判定系统118可确定电弧闪光事件116(基于参数120和122)的发生和产生电弧故障信号126。高电压低电流脉冲能量源150可构造成用以接收电弧故障信号126，且予以响应而产生脉冲，该脉冲引起第一电极162与基电极142b之间的空气(或更通常而言，无论存在何种气体)击穿。例如，电弧故障信号126可促使开关170关闭，而脉冲经由脉冲变压器172的初级绕组174发送。作为响应，第二电压电势可经由变压器172的次级绕组176跨过第一电极162和基电极142b形成。因此，可产生高电压(例如，在电容器166充电至大约240V时为大约8kV)低电流脉冲，该脉冲可高到足以克服第一电极162与基电极142b之间的空气击穿电压。结果，能量相对较低的电弧198a可跨过第一电极162与基电极142b之间的距离。

第二电极142a可设置成使得第一电极162与基电极142b之间的电弧198a导致由第二电极与基电极之间的空间所提供的阻抗减小。这种阻抗减小可足以在低电压高电流的脉冲能量源148的作用下引起第二电极142a与基电极142b之间的空气击穿，从而容许电弧198a移动且保持在第二电极与基电极之间。阻抗的减小还容许高电流脉冲在第二电极142a与基电极142b之间流动而与低电压无关。电弧198a的能量因此随着低电压高电流脉冲能量源148的电容器182放电而显著地增大。

参看图12至图14，一旦电弧198a已经传递至第二电极142a和基电极142b，则低电压高电流的脉冲能量源148便构造成用以保持足够的电弧电流，以便引起相关联的烧蚀性材料部分152的烧蚀，这导致在腔室154中产生等离子体200。在腔室154中产生的一些等离子体200然后可由与等离子体枪136相关联的端口160发射。然而，至少一些等离子体200可由通道194引导到其它等离子体枪138，140的腔室156，158中。

当等离子体200进入等离子体枪138，140的腔室156，158中时，与对应的电极对144a和144b，146a和146b之间的空间相关联的相应阻抗便减小。分别跨过电极144a和144b，146a和146b连接的低电压高电流的脉冲能量源148然后可启动各对电极之间的电弧198b，198c。低电压高电流的脉冲能量源148再次构造成用以保持足够的电弧电流，以便引起相关联的烧蚀性材料部分152的烧蚀，这导致在腔室156，158中产生等离子体200。

参看图2、图12和图15，一旦等离子体枪136，138，140产生等离子体200，则等离子体可从相应的端口160发射以便占据主电极128，130，132之间的空间。等离子体200可在主电极128，130，132之间产生导通的等离子体桥202，从而使主电极短接并容许保护性电弧204形成于其间。等离子体桥202因此可用来减轻电弧闪光事件116，启动上游的保护装置(如，电路断路器106)，且从而切断供给至故障电力系统的电力。这种有意产生的故障可以受控的方式执行，其中，与电弧闪光事件116相关联的能量可转移远离故障位置。保护性电弧204可发出呈强光、声音、压力波和冲击波形式的大量能量。保护性电弧204还引起主电极128，130，132的气化，导致高压。可注意的是，电弧减轻装置110可包括封壳或电弧容置装置112，其构造成用以包含由保护性电弧204引起的冲击波和高压。在2009年5月26日提交的美国专利申请No.12/471,662中提供了电弧容置装置的实例，该申请通过引用整体并入到本文中。

离开端口160的等离子体200射流的特性，如速度、离子浓度和传播，以及还有等离子体桥202的特性，尤其可由等离子体枪136，138，140的尺寸和间距、烧蚀性材料的类型以及能量源148供送能量的方式来控制。因此，主电极128，130，132之间的间隙的阻抗在启动电弧减轻装置110时可设计成用以产生相对较快和稳健的保护性电弧204。

根据以上实例构造的实施例可允许利用连接到多个等离子体枪中的单个上的单个高电压低电流能量源来启动该多个等离子体枪。该构造可具有许多优点。例如，高电压低电流的能量源趋于是昂贵的，且因此有用的是最大限度地减少所需的这些装置的数目。此外，对于包括单个高电压低电流能量源用于触发串联连接的多个等离子体枪的实施例而言，可能需要一个或多个阻塞二极管，以免使高电压脉冲通过流经由触发电极、上游枪的阳极和高电流电容器所形成的路径而绕过下游枪中的一个或多个。该二极管将使得触发系统更为复杂和昂贵，且进一步而言，高于某一电流电平(5kA)可趋于限制在传导时由于其高电阻造成的高电流脉冲。

尽管本文仅示出和描述了本发明的某些实施例，但本领域的技术人员可想到许多修改和变化。因此，应当理解到，所附权利要求意图涵盖落入本发明的真正精神内的所有这些修改和变化。

Claims (14)

1.一种等离子体生成设备，包括：

第一等离子体生成装置，包括：

第一电极；

与所述第一电极间隔开的基电极；

与所述基电极相对且间隔开的第二电极；

高电压低电流能量源，其构造成用以在所述第一电极与所述基电极之间生成足以引起在其间的电弧的电势差，其中，在所述第一电极与所述基电极之间的所述电弧构造成减小在所述第二电极与所述基电极之间的区域的阻抗；以及

低电压高电流能量源，其连接在所述第二电极与所述基电极之间且构造成在所述阻抗减少时引起在所述第二电极与所述基电极之间的空气击穿，且将在所述第一电极与所述基电极之间的所述电弧传递到并保持在所述第二电极与所述基电极之间；

第二等离子体生成装置；以及

通道，其构造成用以在所述第一等离子体生成装置与所述第二等离子体生成装置之间引导等离子体。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括第三等离子体生成装置，其中，所述通道还构造成用以在所述第一等离子体生成装置与所述第三等离子体生成装置之间引导等离子体。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一等离子体生成装置和第二等离子体生成装置构造成用以发射在其中生成的等离子体，以便提供在主电极之间的等离子体桥，所述主电极隔开至少50mm。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括隔开至少50mm的主电极，其中，所述第一等离子体生成装置和第二等离子体生成装置中的每一个构造成用以发射在其中生成的等离子体，以便提供在所述主电极之间的等离子体桥。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二等离子体生成装置包括：

一对相对且间隔开的电极；以及

连接在所述一对相对的电极之间的低电压高电流能量源。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述第二等离子体生成装置构造成用以接收由所述第一等离子体生成装置产生的等离子体；其中，所述等离子体构造成用以以便将所述一对相对的电极之间的区域的阻抗减小到足以容许在所述一对相对电极之间由于所述低电压高电流能量源而引起形成电弧。

7.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述第二等离子体生成装置包括构造成用以在所述一对相对的电极之间存在电弧时被烧蚀的烧蚀性材料。

8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一等离子体生成装置包括构造成用以在所述第二电极与所述基电极之间存在电弧时被烧蚀的烧蚀性材料。

9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述高电压低电流能量源构造成用以产生至少8kV的电压和小于或等于1A的电流。

10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述低电压高电流能量源构造成用以产生小于或等于1kV的电压和至少4kA的电流。

11.一种等离子体生成设备，包括：

第一等离子体生成装置，包括：

第一电极；

与所述第一电极间隔开的基电极；

与所述基电极相对且间隔开的第二电极；

高电压低电流能量源，其构造成用以在所述第一电极与所述基电极之间生成足以引起在其间的电弧的电势差，其中，在所述第一电极与所述基电极之间的所述电弧构造成用以减小在所述第二电极与所述基电极之间的区域的阻抗；以及

低电压高电流能量源，其连接在所述第二电极与所述基电极之间且构造成在所述阻抗减少时引起在所述第二电极与所述基电极之间的空气击穿，且将在所述第一电极与所述基电极之间的所述电弧传递到并保持在所述第二电极与所述基电极之间；

第二等离子体生成装置，包括：

一对相对且间隔开的电极；以及

连接在所述一对相对的电极之间的低电压高电流能量源；以及

通道，其构造成用以在所述第一等离子体生成装置与所述第二等离子体生成装置之间引导等离子体，其中，所述第二等离子体生成装置构造成用以接收由所述第一等离子体生成装置产生的等离子体；其中，所述等离子体构造成用以将所述一对相对的电极之间的区域的阻抗减小到足以容许在所述一对相对电极之间由于所述低电压高电流能量源而引起形成电弧。

12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，还包括第三等离子体生成装置，其中，所述通道还构造成用以在所述第一等离子体生成装置与所述第三等离子体生成装置之间引导等离子体。

13.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，还包括隔开至少50mm的主电极，其中，所述第一等离子体生成装置和第二等离子体生成装置中的每一个构造成用以发射在其中生成的等离子体，以便提供在所述主电极之间的等离子体桥。

14.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述第一等离子体生成装置包括构造成用以在所述第二电极与所述基电极之间存在电弧时被烧蚀的烧蚀性材料。