CN102223750A - 等离子体生成设备 - Google Patents

Abstract

本发明名称是“等离子体生成设备”。所提供的是一种设备，比如电弧减轻装置，它包括定义内腔和纵轴的环状主体，环状主体具有沿纵轴的主体长度。电极能够同轴设置在内腔内。电极可在主体中延伸至少为主体长度的大约50％的电极长度，并且可具有小于或等于环状主体的内径的大约50％的直径。消融材料部分能够设置在环状主体与电极之间。环状主体和电极可经过配置，使得当电弧存在于环状主体与电极之间时，消融材料部分经受消融并且由此生成等离子体。

Description

等离子体生成设备

技术领域

一般来说，本文提出的实施例涉及等离子体枪，更具体来说，涉及消融等离子体枪。

背景技术

电力电路和开关设备通常涉及通过绝缘分隔的导体。在一些区域中，空气隙常常充当这种绝缘的部分或全部。如果导体相互太靠近或者电压差超过绝缘性能，则电弧可能在导体之间发生。导体之间的空气或者任何绝缘(气体或固体电介质)可能变为电离的，使绝缘导电并且由此使得能够电弧放电。电弧温度能够高达20000℃，使导体和相邻材料蒸发，并且释放能够破坏电路的爆炸能量。

电弧闪光是由相-相、相-中性点或相-地之间的电弧放电故障引起的快速能量释放的结果。电弧闪光能够产生高热量、强光、压力波和声波/冲击波，与爆炸所产生的结果相似。但是，与短路电流相比，电弧故障电流的量值通常小得多，并且因此预期断路器会延迟跳闸或不跳闸，除非断路器被选择成处理电弧故障状况。通常，电弧闪光减轻技术使用标准熔丝和断路器。但是，这类技术具有缓慢响应时间，并且可能不会足够快地减轻电弧闪光。

已经用于减轻电弧故障的一种其它技术是采用放置在电力母线与地之间或者相之间的短接(机械短路器，mechanical crowbar)开关。在发生电弧故障时，短路器开关短接电力母线上的线电压，并且将能量从电弧闪光引开，因而防止设备因电弧爆炸引起的损坏。电力母线上所产生的短接引起上游断路器清除突发故障(bolted fault)。大并且高成本的这类开关位于主电力母线上，在被触发时引起突发故障状况。因此，已知机械短路器在上游变压器上引起极端应力。

需要具有改进的响应时间和节省成本的改进的电弧闪光防止机制。

发明内容

在一个方面，提供一种设备、如电弧减轻装置。该设备能够包括定义内腔和纵轴的环状主体，环状主体能够具有沿纵轴的主体长度。电极能够同轴设置在内腔内。电极可在主体中延伸至少为主体长度的大约50％的电极长度，并且可具有小于或等于环状主体的内径的大约50％的直径。电极能够包括主区域和发起区域，所述发起区域的至少一部分设置成比所述主区域更靠近所述环状主体。在一些实施例中，环状主体能够包括相对的第一端和第二端，其中，电极从第一端延伸到环状主体中，并且喷嘴设置在第二端。

消融材料部分能够设置在环状主体与电极之间。消融材料部分能够沿环状主体的内壁设置，例如，设置在内壁的大约50％至大约90％之上。消融材料部分能够包括消融材料，诸如，例如，聚四氟乙烯、聚甲醛聚酰胺和/或聚甲基丙烯酸甲酯。

在一些实施例中，环状主体和电极可集成到等离子体生成装置中。设备还能够包括主电极，其中所述等离子体生成装置与所述主电极分隔至少大约30mm，并且配置成发射等离子体，以便一般占据所述等离子体生成装置与所述主电极之间的空间。

环状主体和所述电极可配置成作为阴极和阳极中的一个和另一个来充电。能量源能够连接到环状主体和电极并且配置成维持它们之间的电弧。在一个实施例中，能量源能够配置成产生小于或等于大约1kV的电压以及至少大约4kA的电流。环状主体和电极可经过配置，使得当电弧存在于环状主体与电极之间时，消融材料部分经受消融并且由此生成等离子体。

在另一方面，提供一种设备、如电弧减轻装置。该设备能够包括等离子体生成装置，其中包括定义内腔和纵轴的环状主体。环状主体能够具有沿纵轴的主体长度。电极能够同轴设置在内腔内，在主体中延伸至少为主体长度的大约50％的电极长度。消融材料部分能够设置在环状主体与电极之间。

能量源能够连接到环状主体和电极。能量源能够配置成维持环状主体与电极之间的电弧，产生小于或等于大约1kV的电压以及至少大约4kA的电流。当电弧存在于环状主体与电极之间时，消融材料部分可因电弧而经受消融，因而生成等离子体。

等离子体生成装置可与主电极分隔至少大约30mm。等离子体生成装置可配置成发射等离子体，以便一般占据等离子体生成装置与主电极之间的空间。该设备还可包括第二等离子体生成装置以及彼此分隔至少大约50mm的两个主电极。等离子体生成装置和第二等离子体生成装置各能够实质上设置在主电极之间，并且配置成提供主电极之间的等离子体桥。

附图说明

通过参照附图阅读以下详细描述，会更好地理解本发明的这些及其它特征、方面和优点，附图中，相似的符号在附图中通篇表示相似的部件，其中：

图1是根据一个示例实施例所配置的电力系统的示意图；

图2是图1的电弧减轻装置的透视图；

图3是图2的等离子体生成系统的透视图；

图4是图2的等离子体生成系统的透视局部分解图；

图5是沿图3中采用参考标号5所标记的平面所截取的图3的等离子体枪的截面图；

图6是沿图3中采用参考标号6所标记的平面所截取的图3的等离子体枪的截面图；

图7是图2的等离子体生成系统的电路图；

图8是图2的等离子体生成系统的电路图，描绘等离子体枪的环状主体与对应电极之间的相应电弧的形成；

图9是图2的等离子体生成系统的电路图，描绘等离子体枪中的等离子体的生成；

图10是描绘图2的电弧减轻装置的操作的示意侧视图；

图11是图2的电弧减轻装置的示意侧视图；

图12是根据另一个示例实施例所配置的等离子体生成系统的透视图；以及

图13是包括图12的等离子体生成系统的电弧减轻装置的示意侧视图。

具体实施方式

下面参照附图详细描述示例实施例，其中相同的参考标号在附图中通篇表示相同的部件。这些实施例中的一些可针对上述和其它需要。

参照图1，示出电力系统并且一般通过参考标号100来表示。电力系统100包括电源102，它配置成经由断路器106向负载104输电。例如，电源102能够使用如图所示的三相配置或者例如经由单相配置向公共母线108输送交流(AC)电。电源102和负载104还能够经由公共母线108耦合到电弧减轻装置110。电弧减轻装置110能够被封入电弧包容装置112内。

电信号监测系统114能够配置成监测电力系统100中可因电弧闪光事件116而发生的电流变化。在一个示例中，电信号监测系统114包括电流互感器。电弧闪光判定系统118能够配置成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。本文所使用的术语‘参数’指的是电弧闪光事件的标记，诸如例如从电弧闪光事件116始发的光学光线、热辐射、声、压力和/或射频信号。因此，传感器124能够包括例如光传感器、热辐射传感器、声传感器、压力换能器和/或射频传感器。根据参数120和122，电弧闪光判定系统118能够生成指示电弧闪光事件116的发生的电弧故障信号126。下面进行论述，电弧故障信号126可用于激活电弧减轻装置110。

参照图1和图2，电弧减轻装置110能够包括分别连接到公共母线108的导体108a、108b、108c(不同导体对应于例如不同的相、中性点或地)的主电极128、130、132。虽然这个实施例示出三个主电极，但是其它实施例可包括电力系统所需的更多或更少电极。对于电力系统100的正常操作可需要主电极128、130、132之间的间隙，其中必要的间隙量取决于系统电压。例如，工作在大约600V的低电压系统可需要主电极128、130、132之间的大约25-30mm的间隙，而工作在大约15kV的中电压系统可要求主电极分隔至少大约50mm，并且在一些情况下超过100mm或者甚至150mm。

参照图1-6，电弧减轻装置110能够包括等离子体生成系统134。等离子体生成系统134能够包括由壳体141支撑并且设置在主电极128、130、132之间的一个或多个等离子体生成装置，例如等离子体枪136。等离子体枪136中的每个能够包括相应的环状主体142。各环状主体142能够定义相应的内腔144，比如，由相应的环状主体的内壁143所定义的内腔。各环状主体142能够具有主体内径BD，并且能够定义纵轴a，各环状主体沿纵轴a能够具有主体长度BL。环状主体142能够例如由铜和/或不锈钢来形成，并且可包括便于与其的电连接的端子。

等离子体枪136中的每个还能够包括电极146，该电极也可例如由铜和/或不锈钢来形成，并且也可包括便于与其的电连接的端子。电极146能够设置在对应内腔144内，以便与关联的环状主体142同轴。各电极146能够在相应主体142中延伸电极长度EL。各电极146能够包括主区域146a和发起区域146b。发起区域146b能够设置成比主区域146a更靠近环状主体142，使得发起区域与环状主体之间的距离DI小于主区域与环状主体之间的距离DM。例如，发起区域146b能够是具有第一直径D1的柱体，而主区域能够是从发起区域延伸并且具有小于D1的第二直径D2的柱体，使得在发起区域与主区域之间移动时，看到几何形状的急剧变化。

等离子体枪136中的每个还能够包括喷嘴147。例如，各环状主体142能够包括相对的第一端和第二端138、140，其中电极146从第一端延伸到环状主体中并且喷嘴147设置在第二端。喷嘴147能够具有喷嘴长度NL、入口直径ID和出口直径OD。

一个或多个消融材料部分152能够设置在各环状主体142与对应电极146之间。例如，消融材料部分152能够包括沿相应环状主体142的内壁143设置的介电材料。如下面进一步论述的，消融材料部分152能够经过配置，使得至少一个消融材料部分152将在充分电流的电弧存在于对应环状主体与电极对142和146之间时被消融。候选消融材料包括例如聚四氟乙烯、聚甲醛聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和/或其它消融聚合物。

主体内径BD可在从大约4mm至大约6mm的范围中，并且主体长度BL可在从大约5mm至大约10mm的范围中。电极长度EL可在从BL的大约50％至大约100％的范围中，其中从EL的75％至95％的任何位置由主区域146a消耗。电极直径D1和D2能够分别在从0.5至1mm和从1至2mm的范围中。在一些实施例中，电极长度EL可以至少为主体长度BL的大约50％，而在其它实施例中，EL可以为BL的75％或者甚至100％。在一些实施例中，电极146的直径D2能够小于或等于环状主体142的内径BD的大约50％，而在一些实施例中，小于或等于BD的三分之一。此外，在一些情况下，消融材料部分152能够设置在内壁143的至少50％至大约90％之上。

参照图2-7，电弧减轻装置110还能够包括低电压高电流脉冲能量源148。在这个上下文中，“低电压高电流”脉冲能量源指的是配置成产生小于或等于大约1kV的电压以及至少大约4kA的脉冲电流的能量源。低电压高电流脉冲能量源148能够经过配置，使得当电弧存在于对应环状主体142与电极146之间时，与电弧关联的电流足以消融至少一个消融材料部分152。下面提供低电压高电流脉冲能量源148的一个示例。

低电压高电流脉冲能量源148可以是例如使用微法拉范围电容器的电容放电电路，它生成相对高的电流和相对低的电压(例如，在低于大约1kV的电压下，大约4-5kA)。低电压高电流脉冲能量源148能够包括与电源(未示出)进行电力连接的整流器178，以及配置为电阻-电容充电电路184的电阻器180和电容器182。例如，低电压高电流脉冲能量源148能够从电源(未示出)接收大约480VAC的电压，并且电容器182能够充电一直到大约600V。另外，开关190和电阻器192能够串联起来连接于整流器178两端，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。

等离子体枪136能够相互串联连接，其中一个枪的电极146连接到下一个枪的环状主体142。低电压高电流脉冲能量源148能够经由导体194并且通过电阻器186、电感器188和二极管189连接到作为串联中的第一个的等离子体枪136的环状主体142，以及经由导体196连接到作为串联中的最后一个的等离子体枪的电极146。这样，电容器182能够与等离子体枪136的串联并联连接。

高电压低电流脉冲能量源150还能够连接于等离子体枪136的串联的两端，并且能够配置成生成足以引起各环状主体-电极对142、146之间空气击穿的至少瞬时电位差。在这个上下文中，“高电压低电流”脉冲能量源指的是配置成产生至少大约8kV的电压以及小于或等于大约1A的脉冲电流的能量源。下面提供高电压低电流脉冲能量源150的一个示例。

高电压低电流脉冲能量源150可以是例如电容器放电电路或者基于脉冲变压器。高电压脉冲能量源150能够包括与电源(未示出)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，高电压低电流脉冲能量源150能够接收大约120-480V AC(120-480VAC)的电压，并且电容器166能够充电到大约240V的预定电压。高电压低电流脉冲能量源150还能够包括具有初级绕组174和次级绕组176的高电压脉冲变压器172。初级绕组174能够通过开关170与电源(未示出)进行电力连接，并且次级绕组176能够通过二极管177与连接到等离子体枪136的串联中的第一个等离子体枪的导体194以及还与连接到该串联中的最后一个等离子体枪的导体196进行电力连接。

参照图1和图7-9，在操作中，电弧闪光判定系统118能够(根据参数120和122)确定电弧闪光事件116的发生，并且生成电弧故障信号126。高电压低电流脉冲能量源150能够配置成接收电弧故障信号126，并且进行响应而生成引起各环状主体142与相对电极146之间空气(或者更一般地，存在无论什么气体)的击穿的脉冲。例如，电弧故障信号126可使开关170闭合，其中脉冲通过脉冲变压器172的初级绕组174发送。进行响应，第二电压电位可经由变压器172的次级绕组176在各环状主体-电极对142、146上建立。因此，能够创建高电压(例如当电容器166充电到大约240V时，大约8kV)低电流脉冲。

高电压低电流脉冲起作用以对分别作为阳极和阴极(或者在一些实施例中反过来)的环状主体142和电极146充电，其脉冲可以高到足以克服各环状主体142与相对电极146之间空气的击穿电压。结果，相对低能量的电弧198可跨越各环状主体142与相对电极146之间的距离。二极管177、189可起作用以防止高电压低电流脉冲例如通过沿着经由电容器182的路径来绕过等离子体枪136中的一些等离子体枪。

各环状主体142与相对电极146之间的电弧198的发起可通过电极146的发起区域146b的存在来促进。设置成比主区域146a更靠近环状主体142的发起区域146b可允许在较低电压的电弧198的发起和/或电弧的更可靠发起。此外，在主区域146a与发起区域146b之间几何形状存在急剧变化的情况下，环状主体142与相对电极146之间的电场可以更强，这可引起发起电弧198所需的电压的降低。

电极146与环状主体142之间的电弧198的存在可引起它们之间的空间所呈现的阻抗的降低。阻抗的这种降低可足以允许电弧198在低电压高电流脉冲能量源148的影响下在电极146与环状主体142之间维持。尽管低电压，阻抗的降低还允许高电流脉冲在电极146与环状主体142之间流动。因此，电弧198的能量随着低电压高电流脉冲能量源148的电容器182放电而显著增加。

参照图2、图5和图8-10，一旦已经建立电弧198，则低电压高电流脉冲能量源148配置成保持充分的电弧电流，以便引起关联消融材料部分152的消融，这引起在内腔144中生成等离子体200。等离子体200则能够从相应喷嘴147发射，以便占据主电极128、130、132之间的空间。等离子体200能够创建主电极128、130、132之间的导电等离子体桥202，由此短接主电极，并且允许保护电弧204在它们之间形成。因此，等离子体桥202可起作用以减轻电弧闪光事件116，从而激活上游的保护装置(例如断路器106)，并且由此切断提供给故障电力系统的电力。这种有意创建的故障可按照可控方式来执行，其中与电弧闪光事件116关联的能量能够从故障位置引开。保护电弧204能够以强光、声音、压力波和冲击波的形式发射大量能量。保护电弧204还引起主电极128、130、132的汽化，得到高压力。可以指出，电弧减轻装置110能够包括外壳或电弧包容装置112，它配置成包容产生于保护电弧204的冲击波和高压力。在2009年5月26日提交的美国专利申请No.12/471662中提供电弧包容装置的示例，通过引用将其完整地结合于此。

从喷嘴147出来的等离子体200的喷射的诸如速率、离子浓度和扩散之类的特性以及等离子体桥202的特性可通过等离子体枪136的尺寸、间隔和配置、消融材料的类型以及能量源148提供能量的方式等等来控制。申请人已经发现，呈现同轴几何形状、具有上述范围中的尺寸的消融等离子体枪实施例趋向于产生增强长度的等离子体喷射。增强长度可归因于在电弧闪光事件期间在枪内足够量的等离子体的生成以及枪的配置，以便将等离子体有效率地排出到周围区域中。因此，等离子体生成系统134和主电极128、130、132能够设计成产生相对快和健壮的保护电弧204。

参照图3和图11，能够选择壳体141上的等离子体枪136的配置，以便产生分隔比如大约100mm的电极128、130之间的等离子体桥。参照图12和图13，在另一个实施例中，能够在壳体241上以不同方式安排类似的等离子体枪136，以便产生分隔比如大约140mm的电极228、230之间的等离子体桥。一般来说，等离子体枪136能够经过配置，使得当电极之间的距离更大时，等离子体枪引导等离子体的距离增加。

根据上述示例配置的实施例可便于电弧减轻装置与配置成处理高达17.5kV的电压的电力系统配合使用，以便耐受110kV雷电冲击，并且以电力频率处理42kV至少1分钟。更具体来说，根据上述示例配置的实施例可促进电弧减轻装置，它能够产生等离子体，以便桥接电极之间的100mm或以上的间隙。

虽然本文仅说明和描述了本发明的某些特征，但是本领域的技术人员会想到许多修改和变更。因此要理解，所附权利要求意在涵盖落入本发明的真实精神之内的所有这类修改和变更。

配件表

电力系统100

电源102

负载104

断路器106

公共母线108

导体108a、108b、108c

电弧减轻装置110

电弧包容装置112

电信号监测系统114

电弧闪光事件116

电弧闪光判定系统118

电参数120

来自电弧闪光传感器的参数122

电弧闪光传感器124

电弧故障信号126

主电极128，130，132

等离子体生成系统134

等离子体枪136

第一端和第二端138，140

壳体141

环状主体142

内壁143

内腔144

电极146

主区域146a

发起区域146b

喷嘴147

低电压高电流脉冲能量源148

高电压低电流脉冲能量源150

消融材料部分152

整流器163

电阻器164

电容器166

电阻-电容充电电路168

开关170

高电压脉冲变压器172

初级绕组174

次级绕组176

二极管177

整流器178

电阻器180

电容器182

电阻-电容充电电路184

电阻器186

电感器188

二极管189

开关190

电阻器192

导体194

导体196

电弧198

等离子体200

导电等离子体桥202

保护电弧204

壳体241

电极228，230

Claims (10)

1.一种设备，包括：

定义内腔(144)和纵轴的环状主体(142)，所述环状主体具有沿所述纵轴的主体长度；

同轴设置在所述内腔内的电极(146)，所述电极在所述主体中延伸至少为所述主体长度的大约50％的电极长度；以及

设置在所述环状主体与所述电极之间的消融材料部分(152)。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述电极具有小于或等于所述环状主体的内径的大约50％的直径。

3.如权利要求1所述的设备，其中，所述环状主体包括相对的第一端和第二端(138，140)，并且所述电极从所述第一端延伸到所述环状主体中，所述设备还包括设置在所述第二端的喷嘴(147)。

4.如权利要求1所述的设备，其中，所述环状主体和所述电极配置成作为阴极和阳极中的一个和另一个被充电。

5.如权利要求1所述的设备，其中，所述环状主体和电极被集成到等离子体生成装置(134)中，所述设备还包括主电极(128)，其中所述等离子体生成装置与所述主电极分隔至少大约30mm，并且配置成发射等离子体，以便一般占据所述等离子体生成装置与所述主电极之间的空间。

6.如权利要求1所述的设备，其中，所述电极包括主区域(146a)和发起区域(146b)，所述发起区域的至少一部分设置成比所述主区域更靠近所述环状主体。

7.如权利要求1所述的设备，其中，所述消融材料部分设置在所述环状主体的内壁(143)的大约50％至大约90％之上。

8.如权利要求1所述的设备，还包括：能量源(148)，所述能量源(148)连接到所述环状主体和所述电极，并且配置成维持所述环状主体与所述电极之间的电弧。

9.如权利要求8所述的设备，其中，所述能量源配置成产生小于或等于大约1kV的电压以及至少大约4kA的电流。

10.如权利要求1所述的设备，其中，所述环状主体和所述电极经过配置，使得当电弧存在于所述环状主体与所述电极之间时，所述消融材料部分经受消融。

Images