CN102403691B - 用于使用光和时间鉴别来检测电弧闪光事件的方法、系统、和设备 - Google Patents

用于使用光和时间鉴别来检测电弧闪光事件的方法、系统、和设备 Download PDF

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Abstract

本发明名称为“用于使用光和时间鉴别来检测电弧闪光事件的方法、系统、和设备”。电力设备保护系统(200)包括：断路器(204)、配置成测量通过电路的电流的电流传感器(102)、配置成检测光事件的光传感器(104)、以及通信耦合到电流传感器(102)和光传感器(104)的控制器(106)，其中，配置控制器(106)以确定光事件是否来源于断路器(204)的操作。

Description

用于使用光和时间鉴别来检测电弧闪光事件的方法、系统、和设备
技术领域
本文描述的实施例一般涉及电弧闪光检测和缓解，并且更具体地涉及用来减少损害检测的电弧闪光检测系统。
背景技术
已知的电子线路和开关设备一般具有由诸如空气或气体或固体电介质的绝缘材料分隔开的导体。然而，如果放置导体时在一起靠得太近，或者如果导体之间的电压超过导体之间绝缘材料的绝缘性能，则可产生电弧。导体之间的绝缘材料可变成电离的，这使得绝缘材料变成传导的并能够形成电弧。
由在两个相导体之间、在一相导体与一中性导体之间、或在一相导体与接地点之间的故障造成的能量快速释放引起了电弧闪光。电弧闪光温度能够到达或超过20000℃，这能够汽化导体和相邻设备。另外，电弧闪光能够以热量、强光、压力波和/或声波的形式释放相当大的能量，足以损坏导体和相邻设备。然而，生成电弧闪光的故障的电流电平一般小于短路的电流电平，因此除非将断路器特别设计成处理电弧故障条件，否则断路器一般不跳闸或展现延迟跳闸。虽然存在通过要求使用个人防护服和设备来调节电弧闪光问题的机构和标准，但消除电弧闪光的规则并未建立装置。
诸如熔丝和断路器的标准电路保护装置一般反应不够快，无法缓解电弧闪光。展示足够快响应的一个已知的电路保护装置是电“短路器(crowbar)”，该装置通过有意创建电“短路”而利用机械和/或机电过程，以将电能量从电弧闪光点转移。此类有意短路故障随后通过使熔丝或断路器跳闸而得以清除。然而，使用短路器创建的有意短路故障可允许相当大的电流电平流过相邻电设备，由此仍能够对设备造成损坏。
光传感器可用于检测在电弧闪光期间发射的光的存在。然而，此类传感器经常对低光级敏感，使得它们也检测非电弧闪光的光并触发电路保护装置的“损害跳闸”。例如，典型的电弧闪光事件能够在离电弧闪光事件的三到四英尺距离处产生光通量大约1000001ux的光，而已知的光传感器一般在700lux或更低处饱和。由跳闸期间断路器发射的光、由空间照明发射的光、或由直射阳光发射的光可引起光传感器错误地检测电弧闪光事件。使用特别的通风模式或光传感器的至少一些已知的电弧闪光检测系统放置成使得例如在断路器中断期间释放的光不足以使光传感器饱和。然而，减少断路器中断期间释放的光的量可能负面影响断路器的性能。因此，需要可靠检测电弧闪光事件并缓解电路保护装置的不期望的损害跳闸的电弧闪光检测系统。
发明内容
在一个方面中，操作断路器的方法包括：使用光传感器检测光事件并确定光事件是否来源于断路器的操作。
在另一方面中，电力设备保护系统包括：断路器、配置成测量通过电路的电流的电流传感器、配置成检测光事件的光传感器、以及通信耦合到电流传感器和光传感器的控制器，其中，配置控制器以确定光事件是否来源于断路器的操作。
在另一方面中，提供控制器用来与电力设备保护系统一起使用。控制器包括处理器，其配置成：从电流传感器接收代表测量的电流电平的信号、从光传感器接收代表光事件的检测的信号、以及确定光事件是否来源于断路器的操作。
附图说明
图1是示例性电弧闪光检测装置的示意框图。
图2是包括图1所示的电弧闪光检测装置的示例性电力设备保护系统的示意框图。
图3是包括图2所示的电力设备保护系统的关闭的设备外壳的示意图示。
图4是包括图2所示的电力设备保护系统的关闭的设备外壳的示意图示。
图5是图示出可与图1所示的电弧闪光检测装置一起使用的断路器的跳闸定时和电流之间的关系的曲线图。
具体实施方式
本文描述了在检测和缓解电弧闪光事件中使用的方法、系统和设备的示例性实施例。通过排斥(discriminateagainst)在断路器已知的跳闸时间期间发生的光事件，本文描述的实施例使用电流和光促进了在配电设备外壳中更可靠地检测电弧闪光事件。
本文描述的方法、系统、和设备的示例性技术效果使得能够更可靠的进行电弧闪光事件的检测，以致与这些事件相关联的能量可转到自给的电弧闪光抑制装置。在电弧闪光事件期间，通过电路的电流快速上升而且光能将典型地几乎立即释放。当断路器用于缓解电流如此快速的上升时，电流电平会在断路器开始电路中断和释放光能之前在电路中持续预定量的时间。本文描述的实施例的功能是，当初始检测到电流上升并且如果在预定时间周期后未检测到光，则将用二次算法来确定断路器是否正启动电路中断或者是否正发生电弧闪光事件。例如，带有大约0.25秒的已知跳闸响应时间的断路器会在一定量的时间(例如，0.22秒)内启动电路中断。本文描述的实施例能使得检测装置能够在一定持续时间期间检测到高电流电平并确定光检测是否发生在该持续时间之外。在该持续时间之外检测到光事件可能跟电弧闪光事件相关联。
图1是用于使用光和时间鉴别来检测电弧闪光事件的示例性电弧闪光检测装置100的示意框图。在图1的示例性实施例中，系统100包括测量通过导体(未在图1中示出)的电流电平的电流传感器102。此外，电流传感器102生成与电流电平成比例的信号。电流传感器102可检测AC电流并生成模拟输出信号或者复制感测的电流波形的双极输出信号。备选地，电流传感器102可检测AC电流并生成与感测的电流的平均值或者感测的电流的RMS值成比例的单极输出信号。另外，电流传感器102可检测DC电流并生成复制感测的电流波形的单极输出信号，或者可生成当感测的电流超出某阈值时切换的数字输出。示例性电流传感器非限制性地包括电流变压器，霍尔效应传感器，电阻传感器、或配置成检测电流电平并生成代表该电流电平的输出信号的任何合适的传感器。
此外，系统100包括检测光事件的多个光传感器104。设备外壳包括有效阻止来自至少一些光传感器104的光的大量障碍(obstruction)。相应地，为了保持足够覆盖，光传感器104遍布于导体附近的设备外壳。照射在光传感器104上的光包括环境光、由断路器的跳闸生成的光(未在图1中示出)、和/或由电弧闪光事件生成的光。如果光强度足以使光传感器104达到饱和，那么光传感器104就生成代表检测的信号。例如，光传感器104可生成与光事件的光水平成比例的信号。备选地，光传感器104可生成指示发生的检测的信号，例如当检测到特定水平时信号的改变。关于信号与基于时间的关系(该关系是电流电平和光的检测之间的关系)之间的关系来分析信号，以确定电弧闪光事件是否已发生。在一备选实施例中，光被滤光器(未示出)按特定百分比衰减。如果衰减的光的强度足以使光传感器104达到饱和，那么光传感器就生成代表检测的信号。滤光器使系统100能在损害光和由电弧闪光事件生成的光之间进行鉴别。
在图1的示例性实施例中，系统100也包括耦合(例如通信耦合)到电流传感器102和光传感器104的控制器106。此外，控制器106包括配置成存储断路器跳闸数据的存储区108，断路器跳闸数据例如多个电流电平和在每个电流电平处断路器打开所需的时间周期。一个或多个电流电平和断路器打开所需的相应时间周期的关系可存储在例如存储器映像、数据库中，以表格形式存储，或者存储在文本文件中。然而，应该理解存储区108可以任何适合的方式存储电流电平和时间周期。此外，应该理解存储器108可包括将电流电平同时间周期相关联的任何合适方式。
控制器106还包括耦合到存储区108的处理器110。处理器110接收来自电流传感器102和光传感器104的信号，并使用存储在存储区108中的基于时间的相关性来分析信号，以确定电弧闪光事件是否已经发生。当处理器110确定电弧闪光事件已经发生时，它将信号输出到电弧抑制装置(未在图1中示出)，以缓解由电弧闪光事件对配电设备的损坏。在一些实施例中，处理器110可基于除了光和电流之外的其他参数(例如，声音、压力、热量、或者由适当的传感器检测的其他适当参数)来确定电弧闪光事件是否已经发生。
应该理解，术语“处理器”一般是指任何可编程的系统，包括系统和微控制器、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路、和能执行本文描述的功能的任何其它电路或处理器。上面的示例仅仅是示例性的，并且因而不是打算以任何方式限制术语
“处理器”的定义和/或意义。
此外，存储区108存储由处理器110可执行的程序代码和指令，以控制和/或监测电流传感器102、光传感器104、或者耦合到控制器106的任何其它装置。存储区108可包括一种形式或者多于一种形式的存储器。例如，存储区108可包括含有非易失随机存取存储器(NVRAM)、磁RAM(MRAM)、铁电RAM(FeRAM)的RAM和其他形式的储存器。存储区108也可包括只读存储器(ROM)，闪速存储器和/或电可擦写可编程只读存储器(EEPROM)。存储区108中可包括任何其他适合的磁的、光学的、和/或半导体的存储器(单独或者与其他形式的存储器相结合)。存储区108还可以是或者还可包括可分离的或者可移动的存储器，包括但不限于合适的盒式存储器(cartridge)、盘、CDROM、DVD、或者USB存储器。
图2是包括电弧闪光检测装置100的示例性电力设备保护系统200的示意框图。如图2中所示，导线202耦合到断路器204。电流传感器102也耦合到导线202，以测量通过导线202的电流电平。此外，载荷导体206耦合到等离子触发电弧抑制装置208。导线202可为馈线或者主总线。
断路器204操作跳闸打开机制，例如释放锁扣的跳闸螺线管。尽管一些高压断路器是自给的并包括电流变压器、保护继电器、和内部控制电源，但跳闸螺线管典型地由分离的电池赋能。一旦检测到故障，断路器204内的触点就会打开，以中断经过导线202的电流。例如，断路器204之内包含的机械储存能量(例如，弹簧或者压缩空气)用来分离触点。在一些实施例中，需要的能量的一部分可从故障电流中获得。
当控制器106检测到电弧闪光事件时，信号会发送到电路保护装置。例如，电弧抑制装置208可用来隔离与电弧闪光事件相关联的能量。与检测的电弧闪光相关联的能量从导线202转到电弧抑制装置208。激活放置在电弧抑制装置208内的等离子枪(未示出)，以启动受控的和遏制的电弧闪光，从而促进对耦合到导线202和/或载荷导体206的电组件的保护。备选地，控制器106可引起断路器204跳闸。
图3是封闭的设备外壳300的示意图示，以及图4是设备外壳300的内部302的示意图示。多个导线202和主总线304进入设备外壳300，以及多个载荷导体206退出设备外壳300。如图4中所示，放置在设备外壳300内的电力设备保护系统200促进防止电弧闪光事件。例如，放置电流传感器102来监测通过主总线304的电流电平。放置光传感器104来监测邻近导体的光量。例如，可放置光传感器104来监测邻近主总线304的光量。在备选实施例中，设备外壳300可包括多个电弧检测装置100(例如，用于主总线304的第一电弧检测装置和用于每个导线202的分离的电弧检测装置)。在这种实施例中，第一电流传感器测量通过主总线304的电流电平，并且分离的电流传感器测量通过相应导线202的电流电平。相似地，在这样的实施例中，第一光传感器检测邻近主总线304的光，并且分离的光传感器检测邻近相应导线202的光。值得注意地是，多个光传感器104可遍布于设备外壳300定位，并通信耦合到相应控制器106。
在控制器106的控制下，放置断路器204以使得电路中断能在主总线304中启动。此外，在一些实施例中，在相应控制器106的控制下，放置额外的断路器以使得电路中断能在相应导线202中启动。而且，当控制器检测到电弧闪光事件时，放置电弧抑制装置208以使得能够重新路由电能。备选地，控制器106一检测到电弧闪光事件就可引起断路器204跳闸。
在操作期间，控制器106使用电流传感器102测量电流电平。例如，举例来讲，电流传感器102测量(例如，周期性地测量)通过主总线304的导体的电流电平。电流传感器102还将代表电流电平的信号传送到控制器106。备选地或附加地，多个电流传感器102可测量通过主总线304的导体和一个或多个导线202的每个的电流电平，并将代表电流电平的信号传送到一个或多个控制器106。
此外，控制器106使用光传感器104检测光事件。例如，当足够强度的光照射在光传感器104上时，它就将指示光事件的信号传送到控制器106。备选地或附加地，可放置多个光传感器104以检测主总线304和一个或多个导线202的每个的光事件，并将代表光事件的检测的信号传送到一个或多个控制器106。
基于电流电平和光事件的检测，控制器106使用存储在存储区108(如图1中所示)中的电流电平和光事件定时之间的关系来确定光事件是否来源于电弧闪光事件，或者光事件是否来源于断路器204的操作。图5是曲线图500，其示出了电流和断路器204的跳闸定时之间的关系。x轴是用于断路器204的电流设置的倍数，以及y轴是以秒为单位的时间测量。例如，对于额定为2000安的断路器，x轴上的数值2对应于4000安。如图5中所示，基于最小带502、中间带504、和最大带506可配置断路器204跳闸。用中间带504作为参考，如果断路器204感测到电流电平足以引起跳闸，断路器204就启动电路中断。电路中断发生在随电流电平而变化的时间周期T上。例如，如图5中所示，在大约4000安的电流电平处，电路中断发生在大约0.22秒和大约0.31秒之间的时间周期T上。一旦从光传感器104接收到指示已经检测到光事件的信号，控制器106就确定与从电流传感器102接收的电流电平相关联的时间周期T。如果控制器106确定光事件在时间周期T期间发生，则控制器106使断路器204能够完成电路中断。然而，如果控制器106确定光事件发生在时间周期T之外，则控制器106激活电弧抑制装置208(如图2中所示)和/或引起断路器204跳闸。在一些实施例中，控制器106在时间周期T上添加预选择量的时间，以确保断路器204具有足够的时间完成电路中断并促进降低出现损害跳闸的机会。
在备选实施例中，断路器204将为控制器106指示断路器204正启动电路中断的信号传送到控制器106。控制器106从存储在存储区108中并在图5中图示的、基于时间的相关性来确定时间周期T，其与由断路器204完成电路中断相关联。在时间周期T期间，控制器106不激活电弧抑制装置208。相反，控制器106使断路器204能够完成电路中断。
在另一个备选实施例中，测量的电流电平的快速下降可意味着断路器204正在启动电路中断。当控制器106检测到电流电平的下降时，控制器106至少在时间周期T期间不激活电弧抑制装置208。相反，控制器106使断路器204能够完成电路断路。
上面详细描述了用于使用光和时间鉴别来检测电弧闪光事件的方法、系统、和设备的示例性实施例。该方法、系统、和设备不限于本文描述的特定实施例，而是相反，方法的操作和/或系统和/或设备的组件可与本文描述的其他操作和/或组件相独立及分离地使用。进一步地，描述的操作和/或组件也可在其他系统、方法和/或设备中定义或与之结合使用，而并不限于只通过本文描述的系统、方法、和存储媒体来实践。
尽管连同示例性配电系统环境描述了本发明，但本发明的实施例可以大量其它一般目的或者特定目的的系统环境或者者配置来操作。本文描述的系统环境并无意于建议关于本发明任何方面的使用或者功能性范围的限制。此外，本文描述的系统环境不应解释为具有涉及示例性操作环境中示出的任何一个部件或者部件的组合的任何从属性或要求。
除另有说明外，本文示出和描述的本发明实施例中的操作的执行或履行顺序不是必须的。也就是说，除另有说明外，可以任何顺序履行操作，而且本发明的实施例可包括与本文公开的那些相比额外的或者更少的操作。例如，预期的是，在另一个操作之前、同时、或者之后执行或者履行一具体操作是在本发明方面的范围之内的。
当介绍本发明方面或者其实施例的元件时，冠词“一”“该”和“所述”意指存在一个或多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”意指含有的以及意味着除列出的元件外可具有额外的元件。
本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，以及还使本领域技术人员能实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统及执行任何结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求来定义，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例包括与权利要求字面语言无不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求字面语言无实质不同的等效结构要素，则它们规定为在权利要求范围之内。
部件表
100电弧闪光检测装置
102电流传感器
104光传感器
106控制器
108存储区
110处理器
200电力设备保护系统
202导线
204断路器
206载荷导体
208电弧抑制装置
300设备外壳
302内部
304主总线
500曲线图
502最小带
504中间带
506最大带。

Claims (10)

1.电力设备保护系统(200)，包括：
断路器(204)；
电流传感器(102)，配置成测量通过电路的电流；
光传感器(104)，配置成检测光事件；以及
控制器(106)，通信耦合到所述电流传感器(102)和所述光传感器(104)，所述控制器(106)配置成接收所述电流传感器和所述光传感器的信号，并使用存储在存储区中的电流电平和光事件定时之间的关系来确定所述光事件是否来源于所述断路器(204)的操作。
2.如权利要求1所述的电力设备保护系统(200)，其中，所述控制器(106)进一步配置成确定在配置所述断路器(204)以响应所述电流电平而打开期间的时间周期内是否检测到所述光事件。
3.如权利要求2所述的电力设备保护系统(200)，其中，进一步配置所述控制器(106)，以基于所述电流电平来确定所述时间周期。
4.如权利要求2所述的电力设备保护系统(200)，其中，进一步配置所述控制器(106)，以当在所述时间周期外检测到所述光事件时激活电路保护装置。
5.如权利要求1所述的电力设备保护系统(200)，其中，进一步配置所述控制器(106)，以接收来自所述断路器(204)的、指示所述断路器(204)正打开的信号。
6.如权利要求5所述的电力设备保护系统(200)，其中，进一步配置所述控制器(106)，以忽略在与所述断路器(204)打开相关联的时间周期期间的所述光事件。
7.如权利要求1所述的电力设备保护系统(200)，其中，进一步配置所述控制器(106)，以检测指示所述断路器(204)打开的所述电流电平的降低，并忽略在与所述断路器(204)打开相关联的时间周期期间的所述光事件。
8.控制器(106)，用来与电力设备保护系统(200)一起使用，所述控制器包括：
处理器(110)，其配置成：
从电流传感器(102)接收代表测量的电流电平的信号；
从光传感器(104)接收代表光事件的检测的信号；以及
分析所述代表测量的电流电平的信号和所述代表光事件的检测的信号，并使用存储在存储区中的电流电平和光事件定时之间的关系以确定所述光事件是否来源于断路器(204)的操作。
9.如权利要求8所述的控制器(106)，进一步包括：配置成存储断路器跳闸数据的存储区(108)，所述断路器跳闸数据包括多个电流电平和在所述多个电流电平的每个处断路器(204)打开所需的相应时间周期。
10.如权利要求9所述的控制器，其中，进一步配置所述处理器(110)，以确定在配置所述断路器(204)以响应所述电流电平而打开期间的时间周期内是否检测到所述光事件。
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