CN102435917B - 用于使用电流和电压检测电弧闪光事件的方法、系统和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明名称为“用于使用电流和电压检测电弧闪光事件的方法、系统和设备”。电源电路保护系统(100)包括：配置成测量通过电路(104)的导体的第一电流电平的电流传感器(106)、配置成测量跨电路(104)的多个导体的第一电压电平的电压传感器(110)、以及通信耦合到电流传感器(106)和电压传感器(110)的控制器(116)。控制器(116)配置成接收来自电流传感器(106)的第一信号(其中，第一信号表示第一电流电平)，并且接收来自电压传感器(108)的第二信号(其中，第二信号表示第一电压电平)。基于第一信号和第二信号，控制器(116)配置成确定是否激活第一电路保护装置(112)或第二电路保护装置(114)。

Description

用于使用电流和电压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，并且更具体地说，涉及在降低损害检测中使用的电弧闪光检测系统。
背景技术
熟知的电气电源电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来分隔的导体。然而，如果导体定位时在一起靠得太近，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得离子化，这使得绝缘材料变成传导的，并且能够形成电弧闪光。
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、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，否则断路器可能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熟知电路保护装置是电“短路器(crowbar)”，该装置通过有意形成电“短路”以将电能量从电弧闪光点转移而利用机械和/或机电过程。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，使用短路器生成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100000lux的光，而熟知的光传感器一般在700lus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。因此，需要可靠检测电弧闪光事件并缓解电路保护装置的损害跳闸的电弧闪光检测系统。
发明内容
在一个方面中，提供了一种用于保护电路的方法。方法包括：测量通过电路的一部分的第一电流电平，测量在电路的该部分中的第一电压电平，以及基于电流电平和电压电平确定是否激活第一电路保护装置。
在另一个方面中，电源电路保护系统包括：配置成测量通过电路的导体的第一电流电平的电流传感器、配置成测量跨电路的多个导体的第一电压电平的电压传感器、及通信耦合到电流传感器和电压传感器的控制器。控制器配置成接收来自电流传感器的第一信号(其中，第一信号表示第一电流电平)，并且接收来自电压传感器的第二信号(其中，第二信号表示第一电压电平)。基于第一信号和第二信号，该处理器配置成确定是否激活第一电路保护装置或第二电路保护装置。
在另一个方面中，提供了和电源电路保护系统一起使用的控制器。控制器配置成通信耦合到电流传感器、电压传感器、断路器、及电弧抑制装置。控制器还配置成接收来自电流传感器的第一信号(其中，第一信号表示通过电路的导体的第一电流电平)，接收来自电压传感器的第二信号(其中，第二信号表示跨电路的多个导体的第一电压电平)，以及基于第一信号和第二信号来确定是否激活断路器和电弧抑制装置之一。
附图说明
图1是示范电源电路保护系统的示意框图。
图2是包含图1中示出的电源电路保护系统的关闭的箱体的示意图。
图3是图2中示出的箱体的内部的示意图。
图4是示出使用图1中示出的电源电路保护系统来检测电弧闪光事件的示范方法的流程图。
具体实施方式
本文中描述了在检测和缓解电弧闪光事件中使用的方法、系统和设备的示范实施例。这些实施例使用电流和电压及对应于设备的操作模式的第三输入，促进了在配电设备中更可靠地检测电弧闪光事件。使用电压及操作模式和电流使得系统能够在栓接故障(boltedfault)和由于在故障点之间电势差造成的电弧闪光事件之间进行区分。另外，现有配电设备能够通过本文中描述的系统进行改进，这使得能够继续使用现有设备并且能够节省短期生产、安装和服务的成本。
本文中描述的方法、系统和设备的示范技术效果包括以下至少之一：(a)使用电流电平和电压电平检测电弧闪光事件；(b)在检测到电弧闪光事件时，激活缓解电弧闪光能量对电设备损坏(通过重新路由能量)的电弧抑制装置并在整套装置中生成受控的电弧闪光事件；以及(c)使用电设备的操作模式来降低电流和电压的阈值电平，用于在服务期间附加的保护。
图1是示范电源电路保护系统100的示意框图。在图1的示范实施例中，系统100包括使得能够选择诸如配电电路的电路104的灵敏度设置的开关102。开关102的示范实施例包括但不限于仅包括：降低的能量通泄(letthrough)(RELT)开关和诸如运动传感器、声音传感器、门传感器或接近度传感器的传感器。RELT开关是用户可开动的开关，它生成指示电路104在RELT模式或维护模式的控制信号。例如，诸如维修人员的用户能够当在电路104上执行维护时将RELT开关设定到RELT设置。运动传感器能够通过测量视场中物体(一个或多个)的速度或向量的变化来检测与维修人员相关联的运动。类似地，声音传感器能够检测在电路104的指定距离内与维修人员相关联的声音。门传感器能够检测何时打开箱门(图1中未示出)以便接近电路104。接近度传感器能够检测诸如维修人员等附近物体的存在而无需任何物理接触。例如，接近度传感器发射电磁场或静电场或电磁辐射束(例如，红外线)，并且寻找场中的改变或返回信号。接近度传感器可以非限定性地是电容传感器、光电传感器、或感应接近度传感器。使用开关102可选择的示范灵敏度设置包括活动模式设置和正常模式设置。活动模式设置与电源电路的主动保护操作相关联，并且可包括RELT设置或其它设置，其中有诸如在服务工作期间希望的额外的保护。正常模式设置与电源电路的正常的操作模式相关联。开关102的灵敏度设置可本地选择，或备选地可经由到系统100的网络连接而远程设定。
系统100还包括电流传感器106，该传感器测量通过电路104的导体(例如，通过主总线108)的电流电平，另外，电流传感器106生成与电流电平成比例的信号。电流传感器106可检测AC电流并生成复制感测电流波形的模拟输出信号或双极性输出信号。备选地，电流传感器106可检测AC电流并生成与感测的电流的平均值或感测的电流的RMS值成比例的单极性输出信号。另外，电流传感器106可检测DC电流并生成复制感测的电流波形的单极性输出信号，或者可生成在感测的电流超过某个阈值时切换的数字输出。示范电流传感器非限定性地包括：霍耳效应传感器、电阻传感器、或配置成检测电流电平并生成表示测量的电流电平的输出信号的任何适合的传感器。另外，系统100包括电压传感器110，该传感器测量诸如在主总线108的两个相位线之间、在一相位线与接地线或中性线之间的跨电路104的多个导体的电压。电压传感器110还生成与测量的电压电平成比例的信号。
此外，系统100包括第一电路保护装置112和第二电路保护装置114。在图1的示范实施例中，第一电路保护装置112是等离子触发电弧抑制装置。在检测到电弧闪光事件时，将信号发送到电弧抑制装置。另外，与检测的电弧闪光相关联的能量从电路104转移到该电弧抑制装置。位于电弧抑制装置内的等离子枪(未示出)被激活，以启动受控和遏制的(contained)电弧闪光，从而促进保护电路104的电组件。
在图1的示范实施例中，第二电路保护装置114是断路器。断路器操作跳闸打开机构，例如释放闩锁的跳闸螺线管。跳闸螺线管典型地由分离的电源赋能，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。一旦检测到故障，断路器内的触点便会打开，以中断电路104。例如，诸如弹簧或压缩空气的、在断路器内包含的机械存储能用于分离触点。在一些实施例中，部分所需能量可从故障电流获得。
此外，在图1的示范实施例中，系统100包括耦合(例如，通信耦合和/或操作耦合)到开关102、电流传感器106、电压传感器110、第一电路保护装置112、及第二电路保护装置114的控制器116。在本文中使用时，术语“控制器”一般指任何可编程系统，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、及能够执行本文描述的功能的任何其它电路或处理器。上述示例只是示范，因此无意以任何方式限制术语“控制器”的定义和/或含意。
在操作期间，控制器116从开关102接收电路104的选择的灵敏度设置。灵敏度设置能够指示开关102是设为正常操作模式还是设为与电路104的增强安全设置相关联的活动操作模式。另外，控制器116接收(例如，周期地接收)来自电流传感器106的电流电平和来自电压传感器110的电压电平。基于灵敏度设置、电流电平、和电压电平，控制器116确定是否激活第一电路装置112或第二电路装置114，还是均不激活。例如，控制器116接收指示电路104正在诸如RELT模式的活动模式中操作的、来自开关102的信号。控制器116随后比较电流电平和阈值电流电平，以及比较电压电平和阈值电压电平。如果电流电平等于或大于阈值电流电平，但电压电平小于阈值电压电平，则控制器116激活第二电路保护装置114。如果电流电平等于或大于阈值电流电平，并且电压电平等于或大于阈值电压电平，则控制器116确定电弧闪光事件正在发生并激活第一电路保护装置112。
在一备选实施例中，控制器116配置为改进的控制器设备118，用于在系统100中替换现有控制器(未示出)。例如，现有控制器可能不能以降低电弧闪光事件发生可能性必须的速度处理开关设置、电流电平、和电压电平。为将现有控制器替换为控制器116，从开关102、电流传感器106、和/或电压传感器110解耦现有控制器。还从第一电路保护装置112和第二保护装置114解耦现有控制器。控制器116随后耦合到开关102、电流传感器106、和/或电压传感器110。控制器116还耦合到第一电路保护装置112和第二保护装置114，并且配置成如本文中描述的那样操作。
备选地，现有控制器可以不能接收三个输入并基于该三个输入来确定是否激活第一电路保护装置112或第二保护装置114之一。例如，现有控制器可以并不耦合到开关102、电流传感器106、和电压传感器110的全部。从仅包括开关102、电流传感器106、和电压传感器110中的一些的现有组件解耦现有控制器。还从第一电路保护装置112和第二保护装置114解耦现有控制器。随后安装原来未耦合到现有控制器的一个或多个组件(即，开关102、电流传感器106、或电压传感器110)，并配置成如本文描述的那样操作。控制器116随后耦合到开关102、电流传感器106、和/或电压传感器110。控制器116还耦合到第一电路保护装置112和第二保护装置114，并且配置成如本文描述的那样操作。
图2是与配电设备一起使用的关闭的箱体200的示意图，并且图3是箱体200的内部202的示意图。多个导线204和主总线108进入箱体200中，并且多个负载导体206离开设备箱体200。如图3中示出的，电源设备保护系统100位于箱体200内，以促进防止电弧闪光事件。例如，放置电流传感器106以监测通过主总线108的电流电平。放置电压传感器110以监测在例如主总线108的两个相位之间的电压电平。然而，电压传感器110也可监测在一个相位与地或中性之间的电压电平。另外，在箱体200的外表面208上放置开关102，以使得维修人员能够修改诸如电路104(图1中示出)的、箱体200内组件的灵敏度设置。放置诸如电弧抑制装置的第一电路保护装置112，以使得能够在控制器116检测到电弧闪光事件时重新路由电能。另外，放置诸如断路器的第二电路保护装置114，以使得能够在控制器116的控制下在主总线108中启动电路中断。
图4是示出使用电源电路保护系统100(图1中示出)来检测电弧闪光事件的示范方法的流程图300。在示范实施例中，控制器116使用电流传感器106测量302通过电路104的导体的第一电流电平(均在图1中示出)。例如，电流传感器106测量通过主总线108(在图1中示出)的第一电流电平，并将表示第一电流电平的第一信号传送到控制器116。类似地，控制器116使用电压传感器110(图1中示出)测量304跨电路104的两个导体的第一电压电平。例如，电压传感器110测量在主总线108的两个相位之间的第一电压电平，并将表示第一电压电平的第二信号传送到控制器116。
另外，控制器116检测306在开关102处选择的灵敏度设置。例如，开关102(在图1中示出)将表示灵敏度设置的第三信号传送到控制器116。在正常操作期间，灵敏度设置典型的是正常模式。然而，灵敏度设置在由维修人员手动设置时或者在由开关102自动设置时可以是活动模式。
基于灵敏度设置、电流电平、和电压电平，控制器116确定电弧闪光事件是否正在发生。更具体地说，控制器116确定是否激活电路保护装置，例如第一电路保护装置112或第二电路保护装置114(均在图1中示出)。在控制器116接收308指示活动操作模式的、来自开关102的信号时，控制器116比较310电流电平和阈值电流电平。当控制器116确定312电流电平小于阈值电流电平时，控制器116返回接收灵敏度设置、电流电平、和电压电平。当控制器116确定312电流电平等于或大于阈值电流电平时，控制器116比较314电压电平和阈值电压电平。当控制器116确定316电压电平小于阈值电压电平时，控制器116激活318第二电路保护装置114。然而，当控制器116确定312电流电平等于或大于阈值电流电平且确定316电压电平等于或大于阈值电压电平时，控制器116确定电弧闪光事件正在发生并激活320第一电路保护装置112。
在一备选实施例中，控制器116使用基于灵敏度设置的、用于电流和电压的不同阈值来确定是否激活第一电路保护装置112或第二电路保护装置114。例如，当控制器116接收指示正常操作模式的、来自开关102的信号时，控制器116比较电流电平和第一阈值电流电平并比较电压电平和第一阈值电压电平。如果电流电平等于或大于第一阈值电流电平，但电压电平小于第一阈值电压电平，则控制器116激活第二电路保护装置114。如果电流电平等于或大于第一阈值电流电平且电压电平等于或大于第一阈值电压电平，则控制器116激活第一电路保护装置112。类似地，当控制器116接收指示活动操作模式的、来自开关102的信号时，控制器116比较电流电平和第二阈值电流电平，以及比较电压电平和第二阈值电压电平。如果电流电平等于或大于第二阈值电流电平，但电压电平小于第二阈值电压电平，则控制器116激活第二电路保护装置114。如果电流电平等于或大于第二阈值电流电平且电压电平等于或大于第二阈值电压电平，则控制器116确定电弧闪光事件正在发生并激活第一电路保护装置112。值得注意的是，虽然在活动模式中操作，但第二阈值电流电平和第二阈值电压电平分别小于第一阈值电流电平和第一阈值电压电平。
在确定是否激活第一电路保护装置112时，控制器116还使用在电流电平大于阈值电流电平的检测与电压电平大于阈值电压电平的检测之间的时间间隔。例如，当控制器116确定312电流电平等于或大于阈值电流电平时，控制器116启动322计时器。如果当控制器116随后确定316电压电平小于阈值电压电平时，则控制器116激活318第二电路保护装置114。然而，当控制器116确定312电流电平等于或大于阈值电流电平且确定316电压电平等于或大于阈值电压电平时，控制器116比较324在检测之间的时间间隔和阈值时间间隔。当控制器116确定326时间间隔大于阈值时间间隔时，控制器116返回接收灵敏度设置、电流电平、和电压电平。然而，在控制器116确定326时间间隔小于阈值时间间隔时，控制器116激活320第一电路保护装置112。在上述备选实施例中，在开关设置指示电路104在正常操作模式中时，控制器116可使用第一阈值时间间隔来确定是否激活第一电路保护装置112或第二电路保护装置114。在开关设置指示电路104在活动模式中时，控制器116还可使用第二阈值时间间隔来确定是否激活第一电路保护装置112或第二电路保护装置114，其中，第二阈值时间间隔与第一阈值时间间隔不同，例如小于第一阈值时间间隔。
上面详细描述了用于检测和缓解电弧闪光事件的方法、系统、和设备的示范实施例。所述方法、系统、和设备不限于本文中描述的特定实施例，相反，方法的操作和/或系统和/或设备的组件可独立利用，并与本文中描述的其它操作和/或组件分开利用。此外，描述的操作和/或组件也可在其它系统、方法、和/或设备中定义或与它们组合使用，并且不限于仅通过如本文描述的系统、方法、和存储媒体来实践。
在介绍本发明或其实施例的方面的要素时，不定冠词“一”、定冠词“该”、和“所述”等词旨在表示有一个或多个要素。术语“包括”和“具有”旨在表示包容，并且意味着可以是所列要素之外的额外的要素。
本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，以及还使得本领域技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统及执行任何并入的方法。本发明的可专利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。如果此等其它示例具有与权利要求字面语言并无不同的结构要素，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的范围之内。
部件列表
100电源电路保护系统
102开关
104电路
106电流传感器
108主总线
110电压传感器
112第一电路保护装置
114第二电路保护装置
116控制器
118改进的控制器设备
200箱体
202内部
204导线
206负载导体
208外表面
300流程图
302测量通过导体的第一电流电平
304测量跨两个导体的第一电压电平
306检测灵敏度设置
308接收指示活动操作模式的、来自开关的信号
310比较第一电流电平和第二阈值电流电平
312确定第一电流电平等于或大于第二阈值电流
电平
314比较第一电压电平和第二阈值电压电平
316确定第一电压电平等于或大于第二阈值电压
电平
318激活第二电路保护装置
320激活第一电路保护装置
322启动计时器
324比较检测之间的时间间隔和阈值时间间隔
326确定时间间隔小于阈值时间间隔

Claims (8)

1.一种电源电路保护系统(100)，包括：
电流传感器(106)，配置成测量通过所述电路(104)的导体的第一电流电平；
电压传感器(110)，配置成测量跨所述电路(104)的多个导体的第一电压电平；
配置成选择所述电路(104)的灵敏度设置的开关(102)；以及
控制器(116)，通信耦合到所述电流传感器(106)和所述电压传感器(110)，所述控制器(116)配置成：
接收来自所述电流传感器(106)的第一信号，其中所述第一信号表示所述第一电流电平；
接收来自所述电压传感器(110)的第二信号，其中所述第二信号表示所述第一电压电平；
基于所述灵敏度设置比较所述第一电流电平和阈值电流电平，
基于所述灵敏度设置比较所述第一电压电平和阈值电压电平，
以及
当所述第一电流电平等于或大于所述阈值电流电平以及所述第一电压电平等于或大于所述阈值电压电平时激活第一电路保护装置(112)。
2.如权利要求1所述的电源电路保护系统，还包括其中所述灵敏度设置可在降低的能量通泄(RELT)模式与正常模式之间选择。
3.如权利要求1所述的电源电路保护系统(100)，其中，所述控制器(116)还配置成：
基于所述电路的所述灵敏度设置并在所述第一电流电平大于等于所述阈值电流电平且所述第一电压电平小于阈值电压电平时，激活第二电路保护装置(114)。
4.如权利要求1至3任一项所述的电源电路保护系统(100)，其中，所述控制器(116)还配置成测量在确定所述第一电流电平等于或大于所述阈值电流电平和确定所述第一电压电平等于或大于所述阈值电压电平之间的第一时间间隔。
5.如权利要求4所述的电源电路保护系统(100)，其中，所述控制器(116)还配置成：比较所述第一时间间隔和预定义时间间隔；以及
在所述第一时间间隔少于所述预定义时间间隔时，激活所述第一电路保护装置(112)。
6.一种和电源电路保护系统(100)一起使用的控制器(116)，所述控制器配置成：
通信耦合到电流传感器(106)和电压传感器(110)；
通信耦合到断路器(114)和电弧抑制装置(112)；
通信耦合到开关；
接收来自所述电流传感器(106)的第一信号，其中所述第一信号表示通过电路(104)的导体的第一电流电平；
接收来自所述电压传感器(110)的第二信号，其中所述第二信号表示跨所述电路(104)的多个导体的第一电压电平；
接受来自所述开关的第三信号，其中所述第三信号表示所述电路的灵敏度设置；
基于所述灵敏度设置比较所述第一电流电平和阈值电流电平；
基于所述灵敏度设置比较所述第一电压电平和阈值电压电平；
以及
当所述第一电流电平等于或大于所述阈值电流电平以及所述第一电压电平等于或大于所述阈值电压电平时激活所述电弧抑制装置(112)。
7.如权利要求6所述的控制器(116)，其中，所述控制器(116)还配置成：
以及
基于所述电路(104)的所述灵敏度设置并在所述第一电流电平等于或大于所述阈值电流电平且所述第一电压电平小于阈值电压电平时，启动所述断路器(114)的跳闸。
8.如权利要求6或7所述的控制器(116)，其中，所述控制器(116)还配置成：
测量在确定所述第一电流电平等于或大于所述阈值电流电平和确定所述第一电压电平等于或大于所述阈值电压电平之间的第一时间间隔；
比较所述第一时间间隔和预定义时间间隔；以及
在所述第一时间间隔少于所述预定义时间间隔时，激活所述电弧抑制装置(112)。
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