CN102593803B - 用于防止等离子体枪电极之间的电迁移的系统、方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明名称为“用于防止等离子体枪电极之间的电迁移的系统、方法及设备”。一种电路保护装置(100)，包括配置成生成等离子体羽辉的等离子体枪(412)、配置成存储电能的至少一个电容器(210、212)、以及通信耦合到等离子体枪(412)和电容器(210、212)的触发电路(304)。触发电路(304)配置成传送第一信号到电容器(210、212)以使电容器(210、212)将电能的第一部分传送到等离子体枪(412)。触发电路(304)还配置成传送第二信号到等离子体枪(412)以使等离子体枪(412)使用电能的第一部分生成等离子体羽辉。

Description

用于防止等离子体枪电极之间的电迁移的系统、方法及设备

技术领域

一般来说，本文所述的实施例涉及电路保护装置，以及更具体地说，涉及用于在触发将存储电能从电容器组释放到电路保护装置中的多个电极中使用的设备。

背景技术

已知的电功率电路和开关设备一般具有通过诸如空气或者气体或固体电介质之类的绝缘体来分隔的导体。但是，如果导体定位成过于靠近，或者如果导体之间的电压超过导体之间绝缘体的绝缘性质，则电弧可能发生。例如，导体之间的绝缘体可能变为离子化的，这使绝缘体导电，并且使得能够形成电弧闪光。

电弧闪光包括因两个相导体之间、相导体与中性导体之间或者相导体与接地点之间的故障而引起的能量快速释放。电弧闪光温度能够达到或超过20000℃，这会使导体和相邻设备汽化。此外，电弧闪光能够释放不仅是热量形式的、而且还有强光、压力波和/或声波形式的巨大能量，足以损坏导体和相邻设备。但是，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，使得断路器一般不跳闸或者呈现延迟跳闸，除非断路器专门设计成处理电弧故障情况。

呈现充分快速响应的另一种已知电路保护装置是电弧抑制装置，其产生抑制的电弧以将电能从电弧闪光点引开。例如，一些已知装置包括生成电弧，如次要电弧闪光，以用于驱散与电路上检测到的主要电弧闪光相关联的能量。此类装置经常包括多个高电压和高能量电容器，用于在设计为安全抑制由次要电弧闪光释放的能量的封装中发起次要电弧闪光。这些电容器可用于将能量提供到消融等离子体枪，它释放等离子体到多个电极之间的间隙中以便于形成次要电弧闪光。但是，如果对等离体枪电极不断地充电，间隙中的电隔离可随时间而减少，由此使得能够出现等离子体枪的多余触发。

发明内容

在一个方面中，电路保护装置包括配置成生成等离子体羽辉的等离子体枪、配置成存储电能的至少一个电容器、以及通信耦合到电容器和等离子体枪的触发电路。触发电路配置成传送第一信号到电容器以使电容器传送电能的第一部分到等离子体枪，并且传送第二信号到等离子体枪以使等离子体枪使用电能的第一部分生成等离子体羽辉。

在另一方面中，提供控制器以与具有等离子体枪的电路保护装置配合使用。控制器包括多个电容器，多个电容器包括多个第一电容器和第二电容器，其中多个第一电容器配置成提供电能到等离子体枪，而第二电容器配置成将脉冲传送到等离子体枪以使等离子体枪产生等离子体羽辉。控制器还包括通信耦合到多个电容器的触发电路。触发电路配置成接收指示故障的信号，使多个第一电容器传送电能到等离子体枪，并使第二电容器传送脉冲到等离子体枪。

在另一方面中，提供一种方法，以触发通过具有等离子体枪、至少一个第一电容器及至少一个第二电容器的电路保护装置的等离子体羽辉的生成。该方法包括接收指示故障的信号，传送第一信号到第一电容器以使第一电容器传送存储的电能到等离子体枪，并且传送第二信号到等离子体枪以使等离子体枪使用电能生成等离子体羽辉。

附图说明

图1是与配电设备配合使用的示范电路保护装置的透视图。

图2是可与图1所示的电路保护装置配合使用的控制器的局部分解图。

图3是图2所示的控制器的示意框图。

图4是可与图2所示的控制器配合使用的示范功率电路、触发电路及输出装置的简化电路图。

图5是示出可用于控制图2所示的控制器的示范方法的流程图。

具体实施方式

上文描述了用于在防止等离子体枪电极之间的能量电迁移中使用的系统、方法及设备的示范实施例。这些实施例便于仅在电路中检测到故障(例如，主要电弧闪光)时将第一部分存储电能从电容器组传送到等离子体枪电极。此外，这些实施例便于仅在以触发脉冲的形式将第二部分存储电能从耦合到第二电容器的点火线圈传送到等离子体枪电极之后使用电能生成消融等离子体羽辉。分离存储能量的传送和触发脉冲的传送便于防止等离子体枪电极之间发生击穿(breakdown)，由此减少多余触发的机会。

图1是与配电设备配合使用的示范电路保护装置100的透视图。装置100包括抑制组件102，其中包括由空气或另一气体的主间隙分隔的多个主电极(未示出)。每个主电极耦合到功率电路的电气不同部分，例如不同相、中性或地。抑制组件102还包括触发电路(未示出)，它通过向等离子体枪传送电脉冲来激活消融等离子体枪(未示出)。响应脉冲，等离子体枪发射便于在主电极之间产生电弧的消融等离子体。产生电弧以将能量从电路上其它位置的电弧闪光引开以保护电路。此外，抑制组件102包括外盖104，其抑制和隔离由电弧产生的能量。抑制组件102的大小经调整以便耦合到箱106，以使得抑制组件102可插入设备封装(未示出)。此外，装置100包括通信耦合到抑制组件102的控制器108。控制器108从监测电路以检测电弧闪光的一个或多个传感器(未示出)接收信号。传感器可监测经过电路一部分的电流和/或电路多个部分上的电压。传感器还可检测能够由电弧闪光产生的闪光。响应于信号，控制器108激活抑制组件102内的等离子体枪以发起电弧。

图2是控制器108的局部分解图，其中包括大小经调整以容纳印刷电路板(PCB)208的壳体206。PCB208包括多个第一电容器210以及与其电耦合的一个或多个第二电容器212。本文中第一电容器210还可称作激活电容器，并且用于提供功率到抑制装置102(如1中示出)的等离子体枪(未示出)以便在抑制装置102内产生电弧。本文中第二电容器212还可称作脉冲电容器，并且用于在提供功率到等离子体枪后通过自耦变压器(未示出)提供脉冲信号到等离子体枪。脉冲信号使等离子体枪产生电弧羽辉。

图3是控制器108的示意框图。在示范实施例中，控制器108包括多个输入连接器214，作为举例而不是限制，包括电源输入连接器216、电容器充电/放电装置输入连接器218、继电器输入连接器220及告警输入连接器222。电源输入连接器216便于从电源(未示出)接收功率以用于为控制器108供能并提供能量到等离子体枪。电容器充电/放电装置输入连接器218便于接收对第一电容器210和第二电容器212(图2中示出)充电的用户输入及/或对第一电容器210和第二电容器212放电的用户输入。继电器输入连接器220便于接收表示电路中电弧闪光检测的信号，并使等离子体枪产生电弧羽辉以将电弧闪光能量传输到电弧抑制装置102(图1中示出)中。告警输入连接器222从告警装置(未示出)接收信号。此外，控制器108包括多个输出连接器224，例如包括告警输出连接器226和电容器状态信号输出连接器228。告警输出连接器226传送信号到告警装置以便于呈现等离子体枪已激发产生电弧羽辉的指示。电容器状态信号输出连接器228耦合到输出装置204。

在示范实施例中，PCB208通信耦合到输入连接器214和输出连接器224以便于与上述装置通信。此外，PCB208包含电路以用于生成使第一电容器210和第二电容器212将存储的能量释放到等离子体枪的信号。在示范实施例中，PCB208包括经由电源输入连接器216从电源接收功率的功率电路302。功率电路302提供低电压功率(例如约12伏特的功率)到控制器108的低电压电子部件，例如集成电路、场效应晶体管等。功率电路302还将部分低电压功率转换成高电压功率以供控制器108的高能量和高电压电子部件(例如，第一电容器210和第二电容器212)使用。为便于对第一电容器210和第二电容器212充电，功率电路302还经由电容器充电/放电装置输入连接器218接收输入信号，并导致第一电容器210和/或第二电容器212基于输入信号充电或放电。

PCB208还包括通信耦合到等离子体枪的触发电路304。触发电路304经由继电器输入连接器220接收继电器激发信号以便于使等离子体枪产生电弧羽辉，从而将电弧闪光能量传输到电弧抑制装置102中。例如，响应继电器激发信号，触发电路304使第一电容器210将存储的能量释放到等离子体枪。此外，通过使第二电容器212将电压脉冲信号传送到使用由点火线圈生成的高电压脉冲触发等离子体枪的自耦变压器，触发电路304使等离子体枪使用释放的能量产生电弧羽辉。响应于脉冲信号，等离子体枪使用释放的能量产生电弧羽辉。

在示范实施例中，PCB208还包括监测电路306，用于监测第一电容器210和第二电容器212的充电状态。监测电路306包括第一输出装置308、第二输出装置310及第三输出装置312。在示范实施例中，第一输出装置308向操作员指示低电压电源可用，指示第一电容器210已在所需的时间间隔内充电到所需的水平，并且指示第二电容器212已充电到所需的水平。第二输出装置310向操作员指示第一电容器210和/或第二电容器212被放电。第三输出装置312向用户指示第一电容器210和第二电容器212正在充电或正在放电，或无法在所需时间内充电。

图4是功率电路302和触发电路304的简化电路图。在示范实施例中，功率电路302包括经由电源输入连接器216接收功率的一个或多个电压调节器402。电压调节器402调节功率并输出低电压功率以供控制器108(图2中示出)的低电压电子部件使用。此外，功率电路302包括将部分低电压功率转换成高电压功率以供控制器108的高电压电子部件(例如，第一电容器210和第二电容器212)使用的电压转换器404。

在示范实施例中，第一电容器210包括一组高电压、高能量电容器。可在第一电容器210的电容器组中使用的示范电容器包括在约450伏特(V)下具有约180微法拉(μF)的电容量的电容器。但是，应该理解，在第一电容器210内可使用任何适当的高电压、高能量电容器，包括具有约180μF上下的电容额定值并在约450V上下的电压下工作的电容器。在示范实施例中，第二电容器212是单个高电压电容器。可用作第二电容器212的示范电容器是在约450V下具有约47μF的电容量的电容器。但是，应该理解，在第二电容器212内可使用任何适当的高电压、高能量电容器，包括具有约47μF上下的电容额定值并在约450V上下的电压下工作的电容器。

在示范实施例中，触发电路304耦合到检测电路(未示出)，它在电路上检测故障，例如主要电弧闪光，并经由继电器输入连接器220将指示故障的信号传送到触发电路304。触发电路304包括第一逻辑器件406和第二逻辑器件408。在示范实施例中，第一逻辑器件和第二逻辑器件406和408是可控硅整流器，其便于防止电能量从第一电容器210和/或第二电容器212迁移到用于生成等离子体羽辉的等离子体枪电极410。更具体地说，第一逻辑器件和第二逻辑器件406和408用作在电弧事件(例如主要电弧闪光)期间触发的半导体开关。第一逻辑器件406通信耦合到第一电容器210和等离子体枪412。类似地，第二逻辑器件408通信耦合到第二电容器212和等离子体枪412。另外，为了确保在第一逻辑器件406处于关闭状态时第一逻辑器件406的漏电不会在等离子体枪412上积聚高电压，触发电路304包括溢流调节装置414。示范溢流调节装置414包括电阻器416和晶体管418，例如MOSFET晶体管，放置在触发电路304中。在示范实施例中，电阻器416和晶体管418基本防止等离子体枪电极410之间的电压随时间累积。这种电压累积可导致等离子体枪电极410之间的空气间隙降级，进而导致电路保护装置100的多余激发。在备选实施例中，溢流调节装置414包括晶体管的不同配置，例如NPN到PNP双极结型晶体管和/或P沟道到N沟道MOSFET。

计时器装置420通信耦合到检测电路和第二逻辑器件408。计时器装置420延迟电弧事件检测信号从检测电路到第二逻辑器件408的传输。例如，检测电路传送检测信号到第一逻辑器件406并且计时器装置420将检测信号到第二逻辑器件408的传输延迟预先选择的时间间隔，例如约八微秒。更具体地说，检测电路将检测信号传送到第一脉冲变压器422，它通信耦合到检测装置和第一逻辑器件406。类似地，计时器装置420将检测信号传送到第二脉冲变压器424，它通信耦合到计时器装置420和第二逻辑器件408。第一逻辑器件406的输出通信耦合到至少一个阻塞二极管426，它防止从等离子体枪电极410到第一逻辑器件406的反向电流。此外，第二逻辑器件408的输出通信耦合到点火线圈428，它生成高电压脉冲信号使等离子体枪412使用由第一电容器210释放或传送到等离子体枪412的电能生成等离子体羽辉。点火线圈428的输出通信耦合到阻塞二极管426，它防止从等离子体枪电极410到点火线圈428和/或第二逻辑器件408的反向电流。

图5是示出一种示范方法的流程图500。更具体地说，流程图500示出一种示范方法，用于使用触发电路304和等离子体枪412(均在图4中示出)触发等离子体羽辉的生成。在示范实施例中，检测电路(未示出)在电路上检测到502故障，例如主要电弧闪光。触发电路304从检测电路接收504指示故障的信号。例如，第一脉冲变压器422和第二脉冲变压器424(均在图4中示出)各从检测电路接收信号。但是，在信号已传送到第一脉冲变压器422后，计时器装置420将信号到第二脉冲变压器424的传输延迟预先选择的时间间隔。

在示范实施例中，触发电路304传送506第一信号到第一电容器210(图3中示出)以使第一电容器210将存储的电能传送到等离子体枪412。例如，第一脉冲变压器422从检测电路接收信号并传送第一信号到第一逻辑器件406(图4中示出)。响应第一信号，激活第一逻辑器件406并使第一电容器210可以将存储其中的至少一部分电能释放到等离子体枪电极410(图4中示出)。由第一电容器210释放的电能在本文中还称作存储在第一电容器210和第二电容器212中的累积电能量的第一部分。

此外，在示范实施例中，触发电路304传送508第二信号到等离子体枪412以使等离子体枪412使用由第一电容器210释放的电能生成510等离子体羽辉。例如，计时器装置420从检测电路接收信号并在预先选择的时间间隔后将信号传送到第二脉冲变压器424。预先选择的时间间隔使由第一电容器210存储的电能可以传送到等离子体枪电极410。第二脉冲变压器424从计时器装置420接收信号并传送第二信号到第二逻辑器件408(图4中示出)。响应第二信号，激活第二逻辑器件408并使第二电容器212(图4中示出)可以将存储其中的至少一部分电能释放到点火线圈428(图4中示出)。点火线圈428使用该电能生成高能量脉冲信号并将该脉冲信号传送到等离子体枪电极410。该脉冲信号使等离子体枪电极412生成将电弧闪光能量传输到电弧抑制装置102(图1中示出)中的等离子体羽辉。由第二电容器212释放的电能在本文中还称作存储在第一电容器210和第二电容器212中的累积电能量的第二部分。

以上详细描述了用于触发在电路保护装置内生成等离子体羽辉的系统、方法和设备的示范实施例。系统、方法和设备并不局限于本文所述的具体实施例，而是可单独且独立于本文所述的其它操作和/或部件来使用方法的操作和/或系统和/或设备的部件。此外，所述操作和/或部件也可在其它方法、系统和/或设备中定义或者与其结合使用，而并不局限于仅采用本文所述的系统、方法和存储介质来实施。

虽然结合示范电路保护系统来描述本发明，但是本发明的实施例对于许多其它通用或专用电路保护系统或配置是可操作的。本文所述的电路保护系统不是要提出关于本发明的任何方面的使用或功能性的范围的任何限制。此外，本文所述的电路保护系统不应当被解释为具有与示范操作环境中所述的部件的任一个或组合相关的任何相关性或要求。

本文所示和所述的本发明的实施例中的操作的运行或执行顺序不是必需的，除非另加说明。也就是说，操作可按任何顺序来执行，除非另加说明，并且本发明的实施例可包括附加的或者比本文所公开的更少的操作。例如，考虑在另一个操作之前、同时或之后运行或执行特定操作落入本发明的方面的范围之内。

在介绍本发明的方面或其实施例的元件时，冠词“一”、“该”和“所述”意在表示存在元件的一个或多个。术语“包含”、“包括”和“具有”意在表示包括在内，并且表示可能存在与列示元件不同的附加元件。

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确定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有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的范围之内。

配件表

Claims (14)

1.一种电路保护装置(100)，包括：

配置成生成等离子体羽辉的等离子体枪(412)，所述等离子体枪包括由间隙隔开的多个电极；

配置成存储电能的至少一个电容器(210、212)；以及

触发电路(304)，其通信耦合到所述等离子体枪(412)和所述至少一个电容器(210、212)，所述触发电路(304)配置成：

传送第一信号到所述至少一个电容器(210、212)以使所述至少一个电容器(210、212)将所述电能的第一部分传送到所述等离子体枪(412)的所述多个电极；以及

传送第二信号到所述等离子体枪(412)的所述多个电极，以使所述等离子体枪(412)使用所述电能的所述第一部分生成所述等离子体羽辉。

2.如权利要求1所述的电路保护装置(100)，其中，所述至少一个电容器(210、212)还包括配置成存储所述电能的第二部分并将所述第二信号传送到所述多个电极(410)的第二电容器(212)，所述多个电极(410)配置成响应所述第二信号使用所述电能生成所述等离子体羽辉。

3.如权利要求1所述的电路保护装置(100)，其中，所述触发电路(304)包括点火线圈(428)，其通信耦合到所述至少一个电容器(210、212)并配置成使用所述电能的第二部分将所述第二信号作为脉冲传送到所述等离子体枪(412)。

4.如权利要求1所述的电路保护装置(100)，其中，所述触发电路(304)包括计时器(420)，其配置成在将所述电能的所述第一部分传送到所述等离子体枪(412)后将所述第二信号的传输延迟预先选择的时间间隔。

5.如权利要求1所述的电路保护装置(100)，其中，所述触发电路(304)包括至少一个脉冲变压器(422、424)，其通信耦合到所述至少一个电容器(210、212)并配置成：

接收指示故障的信号；

传送所述第一信号到所述至少一个电容器(210、212)以使所述至少一个电容器(210、212)将所述电能的第一部分传送到所述等离子体枪(412)；以及

传送所述第二信号到所述等离子体枪(412)。

6.如权利要求5所述的电路保护装置(100)，其中，所述触发电路(304)还包括通信耦合到所述至少一个电容器(210、212)和所述至少一个脉冲变压器(422、424)的至少一个逻辑器件(406、408)，所述至少一个逻辑器件(406、408)配置成：

从所述至少一个脉冲变压器(422、424)接收所述第一信号和所述第二信号；

传送所述第一信号到所述至少一个电容器(210、212)以使所述至少一个电容器(210、212)将所述电能的第一部分传送到所述等离子体枪(412)；以及

传送所述第二信号到所述等离子体枪(412)。

7.如权利要求5所述的电路保护装置(100)，其中，所述触发电路(304)还包括通信耦合到所述至少一个电容器(210、212)和所述至少一个脉冲变压器(422、424)的溢流调节装置(414)，所述溢流调节装置(414)配置成防止所述电能在传输所述第一信号之前传送到所述等离子体枪(412)。

8.一种与具有等离子体枪(412)的电路保护装置(100)配合使用的控制器(108)，所述控制器(108)包括：

多个电容器，其包括；

多个第一电容器(210)，其配置成提供电能到所述等离子体枪(412)的多个电极；以及

第二电容器(212)，其配置成传送脉冲到所述等离子体枪(412)的所述多个电极，以使所述等离子体枪(412)产生等离子体羽辉；以及

触发电路(304)，其通信耦合到所述多个电容器并配置成：

接收指示故障的信号；

使所述多个第一电容器(210)传送所述电能到所述等离子体枪(412)的所述多个电极；以及

使所述第二电容器(212)传送所述脉冲到所述等离子体枪(412)的所述多个电极。

9.如权利要求8所述的控制器(108)，其中，所述触发电路(304)包括通信耦合到所述多个第一电容器(210)和检测电路的第一脉冲变压器(422)，所述第一脉冲变压器(422)配置成从所述检测电路接收指示所述故障的所述信号，并将第一信号传送到所述多个第一电容器(210)以将所述电能传送到所述等离子体枪(412)。

10.如权利要求9所述的控制器(108)，其中，所述触发电路(304)还包括通信耦合到所述第二电容器(210)和所述检测电路的第二脉冲变压器(424)，所述第二脉冲变压器(424)配置成从所述检测电路接收指示所述故障的所述信号，并将第二信号传送到所述第二电容器(212)以将所述脉冲传送到所述等离子体枪(412)。

11.如权利要求10所述的控制器(108)，其中，所述触发电路(304)还包括通信耦合到所述第二脉冲变压器(424)的计时器(420)，所述计时器(420)配置成从所述检测电路接收指示所述故障的所述信号，并在所述第一脉冲变压器(422)传送所述第一信号的预先选择的时间间隔之后，将所述第二信号传送到所述第二脉冲变压器(424)。

12.如权利要求10所述的控制器(108)，其中，所述触发电路(304)还包括：

通信耦合到所述多个第一电容器(210)和所述第一脉冲变压器(422)的第一逻辑器件(406)，所述第一逻辑器件(406)配置成从所述第一脉冲变压器(422)接收所述第一信号并使所述多个第一电容器(210)将所述电能传送到所述等离子体枪(412)；以及

通信耦合到所述第二电容器(212)和所述第二脉冲变压器(424)的第二逻辑器件(408)，所述第二逻辑器件(408)配置成从所述第二脉冲变压器(424)接收所述第二信号并将所述脉冲传送到所述等离子体枪(412)。

13.如权利要求8所述的控制器(108)，其中，所述触发电路(304)包括点火线圈(428)，其通信耦合到所述第二电容器(212)并配置成使用由所述第二电容器(212)存储的电能生成所述脉冲。

14.如权利要求8所述的控制器(108)，其中，所述触发电路(304)包括至少一个阻塞二极管(426)，其配置成防止电流从所述等离子体枪(412)流向所述多个电容器。