CN102859375A - 具有状态检测的保护开关 - Google Patents

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Abstract

一种保护开关组件(100)包括开关位置传感器(109)，这些传感器感测开关刀片(14)位置并且指示一个或者多个开关(104)是否断开。根据另一方面，监控开关电路的电压和电流以确定开关位置以及总电路状态。

Description

具有状态检测的保护开关
技术领域
本申请涉及保护继电器开关并且更具体地涉及具有状态检测装置的测试开关。
背景技术
保护继电器在电业应用中常用来测试电功率输出中的各种可能问题、因此保护昂贵设备如电动机和发电机。保护继电器连续监控功率系统以确保电气服务的最大连续性而对生命和财产的损坏最小。
如今的保护应用中的一些保护应用不限于：电动机、发电机、变压器、站母线、线路和电路、系统接地、网络系统、控制线、控制电路、传输线路、控制继电器、备份、重新闭合、同步、负载分流、频率和多得多的保护应用。通常，保护继电器、计量器和仪表从传感器(常为电流互感器和电压互感器)接收它们的输入信号，这些传感器逐步降低高电流和电压并且提供比例输出信号。
继电器端子通过测试开关端子或者“极”连接到互感器/传感器。每个测试开关可以与一个或者多个继电器关联。测试开关在继电器从它的外壳去除或者相邻测试开关断开时提供线路和负载端子的必需短路。以这一方式，测试开关出于校准和/或更换的目的从传感器断开保护继电器。因此测试开关是用来使保护继电器失效的装置。此外，测试开关提供用于维护人员使用计量器如测试插头来直接测量电流/电势值的访问点。
在图1中示出了并且标号10大体上指示示例现有技术测试开关组件。可使用的广泛的各种测试开关允许很多种类的应用。如本领域普通技术人员众所周知，这些应用可以包括具有所有电势开关、所有电流开关或者其一些组合的测试开关。
测试开关组件10在它的正面10上具有布置成五(5)组的10个开关12a至12j。在用于现有技术测试开关10的图1中所示实施例中有与各自电流互感器(未示出)关联的两个开关、即开关12a和12b。测试开关10也包括八(8)个电势开关、即开关12c和12d、12e和12f、12g和12h、12i和12j。
在图2a和2b中示出了与电流互感器关联的成对开关的一个例子。成对开关包括开关如开关12a和开关12b，开关12a具有短接刀片14，该刀片具有柄部26(开关12a在未配对时可以是电势开关)，开关12b无短接刀片而代之以包括测试插口16。来自电流互感器的输入连接到开关12a的底部连接器17。电流经过短接刀片14行进并且流出开关12a的顶部连接器18，该顶部连接器又电连接到继电器。电流从继电器往回向顶部电连接器19行进、经过测试插口16并且经过开关12b的底部电连接器20回到电流互感器。短接接片22从开关12b的底部向开关12a下面的位置延伸。短接接片22电连接到开关12b的底部连接器20。
在正常操作期间，在短接刀片14闭合时，电流从电流互感器流向底部连接器17、经过短接刀片14流向顶部连接器18并且从该顶部连接器流向继电器。电流从继电器经过向连接器19返回、经过测试插口16流向底部连接器20并且从该底部连接器流向互感器。然而如果操作者希望去除来自继电器的电流信号，则短接刀片14断开。在刀片14旋转时并且在它从顶部连接器18电断开之前，短接刀片14的底边24接合短接接片22、由此电连接底部连接器17与底部连接器20。随后，刀片14从顶部连接器18断开，并且去往继电器的电流信号停止。通过首先将电路短路，电流总是具有行进路径、由此防止互感器中的危险电压积聚。
在测试开关组件10的背面上，提供二十个端子用于连接到继电器和传感器/互感器。当测试开关10装配于开关板面板(未示出)中时，从面板的前面可访问开关12a至12j，并且仅可从面板的后面访问背面上的端子。
尽管现有技术测试开关已经证实明显可依赖，但是缺点仍然存在。例如在一些实例中，维护人员可以出于故障排除或者维护目的而使继电器失效(经由测试开关)。功率系统可以恢复而测试开关非故意地留在使器件失效的配置中。这样的状况可能使保护和控制设备出故障。
存在可能影响继电器性能的其它潜在问题、比如烧断熔断器、改变接线或者改变保护和控制方案的拓扑结构(故意或者非故意)。这些状况中的任何状况可能导致继电器的不正确操作或者故障。因此希望在恢复功率系统之前验证向测试开关的所有正确信号输入。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种开关组件用于有选择地断开和闭合在保护继电器与电压或者电流传感器之间的电连接。该开关组件包括：多个单独开关，包括在断开与闭合位置之间可移动的刀片，开关电连接于保护继电器与电压或者电流传感器之间。开关位置传感器与多个单独开关中的每个开关中的刀片邻近定位以感测刀片何时在断开或者闭合位置。指示器基于来自所述开关位置传感器的信号光学地显示刀片中的任何刀片是否在断开位置。
根据本发明的另一方面，提供一种系统用于有选择地断开和闭合在一个或者多个保护继电器与电压或者电流互感器之间的电连接。该系统包括：多个开关组件，每个开关组件包括多个单独开关，这些开关包括在断开与闭合位置之间可移动的刀片。开关电连接于保护继电器与电压或者电流互感器之间。每个开关组件包括用于监控来自电压或者电流互感器的信号的至少一个传感器。监控模块与至少一个传感器通信。监控模块根据传感器的输出确定所述开关中的至少一个开关是否断开或者闭合。
附图说明
图1是现有技术测试开关组件的等距图。
图2a是用于电流互感器的现有技术联动测试开关的侧视图。
图2b是用于电流互感器的现有技术联动测试开关的前视图。
图3是包括多个测试开关组件的装置的俯视图。
图4是根据本发明的测试开关组件的右前侧俯视图。
图5是除了一个测试开关之外的所有测试开关被去除的测试开关组件的右前侧俯视图。
图6是包括多个测试开关组件、功率供应模块和监控模块的装置的左前侧俯视图。
图8是用于电势开关的第二监控方案的示意图。
图9是用于电势开关的第三监控方案的示意图。
图10是用于电势开关的第四监控方案的示意图。
图11是用于电势开关的第五监控方案的示意图。
图12是用于联动电流开关的第一监控方案的示意图。
图13是用于联动电流开关的第二监控方案的示意图。
图14是用于联动电流开关的第三监控方案的示意图。
图15是用于联动电流开关的第四监控方案的示意图。
图16是用于联动电流开关的第五监控方案的示意图。
图17是用于联动电流开关的第六监控方案的示意图。
图18是用于联动电流开关的第七监控方案的示意图。
具体实施方式
现在参照图3，示出了包括多个开关组件102的示例装置100。开关组件102各自包括多个单独开关104，这些开关为模块化并且水平可堆叠以提供灵活性和效率。每个开关组件102包括在逻辑分组中布置并且由可移动安全盖覆盖的多个单独开关104(见图4)。例如一个开关组件102a可以包括用于差分保护互感器的开关104。第二开关组件102b可以包括用于初级保护互感器的开关104。第三分组102c可以包括用于备份保护互感器的开关104。另一逻辑分组102d可以包括用于全保护给定互感器的开关104。任何数目的分组可以用来为操作者提供便利接口。
现在参照图4，如上文讨论的那样，每个开关组件102包括可以模块化和可堆叠的多个开关104。内开关104a在每侧上由端开关104b界定。现在参照图5，为了更清楚，示出了除了一个开关之外的所有开关的电部件被去除的开关组件102。可见开关包括当在闭合位置时与刀片的柄部26邻近定位的传感器108。当在闭合位置时，传感器108检测可转动刀片14的存在。传感器108可以是多个类型的接近传感器之一。例如传感器108可以是RF传感器，其中RFID标签固着到柄部或者刀片。根据这一实施例，当刀片14向断开位置转动时，RFID标签将脱离接收器的范围从而触发状态改变。根据另一实施例，传感器108可以是检测定位于刀片14或者柄部26上的小磁体的霍尔传感器。根据又一实施例，传感器108可以是检测刀片或者柄部何时在闭合方向的光学传感器。
每个开关组件102包括开关位置指示器112(见图4)，该指示器指示开关组件中的开关中的任何开关是否在断开配置中。根据一个实施例，指示器112可以包括能够交替地发射绿光或者红光的一个或者多个LED。根据一个实施例，如果开关组件102的所有传感器108感测它们的各自开关在闭合配置中(例如刀片14在近似90度闭合在底部与顶部电连接器之间的电连接)，则指示器112发射绿光。然而如果传感器108中的任何传感器检测到它们的各自开关104在除了闭合之外的位置(即刀片14如图4中所示从开关组件转动开)，则指示器112发射红光。每个开关组件102包括在断开(见图4)与闭合(见图3)位置之间转动的盖114。盖114可以透明或者半透明。因而为了容纳半透明盖，指示器112定位于盖114覆盖的区域以外，从而操作者即使在盖114闭合时仍然可以看见指示器112。
传感器108和指示器112可以从监控的电路汲取功率或者优选地从功率模块116接收功率。如图6中所示，单个功率模块116可以为装置100中的所有开关组件102提供功率。根据其它实施例，功率模块116可以为每个开关组件102提供功率。
每个装置100也可以包括与传感器108电通信的监控模块120。监控模块120可以相应地提供单独指示器122，该指示器指示装置100中的开关104中的任何开关是否断开。为了使数据传送大小最小并且简化解译，每个开关组件102可以向监控模块120提供指示开关总状态的的单个信号。来自每个开关组件102的输出可以是二进制信号(好/坏或者高/低)。监控模块120能够从多个开关组件接收状态信号并且又与控制室或者其它远离位置通信以传输开关状态信息。
监控模块120还可以有助于直接监控从仪表互感器输出的信号(如下文将更具体讨论的那样)。直接监控在继电器与仪表互感器之间的电路提供许多优点。具体而言，这一方式实现检测附加的故障操作原因，例如电压互感器上的烧断熔断器。在开关的信号测量可以在功率系统恢复之前不仅确定测试开关在正确闭合位置而且确定向继电器施加恰当信号。使用对开关的信号测量开启诊断电流和电压互感器上的问题的新的可能性。迄今为止很少关注什么可能是功率系统的最弱链路。如果仪表互感器由于故障或者退化而不能准确复制初级功率系统的状况，则将危及这样的系统以及关联的保护和控制方案。
来自电流互感器的电压和电流的读数可以提供用于计算基准值的有价值信息，这些基准值可以与将来操作值比较并且监控产品的退化。类似地，在电势电路上，工业实践做法是仅读取电压。因此根据本发明的一个方面，每个开关包括根据下文所示配置的集成电压和/或电流传感器。可以向监控模块120传输传感器测量，在该监控模块可以执行分析和/或向远离位置传输数据。
现在参照图7，在电势开关中，在A处监控电流以确定开关的状态(断开或者闭合)。根据这一实施例，在A处存在电流指示闭合极，而在A处未存在电流指示断开极。
现在参照图8，在电势开关中，监控开关两端的差分电压以确定开关的状态(断开或者闭合)。根据这一实施例，零或者很低电压读数(标称未存在电压)指示闭合开关。标称电压读数(或者标称存在电压)指示断开开关。
现在参照图9，在电势开关中，相对于共同接地或者系统中的其它参考点测量开关两端的电压。这一方式具有消除浮动电压的可能性这样的附加优点，并且系统电压可以被直接读取并且用于其它目的。根据这一实施例，如果从V2减去V1，导致零或非常低的电压读数，这指示了闭合的开关。如果V1具有零电压读数，但是V2具有非零电压读数，则这指示断开开关。如果V1和V2二者具有零或者很低电压读数，则这指示系统功率关闭。因此，在图9的实施例中，有可能区分断开、闭合和功率系统关闭状况。
现在参照图10，在电势开关中，测量开关两端的电压，并且在A处测量电流。这一方法使用电流和电压测量二者以监控开关状态。根据这一实施例，在A处未存在电流并伴随在开关两端的电压指示断开开关。在A处存在电流并伴随在开关两端不存在电压指示断开极。当未从功率系统接收信号时，电压和电流二者将读取为零。以这一方式，可区分三个系统状态(开关断开、开关闭合、无来自互感器的信号)中的每个系统状态。因而这一装置在功率系统关闭时没有不正确指示的限制。
现在参照图11，在电势开关中，在A处测量电流，并且相对于共同接地或者系统中的其它参考点测量开关两端的电压。根据这一实施例，在A处未存在电流与除了零之外的差分电压(V2-V1)一起指示断开开关。在A处存在电流与具有零或者很低电压读数的差分电压(V2-V1)一起指示闭合极。当未从功率系统接收信号时，电压和电流二者将读取为零。以这一方式，可区分三个系统状态(开关断开、开关闭合、无来自互感器的信号)中的每个系统状态。另外，这一配置消除浮动电压的可能性。电压值也可以被直接读取并且用于其它监控功能。
现在参照图12，在联动电流开关中，在两个位置测量电流。在继电器侧(负载侧)上的A1和在电流互感器侧(电源侧)上的A2测量电流。根据这一实施例，存在相似电流读数(A1＝A2)指示开关闭合(正常操作)。如果在A2测量正电流，但是A1读取为零或者很接近零，则这指示开关断开。如果A1和A2二者测量为零，则这指示未从互感器(传感器)输出电流信号。
现在参照图13，在联动电流开关中，测量短接刀片开关两端的电压。如果电压测量为零或者很低，则这指示开关在正常操作位置闭合。如果在开关两端测量到电压，则这指示开关断开。
现在参照图14，在联动电流开关中，相对于接地或者开关的负载侧和电源侧上的参考点测量电压。它具有消除浮动电压的可能性这样的附加优点，并且系统电压可以被直接读取并且用于其它目的。根据这一实施例，如果V1＝V2，则这指示开关在正常操作中闭合。如果V1不等于V2，则这指示开关断开。
现在参照图15，在联动电流开关中，测量在开关的负载和电源侧二者的电流以及开关两端的电压。在闭合开关(或者正常)操作期间，在A1和A2存在相似电流读数验证正常操作(闭合开关)。这由如下电压测量重新验证，其中电压未存在或者很低指示闭合开关。在断开开关(短接CT)期间，不相似的电流读数(在A2存在电流而在A1无电流)指示断开开关(短接CT)。这由如下电压测量重新验证，其中存在电压指示断开开关。如果未在A1或者A2测量到电流，但是在开关两端形成电压，则这指示断开电流互感器(即开关断开、但是未短路)，这是潜在危险状况。
现在参照图16，在联动电流开关中，测量在开关的负载和电源侧上的电流。也相对于接地或者开关的负载侧和电源侧上的参考点测量电压。在闭合开关(或者正常)操作期间，在A1和A2存在相似电流读数验证正常操作(闭合开关)。这由如下电压测量重新验证，其中如果V1＝V2，则这指示闭合开关。在断开开关(短接CT)期间，不相似的电流读数(在A2存在电流而在A1无电流)指示断开开关(短接CT)。这由如下电压测量重新验证，其中在V1存在、但是未在V2存在电压指示断开开关。如果未在A1或者A2测量到电流，但是在V1形成电压，则这指示断开电流互感器(即开关断开、但是未短路)，这是潜在危险状况。
现在参照图17，在联动电流开关中，进行仅两个测量：一个电压和一个电流。最小数目的传感器使这一实施例在经济上有利。在开关的电源侧测量电流并且测量电流互感器两端的电压。根据这一实施例的开关传感器配置能够检测闭合刀片(正常操作)、断开刀片(短接CT)、功率关闭，并且也可以检测在电路中的任何位置的断开电流互感器状况。
根据这一实施例，当开关在正常操作中闭合时将测量正电流和非零电压。如果开关在短接CT配置中断开，则将测量正电流，但是测量的电压将为零或者很接近零。在断开电流互感器状况下，将测量到零电流，然而将看见电压。在零功率情形中，将测量到零电压和电流。
根据这一实施例，除了监控功能之外，还可以提供成组故障保护触头以如果确定断开CT状况则短接测试开关端子(跨接V)。这向用户提供附加安全性并且避免损坏下游器件(如同保护继电器)。也可以在电流互感器端子而不是开关端子提供这一故障保护触头。
设想如下其它配置，其中在单个位置各自测量电压和电流。例如现在参照图18，示出了与图17基本上相同的监控配置，然而相对于接地或者参考电压在CT的输入或者输出监控电压而不是测量电流互感器两端的电压。
根据这一实施例，当开关在正常操作中闭合时将测量到正电流和非零电压。如果开关在短接CT配置中断开，则也将测量到正电流和电压。在断开电流互感器状况下，将测量到零电流，然而将测量到电压。在零功率情形中，将测量到零电压和电流。
如本领域普通技术人员将理解的那样，本发明中的各种功能可以实施为或者采用计算机可读介质的形式，该计算机可读介质具有存储于其上的计算机可读指令，这些计算机可读指令在由处理器执行时实现如先前描述的本发明的操作。计算机可读介质可以是任何介质，该介质可以包含、存储、传达、传播或者传送用于由指令执行系统、装置或者设备使用或者与指令执行系统、装置或者设备结合使用的用户接口程序指令，并且可以例如是但不限于电、磁、光学、电池、红外线或者半导体系统、装置、设备或者传播介质或者程序被印刷于其上的其它适当介质。计算机可读介质的更多具体例子(非穷尽列举)将包括：便携计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或者闪存)、光纤、便携紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学存储设备、传输介质如支持因特网或者内部网的传输介质或者磁存储设备。可以用任何适当编程语言编写用于实现本发明的操作的计算机程序代码或者指令，只要它允许实现先前描述的技术结果即可。
尽管已经参照本发明的优选实施例具体示出和描述本发明，但是本领域技术人员将理解可以做出形式和细节上的各种改变而未脱离本发明的精神实质和范围。旨在于覆盖各种修改以及相似布置和过程，因此应当向所附权利要求的范围赋予最广义解释以便涵盖所有这样的修改以及相似装置和过程。

Claims (11)

1.一种开关组件，用于选择性地断开和闭合在保护继电器与电压或者电流传感器之间的电连接，包括：
多个单独开关，包括在断开与闭合位置之间可移动的刀片，所述开关电连接于所述保护继电器与所述电压或者电流传感器之间；
开关位置传感器，与所述多个单独开关中的每个开关中的所述刀片邻近定位以感测所述刀片何时在所述断开或者闭合位置；以及
指示器，基于来自所述开关位置传感器的信号光学显示所述刀片中的任一刀片是否在所述断开位置。
2.根据权利要求1所述的开关组件，其中所述刀片包括柄部，并且所述柄部包括嵌入式RFID标签，并且所述开关位置传感器是RFID传感器。
3.根据权利要求1所述的开关组件，其中所述刀片包括柄部，并且所述柄部包括嵌入式磁体，并且所述开关位置传感器是霍尔效应传感器。
4.根据权利要求1所述的开关组件，其中所述开关位置传感器是光学传感器。
5.根据权利要求1所述的开关组件，其中所述指示器包括能够交替地在所述所有所述开关刀片闭合时发射绿光或者在所述开关刀片中的至少一个断开时发射红光的一个或者多个LED。
6.一种系统，用于选择性地断开和闭合在一个或者多个保护继电器与电压或者电流互感器之间的电连接，所述系统包括：
多个开关组件，每个开关组件包括：多个单独开关，包括在断开与闭合位置之间可移动的刀片，所述开关电连接于所述保护继电器与所述电压或者电流互感器之间，每个所述开关组件包括用于监控来自所述电压或者电流互感器的信号的至少一个传感器；以及
监控模块，与所述至少一个传感器通信，所述监控模块根据所述传感器的所述输出确定所述开关中的至少一个开关是否断开或者闭合。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述至少一个传感器测量所述单独开关中的至少一个单独开关两端的电压，如果从所述传感器输出非零电压测量，则所述监控模块确定所述开关断开，并且如果从所述传感器输出零电压测量，则所述监控模块确定所述开关闭合。
8.根据权利要求6所述的系统，其中所述至少一个传感器测量经过所述单独开关中的至少一个单独开关的电流，如果从所述传感器输出零电流测量，则所述监控模块确定所述开关断开，并且如果从所述传感器输出非零电流测量，则所述监控模块确定所述开关闭合。
9.根据权利要求6所述的系统，其中所述至少一个传感器包括：第一传感器，其相对于共同接地测量所述开关的负载侧上的电压V1；以及第二传感器，其相对于共同接地测量所述开关的电源侧上的电压V2，如果V1减去V2获得零电压测量，则所述监控模块确定所述开关闭合，如果V1为零电压读数而V2为非零电压读数，则所述监控模块确定所述开关断开，如果V1和V2二者具有零电压读数，则所述监控模块确定系统功率关闭。
10.根据权利要求6所述的系统，其中所述至少一个传感器包括：第一传感器，其测量所述单独开关中的至少一个单独开关两端的电压；以及第二传感器，其测量经过所述至少一个单独开关的电流，当所述电压测量为非零而所述电流测量为零，则所述监控模块确定所述至少一个开关断开，当所述电压测量为零而所述电流测量为非零，则所述监控模块确定所述至少一个开关闭合，并且如果所述电压测量和所述电流测量为零，则所述监控模块确定系统功率关闭。
11.根据权利要求6所述的系统，其中所述至少一个传感器包括：第一传感器，其测量在所述单独开关中的所述至少一个单独开关的负载侧上的电压V1；以及第二传感器，其测量在所述单独开关中的所述至少一个单独开关的电源侧上的电压V2；以及第三传感器，其测量经过所述单独开关中的所述至少一个单独开关的电流，如果所述电流测量为零而差分电压(V2-V1)不为零，则所述监控模块确定所述至少一个开关断开，如果所述电流测量为非零而所述差分电压(V2-V1)为零，则所述监控模块确定所述至少一个开关闭合，如果所述差分电压为零并且所述电流测量为零，则所述监控模块确定系统功率关闭。
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