CN103227461A

CN103227461A - 熔断器保护系统中的电弧控制

Info

Publication number: CN103227461A
Application number: CN2013100376369A
Authority: CN
Inventors: A.桑加韦卢; M.E.瓦尔德斯; G.W.罗斯克
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2013-07-31
Also published as: US20130194702A1; JP2013158236A; EP2624396A2

Abstract

本发明涉及熔断器保护系统中的电弧控制。公开电弧控制组件。根据本发明的某些方面，提供控制器，其检测变压器的次级侧上故障状况的存在。当检测到这样的故障状况时，该控制器使该变压器的初级侧上产生放电或短路状况。

Description

熔断器保护系统中的电弧控制

技术领域

本文公开的主旨涉及包括变压器的电力系统中的电弧放电的消除或减少。

背景技术

例如输电网等配电系统可用于例如从上游发电设施在区域上或设施内分配电力，或占用通往一个或多个下游用户或电力的配电器的点。在这样的电网内的各种点处，电力可在上游位置以较高的电压提供，但对于下游用户或配电器以较低电压提供。例如，可采用变压器（例如配电或次级变电站变压器）来将处于配电电压（例如，11kV-38kV）的电力变换到用电电压（例如，208V到7kV）。

在一些实例中，可能发生意外的接触或短路，这可以导致电弧故障电流（例如，空气放电事件）。例如，在电弧闪光事件中，电弧放电故障可在相母线和另一个母线或中性或接地位点之间发生。在这样的电弧闪光事件中，提供的保护装置可能没有像期望的那么快跳闸，特别是如果故障在次级较低电压发生（其中保护装置在变压器的初级侧上）。例如，在变压器上的故障电流与在变压器涌流期间观察到的（即，当装置加电时由变压器抽取的初始电流）相似的情况下，在保护装置跳闸之前可能过去几秒或几分钟。典型地例如熔断器等在变压器之前使用的保护装置选择或配置成在这样的涌流事件期间不跳闸，因为这些事件是正常操作的一部分。因此，不期望的电弧故障电流可能不像期望的那么快停止。

发明内容

根据一个实施例，提供电力系统。该电力系统包括处于第一电压的初级电路。该初级电路包括至少一个电路中断装置。该电力系统进一步包括处于第二电压的次级电路。该第二电压小于或等于该第一电压。该电力系统进一步包括配置成将来自该初级电路的电能转移到该次级电路的变压器。该电力系统进一步包括配置成检测该次级电路上的故障状况的控制器装置和配置成当该控制器装置检测到该次级电路上的故障状况时在该初级电路上产生放电或短路的故障产生装置。

根据另外的实施例，提供故障保护组件。该故障保护组件包括配置成检测次级电路上的电弧事件并且响应于该电弧事件生成信号的控制器。该故障保护组件进一步包括配置成接收该信号并且响应于该信号在初级电路上产生放电或短路的故障产生装置。该初级电路处于等于或高于该次级电路的电压。

根据另外的组件，提供用于控制电弧的方法。根据该方法，在处于第一电压的次级电路上检测到电弧闪光。响应于该电弧闪光生成信号。响应于该信号在初级电路上产生放电或短路。该初级电路处于等于或高于该次级电路的电压。响应于该初级电路上的该放电或短路，停止电能在该初级电路和该次级电路上的流动。

附图说明

本发明的这些和其他特征、方面和优势当参照附图（其中类似的符号在整个附图中代表类似的部件）阅读下列详细说明时将变得更好理解，其中：

图1是根据本公开的方面的电力系统中的部件的框图；

图2是根据本公开的方面的系统的实施例的部分电路视图；

图3是根据本公开的方面的系统的另外的实施例的部分电路视图；

图4是根据本公开的方面的系统的实施例的实现的视觉表示。

具体实施方式

本发明的一个或多个特定实施例将在下文描述。为了提供这些实施例的简洁说明，可不在该说明书中描述实际实现的所有特征。应该意识到在任何这样的实际实现的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多实现特定的决定来达到开发者的特定目标，例如遵守系统相关和业务相关的约束等（可在实现之间变化）。此外，应该意识到这样的开发努力可能是复杂并且耗时的，但对于享用本公开的利益的那些普通技术人员仍将是设计、制作和制造的例行任务。

当介绍本发明的各种实施例的要素时，冠词“一”、 “该”和“所述”意在表示存在要素中的一个或多个。术语“包括”、“包含”和“具有”意为包括性的并且表示可存在除列出的要素外的附加要素。此外，在下列论述中的任何数字示例意为非限制性的，并且从而另外的数值、范围和百分比在公开的实施例的范围内。

在本方式的各种实施例中，第一和第二电力系统由变压器耦合，该变压器将来自第一（即，初级）系统（处于较高或相等电压）的电力传输到第二（即，次级）系统（处于较低或相等电压）。本公开大体上涉及缩短次级系统中的电弧（或其他）故障事件和初级系统中的流动电流的熔断器中断之间的时间。尽管本公开大体上论述次级系统中的故障事件为电弧故障，这样的论述意在简化说明并且提供特别的示例。本方式同样可应用于次级系统中的其他类型的故障事件（例如栓接故障（bolted fault）等），并且应该理解为包含并且对可能在次级系统中发生的各种类型的短路或放电进行保护。

如本文论述的，在本方式的某些实现中，可触发变压器的源或较高电压侧（即，第一或初级侧）上的短路或放电以便引发这样的熔断器中断（即，熔断器的烧断）。例如，在一个实施例中低阻抗受控故障在对配电电路馈电的一组熔断器下被引入。在这样的实施例中，所得的高故障电流将使变压器的初级侧上的熔断器熔化（即，跳闸），中断电路。特别地，故障电流可有效地从变压器的较低电压侧（即，第二或次级侧）上的不受控意外故障转移到变压器的初级侧上的受控故障，由此灭除意外故障。一旦能量转移到变压器的初级侧，电流流动具有足够的大小来使熔断器快速熔化，由此停止在变压器的两侧上的电流流动。在一个这样的实现中，电弧放电装置可在变压器的初级侧上的熔断器下面提供并且用于将能量从变压器的次级侧上的意外电弧转移走。

如将意识到的，响应于在变压器的次级侧上检测到电弧放电故障的在变压器的初级侧上的放电或电弧事件的产生可有效地“扼制”变压器的次级侧上的电弧故障。特别地，次级系统中的电弧故障可由变压器的阻抗和由变压器的对跨初级和次级系统的电压（如果有的话）的降低有效地灭除。此外，放电或短路停止次级（即，下游）系统中流动的电力，但允许电力继续流过变压器的初级或上游侧上的过电流保护装置，并且起作用来将该电力流增加到代表初级系统内的重大故障的水平，由此使保护装置跳闸或烧断，如本文描述的。

记着前述，并且转向图1，本公开的某些实施例包括具有两个部分的电力系统10，该两个部分用于保护跨变压器12列队被保护的电力设备（例如，由熔断器保护的系统）。该变压器12可以是DY变压器或任何其他适合的配置，包括1相或3相。在一个实施例中，变压器12连接、变压器12的初级侧上的中压（MV）线路14（例如，17.5kV、13.8kV、11kV或5kV线路）和变压器12的次级侧上的低压（LV）线路16（例如，240V、480V、600V、2.3kV、4.16kV、6.6kV或11kV线路），其处于等于或低于MV线路14的电压。系统的第一部分是控制器系统20，其检测和/或确定电弧22是否在变压器12的次级侧上的一件设备中存在。该控制器系统20可基于例如电流、光、光和电流、电压、声音、压力或压力变化等各种类型的可观察现象24或指示物做出这样的确定。

控制器20可以是几个类型的控制装置中的一个。例如，控制器20可以是电弧闪光继电器87B、87T或任何适合的过电流跳闸装置或中继器中的一个或多个。例如，在一个实施例中，控制器20可是（或可基于）Entelliguard® TU跳闸单元（可从通用电气获得），其提供选择性控制、快速超驰控制和/或区域选择性。

一旦控制器系统20确定电弧22在变压器12的次级侧上存在，控制器系统20发送信号给上游装置（在本示例中，描绘为放电/短路装置26）来在变压器12的初级侧上形成电短路。该电短路（低阻抗故障）可通过使用机械撬棒、由自动开关闭合的电力设备短路、电弧封闭装置或由多种手段形成低阻抗故障或其他适合的方式来形成。在一个实施例中，放电/短路装置26在内部电极之间产生短路，在它自身内引起电弧，由于电力被转向变压器12的初级侧上新的有意产生的电弧事件而使变压器12的次级侧上的电弧快速灭除。

由放电/短路装置26形成的所得短路加速变压器12的初级侧上的保护装置28的实现或行动，例如保护系统10的熔断器的烧断等，由此限制最大电流流动。实际上，公开的方式响应于变压器12的次级侧（例如，LV侧）上的电弧事件或意外放电而起作用来在变压器12的初级侧（例如，MV侧）上形成对应事件（即，将故障事件“转移”到变压器12的初级侧），使初级侧上的电流限制保护28起作用并且由此限制电流的流动和中断放电事件。

尽管熔断开关的熔断器是适合根据本公开使用的保护装置28的一个可能的实施例，该保护装置28可是任何适合的电路保护装置。例如，保护装置28可备选地是断路器。在这样的实现中，放电/短路装置26将配置成提供足够的耐受能力来承载电流直到在断路器处接收到跳闸命令（例如从断路器的内部感测机构或从控制器20等）。另外的耐受能力适应对于断路器接收信号、对信号做出反应并且中断电流流动要求的额外时间。这样的另外耐受能力可增加装置26的尺寸、复杂性和/或成本，但可能也适合于在更宽范围的应用中使用。从而，保护装置28的选择和/或配置可取决于特别的应用或其他系统特定因素。

转向图2，描绘一个这样的实现的部分电路视图。尽管图2大体上采用单线形式描绘相应的连接来简化说明和描绘，应该意识到描绘的电路可应用于三相（如在图3中示出的）以及单相电力实现。在该示例中，控制器检测放电或电弧22并且生成信号32给例如MV电弧拱顶（AV）34等放电/短路装置26，其起作用来在功能上将故障从变压器21的次级侧转移到初级侧（例如通过在变压器12和熔断器38（在图2中示为熔断式开关组件的一部分）之间的初级侧上产生对应的放电36等）。在变压器的初级侧上的故障导致熔断器38（与开关组件50一起示出）比熔断器38将由变压器12的次级侧上的放电22烧断更快地烧断。熔断器38从而起作用来限制MV AV34中的初级电弧放电能量。

在图3中提供更清楚地描绘三相实施例和另外的感测部件的另外的实现。在描绘的实施例中，在变压器12的初级侧上描绘电力的通用源40。如将意识到的，该源40可处于高于或等于变压器12的另一侧上的次级电压的任何电压。在某些实现中，当电弧放电故障在熔断器38和变压器12之间发生时该源40传送足够的故障电流来使熔断器38快速烧断。关于根据本公开的电弧限制操作的定时，在一个实施例中估计可在近似8ms或更短时间（例如，在2ms-4ms之间）中完成封闭并且消除LV侧上的电弧闪光。估计电流将在变压器12的次级侧上的闪光电弧的近似1个循环内（例如，在~3/4循环内）在变压器12的初级侧上停止（即，熔断器38将烧断）。

控制器20可以是任何适合的控制和/或检测技术，并且在某些实施例中可从一个或多个传感器44接收和处理信号。例如，传感器44可响应于光、电流、电压、压力、噪音或其他可观察到的现象中的一个或多个生成信号并且可将这些信号传输到控制器20供处理或监测。

在描绘的示例中，控制器与例如极化电容器46等某个类型的放电/短路部件26通信，该部件能够在变压器12和熔断器38和上游开关50之间引起放电事件36。在描绘的示例中，放电事件与放电/短路装置26（例如具有0阻抗的机械撬棒或电弧发生装置等）结合产生，放电/短路装置26当激活时能够在变压器12的初级侧上引起熔断器烧断事件。放电系统26可安装在熔断式开关外壳外（并且经由例如电缆、总线或电缆和总线的组合等适合的电导体连接），或可安装在熔断式开关外壳内。

转向图4，在一个实施例中，放电/短路装置26可提供为等离子体触发器或枪60，其中电容器储能装置46将能量释放进入与等离子体枪关联的电极62来形成由等离子体几何结构引导的电弧，并且将材料释放进入熔断器38下游的主电极62组之间的空间，由此破坏空气的介电性质并且在变压器12的初级侧上产生电弧事件。例如，在一个这样的实施例中，等离子体触发器或枪60破坏提供在熔断器38下游的电极62之间的空气的介电（绝缘）性质。在这样的实施例中，电极62处于系统电势（即，处于全系统电压）。因此，当空气的绝缘性质由等离子体枪60破坏时，电极62开始通过电离的空气传导，进一步破坏它的绝缘性质并且级联成全爆炸电弧。一旦主电极62开始传导，等离子体枪60不再需要操作，因此它的输出脉冲具有非常短的持续时间（例如，微秒至十分之几毫秒）。如将意识到的，电极62之间的适合距离的范围可取决于系统的其他参数、例如在变压器12的初级侧上的电压水平等变化，其中更大的电极间距典型地与更高的系统电压水平关联。同样地，系统期望的“基本绝缘水平”越大，电极62之间的间隙将典型地更大。

该书面说明使用示例来公开本发明，其包括最佳模式，并且还使本领域内任何技术人员能够实践本发明，其包括制作和使用任何装置或系统并且进行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域内技术人员想到的其他示例。这样的其他示例如果它们具有不与权利要求的书面语言不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的书面语言无实质区别的结构要素则规定在权利要求的范围内。

Claims

1.一种电力系统，其包括:

处于第一电压的初级电路，其中所述初级电路包括至少一个电路中断装置；

处于第二电压的次级电路，其中所述第二电压小于或等于所述第一电压；

变压器，配置成将来自所述初级电路的电能转移到所述次级电路；

控制器装置，配置成检测所述次级电路上的故障状况；

故障产生装置，配置成当所述控制器装置检测到所述次级电路上的所述故障状况时在所述初级电路上产生放电或短路。

2.如权利要求1所述的电力系统，其中所述第一电压在大约5kV至大约38kV之间。

3.如权利要求1所述的电力系统，其中所述第二电压在大约208V至大约7kV之间。

4.如权利要求1所述的电力系统，包括与所述控制器装置通信的一个或多个传感器，其中所述一个或多个传感器配置成检测电流、电压、光、压力或声音中的至少一个。

5.如权利要求1所述的电力系统，其中所述故障状况包括电弧闪光或栓接故障。

6. 如权利要求1所述的电力系统，其中所述故障产生装置包括等离子体枪组件，其配置成在所述变压器和所述至少一个电路中断装置之间的多个电极之间产生电弧。

7.如权利要求1所述的电力系统，其中所述放电或短路在所述变压器和所述至少一个电路中断装置之间产生。

8.如权利要求1所述的电力系统，其中至少一个电路中断装置包括熔断器或包括熔断器和开关的组件。

9.如权利要求1所述的电力系统，其中所述第一电压是中压并且所述第二电压是低压。

10.如权利要求1所述的电力系统，其中所述至少一个电路中断装置配置成当所述故障产生装置在所述初级电路上产生放电或短路时停止电能在所述初级电路上的流动。

11.一种故障保护组件，其包括：

控制器，配置成检测次级电路上的电弧事件并且响应于所述电弧事件生成信号；

故障产生装置，配置成接收所述信号并且响应于所述信号在初级电路上产生放电或短路，其中所述初级电路处于等于或高于所述次级电路的电压。

12.如权利要求11所述的故障保护组件，包括电路中断装置，其配置成响应于所述初级电路上的所述放电或短路而停止电能在所述初级电路和所述次级电路上的流动。

13.如权利要求11所述的故障保护组件，包括与所述控制器通信的一个或多个传感器，其中所述一个或多个传感器配置成检测电流、电压、光、压力或声音中的至少一个。

14.如权利要求11所述的故障保护组件，其中所述故障产生装置在所述初级电路上的至少一个电路中断装置和所述次级电路与所述初级电路之间的变压器之间产生第二电弧事件。

15.如权利要求11所述的故障保护组件，其中所述故障产生装置包括等离子体枪组件。

16.一种用于控制电弧的方法，其包括：

在次级电路上检测电弧闪光；

响应于所述电弧闪光生成信号；

响应于所述信号在初级电路上产生放电或短路，其中所述初级电路处于等于或高于所述次级电路的电压；以及

响应于所述初级电路上的所述放电或短路，停止电能在所述次级电路上的流动。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述放电或短路在所述初级电路上的至少一个电路中断装置和连接所述次级电路和所述初级电路的变压器之间发生。

18.如权利要求16所述的方法，其中检测所述电弧闪光包括检测与所述电弧闪光关联的光、电流、电压、声音或压力中的一个或多个。

19.如权利要求16所述的方法，其中产生所述放电或短路包括在所述初级电路上产生电弧事件。

20.如权利要求16所述的方法，其中停止电能在所述初级电路和所述次级电路上的流动包括响应于所述放电或短路使至少一个熔断器烧断。