CN106415773B - 降低电弧闪光入射能量水平的方法、电路和控制开关装置的用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种技术，通过限制变压器浪涌电流以及允许更灵敏的保护设置，使得连接到典型配电网的商业和工业电力设施中的电弧闪光入射能量显著减少。本发明还公开了一种技术，以增加这些设施的电容量。通过使用控制开关装置(CSD)实现了浪涌电流的减小。本发明公开了一种用于降低包括断路器并由电流电供给的电路内的电弧闪光的方法，所述方法包括如下步骤：为所述电路提供一CSD，所述CSD用于发送一打开或关闭的命令到断路器以便同步打开或关闭的机械操作，优选在最佳的电角度。本发明还公开了一种包括CSD的电路，用于减少电路内的电弧闪光。

Description

降低电弧闪光入射能量水平的方法、电路和控制开关装置的 用途
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年12月8日提交给美国专利商标局的申请号分别为61/913351、61/913362，名称均为“控制开关装置及使用其的方法”的美国专利申请的优先权权益。
技术领域
本发明属于电子工程领域。本发明特别涉及一种通过限制浪涌电流减少商业和工业电力系统中电弧闪光发生的严重性的装置和方法，从而允许实施更严格和灵敏的过流保护。更具体地说，本发明涉及降低电弧闪光入射能量水平的方法、电路和控制开关装置(CSD)的用途。此外，本发明可以允许增加设施的电容量。
背景技术
在大型工业及商业楼宇中，变压器通电可能会产生额定电流15倍的大浪涌电流。这种状况下要求过流保护装置一定的安全系数以允许该装置切断这些电流，其使得灵敏保护设置建立困难，导致来自与电气故障的高入射能量水平，往往产生破坏性的电弧闪光事件。
在大型工业设施中，电弧闪光是造成人身伤害和死亡的主要原因之一。要求的安全系数和浪涌电流的作用也限制连接到配电系统的变压器的大小。
很多专利描述了可以检测电弧闪光发生的装置的发明。电弧闪光可以通过光测量如专利US9046391、舱内压力测量或测量噪声等级进行检测。尽管很多方法适用于检测电弧闪光的存在，仍然有需要消除电弧闪光时间的根本原因(电流大小和电流可以存在的时间量)。当短路不能足够快的切断时，电弧闪光事件及其严重性取决于设备内一些形式的短路，尤其取决于保护系统的故意延迟。这种延迟设置在保护继电器中以顾及变压器通电期间的浪涌电流并避免不必要的跳闸。本发明提供了一个新的手段以消除浪涌电流，因此允许能够更快切断电力故障的更灵敏的保护设置。这有助于限制人工危害的严重性以及对设备的伤害。
当电力变压器断电时，剩余磁通可能会保留在电力变压器的磁心内。众所周知，由于这些剩余磁通，变压器的失控通电可能产生变压器额定电流值幅度几个数量级的浪涌电流。为了避免通电过程中不必要的跳闸，保护设置必须包括一些延迟以使得浪涌电流逐渐停止并消失。
历年来，发展了很多技术以缓解和/或减少浪涌电流。一个众所周知的缓解电力变压器浪涌电流的技术使用了设有预插入电阻器/合闸电阻的断路器(CB)。另一缓解浪涌电流的现有技术使用了CB和平滑电感器。然而，这两个公知的技术要求使用具有额外零件的更复杂的多个CB，且已经证明在安装和维修时均增加了主要的成本。因此，可知这些机械的插件增加了维修操作的频率且降低了整体的可靠性。
名称为“Elimination of Transformer Inrush Currents by ControlledSwitching-Part I and II”(“通过控制开关消除变压器浪涌电流-第I和II部分”)、2001年4月2日第16卷第2期IEEE transactions on power delivery(《IEEE电力输送》)出版的文章公开了一种新的方法，其利用了控制开关技术。这篇文章描述了一种用于控制断路器在一个精确的电角度闭合的方法，该角度是根据变压器的剩余磁通的幅度和极性计算而得。
名称为“Transformer controlled switching taking into account the coreresidual flux a real case study”(“一个真实的案例研究：考虑磁心剩余磁通的变压器开关控制”)、2002年CIGRE(国际大电网会议)13-201出版的另一篇文章，公开了上述技术现场执行的结果。已经证明使用独立操作的极断路器的控制开关可以有效地消除浪涌电流。根据计算出的变压器磁心内的剩余磁通，该方法使用了断路器每一极的不同的电闭合角(延迟闭合策略)。每个变压器由去磁产生的剩余磁通通过变压器电压的数学积分计算。当电力变压器通电时，以通电产生的预期磁通和该相位内的剩余磁通匹配或相等这种方式，调节断路器的闭合角度。在第一个相位关闭之前，过零电压n个半周期之后关闭另两个相位。
CSD技术也已经用于缓解电容器组开关、反应器和电源线的浪涌电流。本标准中提出了同样的技术，以消除很多标准的商业/工业与公共设施互联中的浪涌电流。图1示出了这种连接关系。配电系统(1)供给商业或工业设施。熔断器(2)具备一个公共设施输入的值，其常常限制变压器的大小或给其尽可能小尺寸以清除变压器浪涌，同时仍然提供足够的短路保护。断路器(3)是用户端的装置，出于维修目的或安全原因断路器与设施隔离，而且断路器能够使用户端的设备免受过流损坏。主电力变压器(4)把配电网上的电压降低到一个较低的值以为设施(5)中的设施负载(6)供电。很多时候，因为该保护装置的切断时间不够快到减轻故障位置的能量数量，即使检测到故障，仍然会发生电弧闪光(7)事件。保护继电器(8)检测过载、短路和其它电气故障。在上述情况下，断路器(3)跳闸。
如图2所示，商业或工业设施中的浪涌电流主要是由主电力变压器(4)的失控通电引起的。当变压器失控通电时，其先前的去磁造成变压器磁心内的剩余磁通是造成高浪涌电流的原因，从而导致变压器饱和。此时，由于该浪涌电流，保护继电器(8)的设置必须考虑到高水平的浪涌电流，因此这些装置对下游设施(5)中的故障不太敏感。由于保护装置不太敏感，故障检测不太能有效地最小化和减轻电弧闪光事件。此外，由于浪涌电流能够上升到15倍的额定电流，因此设施内变压的尺寸和电容量会由于有害的变压器通电对配电系统的影响而受到限制。
当电流流过导体之间的空气时发生电弧闪光。它释放由铜、钢或铝等外壳材料的成分气化产生的强光、热量、声音和电弧爆炸。电力系统中电弧闪光事件造成的伤害是最痛苦和昂贵的安全隐患之一。
图4示出了用于保护协调模拟的单线图。在本例中，公共系统(18)供给公共总线(19)。用户总线通过熔断器(20)连接到公共总线。
在用户方，变压器(24)将电平从25000V变换至600V。可以手动操作(打开)断路器(23)以隔离用户负载(25)或通过过流继电器(22)断开(打开)断路器。
如图5所示，时间-电流坐标曲线图中，必须设置用户过流保护继电器(28)以便克服最坏情况下的变压器浪涌(29)。在同一图中，继电器允许180A的连续电流。因为没有使用CSD，因此浪涌电流可能会非常高(高达15倍的变压器满载电流)。为此，将过流保护继电器(28)的瞬时部分设定在1400A。
图7示出了用于具备典型继电保护设置的保护协调模拟的单线图。如图7所示的这些设置和布局，故障切断时间(FCT)可上升到20个周期(准确地说FCT＝20.339个周期)，由此产生的入射能量(IE)水平(电弧闪光事件的潜在危害性)达52cal/cm2(准确地说在18”时IE＝52.4cal/cm2)。该位置的故障电流(Ibf”)为58.32kA。在本例中，使用了与图4中使用的相同的元件。公共系统(34)、公共总线(35)、用户总线(36)、变压器(38)、过流保护继电器(37)和用户负载(39)。这种能量对在附近工作的人是致命的。需要注意的是，无论何时都应当避免在每平方厘米大于或等于40卡路里水平下工作，因为在此水平下的电弧闪光事件会引发爆炸危险。图5示出了上述场景的时间-电流坐标曲线图，展示了变压器热极限(27)和熔断器特性(26)。
图9示出图4例子的保护协调曲线，但其使用的是8MVA的变压器(49)而非5MVA的。在本例中，过流保护继电器(50)仍允许180A的连续电流，但此时将过流保护继电器(50)的瞬时部分设定在2280A以克服较大变压器的较大浪涌电流(51)。图9示出了过流保护继电器(50)的设置不能在其本身和公共熔断器(48)之间提供足够的间隙，因此，这种较大变压器的连接通常不能用于公共设施。
因此，需要一种新的技术，通过限制变压器浪涌电流并允许更灵敏的保护设置，使得连接到典型配电网的商业和工业电力设施中的电弧闪光入射能量显著减少。
也需要一种新的技术，以增加电力设施的电容量。
发明内容
本发明涉及一种通过限制其浪涌电流以减少商业和工业电力设施中电弧闪光发生的技术。此外，本发明允许增加设施的电容量。
本发明首先涉及一种用于降低用户负载内的电弧闪光的方法，用户负载由一电流供电，该电流由包括一断路器的电路控制。该方法包括如下步骤：为该电路提供一控制开关装置(CSD)，其适于发送一打开或关闭的命令到该断路器以便同步打开或关闭的机械操作，以减少发送到该电路的浪涌电流。
优选地，在本文中公开的方法进一步包括如下步骤：调节该CSD以在最佳的电角度关闭该电路的断路器，以减少浪涌电流。断路器可以连接到过流保护继电器。在这种情况下，该方法还进一步包括如下步骤：调整继电器的灵敏度，以获得更短的故障切断时间并将电弧闪光入射能量水平降低为无害水平。
该控制开关装置与一变压器连接。该方法还进一步包括如下步骤：计算该变压器内的剩余磁通，以计算切换断路器的最佳的电角度。
本文公开的方法包括如下步骤：在变压器的通电期间减少或消除浪涌电流。
该电路可以由通过包括熔断器的配电系统的电流供给。熔断器可以连接到断路器。该方法还可以进一步包括如下步骤：根据浪涌电流的功能配置熔断器的尺寸，以维持较高的浪涌电流。该方法还可以进一步包括如下步骤：将变压器更换为具有较大电功率的变压器，同时使得熔断器的值相同并且维持过流保护继电器和熔断器之间的充分的选择性和协调性。
本发明还涉及一种用于降低商业或工业电力设施的电路内的电弧闪光入射能量水平的方法，所述电路包括断路器并由电流电供给，所述方法包括如下步骤：
a.为所述电路提供一控制开关装置(CSD)，用于发送一打开或关闭的命令到所述断路器以便同步打开或关闭的机械操作；和
b.调节所述CSD以在最佳的电角度关闭所述电路的所述断路器，以减少发送到所述电路的浪涌电流。
本发明还可以涉及一种电路，其包括一断路器并由一电流电供给。该电路进一步包括一控制开关装置(CSD)，用于发送一打开或关闭的命令到该断路器以便将其打开和关闭的机械操作与最佳的电角度同步，以减少用户负载中电弧闪光事件。
可以调节该CSD以在最佳的电角度关闭电路的断路器，以减少浪涌电流。
本文所公开的电路中，该断路器可向下连接到具有灵敏度的一过流保护继电器，所述过流保护继电器用于获得更短的故障切断时间并将电弧闪光入射能力水平降低为无害水平。
本文所公开的电路中，借助于包括一熔断器的一配电系统，该电流可以被提供给该电路。该熔断器可以连接到该断路器，并且具有根据潜在浪涌电流的功能的选定尺寸。本文所公开的电路包括具有一额定功率的一变压器，该额定功率受限于向熔断器输入最大电流值的公用设施。设置过流保护继电器以维持熔断器足够的协调性和选择性。
本发明也涉及一种包括一断路器并由一电流供给的商业或工业电力设施的电路，其中，所述电路进一步包括一控制开关装置(CSD)，用于发送一打开或关闭的命令到所述断路器以便同步所述断路器的打开和关闭的机械操作，调节所述CSD以在最佳的电角度关闭所述电路的所述断路器，以减少所述浪涌电流，以降低所述电路内的电弧闪光入射能量水平。
本发明利用一控制开关装置(CSD)通过在一个最佳的电角度闭合电路的断路器来控制电力变压器通电，以减少提供给电路的浪涌电流。
本发明进一步涉及一种控制开关装置的用途，通过在一个最佳的电角度闭合商业或工业电力设施的电路的断路器，以控制电力变压器通电，以减少提供给所述电路的浪涌电流，同时降低所述电路内的电弧闪光入射能量水平。
本发明进一步涉及一种控制开关装置的用途，增加包含控制开关装置(CSD)的商业或工业电力设施的电路的电容量，调节所述CSD在一个最佳的电角度闭合所述电路的断路器。
本发明还涉及一种控制开关装置的用途，通过在一个最佳的电角度闭合商业或工业电力设施的电路的断路器控制电力变压器通电，以减少提供给所述电路的浪涌电流，同时增加所述电力设施的电容量。
本发明允许显著减少连接到典型配电网的商业和工业电力设施中的电弧闪光入射能量水平。本发明允许限制变压器浪涌电流并且提供更灵敏的保护设置。
本发明还允许增加这些设施的电容量。通过使用一控制开关装置实现了浪涌电流的减小，其可替代地被称为波形临界点(POW)控制器，更优选为智能控制器设计的控制开关装置。
目前，由于可上升至额定电流的15倍浪涌电流，保护设置不够灵敏。电能本质上是系统电压×历经时间×电流。本发明中，可以将保护设置为更低的水平，从而增加保护的灵敏度并且减少跳闸和隔离故障的时间，因此最小化故障能量并且减轻电弧闪光水平。此外，本发明允许增加设施的电容量。
附图简要说明
本发明的上述和其它目的、特征和优点通过接下来的描述将变得更加显而易见，参考附图如下，其中：
图1示出了商业或工业设施到配电系统的典型连接(现有技术)。
图2示出了浪涌电流的一个例子(现有技术)。
图3示出了本发明一个实施例的控制开关装置的实现。
图4示出了用于仿真的单线图(现有技术)。
图5示出了不含CSD的5MVA变压器的保护装置坐标曲线图(现有技术)。
图6示出了本发明一个实施例的包含CSD的5MVA变压器的保护装置坐标曲线图，以及更灵敏的保护设置。
图7示出了不含CSD的5MVA变压器的入射能量(IE)水平和故障切断时间(现有技术)。
图8示出了本发明一个实施例的包含CSD的5MVA变压器的入射能量(IE)水平和故障切断时间，以及更灵敏的保护设置。
图9示出了不含CSD的8MVA变压器的保护装置坐标曲线图(现有技术)。
图10示出了本发明一个实施例的包含CSD的8MVA变压器的保护装置坐标曲线图，以及更灵敏的保护设置。
具体实施方式
一种新颖的控制开关装置和使用其的方法将在下文进行描述。虽然通过具体实施例的方式说明本发明，但应该理解的是，在此描述的实施例仅仅作为示例，并且本发明的范围并不局限于此。
本发明提供了一种用于降低在配备有电源变压器且连接到典型配电网的商业和工业电力设施中的电弧闪光入射能量的新技术和方法。
“商业和工业电气装置”，指的是任何工业或商业负载，其可以包括任何种类的电气设备，如电机、照明系统、加热和冷却系统、自动生产线、电炉等。
“更严格的保护设置”，指的是设置保护，以便如果发生故障，考虑到浪涌电流，保护的跳闸速度比它通常的跳闸速度快。当浪涌电流减小时，对跳闸的保护限制将降低。
如图3所示，本发明的电路包括一CSD(16)，通过在最佳的电角度闭合断路器(10)来控制电源变压器(11)的通电，以减少浪涌电流以及减少含负载(13)的电力设施(12)中的电弧闪光(14)事件。指挥设施(12)的断路器(10)的CSD(16)的使用也允许增加配备电源变压器(11)以及连接到典型配电系统(17)的商业和工业电力设施(12)的电容量。
该CSD(16)也被称为波形临界点(POW)控制器。该CSD为智能控制器，其设计成发送一打开或关闭命令到一断路器以便其机械操作与电网上的电信号同步。该机械操作优选为在最佳的电角度执行，以便减少或消除开关瞬变。
为了最小化浪涌电流，该CSD(16)计算出变压器(11)内的剩余磁通。基于这个信息，该CSD(16)将选择适当的电角度以闭合断路器(10)。
其它电气元件，如断路器、变压器、过流保护继电器、熔断器、负载、POW和CSD，可以是本领域公开的那些。特别地，美国专利US6433980B1中描述了可用于本发明的CSD的主要功能。同时，美国专利US7576957B2描述了可用于本发明的POW的主要功能。US6433980B1和US7576957B2的信息作为参考附上。
保护该配电网互连(17)的熔断器(9)和过流保护继电器(15)，通常根据该变压器(11)提供的变压器浪涌电流和最大负荷能力来评价和调整。因此，浪涌电流的减小允许这些保护装置的更严格的设置，以更快地检测故障电流并降低下游入射能量水平，同时在不对公共系统产生不利影响的前提下提高设施的电容量。
图6示出了使用本发明原理的电路的保护协调的研究。在本实验中，CSD被用来最小化变压器的浪涌电流。因此，保护继电器(32)可被参数化，以增加灵敏性或反应性，以减轻入射能量水平。例如，示出了设定在600A左右的瞬时电流。该电流允许使用CSD(16)消除或切断浪涌电流(33)。相对地，同一例中，如图5所示，如果不使用CSD，切断浪涌(29)所需的电流大大增加，为1400A左右。
如图8所示，更严格的保护设置(D级；AFB＝5.86ft)通常会导致较低的故障切断时间(FCT＝5.960个周期)，并且入射能量(IE)的水平下降到18.3cal/cm2(每平方厘米的卡路里数)。在这个最后的例子中，使用与图4相同的元件。公共系统(40)、公共总线(41)、熔断器(42)、用户总线(43)、断路器(45)、变压器(46)和用户负载(47)。然而，过流保护继电器(44)具有更严格的设置。图6还示出了与图5相同的变压器热极限(31)和熔断器特性(30)。
图10示出了使用8MVA电力变压器的保护坐标曲线图。除了变压器(24)具有8MVA的电容量，以及CSD适于或用于最小化浪涌电流(55)之外，已经在与图4类似的电力设施上做过研究。保护继电器的灵敏度或反应性被增加后，可以在配电系统中使用较大的变压器，同时仍然允许用户保护继电器和公共熔断器之间的协调。
如图10所示，不同于5MVA的一个8MVA变压器，可以以相同的公用熔断器(52)的值安装，同时仍保持了用户保护继电器(54)和公用保护装置或熔断器(52)之间足够的选择性和协调性。图10示出了8MVA单元的新的变压器热极限(53)。
尽管上文详细描述了本发明示例性和当前的优选实施例，但应当理解的是，创新概念可以以多样的方式体现和采用，并且所附权利要求书意在被解释为包括该多样性，现有技术限制的变形除外。

Claims (13)

1.一种用于降低商业或工业电力设施的电路内的电弧闪光入射能量水平为无害水平的方法，所述电路包括连接到一过流保护继电器的断路器并由电流电供给，所述方法包括如下步骤：
a.为所述电路提供一控制开关装置(CSD)，所述控制开关装置(CSD)用于发送一关闭的命令到所述断路器以便在最佳的电角度同步关闭所述断路器，以减少浪涌电流；和
b.调整所述过流保护继电器的灵敏度，以获得更短的故障切断时间；
c.所述控制开关装置(CSD)在最佳的电角度将关闭的命令发送到所述断路器，以减少发送到所述电路的浪涌电流。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制开关装置(CSD)连接到一变压器，所述方法进一步包括如下步骤：计算所述变压器内的剩余磁通，以确定所述断路器的最佳电角度。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，进一步包括如下步骤：在所述变压器的通电期间减少或消除所述浪涌电流。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电路由通过包括熔断器的配电系统的电流供给，所述熔断器连接到所述断路器，所述方法进一步包括如下步骤：根据潜在浪涌电流的功能配置所述熔断器的尺寸。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电路还包括连接到所述断路器的变压器，所述方法进一步包括如下步骤：将所述变压器更换为具有较大额定电功率的变压器，同时使得所述熔断器的值相同并且维持所述过流保护继电器和所述熔断器之间的充分的选择性和协调性。
6.一种包括连接到一过流保护继电器的一断路器并由一电流电供给的商业或工业电力设施的电路，其中，所述电路进一步包括一控制开关装置(CSD)，所述控制开关装置(CSD)用于发送一关闭的命令到所述断路器以便在最佳的电角度同步关闭所述断路器，以减少浪涌电流，所述过流保护继电器具有用于获得更短的故障切断时间的灵敏度，以降低所述电路内的电弧闪光入射能量水平为无害水平。
7.如权利要求6所述的电路，其特征在于，借助于包括熔断器的配电系统，所述电流被提供给所述电路，所述熔断器连接到所述断路器并且具有根据潜在浪涌电流的功能的选定尺寸。
8.如权利要求6所述的电路，其特征在于，所述电路进一步包括一变压器。
9.如权利要求8所述的电路，其特征在于，所述变压器具有一电功率，用于保持熔断器的值相同，以及维持所述过流保护继电器和熔断器之间充分的选择性和协调性。
10.一种用于降低商业或工业电力设施的电路内的电弧闪光入射能量水平的方法，所述电路包括断路器并由通过包括熔断器的配电系统的电流电供给，所述熔断器连接到所述断路器，所述方法包括：
a.为所述电路提供一控制开关装置(CSD)，所述控制开关装置(CSD)用于发送一关闭的命令到所述断路器以便在最佳的电角度同步关闭所述断路器以减少浪涌电流；和
b.根据潜在浪涌电流的功能配置所述熔断器的尺寸；
c.所述控制开关装置(CSD)在最佳的电角度将关闭的命令发送到所述电路的所述断路器，以减少发送到所述电路的浪涌电流。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述电路还包括连接到所述断路器的变压器，所述方法进一步包括：将所述变压器更换为具有较大额定电功率的变压器，同时使得所述熔断器的值相同并且维持充分的选择性和保护协调性。
12.一种由通过包括熔断器的配电系统的电流电供给的商业或工业电力设施的电路，所述电路包括一断路器和一控制开关装置(CSD)，所述控制开关装置(CSD)用于发送关闭的命令到所述断路器以便同步关闭所述断路器，所述控制开关装置(CSD)被调节为在最佳的电角度关闭所述电路的所述断路器，以减少浪涌电流，以降低所述电路内的电弧闪光入射能量水平，所述熔断器的尺寸根据潜在浪涌电流的功能配置。
13.如权利要求7所述的电路，其中，所述配电系统具有一电功率，用于保持熔断器的值相同并且维持充分的选择性和保护协调性。
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