CN106796856A - 防止电气导管中电弧故障的方法、系统和装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种用于避免电气导管构造中使用的部件发生火灾和触电的方法、装置和系统，其使用非电气器件在电弧故障之前阻断电力流动，为了在电弧危险之前阻断电流流动。本发明的目的是在发生电弧前消除危险。

Description

防止电气导管中电弧故障的方法、系统和装置
背景技术
电弧故障会产生白色热等离子体和强热。例如，制造缺陷、过载、由导体电流的热动力学特性引起的接头处的热胀冷缩都可能会导致电弧故障。有许多公开可用的文献教导了电气系统设计和设施，以及与之相关的危险，诸如T.Croft、F.Hartwel l和W.Summers的《美国电工手册》(通过引用将其全部内容并入本文)。其它公开可用的文献教导了如何设计减轻与控制器、断路器、接地故障检测器和电路断流器相关危险的系统。
电气系统通常包括由机械框架、电连接系统以及用于断开、调节、控制、分配和修改电力的器件构成的基础设施。即使工作电压和电流处于正常范围内，连接系统中也可能发生电弧故障；诸如阻断安装不当、设计不安全、由导管和金属触点的膨胀差异引起的小气隙、或者制造缺陷等情况。
背景参考文献列表
美国专利文献
专利号 授权日期 发明人
7,590,496 2009年9月 Blemel
7,356,444 2008年4月 Blemel
7,277,822 2007年10月 Blemel
7,974,815 2011年7月 Blemel
20140231637 2014年8月 Blemel
8,817,471 2014年8月 Barna
非专利文献
1.M.W.Earley、P.E.等人，《2014年美国国家电气规程(NEC)手册》(2014NationalElectric Code(NEC)Handbook)，2013年，国家消防保护协会(National Fire ProtectiveAssociation)，马萨诸塞州昆西市，第13版，第889-902页。
2.J.Johnson、B.Pahl、C.J.Luebke、T.Pier、T.Miller、J.Strauch、S.Kuszmaul和W.Bower，《桑迪亚国家实验室光伏直流电弧故障探测器测试》(Photovoltaic DC arc-fault detector testing at Sandia National Laboratories)，2011年6月19日至24日，华盛顿州西雅图市，第37届IEEE PVSC(美国光伏专业学术会议)。
3.J.Johnson，《光伏系统中电弧故障的检测和缓解：行业进步和未来需求》(Arc-fault detection and mitigation in PV systems:Industry progress and futureneeds)，2012年2月28日，科罗拉多州丹佛市，国家可再生能源实验室(NREL)模块可靠性研讨会。
4.T.Croft、F.Hartwell、W.Summers，《美国电工手册》(American ElectriciansHandbook)第16版，2013年7月23日，麦格劳希尔专业出版公司。
5.Y.Otsubo、K.Yamaguci，《日本化学学会学报》(Journal of the JapaneseChemical Society)，第82卷，第557-560页(1961)
6.B.Yang、K.Armijo、E.Schindelholz、K.G.Blemel、K.D.Blemel、J.Johnson，“通过光学监测进行系统连接器电弧故障预测的光伏平衡”(Photovoltaic Balance ofSystem Connector Arc Fault Prognostics through Optical Monitoring)2015年2月，《桑迪亚实验室技术报告》SAND2015-0883(非公开发行，仅限官方使用)。
7.《保险商实验室光伏(PV)直流电弧故障电路保护1699B》(UnderwriterLaboratory Photovoltaic(PV)DC Arc-Fault Circuit Protection 1699B)http:// ulstandardsinfonet.ul.com/outscope/outscope.asp7frFl699B.html
8.D.Wolpert和P.Ampadu，《纳米级自适应系统中温度效应的管理》(ManagingTemperature Effects in Nanoscale Adaptive Systems)，DOI 10.1007/978-1-4614-0748。
定义
1)连接系统：如本文所使用的，“连接系统”为通用术语，其包括用于进行直流(DC)、交流(AC)或其组合的目的的布线和相关联的附接器件。连接系统部件有时被称为连接器、插头、端子、插座和接线盒等名称。
2)热分解：由于热导致的化学物质的状态变化。例如，碳酸氢钠(NaHCO3)相对于加热是不稳定的。根据“非专利文献列表”所引用的Otsubo的参考文献5，固体NaHCO3在100℃左右开始失去二氧化碳和水，在200℃下完全转化为固体碳酸钠Na2CO3。(由Y.Otsubo和K.Aamaguci在《日本化学学会学报》1961年第82卷第557-560页所记录)。在一些干粉灭火器中使用NaHCO3作为灭火剂。
3)热变形材料：在一定温度以上呈现状态变化的物质。
4)电弧或电弧放电：气体的电击穿产生不间断的等离子体放电，由电流穿过诸如空气等通常不导电的介质引起。
5)热等离子体：由直流和交流电弧放电产生的能量。
6)热能：在系统中以其温度存在的内部能量。
7)主动：具有预防性；例如，基于前提条件诊断来采取行动。
8)气体分子的动能：大量气体分子的平均能量取决于气体的温度，与其他因素无关，因为气体由大量分子组成，其行为像恒定的随机运动状态下的球形硬物体。分子以直线移动，直到与另一个粒子或容器壁碰撞。气体分子之间或者分子和容器壁之间没有吸引力。因为气体分子间的碰撞或与容器壁的碰撞是完全有弹性的，所以，在与其它粒子或容器壁碰撞时，气体粒子的能量都不会损失。
简洁起见，以下概要的重点在于(但不限于)直接从照射在光伏模块上的太阳光线产生直流电的光伏(PV)系统，所述光伏模块包含多个相互连接的太阳能电池。电导体承载来自PV模块的直流输出，其在传统上连接到位于PV模块背面的“接线盒”中的金属接线片。数个PV模块经常将组合起来，以将电流或电压在一般称为PV串的器件中聚合，在PV串中，数个单独的PV模块通常通过一个或多个提供连接系统的电连接器以串联的方式接合。数个PV串经常通过下游连接系统部件(诸如，聚合电力的汇流箱)被进一步接合起来。数个汇流箱经常以树状的方式连接到大型汇流箱(有时称为再汇流器)，以便将电力聚合到传输线。实际上，一个或多个汇流箱包括过流保护和隔离器件，诸如用于处理过载和隔离短路的继电器和断路器以及绝缘杆。
简而言之，本发明是一种提供电气连接系统阻断而不需要电气设备的主动装置。
在诸如PV系统之类的连接系统内发生电弧的情况下，产生的强热可能会导致在连接系统结构中使用的可燃材料局部起火，并迅速扩散到近侧的可燃材料。
光伏连接系统中的电弧故障问题非常严重，以至于美国消防协会(FPA)修改了《2014年国家电气规范》(NEC)第690.11条(在“非专利文献列表”中列为参考文献1)：
“运行在80伏最大PV系统电压或更高电压下的具有DC源电路、DC输出电路、或者二者的光伏系统，应受列名(DC)电弧故障断路器、PV型或其它提供同等保护的列名系统部件的保护。PV电弧故障保护器件应符合以下要求：
(1)系统应检测并阻断由DC PV源和DC PV输出电路中的导体、连接、模块、或其它系统部件的预期连续性的故障引起的电弧故障。
(2)系统应要求手动重启禁用的或断开连接的设备。
(3)系统应具有可视化指示断路器已运行的信号器。这种指示不应自动重置。”
本发明与通过检测噪声、射频、等离子体光、无线电以及其它放电电磁辐射进行工作的电弧故障保护设备不同。现有技术中的方法要求在可进行修复之前存在电弧故障，因此具有局限性。暴风雨期间的闪电会导致虚假警报。其他现有技术使用来自作为检测热、活性电弧或火灾的器件的热传感器、红外传感器和照相机的信息。然而，这种器件不是主动的，不能检测到视线被阻碍的地方发生的电弧或火灾。
电弧检测装置包括用于减轻电气安全危险的断路器，接地故障断路器(GFI)，电弧故障检测器(AFD)和电弧故障电路断流器(AFCI)。阻止电流流动并不总是有效的，因为由电弧产生的等离子体的强热可能会立即导致火灾，或者导致在稍后时间点火并且扩散到支撑结构或附近易燃材料的余烬。GFI、AFD、ACFI和断路器不能预防直流电弧，而且在无法停止能源时(太阳能往往如此)，无法在源头彻底阻断直流。
PV模块和PV连接系统中的电弧故障通常由安装不良引起，同时被广泛记录的是工厂缺陷。由氧化引起的欧姆加热也可能导致电弧故障，如由B.Yang、K.Armijo、E.Schindelholz、K.G.Blemel、K.D.Blemel、J.Johnson在《2015桑迪亚实验室技术报告》所记录的(“通过光学监测进行系统连接器电弧故障预测的光伏平衡”，SAND2015-0883，目前在公共域中不可用，“仅限官方使用”(FOUO)，非公开发行)。
在配电系统中的接线盒、汇流箱、逆变器箱和保护装置中也可能会由于腐蚀或连接松动而发生欧姆加热。
欧姆加热也可能会使导电路径劣化，使得当存在充足的能量时，在传导路径中形成电弧故障。
通过触摸因电弧故障而带电的金属框架和/或系统部件的相关导电结构，可能会导致人员创伤和触电。当支撑电弧故障的能量为直流时，交流电中不存在过零点，而且电弧不会自动熄灭，而是只要存在充足的能量，电弧就会一直持续。
《保险商实验室1699B标准》(在“非专利文献列表”参考文献7中，通过引用整体并入)要求使用用于光伏系统的直流电弧故障电路保护装置来减轻电弧故障的影响，如果电弧持续存在，电弧故障可能会在某些条件下构成着火的风险，因为即使PV模块下游的连接系统中的电力被关闭，非常热的等离子体也可能引起模块中近侧可燃物快速燃烧。
迫切需要一种在本申请中详细描述的改进器件，其会自动采取行动来防止发生电弧故障。因此，需要提供一种具有用于检测和缓解电弧前不安全条件的器件的装置，该装置即使在电压和电流处于正常范围内时，也可工作。进一步地，通过在PV系统设施和相关接线中公布不安全条件，该保护系统将满足NEC第690.11条以及其他NEC的规定。该保护系统将在发生电弧故障前实现缓解，关闭具有不安全条件的PV部件；因此，通过适当地以安全方式仅隔离不安全组件并提醒系统所有者或消费者进行更换或修复，防止了火灾损害和人员灾祸。
现有技术讨论
检索世界知识产权组织(WIPO)成员国网站后发现，用于在火灾、过载和短路情况下发生的电弧故障后进行检测和保护的授权专利超过二百项。这些专利中没有一个涉及利用在放电发生前几小时、几天、甚至几个月内预防直流电弧的器件的方法或系统。然而，下面示出了数个专利及其被本申请克服的限制。
现有技术中存在许多示例，包括专利和出版物，它们提出了用于在发生活动电弧故障时对其进行检测和减轻的原理、方法、系统、装置和技术。数家公司已经开始将电子元件嵌入到光伏部件中，以便在发生直流电弧故障时检测到故障。有许多技术的示例教导了对“负载侧短路”(如电气设备故障时所经历的那样)的电弧的检测，由于发电机或电力设施提供的电力的电流增加，这种电弧会导致熔丝熔断。当阳光为能源时(像PV模块一样)，这些方法不能很好地起作用。这意味着，由于太阳光线(直射光线或者从月球反射的光线)，除非以某种方式遮盖模块来遮挡阳光，或者阻断上游连接系统，否则，太阳能源电弧持续。
虽然有许多专利用于检测导致面板和电源插座发生火灾的电流过载，但是检索万维网和USPTO(美国专利商标局)网站的专利数据库后，未发现有授权的美国专利或公开的美国专利申请教导直接缓解不安全条件，而无需诸如温度传感器之类的电气设备。当电流和电压处于可接受的限值内时，现有技术中还没有发现提供缓解的任何示例。以下是现有技术的实例，其：a)使用电气器件主动监测诸如电流、光或射频发射之类的现象的输出，确定PV系统是否存在电弧；和b)使用电气器件确定绝缘正在退化。
Blemel等人的美国专利申请公开第2014/0231637号教导利用光电检测器测量光强度，以感测由于电阻加热或电弧作用而引起的热损伤。
Barna的美国专利第8,817,471号教导了在检测到接线盒中的电气火灾的热量之后增加灭火剂的释放。
Kopelman的美国专利申请公开第2010/0277325Al号教导了利用电子传感器监测红外辐射以检测过热接合点。
Rodgers等人的美国专利第8,576,521号教导了一种基于控制器的检测系统，其被配置为自适应地学习以区分指示电弧故障事件的检测光和与电弧故障事件无关的检测光。在电力系统的正常运行期间，采用自适应确定的一个或多个检测算法来识别电力系统中的电弧故障事件。Rodgers等人没有教导使用欧姆加热来诊断电弧故障的风险；或者在发生电弧故障之前，使用由欧姆能量产生的动能来阻断连接系统。
Takehara等人的美国专利第8,410,950号教导了一种电子监测模块，其用于测量PV板输出的电压和电流，将测量值与监测模块中保存的最小值和最大值进行比较，并在测量值超出由最小值和最大值限定的范围时输出报警信号。
H.Bruce Land III、Christopher L.Eddins和John M.Klimek(Land等人)在网络上公开发表了的一篇名称为“APL电弧故障保护的演变”(Evolution of Arc-FaultProtection Technology at APL)的论文，声称在美国每隔5分钟就会有一起电气火灾被报道。
该论文记载道，应用物理实验室(APL)创建了一种AFD系统来检测和熄灭这些火灾。该论文还记载APL研发了电动断路器，其是继AFCI和GFI断路器之后的产品。
Blemel的美国专利第7,590,496号、第7,356,444号、第7,277,822号和第7,974,815号单独或共同教导了使用对布置在表面上或导管内的敏化半透明片、条或线(包括但不限于半透明玻璃和聚合物)的损坏，检测对导管的损坏，诸如由切割、溶剂或火焰引起的损坏。
根据现有出版物(参见非专利文献列表)，太阳能系统专家指出，目前还没有技术(除了本文所述的技术)可以在不使用电子传感器的情况下运行，以检测和缓解在发生电弧之前在电连接系统中的直流电弧的风险。
上述专利、专利申请和公开可用的现有技术都没有教导使用非电子器件来阻断电力流，以在发生持续电弧之前减轻不安全条件。
发明内容
本申请教导了一种用于通过检测在其中产生的热量来改进电力分配系统的安全性，保护其免受连接系统接合点中的电弧故障的损坏的装置，其中，所述热量是无法通过普通手段识别的，并且其最终将导致引起火灾、触电或危险的电弧。本文的重点在于将该保护装置应用于相关联的连接系统，可以缓解电弧故障发生前的条件，其中在连接系统中，检测到气体(例如但不限于引起碳酸氢钠分解的温度产生的二氧化碳)的动能，并且未来电弧故障的风险随着力的增加而升高。
本申请描述了使用因温度升高引起的化学状态变化而产生的动能，隔离几乎任何电气系统连接系统部件中的不安全条件。本申请教导了以使功能模块可以保持操作并且系统的未故障部分保持正常功能的方式，隔离干扰性部件的动作。
虽然本说明书使用系统连接器的PV平衡示例来教导原理，但是熟悉电气系统的人员将认识到，连接系统设备是在大多数(如果不是全部)电气系统中见到的部件。
相比现有技术的优点
以下总结了本发明优于现有技术的一些优点。1)本发明提供了利用在较高温度下表明进展到电弧故障的欧姆加热现象的器件；2)可以在连接系统的制造过程中添加；3)可以在安装连接系统时插入；4)可以在安装连接系统后添加，以便为现有电气系统提供保护；5)没有可能失效的电子电路；6)没有建立及断开连接的电气或机械接触器；7)可以实施为造成阻断以及消除进一步的风险；8)易于安装或集成到连接系统中。9)不会由于自然发生的RF辐射而产生假警报；10)在由电弧事件产生的电压或电流存在显著的前兆变化之前操作；11)能够在以下情况下进行操作：当反复的热/冷循环导致在连接系统部件内接头的亚毫米尺寸间隙处的非常低的安培放电时；或者当连接系统部件中出现工厂缺陷时；或者当安装人员没有进行正确连接，导致接头间隙小到足以导致随后将会引起具有相关高温等离子体能量的电弧故障的自熄性放电时。
使用在电弧故障之前的连接点中产生的热量来断开电流的流动是新颖的。
与现有技术相比，本发明非常显著的优点在于，满足并超出2014NEC 690.11对在电弧发生之前通过释放不安全部件来减少PV系统中的电弧的要求。
由于当今存在着成千上万个已安装且生产电力的光伏系统，与现有技术相比，本发明非常显著的优点在于简单，成本低，易于实现。
与现有技术相比，本发明一个重要的优点在于创新的简单性，在现有技术中，教导了用于通过观察由电弧引起的光、或者电弧的射频发射、或者由电弧引起的电流变化来检测电弧故障，以及之后利用诸如断路器、继电器或保险丝之类的设备来阻断电流流动的复杂器件。
与现有技术不同，本发明通过教导利用由危险条件产生的热量阻断电力流动，从而检测电弧故障。
与现有技术相反，本发明利用电弧动作前的欧姆热升高，在电弧发生前阻断电流流动。
本发明在电弧故障发生之前成功实现；成功实现了《美国国家电气规范》的意图(即防止因电弧故障引起的火灾和人身伤害)。
本发明提供主动保护，以免受由于PV连接系统的退化而导致的火灾以及火灾后果造成的伤害和死亡风险的影响。
本发明还教导了对接线盒、汇流箱、逆变器和配电导管中的接合点、以及线束中的接合点的劣化进行主动保护。
本发明省略了对用于识别诸如一瞬间的等离子体、射频发射、电流上升和同时电压骤降之类的现场电弧故障的假象的电子模块和传感器的需要。
附图说明
图1a示出了左端用于会收容凸形电导体、右端用于收容导电销的开槽导电引导件的剖面俯视图。顶部的狭槽允许挡件移动足够的距离“Y”，以强制性地弹出装配在导电引导件右端的导电销。
图1b示出了图1a中构造有使机械联接器件能够移动和释放装配到导电引导件的右端的导电销的沿着顶侧的狭槽的装置的俯视图。
图1c示出了图1b中的在与导电销接触的机械器件已经通过距离Y后来释放导电销的装置的俯视图。
图2a是示出了在激活根据本申请的教导构造的功能和部件的热变形物质的之前的具有单个导体连接器的电连接器的剖面侧视图。
图2b是示出了图2a中的在加热激活了热变形物质之后的装置的剖面侧视图。
图3是防止DC电弧的装置的复合剖面侧视图，其中，该装置被示出为构造有柔性暗盒的凹形连接器，该柔性暗盒因通过加热热变形物质产生的足够的内力而膨胀，该内力具有在导电引导件中沿周向移动导电销的大小，从而弹出凸形连接器，断开连接系统。左侧示出了电导体的图，并且在装置右侧示出了凸形电连接器。
图4描绘了用于警告负责实体采用信号器或者有线或无线通信器的电连接系统接合点过度加热的设备。该装置采用诊断用于接合点或连接器的导体上的能量的快速降低的比较器。
附图中使用的附图标记
图中所示部件如下：
(1) 电导体
(2) 凸形电连接器
(3) 凹形电连接器
(4) 狭槽
(5) 可分离主体
(6) 导电引导件
(7) 外壳
(8) 介电材料
(9) 导电销
(10) 不透气腔体
(11) 弹簧
(12) 暗盒
(13) 热变形物质
(14) 挡件
(15) 通道
(16) 保持器
(17) 绝缘件
(18) 止动器
(19) 比较器
(21) 实体
(22) 信号器
(23) 通信器
具体实施方式
以下详细描述和附图中公开了本发明的各种实施例。每个附图教导了如何实施技术和/或部件来实现所公开的发明的目的。
现在参照图1a，其是保持导电销(9)的中空开槽导电引导件(6)的剖面俯视图。导电销(9)左端的止动器(18)位于狭槽(4)的左端(未示出)下方，以便能够与机械器件联接，从而强制性地将导电销(9)向右移动距离Y直到释放导电销(9)。止动器(18)联接到机械器件以强制导电销(9)移动。
现在参照图1b，其是图1a所示装置的俯视图。导电引导件(6)围绕导电(9)。导电销(9)左端的止动器(18)与机械器件联接，以沿狭槽(4)机械移动导电销(9)。图1b还示出了突出的保持器(16)的俯视图，保持器(16)防止导电销(9)的移动，直到欧姆加热足以产生引起导电销(9)移动的热变形力。
现在参照图1c，其示出了图1b所示的在激活后防止直流电弧的装置的俯视图。图1c示出了在开槽导电引导件(6)内的导电销(9)的止动器(18)施加的力沿着狭槽(4)向右通过距离“Y”释放导电销(9)的配置。图1c还示出了突出的保持器(16)的俯视图。
现在参照图2a，其是根据本申请的教导构造的示例性装置在热量引起在柔性塑料盒(12)内的热变形物质(13)发生状态变化前的复合剖面侧视图。导体(1)表示电线。导电引导件(6)通过介电材料(8)处于通道(15)内。所示弹簧(11)为压缩状态，通过由挡件(14)保持在位的暗盒(12)防止释放储存的能量，其本身通过保持器(16)保持在位。所示导电销(9)被包围在导电引导件(6)内，使电流能够流动。距离Y的长度足以确保导电销(9)从导电引导件(6)中释放。当热变形物质(13)受热释放的能量使暗盒(12)膨胀时，挡件(14)在不透气腔体(10)中轴向移动。
现在参照图2b，其是图2a的根据本申请构造的装置的剖面侧视图。图2b示出了装置在受热热变形物质(13)产生力之后的状态。从凸形电连接器(2)突出的电导体(1)穿过装置内的电介质材料(8)，进入通道(15)内的导电引导件(6)。导电引导件(6)的金属已被氧化并变得具有电阻性。欧姆加热升高了不透气腔体(10)内的温度。设想的热变形物质(13)已经使柔性暗盒(12)膨胀，导致挡板(14)在保持器(16)上方升高，这又导致弹簧(11)扩张。由弹簧(11)释放的力和热变形物质(13)的能量的总和在轴向将可移动的挡件(14)推动通过保持器(16)Y距离，将导电销(9)从导电引导件(6)释放，从而阻断连接系统。由于侧视图的示教，图2a所示的导电引导件(6)的上表面中的狭槽(4)观点被隐藏(未示出)。该图为代表性的，可以构造出同样工作的变体。
现在参照图3，其是根据本申请的教导构造的分离前的用来防止DC电弧的装置的复合剖面侧视图。在图3的左侧是来自绝缘电线(绝缘件未示出)的导体(1)。图3所示中心由介电材料(8)制成的凹形电连接器(3)和其中示有暗盒(12)的可分离主体(5)组成。导电引导件(6)穿过凹形电连接器(3)的长度。易碎暗盒(12)包含热变形物质(13)，诸如(但不限于)碳酸氢钠。导电引导件(6)的左侧部分保持导体(1)从左侧进入。导电引导件(6)的右侧部分是中空的，以收容来自右侧凸形电连接器(2)的导体(1)。金属导电引导件(6)的中心部分保持导电销(9)。导电引导件(6)的右侧部分与从右侧进入的来自凸形电连接器(2)的导体(1)配合。由欧姆加热产生的力导致热变形物质(13)发生状态变化，使柔性暗盒(12)膨胀，致使导电销(9)移动，弹出右侧导体(1)，阻断电流流动。右侧示出了利用具有周围绝缘件(17)的电线延伸导体(1)的长度。导电导向件(6)和暗盒(12)的图为代表性的，可以构造出同样工作的变体。
现在参照图4，其图解示出了用于警告责任实体(21)从根据本申请的教导构造的连接性装置(未示出)承载电力的导体(1)上承载的电力的变化的装置。比较器(19)检测由导体(1)承载的电力的一个或多个参数的永久降低。比较器(19)部署信号器(22)或者经由有线或无线通信器(24)将信号发送至一个或多个实体(21)。
以下详细描述了示例性实施例，以对本发明的原理进行说明。提供实施例以说明本发明的各方面，但是本发明并不限于任何实施例。本发明的范围涵盖诸多替代、修改和等效处理，其仅由权利要求书所限制。
在图中和说明书中提供了阐述的许多具体细节，以便透彻地理解所公开的装置和方法以及如何实施本发明。然而，在没有一些或全部这些具体细节的情况下，可以根据权利要求实施本发明。为了清楚起见，没有详细描述与本发明有关的技术领域中已知的技术材料，以免不必要地模糊本发明。例如，可以将阻断器制造成与凸形电连接器或凹形电连接器或二者一体。此外，产生足以引起连接系统阻断的动能的热变形物质可以是包括一种或多种成分的化合物，该成分包含诸如但不限于精油、盐溶液或其它增强动能产生的手段之类的物质。在状态变化期间分散的染料或荧光材料可以和热变形物质混合。
引用的参考文献提供有关电气系统、电气系统不安全条件以及实现保护系统的认可技术的详细信息。然而，在仪器系统中具有普通经验的人员将会了解该应用也适用于过热的蒸汽和化学品导管系统。
本文中阐述的装置和方法的实施例涉及检测、缓解和隔离包含本装置和方法的不安全连接系统，以用于正确断开连接系统中的电力流动的目的。
在优选实施例中，插座接触组件包括近侧端和远侧端，其中远侧端被配置成连接到导体，并且近侧端至少包括外表面。插座接触组件接合到包括近侧端和远侧端的阻断器，其中近侧端包括凹形电连接器。
在阻断器主体内的一个或多个腔室填充有选择的具有在选定温度以上快速发生状态变化的特性的化合物，其目的是在阻断器内部产生充足的压力(动力)，以克服摩擦力将阻断器主体固定到插座接触组件，使插座接触组件和导体的连接进行物理分离，从而阻断电流的流动。在备选实施例中，该力导致导电引导件移动，从而释放连接系统。
本申请的保护系统的技术贡献在于，提供了自主缓解连接系统(诸如电气系统)接合点处不安全条件的独特方式，并且在不安全条件(在如果无人值守的情况下)可能会导致电弧或接地故障(在导管同时包含阳极和阴极的情况下)以及由此导致的损坏之前，适当地断开不安全连接系统与中断器设备的连接。
所公开的保护系统的另一个技术贡献在于，提供了用于容纳诸如碳酸氢钠之类的介电化合物的手段，该介电化合物用于淬灭在接合点处承载升高电流的导体在分离速度或分离距离不充分时产生的等离子体。但不限于此，可以通过诸如二氧化碳之类的不可燃气体置换氧气，或者通过填充在导体分离时形成的空隙来完成淬灭。
本发明的一个示例性实施例是可适配在接合点处或者与连接系统成一体的装置，该装置包括至少一个阻断器，当连接系统的内部温度上升到所需的低于导致电弧形成的温度的触发点时，该阻断器释放充足的动能来强制分离并不可复原地打开电路。阻断器的目的是在电弧发生之前，当检测到过高的温度条件时，强制打开连接系统所服务的电路，以打开并保持打开状态。
在广义实施例中，本发明延伸到其他设备中使用，其会因为老化和制造缺陷而会遭受损坏、火灾、和财产损失的风险。
例如，在制造用于建立PV系统的连接系统的连接器的情况下，该实施例将被构造成但不限于满足相应的监管要求。
在另一个示例中，在制造诸如但不限于直流到交流逆变器之类的光伏系统部件的情况下，该实施例将位于邻近逆变器部件的连接系统中，以及其中可能具有不安全条件的接线中。该设备将产生一个引起报警的不安全条件信号，并且阻断器将会通过打开电路或短路电源来中断电流，以缓解不安全条件。
在优选实施例中，该装置由选择的材料构成，该材料具有将优化不安全条件的检测和缓解的特性，诸如但不限于，在一定的温度以上释放足够的动能以强制打开连接系统。进一步地，选择的在实施例中使用的组分的性质，使得所产生的任何副产物是无毒的、不可燃的，并且进一步地，具有介电性质以提供电弧淬灭。
在优选实施例中，当超出第一阈值时，传感器发送不安全条件信号，并且在超过较高温度时释放动能，该较高温度表示非常不安全条件，但低于指示即将形成电弧的温度。
在优选实施例中，当通过导电性承载电流时，将会利用可选的传感器设备持续对新出现的不安全条件进行预先检测。这种方法会检测到由于电弧或外部火灾引起的加热。如果发生这种情况，传感器装置将发送不安全条件信号，这将导致报警，并且利用根据本文教导的阻断器断开电力流动，使相关的连接系统组件断电。
实施例的构建
《美国国家电气规范》(2014版)(其在“非专利文献列表”中列为参考文献1)要求在太阳能系统中使用的部件和导管必须在高达85摄氏度的温度下工作。连接系统中由电力流动产生的热量程度通过以下关系式表示：欧姆能＝电流*电阻(E＝I*R)。该关系式意味着增加的电阻或增加的电流都将最终导致直流电弧以及直流电弧所带来的危害。根据B.Yang等人(“非专利文献列表”参考文献6，其全部内容通过引用并入本文)的记载，200摄氏度左右的温度被认为足以形成持续电弧。
在另一个实施例中，可以利用内置于或插入主体中的传感器来增强阻断器设备。在PV连接系统的情况下，可以通过放置一部分在85摄氏度(这是PV连接的额定温度)以上改变光透射率的透明介质来生产传感器。该介质诸如但不限于高密度聚乙烯(HDPE)，紧邻显示出电阻电加热现象(也称为“欧姆加热”)的部件定位。在电气系统的连接系统中的欧姆加热可能会导致引起电弧的局部升温加热。
为了生产根据本申请教导的传感器设备，从致敏介质中选择产生远远低于预期发生电弧的温度的可测量响应的介质。例如，根据美国测试和测量工程师学会(ASTME)的观点，HDPE的半透明度在104摄氏度以上时降低，ASTME称之为“Tm”点。此外，HDPE在150摄氏度熔化，ASTME称之为“Tc”点。或者，介质例如可以是基于其组成在一定温度以上时变成导体(或非导体)的半导体。
但不限于此，可以将实施例构造成不具有用于缓解风险的电子电路；或者，可以追加成本将实施例构造成具有数字电路、模拟电路或其组合。根据通信需要，该实施例可以接收模拟和数字输入信号。根据采取预先动作的需要，该设计还可以具有模拟和/或数字输出，以便提供诸如但不限于状态指示灯或信号器之类的致动。电路可以被设计成能够不受导体上的DC电流的影响。该设计可以包括用于将数据和信息(诸如但不限于编码调制)发送到在连接系统内的导体携带的电流上的器件；或者无线器件，其使用诸如但不限于蓝牙或以太网之类的批准的协议来发送信息。
用于确定不安全条件的测量手段可以包括但不限于使用电子电路来直接或间接测量温度。例如，可以通过测量受温度影响的参数的变化来实现间接手段。可以内置或并入适当的时序延迟，以免产生虚假警报。
传感器电路的能量源可以是但不限于由导体携带的少量能量，围绕导体的感应线圈，或者太阳能电池。选择的能量源(如果有的话)应用于尽可能长时间的操作，并且应保持充足的电量以用于其中安装传感器的系统部件。
包括但不限于由传感器产生的温度测量值和警报的数字或模拟信息，可以被传送到远程设备。远程设备可以位于接线盒、或者汇流箱、或者电气系统健康监测和控制中心。例如，该信息可以用于通过使用基于参数的算法，来产生对在电弧将会发生之前的剩余时间的估计，该参数包括(但不限于)感测的温度升高速率和时间。传送信息的手段可以是使用诸如但不限于蓝牙或Wi-Fi之类协议(诸如，仅为示例，对导管DC或AC信号的调制)的无线技术。
本申请教导了一种动力学装置，其在设计上，在由于通电连接系统内的温度而在产生的持续电弧之前运行。(根据B.Yang等人(前文在“非专利文献列表”中引用的参考文献6)，200摄氏度是足以维持DC电弧的温度)。阻断器可操作地位于连接系统接合点处，其目的是在发生电弧的温度以下使用动能强制性地打开过热接合点。
基于在设计成进行膨胀、排气或断裂以允许释放动能的结构内使用例如但不限于粉末状碳酸氢钠(NaHCO 3)之类的化合物，该装置完全是非电动的。在NaHCO3的情况下，二氧化碳气体的副产物提供动力。(由Y.Otsubo和K.Yamaguci发表的研究(其在“非专利文献列表”中被列为参考文献5，并且其通过引用整体并入)解释说，NaHCO3的颗粒在100摄氏度左右开始分解并释放二氧化碳气体，并在200摄氏度完成二氧化碳气体的释放。)因为加热会释放二氧化碳，碳酸氢钠也用于电动灭火器。
阻断器设备应构造成提供一定量的动力，以在低于产生电弧故障的温度以下永久地打开连接系统。
动能的来源可以是但不限于环三亚甲基三硝胺聚合物的微小涂层；在一定温度以上分解产生大量气体的压实颗粒，例如碳酸氢钠；在一定温度以上反应产生气体的化合物混合物，例如粉末状淀粉和碳酸钾；泡腾液；以及在一定温度以上释放气体的微胶囊化介质。
应封装用于产生动能的材料，诸如但不限于强度足以提供所需的积聚力来通过分离连接系统内的电导管来确保阻断电力流的合适的聚合物、金属、或玻璃。用诸如但不限于在不受应力时展开的预应力弹簧之类机械器件，可以增加积聚的力。包装也将防止可能会改变电量有效性的潮湿。安全性、毒性、易燃性、可靠性、稳定性和耐久性是进行选择时需要考虑的关键参数。
根据本发明的装置和方法的另一个方面，对于连接系统的预期使用寿命，用于产生阻断器的动能的材料和包装(如果有的话)应该是可靠且稳定的。
根据本发明的第三方面，该装置可以包括诸如但不限于自检功能、通过有线或无线手段询问的通知能力、以及通过打开电路中断电流流动来阻止电力流动之类的特征。
为了测试系统的功能，创建一种用于执行一系列测量测试的装置，该测试产生数据以确定感测介质相对于温度改变电阻或电流的响应特性。例如，在测量电阻后，用校准的电流源诸如可变变压器递增地增加电流。通过将可腐蚀的试验品放置在高温的盐-空气环境中来加速腐蚀，从而加强电阻。由被测接合点的腐蚀导致的电阻变化，将导致感测参数增加或减小。
在另一个实施例中，此外还包括可以在优选温度下设置以产生不安全条件信号的比较器诸如触发器电路，逻辑门阵列或差分放大器。不安全条件标准可以包括但不限于一个或多个阈值。
根据本发明的另一方面，如果比较器逻辑需要电力来操作，则将其连接到由连接系统承载的电力或者来自另一个源的电力，诸如通过动能或太阳能通电的电池或电容器。
付诸实践
根据相应的非公开协议，委托桑迪亚国家实验室(SNL)对在PV连接系统中使用的一类单导体连接器中发生DC电弧的温度进行研究。该SNL研究结果是《桑迪亚实验室技术报告SAND2015-0883》(2015年2月，非公开发布-仅限官方使用)，并确定了PV连接器中的第一道电弧在200摄氏度左右在PV连接器中发生。在这项研究中，SNL还探讨了半透明介质的熔化是否可以成功应用于检测PV连接器中的电弧故障。这个概念是，在被认为在电弧故障之前发生的热点的情况下，联接到光子检测器的近端半透明聚合物链会熔化，并且光信号将不会到达光子检测器，导致逻辑电路对断流器设备发出电弧前条件信号。备选方案是联接到光子检测器的被照射的近端半透明聚合物链将表现出降低的透射率，并且到达光子检测器的光信号降低将导致逻辑电路向断流器设备发出信号，以打开连接系统并停止电流流动。
发明人使用热响应现象开发了一种基于温度影响的方法，该方法可用于在100摄氏度以上和200摄氏度以下预测和防止连接系统中出现电弧故障，其中，SNL研究发现在200摄氏度时直流电弧开始。这个概念是，在由连接器内的导体腐蚀引起的电阻加热增加的情况下，连接器主体内的温度将会以可测量的程度变化，并反映出风险程度。当变化量显着增加时，将向一体的断流器产生信号，以断开连接器并停止电流的流动。
探讨了在200摄氏度以下的温度对半透明聚合物的热效应。根据ASTME，我们发现几种半透明聚合物表现出在低于200摄氏度的温度下熔化的性质。我们使用聚合物进行实验，包括在125摄氏度熔化的低密度聚乙烯(LDPE)，和根据ASTME在150摄氏度熔化的高密度聚乙烯(HDPE)。
由于温度影响能带隙，我们还利用已知在125摄氏度以上变得不稳定的半导体电路基于其组成进行探讨。(该特性在D.Wolpert和P.Ampadu的《纳米级自适应系统中温度效应的管理》(DOI 10.1007/978-1-4614-0748)中予以记录，其在上文“非专利文献列表”中引用为参考文献8)
我们探讨了在热变形物质中使用微胶囊化芳香剂，其在受热时会释放出一种气味，使得训练有素的犬类或其它动物能够定位出动力阻断的连接系统的位置点。我们还研究了使用热变形的水，其在海平面100摄氏度以上释放蒸汽。对于寒冷的气候，可以加入氯化钠、乙二醇或其它防止冻结的物质。
在付诸实践时，我们利用根据本文教导制作的几种形式的原型设备进行制造和实验。使用三维打印机构造了阻断器的原型，该三维打印机通过加热一串丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)(一种高温聚合物)来操作，以形成具有中心路径的可分离主体，该中心路径用于容纳进入凹形电连接器，将电导体的端部围绕其中，并且类似地围绕来自形成可分离的接头的凸形电连接器的突出的导体的金属导电引导件。在实践中，注射模具将更有效率。隔室使用NaHCO3粉末(通常称为小苏打)填充，然后用气密盖盖住。选择碳酸氢钠，因为其具有在100摄氏度以上开始以二氧化碳气体的形式释放动能，以及在200摄氏度左右来自二氧化碳气体释放的动能完全耗尽的特性。当在温控烘箱中将原型阻断器加热至125摄氏度时，热量使在密封的阻断器腔体内密封的NaHCO3分解，释放出二氧化碳气体，这会迅速积聚充足的动力来打开瓶盖并分离阻断器主体。
我们修改了商用注塑成型的PV连接器，将其与传感器和阻断器的组合合并。为了在目前的PV连接系统的典型电流下产生由腐蚀引起的示例性加热，制造了腐蚀的PV连接系统导电引导件和导电销的示例。将这些示例件组装好。示例件如本文所描述的一样进行工作，这确定了在远低于产生电弧的200摄氏度的温度下在连接器内的电阻式加热，可以是阻断不安全连接系统以防止电弧发生的手段。进一步地，将阻断器和检测半透明聚合物链的透射率损失的传感器设备相组合，可以使逻辑电路产生未来电弧风险信号。该信号的目的是对在遥远的未来时间发生的直流电弧进行未决危险警告。
结论、分类和范围
已经根据优选实施例对本发明进行可描述，并且可以认识到，在所附权利要求的范围内，可以进行替换、修改以及等同设置(除了明确指出的内容之外)。
虽然本发明的前述书面描述能够使本领域普通技术人员利用和使用其目前被认为的最佳模式，但是本领域普通技术人员应理解和意识到存在对本文的特定示例性实施例、方法和示例的变型、组合和等同物。例如，连接系统可以在接线盒、面板或电子组件内。因此本发明不受上述实施例、方法和示例的限制，而是受本发明的范围和精神内的所有实施例和方法的限制。
提供的对具体实施例的前述描述，使得本领域任何技术人员都能够实现和应用本发明。对本领域的技术人员而言显而易见的是，可以对这些实施例作出各种修改，而且这里定义的一般原则不需要创造性能力就可被应用于其他实施例。根据所需的功能，每个保护装置可以包括不同的传感器和阻断器布置。本申请呈现的实施例的重点在于防止PV发电系统中出现可能导致的生命损失和财产破坏的电弧故障，但可以在任何情况下应用。因此，本发明并非意图局限于本文展示的实施例，而是符合与本文所公开的以及随附权利要求书所定义的原理和新颖特征一致的最广范围。

Claims (17)

1.一种用于提供电连接系统不安全条件保护的装置，所述装置包括：适于沿着连接轴线(X)相对平移地连接的近侧部分和远侧部分，其特征在于，所述近侧部分包括至少一个导电引导件，所述导电引导件适于：(1)成对地与所述远侧部分的相应电导体接触，以及(2)允许导电销在相对于所述近侧部分导电引导件是自由的释放位置和所述导电引导件在其中与所述导电销接触的接合位置之间，沿所述连接轴线(X)在所述导电引导件内相对移动；所述近侧部分和所述远侧部分中的一个或两个进一步包括其中具有热变性物质的暗盒，选择的所述热变性物质具有在高温下释放数量足以引起所述导电销相对于所述导电引导件沿着所述连接轴线(X)相对运动到所述释放位置的分子动能的状态变化的特性。
2.如权利要求1所述的装置，进一步包括弹簧机构，其用来增加动力。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述不安全条件为电弧。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述热变形物质另外与灭火剂复合。
5.一种用于减轻电连接系统中不安全条件的装置，包括：可分离主体，其具有沿连接轴线(X)在配合方向上延伸的远侧端和近侧端，所述可分离主体包括中空通道、可分离导电引导件；多个封闭不透气腔体，其包含选自以上热变性物质的热变形物质。
6.如权利要求5所述的装置，进一步包括弹簧机构，其用来增加通过加热所述热变性物质产生的动力。
7.如权利要求5所述的装置，其中，所述不安全条件为电弧。
8.如权利要求5所述的装置，其中，所述热变形物质另外与灭火剂复合。
9.如权利要求5所述的装置，进一步包括：至少一个比较器，其将所述连接系统的一个或多个特征与阈值进行比较；并且基于所述比较产生不安全条件信号以分离所述可分离主体。
10.如权利要求9所述的装置，进一步包括用于在接收到不安全条件信号的阈值时分离所述可分离主体的器件。
11.如权利要求9所述的装置，其中，用于所述比较器和器件来分离所述可分离主体的能量由所述装置电传导。
12.如权利要求9所述的装置，其中，所述不安全条件为电弧。
13.一种用于提供不安全电连接系统保护的系统，所述系统包括至少一个比较器，其用于通过将所述连接系统的至少一个特征与标准进行比较以在不安全事件之前产生指示不安全条件的风险的阈值不安全信号，以确定是否需要阻断所述电连接系统并且在确定需要阻断时，产生需要阻断信号。
14.如权利要求13所述的系统，进一步包括至少一个比较器，其将所述连接系统的一个或多个热特征与阈值进行比较，并且基于所述比较产生不安全条件信号或者需要阻断信号中的至少一个。
15.如权利要求13所述的系统，所述比较器进一步包括通过激活诸如(但不限于)C6H702(N03)、PETN和M-112之类的动力学化合物的分子以在接收到不安全条件信号时阻断所述连接系统的器件。
16.如权利要求13所述的系统，进一步包括用于激活所述可分离主体的分离的器件和在接收到不安全条件信号的阈值时阻断连接系统的器件。
17.如权利要求13所述的系统，其中，为用于构造所述装置的部件提供动力的能量是由所述装置传导的能量，所述装置需要能量来操作。
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