CN107258041B - 抵抗电弧故障的电气装备 - Google Patents

Abstract

导电元件（104A‑C）定位在电气设备的壳体（100）内。导电元件（104A‑C）布置成使得在导电元件（104A‑C）之间发生电弧（106）的情况下，电磁力被施加在电弧（106）的等离子体上，使得电弧（106）被引导朝向壳体（100）的壁（108）。此外，导体配置（102）包括定位在电气设备的壳体（100）内的导体（104A、104B、104C）和牺牲电极（118A‑C），其中，导体（104A‑C）布置成使得，在导体（104A‑C）之间发生电弧（106）的情况下，电磁力被施加在电弧（106）的等离子体上，使得电弧（106）被引导朝向牺牲电极（118A‑C）。

Description

抵抗电弧故障的电气装备

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年2月10日向美国专利和商标局提交的美国临时专利申请号62/114,262的权益，该申请的全部内容通过引用并入本文中。

背景技术

1. 技术领域

本发明的方面大体涉及抵抗电弧故障的电气装备，诸如例如电源供应器、变压器和断路器。

2. 相关技术的描述

诸如例如电源供应器、变压器或断路器的电气设备或装备通常被容纳在封闭件或机柜中。由于例如错误连接，可能在封闭件或机柜内发生电弧故障。内部短路可以导致电弧故障。空气通过电弧故障在电气设备中的两个或更多个电位之间被电离，从而引起电弧闪光，其包括迅速膨胀的蒸发的金属材料的等离子体云。等离子体导致在封闭件内在几分之一秒内迅速积累高压和高温。电弧故障条件必须被包含在封闭件内，或者被释放到电气设备封闭件的外部。

电弧故障效应对于其发生处的装备来说是破坏性的，并且诸如榴弹和有毒气体的爆炸消除的次级效应引起对于人员的严重危害。当电弧燃烧时，部分地由于电弧燃烧的未受控方式，使得在机柜内部的部件发生严重损坏。额外地，电弧具有在机柜内部远离能量源运动的倾向。以这种方式，在内部的损坏是显著的，并且通常导致对整个机柜和其内容物造成永久损坏。因此，仍然存在对于改善的电气装备机柜或封闭件，尤其是抵抗电弧故障的电气装备的需要。

发明内容

简要描述，本发明的方面涉及用于抵抗电弧故障的电气装备的电气设备和导体配置，电气装备包括低压和中压/高压装备，尤其是包括封闭件、机柜或壳体的电气装备，诸如例如电源供应器、变压器、断路器。

根据本发明的第一方面，电气设备包括定位在电气设备的壳体内的多个导电元件，其中，多个导电元件布置成使得，在多个导电元件之间发生电弧的情况下，电磁力被施加在电弧的等离子体上，使得电弧被引导朝向壳体的壁。

根据本发明的第二方面，用于电气设备的导体配置包括定位在电气设备的壳体内的多个导体，和定位在电气设备的壳体内的多个牺牲电极，其中，多个导体布置成使得，在多个导体之间发生电弧的情况下，电磁力被施加在电弧的等离子体上，使得电弧被引导朝向多个牺牲电极。

附图说明

图1示出根据本发明的示例性实施例的电气设备的机柜或封闭件内部的透视示意图的表示。

图2示出根据本发明的示例性实施例的电气设备的包括弹性夹具的导电元件的透视示意图的表示。

图3示出根据本发明的示例性实施例的用于导电元件的弹性夹具布置的透视示意图的表示。

具体实施方式

为了促进对本发明的实施例、原理和特征的理解，在下文中参照说明性实施例中的实施方式解释它们。尤其，其在用于诸如例如电源供应器、变压器、断路器等的抵抗电弧故障的电气装备的电气设备和导体配置的背景下描述。然而，本发明的实施例不受限于在所述方法或系统中使用。

在下文中描述为构成各种实施例的部件和材料旨在是说明性的且不是约束性的。将执行与本文中所述的材料相同或类似功能的许多合适的部件和材料预期被包含在本发明的实施例的范围内。

图1示出根据本发明的示例性实施例的电气设备的机柜或封闭件100内部的透视示意图的表示。机柜100可以包括例如金属。

为了改进电气设备在电弧故障期间的安全性，基于导电元件104A、104B和104C的具体配置102，创建内部电弧故障路径。导电元件104A、104B、104C馈送电能至电气元件，诸如例如变压器，其例如是三相、中压电力。导电元件104A、104B、104C是电导体，例如电缆，每一个均在第一端处包括电极112A、112B、112C，用于馈送电能至变压器。在第二端114处，导电元件104A、104B、104C连接到电源或电源供应器，从而提供电能。每一个导电元件104A、104B、104C均示出三相、中压电力中的一相。

如在图1中所示，电极112A、112B、112C位于机柜100内部。在这些电极112A、112B、112C之间，可以点燃（ignite）电弧，如通过电弧106展示的。导体104A、104B、104C的具体配置102导致电磁力施加在电弧106的等离子体上，使得电弧106被拉长且被引导朝向机柜100的顶壁108。箭头120指示，电弧106正在运动，尤其是朝向顶壁108。

根据具体配置102，导电元件104A、104B、104C布置成使得，其形成具有一匝或多匝的环（loop）110A、110B、110C。例如，导电元件104A形成环110A，导电元件104B形成环110B，和导电元件104C形成环110C。如在图1中所示，每一个环110A、110B、110C均是单个环，即，包括一匝。但是每一个环110A、110B、110C均可以包括若干匝，使得可以提供多环配置。

根据另外的实施例，在机柜100的顶壁108处，在其处上方电弧106发生，提供例如由普通（可渗透）磁钢制成的卸压翻板116，电弧106的等离子体通过该卸压翻板116从机柜100释放。由此，更进一步增强熄弧磁力（blow out magnetic force）的效果。卸压翻板116被铰接，且在点燃电弧106时由于爆炸的内部压力将打开，并且允许消除机柜100之外的等离子体（等离子体云），并因此避免对在机柜100内部的电气元件造成严重损坏。

电弧故障的副效应是电弧侵蚀。电弧侵蚀是在电弧作用期间发生的材料从接触表面的损失或转移。根据本发明的另外的实施例，提供牺牲电极118A、118B、118C。如图所示，对于导电元件104A、104B、104C的每一个电极112A、112B、112C，提供正好一个牺牲电极118A、118B、118C（本领域普通技术人员将理解，可以在不同布置中提供更多的牺牲电极）。

如在图1中所示，牺牲电极118A、118B、118C布置成与电极112A、112B、112C相对且接近壳体100的壁，尤其是接近机柜100的顶壁108。具体地，一个牺牲电极118A、118B、118C布置成与一个电极112A、112B、112C相对，使得形成包括电极112A、112B、112C和牺牲电极118A、118B、118C的对。环110A、110B、110C接近牺牲电极118A、118B、118C布置。如通过箭头122指示的，牺牲电极118A、118B、118C布置成彼此相距限定距离，并且如通过箭头124指示的，电极112A、112B、112C布置成彼此相距限定距离。在一对内在相同类型的电极之间的距离或在不同类型的电极之间的距离可以相等。在牺牲电极118A、118B、118C之间的距离对应在电极112A、112B、112C之间的距离，以便其彼此相对。图1示出三对电极，其中，如箭头126所示，一对电极布置成彼此相距限定距离，在一对电极之间的距离相等。

在示例性实施例中，牺牲电极118A、118B、118C在第一端处稳固地连接至地面，例如至接地导体128。取决于电气装备的配置，接地导体128可以布置在机柜100的外部或在机柜100内部。图1示出，接地导体128布置在机柜100外部，并且牺牲电极118A、118B、118C布置成使得其穿透机柜100的顶壁108并延伸到机柜100中。牺牲电极118A、118B、118C的与第一端相对的第二端延伸到机柜100中。在另外的示例性实施例中，接地导体128可以布置在机柜100内部。在接地导体128布置在机柜100内部的情况下，牺牲电极118A、118B、118C不穿透机柜100，因为接地导体128和全部牺牲电极118A、118B、118C都布置在机柜100内部。但是接地导体128可以离开机柜100，例如穿透机柜100到机柜100的外部以连接到地面。

牺牲电极118A、118B、118C可以延伸到机柜100中尽可能远，以确保三相电弧106将朝机柜100的顶壁108运动，并且变成一组三相对地电弧，由此抵抗电弧侵蚀，该电弧侵蚀将在电极112A、112B、112C（其通常是暴露的金属棒电极）之间发生。该组三相对地电弧燃烧，直到专用装备（例如开关）将断开故障为止。在本发明的另外的改进中，机柜100包括一个或多个电弧故障检测传感器130，其能够起动使开关跳闸的过程。

为了将导电元件104A、104B、104C的环110A、110B、110C固定至机柜100，尤其至顶板，即，在机柜100的顶壁108的内部，需要专门设计的固定装置。如先前所述，导电元件104A、104B、104C可以是中压电缆。这样的中压电缆非常重，且难以按照需要形成环。因此，电气设备还包括多个紧固/固定设备131。这样的紧固/固定设备131包括例如弹性夹具和安全销，其利用螺栓被固定至机柜100的顶板。

图2示出一个相导电元件104A（参见图1）的环110A的部分，其包括带有弹性夹具132A、132B、132C的三个紧固设备131。取决于相应的电缆直径，夹具132A、132B、132C的间隔必须符合环110A的期望的弯曲。图2还示出用于每一个夹具132A、132B、132C的保护套管134A、134B、134C，其中，一个或多个套管134A、134B、134C布置在夹具132A、132B、132C和导电元件104A之间。导电元件104A（电缆）和额外保护套管134A、134B、134C能够被推动到弹性夹具132A、132B、132C中，并且通过夹具132A、132B、132C的弹性及通过安全销136A、136B、136C牢固地保持。在图3中描绘了夹具布置的细节。

图3示出如在图2中示出的环110A的部分，其中，紧固设备131包括弹性夹具132A、保护套管134A和安全销136A。额外套管134A具有双重角色，因为其在被推动到弹性夹具132A中的同时为导电元件104A提供保护，以及用作用于可能不同直径的电缆的中间转接器。尤其是在短路期间，安全销136A为电缆104A的位置提供额外保证。弹性夹具132A例如使用螺栓被固定到机柜100的顶板。本领域普通技术人员将理解，可利用用于将夹具132A固定至机柜100的许多其他装置和设备。本文中所述的夹具布置提供可靠且易于使用的解决方案，以在电气装备的试运转期间在不需要预形成该布置的情况下例如对中压电缆布线。在另一示例性实施例中，能够在机柜100内部使用额外弹性夹具，以除相应环110A、110B、110C之外，还帮助按照需要在不同位置处固定导电元件104A、104B、104C。安全销136A、136B、136C由带有适当结构强度且绝缘的材料制成，以便避免围绕导电元件（电缆）104A、104B、104C的环110A、110B、110C形成导电环。

如本文中所述的，故障电流及其电磁结果（洛伦兹力分布）用于通过帮助在其处损坏被极大减少且被控制的区域中使电弧106运动而减轻损坏效应。因此，挽救在机柜100内部的部件的几率被极大增加，同时在电弧106上施加力可以帮助熄灭电弧106。电磁洛伦兹力强烈取决于故障电流的大小，并且因此，随着故障电流的大小增大，效应增加。此外，所提出的元件的布置和配置，尤其是导体104A、104B、104C的配置和牺牲电极118A、118B、118C的布置简单且易于实施。

本领域普通技术人员将理解，机柜100可以包括未在本文中描述的其他部件和元件。例如，电气装备的机柜100还可包括进气口，其还可被配置成在正常操作期间阻止或减少等离子体通过进气口离开封闭件100的逃逸，同时允许冷却气流进入电源供应器封闭件100。

虽然本发明的实施例已经以示例性形式公开，但是对于本领域技术那些人员将显而易见的是，在不脱离如在所附权利要求中陈述的本发明及其等同物的精神和范围的情况下，能够在上述实施例中做出许多修改、添加和删除。

Claims (15)

1.一种电气设备，其包括：

定位在所述电气设备的壳体（100）内的多个导电元件（104A、104B、104C），其中，所述多个导电元件（104A、104B、104C）布置成使得，在所述多个导电元件（104A、104B、104C）之间发生电弧（106）的情况下，电磁力被施加在所述电弧（106）的等离子体上，使得所述电弧（106）被引导朝向所述壳体（100）的壁（108），和

定位在所述壳体（100）内的多个牺牲电极（118A、118B、118C），其中，所述导电元件（104A、104B、104C）形成环（110A、110B、110C)，所述环（110A、110B、110C）接近所述牺牲电极（118A、118B、118C）布置。

2.根据权利要求1所述的电气设备，其中，每一个导电元件（104A、104B、104C）均包括在第一端处的电极（112A、112B、112C），在所述导电元件（104A、104B、104C）的所述电极（112A、112B、112C）之间点燃所述电弧（106）。

3.根据权利要求1所述的电气设备，其中，所述多个牺牲电极（118A、118B、118C）与每一个导电元件（104A、104B、104C）的所述电极（112A、112B、112C）相对布置并接近所述壳体（100）的所述壁（108）。

4.根据权利要求1所述的电气设备，其中，所述多个牺牲电极（118A、118B、118C）连接到接地导体（128），所述接地导体（128）定位在所述壳体（100）外部。

5.根据权利要求4所述的电气设备，所述多个牺牲电极（118A、118B、118C）穿透所述壁（108）并延伸到所述壳体（100）中。

6.根据权利要求1所述的电气设备，所述多个牺牲电极（118A、118B、118C）连接到接地导体（128），所述接地导体（128）定位在所述壳体（100）内部。

7.根据权利要求1所述的电气设备，其还包括多个紧固设备（131），其用于将所述导电元件（104A、104B、104C）的所述环（110A、110B、110C）固定至所述壳体（100）。

8.根据权利要求7所述的电气设备，其中，所述多个紧固设备（131）包括弹性夹具（132A、132B、132C）和安全销（136A、136B、136C）。

9.根据权利要求7所述的电气设备，其还包括多个保护套管（134A、134B、134C），每一个保护套管（134A、134B、134C）均定位在紧固设备（131）和导电元件（104A、104B、104C）之间。

10.根据权利要求1所述的电气设备，其还包括定位在所述壳体（100）的所述壁（108）内的多个卸压翻板（116），所述电弧（106）被引导朝向所述壳体（100）的所述壁（108），所述卸压翻板（116）被配置成在所述壳体（100）中没有所述电弧（106）的情况下关闭，并且在所述壳体（100）中存在所述电弧（106）的情况下打开，使得所述电弧（106）的所述等离子体经由所述卸压翻板（116）释放离开所述壳体（100），所述卸压翻板（116）包括磁钢，使得所述电磁力被增强。

11.一种用于电气设备的导体配置（102），其包括：

定位在所述电气设备的壳体（100）内的多个导体（104A、104B、104C），和

定位在所述电气设备的所述壳体（100）内的多个牺牲电极（118A、118B、118C），

其中，所述多个导体（104A、104B、104C）布置成使得，在所述多个导体（104A、104B、104C）之间发生电弧（106）的情况下，电磁力被施加在所述电弧（106）的等离子体上，使得所述电弧（106）被引导朝向所述多个牺牲电极（118A、118B、118C），以及

所述多个导体（104A、104B、104C）各自形成一个或多个环（110A、110B、110C），所述环（110A、110B、110C）接近所述多个牺牲电极（118A、118B、118C）布置。

12.根据权利要求11所述的导体配置（102），其中，所述多个牺牲电极（118A、118B、118C）接近所述壳体（100）的壁（108）布置。

13.根据权利要求11所述的导体配置（102），其还包括多个紧固设备（131），其用于将所述一个或多个环（110A、110B、110C）固定至所述壳体（100）的内表面，其中，所述多个紧固设备（131）包括弹性夹具（132A、132B、132C）。

14.根据权利要求13所述的导体配置（102），其还包括多个保护套管（134A、134B、134C），每一个保护套管（134A、134B、134C）均定位在紧固设备（131）和导体（104A、104B、104C）之间。

15.根据权利要求11所述的导体配置（102），其中，所述多个牺牲电极（118A、118B、118C）连接到接地导体（128），所述接地导体（128）定位在所述壳体（100）外部或者内部。