CN108242805B - 用于主动过电压保护的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于主动过电压保护的装置,具体公开了一种电路保护装置。所述电路保护装置包括主动能量吸收器,所述主动能量吸收器联接在配电系统中的两条电力线之间并且配置成响应于过电压情况来选择性地传导故障电流。所述主动能量吸收器包括:过电压保护模块,所述过电压保护模块包括彼此反并联连接的两个晶闸管;以及变阻器,所述变阻器与所述过电压保护模块连接为串联电路。包括所述变阻器和所述过电压保护模块的所述串联电路连接在所述电力线之间。

Description

用于主动过电压保护的装置
技术领域
本发明涉及电路保护装置,并且更具体地涉及过电压保护装置和方法。
背景技术
经常将超额的电压或者电流施加跨过将电力输送至住宅以及商业和工业设施的服务线路。例如,此类超额的电压或者电流尖峰(瞬态过电压和浪涌电流)可能由雷击导致。如下设施会特别受到上述事件的影响:电信调度中心、医院和其它由过电压和/或电流浪涌以及导致的停机时间造成的设备损坏会是非常高代价的设施。
通常,可使用浪涌保护装置(SPD)来保护敏感电子设备以防瞬态过电压和浪涌电流。例如,简单地参照图1,图1是包括常规过电压和浪涌保护的系统。过电压保护装置10可安装在待被保护的设备50的电力输入处,待被保护设备50通常在其发生故障时受到保护以防过电流。SPD的典型故障模式是短路。通常采用的过电流保护是用以保护装置免受由于增加的漏电流而产生的过热的内部热切断器和用以保护装置免受更高的故障电流的外部熔断器的组合。不同的SPD技术可避免使用内部热切断器,因为在发生故障时,SPD技术将它们的工作模式变成低欧姆电阻。以这种方式,装置可以承受相当大的短路电流。在这方面,在操作上可不需要内部热切断器。除此以外,展现出甚至更高的短路电流承受能力的一些实施例还可仅仅由装置的主断路器来保护,而不需要专用分路熔断器。
现在简单地参照图2,图2是包括常见浪涌保护的系统的框图。如所图示的,三相线可连接至一个或者多个变压器66并且为一个或者多个变压器66供应电能,该一个或者多个变压器66可进而向主断路器68供应三相电功率。可以向一个或者多个配电板62提供三相电功率。如所图示的,三相电功率的三条电压线可以被指定为L1、L2和L3,并且中性线可以被指定为N。在一些实施例中,中性线N可传导性地联接至接地。
一些实施例包括浪涌保护装置(SPD)104。如所图示的,每个SPD 104都可连接在L1、L2和L3中的相应的一个与中性线(N)之间。SPD 104可保护装置中的其它设备,诸如,配电板等。另外,SPD可用于在过电压持续很久的情况下保护所有设备。然而,这种情况会迫使SPD传导有限的电流达持续很久的一段时间,这会导致SPD过热并且有可能发生故障(这取决于SPD可以吸收的能量承受能力和过电压情况的水平和持续时间)。在本示例中,SPD 104的典型工作电压可以是约400 V(针对690V L-L系统)。在这方面,SPD 104将各自表现为绝缘体,并因此在正常工作情况期间不传导电流。在一些实施例中,SPD 104的工作电压足够高于正常的线与中性线间(line-to-neutral)电压,从而确保:即使在系统电压由于可能会因为失去中性线或者其它电力系统问题而出现的过电压情况而增加的情况下,SPD 104也将继续表现为绝缘体。
如果在例如L1中出现浪涌电流,则对电力系统负载装置的保护会需要为浪涌电流的超额电流提供至地面的电流路径。浪涌电流可以在L1与N之间产生瞬态过电压。由于瞬态过电压显著超过SPD 104的该工作电压,所以SPD 104将变成传导性的,从而允许超额电流通过SPD 104从L1流动到中性线N。一旦已经将浪涌电流传导至N,则过电压情况便会结束并且SPD 104可再次变成非传导性的。然而,在一些情况下,一个或者多个SPD 104即使在比SPD 104的工作电压低的电压时也可能开始允许传导漏电流。这种情况可能会发生在SPD退化的情况下。
如上面所提供的,用于保护设备免受超额电压或者电流尖峰(瞬态过电压和浪涌电流)的装置可包括诸如能量吸收器的产品,能量吸收器可以基于变阻器,包括例如金属氧化物变阻器(MOV)和/或碳化硅变阻器,并且能量吸收器可能不具有安全的使用寿命末尾工作模式。另外,这种装置在接近装置的工作电压的电压水平时可能无法提供保护。进一步地,浪涌保护装置设计在接近标称系统电压的电压水平时可能无法提供保护,并且可能无法被设计为吸收与能量吸收器一样多的能量。变阻器和晶闸管的组合可能不具有安全故障模式,并且在没有外部SPD时会无法进行保护以防浪涌电流和瞬态过电压。因此,期望的是如下的浪涌保护产品,所述产品提供低电压保护水平并且提供实施在故障安全(fail-safe)设计中的以防暂态过电压(TOV)的保护。
发明内容
本发明的一些实施例涉及一种电路保护装置,所述电路保护装置包括:主动(active)能量吸收器,所述主动能量吸收器联接在配电系统中的中性线和/或多条相线中的两条之间,并且配置成响应于过电压情况来选择性地传导故障电流。
在一些实施例中,所述主动能量吸收器包括:过电压保护模块,所述过电压保护模块包括彼此反并联连接的两个晶闸管;以及金属氧化物变阻器(MOV),所述MOV与过电压保护模块连接为串联电路。一些实施例提供:包括所述MOV和所述过电压保护模块的串联电路连接在所述中性线和/或所述相线中的任何两条之间。
一些实施例提供:所述主动能量吸收器还包括电感器,所述电感器与包括所述MOV和所述过电压保护模块的串联电路串联连接。在一些实施例中,所述MOV包括彼此并联连接的多个MOV。
一些实施例包括浪涌保护装置,所述浪涌保护装置连接在任何两条相线和/或中性线之间,并且配置成通过传导与过电压情况对应的有限量的电流来在过电压情况期间保护与其连接的设备。
一些实施例包括触发电路,所述触发电路连接至任何两条相线和/或中性线以及所述过电压保护模块,并且配置成响应于检测到跨过所述任何两条相线和/或中性线的暂态过电压情况而向所述过电压保护模块提供控制信号。在一些实施例中,触发电路包括:比较电路,所述比较电路配置成接收电压水平信号和电压参考信号,并且响应于所述电压水平信号超过所述电压参考信号而输出过电压触发信号;以及门级触发电路,所述门级触发电路配置成响应于由所述过电压保护模块接收的所述过电压触发信号而生成门级触发信号,并且导致所述过电压保护模块传导与所述暂态过电压情况对应的电流。
一些实施例提供:所述触发电路还包括光学隔离电路,所述光学隔离电路连接在所述比较电路与所述门级触发电路之间,并且配置成在所述比较电路与所述门级触发电路之间提供电隔离。
一些实施例包括浪涌保护装置,所述浪涌保护装置连接在所述任何两条相线和/或中性线之间。
在一些实施例中,所述主动能量吸收器还包括缓冲电路,所述缓冲电路与所述过电压保护模块并联连接。所述缓冲电路可包括彼此串联连接的电阻器和电容器。
在一些实施例中,所述主动能量吸收器包括:浪涌保护装置,所述浪涌保护装置连接在所述任何两条相线和/或中性线之间;过电压保护模块,所述过电压保护模块包括彼此反并联连接的两个晶闸管;变阻器,所述变阻器与所述过电压保护模块连接为串联电路,所述串联电路连接在所述中性线和/或所述相线中的任何两条之间;电感器,所述电感器连接在所述变阻器与所述浪涌保护装置之间;以及触发电路,所述触发电路连接至所述任何两条相线和/或中性线之间以及连接至所述两个晶闸管,并且配置成响应于检测到跨过所述中性线和所述多条相线中的所述任何两条的过电压情况而向所述两个晶闸管提供控制信号。
本发明的一些实施例涉及提供电力电路保护的方法。所述方法可包括:使用触发电路来感测电力线上的过电压情况;以及将过电压保护装置切换成传导模式,所述传导模式配置成将所述电压钳位至与所述电力电路的工作电压对应的电压限值。
一些实施例包括:在将所述过电压保护装置切换成所述传导模式之后,感测到所述电力线上的所述过电压情况不存在;以及将所述过电压保护装置切换成非传导模式。
在一些实施例中,所述电力电路是交流(AC)电力电路,并且感测所述过电压情况可与电压波形的第一部分对应。在将所述过电压保护切换成非传导模式之后,所述方法还可包括:使用所述触发电路来感测与所述电压波形的第二部分对应的另一过电压情况。所述过电压保护装置可被切换成传导模式,所述传导模式配置成将所述电压钳位至第二部分电压波形电压限值。
在一些实施例中,在所述电压波形的所述第一部分期间将所述过电压保护装置进行切换包括:将第一晶闸管进行切换,并且在所述电压波形的第二部分期间将所述过电压保护装置进行切换包括:将第二晶闸管进行切换,所述第二晶闸管与所述第一晶闸管反并联连接。
本发明的一些实施例涉及一种电路保护装置,所述电路保护装置包括第一晶闸管、第一变阻器、第二晶闸管、以及第二变阻器。所述第一晶闸管包括连接至第一电力线的第一阳极、第一阴极、以及第一门级。第一变阻器连接至所述第一阳极。所述第二晶闸管包括:连接至第二电力线的第二阳极、和连接至所述第一阴极的第二阴极、以及第二门级。所述第二变阻器连接至所述第二阳极和所述第一变阻器。
在一些实施例中,所述第一变阻器连接至所述第一阴极,并且所述第二变阻器连接至所述第二阴极。
一些实施例可包括触发电路,所述触发电路连接至所述第一电力线和所述第二电力线以及所述第一门级和所述第二门级,其中,所述触发电路配置成响应于检测到跨过所述第一电力线和所述第二电力线的暂态过电压情况而向所述第一晶闸管和/或所述第二晶闸管提供控制信号。
在一些实施例中,所述装置还包括电感器,所述电感器连接至或者所述第一阳极或者所述第二阳极。
在一些实施例中,所述第一变阻器包括彼此并联连接的多个第一变阻器,并且所述第二变阻器包括彼此并联连接的多个第二变阻器。
在一些实施例中,所述第一电力线和所述第二电力线包括中性线和多条相线中的任何两条。
在一些实施例中,所述装置还包括电感器,所述电感器连接在所述第一变阻器和所述第二变阻器的结点与所述第一阴极和所述第二阴极的结点之间。
在一些实施例中,所述装置还包括触发电路,所述触发电路连接至所述第一电力线和所述第二电力线,连接至所述第一门级和所述第二门级,并且连接至所述第一阴极和所述第二阴极的所述结点,其中,所述触发电路配置成响应于检测到跨过所述第一电力线和所述第二电力线的暂态过电压情况而向所述第一晶闸管和/或所述第二晶闸管提供控制信号。
在一些实施例中,主动能量吸收器模块包括第一电端子和第二电端子、模块外壳、第一晶闸管和第二晶闸管、以及变阻器。所述第一晶闸管和第二晶闸管被封闭在所述模块外壳内并且电连接在所述第一电端子和第二电端子之间。所述变阻器被封闭在所述模块外壳内并且电连接至所述第一电端子和第二电端子之间的所述第一晶闸管和第二晶闸管中的至少一个。
在一些实施例中,所述变阻器与所述第一晶闸管和第二晶闸管中的每个串联电连接。
在一些实施例中,所述第一晶闸管和第二晶闸管反并联连接在所述第一电端子和第二电端子之间。
在一些实施例中,所述主动能量吸收器模块还包括被封闭在所述模块外壳内的第二变阻器,所述第一晶闸管包括第一阳极和第一阴极,所述第二晶闸管包括第二阳极和第二阴极,所述第一变阻器电连接至所述第一阳极和所述第一阴极,并且所述第二变阻器电连接至所述第二阳极和所述第二阴极。
在一些实施例中,所述主动能量吸收器模块还包括电感器,所述电感器连接在所述第一和第二变阻器的结点与所述第一阴极和所述第二阴极的结点之间。
在一些实施例中,所述主动能量吸收器包括多个变阻器,所述多个变阻器被封闭在所述模块外壳内并且彼此并联电连接在所述第一电端子和第二电端子之间。
在一些实施例中,所述主动能量吸收器包括触发电路,所述触发电路被封闭在所述模块外壳内并且电连接至所述第一晶闸管和第二晶闸管中的每个。
在一些实施例中,所述主动能量吸收器包括:限定在所述模块外壳中的线路端口、以及延伸穿过所述线路端口并且将所述第一晶闸管和第二晶闸管电连接至在所述模块外壳外部的触发电路的至少一条电线路。
根据一些实施例,所述主动能量吸收器包括电感器线圈,所述电感器线圈被封闭在所述模块外壳内并且与所述第一电端子和第二电端子之间的所述第一晶闸管和第二晶闸管串联连接。
在一些实施例中,电感器线圈包括:限定螺旋线圈通道的螺旋状延伸的线圈带;以及电绝缘盒体,所述电绝缘盒体包括填充所述线圈通道的分隔壁部分。
在一些实施例中,所述主动能量吸收器包括被封闭在所述模块外壳内的电传导可熔构件。所述可熔构件响应于所述主动能量吸收器中的热量而熔化并且形成跨过所述第一电端子和第二电端子的电短路路径。
根据一些实施例,所述模块外壳包括第一电极和第二电极,并且所述变阻器以及所述第一晶闸管和第二晶闸管被轴向堆叠在所述第一电极和第二电极之间。
在一些实施例中,所述第一电极包括外壳电极,所述外壳电极包括端壁和一体式侧壁,所述端壁和所述一体式侧壁共同限定空腔,并且所述第二电极延伸到所述空腔中。
在一些实施例中,所述变阻器以及所述第一晶闸管和第二晶闸管设置在所述空腔中。
在一些实施例中,所述外壳电极由金属单体地形成。
在一些实施例中,所述主动能量吸收器包括偏压装置,所述偏压装置将轴向压缩负载施加至所述变阻器以及所述第一晶闸管和第二晶闸管。
要注意的是,本发明的关于一个实施例描述的方面可并入不同的实施例中,虽然没有相对于其进行具体描述。也就是说,所有的实施例和/或任何实施例的特征可以以任何方式和/或组合来进行组合。在下面阐述的说明书中详细地解释了本发明的这些和其他目的和/或方面。
附图说明
附图被包括以提供对本发明的进一步的理解,并且并入本说明书且构成本说明书的一部分。附图图示了本发明的一些实施例,并且连同说明书一起用来解释本发明的原理。
图1是包括常规浪涌保护的系统的框图。
图2是包括常规浪涌保护的系统的框图。
图3是图示了根据本发明的一些实施例的用于主动过电压保护的装置的示意性框图。
图4是图示了根据本发明的一些实施例的用于主动过电压保护的装置的示意性框图。
图5是图示了根据本发明的一些实施例的用于主动过电压保护的装置的示意性框图。
图6是图示了根据本发明的一些实施例的用于主动过电压保护的装置的示意性框图。
图7是图示了根据本发明的一些实施例的可在参照图3至图6描述的任何装置中使用的触发装置的示意性框图。
图8是图示了根据本发明的一些实施例的用于提供主动过电压保护的操作的框图。
图9是基于本发明的一些实施例的过电压保护的在过电压情况下的电压与时间的曲线图。
图10是根据本发明的一些实施例的多相主动能量吸收器模块的俯视透视图。
图11是图10的多相主动能量吸收器模块的不完全的俯视透视图。
图12是图10的多相主动能量吸收器模块的不完全的底部透视图。
图13是沿着图11的线13-13截取的图10的多相主动能量吸收器模块的不完全的截面图。
图14是根据本发明的一些实施例的主动能量吸收器系统的俯视透视图。
图15是根据本发明的一些实施例并且形成图14的主动能量吸收器系统的一部分的主动能量吸收器模块的分解俯视透视图。
图16是沿着图14的线16-16截取的图15的主动能量吸收器模块的截面图。
图17是根据本发明的另外的实施例的主动能量吸收器模块的截面图。
图18是形成图17的主动能量吸收器模块的一部分的触发模块的俯视透视图。
图19是根据本发明的另外的实施例的主动能量吸收器模块的截面图。
图20是根据本发明的另外的实施例的主动能量吸收器模块的俯视透视图。
图21是沿着图20的线21-21截取的图20的主动能量吸收器模块的截面图。
图22是形成图20的主动能量吸收器模块的一部分的线圈组件的分解俯视透视图。
图23是形成图22的线圈组件的一部分的盒体的仰视透视图。
图24是根据本发明的另外的实施例的主动能量吸收器模块的截面图。
图25是形成图24的主动能量吸收器模块的一部分的主动部件子组件的分解俯视透视图。
图26是图示了根据本发明的一些实施例的用于主动过电压保护的装置的示意性框图。
图27是根据本发明的另外的实施例的主动能量吸收器的截面图。
图28是图27的主动能量吸收器的分解透视图。
图29是根据本发明的另外的实施例的主动能量吸收器的截面图。
图30是根据本发明的一些实施例的主动能量吸收器的截面图。
图31是图示了根据本发明的一些实施例的用于主动过电压保护的装置的示意性框图。
图32是根据本发明的一些实施例的主动能量吸收器的截面图。
具体实施方式
在下文中,现在将参照示出了本发明的说明性实施例的附图来更全面地描述本发明。在附图中,为了清晰起见,可对一些区域或者特征的相对尺寸进行放大。然而,本发明可具体体现为许多不同的形式并且不应该被理解为受到本文所陈述的实施例的限制;确切地说,提供这些实施例使得本公开将会是透彻和完整的,并且将会使本发明的范围充分地传达给本领域的技术人员。
将会理解的是,当元件被称为“联接”或者“连接”至另一元件时,其可直接联接或者连接至另一元件,或者也可存在中介元件。相反,当元件被称为“直接联接”或者“直接连接”至另一元件时,不存在中介元件。相似的附图标记至始至终都指的是相似的元件。
另外,为了简化对于描述附图中所图示的一个元件或者特征与另一(或多个)元件或者另一(或多个)特征的关系的描述,可在本文中使用空间上相对的术语,诸如,“在……下”、“在……下方”、“下部”、“在……上”、“上部”等。将理解的是,除了在附图中所描绘的定向之外,空间上相对的术语意图包括在使用或者操作中的装置的不同定向。例如,如果附图中的装置翻转,那么然后将描述为“在其它元件或者特征下”或者“在其它元件或者特征结构之下”的元件定向为“在其它元件或者特征结构上”。由此,示例术语“在……下”可以包括“在……上”和“在……下”的定向。可对装置另外定向(旋转90度或者以其它定向)并且可相应地解释本文所使用的空间上相对的描述用语。
为了简洁和/或清晰起见,可不详细描述公知的功能或者构造。
如本文所使用的,表达用语“和/或”包括一个或者多个相关联的列出项目的任何组合和所有组合。
本文所使用的术语的目的仅仅是为了描述特定实施例,并不意图限制本发明。如本文所使用的,单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”意图也包括复数形式,除非上下文另有清楚指示。还将理解的是,术语“包括(comprises)”和/或“包含(comprising)”在本说明书中使用时指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在,但是并不排除一个或者多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和其组合的存在或者添加。
除非另有限定,否则本文中所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)都具有本发明所属的领域的普通技术人员通常所理解的相同意思。还将理解的是,应该将术语(诸如在常用字典中限定的术语)解释为具有与其在有关领域的环境下的意思一致的意思,并且不应该将这些术语解释为理想化或者过度正式的意义,除非本文明确限定。
迄今为止,用于提供保护以防瞬态过电压、暂态过电压和浪涌/雷电流的电路的类型可包括可直接连接在电力线之间的变阻器。用于提供保护以防瞬态过电压和浪涌电流的标准变阻器与用于提供保护以防暂态过电压的变阻器之间的差异会在于,第二种类型可在长时间段内(在100 ms到300 ms或者甚至更多的范围内)对于范围可在几安培到几千安培之间的电流处于传导模式,而第一种类型可在非常有限的时间段内(在几μs到5 ms的范围内)对于范围可在几百安培到超过100 kA之间的电流处于传导模式。
因此,当变阻器用于提供保护以防暂态过电压时,为了对由功率源生成的过电压进行钳位,变阻器会从功率源传导相当大的电流。如此,会需要变阻器在长的一段时间内吸收相当大量的能量。另外,当这种变阻器故障时,在装置使用寿命的末尾,故障模式会是低阻抗(即,短路)故障模式。
现在参照图3,图3是图示了根据本发明的一些实施例的用于主动过电压保护的装置的示意性框图。主动能量吸收器100可连接在配电系统和/或部件中的电力线70、72之间。电力线70、72可包括单相电力系统中的电力线和/或中性线或者多相系统(例如,三相电力系统)中的相线(phase line)和/或中性线。因此,主动能量吸收器100可连接在两条相线或者电力线之间和/或在相线或者电力线与中性线之间。主动能量吸收器100可向以防暂态过电压的保护提供高能量吸收承受能力和安全的使用寿命末尾运行。
一些实施例提供:主动能量吸收器100可响应于过电压情况来选择性地传导故障电流。例如,一些实施例提供:当主动能量吸收器100处于传导模式时,可通过吸收与超过钳位电压的过电压故障情况对应的能量来将过电压情况钳位至特定电压。一些实施例涉及为源自电力系统的暂态过电压情况提供保护,该暂态过电压情况比瞬态和/或浪涌电压可持续达更长时段。在使用和运行中,一些实施例提供:可将暂态过电压钳位至是系统工作电压的约2倍和/或比约2倍小的电压。例如,在220伏系统中,实施例可将阈值电压设置成约450伏。
在一些实施例中,主动能量吸收器100包括过电压保护模块101,过电压保护模块101包括彼此反并联连接的两个晶闸管102、104。过电压保护模块101的晶闸管102、104可与变阻器106串联连接。包括变阻器106和过电压保护模块101的串联电路可连接在任何两条电力线和中性线70、72之间。
一些实施例提供:主动能量吸收器100包括触发电路110,触发电路110连接至电力线/中性线70、72和过电压保护模块101。触发电路110可配置成响应于检测到跨过电力线/中性线70、72的暂态过电压情况而向过电压保护模块101提供控制信号。例如,响应于检测到超过阈值电压的跨过电力线70和72的电压,触发电路110可产生信号以使晶闸管102、104中的一个或者两个导通(即,形成低电阻电流传导路径)。一旦晶闸管102、104导通,变阻器106便可吸收电能以将电力线70、72之间的电压钳位至可与阈值电压对应的钳位电压。
作为示例,针对240 V系统,峰值电压可以是336 V。可使用具有尽可能接近标称电压的250 V AC的最大持续工作电压(MCOV)的变阻器106来使得在正常情况期间MOV 106将不会传导任何电流。通常,这种MOV可具有约1000 V的电压保护水平。在TOV事件期间,当电压升高到超过预定阈值(例如,600 V)时,则触发电路将根据AC电压极性来触发晶闸管102、104中的一个。一旦晶闸管102、104中的每一个都被导通,为了对电压进行钳位,MOV 106便可开始大量地传导。在TOV事件期间,当电压开始下降接近与正常运行对应的电压时,MOV106可开始变得电阻越来越大并且可开始减少电流。MOV 106可在336 V时传导非常小的漏电流(例如,约1 mA)。因此,当电压降低至接近工作系统电压的值时,通过晶闸管102、104的电流可减小为非常低的值并且因此晶闸管102、104可阻断,例如,通常只有当通过晶闸管的电流超过某个水平(例如,约200 mA)时,晶闸管才将处于传导模式。
然而,存在会需要在更低的电压水平(例如,700 V,而不是1000 V)时获得保护的电力系统。在这种情况下,为了降低保护水平,可使用具有更低MCOV的变阻器106,即,更薄的变阻器盘(varistor disk)。例如,变阻器可具有150V AC而不是250V AC的MCOV。
在一些实施例中,与过电压情况对应的故障电流可超过单个变阻器106的能量吸收能力。在这种情况下,可通过使用彼此并联布置的多个变阻器106来提高变阻器106的能力。一些实施例提供:多个并联变阻器106可配置在单个装置中。
另外,可在线70、72中的一条中提供电感120,以在发生浪涌事件的情况下保护晶闸管102、104以防出现相当大的瞬时电流变化(di/dt),该相当大的瞬时电流变化(di/dt)是当晶闸管102、104在瞬态过电压事件或者浪涌电流期间而自触发时由于晶闸管102、104将暴露于的dV/dt而导致的。在一些实施例中,该电感120还可被认为是电力系统的一部分(缆线长度段、变压器等)。一些实施例提供:可将电感120添加至线70、72。
一些实施例提供:配电系统/装置是交流(AC)系统/装置。在这种实施例中,可交替地激活反并联晶闸管102、104以与电压波形的不同部分对应。例如,如果在电压波形的正向的一半期间发生过电压情况,则只要电压在波形的该一半中保持超过电压阈值,就可使第二晶闸管104导通以使其变成传导的。一旦在周期的该部分中的电压下降成低于阈值电压,则变阻器106便可停止传导,因为电压足够低并且晶闸管104可被阻断。如果故障情况持续到电压波形的下一个部分,则当负电压超过负方向上的电压阈值时,只要电压在波形的该一半中大于负方向上的电压阈值,就可使晶闸管102导通以使其变成传导的。
一些实施例提供,上面所描述的主动能量吸收器100可进行保护以防具有电压的缓慢上升时间的暂态过电压。然而,主动能量吸收器100在浪涌事件和瞬态过电压期间会无法提供足够的保护。在这方面,用于主动过电压保护的装置可进一步包括浪涌保护装置(SPD)130,SPD 130可以以与主动能量吸收器100并联的方式连接至电力线70、72。SPD 130可配置为通过传导与浪涌或者瞬态过电压情况对应的有限量的电流来在过电压情况期间保护连接至该SPD 130的设备。一些实施例提供:SPD 130可用于受到瞬态过电压和浪涌电流威胁的电路,因为在这些事件期间,过电压以及高电压上升率将施加在晶闸管102、104上达至少几μs的时段。这可以是因为将会触发晶闸管102、104并且将变阻器106连接至电力线70、72以对过电压进行钳位的触发电路110的响应时间可能比该几μs更长而导致的。如此,如果这种过电压超过晶闸管102、104的最大工作电压,则可施加达几μs的过电压会损坏晶闸管102、104。
在一些实施例中,包括本文所描述的主动能量吸收器100的用于主动过电压保护的装置可实施为如下装置,所述装置使用组成电路的各个部分的分立的部件(即,线圈、晶闸管和并联的一个或者多个变阻器)。一些实施例提供:包括本文所描述的主动能量吸收器的用于主动过电压保护的装置可实施为上述能量吸收器。
现在参照图4,图4是图示了根据本发明的一些实施例的用于主动过电压保护的装置的示意性框图。用于主动过电压保护的装置包括SPD 230和主动能量吸收器200,主动能量吸收器200包括变阻器206、触发电路210、包括晶闸管202、204的过电压保护模块201,SPD230和主动能量吸收器200与上面关于图3讨论的SPD 130和主动能量吸收器100相似,主动能量吸收器100包括变阻器106、触发电路110、包括晶闸管102、104的过电压保护模块101。如此,为了简洁起见,将省略对这些部件的讨论。
与图3相比,图4的装置提供:电感器208是主动能量吸收器200的部件。例如,电感208可与包括过电压保护模块201的变阻器206和反并联晶闸管202、204的串联电路串联连接。
现在参照图5,图5是图示了根据本发明的一些实施例的用于主动过电压保护的装置的示意性框图。用于主动过电压保护的装置包括SPD 330、电感320、以及主动能量吸收器300,主动能量吸收器300包括变阻器306、触发电路310、包括晶闸管302、304的过电压保护模块301,SPD 330、电感320、以及主动能量吸收器300与上面关于图3讨论的SPD 130、电感120、以及主动能量吸收器100相似,主动能量吸收器100包括变阻器106、触发电路110、包括晶闸管102、104的过电压保护模块101。如此,为了简洁起见,将省略对这些部件的讨论。
在一些实施例中,主动能量吸收器300可包括与过电压保护模块301并联连接的缓冲电路312。一些实施例提供:缓冲电路312包括彼此串联连接的电阻器316和电容器314。
在一些实施例中,以并联方式用于晶闸管302、304的缓冲电路312可减少和/或消除在浪涌事件和/或瞬态过电压事件期间晶闸管302、304的自触发。在这种情况下,晶闸管302、304可仅仅由触发电路310触发,触发电路310仅仅正在对暂态过电压事件作出反应。在一些实施例中,可省略电感320,因为可能不期望晶闸管302、304传导浪涌电流。
现在参照图6,图6是图示了根据本发明的一些实施例的用于主动过电压保护的装置的示意性框图。主动能量吸收器400可连接在配电系统和/或部件中的电力线70、72之间。电力线70、72可包括单相电力系统中的电力线和/或中性线或者多相系统(例如,三相电力系统)中的相线和/或中性线。因此,主动能量吸收器400可连接在两条相线或者电力线之间和/或在相线或者电力线与中性线之间。
一些实施例提供:主动能量吸收器400可响应于过电压情况来选择性地传导故障电流。例如,一些实施例提供:当主动能量吸收器400处于传导模式时,可通过吸收与超过钳位电压的过电压故障情况对应的能量来将过电压情况钳位至特定电压。一些实施例涉及为源自电力系统的暂态过电压情况提供保护,该暂态过电压情况比瞬态和/或浪涌电压可持续达更长时段。
在一些实施例中,主动能量吸收器400包括会与上面关于图3讨论的触发电路110相似的触发电路410。如此,将省略对触发电路410的另外的描述。
主动能量吸收器400可包括:第一晶闸管404,第一晶闸管404包括连接至第一电力线70的第一阳极、第一阴极、和第一门级;以及第一变阻器406,第一变阻器406连接至第一晶闸管404的阳极和阴极。在这方面,第一晶闸管404和第一变阻器406可彼此并联连接并且各自连接至第一电力线70。主动能量吸收器400可包括第二晶闸管402,第二晶闸管402包括连接至第二电力线72的第二阳极、连接至第一晶闸管404的阴极的第二阴极、以及第二门级。第二变阻器408连接至第二晶闸管402的阳极和阴极。在这方面,第二晶闸管402和第二变阻器408可彼此并联连接并且各自连接至第二电力线72。
在一些实施例中,主动能量吸收器400的电路可包括SPD功能。如此,一些实施例提供,在没有附加和/或外部SPD的情况下可使用主动能量吸收器400。
另外,在浪涌事件和瞬态过电压期间,由于晶闸管402、404在门级与阳极之间和在门级与阴极之间的内部寄生电容,晶闸管402、404可自触发。按照惯例,为了避免晶闸管402、404在浪涌事件和瞬态过电压事件中自触发,制造商可使该寄生电容尽可能低。然而,在电流施加时,寄生电容会是更高的,这可改进制造的便利性。在这方面,装置可在浪涌事件和瞬态过电压事件期间展现出改进的触发灵敏度。如此,在触发晶闸管402、404被触发并且以变阻器406、408的保护水平来将电压钳位之前,电压可没有达到非常高的值。在这方面,无论事件是否是暂态过电压、浪涌电流或者瞬态过电压,装置都可以以单个变阻器406、408的电压水平来一致地钳位。
当缓冲电路可避免由于浪涌事件或者瞬态过电压期间的高dV/dt而导致的晶闸管的错误触发时,主动能量吸收器400可不使用缓冲电路。作为替代,晶闸管402、404的自触发的能力可对通过单个变阻器的电压进行钳位。
一些实施例提供:当晶闸管402、404传导浪涌电流时,电感420可以可选地用于减少通过晶闸管402、404的di/dt。一些实施例提供:由于电力线70、72的长度、缆线的尺寸、以及安装在装置上游的任何变压器,电力线70、72本身具有足够的电感。然而,在电力线70与装置之间添加电感420可导致提高设备在浪涌事件和瞬态过电压期间将经历的保护水平(钳位电压)。在这方面,如果电力系统的电感不足,则可以添加附加的插入(in-line)模块以增加电力线的总电感。一些实施例提供:由于在相同的装置中使用了两个变阻器,则可以在传导期间在两个变阻器之间共享能量吸收。
另外,该装置可提供独立的自触发操作,该独立的自触发操作可以在电力系统中连接在两条线之间并且提供保护以防暂态过电压、瞬时过电压和/或浪涌/雷电流。
现在参照图7,图7是图示了根据本发明的一些实施例的可在参照图3至图6描述的任何装置中使用的触发装置的示意性框图。触发装置510可包括整流器512,整流器512配置为从电力线70、72接收AC线电压并且将AC线电压转换为DC输出电压,该DC输出电压是与AC线电压对应的电压水平。比较电路514可接收电压水平信号和电压参考信号Vref。比较电路514的输出可以是基于电压水平信号与电压参考信号Vref之间的比较。例如,如果电压水平信号小于Vref,则比较电路514的输出可与电力线70、72上的正常工作电压水平对应。相反,如果电压水平信号大于Vref,则比较电路的输出可将状态改变成指示过电压情况存在。
比较电路514的输出可由一个或者多个信号驱动器电路516接收,一个或者多个信号驱动器电路516可对比较电路514的输出状态进行放大、反向和/或稳定。在一些实施例中,接收与比较电路514的输出对应的输入的光学隔离电路518可在比较电路514与门级触发电路520之间提供电隔离,门级触发电路520配置为:如果与比较电路对应的输出指示电力线70、72上的过电压情况,则生成一个或者多个门级触发信号。(一个或多个)门级触发信号可由过电压保护模块接收并且可导致过电压保护模块传导与暂态过电压情况对应的电流。例如,可以在本文所公开的主动能量吸收器中的两个晶闸管中的每一个处接收门级触发信号。
现在参照图8,图8是图示了根据本发明的一些实施例的用于提供主动过电压保护的操作的框图。根据一些方法,操作可包括:使用触发电路来感测电力线上的过电压情况(框810)。电力线可以是多相电力系统中的相电力线和/或单相电力线。过电压情况可能与另一电力线和/或中性线有关。一些实施例提供:过电压情况可以是暂态过电压系统,相较于会具有短得多的持续时间的浪涌或者瞬态过电压事件,暂态过电压系统可持续达相当长的时间段,例如,10 ms至300 ms或者更多。
响应于检测到过电压情况,操作可包括:将过电压保护装置切换成传导模式(框820)。当将过电压保护装置切换成传导模式时,电力线上的电压被钳位至与电力电路的工作电压对应的电压限值。例如,电压限值可被钳位至电力电路的工作电压的一些倍数。在一些实施例中,倍数可在1.4到3.0的范围内,从而电压被钳位至系统工作电压的1.4至3.9倍的电压。在一些实施例中,倍数可以约为2,从而电压被钳位至系统工作电压的约2倍的电压。一些实施例提供:过电压保护装置包括与SPD串联并且被切换成传导模式的一个或者多个晶闸管。在这种实施例中,SPD可用于通过吸收与故障电流对应的能量来对电压进行钳位。
一旦过电压情况已经过去,操作便可包括:感测到电力线上的过电压情况不存在(框830)。这可以在晶闸管出现如下特征之后完成:晶闸管当传导的电流下降成低于某个阈值(例如,约200 mA)时与电力线断开连接。在电压下降时,在某些时候,电压将达到某一水平,低于该水平,串联连接至晶闸管的MOV将仅允许从中传导低于约200 mA的电流。这也可意味着TOV情况已经过去。响应于检测到过电压情况不存在,可将过电压保护装置切换成非传导模式(框840)。
在一些实施例中,电力电路是交流(AC)电力电路,并且感测过电压情况可与电压波形的第一部分对应,并且在将过电压保护切换成非传导模式之后,触发电路可感测与电压波形的第二部分对应的另一过电压情况。在这种实施例中,过电压保护装置可切换成传导模式,该传导模式配置为将电压钳位至第二部分电压波形电压限值。例如,一些实施例提供:在执行电压波形的第一部分期间使用第一晶闸管对过电压保护装置进行切换,并且在执行电压波形的第二部分期间使用与第一晶闸管反并联连接的第二晶闸管来对过电压保护装置进行切换。
图9是基于本发明的一些实施例的过电压保护的在过电压情况下的电压与时间的曲线图。如所图示的,过电压情况开始于时间T1。一旦电压水平在时间T2处达到电压阈值(V-threshold),过电压保护便会开启以变成传导的,并且将电压钳位至钳位电压(V-clamp)。随着过电压情况减弱,电压水平从钳位电压V-clamp降低至工作电压V-operating直到电压降低至低于钳位电压的水平。在电压降低期间,一旦故障电流达到给定触发故障电流水平,过电压保护关闭并且因此在时间T3处停止传导电流。例如,一些实施例提供:当给定触发故障电流到达约220 mA时,过电压保护关闭,然而,给定触发故障电流可以是大于或者小于220 mA。
参照图10至图13,在其中示出了图3的电路100的机械实施例。所图示的实施例是多相主动能量吸收器模块901,多相主动能量吸收器模块901是三相实施方式并且因此包括分别与图3的主动能量吸收器100中的一个对应的三个主动能量吸收器子组件900。也就是说,每个相的主动能量吸收器100被具体实施在相应的子组件900中。每个子组件900包括MOV模块920(与MOV 106对应)、两个晶闸管910、912(与晶闸管102、104对应)、触发电路930(与触发电路110对应)、以及作为分立部件的熔断器934。每个子组件900电连接至并且机械安装在电传导中性板903上并且包括相应的线路端子902。中性端子904还连接至中性板903。触发电路930设置在PCB 932上。子组件900和中性板903容纳在模块外壳906中。
在一些实施例中,每个MOV 模块920可如Atkins等人的美国专利第6,038,119号和Atkins等人的美国专利第6,430,020号中的一个或者多个所公开的来构建,这些专利的公开内容以引用的方式并入本文。在一些实施例中并且如图13所示,每个MOV模块920包括金属外壳电极922、金属活塞电极924、和堆叠在电极924的头部924A与外壳922的电极端壁922A之间的多个变阻器片(wafer)926。变阻器片926由电传导互连构件928并联电连接在头部924A和端壁922A的内面之间。电极922和924共同形成腔室921A,在腔室921A内容纳和封装有变阻器926。
图4的电路可使用用于电路部件中的每个的分立部件来实施,与参照图10至图13描述的实施例相似。在这种情况下,每个子组件900还设置有与电感器208对应的电感器。
在其它实施例中,图6的电路被实施或者包装为包括单个集成装置的主动能量吸收器模块,其中,变阻器106和晶闸管102、104被封装在坚固的外壳组件中。参照图14至图16,在其中示出了根据本发明的实施例的主动能量吸收器系统1001。系统1001包括根据本发明的实施例的模块化主动能量吸收器单元或者模块1000和外部触发电路1002。对于每个图6中的主动能量吸收器400可使用一个系统1001。触发电路1002可以是包括图6的触发电路410的任何合适的装置。触发电路1002可被包装在保护外壳中。
主动能量吸收器模块单元1000具有纵向轴线A-A(图16)。主动能量吸收器模块1000包括第一电极或者外壳1022、活塞形状的第二电极1024、4个弹簧垫圈1028E、平垫圈1028D、绝缘环构件1028C、3个O形环1030A-1030C、端盖1028A、固定夹1028B、可熔构件1032、绝缘套筒1034、以及缆线密封套(gland)1036。主动能量吸收器模块单元还包括主动部件子组件1040,主动部件子组件1040包括3个内部互连构件1054、1056、1058、2个变阻器构件1042、1044、2个晶闸管1046、1048、2个接触板1050、1052、2个门级连接器1062D、以及2个信号缆线1062A-1062B。
部件1022、1024、1028A-C共同形成限定密封的封闭腔室1026的外壳组件。部件1022、1024、1028A-E、1032和1040在封闭腔室1026中沿着纵向轴线A-A轴向设置在外壳与电极之间。
外壳1022具有端部电极壁1022A和从电极壁1022A延伸的一体式圆柱形侧壁1022B。侧壁1022B和电极壁1022A形成与开口1022D连通的腔室或者空腔1022C。螺纹柱1022E从电极壁1022A轴向向外突出。线路孔或者端口1022F延伸穿过侧壁1022B。
电极壁1022A具有面向内的、大体上平面的接触表面1022G。环形夹槽1022H形成在侧壁1022B的内表面中。根据一些实施例,外壳1022由铝形成。然而,可使用任何合适的电传导金属。根据一些实施例,外壳1022是单体式的(unitary),并且在一些实施例是整体式的(monolithic)。如所图示的外壳1022是圆柱形的,但是可成形为不同的形状。
内电极1024具有设置在空腔1022C中的头部1024A和向外突出穿过开口1022D的一体式轴1022B。
头部1024A具有面向电极壁1022A的接触表面1022G的大体上平面的接触表面1024C。一对一体式的、环形的、轴向间隔开的凸缘1024D从轴1024B径向向外延伸并且在其间限定环形的、侧向开口的凹槽1024E。例如,螺纹开孔1024F形成在轴1024B的端部中以接收螺栓以用于将电极1024固定到母线(busbar)。在轴1024B中限定环形的、侧向开口的凹槽1024G。
根据一些实施例,电极1024由铝形成。然而,可使用任何合适的电传导金属。根据一些实施例,电极1024是单体式的,并且在一些实施例是整体式的。
电极1022、1024、绝缘环1028C以及端盖1028A共同限定封闭腔室1026,封闭腔室1026容纳可熔构件1032和主动部件子组件1040。
环形间隙径向限定在头部1024A与侧壁1022B的最近的邻近表面之间。根据一些实施例,间隙具有范围在约3 mm到约10 mm的径向宽度。
可熔构件1032是环形的并且在凹槽1024E中安装在电极1024上。可熔构件1032与侧壁1022B间隔开一距离,该距离足以使可熔构件1032与侧壁1022B电隔离。
可熔构件1032由可热熔的电传导材料形成。根据一些实施例,可熔构件1032由金属形成。根据一些实施例,可熔构件1032由电传导金属合金形成。根据一些实施例,可熔构件1032由选自由铝合金、锌合金、和/或锡合金组成的组的金属合金形成。然而,可使用任何合适的电传导金属。
根据一些实施例,可熔构件1032被选择成使得其熔点大于规定的最大标准工作温度。最大标准工作温度可以是在正常工作期间(包括处理针对系统1001的设计的范围内的过电压浪涌)而不是在如果不加控制的话将会导致热散逸的工作期间在可熔构件1032中的预期的最大温度。根据一些实施例,可熔构件1032由具有范围在约80℃到约160℃并且根据一些实施例范围在约130℃到约150℃的熔点的材料形成。根据一些实施例,可熔构件1032的熔点比外壳1022和电极1024的熔点小至少20℃,并且根据一些实施例比这些部件的熔点小至少40℃。
根据一些实施例,可熔构件1032具有范围在约0.5×106西门子/米(S/m)到约4×107 S/m并且根据一些实施例范围在约1×106 S/m到约3×106 S/m的电导率。
两个变阻器1042、1044、两个晶闸管1046、1048、两个接触板1050、1052、绝缘构件1060、以及三个互连构件1054、1056、1058在腔室1026中被轴向堆叠在电极头部1024与电极壁1022之间,并且形成主动部件子组件1040。子组件1040按照如下的方式与图6所示的电路的部分对应或者形成图6所示的电路的部分:变阻器1042与变阻器406对应,变阻器1044与变阻器408对应,晶闸管1046与晶闸管402对应,晶闸管1048与晶闸管404对应,并且触发电路1002与触发电路410对应。互连构件1054、1056和接触板1050、1052以图6中所表示的方式使变阻器1042、1044、晶闸管1046、1048、以及触发电路1002电互连。
每个变阻器构件1042、1044具有相对的、大体上平面的第一和第二接触表面1043。根据一些实施例,每个变阻器构件1042、1044是变阻器片(即,是片状或者盘状的)。然而,变阻器构件1042、1044可形成为其它形状。变阻器片1042、1044的厚度和直径将取决于具体应用需要的变阻器特性。在一些实施例中,每个变阻器片1042、1044具有至少3的直径厚度比。在一些实施例中,每个变阻器片1042、1044的厚度在约1.5 mm到约15 mm的范围内。
变阻器片1042、1044可包括变阻器材料片,其在任一侧上涂覆有传导性涂层从而使涂层的暴露表面充当接触表面。例如,涂层可以由铝、铜或者银形成。
变阻器材料可以是常见用于变阻器的任何合适的材料,即,随着施加的电压展现出非线性电阻特性的材料。优选地,当超过规定电压时,电阻变得非常低。例如,变阻器材料可以是经掺杂的金属氧化物或者碳化硅。合适的金属氧化物包括氧化锌化合物。
两个晶闸管1046、1048可按照相同的或者相似的方式来构造。在一些实施例中并且如所示的,晶闸管1046、1048是片状的或者盘状的。在一些实施例中,每个晶闸管1046、1048具有至少15的直径厚度比。在一些实施例中,每个晶闸管1046、1048的厚度在约1.5 mm到约10 mm的范围内。
将会领会的是,在图16中,并未详细示出晶闸管1046、1048的内部结构和部件。每个晶闸管1046、1048包括主体1045A以及在主体1045A的轴向相对侧上的阳极1045C和阴极1045B。阳极1045C和阴极1045B具有大体上平面的接触表面。每个晶闸管1046、1048还包括门级或者控制端子1045F(图15)。门级端子1045F定位在与阳极1045B相同的板的中心处并且被阴极1045B包围(但是与其电隔离)。环形绝缘体1045G轴向插入在阳极1045C与阴极1045B之间并且使阳极1045C与阴极1045B电隔离。
用于晶闸管1046、1048的合适的晶闸管可如在例如Hoppe等人的美国专利第4,956,696号中所公开的那样被构造,该专利公开内容以引用的方式并入本文。
参照图16,缆线密封套1036被附连在线路端口1022F中。信号缆线1062A、1062B延伸穿过线路端口1022F和缆线密封套1036并进入到腔室1026中。缆线密封套1036固定在线路端口1022F中。缆线密封套1036用于将线路机械地保持或者固定在端口1022F中(提供应变消除)并且完全密封、堵塞或者闭合侧壁1022B中的开孔(例如,以气密的方式)。
信号缆线1062A包括电端接在晶闸管1046的控制端子1045F处的门级线路1762GA。信号缆线1062A还包括电端接在晶闸管1046的阴极1045B处的参考线路。信号缆线1062B包括电端接在晶闸管1048的控制端子1045F处的门级线路1762GB。信号缆线1062B还包括电端接在晶闸管1048的阴极1045B处的参考线路。
缆线1062A、1062B的门级线路1062GA、1062GB端接至并且由门级连接器1062D电连接和机械连接至晶闸管1046、1048的控制端子1045F。每个门级连接器1062D可包括弹簧1062E,弹簧1062E加载或者偏压门级连接器1062D抵靠关联的控制端子1045F。
缆线1062A、1062B的参考线路可以是细线或者箔片,例如,插入在每个阴极1045B与邻近的接触板1050、1052的相对面之间。在一些实施例中,参考线路连接(例如,通过焊接)至定位在阴极1045B与接触板1050或者1052之间的薄金属板(例如,具有范围在约0.1mm到1 mm的厚度;为了简单起见,并未被示出)。每个晶闸管1046、1048的触发是通过相应信号缆线1062A、1062B的两条线路(即,门级线路和参考线路)来完成的。
在其它实施例中,例如,缆线1062A和1062B的参考线路可分别机械地端接至并且电连接(例如,通过焊接)至互连构件1054和1056的桥部分1057B,如下面参照图27所描述的那样。在这种情况下,缆线1062A的参考线路将通过互连构件1054和接触板1050电连接至其阴极1045B,并且缆线1062B的参考线路将通过互连构件1056和接触板1052连接至其阴极1045B。
接触板1050、1052是电传导的。每个接触板1050、1052是盘状的并且具有相对的接触表面1051A。每个接触板1050、1052还已经在其中形成中央通孔1051B和从通孔1051B径向延伸至接触板1050、1052的外周边的槽1051C。信号缆线1062A、1062B的每条控制线路或者门级线路被按路线引导穿过对应接触板1050、1052的槽1051C,并且每个关联的门级连接器1062D置于对应接触板1050、1052的通孔1051B中。
根据一些实施例,接触板1050、1052由铜合金形成。然而,可使用任何合适的电传导金属。根据一些实施例,接触板1050、1052是单体式的,并且在一些实施例中是整体式的。
互连构件1054、1056、1058是电传导的。每个互连构件1054、1056、1058包括由桥部分1057B连结的一对轴向间隔开的、盘状接触部分1057A。
根据一些实施例,互连构件1054、1056、1058由铜形成。然而,可使用任何合适的电传导金属。根据一些实施例,互连构件1054、1056、1058是单体式的,并且在一些实施例中是整体式的。
绝缘构件1060可以是电绝缘材料的相对薄的层或者盘。在一些实施例中,绝缘构件1060具有范围在约1 mm到约10 mm的厚度。
根据一些实施例,绝缘构件1060由硬的、高温聚合物形成,并且在一些实施例中由硬的、高温热塑性塑料形成。在一些实施例中,绝缘构件1060由云母形成。
根据一些实施例,绝缘构件1060由具有熔点大于可熔构件1032的熔点的材料形成。根据一些实施例,绝缘构件1060由具有熔点范围在约120℃到200℃的材料形成。
根据一些实施例,绝缘构件1060材料每 mm厚度可以承受25 kV的电压。
根据一些实施例,绝缘构件1060具有范围在约0.1 mm到10 mm的厚度。
绝缘套筒1034是管状的和大体上圆柱状的。根据一些实施例,绝缘套筒1034由高温聚合物形成,并且,在一些实施例中,由高温热塑性塑料形成。在一些实施例,绝缘套筒1034由聚醚酰亚胺(PEI)形成,诸如,可向沙特阿拉伯的SABIC购买的ULTEMTM热塑性塑料。在一些实施例,膜1060由非增强聚醚酰亚胺形成。
根据一些实施例,绝缘套筒1034由具有熔点大于可熔构件1032的熔点的材料形成。根据一些实施例,绝缘套筒1034由具有熔点范围在约120℃到200℃的材料形成。
根据一些实施例,绝缘套筒1034材料每 mm厚度可以承受25 kV的电压。
根据一些实施例,绝缘套筒1034具有范围在约0.1 mm到2 mm的厚度。
弹簧垫圈1028E包围轴1024B。每个弹簧垫圈1028E包括接收轴1024B的孔。最低弹簧垫圈1028E邻接头部1024A的顶面。根据一些实施例,弹簧垫圈孔与轴1024B之间的间隙在约0.015 英寸到0.035英寸的范围内。弹簧垫圈1028E可由弹性材料形成。根据一些实施例并且如所图示的,弹簧垫圈1028E是由弹簧钢形成的Belleville垫圈。虽然示出了两个弹簧垫圈1028E,但是可使用更多或者更少的弹簧垫圈。弹簧可采用不同的堆叠布置结构来设置,诸如串联、并联、或者串联和并联的布置结构。
平金属垫圈1028D被插入在最靠上弹簧垫圈1028E与绝缘环1028C之间,轴1024B延伸穿过形成在垫圈1028D中的孔。垫圈1028D用于分配上弹簧垫圈1028E的机械负载以防止弹簧垫圈1028E切入到(cut into)绝缘环1028C中。
绝缘环1028C覆在垫圈1028D上面并且邻接垫圈1028D。绝缘环1028C具有主体环和从主体环向上延伸的圆柱形上凸缘或者轴环。孔接收轴1024B。根据一些实施例,孔与轴1024B之间的间隙在约0.025 英寸到0.065英寸的范围内。向上和向外开放的周边凹槽形成在主体环的顶角中。
绝缘环1028C优选地由具有高熔化和燃烧温度的介电材料或者电绝缘材料形成。例如,绝缘环1028C可由聚碳酸酯、陶瓷或者高温聚合物形成。
端盖1028A覆在绝缘环1028C上面并且邻接绝缘环1028C。端盖1028A具有接收轴1024B的孔。根据一些实施例,孔与轴1024B之间的间隙在约0.1 英寸到0.2英寸的范围内。例如,端盖1028A可由铝形成。
夹子1028B是有弹性的且为截头环状。夹子1028B被部分地接收在槽1022H中并且从外壳1022的内壁径向向内部分地延伸以限制端盖1028A轴向向外位移。夹子1028B可以由弹簧钢形成。
O形环1030B定位在凹槽1024G中,以使得其被捕获在轴1024B与绝缘环1028C之间。O形环1030A定位在绝缘环1028C中的凹槽中,以使得其被捕获在绝缘构件1028C与侧壁1022B之间。O形环1030C定位在凹槽1024H中以与绝缘环1028C密封。当被安装时,O形环1030A-1030C被压缩,以使得它们被偏压抵靠邻近的交界表面并且在邻近的交界表面之间形成密封。在过电压或者故障事件中,副产物(诸如来自晶闸管1046、1048或者变阻器1042、1044的热气体和碎块)会填充或者分散到空腔腔室1026中。O形环1030A-1030C可约束或者防止这些副产物以免穿过外壳开口1022D离开主动能量吸收器模块1000。
O形环1030A-1030C可由相同或者不同的材料形成。根据一些实施例,O形环1030A-1030C由有弹性的材料(诸如弹性体)形成。根据一些实施例,O形环1030A-1030C由橡胶形成。O形环1030A-1030C可由碳氟化合物橡胶形成,诸如可向DuPont购买的VITON™橡胶。还可使用其它橡胶,诸如异丁橡胶。根据一些实施例,橡胶具有在约60邵氏A硬度(Shore A)与100邵氏A硬度之间的硬度计量结果(durometer)。
电极头部1024A和外壳端壁1022A沿着负载或者夹持轴线C-C(图16)在方向F上被不断地偏压或者加载抵靠主动部件子组件1040以确保上面所指定的交界接触表面之间的牢固且均匀的接合。如下面所描述的,单元100的该方面可通过考虑根据本发明的用于组装单元100的方法来理解。在一些实施例中,夹持轴线C-C与轴线A-A(图16)大体上重合。
信号缆线1062A-1062B固定在缆线密封套1036的开孔中。缆线密封套1036固定在线路端口1022F中(例如,使用粘合剂)。缆线1062A-1062B连接至端子1045F、1045G。
部件1042、1044、1046、1048、1050、1052、1054、1056、1058、1060组装成形成主动部件子组件1040(图16)。子组件1040放置在空腔1022C中,以使得互连构件1056的下接触表面或者部分1051A接合端壁1022A的接触表面1022G。
O形环1030A-1030C安装在它们的相应凹槽中。
头部1024A插入到空腔1022C中,以使得接触表面1024C接合互连部件1054的上接触表面或者部分1051A。
弹簧垫圈1028E从轴1024B往下滑。垫圈1028D、绝缘环1028C、以及端盖1028A从轴1024B向下滑并且盖在弹簧垫圈1028E上。夹具(未示出)或者其它合适的装置用于迫使端盖1028A向下,进而使弹簧垫圈1028E挠曲。在端盖1028A仍然在夹具的负载之下时,夹子1028B被压缩并且插入到槽1022H中。然后,夹子1028B被松开并且被允许回到其原来的直径,因此,夹子1028B部分地填充槽并且从槽1022H径向向内部分地延伸到空腔中。由此,夹子1028B和槽1022H用于维持端盖1028A上的负载以使弹簧垫圈1028E部分地挠曲。端盖1028A到绝缘环1028C上且从绝缘环到弹簧垫圈上的加载进而被传递至头部1024A。以这种方式,将子组件1040夹(夹持)在头部1024A与电极壁1022A之间。
当主动能量吸收器模块1000被组装时,外壳1022、电极1024、绝缘构件1028C、端盖1028A、夹子1028B、O形环1030A-1030C和缆线密封套1036共同形成将部件容纳在腔室1026中的单元外壳或者外壳组件。
在组装好的主动能量吸收器模块1000中,部件1022A、1024A、1042、1044、1046、1048、1050、1052、1054的大的平面接触表面可以确保在过电压或者浪涌电流事件期间部件之间的可靠且一致的电接触和连接。头部1024A和端壁1022A被机械地加载抵靠这些部件以确保配对接触表面之间的牢固且均匀的接合。
有利地,主动能量吸收器模块1000以电并联的方式使两个变阻器1042、1044合并在相同的模块化装置中,从而在电传导期间,能量可以在变阻器1042、1044之间被共享。
主动能量吸收器模块1000的设计结合单个模块化单元中的变阻器片1042、1044来提供晶闸管1046、1048的压缩加载。主动能量吸收器模块1000在电极1042、1044、晶闸管1046、1048、以及变阻器片1042、1044之间提供合适的电互连,而同时保持紧凑的形态要素并且对来自变阻器1042、1044的能量提供适当的热耗散。
主动能量吸收器模块1000的构造为装置提供安全的故障模式。在使用期间,变阻器1042、1044和晶闸管1046、1048中的一个或者多个可由于过热而损坏并且可在外壳组件1021内产生电弧作用。外壳组件1021可以将损坏(例如,碎片、气体和即时热量)包含在主动能量吸收器模块1000内,从而使主动能量吸收器模块1000以安全的方式出现故障。以这种方式,主动能量吸收器模块1000可以防止或者减少对邻近设备(例如,舱室中的开关装置设备)的任何损坏和对人的危害。以这种方式,主动能量吸收器模块1000可以增强设备和人的安全性。
另外,主动能量吸收器模块1000响应于变阻器1042、1044中的一个或者多个中的使用寿命末尾模式来提供故障保护机制。在变阻器1042、1044出现故障的情况下,将在对应线(例如,图6的线1)与中性线之间传导故障电流。众所周知,变阻器具有固有的标准钳位电压VNOM(有时称为“击穿电压”或者简称为“变阻器电压”),在处于VNOM时,变阻器开始传导电流。低于VNOM时,电流将不会穿过变阻器。高于VNOM时,变阻器将传导电流(即,漏电流或者浪涌电流)。变阻器的VNOM通常被规定为在1 mA的DC电流的情况下所测量到的跨过变阻器的电压。
总所周知,变阻器具有三种工作模式。在第一种正常模式下(如上面所讨论的),直到达到标称电压,变阻器实际上是电绝缘体。在第二种正常模式下(还如上面所讨论的),当变阻器经受过电压时,变阻器在过电压情况期间临时地且可逆地变成电导体并且在这之后返回到第一种模式。在第三模式(所谓的使用寿命末尾模式)下,变阻器在事实上被耗尽并且变成永久的、不可逆的电导体。
变阻器还具有固有的钳位电压VC(有时被简称为“钳位电压”)。钳位电压VC被限定为根据标准协议的当将规定电流施加至变阻器一段时间所测量到的跨过变阻器的最大电压。
在没有过电压情况时,变阻器片1042、1044提供高电阻,使得没有电流流动穿过主动能量吸收器模块1000,如其在电学上变现为开路那样。也就是说,一般没有电流穿过变阻器。如果过电流浪涌事件(通常是瞬态的;例如,雷击)或者过电压情况或者事件(持续时间通常比过电流浪涌事件更长)超过VNOM,则变阻器的电阻迅速减小,从而允许电流流动穿过主动能量吸收器模块1000并且创建用于使电流流过的分流路径以保护关联的电系统的其它部件。在正常情况下,变阻器从这些事件中恢复,而主动能量吸收器模块1000没有明显过热。
变阻器具有多种故障模式。故障模式包括:1)变阻器发生故障成为短路;以及2)变阻器发生故障成为线性电阻。变阻器发生故障成为短路或者线性电阻都可由如下情况造成:单个或者多个量级足够大且持续时间足够长的浪涌电流的传导,或者将驱动足够的电流穿过变阻器的单个或者多个连续过电压事件。
短路故障通常显示为延伸通过变阻器厚度的局部针孔(pinhole)或者穿透部位(本文称为“故障部位”)。该故障部位在电阻低但是高到足以生成欧姆损耗并且甚至在低的故障电流下也会导致装置过热的两个电极之间创建用于使电流流过的路径。穿过变阻器的足够大的故障电流可以使故障部位的区域中的变阻器熔化并且生成电弧。
成为线性电阻的变阻器故障将会导致将有限的电流传导通过变阻器,这将导致热量积累。该热量积累会导致灾难性的热散逸,并且装置温度会超过规定的最大温度。例如,装置的外表面的最高可允许温度可由编码(code)或者等级(standard)来设定以防止邻近的部件燃烧。如果漏电流在某一时间段内不被中断,则过热最终将导致变阻器发生故障成为如上面所限定的短路。
在一些情况下,即使变阻器故障是短路,但通过故障的变阻器的电流也会受到电力系统本身的限制(例如,在系统中或者在光伏(PV)电源应用中的接地电阻,其中,故障电流取决于出现故障时系统的功率产生能力),这会导致温度逐渐升高。例如,有些情况下,由于电力系统故障的缘故而在时间上延长的过电压情况,所以有限的漏电流流动通过变阻器。这些情况会导致装置中的温度升高,诸如当变阻器已经发生故障成为线性电阻时,并且可能的话会导致变阻器发生故障成为如上面所描述的线性电阻或者短路。当在晶闸管上消耗的能量超过其功率消耗极限时,晶闸管还可按照与变阻器相似的方式发生故障成为短路,所述功率消耗极限可由电流的平方乘以时间(i2*t)来表示。两者的差别可在于,在相同的所传导的电流水平下,如果晶闸管是为具体应用而适当地设计的并且针对具体应用来确定尺寸的(dimensional),则晶闸管可消耗少得多的能量,因此其不可能首先出现故障。然而,故障方式可与MOV的故障方式非常相似,即,通过低欧姆电阻路径或者可产生电弧和/或过热的针孔而发生故障。
如上面所讨论的,在一些情况下,主动能量吸收器模块1000可采取“使用寿命末尾”模式,在“使用寿命末尾”模式中,变阻器片1042、1044被完全或者部分耗尽(即,在“使用寿命末尾”状态下),从而导致使用寿命末尾故障。当变阻器达到其使用寿命末尾时,主动能量吸收器模块1000将大体上变成具有非常低但是非零的欧姆电阻的短路形式。结果,在使用寿命末尾情况下,即使在过电压情况不存在时,故障电流也将持续地流动穿过变阻器。在这种情况下,可熔构件1032可作为故障安全机制来工作,该故障安全机制按照美国专利第7,433,169号中所描述的方式旁路故障的变阻器并且在主动能量吸收器模块1000的端子之间创建永久的低欧姆短路,该专利的公开内容以引用的方式并入本文。
每个晶闸管1046、1048同样可以以与在本文中针对变阻器1042、1044描述的故障模式相同或者相似的方式来发生故障,包括发生故障成为短路和发生故障成为线性电阻。晶闸管1046、1048同样可以呈现如针对变阻器1042、1044描述的“使用寿命末尾”模式。晶闸管1046、1048将展现出与针对变阻器1042、1044描述的行为和响应相似或者大体上相同的行为和响应。当变阻器和晶闸管两者的故障模式相似时,可以在相同的腔室内使用相同的旁路机制以在变阻器1042、1044或者晶闸管1046、1048故障时使装置1000能够进行故障安全运行。
可熔构件1032适合于并且配置为作为热切断器来工作以使施加至关联的主动能量吸收器模块1000的电流在变阻器1042、1044 和晶闸管1046、1048周围电短路以防止或者减少在变阻器和晶闸管中的热量的生成。以这种方式,可熔构件1032可以作为开关来工作以旁路变阻器1042、1044 和晶闸管1046、1048并且防止上面所描述的过热和灾难性故障。如本文所使用的,当发生需要导致故障安全系统如所描述的那样工作以使电极1022A、1024A短路的情况时,触发故障安全系统。
当被加热至阈值温度时,可熔构件1032将流动以桥接和电连接电极1022A、1024A。由此,可熔构件1032使施加至主动能量吸收器模块1000的电流转向以旁路变阻器1042、1044 和晶闸管1046、1048,从而使变阻器或者晶闸管的电流感应加热停止。由此,可熔构件1032可用于防止或者抑制热散逸(由变阻器1042、1044和/或晶闸管1046、1048造成或者在其中生成),而不需要中断穿过主动能量吸收器模块1000的电流。
更具体地,可熔构件1032最初具有如图15和图16所示的第一配置,使得其不将电极1024和外壳1022电联接,除了通过头部1024A之外。在热量积累事件发生时,电极1024由此被加热。可熔构件1032还被直接地和/或被电极1024加热。在正常工作期间,可熔构件1032中的温度保持低于其熔点,从而使可熔构件1032保持固体形态。然而,当可熔构件1032的温度超过其熔点时,可熔构件1032(完全或者部分)熔化并且在重力的作用下流动成与第一配置不同的第二配置。可熔构件1032将电极1024桥接至外壳1022或者使电极1024短路以旁路变阻器1042、1044和晶闸管1046、1048。也就是说,提供从电极1024的表面通过可熔构件1032到外壳侧壁1022B的表面的一条或者多条新的直接流动路径。根据一些实施例,这些流动路径中的至少一些不包括变阻器片1042、1044或者晶闸管1046、1048。
根据一些实施例,主动能量吸收器模块1000适应于使得:当触发可熔构件1032 以使主动能量吸收器模块1000短路时,主动能量吸收器模块1000的传导性至少与连接至该装置的馈电缆线和出口缆线的传导性一样大。
参照图17和图18,在其中示出了根据替代实施例的主动能量吸收器模块1100。主动能量吸收器模块1100与图6的电路的主动能量吸收器模块400对应。主动能量吸收器模块1100按照与主动能量吸收器模块1000相同的方式来构造,除了将触发电路1102集成在主动能量吸收器模块1100内并且封装在外壳组件1121的封闭腔室1126中之外。结果,主动能量吸收器模块1100可以作为可以连接在两条线之间的独立的自触发装置来工作并且提供保护以防(暂态的和瞬态的)过电压和浪涌(例如,雷击)事件。因为触发电路1102容纳在外壳组件1121中,所以可以消除线路端口1022F。
在这种情况下,参照图17,内电极1124具有两件式构造,其包括螺纹固定到头部构件1127的轴构件1125。触发电路1102容纳在触发电路外壳1170A中。触发电路1102和外壳1170A一起形成触发电路模块1170。轴构件1125延伸穿过壳体1170A,并且触发电路模块1170被捕获在头部1127与轴构件1125的一体的凸缘1125A之间。与线路组件1062对应的线路组件1162将触发电路1102电连接至晶闸管。
参照图19,在其中示出了根据替代实施例的主动能量吸收器模块1200。主动能量吸收器模块1200按照与主动能量吸收器模块1100(包括与外壳组件1021对应的外壳组件1221以及封装在封闭腔室1226中的触发电路模块1270和触发电路1202)相同的方式来构造,除了每个电路支路(leg)包括并联的三个变阻器片1242之外。例如(当变阻器具有与变阻器相同的构造时),该实施例可以提供比图17的主动能量吸收器模块1000更高的能量吸收。
参照图20-图23,在其中示出了根据替代实施例的主动能量吸收器模块1300。主动能量吸收器模块1300与图6的电路的主动能量吸收器电路400对应,除了单元1300还将电感器420集成到主动能量吸收器模块1300中之外。主动能量吸收器模块1300按照与主动能量吸收器模块1100(包括与外壳组件1121对应的外壳组件1321、以及封装在腔室1326中的触发电路模块1370和触发电路1302)相同的方式构造,除了主动能量吸收器模块1300还包括封装在空腔1326中的一体式电感线圈组件1380之外。线圈组件1380包括与图6的电路的线圈420对应的线圈1381。
线圈组件1380包括点传导外线圈构件1382、电传导内线圈构件1384、电传导接口板1385A、联接紧固件1385B、电传导端子构件或者轴1386、电绝缘板1385C、电传导联接构件1387、电绝缘盒体1388、以及电绝缘外盖1389。线圈构件1382、1384共同形成线圈1381。
外线圈构件1382包括线圈主体1382A、限定螺旋线圈通道1382C的螺旋状延伸的线圈带1382B、以及联接延伸部1382D。螺纹开孔1382E轴向延伸穿过线圈主体1382A。类似地,内线圈构件1384包括线圈主体1384A、限定螺旋线圈通道1384C的螺旋状延伸的线圈带1384B、以及联接延伸部1384D。螺纹开孔1384E轴向延伸穿过线圈主体1384A。
接口板1385A插入在联接延伸部1382D、1384D之间,并且三个部件由紧固件1385B固定在一起。绝缘板1385C被夹在线圈构件1382、1384之间以防止或者抑制电流在其间直接流动。
盒体1388包括外壳体部分1388A、内分隔壁部分1388B、以及外分隔壁部分1388C。外壳体部分1389部分地包围和围住部件1388A-1388C。外分隔壁部分1388C填充线圈带1382B的相邻绕组之间的线圈通道1382C。内分隔壁部分1388B填充线圈带1384B的相邻绕组之间的线圈通道1384C。盖1389配合成套在盒体1388上。
端子轴1386机械地固定和电连接在开孔1382E中并且突出穿过盒体1388中的柱孔1388D并且在盒体1388上方。
联接构件1387机械地固定和电连接在开孔1384E中并且突出穿过盖1389中的柱孔。联接构件1387还机械固定和电固定在头部1327的开孔中。
部件1382、1384、1385A、1386、1387由金属形成,并且,在一些实施例中,由铝形成。根据一些实施例,每个线圈构件1382、1384是单体式的,并且在一些实施例中是整体式的。
盒体1388可由具有高熔化和燃烧温度的介电材料或者电绝缘材料形成。在一些实施例,盒体1388由聚合材料形成。在一些实施例,盒体1388包括环氧树脂。在一些实施例,盒体1388包括选自由环氧树脂粘合剂和/或环氧浇铸树脂(epoxy cast resin)或者硅弹性体组成的组的材料。在一些实施例,盒体1388是整体式的。在一些实施例,盒体1388包括选自由本身被不同材料的外层覆盖的环氧树脂粘合剂和/或环氧浇铸树脂组成的组的材料。
外盒体层1389可由与盒体1388不同的材料形成以便提供互补性能。在一些实施例中,外盒体层1389由相较于盒体1388的材料提供增强的耐蚀性的材料形成。在一些实施例中,外盒体层1389由硅化合物或者PBT形成。
在使用中,电流依次流动通过端子轴1386、外绕组带1382B、联接延伸部1382D、接口板1385A、联接延伸部1384D、内绕组带1384B、联接构件1387、以及头部1327。
通过轴向堆叠顺序布置的线圈带1382B、1384B,可以减小主动能量吸收器模块1300的外直径。
除了上述优点之外,根据本发明实施例的电保护装置还可提供多个优点。装置可形成为使得具有相对紧凑的外形要素。装置可以是能够改装以便安装在不具有如本文所描述的电路的相似类型的浪涌保护装置的适当的位置中。具体地,本装置可具有与前述的这种装置相同的长度尺寸。
根据一些实施例,电极接触表面、变阻器接触表面、以及晶闸管接触表面中的每个之间的接合区域分别为至少一平方英寸。
根据一些实施例,偏压电极(例如,电极1022和1024)沿着轴线C-C将取决于其表面面积的范围在2000 lbf到26000 lbf的范围内的负载施加至变阻器和晶闸管。
根据一些实施例,外壳(例如,外壳1022)和电极(例如,电极1024)的组合热质量本质上大于被捕获在其间的变阻器和晶闸管中的每个的热质量。如本文所使用的,术语“热质量”意味着物体的一种或者多种材料的比热与物体的一种或者多种材料的一个或者多个质量的乘积。也就是说,热质量是将物体的一种或多种材料的1克提高1摄氏度所需的能量的数量乘以物体中的一种或者多种材料的一个或者多个质量。根据一些实施例,电极头部和电极壁中的任何一个的热质量本质上大于变阻器或者晶闸管的热质量。根据一些实施例,电极头部和电极壁中的至少一个的热质量是变阻器或者晶闸管的热质量的至少两倍,并且,根据一些实施例,是至少10倍大。根据一些实施例,头部和电极壁的组合热质量本质上大于变阻器或者晶闸管的热质量,根据一些实施例,是变阻器或者晶闸管的热质量的至少两倍,并且根据一些实施例,是至少10倍大。
如上面所讨论的,弹簧垫圈1028E是Belleville垫圈。Belleville垫圈可用于施加相对高的负载而不需要实质上的轴向空间。然而,除了一个或多个Belleville垫圈之外或者代替一个或多个Belleville垫圈,还可使用其它类型的偏压装置。合适的替代偏压装置包括一个或者多个线圈弹簧、波形垫圈或者螺旋形垫圈。
参照图24和图25,在其中示出了根据替代实施例的包括触发电路1402和主动能量吸收器模块1400的主动能量吸收器系统1401。主动能量吸收器模块1400与图3的电路的主动能量吸收器100对应,除了触发电路110在单元1400外部之外。主动能量吸收器模块1400按照与主动能量吸收器模块1000(包括在外壳组件1421外部的触发电路1402)相同的方式被构造,除了主动能量吸收器模块1400的主动部件子组件1440按照与主动能量吸收器模块1000的主动部件子组件1040不同的方式构造之外。
主动部件子组件1440包括一个变阻器片1442、两个晶闸管1446、1448、两个接触板1450、1452、绝缘构件(层或者板)1460、以及在腔室1421中被轴向堆叠在电极头部1424A与电极壁1422A之间的两个互连构件1454、1456。变阻器1442与变阻器106对应,晶闸管1446与晶闸管102对应,晶闸管1448与晶闸管104对应,并且触发电路1402与触发电路110对应。触发电路1402由线路组件1462连接至主动部件子组件1440。互连构件1454、1456、接触板1450、1452按照图3所表示的方式将变阻器1442、晶闸管1446、1448、和触发电路1402电互连。如上面所讨论的,晶闸管1446、1448各自以电反并联配置来布置。
现在参照图26,图26是图示了根据本发明的一些实施例的用于主动过电压保护的装置的示意性框图。主动能量吸收器1600可连接在配电系统和/或部件中的电力线70、72之间。电力线70、72可包括单相电力系统中的电力线和/或中性线或者多相系统(例如,三相电力系统)中的相线和/或中性线。因此,主动能量吸收器1600可连接在两条相线或者电力线之间和/或在相线或者电力线与中性线之间。
一些实施例提供:主动能量吸收器1600可响应于过电压情况来选择性地传导故障电流。例如,一些实施例提供:当主动能量吸收器1600处于传导模式时,可通过吸收与超过钳位电压的过电压故障情况对应的能量来将过电压情况钳位至特定电压。一些实施例涉及为源自电力系统的暂态过电压情况提供保护,该暂态过电压情况比瞬态和/或浪涌电压可持续达更长时段。
在一些实施例中,主动能量吸收器1600包括可能与上面关于图3讨论的触发电路110相似的触发电路1610。如此,将省略对其的附加描述。
主动能量吸收器1600可包括第一晶闸管1604,第一晶闸管1604包括连接至第一电力线70的第一阳极、第一阴极、以及第一门级。主动能量吸收器1600可包括第二晶闸管1602,第二晶闸管1602包括连接至第二电力线72的第二阳极、连接至第一晶闸管1604的阴极的第二阴极、以及第二门级。在这方面,第一晶闸管1604和第二晶闸管1602相对于彼此沿相对的方向彼此串联连接。
主动能量吸收器1600可包括连接至第一晶闸管1604的阳极的第一变阻器1606和连接至第二晶闸管1602的阳极和第一变阻器1606的第二变阻器1608。在这方面,第一变阻器1606和第二变阻器1608可彼此串联连接。在这方面,第一晶闸管1604的阳极和第一变阻器1606可各自连接至第一电力线70,第二晶闸管1602的阳极和第二变阻器1608可各自连接至第二电力线72。
一些实施例提供:当晶闸管1602、1604传导浪涌电流时,第一电感1620可以可选地用于减少通过晶闸管1602、1604的di/dt。一些实施例提供:由于电力线70、72的长度、缆线的尺寸、以及安装在装置上游的任何变压器,电力线70、72本身具有足够的电感。然而,在电力线70与装置之间添加电感1620会导致设备将在浪涌事件和瞬态过电压期间经历的保护水平(钳位电压)提高。在这方面,如果电力系统的电感不足,则可以添加附加的插入模块以增加电力线的总电感。一些实施例提供:由于在相同的装置中使用了两个变阻器,则可以在传导期间,在两个变阻器之间共享能量吸收。
在一些实施例中,主动能量吸收器1600包括可连接在第一和第二晶闸管1604、1602的阴极与第一和第二晶闸管1604、1602的公用端子的第二电感1622。第二电感1622可保护第一和第二晶闸管1604、1602免于经历超额的电流变化率(例如,di/dt)。例如,在从线1 70至线2 72的浪涌事件的情况下,跨过第一变阻器1606的电压会非常快地上升,例如,超过第一晶闸管1604的dV/dt。然后,在某一时间段之后,第一晶闸管1604会自触发。因为这不会立即发生(取决于第一和第二晶闸管1604、1602的内部构造以及阳极和门级之间的内部寄生电容),所以如果出现延迟,则在第一晶闸管1604自触发的时候通过第一变阻器1606的浪涌电流会达到特定值。第二电感1622可防止通过第一晶闸管1604的电流瞬时上升,并从而防止超过从其中流过的电流的变化率。一些实施例提供:第二电感1622的小的电感值可足以使该浪涌电流转换慢下来并且保护第一晶闸管1604免受损坏。在一些实施例中,第二电感1622的值可在1 μH到10 μH的范围内,然而,这种范围不是限制性的。
在一些实施例中,主动能量吸收器1600的电路可包括SPD功能。如此,一些实施例提供,在没有附加和/或外部SPD的情况下,可使用主动能量吸收器1600。
另外,在浪涌事件和瞬态过电压期间,由于晶闸管1602、1604门级与阳极之间的以及门级与阴极之间的内部寄生电容,它们可自触发。根据惯例,为了避免晶闸管1602、1604在浪涌事件和瞬态过电压事件期间自触发,制造商可使该寄生电容尽可能低。然而,在电流施加时,寄生电容会更高,这可改进制造的便利性。在这方面,装置可在浪涌事件和瞬态过电压事件期间展现出改进的触发灵敏度。如此,在晶闸管1602、1604被触发并且电压被钳位在变阻器1606、1608的保护水平处之前,电压不会达到非常高的值。在这方面,无论事件是否是暂态过电压、浪涌电流或者瞬态过电压,装置都可一致地钳位在单个变阻器1606、1608的电压水平处。
在浪涌事件或者瞬态过电压期间由于高的dV/dt,主动能量吸收器1600可不使用缓冲电路,因为该电路可避免晶闸管的错误触发。相反,晶闸管1602、1604自触发的能力可对通过单个变阻器的电压进行钳位。
另外,该装置可提供独立的自触发操作,该独立的自触发操作可以在电力系统中连接在两条线之间并且提供保护以防暂态过电压、瞬时过电压和/或浪涌电流/雷电流。
参照图27和图28,在其中示出了根据替代实施例的主动能量吸收器模块1700。主动能量吸收器模块1700与图26的电路的主动能量吸收器模块1600对应。主动能量吸收器模块1700按照与主动能量吸收器模块1100(图17)相同的方式来构造,除了下面所讨论的之外。
模块1700包括触发电路模块1770,触发电路模块1770与触发电路模块1170(图17)对应并且包括与触发电路1610(图26)对应的触发电路。
模块1700包括在封闭腔室1726中设置在外壳电极端壁1722A与电极头部1727之间的主动部件子组件1740。主动部件子组件1740包括两个变阻器1742、1744、两个晶闸管1746、1748、两个接触板1750、1752、绝缘体1760、以及三个互连构件1754、1756、1758,它们与模块1000的部件1042、1044、1046、1048、1050、1052、1060、1054、1056和1058对应。子组件1740的部件按照如下的方式与图26的电路的部分对应或者形成图26的电路的部分:变阻器1742与变阻器1606对应;变阻器1744与变阻器1608对应;晶闸管1746与晶闸管1602对应;并且晶闸管1748与晶闸管1604对应。互连构件1754、1756、1758和接触板1750、1752按照图26所表示的方式将变阻器1742、1744和晶闸管1746、1748电互连。
子组件1740还包括线圈组件1780、附加互连构件1759、以及两个附加电绝缘层1763、1765。线圈组件1780与图26的线圈1622对应并且以图26所示的方式由互连构件1759电连接至其它部件。
参照图28,线圈组件1780包括上接触板1782、下接触板1784、线圈构件1786、接口构件1787、紧固件1788、以及两个线圈绝缘体1789。部件1782、1784、1786、1787由电传导材料形成,诸如金属(例如,铝)。
线圈构件1786包括线圈主体1786A、限定螺旋线圈通道1786C的螺旋状延伸的线圈带1786B、以及联接延伸部1786D。线圈构件1786经由联接延伸部1786D电连接至上接触板1782并且经由线圈主体1786A连接至下接触板1784。线圈带1786B由绝缘体1789与接触板1782、1784电隔离。
互连构件1759包括第一接触部分1759A,第一接触部分1759A与下线圈组件接触板1784的下表面和上晶闸管1746的阳极接触。互连构件1759还包括第二接触部分1759B,第二接触部分1759B与互连构件1758和下晶闸管1748的阳极接触。互连构件1759包括桥部分1759C(在图27中不可见),桥部分1759C将接触部分1759A、1759B电连接,并由此将上述部件电连接。
与信号缆线1062A、1062B对应的信号缆线1762A、1762B从触发电路模块1770延伸。每根缆线1762A、1762B包括门级线路1762GA、1762GB和参考线路1762RA、1762RB。门级线路1762GA、1762GB通过门级连接器1762D电端接在晶闸管1746、1748的控制端子1745F处。参考线路1762RA、1762RB分别机械端接至和电连接(例如,通过焊接)至互连构件1754和1756的桥部分1757B。以这种方式,参考线路1762RA通过互连构件1754和接触板1750电连接至晶闸管1746的阴极,并且参考线路1762RB通过互连构件1756和接触板1752电连接至晶闸管1748的阴极。
图29示出了根据另外的实施例的主动能量吸收器模块1800。主动能量吸收器模块1800按照与模块1700相同的方式构造,除了模块1800不具有与触发电路模块1770对应的内部触发电路模块而是采用如上面针对模块1000所描述的外部触发电路之外。
参照图30,在其中示出了根据另外的实施例的主动能量吸收器模块1900。模块1900与图4的主动能量吸收器模块201对应。模块1900按照与模块1700(图27)大体上相同的方式来构造,除了如下内容之外。
模块1900包括在封闭腔室1926中被封装在外壳电极端壁1922A与电极头部1927之间的主动部件子组件1940。子组件1940包括与图4的MOV 206对应的变阻器1942、与图4的晶闸管202和204对应的晶闸管1946、1948、与图4的电感208对应的电感器线圈1986、以及与图4的触发电路210对应的触发电路模块1970。
互连构件1954、1956和接触板1950、1952以图4中所表示的方式将变阻器1942、晶闸管1946、1948、线圈1986、以及电极1922A、1927电互连。电绝缘体1960将互连构件1956与互连构件1954电隔离。模块1970的触发电路以与上面针对模块1700(图27)所描述的相同的方式由门级线路1962A、1962GB和参考线路1962RA、1962RB经由门级连接器1962D和互连构件1954、1956电连接至晶闸管1946、1948的门级端子和阴极。
现在参照图31,图31是图示了根据本发明的一些实施例的用于主动过电压保护的装置的示意性框图。主动能量吸收器2000可连接在配电系统和/或部件中的电力线70、72之间。电力线70、72可包括单相电力系统中的电力线和/或中性线或者多相系统(例如,三相电力系统)中的相线和/或中性线。因此,主动能量吸收器2000可连接在两条相线或者电力线之间和/或在相线或者电力线与中性线之间。
一些实施例提供:主动能量吸收器2000可响应于过电压情况来选择性地传导故障电流。例如,一些实施例提供:当主动能量吸收器2000处于传导模式时,可通过吸收与超过钳位电压的过电压故障情况对应的能量来将过电压情况钳位至特定电压。一些实施例涉及为源自电力系统的暂态过电压情况提供保护,该暂态过电压情况比瞬态和/或浪涌电压可持续达更长时间。
在一些实施例中,主动能量吸收器2000包括可与上面关于图3讨论的触发电路110相似的触发电路2010。如此,将省略对其的另外的描述。
主动能量吸收器2000可包括第一晶闸管2002,第一晶闸管2002包括第一阳极、第一阴极和第一门级。主动能量吸收器2000可包括第二晶闸管2004,第二晶闸管2004包括连接至第一晶闸管2002的第一阴极的第二阳极、连接至第一晶闸管2002的第一阳极的第二阴极、以及第二门级。在这方面,第一晶闸管2002和第二晶闸管2004彼此反并联连接。
主动能量吸收器2000可包括第一变阻器2006和第二变阻器2008。第一变阻器2006可连接在第一电力线70与第二变阻器2008之间。第二变阻器2008可连接在第一变阻器2006与第二电力线72之间。在这方面,第一变阻器2006和第二变阻器2008可彼此串联连接。
一些实施例提供:当晶闸管2002、2004传导浪涌电流时,电感2022可以可选地用于减少通过晶闸管2002、2004的di/dt。一些实施例提供:由于电力线70、72的长度、缆线的尺寸、以及安装在装置上游的任何变压器,电力线70、72本身具有足够的电感。然而,电感2022可连接在第一和第二晶闸管2006、2008的连接节点与对应于第一晶闸管 2002的第一阴极和第二晶闸管2004的第二阳极的连接节点之间。第一晶闸管 2002的第一阳极和第二晶闸管2004的第二阴极可连接至第二变阻器2008的端子,该端子连接至第二电力线72。
在一些实施例中,主动能量吸收器2000的电路可包括SPD功能。如此,一些实施例提供,在没有附加和/或外部SPD的情况下可使用主动能量吸收器1600。
另外,在浪涌事件和瞬态过电压期间,由于晶闸管2002、2004在门级与阳极之间和在门级与阴极之间的内部寄生电容,晶闸管2002、2004可自触发。根据惯例,为了避免晶闸管2002、2004在浪涌事件和瞬态过电压事件期间自触发,制造商会使该寄生电容尽可能低。然而,在电流施加时,寄生电容会更高,这可改进制造的便利性。在这方面,装置可在浪涌事件和瞬态过电压事件期间展现出改进的触发灵敏度。如此,在晶闸管2002、2004被触发并且电压被钳为在变阻器2006、2008的保护水平处之前,电压不会达到非常高的值。在这方面,无论事件是否是暂态过电压、浪涌电流或者瞬态过电压,装置可一致地钳位在单个变阻器2006、2008的电压水平处。
在浪涌事件或者瞬态过电压期间由于高的dV/dt,主动能量吸收器2000可不使用缓冲电路,因为该电路可避免晶闸管的错误触发。相反,晶闸管2002、2004自触发的能力可对通过单个变阻器的电压进行钳位。
另外,该装置可提供独立的自触发操作,该独立的自触发操作可在电力系统中连接在两条线之间并且提供保护以防暂态过电压、瞬时过电压和/或浪涌/雷电流。
参照图32,在其中示出了根据另外的实施例的主动能量吸收器模块2100。模块2100与图31的主动能量吸收器模块2000对应。模块2100按照与模块1900(图30)大体上相同的方式来构造,除了如下内容之外。
模块2100包括在封闭腔室2126中被封装在外壳电极端壁2122A与电极头部2127之间的主动部件子组件2140。子组件2140包括与图31的变阻器2006对应的变阻器2142、与变阻器2008对应的变阻器2144、与晶闸管2002对应的晶闸管2146、与晶闸管2004对应的第二晶闸管2148、与电感2022对应的电感器线圈2148、以及与触发电路2010对应的触发电路模块2170。
互连构件2154、2156、2158、2159和接触板2050、2052按照图31所表示的方式将变阻器2142、2144、晶闸管2146、2148、线圈2186、以及电极2122A、2127电互连。两个电绝缘体2160将互连构件2154和2156彼此电隔离并且将互连构件2156和2158彼此电隔离。触发电路模块2170的触发电路按照上面针对模块170(图27)所描述的的方式由门级线路2162GA、2162GB和参考线路2162RA、2162RB经由门级连接器2162D和互连构件2158、2159电连接至晶闸管2146、2148的门级端子和阴极。
在不偏离本发明的精神和范围的情况下,鉴于本公开的益处,本领域的普通技术人员可作出许多更改和修改。因此,必须理解的是,所图示的实施例仅仅已经出于示例的目的被陈述,并且不应该被认为对由所附权利要求书所限定的本发明进行限定。因此,所附权利要求书将被解读为不仅包括字面上陈述的元件的组合,而且还包括用于以大体上相同的方式执行大体上相同的功能以获得大体上相同的结果的所有等同元件。因此,权利要求书被理解为包括上面具体图示和描述的内容、在概念上等同的内容、以及还有包括本发明的本质构思的内容。

Claims (12)

1.一种电路保护装置,包括:
主动能量吸收器,所述主动能量吸收器联接在配电系统中的中性线和/或多条相线中的两条之间,并且配置成响应于过电压情况来选择性地传导故障电流,
其中:
所述主动能量吸收器联接在中性线和多条相线中的一条之间,并且
所述主动能量吸收器包括:
浪涌保护装置,所述浪涌保护装置连接在所述中性线和所述多条相线中的所述一条之间;
过电压保护模块,所述过电压保护模块包括彼此反并联连接的两个晶闸管;
变阻器,所述变阻器与所述过电压保护模块连接为串联电路,其中,包括所述变阻器和所述过电压保护模块的串联电路连接在所述中性线和所述多条相线中的所述一条之间;以及
电感器,所述电感器在所述变阻器和所述多条相线中的所述一条的结点处连接至所述变阻器,并且在所述浪涌保护装置和所述多条相线中的所述一条的结点处连接至所述浪涌保护装置。
2.根据权利要求1所述的装置,其中,所述变阻器包括彼此并联连接的多个变阻器。
3.根据权利要求1所述的装置,其中,所述浪涌保护装置配置成通过传导与过电压情况对应的有限量的电流来在所述过电压情况期间保护与其连接的设备。
4.根据权利要求1所述的装置,还包括触发电路,所述触发电路连接至所述中性线和所述多条相线中的所述一条以及所述过电压保护模块,并且配置成响应于检测到跨过所述中性线和所述多条相线中的所述一条的暂态过电压情况而向所述过电压保护模块提供控制信号。
5.根据权利要求4所述的装置,其中,所述触发电路包括:
比较电路,所述比较电路配置成接收电压水平信号和电压参考信号,并且响应于所述电压水平信号超过所述电压参考信号而输出过电压触发信号;以及
门级触发电路,所述门级触发电路配置成响应于由所述过电压保护模块接收的所述过电压触发信号而生成门级触发信号,并且导致所述过电压保护模块传导与所述暂态过电压情况对应的电流。
6.根据权利要求5所述的装置,其中,所述触发电路还包括光学隔离电路,所述光学隔离电路连接在所述比较电路与所述门级触发电路之间,并且配置成在所述比较电路与所述门级触发电路之间提供电隔离。
7.根据权利要求1所述的装置,其中,所述主动能量吸收器还包括缓冲电路,所述缓冲电路与所述过电压保护模块并联连接,其中,所述缓冲电路包括彼此串联连接的电阻器和电容器。
8.根据权利要求1所述的装置,其中,所述主动能量吸收器包括:
触发电路,所述触发电路连接至所述中性线和所述多条相线中的所述一条并且连接至所述两个晶闸管,并且配置成响应于检测到跨过所述中性线和所述多条相线中的所述一条的暂态过电压情况而向所述两个晶闸管提供控制信号。
9.一种提供电力电路保护的方法,所述方法包括:
使用触发电路来感测电力线上的过电压情况;以及
将过电压保护装置切换成传导模式,所述传导模式配置成将所述过电压情况的电压钳位至与所述电力电路的工作电压对应的电压限值,
其中,所述过电压保护装置包括主动能量吸收器,
所述主动能量吸收器联接在中性线和多条相线中的一条之间,并且
所述主动能量吸收器包括:
浪涌保护装置,所述浪涌保护装置连接在所述中性线和所述多条相线中的所述一条之间;
过电压保护模块,所述过电压保护模块包括彼此反并联连接的两个晶闸管;
变阻器,所述变阻器与所述过电压保护模块连接为串联电路,其中,包括所述变阻器和所述过电压保护模块的串联电路连接在所述中性线和所述多条相线中的所述一条之间;以及
电感器,所述电感器在所述变阻器和所述多条相线中的所述一条的结点处连接至所述变阻器,并且在所述浪涌保护装置和所述多条相线中的所述一条的结点处连接至所述浪涌保护装置。
10.根据权利要求9所述的方法,还包括:
在将所述过电压保护装置切换成所述传导模式之后,感测到所述电力线上的所述过电压情况不存在;以及
将所述过电压保护装置切换成非传导模式。
11.根据权利要求10所述的方法,其中,所述电力电路是交流(AC)电力电路,
其中,感测所述过电压情况可与电压波形的第一部分对应,
其中,在将所述过电压保护切换成非传导模式之后,所述方法包括:
使用所述触发电路来感测与所述电压波形的第二部分对应的另一过电压情况;以及
将所述过电压保护装置切换成传导模式,所述传导模式配置成将所述电压钳位至第二部分电压波形电压限值。
12.根据权利要求11所述的方法,其中,在所述电压波形的所述第一部分期间将所述过电压保护装置进行切换包括:将第一晶闸管进行切换,以及
其中,在所述电压波形的第二部分期间将所述过电压保护装置进行切换包括:将第二晶闸管进行切换,所述第二晶闸管与所述第一晶闸管反并联连接。
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