JP2013158236A - ヒューズ保護システム内のアーク制御 - Google Patents

Abstract

【課題】アーク制御組立品を提供すること。
【解決手段】本開示の特定の態様によれば、変圧器の二次側での故障状態の存在を検出するコントローラが提供される。このような故障状態を検出すると、コントローラは、放電または短絡状態を変圧器の一次側に生じさせる。
【選択図】図３

Description

本明細書で開示される主題は、変圧器を含む電気システムでのアーク発生の解消または低減に関する。

電気グリッドなど配電システムは、上流の発電設備または取り出し点から、１つまたは複数の下流のユーザまたは電気のディストリビュータへなど、電力をある領域全体にまたは施設内で分配するために使用することができる。このようなグリッド内の種々の点では、電気は、上流の場所ではより高い電圧で、しかし、下流のユーザまたはディストリビュータにはより低い電圧で供給することができる。例えば、（配電変電所または二次変電所の変圧器など）変圧器を用いて、配電電圧（例えば、１１ｋＶ〜３８ｋＶ）の電力を利用電圧（例えば、２０８Ｖ〜７ｋＶ）に変圧することができる。

場合によっては、アーク故障電流（例えば、空中放電イベント）を引き起こす可能性がある偶発的な接触または短絡が生じるおそれがある。例えば、アークフラッシュイベントでは、アーク発生故障が、相バスバーと他のバスバー、あるいは中性または接地場所との間に生じる可能性がある。このようなアークフラッシュイベントでは、特に、保護装置が変圧器の一次側にある場合で、故障が二次のより低い電圧で生じる場合は、設けられた保護装置は、要求されるほど迅速にはトリップしない可能性がある。例えば、変圧器の上方の故障電流が、変圧器突入中に観察されるもの（すなわち、装置の電源投入時に変圧器によって引き出される初期電流）と類似している状況では、保護装置がトリップする前に数秒または数分が経過する可能性がある。突入イベントは通常動作の一部であるため、一般に、ヒューズなど変圧器の前方で使用される保護装置は、これらのイベント中にトリップしないように選択または構成される。その結果、望ましくないアーク故障電流は、望まれるほど迅速には停止されない可能性がある。

一実施形態によれば、電気システムが提供される。電気システムは、第１の電圧の一次回路を備える。一次回路は、少なくとも１つの回路遮断装置を備える。電気システムは、第２の電圧の二次回路をさらに備える。第２の電圧は、第１の電圧以下である。電気システムは、一次回路から二次回路へ電気エネルギーを伝達するように構成された変圧器をさらに備える。電気システムは、二次回路での故障状態を検出するように構成されたコントローラ装置と、コントローラ装置が二次回路での故障状態を検出した場合、一次回路で放電または短絡を発生するように構成された故障発生装置とをさらに備える。

他の実施形態によれば、故障保護組立品が提供される。故障保護組立品は、二次回路でのアークイベントを検出し、アークイベントに応答して信号を発生するように構成されたコントローラを備える。故障保護組立品は、信号を受信し、信号に応答して一次回路で放電または短絡を発生させるように構成された故障発生装置をさらに備える。一次回路は、二次回路以上の電圧にある。

追加の組立品によれば、電気アークを制御する方法が提供される。この方法によれば、アークフラッシュが、第１の電圧において二次回路で検出される。信号はアークフラッシュに応答して発生される。放電または短絡は、信号に応答して一次回路で発生される。一次回路は、二次回路以上の電圧にある。電気エネルギーの流れは、一次回路での放電または短絡に応答して、一次回路および二次回路で停止される。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、以下の詳細な説明が添付図面を参照して読まれた場合、よりよく理解されるであろう。添付図面を通じて、同様の符号は同様の部分を表す。

本開示の態様による電気システム内の構成要素のブロック図である。 本開示の態様によるシステムの一実施形態の部分的な回路図である。 本開示の態様によるシステムの他の実施形態の部分的な回路図である。 本開示の態様によるシステムの一実施形態の実施の視覚的表現である。

本発明の１つまたは複数の特定の実施形態が以下に説明される。これらの実施形態の簡潔な説明を与えるために、実際の実装のすべての特徴が、明細書に記載されない場合がある。任意のこのような実際の実装の開発では、任意のエンジニアリングまたは設計プロジェクトでのように、実装ごとに変化する場合があるシステム関連の制約およびビジネス関連の制約の遵守など開発者の特定の目標を達成するために、多数の実装固有の決定がなされなければならないことを理解されたい。さらに、このような開発努力は複雑で時間がかかる可能性があるが、それにもかかわらず、この開示の利益を有する当業者の設計、製作、および製造の日常的な仕事であることを理解されたい。

本発明の種々の実施形態の要素を導入する場合、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」および「ｓａｉｄ」は、１つまたは複数の要素が存在することを意味することを意図している。用語「備える」、「含む」および「有する」は、包括的であり、列挙されている要素以外の追加の要素が存在してもよいことを意味することを意図している。さらに、以下の考察での任意の数値例は、非限定的であることを意図しており、したがって、追加の数値、範囲、およびパーセンテージは、開示される実施形態の範囲内である。

本手法の種々の実施形態では、第１の電気システムおよび第２の電気システムは、（より高い電圧または等しい電圧の）第１の（すなわち一次）システムから（より低い電圧または等しい電圧の）第２の（すなわち二次）システムへ電力を伝達する変圧器によって結合される。本開示は、全体として、二次システムでのアーク（または他の）故障イベントと、一次システム内の流れる電流のヒューズ遮断との間の時間を短縮することに関する。本開示は、全体として、二次システムでの故障イベントをアーク故障であるものとして論じるが、このような考察は、説明を単純化し、特定の例を提供することを意図している。本手法は、二次システムでの（ボルテッド（ｂｏｌｔｅｄ）故障など）他のタイプの故障イベントに等しく適用可能であり、二次システムで生じる可能性がある種々のタイプの短絡または放電を含み、これらを防ぐものとして理解されたい。

本明細書で論じるように、本手法の特定の実装では、変圧器のソースまたはより高い電圧の側（すなわち、第１のまたは一次側）での短絡または放電を、このようなヒューズ遮断（すなわち、ヒューズ切れ）を引き起こすために発動させることができる。例えば、一実施形態では、低インピーダンスに制御される故障が、電力分配回路に給電する一組のヒューズの下方に導入される。このような実施形態では、結果として生じる大きい故障電流が、変圧器の一次側のヒューズを溶かし（トリップし）、回路を遮断する。具体的には、故障電流は、変圧器のより低い電圧の側（すなわち、第２のまたは二次側）での制御されない偶発的な故障から、変圧器の一次側での制御された故障へ効果的に伝達され、それによって偶発的な故障を取り除く。エネルギーが変圧器の一次側に伝達されると、電流は、ヒューズを迅速に溶かすのに十分な大きさとなり、これによって、変圧器の両方の側での電流を停止させる。このような一実装では、アーク発生装置が、変圧器の一次側でヒューズの下方に設けられてもよく、エネルギーを、変圧器の二次側での偶発的なアークから離れて伝達させるために使用されてもよい。

理解されるように、変圧器の二次側で検出されているアーク発生故障に応じた変圧器の一次側での放電またはアークイベントの発生は、変圧器の二次側でのアーク故障を効果的に「抑制する（ｔｈｒｏｔｔｌｅ）」ことができる。具体的には、二次システムでのアーク故障を、変圧器のインピーダンスによって、また一次システムおよび二次システムを跨いでの変圧器の電圧の低下（もしあれば）によって、効果的に取り除くことができる。さらに、放電または短絡は、二次（すなわち、下流）システムに流れる電力を停止させるが、変圧器の一次すなわち上流側の過電流保護装置に電力を流し続けることができ、その電力流を一次システム内の重大な故障を表すレベルに増加させるように作用し、それによって、本明細書に記載のように、保護装置をトリップするまたは切る（ｂｌｏｗｉｎｇ）。

前述を考慮に入れ、図１に移ると、本開示の特定の実施形態は、変圧器１２（例えば、ヒューズによって保護されるシステム）を跨いで保護される電気機器のラインアップを保護するために使用される２つの部分を有する電気システム１０で構成される。変圧器１２は、単相または三相を含む、ＤＹ変圧器、あるいは任意の他の適切な構成とすることができる。一実施形態では、変圧器１２は、変圧器１２の一次側の中電圧（ＭＶ）線１４（例えば、１７．５ｋＶ、１３．８ｋＶ、１１ｋＶ、または５ｋＶ線）と、ＭＶ線１４以下の電圧の、変圧器１２の二次側の低電圧（ＬＶ）線１６（例えば、２４０Ｖ、４８０Ｖ、６００Ｖ、２．３ｋＶ、４．１６ｋＶ、６．６ｋＶ、または１１ｋＶ線）とを接続する。システムの第１の部分は、電気アーク２２が変圧器１２の二次側の機器の一部に存在するかどうかを検出および／または決定するコントローラシステム２０である。コントローラシステム２０は、このような決定を、電流、光、光および電流、電圧、音、圧力または圧力変化、等など、種々のタイプの観察可能な現象２４または指標に基づいて行うことができる。

コントローラ２０は、いくつかのタイプの制御装置のうちの１つであってもよい。例えば、コントローラ２０は、１つまたは複数のアークフラッシュリレー、８７Ｂ、８７Ｔ、あるいは、任意の適切な過電流トリップまたはリレーであってもよい。例えば、一実施形態では、コントローラ２０は、選択的制御、迅速なオーバライド制御、および／または、ゾーン選択性を提供する（ゼネラルエレクトリックから利用可能な）Ｅｎｔｅｌｌｉｇｕａｒｄ（登録商標）ＴＵトリップユニットであってもよい（またはこれに基づいてもよい）。

コントローラシステム２０が、電気アーク２２が変圧器１２の二次側に存在すると決定すると、コントローラシステム２０は、変圧器１２の一次側に電気的短絡を形成するために、信号を（本例では、放電／短絡装置２６として示す）上流の装置に送信する。電気的短絡（低インピーダンス故障）は、機械的クロウバー（ｃｒｏｗｂａｒ）、自動スイッチによって閉じる電気機器短絡、アーク封じ込め装置の使用によって、または、種々の手段による低インピーダンス故障の形成によって、あるいは、他の適切な手法によって形成することができる。一実施形態では、放電／短絡装置２６は、内部電極間の短絡を発生し、それ自身の内部にアークを開始し、変圧器１２の二次側のアークを、変圧器１２の一次側での新たな意図的に発生されるアークイベントに転換される電力によって、迅速に取り除く。

放電／短絡装置２６によって形成される結果として生じる短絡は、それによって最大電流を制限するシステム１０を保護するヒューズのヒューズ切れなど、変圧器１２の一次側での保護装置２８の実施または作動を加速する。実際には、開示される手法は、変圧器１２の二次側（例えば、ＬＶ側）でのアークイベントまたは偶発的な放電に応答して作用し、変圧器１２の一次側（例えば、ＭＶ側）に対応するイベントを形成し（すなわち、故障イベントを変圧器１２の一次側に「伝達」し）、一次側の電流制限保護２８を作用させ、それによって、電流を制限し、放電イベントを中断させる。

ヒューズ付きスイッチのヒューズは、本開示にしたがって使用するのに適した保護装置２８の１つの可能な実施形態であるが、保護装置２８は、任意の適切な回路保護装置であってもよい。例えば、保護装置２８は、代わりに、回路遮断器であってもよい。このような実装では、放電／短絡装置２６は、トリップさせるために（回路遮断器の内部感知機構から、またはコントローラ２０からなど）命令が回路遮断器で受信されるまで電流を流すのに十分な耐量を提供するように構成される。追加の耐量は、信号を受信し、信号に反応し、電流を遮断するために回路遮断器に必要な余分な時間に対処する。このような追加の耐量は、装置２６の大きさ、複雑さ、および／または、費用を増加させる可能性があるが、より広い範囲の用途での使用にも適している可能性がある。したがって、保護装置２８の選択および／または構成は、特定の用途または他のシステム固有の要因に依存する可能性がある。

図２に移ると、このような一実装の部分的な回路図が示されている。図２は、全体として、説明および描写を単純化するために、単線の形態で個々の接続を示しているが、示されている回路は、単相電源の実装と同様に、（図３に示すような）三相にも適用可能であってもよいことを理解されたい。この例では、コントローラは、放電またはアーク２２を検出し、ＭＶアークボルト（Ｖａｕｌｔ）（ＡＶ）３４など放電／短絡装置２６への信号３２を発生し、放電／短絡装置２６は、変圧器１２と（図２ではヒューズ付きスイッチ組立品の一部として示す）ヒューズ３８との間で、対応する放電３６を一次側に発生させること等によって、故障を変圧器１２の二次側から一次側に機能的に伝達するように作用する。変圧器の一次側での故障により、（スイッチ組立品５０とともに示す）ヒューズ３８が変圧器１２の二次側での放電２２によって切れるよりも速く切れることになる。ヒューズ３８は、このように、ＭＶ ＡＶ３４の一次アーク発生エネルギーを制限するように作用する。

三相の実施形態および追加の感知構成要素をより明確に示す他の実装を図３に示す。図示した実施形態では、一般的な電源４０が、変圧器１２の一次側に描かれている。理解されるように、電源４０は、変圧器１２の他の側での二次電圧より高い、またはこれに等しい任意の電圧であってもよい。特定の実装では、電源４０は、アーク発生故障がヒューズ３８と変圧器１２との間に発生する場合、ヒューズ３８を迅速に切るのに十分な故障電流を流す。本開示によるアーク制限動作のタイミングについては、一実施形態では、約８ミリ秒以下（例えば、２ミリ秒と４ミリ秒との間）で、封じ込めを完了することができ、ＬＶ側でのアークフラッシュが解消されると推定される。電流は、変圧器１２の二次側でのフラッシュアークの約１サイクル（例えば、〜３／４サイクル以内）で、変圧器１２の一次側で停止する（すなわち、ヒューズ３８が切れる）であろうと推定される。

コントローラ２０は、任意の適切な制御および／または検出技術であってもよく、特定の実施形態では、１つまたは複数のセンサ４４からの信号を受信および処理してもよい。例えば、センサ４４は、光、電流、電圧、圧力、ノイズ、または他の観測可能な現象の１つまたは複数に応答して信号を発生することができ、これらの信号を、処理または監視するためのコントローラ２０に送信することができる。

図示した例では、コントローラは、変圧器１２とヒューズ３８および上流スイッチ５０との間に放電イベント３６を引き起こすことができる有極性キャパシタ４６などあるタイプの放電／短絡構成要素２６と通信する。図示した例では、放電イベントは、活性化すると変圧器１２の一次側でヒューズ切れイベントを引き起こすことができる（０インピーダンスを有する機械的クロウバー、またはアーク発生装置など）放電／短絡装置２６とともに発生される。放電システム２６は、ヒューズ付きスイッチ筐体の外部に取り付けられ（かつ、ケーブル、バス、またはケーブルおよびバスの組合せなど適切な導電体を介して接続され）てもよく、あるいは、ヒューズ付きスイッチ筐体の内部に取り付けられてもよい。

図４に移ると、一実施形態では、放電／短絡装置２６は、プラズマトリガまたは銃６０として設けられてもよく、プラズマトリガまたは銃６０では、キャパシタ蓄積エネルギー装置４６が、アークを形成するために、プラズマ銃に関連付けられた電極６２内にエネルギーをダンプし、アークは、プラズマのジオメトリおよび材料によって、ヒューズ３８の下流にある主電極６２の組の間の空間内に導かれ、それによって、空気の誘電特性を破壊し、変圧器１２の一次側でアークイベントを発生する。例えば、このような一実施形態では、プラズマトリガまたは銃６０は、ヒューズ３８の下流に設けられた電極６２間の空気の誘電（絶縁）特性を破壊する。このような一実施形態では、電極６２は、システム電位（すなわち、全システム電圧）である。したがって、空気の絶縁特性がプラズマ銃６０によって破壊されると、電極６２は、イオン化された空気を通って導通し始め、さらに、その絶縁特性を破壊し、完全に膨らんだ電気アークにカスケーディングする。主電極６２が導通を開始すると、プラズマ銃６０はもはや動作する必要がなく、したがって、その出力パルスはきわめて短い期間（例えば、数マイクロ秒から１０分の数ミリ秒）のものである。理解されるように、電極６２間の適切な距離の範囲は、変圧器１２の一次側での電圧レベルなど、システムの他のパラメータに応答して変化する可能性があり、より大きい電極間隔は、典型的にはより高いシステム電圧レベルに関連付けられる。同様に、システムに望まれる「基本絶縁レベル」がより大きくなると、典型的には電極６２間の間隙はより大きくなる。

本書は、最良の形態を含めて本発明を開示するために、また任意の装置またはシステムを製作および使用すること、および取り入れられている任意の方法を実行することを含めて当業者が本発明を実施できるようにするために、例を使用している。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到する他の例を含むことができる。このような他の例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合、または、それらが特許請求の範囲の文言と実質的に異ならない等価な構造要素を含んでいる場合、特許請求の範囲の範囲内に入るものとする。

１０ 電気システム
１２ 変圧器
１４ 中電圧線
１６ 低電圧線
２０ コントローラシステム
２２ 電気アーク
２４ 観察可能な現象
２６ 放電／短絡装置
２８ 保護装置
３２ 信号
３４ ＭＶアークボルト
３６ 放電
３８ ヒューズ
４０ 電源
４４ センサ
４６ 有極性キャパシタ
５０ スイッチ組立品
６０ プラズマトリガまたは銃
６２ 電極

Claims (20)

1. 少なくとも１つの回路遮断装置を備える第１の電圧の一次回路と、
   前記第１の電圧以下の第２の電圧の二次回路と、
   電気エネルギーを前記一次回路から前記二次回路へ伝達するように構成された変圧器と、
   前記二次回路での故障状態を検出するように構成されたコントローラ装置と、
   前記コントローラ装置が前記二次回路での故障状態を検出すると、前記一次回路で放電または短絡を発生するように構成された故障発生装置とを備える電気システム。
2. 前記第１の電圧が約５ｋＶと約３８ｋＶとの間である、請求項１記載の電気システム。
3. 前記第２の電圧が約２０８Ｖと約７ｋＶとの間である、請求項１記載の電気システム。
4. 前記コントローラ装置と通信する１つまたは複数のセンサを備え、前記１つまたは複数のセンサが、電流、電圧、光、圧力、または音のうち少なくとも１つを検出するように構成されている、請求項１記載の電気システム。
5. 前記故障状態がアークフラッシュまたはボルテッド故障を含む、請求項１記載の電気システム。
6. 前記故障発生装置が、前記変圧器と前記少なくとも１つの回路遮断装置との間の複数の電極間に電気アークを発生するように構成されたプラズマ銃組立品を備える、請求項１記載の電気システム。
7. 前記放電または短絡が、前記変圧器と前記少なくとも１つの回路遮断装置との間に発生される、請求項１記載の電気システム。
8. 少なくとも１つの回路遮断装置が、ヒューズ、あるいは、ヒューズおよびスイッチを備える組立品を備える、請求項１記載の電気システム。
9. 前記第１の電圧が中電圧であり、前記第２の電圧が低電圧である、請求項１記載の電気システム。
10. 前記少なくとも１つの回路遮断装置が、前記故障発生装置が前記一次回路で放電または短絡を発生すると、前記一次回路での電気エネルギーの流れを停止させるように構成されている、請求項１記載の電気システム。
11. 二次回路でのアークイベントを検出し、前記アークイベントに応答して信号を発生するように構成されたコントローラと、
    前記信号を受信し、前記信号に応答して一次回路で放電または短絡を発生するように構成された故障発生装置とを備え、前記一次回路が前記二次回路以上の電圧にある、故障保護組立品。
12. 前記一次回路での前記放電または短絡に応答して前記一次回路および前記二次回路での電気エネルギーの流れを停止させるように構成された回路遮断装置を備える、請求項１１記載の故障保護組立品。
13. 前記コントローラと通信する１つまたは複数のセンサを備え、前記１つまたは複数のセンサが、電流、電圧、光、圧力、または音のうち少なくとも１つを検出するように構成されている、請求項１１記載の故障保護組立品。
14. 前記故障発生装置が、前記一次回路上の少なくとも１つの回路遮断装置と、前記二次回路および前記一次回路間の変圧器との間で、第２のアークイベントを発生する、請求項１１記載の故障保護組立品。
15. 前記故障発生装置がプラズマ銃組立品を備える、請求項１１記載の故障保護組立品。
16. 電気アークを制御する方法であって、
    二次回路でのアークフラッシュを検出するステップと、
    前記アークフラッシュに応答して信号を発生するステップと、
    前記信号に応答して、前記二次回路以上の電圧にある一次回路で放電または短絡を発生するステップと、
    前記一次回路での前記放電または短絡に応答して、前記二次回路での電気エネルギーの流れを停止させるステップとを備える、方法。
17. 前記放電または短絡が、前記一次回路上の少なくとも１つの回路遮断装置と、前記二次回路および前記一次回路を接続する変圧器との間で生じる、請求項１６記載の方法。
18. 前記アークフラッシュを検出するステップが、前記アークフラッシュに関連する光、電流、電圧、音、または圧力のうち１つまたは複数を検出するステップを備える、請求項１６記載の方法。
19. 前記放電または短絡を発生するステップが、前記一次回路でアークイベントを発生するステップを備える、請求項１６記載の方法。
20. 前記一次回路および前記二次回路での電気エネルギーの流れを停止させるステップが、前記放電または短絡に応答して少なくとも１つのヒューズを切るステップを備える、請求項１６記載の方法。