專利名稱：熔斷器保護系統(tǒng)中的電弧控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文公開的主旨涉及包括變壓器的電力系統(tǒng)中的電弧放電的消除或減少。
背景技術(shù)：
例如輸電網(wǎng)等配電系統(tǒng)可用于例如從上游發(fā)電設(shè)施在區(qū)域上或設(shè)施內(nèi)分配電力，或占用通往一個或多個下游用戶或電力的配電器的點。在這樣的電網(wǎng)內(nèi)的各種點處，電力可在上游位置以較高的電壓提供，但對于下游用戶或配電器以較低電壓提供。例如，可采用變壓器(例如配電或次級變電站變壓器)來將處于配電電壓(例如，llkV-38kV)的電力變換到用電電壓(例如，208V到7kV)。在一些實例中，可能發(fā)生意外的接觸或短路，這可以導致電弧故障電流(例如，空氣放電事件)。例如，在電弧閃光事件中，電弧放電故障可在相母線和另一個母線或中性或接地位點之間發(fā)生。在這樣的電弧閃光事件中，提供的保護裝置可能沒有像期望的那么快跳閘，特別是如果故障在次級較低電壓發(fā)生(其中保護裝置在變壓器的初級側(cè)上)。例如，在變壓器上的故障電流與在變壓器涌流期間觀察到的(即，當裝置加電時由變壓器抽取的初始電流)相似的情況下，在保護裝置跳閘之前可能過去幾秒或幾分鐘。典型地例如熔斷器等在變壓器之前使用的保護裝置選·擇或配置成在這樣的涌流事件期間不跳閘，因為這些事件是正常操作的一部分。因此，不期望的電弧故障電流可能不像期望的那么快停止。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一個實施例，提供電力系統(tǒng)。該電力系統(tǒng)包括處于第一電壓的初級電路。該初級電路包括至少一個電路中斷裝置。該電力系統(tǒng)進一步包括處于第二電壓的次級電路。該第二電壓小于或等于該第一電壓。該電力系統(tǒng)進一步包括配置成將來自該初級電路的電能轉(zhuǎn)移到該次級電路的變壓器。該電力系統(tǒng)進一步包括配置成檢測該次級電路上的故障狀況的控制器裝置和配置成當該控制器裝置檢測到該次級電路上的故障狀況時在該初級電路上產(chǎn)生放電或短路的故障產(chǎn)生裝置。根據(jù)另外的實施例，提供故障保護組件。該故障保護組件包括配置成檢測次級電路上的電弧事件并且響應(yīng)于該電弧事件生成信號的控制器。該故障保護組件進一步包括配置成接收該信號并且響應(yīng)于該信號在初級電路上產(chǎn)生放電或短路的故障產(chǎn)生裝置。該初級電路處于等于或高于該次級電路的電壓。根據(jù)另外的組件，提供用于控制電弧的方法。根據(jù)該方法，在處于第一電壓的次級電路上檢測到電弧閃光。響應(yīng)于該電弧閃光生成信號。響應(yīng)于該信號在初級電路上產(chǎn)生放電或短路。該初級電路處于等于或高于該次級電路的電壓。響應(yīng)于該初級電路上的該放電或短路，停止電能在該初級電路和該次級電路上的流動。


本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)勢當參照附圖(其中類似的符號在整個附圖中代表類似的部件)閱讀下列詳細說明時將變得更好理解，其中:
圖1是根據(jù)本公開的方面的電力系統(tǒng)中的部件的框 圖2是根據(jù)本公開的方面的系統(tǒng)的實施例的部分電路視 圖3是根據(jù)本公開的方面的系統(tǒng)的另外的實施例的部分電路視 圖4是根據(jù)本公開的方面的系統(tǒng)的實施例的實現(xiàn)的視覺表示。
具體實施例方式本發(fā)明的一個或多個特定實施例將在下文描述。為了提供這些實施例的簡潔說明，可不在該說明書中描述實際實現(xiàn)的所有特征。應(yīng)該意識到在任何這樣的實際實現(xiàn)的開發(fā)中，如在任何工程或設(shè)計項目中，必須做出許多實現(xiàn)特定的決定來達到開發(fā)者的特定目標，例如遵守系統(tǒng)相關(guān)和業(yè)務(wù)相關(guān)的約束等(可在實現(xiàn)之間變化)。此外，應(yīng)該意識到這樣的開發(fā)努力可能是復雜并且耗時的，但對于享用本公開的利益的那些普通技術(shù)人員仍將是設(shè)計、制作和制造的例行任務(wù)。當介紹本發(fā)明的各種實施例的要素時，冠詞“一”、“該”和“所述”意在表示存在要素中的一個或多個。術(shù)語“包括”、“包含”和“具有”意為包括性的并且表示可存在除列出的要素外的附加要素。此·外，在下列論述中的任何數(shù)字示例意為非限制性的，并且從而另外的數(shù)值、范圍和百分比在公開的實施例的范圍內(nèi)。在本方式的各種實施例中，第一和第二電力系統(tǒng)由變壓器耦合，該變壓器將來自第一(即，初級)系統(tǒng)(處于較高或相等電壓)的電力傳輸?shù)降诙?即，次級)系統(tǒng)(處于較低或相等電壓)。本公開大體上涉及縮短次級系統(tǒng)中的電弧(或其他)故障事件和初級系統(tǒng)中的流動電流的熔斷器中斷之間的時間。盡管本公開大體上論述次級系統(tǒng)中的故障事件為電弧故障，這樣的論述意在簡化說明并且提供特別的示例。本方式同樣可應(yīng)用于次級系統(tǒng)中的其他類型的故障事件(例如栓接故障(bolted fault)等)，并且應(yīng)該理解為包含并且對可能在次級系統(tǒng)中發(fā)生的各種類型的短路或放電進行保護。如本文論述的，在本方式的某些實現(xiàn)中，可觸發(fā)變壓器的源或較高電壓側(cè)(即，第一或初級側(cè))上的短路或放電以便引發(fā)這樣的熔斷器中斷(即，熔斷器的燒斷)。例如，在一個實施例中低阻抗受控故障在對配電電路饋電的一組熔斷器下被引入。在這樣的實施例中，所得的高故障電流將使變壓器的初級側(cè)上的熔斷器熔化(即，跳閘)，中斷電路。特別地，故障電流可有效地從變壓器的較低電壓側(cè)(即，第二或次級側(cè))上的不受控意外故障轉(zhuǎn)移到變壓器的初級側(cè)上的受控故障，由此滅除意外故障。一旦能量轉(zhuǎn)移到變壓器的初級側(cè)，電流流動具有足夠的大小來使熔斷器快速熔化，由此停止在變壓器的兩側(cè)上的電流流動。在一個這樣的實現(xiàn)中，電弧放電裝置可在變壓器的初級側(cè)上的熔斷器下面提供并且用于將能量從變壓器的次級側(cè)上的意外電弧轉(zhuǎn)移走。如將意識到的，響應(yīng)于在變壓器的次級側(cè)上檢測到電弧放電故障的在變壓器的初級側(cè)上的放電或電弧事件的產(chǎn)生可有效地“扼制”變壓器的次級側(cè)上的電弧故障。特別地，次級系統(tǒng)中的電弧故障可由變壓器的阻抗和由變壓器的對跨初級和次級系統(tǒng)的電壓(如果有的話)的降低有效地滅除。此外，放電或短路停止次級(即，下游)系統(tǒng)中流動的電力，但允許電力繼續(xù)流過變壓器的初級或上游側(cè)上的過電流保護裝置，并且起作用來將該電力流增加到代表初級系統(tǒng)內(nèi)的重大故障的水平，由此使保護裝置跳閘或燒斷，如本文描述的。
記著前述，并且轉(zhuǎn)向圖1，本公開的某些實施例包括具有兩個部分的電力系統(tǒng)10，該兩個部分用于保護跨變壓器12列隊被保護的電力設(shè)備(例如，由熔斷器保護的系統(tǒng))。該變壓器12可以是DY變壓器或任何其他適合的配置，包括I相或3相。在一個實施例中，變壓器12連接、變壓器12的初級側(cè)上的中壓(MV)線路14(例如，17.5kV、13.8kV、llkV或5kV線路)和變壓器12的次級側(cè)上的低壓(LV)線路16 (例如，240V、480V、600V、2.3kV、4.16kV、
6.6kV或I IkV線路)，其處于等于或低于MV線路14的電壓。系統(tǒng)的第一部分是控制器系統(tǒng)20，其檢測和/或確定電弧22是否在變壓器12的次級側(cè)上的一件設(shè)備中存在。該控制器系統(tǒng)20可基于例如電流、光、光和電流、電壓、聲音、壓力或壓力變化等各種類型的可觀察現(xiàn)象24或指示物做出這樣的確定?？刂破?0可以是幾個類型的控制裝置中的一個。例如，控制器20可以是電弧閃光繼電器87B、87T或任何適合的過電流跳閘裝置或中繼器中的一個或多個。例如，在一個實施例中，控制器20可是(或可基于)EntelIiguard TU跳閘單元(可從通用電氣獲得)，其提供選擇性控制、快速超馳控制和/或區(qū)域選擇性。一旦控制器系統(tǒng)20確定電弧22在變壓器12的次級側(cè)上存在，控制器系統(tǒng)20發(fā)送信號給上游裝置(在本示例中，描繪為放電/短路裝置26)來在變壓器12的初級側(cè)上形成電短路。該電短路(低阻抗故障)可通過使用機械撬棒、由自動開關(guān)閉合的電力設(shè)備短路、電弧封閉裝置或由多種手段形成低阻抗故障或其他適合的方式來形成。在一個實施例中，放電/短路裝置26在內(nèi)部電極之間產(chǎn)生短路，在它自身·內(nèi)引起電弧，由于電力被轉(zhuǎn)向變壓器12的初級側(cè)上新的有意產(chǎn)生的電弧事件而使變壓器12的次級側(cè)上的電弧快速滅除。由放電/短路裝置26形成的所得短路加速變壓器12的初級側(cè)上的保護裝置28的實現(xiàn)或行動，例如保護系統(tǒng)10的熔斷器的燒斷等，由此限制最大電流流動。實際上，公開的方式響應(yīng)于變壓器12的次級側(cè)(例如，LV側(cè))上的電弧事件或意外放電而起作用來在變壓器12的初級側(cè)(例如，MV側(cè))上形成對應(yīng)事件(即，將故障事件“轉(zhuǎn)移”到變壓器12的初級側(cè))，使初級側(cè)上的電流限制保護28起作用并且由此限制電流的流動和中斷放電事件。盡管熔斷開關(guān)的熔斷器是適合根據(jù)本公開使用的保護裝置28的一個可能的實施例，該保護裝置28可是任何適合的電路保護裝置。例如，保護裝置28可備選地是斷路器。在這樣的實現(xiàn)中，放電/短路裝置26將配置成提供足夠的耐受能力來承載電流直到在斷路器處接收到跳閘命令(例如從斷路器的內(nèi)部感測機構(gòu)或從控制器20等)。另外的耐受能力適應(yīng)對于斷路器接收信號、對信號做出反應(yīng)并且中斷電流流動要求的額外時間。這樣的另外耐受能力可增加裝置26的尺寸、復雜性和/或成本，但可能也適合于在更寬范圍的應(yīng)用中使用。從而，保護裝置28的選擇和/或配置可取決于特別的應(yīng)用或其他系統(tǒng)特定因素。轉(zhuǎn)向圖2，描繪一個這樣的實現(xiàn)的部分電路視圖。盡管圖2大體上采用單線形式描繪相應(yīng)的連接來簡化說明和描繪，應(yīng)該意識到描繪的電路可應(yīng)用于三相(如在圖3中示出的)以及單相電力實現(xiàn)。在該示例中，控制器檢測放電或電弧22并且生成信號32給例如MV電弧拱頂(AV) 34等放電/短路裝置26，其起作用來在功能上將故障從變壓器21的次級側(cè)轉(zhuǎn)移到初級側(cè)(例如通過在變壓器12和熔斷器38(在圖2中示為熔斷式開關(guān)組件的一部分)之間的初級側(cè)上產(chǎn)生對應(yīng)的放電36等)。在變壓器的初級側(cè)上的故障導致熔斷器38 (與開關(guān)組件50 —起示出)比熔斷器38將由變壓器12的次級側(cè)上的放電22燒斷更快地燒斷。熔斷器38從而起作用來限制MV AV34中的初級電弧放電能量。
在圖3中提供更清楚地描繪三相實施例和另外的感測部件的另外的實現(xiàn)。在描繪的實施例中，在變壓器12的初級側(cè)上描繪電力的通用源40。如將意識到的，該源40可處于高于或等于變壓器12的另一側(cè)上的次級電壓的任何電壓。在某些實現(xiàn)中，當電弧放電故障在熔斷器38和變壓器12之間發(fā)生時該源40傳送足夠的故障電流來使熔斷器38快速燒斷。關(guān)于根據(jù)本公開的電弧限制操作的定時，在一個實施例中估計可在近似8ms或更短時間(例如，在2ms-4ms之間)中完成封閉并且消除LV側(cè)上的電弧閃光。估計電流將在變壓器12的次級側(cè)上的閃光電弧的近似I個循環(huán)內(nèi)(例如，在 3/4循環(huán)內(nèi))在變壓器12的初級側(cè)上停止(即，熔斷器38將燒斷)?？刂破?0可以是任何適合的控制和/或檢測技術(shù)，并且在某些實施例中可從一個或多個傳感器44接收和處理信號。例如，傳感器44可響應(yīng)于光、電流、電壓、壓力、噪音或其他可觀察到的現(xiàn)象中的一個或多個生成信號并且可將這些信號傳輸?shù)娇刂破?0供處理或監(jiān)測。在描繪的示例中，控制器與例如極化電容器46等某個類型的放電/短路部件26通信，該部件能夠在變壓器12和熔斷器38和上游開關(guān)50之間引起放電事件36。在描繪的示例中，放電事件與放電/短路裝置26 (例如具有O阻抗的機械撬棒或電弧發(fā)生裝置等)結(jié)合產(chǎn)生，放電/短路裝置26當激活時能夠在變壓器12的初級側(cè)上引起熔斷器燒斷事件。放電系統(tǒng)26可安裝在熔斷式開關(guān)外殼外(并且經(jīng)由例如電纜、總線或電纜和總線的組合等適合的電導體連接)，或可安裝在熔斷式開關(guān)外殼內(nèi)。
·
轉(zhuǎn)向圖4，在一個實施例中，放電/短路裝置26可提供為等離子體觸發(fā)器或槍60，其中電容器儲能裝置46將能量釋放進入與等離子體槍關(guān)聯(lián)的電極62來形成由等離子體幾何結(jié)構(gòu)引導的電弧，并且將材料釋放進入熔斷器38下游的主電極62組之間的空間，由此破壞空氣的介電性質(zhì)并且在變壓器12的初級側(cè)上產(chǎn)生電弧事件。例如，在一個這樣的實施例中，等離子體觸發(fā)器或槍60破壞提供在熔斷器38下游的電極62之間的空氣的介電(絕緣)性質(zhì)。在這樣的實施例中，電極62處于系統(tǒng)電勢(S卩，處于全系統(tǒng)電壓)。因此，當空氣的絕緣性質(zhì)由等離子體槍60破壞時，電極62開始通過電離的空氣傳導，進一步破壞它的絕緣性質(zhì)并且級聯(lián)成全爆炸電弧。一旦主電極62開始傳導,等離子體槍60不再需要操作，因此它的輸出脈沖具有非常短的持續(xù)時間(例如，微秒至十分之幾毫秒)。如將意識到的，電極62之間的適合距離的范圍可取決于系統(tǒng)的其他參數(shù)、例如在變壓器12的初級側(cè)上的電壓水平等變化，其中更大的電極間距典型地與更高的系統(tǒng)電壓水平關(guān)聯(lián)。同樣地，系統(tǒng)期望的“基本絕緣水平”越大，電極62之間的間隙將典型地更大。該書面說明使用示例來公開本發(fā)明，其包括最佳模式，并且還使本領(lǐng)域內(nèi)任何技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，其包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)并且進行任何包含的方法。本發(fā)明的專利范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員想到的其他示例。這樣的其他示例如果它們具有不與權(quán)利要求的書面語言不同的結(jié)構(gòu)要素，或者如果它們包括與權(quán)利要求的書面語言無實質(zhì)區(qū)別的結(jié)構(gòu)要素則規(guī)定在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電力系統(tǒng)，其包括: 處于第一電壓的初級電路，其中所述初級電路包括至少一個電路中斷裝置； 處于第二電壓的次級電路，其中所述第二電壓小于或等于所述第一電壓； 變壓器，配置成將來自所述初級電路的電能轉(zhuǎn)移到所述次級電路； 控制器裝置，配置成檢測所述次級電路上的故障狀況； 故障產(chǎn)生裝置，配置成當所述控制器裝置檢測到所述次級電路上的所述故障狀況時在所述初級電路上產(chǎn)生放電或短路。
2.如權(quán)利要求1所述的電力系統(tǒng)，其中所述第一電壓在大約5kV至大約38kV之間。
3.如權(quán)利要求1所述的電力系統(tǒng)，其中所述第二電壓在大約208V至大約7kV之間。
4.如權(quán)利要求1所述 的電力系統(tǒng)，包括與所述控制器裝置通信的一個或多個傳感器，其中所述一個或多個傳感器配置成檢測電流、電壓、光、壓力或聲音中的至少一個。
5.如權(quán)利要求1所述的電力系統(tǒng)，其中所述故障狀況包括電弧閃光或栓接故障。
6.如權(quán)利要求1所述的電力系統(tǒng)，其中所述故障產(chǎn)生裝置包括等離子體槍組件，其配置成在所述變壓器和所述至少一個電路中斷裝置之間的多個電極之間產(chǎn)生電弧。
7.如權(quán)利要求1所述的電力系統(tǒng)，其中所述放電或短路在所述變壓器和所述至少一個電路中斷裝置之間產(chǎn)生。
8.如權(quán)利要求1所述的電力系統(tǒng)，其中至少一個電路中斷裝置包括熔斷器或包括熔斷器和開關(guān)的組件。
9.如權(quán)利要求1所述的電力系統(tǒng)，其中所述第一電壓是中壓并且所述第二電壓是低壓。
10.如權(quán)利要求1所述的電力系統(tǒng)，其中所述至少一個電路中斷裝置配置成當所述故障產(chǎn)生裝置在所述初級電路上產(chǎn)生放電或短路時停止電能在所述初級電路上的流動。
11.一種故障保護組件，其包括: 控制器，配置成檢測次級電路上的電弧事件并且響應(yīng)于所述電弧事件生成信號；故障產(chǎn)生裝置，配置成接收所述信號并且響應(yīng)于所述信號在初級電路上產(chǎn)生放電或短路，其中所述初級電路處于等于或高于所述次級電路的電壓。
12.如權(quán)利要求11所述的故障保護組件，包括電路中斷裝置，其配置成響應(yīng)于所述初級電路上的所述放電或短路而停止電能在所述初級電路和所述次級電路上的流動。
13.如權(quán)利要求11所述的故障保護組件，包括與所述控制器通信的一個或多個傳感器，其中所述一個或多個傳感器配置成檢測電流、電壓、光、壓力或聲音中的至少一個。
14.如權(quán)利要求11所述的故障保護組件，其中所述故障產(chǎn)生裝置在所述初級電路上的至少一個電路中斷裝置和所述次級電路與所述初級電路之間的變壓器之間產(chǎn)生第二電弧事件。
15.如權(quán)利要求11所述的故障保護組件，其中所述故障產(chǎn)生裝置包括等離子體槍組件。
16.—種用于控制電弧的方法,其包括: 在次級電路上檢測電弧閃光； 響應(yīng)于所述電弧閃光生成信號； 響應(yīng)于所述信號在初級電路上產(chǎn)生放電或短路，其中所述初級電路處于等于或高于所述次級電路的電壓；以及 響應(yīng)于所述初級電路上的所述放電或短路，停止電能在所述次級電路上的流動。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述放電或短路在所述初級電路上的至少一個電路中斷裝置和連接所述次級電路和所述初級電路的變壓器之間發(fā)生。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其中檢測所述電弧閃光包括檢測與所述電弧閃光關(guān)聯(lián)的光、電流、電壓、聲音或壓力中的一個或多個。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，其中產(chǎn)生所述放電或短路包括在所述初級電路上產(chǎn)生電弧事件。
20.如權(quán)利要求16所述的方法，其中停止電能在所述初級電路和所述次級電路上的流動包括響應(yīng)于所述放電或短路使 至少一個熔斷器燒斷。
全文摘要
本發(fā)明涉及熔斷器保護系統(tǒng)中的電弧控制。公開電弧控制組件。根據(jù)本發(fā)明的某些方面，提供控制器，其檢測變壓器的次級側(cè)上故障狀況的存在。當檢測到這樣的故障狀況時，該控制器使該變壓器的初級側(cè)上產(chǎn)生放電或短路狀況。
文檔編號H02H9/02GK103227461SQ20131003763
公開日2013年7月31日 申請日期2013年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月31日
發(fā)明者A.桑加韋盧, M.E.瓦爾德斯, G.W.羅斯克 申請人:通用電氣公司