专利名称：具有高速开关的闪弧故障和电弧闪光保护系统的制作方法
技术领域：
本发明通常针对用于电气开关装置的保护设备，且更特别地针对具有用于转移电弧的高速开关的闪弧故障(arcing fault)保护系统。
背景技术：
开关装置外壳通常被使用在配电系统中，用于包围与配电系统相关的断路器和开 关装备。断路器被用来响应于受保护电路中的危险电流过载而中断电功率。除了电流过载，开关装置的外壳也可能会遇到被称为主闪弧故障(primaryarcing fault)的危险情况,主闪弧故障通常由被腐蚀、磨损或老化的配线、连接松动、过载，雷击等导致。特别是在中等电压或高电压的配电系统中，与主闪弧故障相关的电离气体可在压力和温度下被释放，其足以严重损坏或破坏开关装置的装备和/或对操作人员造成严重伤害。除了电离的气体，存在大量释放的入射光能量(流明)，其对人员可能是有害的。这种光能量的释放被称为“电弧闪光”。为了对抗或最小化主闪弧故障的影响，一些当前的开关装置的外壳提供有闪弧故障保护系统，其用来响应于检测到外壳中的闪弧故障，快速地将电气配电系统的源总线短路和/或接地。该类型的闪弧故障保护系统包括机械式开关、固态开关或这两种类型的开关的混合设备，其迅速将源总线上携带的电流转移到低阻抗路径，如此有效地消灭出现在配电系统中的主闪弧故障的电流。低阻抗路径可能是接地短路或三相短路。主闪弧故障保护系统的示例是由Garzon提交的题为“Arcing Fault Protection System ForASwitchgear Enclosure”(“用于开关装置外壳的闪弧故障保护系统”)的美国专利号5933308描述的电弧终结器。在闪弧故障事件期间所造成的损害是可以消灭电弧的速度的函数。上面认同的类型的电弧终结器的一个问题是，操作时间可能相对较慢，例如，约5毫秒。在该时间期间，可能对装备和人员发生潜在的损坏。IEEE 1584示出了使用时间作为一个变量来计算电弧闪光能量的方法。之前的测试，包括结合由 Garzon 提交的题为 “Arcing Fault ProtectionSystem ForA SwitchgearEnclosure"的美国专利号5933308所做的测试，指明了当分流主闪弧故障的时间小于5毫秒时，设备损坏被防止。另一种类型的闪弧故障保护系统使用在烧蚀材料的腔体的相对的端部上具有间隙电极的耐烧蚀等离子枪。该枪将耐烧蚀等离子注入到电极之间的间隙中，足够多地减少间隙阻抗引发电极之间的次电弧，所述次电弧迅速从主闪弧故障吸收能量并激活断路器。这迅速地消灭主闪弧故障并保护电路。此设备在气体中产生了电弧，通过逐渐丧失绝缘性质，电弧限制了设备的寿命，特别是对于高电压应用。在由Asokan等递交的题为“AblativePlasma Gun”(“耐烧蚀等离子枪”)的美国专利申请公开号2008/0253040号中描述了该类型的设备的更详细的解释。通常，使用机械、或电的、或化学的或其他方式，或这些的组合，以在端子之间创建短路电路(低阻抗路径)，以提供被称为消弧(“crowbarring”)的替代的电流传导路径。
虽然刚在上面描述的“电弧消弧”(“arcing crowbar”)设备的操作时间比完全机械式的消弧设备电弧终结器的操作时间相对较快，与该“电弧消弧”设备有关的问题是，其没有包括作为备用的冗余系统。该烧蚀类型的“电弧消弧”设备的另一个问题是，其具有有限的寿命，其中，在每次枪射击时丢失用于设备操作的必要的材料。此外，当必要的材料丢失时，电弧转移路径的阻抗可能随时间与操作的数量而增加。因此，最低阻抗的路径可能会转变回到主闪弧故障的可能性增加，所述主闪弧故障本质上可能导致“电弧消弧”设备损坏。因此，需要的是解决了上述的和其他的问题的、用于闪弧故障保护系统的高速开关。概要在一个实施方案中，用于配电系统的高速电弧终结器包括密封的真空壳体、可控的机械式开关、操作机构、触发导体和高电压源，机械式开关具有包围在壳体内并适于被耦 合到壳体外的配电系统的第一和第二导电接触物。接触物中的至少一个在其中接触物通过真空间隙被分开的打开位置和在其中接触物彼此接合的闭合位置之间是可移动的，以及操作机构被提供用于在打开和闭合位置之间移动至少一个可移动接触物。闪弧故障检测器响应于检测到闪弧故障来产生控制信号，以及操作机构响应于控制信号，用于将至少一个可移动接触物移动到闭合位置。触发导体延伸到壳体中，并当接触物处于打开位置时，具有接近阴性接触物的暴露的端部。高电压源被可控地耦合到触发导体，以响应于检测到闪弧故障，将高电压脉冲供应到触发导体。高电压脉冲在触发导体和阴性接触物之间产生电弧，其有助于在接触物之间的间隙内建立次电弧，以在接触物相互接合之前分流来自主电路中的闪弧故障的、通过该间隙从接触物中的一个到另一个的故障电流。在触发导体的协助下产生由次电弧实现的故障电流的分流，抑制了由闪弧故障所产生的电弧，限制了在高压和/或高温下产生气体，因此保护了开关装置的装备免受损坏以及人员免受伤害。在检测到闪弧故障后的大约500微秒(即O. 5毫秒)内引发次电弧的发生，但在机械式接触物闭合之前，这通常在检测到闪弧故障后的约4. 5毫秒时发生。检测和引发触发电弧及激活线圈以闭合机械式接触物的时间会不同，但不超过O. 5毫秒。如上所述，在可移动接触物朝向固定接触物运动时，次电弧将来自主要的主电路的、通过两个接触物的电流转移。两个接触物彼此接合或接触时，次电弧被消散。在一个实现中，触发导体是延伸穿过固定接触物，并延伸超出固定接触物的朝向相对的可移动接触物的端部表面的配线。可移动接触物的端部表面形成了腔体，在可移动接触物移动到与固定接触物接合期间，所述腔体允许可移动接触物伸缩超过触发导体的暴露的端部。除了在产生次电弧的接触物之间的暴露的尖端以外，触发导体是绝缘的。当通过可移动接触物和固定接触物的接合而闭合真空间隙时，次电弧消散。在另一方面中，终止配电系统中的闪弧故障状态的方法包括检测配电系统中的闪弧故障状态，并响应于检测到闪弧故障，引发在真空瓶中的至少一个接触物的运动，所述真空瓶具有密封的真空壳体和可控的机械式开关，所述机械式开关具有包围在所述壳体中并耦合到所述壳体外部的所述配电系统的第一和第二导电接触物。接触物中的至少一个在接触物由间隙隔开的打开位置和在接触物彼此接合的闭合位置之间是可移动的，以将配电系统中的故障电流转移到低阻抗路径。响应于检测到闪弧故障，在接触物之间的间隙内并在接触物接合之前产生次电弧。在接触物相互接合之前并直到其相互接合，次电弧分流来自配电系统的、穿过间隙、从接触物中的一个到另一个的故障电流。通过参考附图来实现的不同实施方案的详细描述，本发明的其他方面对于那些本领域的普通技术人员将是显而易见的，附图的简要说明被提供在下面。附图的简要说明本发明可通过参考以下结合附图进行的描述被最好地理解。
图1是真空瓶的透视图。图2是图1的真空瓶的侧面截面图，示出了机械式开关的打开位置。图3是图1的真空瓶的放大的侧面截面图，示出了穿过真空间隙的次电弧。图4是图1的真空瓶的侧面截面图，示出了机械式开关的闭合位置。图5是真空瓶的侧面截面图，示出了在机械式开关处于闭合位置时触发导体的替代位置。图6是图5的侧面截面图，机械式开关处于打开位置，并示出了穿过真空间隙的次电弧。图7是包括闪弧故障检测系统和真空瓶的配电系统的电气示意图。示例性实施方案的详细描述虽然本发明将结合某些优选实施方案被描述，将被理解的是，本发明并不限于这些特定的实施方案。相反地，本发明旨在包括可包括在由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围内的所有替换，修改和相等的布置。参照图1，用于电配电系统的真空瓶具有密封的、抽真空的壳体10，以用于包围内部组件，其包括响应于检测到闪弧故障、可被自动关闭以将故障电流转移到低阻抗路径从 而熄灭电弧的机械式开关。壳体10包括通常由绝缘的陶瓷材料制成、气密密封到一对端部盖体12和13的主体11。密封的圆柱形壳体10，在工业中有时被称为“真空瓶”，其被抽真空以建立O.1Pa或更低的真空。如在图2-4中可看出，壳体10内的机械式开关包括固定的导电接触物14，其延伸穿过、并密封到第一端部盖体12，终止于圆筒形主体11的中央区域。该开关还包括可移动的导电接触物15，其延伸穿过、并密封到第二端部盖体13，并且被安装用于沿主体11轴向移动。在可移动接触物15的移动期间，为了保持气密密封，密封件包括柔性波纹管16，其具有密封到端部盖体13的一个端部，以及密封到可移动接触物15的另一个端部。波纹管16可以扩展和收缩，同时保持在波纹管的相对的端部的密封。在其收缩位置，示出在图2和3中，可移动接触物15的内部端部被与不动的接触物14的相对的内部端部由被称为“真空间隙”的空间隔开。这是开关的“打开”状态。当可移动接触物15被移动到其前进位置，示出于4中，内部端部15a与固定接触物14的相对的端部表面14a接合，这是开关的“闭合”状态。示出于图2中(例如，如美国专利号5933308中描述的)的操作机构17，被耦合到壳体10外部的可移动接触物15，以在其打开(收缩)和闭合(前进)位置之间，来回地沿轴向移动可移动接触物15。对于该应用，开关通常是在其打开状态，以及操作机构17被激励，以响应于检测到闪弧故障，使可移动接触物15前进到其闭合位置，以将故障电流转移到低阻抗路径。故障已被清除后，操作机构17被激励以使可移动接触物15缩回到其打开位置，以恢复正常操作。所描述的类型的真空瓶迄今已经使用了很多年，以及在该真空瓶中的开关通常闭合，并因此在闪弧故障发生后小于5毫秒的时间内消灭故障电弧。特别的是，闪弧故障通常是在故障发生后的O. 5毫秒内检测到的，并且操作机构闭合接触物的响应时间约为4. 5毫秒。为了减少消灭电弧所需的时间，固定接触物14配备有触发导体20 (见图2-4)，其有助于在操作机构17已经响应于检测到闪弧故障之前，在壳体10内引发次电弧。该次电弧被产生在固定接触物14和可移动接触物15的相对的表面14a和15a之间的真空间隙内，并具有在机械式接触物14和15相互接合之前和直至其相互接合，分流通过真空间隙的故障电流的一部分的效果。这是与在机械式接触物14、15闭合时，由其形成的分流路径相同的分流路径，但在接触物已经闭合之前，次电弧的立即的分流效果显著地降低了消灭故障电弧需要的时间。在该说明性的设备中，触发导体是配线的形式，但将被理解的是，可以使 用其他形式的导体代替配线。在图2-4中，触发导体20延伸穿过轴向钻穿固定接触物15的轴向孔21，触发导体的远端20a延伸略微超出固定接触物14的端部表面14a,以使触发导体的暴露的端部仅从可移动接触物15的端部表面15a稍微隔开。因此，可以通过将高电压脉冲施加到触发导体20，在触发导体20的端部和表面14a或15a之间产生初始的触发电弧，以及该触发电弧，如由图3中的电弧22所指明的，将引发表面14a和可移动接触物15的相对的表面15a之间的次电弧。触发导体被定位以在其和任一主接触物14a或15a之间产生触发电弧。例如，在图3中的说明性实施方案中，可以通过将高电压脉冲供应到触发导体20来产生有效的次电弧。除了触发导体20的暴露的端部20a以外，触发导体20由绝缘物23所包围，以防止在沿触发导体20的长度的其他位置产生接触或电弧。可移动接触物15的端部与触发导体20的暴露的端部20a相对，这样形成了腔体24，其允许可移动接触物15伸缩超过触发导体20的远端部，直到腔体24周围的环形的端部表面15a与固定接触物14的端部表面14a接合。腔体24具有大于绝缘的触发导体20的直径，以使次电弧被保持，直到两个接触物14、15相互接合。两个接触物14、15接合后，对于故障电流，它们提供与主电弧故障路径相比相对低阻抗的路径，将电弧故障电流转移到该低阻抗的路径，并因此消灭电弧故障。真空瓶的改进的实施方案被示出在图5和6中。在本实施方案中，触发导体30沿径向路径而不是轴向路径，延伸到壳体10中。触发导体的远端端部30a被定位到邻近两个接触物14和15之间的间隙，以使高电压脉冲施加到触发导体30，从而在间隙中产生了期望的次电弧，因此对于图2-4的实施方案产生与上述相同的效果。图5示出了在闭合位置中的接触物14和15，以及图6示出了在打开位置中的接触物14和15。图7是配备有两个真空瓶40和41的三相配电系统的电原理图。来自电力公司的三相线42、43和44通过主电路断路器45被连接到三个主总线46、47和48，其中每个用于一个相位。总线46-48配备有相应的电流互感器49、50和51,其被用作电弧故障检测系统的部分。总线46-48通过如电路断路器52和53的多个馈入电路断路器，连接到多个用于提供功率到不同的负载的馈电电路。所有的断路器45、52和53通常容纳在开关装置外壳中，以及光传感器54、55和56分别位于接近断路器45、52和53的位置，来感测由闪弧故障产生的电弧的发生。由电流互感器49-51中的每个和光传感器54、55和56产生的信号被发送到控制器57，其使用该信号来检测主闪弧故障的发生(例如，当两个信号超过预选的阈值时)。当主闪弧故障被检测到时，控制器57导致信号被发送到(I)产生高电压脉冲的脉冲发生电路59，所述高电压脉冲被提供到触发导体20来产生触发电弧，这有助于形成接触物14和15之间的次电弧，以及(2) “排斥”(“repulsion”)线圈式操作机构(参见美国专利号5933308, Ruben D. Garzon,题为 “Arcing Fault Protection System For ASwitchgearEnclosure" “用于开关装置外壳的闪弧故障保护系统”)，其闭合接触物14和15。在图7的说明性系统中，提供有两个真空瓶40和41，以使故障电流可以从三个主总线46-48的一个分流到其他总线中的一个，因此将故障电流转移到低阻抗路径。真空瓶 40被连接在总线46和47之间，以及真空瓶41被连接在总线47和48之间。这些真空瓶中的接触物的闭合完成了对由主闪弧故障产生的电弧的抑制。通常，电路断路器中的一个或多个也将响应于检测到闪弧故障而跳闸(虽然与真空瓶不一样快)，以使功率不再提供到发生故障的区域中的功率导体，直到跳闸的断路器复位。虽然本发明的特定的实施方案、方面和应用已经示出和描述，应理解的是，本发明并不限于本文所公开的精确结构和组合，以及可在不脱离在所附的权利要求书中所定义的本发明的精神和范围的情况下，不同的修改、改变，和变化从前面的描述中是显而易见的。
权利要求
1.一种用于配电系统的高速电弧终结器，所述电弧终结器包括 密封的、抽真空的壳体， 可控的机械式开关，其具有包围在所述壳体内的第一导电接触物和第二导电接触物，所述第一导电接触物和所述第二导电接触物适于被耦合到所述壳体外的所述配电系统，所述接触物中的至少一个在所述接触物通过间隙被分开的打开位置和所述接触物彼此接合的闭合位置之间是可移动的，以在检测到闪弧故障时将所述配电系统中的故障电流转移到低阻抗路径， 操作机构，其用于在所述打开位置和所述闭合位置之间移动所述至少一个接触物， 触发导体，其延伸到所述壳体中并当所述接触物处于所述打开位置时具有靠近所述接触物之间的所述间隙的暴露的端部，以及 高电压源，其可控地耦合到所述触发导体，以响应于检测到闪弧故障来将高电压脉冲提供到所述触发导体，所述高电压脉冲在所述间隙内产生次电弧，以在所述接触物彼此接合之前分流来自配电系统的、穿过所述间隙，从所述接触物中的一个到另一个的故障电流。
2.如权利要求1所述的高速电弧终结器，其包括 闪弧故障检测器，其响应于所述检测到闪弧故障来产生控制信号，以及 所述操作机构响应于所述控制信号来将至少一个可移动接触物移动到所述闭合位置。
3.如权利要求1所述的高速电弧终结器，其中所述第一接触物和所述第二接触物具有相对的表面，以及所述触发导体延伸穿过所述第一接触物，所述导体的所述端部延伸超出与所述第二接触物相对的所述第一接触物的端部表面。
4.如权利要求1所述的高速电弧终结器，其中除了所述暴露的端部以外，所述触发导体是绝缘的。
5.如权利要求3所述的高速电弧终结器，其中所述第二接触物的所述表面形成腔体，所述腔体允许在至少一个可移动接触物向所述闭合位置移动期间，所述第二接触物伸缩超过所述触发导体的所述暴露的端部。
6.如权利要求1所述的高速电弧终结器，其中所述触发导体通常垂直于至少一个可移动接触物的运动轴线，延伸穿过所述壳体的侧壁。
7.如权利要求1所述的高速电弧终结器，其中所述触发电弧在检测到闪弧故障后的大约0. 5毫秒内由所述高电压脉冲产生。
8.如权利要求1所述的高速电弧终结器，其中所述操作机构和所述可控机械式开关闭合所述接触物的响应时间最大为在检测到闪弧故障后的4. 5毫秒。
9.一种终止配电系统中的闪弧故障的方法，所述方法包括 a)提供具有密封的、抽真空的壳体和可控的机械式开关的真空瓶，所述机械式开关具有包围在所述壳体中并耦合到所述壳体外部的所述配电系统的第一导电接触物和第二导电接触物，所述接触物中的至少一个在所述接触物由间隙隔开的打开位置和所述接触物彼此接合的闭合位置之间是可移动的，以将所述配电系统中的故障电流转移到低阻抗路径，和 b)响应于检测到闪弧故障，检测所述配电系统中的闪弧故障状态， c)在所述间隙内产生电弧，以在所述接触物相互接合之前分流来自所述配电系统的、穿过所述间隙、从所述接触物中的一个到另一个的故障电流。
10.如权利要求9所述的方法，其中通过将高电压脉冲提供到触发导体来产生所述电弧，所述触发导体延伸到所述壳体中，并具有当所述接触物处于所述打开位置时接近所述接触物之间的所述间隙的暴露的端部。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述触发导体除了所述暴露的端部外是绝缘的。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述第一接触物和所述第二接触物具有相对的表面，并且所述触发导体延伸穿过所述第一接触物，所述导体的远端延伸超出与所述第二接触物相对的所述第一接触物的端部表面。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述第二接触物的所述表面形成了腔体，所述腔体允许在所述至少一个可移动接触物向所述闭合位置移动期间，所述第二接触物伸缩超过所述触发导体的所述暴露的端部。
14.如权利要求10所述的方法，其中所述触发导体通常垂直于至少一个可移动接触物的运动轴线，延伸穿过所述壳体的侧壁。
15.如权利要求9所述的方法，其包括在所述接触物彼此接合之后，从检测到所述闪弧故障的线去除电功率。
16.如权利要求9所述的方法，包括响应于所述检测到闪弧故障，产生控制信号，并将所述控制信号提供到操作机构，所述操作机构响应于所述控制信号来将所述至少一个可移动接触物移动到所述闭合位置。
17.如权利要求9所述的方法，其中在所述检测到闪弧故障后的约4.5毫秒时，所述接触物第一次相互接合。
18.如权利要求9所述的方法，其中在所述检测到闪弧故障后的约0.5毫秒时，产生所述触发电弧。
全文摘要
用于配电系统的高速电弧终结器包括密封的真空壳体、可控机械式开关、操作机构和高电压源，机械式开关具有包围在壳体内并适于耦合到壳体外的配电系统的第一和第二导电接触物。触发导体延伸到壳体内，具有当接触物处于打开位置时靠近接触物间的间隙的暴露端部。接触物中的至少一个在其中接触物通过间隙被分开的打开位置和在其中接触物彼此接合的闭合位置之间可移动，操作机构被提供来在打开和闭合位置间移动至少一个接触物。高电压源可控地耦合到触发导体，响应于检测到闪弧故障将高电压脉冲提供到触发导体。高电压脉冲在接触物间的间隙内产生电弧，以在接触物彼此接合之前分流来自配电系统的、穿过间隙、从接触物中的一个到另一个的故障电流。
文档编号H01H79/00GK103026445SQ201180031581
公开日2013年4月3日 申请日期2011年6月10日 优先权日2010年6月29日
发明者埃尔德里奇·R·拜伦, 加里·W·斯科特, 卡尔顿·罗得里格斯, 吉姆·拉姆齐, 菲利普·皮科特 申请人:施耐德电气美国股份有限公司