控制开关装置及使用其的方法与流程

本申请要求2013年12月8日提交给美国专利商标局的申请号分别为61/913351、61/913362，名称均为“控制开关装置及使用其的方法”的美国专利申请的优先权权益。

技术领域

本发明属于电子工程领域。本发明特别涉及一种用于减少商业和工业电力系统中电弧闪光发生和限制其浪涌电流的装置和方法。更具体地说，本发明涉及控制开关装置(CSDs)及使用其的方法。此外，本发明允许增加设施的电容量。

背景技术：

在大型工业及商业楼宇中，变压器通电可能会产生额定电流15倍的大浪涌电流。这种状况下要求一定的安全系数以切断这些电流，其使得保护继电器的敏感设置无用，导致高入射能量故障，往往产生电弧闪光事件。

在大型工业设施中，电弧闪光是造成人身伤害和死亡的主要原因之一。要求的安全系数和浪涌电流的作用也限制连接到配电系统的变压器的大小。

图1示出了一种典型的商业/工业设施与公共设施的连接关系。配电系统(1)供给商业或工业设施。熔断器(2)具备一个公共设施输入的值，其常常限制变压器的大小或给其尽可能小尺寸以清除变压器浪涌。断路器(3)是用户端的装置，出于维修目的或安全原因断路器与设施隔离，而且断路器能够使用户端的设备免受过流损坏。主电力变压器(4)把配电网上的电压降低到一个较低的值以为设施(5)中的负载(6)供电。很多时候，因为该保护装置的切断时间不够快，即使检测到故障，仍然会发生电弧闪光(7)事件。保护继电器(8)检测过载、短路和其它电气故障。在上述情况下， 断路器(3)跳闸。

如图2所示，商业或工业设施中的浪涌电流主要是由主电力变压器(4)的失控通电引起的。当变压器失控通电时，其先前的去磁造成变压器磁心内的剩余磁通是造成高浪涌电流的原因，从而导致变压器饱和。此时，由于该浪涌电流，保护继电器(8)的设置必须考虑到高水平的浪涌电流，因此这些装置对下游设施(5)中的故障不太敏感。由于保护装置不太敏感，故障检测不太能有效地避免和减轻电弧闪光事件。此外，由于浪涌电流能够上升到15倍的额定电流，因此设施的电容量会由于变压器通电对配电系统的影响而受到限制。

当电流流过导体之间的空气时发生电弧闪光。它释放由铜、钢或铝等外壳材料的成分气化产生的强光、热量、声音和电弧爆炸。电力系统中电弧闪光事件造成的伤害是最痛苦和昂贵的安全隐患之一。

图4示出了用于保护协调模拟的单线图。在本例中，公共系统(18)供给公共总线(19)。用户总线通过熔断器(20)连接到公共总线。

在用户方，变压器(24)将电平从25KV变换至600V。可以手动操作断路器(23)以隔离用户负载(25)或通过过流继电器(22)断开断路器。

如图5所示，时间-电流坐标曲线图中，必须设置用户过流保护继电器(28)以便克服最坏情况下的变压器浪涌(29)。在同一图中，继电器允许180A的连续电流。因为没有使用CSD，因此浪涌电流可能会非常高(高达15倍的变压器满载电流)。为此，将过流保护继电器(28)的瞬时部分设定在1400A。

图7示出了用于保护协调模拟的单线图，其中设置为：F级；AFB＝9.91ft。根据这些设置以及图7所示的内容，故障切断时间(FCT)可上升到20个周期(准确地说FCT＝20.339个周期)，由此产生的入射能量(IE)达52cal/cm²(准确地说在18时IE＝52.4cal/cm²)。Ibf为58.32kA。在最后一个例子中，使用了图4中的一些元件。公共系统(34)、公共总线(35)、用户总线(36)、变压器(38)、过流保护继电器(37)和用户负载(39)。 这种能量对在附近工作的人是致命的。需要注意的是，无论何时都应当避免在每平方厘米大于或等于40卡路里水平下工作，因为在此水平下的电弧闪光事件会引发爆炸危险。在这最后一个例子中，使用了图4中的一些元件：公共系统(34)公共总线(35)、用户总线(36)、变压器(38)、过流保护继电器(37)和用户负载(39)。此外，图5示出了变压器热极限(27)和熔断器特性(26)。

图9示出图4例子的保护协调曲线，但其使用的是8MVA的变压器(24)而非5MVA的。在本例中，过流保护继电器(50)仍允许180A的连续电流，但此时将过流保护继电器(50)的瞬时部分设定在2280A以克服较大变压器的较大浪涌电流(51)。图9示出了过流保护继电器(50)的设置不能在其本身和公共熔断器(48)之间提供足够的间隙，因此，这种较大变压器的连接不能用于公共设施。图9还示出了变压器的热限制(49)。

控制开关装置，或CSDs，在高电压变电站已经使用了许多年。直到现在，一个CSD的价格一直居高不下，但最近的技术发展使得专门用于中压应用的更实惠的CSD设计变得可能。

因此，需要一种新的技术，通过限制变压器浪涌电流并允许更灵敏的保护设置，使得连接到典型配电网的商业和工业电力设施中的电弧闪光入射能量显著减少。

也需要一种新的技术，以增加电力设施的电容量。

技术实现要素：

本发明涉及一种通过限制其浪涌电流以减少商业和工业电力设施中电弧闪光发生的技术。此外，本发明允许增加设施的电容量。

本发明首先涉及一种用于降低用户负载内的电弧闪光的方法，用户负载(5)由一电流供电，该电流由包括一断路器的电路控制。该方法包括如下步骤：为该电路提供一控制开关装置(CSD)，其适于发送一打开或关闭的命令到该断路器以便同步打开或关闭的机械操作，以减少发送到该电路的 浪涌电流。

优选地，在本文中公开的方法进一步包括如下步骤：调节该CSD以在最佳的电角度关闭该电路的断路器，以减少浪涌电流。断路器可以向下连接到过流保护继电器。在这种情况下，该方法还进一步包括如下步骤：调整继电器的灵敏度，以获得更短的故障切断时间并将入射能量水平降低为无害水平。

该控制开关装置与一变压器连接。该方法还进一步包括如下步骤：计算该变压器内的剩余磁通，以计算切换断路器的最佳的电角度。

本文公开的方法包括如下步骤：在变压器的通电期间减少或消除浪涌电流。

该电路可以由通过包括熔断器的配电系统的电流供给。熔断器可以向下连接到断路器。该方法还可以进一步包括如下步骤：根据浪涌电流的功能配置熔断器的尺寸，以维持较高的浪涌电流。该方法还可以进一步包括如下步骤：将变压器更换为具有较大电功率的变压器，同时使得熔断器的值相同并且维持过流保护继电器和熔断器之间的充分的选择性和协调性。

本发明还可以涉及一种电路，其包括一断路器并由一电流电供给。该电路进一步包括一控制开关装置(CSD)，用于发送一打开或关闭的命令到该断路器以便将其打开和关闭的机械操作与最佳的电角度同步，以减少用户负载中电弧闪光事件。

可以调节该CSD以在最佳的电角度关闭电路的断路器，以减少浪涌电流。

本文所公开的电路中，该断路器可向下连接到具有灵敏度的一过流保护继电器，所述过流保护继电器用于获得更短的故障切断时间并将入射能力水平降低为无害水平。

本文所公开的电路中，借助于包括一熔断器的一配电系统，该电流可以被提供给该电路。该熔断器可以连接到该断路器，并且具有根据潜在浪涌电流的功能的选定尺寸。本文所公开的电路包括具有一额定功率的一变压器， 该额定功率受限于向熔断器输入最大电流值的公用设施。设置过流保护继电器以维持熔断器足够的协调性和选择性。

本发明利用一控制开关装置(CSD)通过在一个最佳的电角度闭合电路的断路器来控制电力变压器通电，以减少提供给电路的浪涌电流。

本发明允许显著减少连接到典型配电网的商业和工业电力设施中的电弧闪光入射能量。本发明允许限制变压器浪涌电流并且提供更灵敏的保护设置。

本发明还允许增加这些设施的电容量。通过使用一控制开关装置实现了浪涌电流的减小，其可替代地被称为波形临界点(POW)控制器，更优选为智能控制器设计的控制开关装置。

目前，由于可上升至额定电流的15倍浪涌电流，保护设置不够灵敏。电能本质上是系统电压×历经时间×电流。本发明中，可以将保护设置为更低的水平，从而增加保护的灵敏度并且减少跳闸和隔离故障的时间，因此最小化故障能量并且减轻电弧闪光水平。此外，本发明允许增加设施的电容量。

本发明中认为具有新颖性的特征在所附的权利要求书中具体阐述。

附图简要说明

本发明的上述和其它目的、特征和优点通过接下来的描述将变得更加显而易见，参考附图如下，其中：

图1示出了商业或工业设施到配电系统的典型连接(现有技术)。

图2示出了浪涌电流的一个例子(现有技术)。

图3示出了本发明一个实施例的控制开关装置的实现。

图4示出了用于仿真的单线图(现有技术)。

图5示出了不含CSD的5MVA变压器的保护装置坐标曲线图(现有技术)。

图6示出了本发明一个实施例的包含CSD的5MVA变压器的保护装置坐标曲线图，以及更灵敏的保护设置。

图7示出了不含CSD的5MVA变压器的入射能量(IE)水平和故障切断时间(现有技术)。

图8示出了本发明一个实施例的包含CSD的5MVA变压器的入射能量(IE)水平和故障切断时间，以及更灵敏的保护设置。

图9示出了不含CSD的8MVA变压器的保护装置坐标曲线图(现有技术)。

图10示出了本发明一个实施例的包含CSD的8MVA变压器的保护装置坐标曲线图，以及更灵敏的保护设置。

具体实施方式

一种新颖的控制开关装置和使用其的方法将在下文进行描述。虽然通过具体实施例的方式说明本发明，但应该理解的是，在此描述的实施例仅仅作为示例，并且本发明的范围并不局限于此。

本发明提供了一种用于降低在配备有电源变压器且连接到典型配电网的商业和工业电力设施中的电弧闪光入射能量的新技术和方法。

“商业和工业电气装置”，指的是任何工业或商业负载，其可以包括任何种类的电气设备，如电机、照明系统、加热和冷却系统、自动生产线、电炉等。

“更严格的保护设置”，指的是设置保护，以便如果发生故障，考虑到浪涌电流，保护的跳闸速度比它通常的跳闸速度快。当浪涌电流减小时，对跳闸的保护限制将降低。

如图3所示，本发明的电路包括一CSD(16)，通过在最佳的电角度闭合断路器(10)来控制电源变压器(11)的通电，以减少浪涌电流以及减少含负载(13)的电力设施(12)中的电弧闪光(14)事件。指挥设施(12)的断路器(10)的CSD(16)的使用也允许增加配备电源变压器(11)以及连接到典型配电系统(17)的商业和工业电力设施(12)的电容量。

该CSD(16)也被称为波形临界点(POW)控制器。该CSD为智能 控制器，其设计成发送一打开或关闭命令到一断路器以便其机械操作与电网上的电信号同步。该机械操作优选为在最佳的电角度执行，以便减少或消除开关瞬变。

为了最小化浪涌电流，该CSD(16)计算出变压器(11)内的剩余磁通。基于这个信息，该CSD(16)将选择适当的电角度以闭合断路器(10)。

其它电气元件，如断路器、变压器、过流保护继电器、熔断器、负载、POW和CSD，可以是本领域公开的那些。特别地，美国专利US6433980B1中描述了可用于本发明的CSD的主要功能。同时，美国专利US7576957B2描述了可用于本发明的POW的主要功能。US6433980B1和US7576957B2的信息作为参考附上。

保护该配电网互连(17)的熔断器(9)和过流保护继电器(15)，通常根据该变压器(11)提供的变压器浪涌电流和最大负荷能力来评价和调整。因此，浪涌电流的减小允许这些保护装置的更严格的设置，以更快地检测故障电流并降低下游入射能量水平，同时在不对公共系统产生不利影响的前提下提高设施的电容量。

图6示出了使用本发明原理的电路的保护协调的研究。在本实验中，CSD被用来最小化变压器的浪涌电流。因此，保护继电器可被参数化(32)，以增加灵敏性或反应性，以减轻入射能量水平。例如，示出了设定在600A左右的瞬时电流。该电流允许使用CSD(16)消除或切断浪涌电流(33)。相对地，同一例中，如图5所示，如果不使用CSD，切断浪涌(29)所需的电流大大增加，为1400A左右。

如图8所示，更严格的保护设置(D级；AFB＝5.86ft)通常会导致较低的故障切断时间(FCT＝5.960个周期)，并且入射能量(IE)的水平下降到18.3cal/cm²(每平方厘米的卡路里数)。在这个最后的例子中，使用与图4相同的元件。公共系统(40)、公共总线(41)、熔断器(42)、用户总线(43)、断路器(45)、变压器(46)和用户负载(47)。然而，过流保护继电器(44)具有更严格的设置。图6还示出了与图5相同的变压器热极限(31)和熔断 器特性(30)。

图10示出了使用8MVA电力变压器的保护坐标曲线图。除了变压器(24)具有8MVA的电容量，以及CSD适于或用于最小化浪涌电流(55)之外，已经在与图4类似的电力设施上做过研究。保护继电器的灵敏度或反应性被增加后，可以在配电系统中使用较大的变压器，同时仍然允许用户保护继电器和公共熔断器之间的协调。

如图10所示，不同于5MVA的一个8MVA变压器，可以以相同的公用熔断器(52)的值安装，同时仍保持了用户保护继电器(54)和公用保护装置或熔断器(52)之间足够的选择性和协调性。图10示出了8MVA单元的新的变压器热极限(53)。

尽管上文详细描述了本发明示例性和当前的优选实施例，但应当理解的是，创新概念可以以多样的方式体现和采用，并且所附权利要求书意在被解释为包括该多样性，现有技术限制的变形除外。