用于控制电弧故障检测系统的断路器信号发送系统的制作方法
【专利说明】用于控制电弧故障检测系统的断路器信号发送系统
[0001]发明背景
[0002]1、发明领域
[0003]本发明通常涉及配电设备和导体。本发明更具体地涉及在电力系统中通过电弧故障检测系统控制对电弧故障的误检测。
[0004]2、已知技术论述
[0005]通常在电力分配系统中使用开关装置机壳，以用于封装与分配系统相关联的电路中断器和切换设备。典型地，开关装置机壳由一些单独堆叠的或相邻的隔室组成，开光装置的每个隔室从电源接收电力并且通过馈电电路将电力分配给一个或者多个负载。通常，开关装置的每个隔室包含用于响应于电路中的危险的电流过载或者正常的切换事件而阻断特定的馈电电路中电力的断路器或者其它中断器。
[0006]除了电流过载之外，开关装置机壳可能会遇到其它被称为电弧故障的危险状况。当电流“发电弧”或者流经导体之间的电离气体时发生电弧故障，所述导体之间例如在破裂的或者损坏的导体的两个端部之间，或者在开关装置机壳中的导体和接地线之间。这些电弧将与热发光排气进行区分，热发光排气当分离断路器触头时在断路器本身中发生并且是有意的断路器操作的副产品。电弧故障通常由因反复的过载、雷击等引起的腐蚀的、磨损的或者老化的布线或绝缘、松动的连接以及电应力导致。特别是在中到高电压的电力分配系统中，与电弧故障相关联的电离气体可以以足以严重地损坏或破坏开关装置设备和/或导致操作人员严重的烧伤或死亡的压力和温度进行释放。
[0007]开关装置机壳可以提供耐电弧的金属开关装置隔室，其通常具有用于在电弧故障的情况下将气体从隔室排出的装置。这些隔室被设计成经得起与电弧故障相关联的气体的压力和温度，并且通过阻止气体进入相邻的开关装置隔室而降低开关装置设备损坏的可能性或程度。通过引导并排除热气体使其远离操作人员来增强操作人员的安全性。然而，由于这些系统并没有消除与电弧故障相关联的热气体的生成和释放，故它们没有完全地消除操作人员的受伤风险和/或对开关装置设备的损坏。
[0008]无源和有源电弧控制装置两者都是在本领中公知的。无源装置包含将电弧击毁能量和气体引导排出机柜。其它无源装置可以包含为了经得住击毁而加固机柜结构。通过有源系统限制电弧故障持续时间在限制由于击毁的潜在损坏方面是尤其重要的。有源装置通常包含一些形式的用以控制电流的感测和切换机制。当然，越快感测到并且控制电弧，则电弧事件造成的伤害就可能越小。
[0009]如在Garzon的美国专利第5，933，308号中描述的，用于增强开关装置机壳在电弧故障的情况下的安全性和耐用性的一个方法旨在提供耐电弧的金属开关装置隔室，其具有用于在电弧故障状况的情况下将电源母线电流接地或者分流的装置。这在Garzon中通过以下操作来完成:通过光传感器在每个馈电隔室中监测电源母线电流或者总母线电流的升高速率并且监测由电弧事件产生的光。电流和光信号被逻辑与在一起以产生电弧故障检测信号，其在合适的时间帧内激活电弧分流器机构。其它已知的电弧故障检测电路可能仅使用光检测器。已知系统中去除维持电弧的电压可以通过操作灭弧机构进行，所述灭弧机构包含响应于电弧故障检测系统的馈电断路器或电弧分流器机构，或者包含两者。
【发明内容】
[0010]对灭弧机构进行操作，诸如，操作电弧分流器件或者断开设备馈电断路器或者两者将导致设备的操作完全中断，并且可能对设备和电力系统有相当大的压力。因此，避免任意类型的损害操作是可取的。一种具有最少的错误激活的控制和消灭电弧事件的快速、经济的机构将在本领域中受到欢迎。在已知的电弧检测系统中，各种电路传感器和光传感器可以在机柜内部进行使用以检测电流异常和电弧事件的闪光特性并且触发消灭机构以便去除所有下行电压并阻止电弧闪烁。
[0011]然而，在其中开关装置外部的分支电路上的短路事件触发机壳中的馈电线断路器的操作的许多情况下，电弧故障检测系统可能被在普通断路器跳闸事件期间来自断路器的光发射弄糊涂，并且在系统应该仅仅让断路器跳闸并且完成其工作而不是关闭系统时发起错误的电弧故障检测。
[0012]因此，向电弧故障检测系统提供即将发生断路器跳闸的警告将是可取的。然而，断路器的大量安装的基座没有在电弧故障检测系统中提供这种检测和警告。
[0013]为此，本发明在其各个方面和实施方式中教导和提供具有换能器的电弧管理系统，该换能器安装在馈电线断路器(在下文中有时为方便仅称作“断路器(breaker)”)附近，优选在断路器外壳的外部，用于检测断路器外壳内的过电流事件的附带效应(secondary effect)并且发出关于该附带效应的信号，且换能器向能够接收、处理并且作用于换能器信号的电弧故障检测系统发送可能的断路器跳闸事件，以防止、限制或者控制灭弧操作的发起。
[0014]本发明的其它方面可以包含针对电弧故障检测系统内的断路器发出信号的方法，包括以下步骤:在断路器的外壳附近应用换能器，使用所述换能器检测发生在断路器的外壳内的过电流事件的附带效应，当检测到所述附带效应时将来自换能器的信号传输到电弧故障检测系统，以及，在电弧故障检测系统处接收并处理所述信号，作为检测可能的电弧事件的过滤器。换能器可以选自包含以下的换能器的组:磁性传感器、如下文说明的振动传感器、射频或者近射频(RF)传感器、以及热传感器。
[0015]在本发明的一些方面中，换能器可以是磁性传感器，其位于断路器的电流路径附近、在断路器外壳的外部，以感测与经过断路器的电流的大幅升高有关联的磁场的升高。在其它方面中，换能器可以是振动传感器，其位于最大振动点附近、在断路器外壳的外部，该最大振动点由分开以断开受保护电路的断路器的一个或者多个活动触头产生。因此将理解的是，在本公开的背景下，“振动”将包含如可以由断开断路器触头生成的非周期性短暂冲击。在其它方面中，换能器可以是RF传感器，其位于断路器的活动触头附近、在断路器外壳的外部，用于感测由断路器的分离触头上的电弧形成引起的更高频的电磁辐射。在其它方面中，换能器可以是热传感器，其位于断路器外壳上的由快速电流升高引起的过热点附近或者接近断路器的排气口，该排气口在断路器触头分开时将高温电弧气体和碎肩释放到断路器外壳的外部。
[0016]在某些情况下，当输出换能器的信号时，电弧控制方法中的一个步骤可以包含将该信号用作过滤器输入以消除对电弧事件的错误地肯定指示并且防止对灭弧器系统(即，关闭开关装置机柜的全部电气仪器的电弧分流器、主断路器或者两者)的操作。
[0017]在本发明的一些方面中，感测过电流中断期间的断路器的附带效应还给电弧闪烁检测系统提供了关于中断事件持续时间的指示。如果附带效应没有在规定的时间内终止，则断路器可能已经不能成功中断电流并且可能处于开始电弧闪烁事件的风险当中。在了解事件持续时间或者持续存在的情况下，电弧闪烁检测系统可以通过以下操作采取纠正措施:宣告该状况，断开主断路器、操作电弧分流器或者调节被计划为响应于未来传感输入的电弧闪烁检测系统。
[0018]因此，电弧管理系统可以提供若干优点，其中最重要的是识别光传感器的触发是由来自电弧闪烁事件的光还是来自断路器过电流中断事件的光引起的可能性。
[0019]本发明的一些方面可能尤其适合于或者适用于在封闭的开关装置机柜内含有的模制外壳的断路器周围的电弧管理。本发明向电弧故障系统提供一个输出，其尤其对之前不存在这种信号发送装置的断路器(诸如没有电子器件的断路器、未配备有AFI或GFI传感器、电流换能器(CT)的断路器，等等)有效，因而允许对这种现有系统进行改型。
[0020]附图简述
[0021]当阅读以下详细描述且当参考本公开的附图时，本公开的上述和其它优点将变得明显，其中:
[0022]图1是根据本发明的一个实施方式的开关装置机壳的电弧故障保护系统的框图。
[0023]图2是根据本发明的一些方面的一个合适的换能器环境的示例性实施方式的细节图，这里为模制外壳断路器(MCCB)的外部视图，并且该MCCB的外壳附接有换能器。
[0024]图3是示出了其中换能器可以基于断路器中的附带效应的持续存在而开始行动的本发明的方面的示意图。
[0025]详细描述
[0026]现在转向附图并且首先参考图1，其中示出了通常由参考标号10标记的开关装置机壳，其包含单独的隔室10a、10b、10c和10d，统称为10，用于放置配电系统12的各种组件，并且图1具有如下文进一步说明的各种组件的电弧故障检测系统13。例如可以包括公共事业公司的电力变压器的电源14通过主电路16向分配系统12供应电力。主电路16通常被路由经过主断路器，这里由参考标号18进行标记。如本领域中已知的，电弧故障检测系统13可以包含主电流传感器20，诸如被提供用于监测主电路16的电弧故障特性并且产生其的指示信号42的环形线圈。连接到主电路16的电源母线22将来自电源14的电力分配到多个馈电电路24a、24b、24c，其中的每个馈电电路被路由经过开关装置隔室10a_c中的一个。统称为24的馈电电路中的每个通常给开关装置机壳10的下游的一个或者多个负载(未示出)供应电力。将理解的是，这里示出的馈电电路24的数目以及开关装置隔室10的数目仅是示例性的，并且可以根据开关装置机壳10的具体类型和/或应用进行改变。
[0027]开关装置机壳10通常包含与各自的馈电电路24相关联的切换设备和监测设备。例如，在图1中示出的实施方式中，开关装置机壳10包含多个电路中断器，这里示出为馈电线断路器26a、26b、26c。电弧故障检测系统13的组件还包含有分布在隔室当中的多个光传感器28a、28b、28c。在一个实施方式中，统称为26的断路器和统称为28的光传感器包括本领域中已知的器件，这些器件安装在各自的开关装置隔室10a、10b、10c内并且与馈电电路24a、24b、24c中的一个相关联。
[0028]例如，在图2的细节图中，断路器26是三相模制外壳断路器，其被提供用于响应于电流过载而中断(即，阻断)各自的馈电电路24中的电力。附接到断路器26的外壳25的是换能器27，其被用来检测发生在断路器26的外壳25内的过电流事件的附带效应并且当检测到所述附带效应时在其输出线29上将来自换能器的信号发送给图1的电弧故障检测系统13。如下文进一步说明的，换能器27可以选自包含以下的换能器的组:磁性传感器、振动传感器、射频或近射频(RF)传感器、以及热传感器。