专利名称：使用光纤闭环反馈检测闪络故障的装置和方法
技术领域：
本发明涉及电力系统元件上的闪络故障的检测，尤其是涉及检测开关装置的金属柜内的这类故障。更具体地，本发明涉及一种使用光纤检测闪络故障的装置和方法。
背景技术：
出于控制和保护的目的，电力系统加入了开关。配电系统构成整个电力系统的一部分，包括主电力总线、分支电力总线以及安装在金属柜内形成开关装置的断路器。当断路器的触点断开时，配电系统总线中电流的中断会产生电弧。这些由于中断产生的电弧在断路器的正常操作过程中被抑制和消除。
然而，意外的闪络故障有时也在开关装置柜中发生，比如在电力总线之间或者在电力总线和接地的金属元件之间。这类闪络故障会产生高能量气体，对设备和附近的人员产生威胁，特别是在正在对带电的电源电路进行维修时。经常地，工人无意造成电力总线短路，从而在柜内产生闪络故障。产生的电弧冲击波造成极大的危害，并且可能致伤甚至死亡。事实上，维修时柜门通常是打开的，这个问题就变得严重了。
为了使人员免受开关装置中闪络故障的伤害，一种通常的办法是设计金属外壳来抵挡闪络故障的冲击波。由于为了防止飞出的碎片而使用大厚度的金属以及需要大量的焊缝，因此这需要很大的额外花费。即使采取了这些预防措施，也不能抑制开关装置内闪络故障的冲击波。
最近，已经改进了一些方法，以将内部闪络故障的冲击波的严重性减到最小。这些方法包括压力探测和光检测，其检测开关装置内的闪络故障，并且在产生重大损害前，使断路器跳闸。压力探测方法受压力敏感器灵敏度的限制。等柜内压力已达到可检测的级别时，闪络故障已经造成了重大损害。
来自闪络故障的光包含产生电弧的材料的波长特性。通常，闪络故障发生在电力总线或隔离器上，这些典型地是由铜制成的。铜具有较强的大约520nm(如520.820nm)的谱线发射波长。在一些应用中，电力总线用银包裹，银也具有较强的大约520nm(如521.908nm)谱线发射特征波长，另外的是大约546nm(如546.350nm)。不幸的是，其他现有的光源(如环境光；钨灯光；闪光；荧光；镁光灯光)都具有宽波段连续波长，包括520nm和546nm。因此，仅仅检测大约520nm的光不能够区分闪络故障和其他光源。
美国专利No.6,229,680公开了一种闪络故障的检测方法，聚集来自易发生闪络故障的元件的光，并且将该光分离成两条光束。窄波段波长中的光包括元件材料燃弧(arcing)的波长特性，其通过第一窄光束检测滤波器(如520nm以检测铜和银的特征发射谱线)从第一光束中提取。第二窄波段波长的光不包括闪络故障的特征波长，其通过第二窄波段背景滤波器(如610nm)从第二光束中提取。优选地，选择第二波段波长的波长范围使经过第二或者背景滤波器的背景光的强度，大于经过第一或者检测滤波器的光的强度。因此，当闪络故障没有发生时，经过背景滤波器的光比经过检测滤波器的光强。然而，当闪络故障发生，并且由闪络故障产生燃弧材料的特征波长的光时，检测滤波器的输出将超过背景滤波器的输出，可以用作发生闪络故障的指示。
美国专利No.5,650,902公开了一种检测低压变电站的母线室中的闪络故障的设备。该设备包括具有有色丙烯酸盐外套的光纤导体，具有发光二极管的电子电路，该发光极管在光纤导体的始端发射确定波长的连续光束，以及在光纤导体末端的接收器。该光束用于监控保护装置。如果在母线室发生了闪络故障，那么故障产生的光将穿过光纤导体的外套加入或是干扰光纤导体。电子电路产生与光的能级成比例的电压。这个额外的光本质上提高了计算电路接收到的光的能级。在超过特定的通断电平(如由计算电路设定)后，产生选择保护装置用于使发生闪络故障的一部分变电站或者另一个合适的设备停止工作的信号。也可以参见美国专利No.5,940,547。
5,650,902号专利还公开了该光纤导体垂直于母线，并且缠绕在附近而不接触母线。光纤导体在每个母线周围缠绕若干次，或者超过母线的全长或者超过它的主要部分。虽然增加了光纤导体被破坏的危险，但这种破坏在故障被检测出来后才会发生。作为选择，光纤导体以曲折的方式和近似相同的距离排列在母线的前面、后面或者平行放置；缠绕在现场母线的连接线周围；以及缠绕在最可能发生闪络故障的区域的分插座之间。
众所周知，在电力总线和地之间或者从总线到总线设置高速短路开关，是为了限制或防止因为电弧冲击波造成的设备损坏和人员受伤。为了这个目的采用多种类型的急剧短路开关(crowbar switch)也是已知的。这些开关使电力总线上的线电压短路，从而消除闪络故障并防止损害。电力总线上的短路使上游(upstream)断路器清除故障。例如，参见美国专利No.6,633,009。
这种短路开关或其他已知的短路开关，可以应用在低压(如最高大约690VAC)和/或中压(如大约1kV到大约38kV)设备上。例如，图1示出了用于三相电源4的中压(如15kV/60MVA，具有50kA的故障电势)开关装置2。与三相电力总线6连接的是设置在A相和B相之间的第一短路开关8，以及设置在B相和C相之间的第二短路开关10。虽然示出了三相开关装置2和电源4，但短路开关8、10中的一个也可以应用于单相设备。虽然示出了相位间的短路开关8、10，但这种短路开关也可以应用于相到地12之间。多个光探测器14、16、18、20安装在开关装置2内，用来检测与闪络故障24相关的电弧光22的存在。响应闪络故障24，探测器14、16、18、20中的一个或者多个进行检测，并将电弧光22的存在传递到触发/电源电路26，由其响应发出驱动信号28到一个或者两个短路开关8、10。
因此，需要改进用于检测电力系统中，特别是开关装置中，的闪络故障的装置和方法。
对于检测闪络故障的装置和方法有改进的空间。
对于保护电力系统总线免受闪络故障的装置和方法也有改进的空间。
发明内容
本发明可以满足这些和其他的需求，本发明使用光反馈来监控光源调制光和聚集光。这样可实现完整性的监控以及闪络故障光探测器的适当连接。
作为本发明的一个方面，一种装置检测电力系统的部件上的闪络故障，其中在存在来自可包括第一预定波长的另一光源的第二不同波长的光的情况下，所述闪络故障产生所述第一预定波长的光。所述装置包括提供所述第二波长和第一频率的调制光的光源；包括第一终端、聚集部分和第二终端的光纤，所述光纤的第一终端接收来自所述光源的调制光，所述聚集部分最接近所述部件，接收包括一些第一预定波长的光和一些来自另一光源的第二波长的光的聚集光，所述光纤的第二终端包括所述调制光和所述聚集光；分离器，从所述光纤的第二终端接收所述调制光和聚集光，并将所述调制光和聚集光分离为第一光束和第二光束；第一滤波器，从所述第一光束中提取包括具有所述第一预定波长的第一波长带宽的第一滤波光束；第一检测器，从所述第一滤波光束中产生第一检测光电信号；第二滤波器，从所述第二光束中提取包括不具有所述第一预定波长的第二波长带宽的第二滤波光束；第二检测器，从所述第二滤波光束中产生第二检测光电信号；第三滤波器，从所述第二检测光电信号中提取代表所述一些来自另一光源的第二波长的并且不包括所述调制光的光的第三电信号；以及用于响应所述第一检测光电信号和所述第三电信号之间的预定关系，产生燃弧信号的装置。
所述用于产生燃弧信号的装置可以包括第四滤波器和阈值检测器。所述第四滤波器可以从所述第二检测光电信号中提取代表所述调制光的第四电信号。所述阈值检测器可以响应所述第四电信号低于预定阈值，产生出错信号。
所述电力系统的部件可以是开关装置母线。所述光纤可以是塑料光纤，包括外套、内光纤、位于所述第一终端的第一连接器、在所述聚集部分的外套上的开口以及位于所述第二终端的第二连接器。所述第一连接器可以衔接所述光源，并从中接收所述调制光。所述在聚集部分的外套上的开口可以最接近所述开关装置母线。所述第二连接器可以和所述分离器衔接，并且向其发送所述调制光和聚集光。
所述电力系统的部件可以包括容纳开关装置母线的外壳。所述外壳可以包括面向所述开关装置母线的表面。所述光纤可以包括外套、内光纤以及在所述聚集部分的外套上的开口。在所述聚集部分的光纤可以形成螺线，并且固定在所述外壳的表面。所述在聚集部分的外套上的开口可以和所述表面相对，并且最接近所述开关装置母线，以接收所述一些第一预定波长的光以及一些来自另一光源的光。这样可以将光探测分布到相对大的表面区域。这减少了屏蔽、阻塞域者覆盖探测区域的可能性。
作为本发明的另一个方面，一种方法检测电力系统的部件上的闪络故障，其中在存在来自可包括第一预定波长的另一光源的第二不同波长的光的情况下，所述闪络故障产生所述第一预定波长的光。所述方法包括提供所述第二波长和第一频率的调制光；使用包括第一终端、聚集部分和第二终端的光纤；在所述光纤的第一终端接收所述调制光；设置所述光纤的聚集部分最接近所述部件，以接收聚集光，所述聚集光包括一些第一预定波长的光以及一些来自另一光源的第二波长的光；从所述光纤的第二终端接收所述调制光和聚集光，并且将所述调制光和聚集光分离为第一光束和第二光束；从所述第一光束中提取包括具有所述第一预定波长的第一波长带宽的第一滤波光束；从所述第一滤波光束中产生第一检测光电信号；从所述第二光束中提取包括不具有所述第一预定波长的第二波长带宽的第二滤波光束；从所述第二滤波光束中产生第二检测光电信号；从所述第二检测光电信号中提取代表所述一些来自另一光源的第二波长的并且不包括调制光的光的第三电信号；以及响应所述第一检测光电信号和所述第三电信号之间的预定关系，产生燃弧信号。
所述方法可以包括使用具有第一翻转频率的低通滤波器，所述第一翻转频率低于所述第一频率，用于从所述第二检测光电信号中提取代表所述一些来自另一光源的第二波长的并且不包括所述第一频率的调制光的光的第三电信号；使用具有第二翻转频率的高通滤波器，所述第二翻转频率高于所述第一翻转频率且低于所述第一频率，用于从所述第二检测光电信号中提取代表所述第一频率的调制光的第四电信号。
作为本发明的另一个方面，一种装置保护电力系统的总线免受闪络故障，在存在来自可包括第一预定波长的另一光源的第二不同波长的光的情况下，所述闪络故障产生所述第一预定波长的光。所述装置包括提供所述第二波长和第一频率的调制光的光源；包括第一终端、聚集部分和第二终端的光纤，所述光纤的第一终端接收来自所述光源的调制光，所述聚集部分最接近部件，并接收包括一些第一预定波长的光和一些来自另一光源的第二波长的光的聚集光，所述光纤的第二终端包括所述调制光和聚集光；分离器，从所述光纤的第二终端接收所述调制光和聚集光，并且将所述调制光和聚集光分离为第一光束和第二光束；第一滤波器，从所述第一光束中提取包括具有所述第一预定波长的第一波长带宽的第一滤波光束；第一检测器，从所述第一滤波光束中产生第一检测光电信号；第二滤波器，从所述第二光束中提取包括不具有所述第一预定波长的第二波长带宽的第二滤波光束；第二检测器，从所述第二滤波光束中产生第二检测光电信号；第三滤波器，从所述第二检测光电信号中提取代表所述一些来自另一光源的第二波长的并且不包括调制光的光的第三电信号；用于响应所述第一检测光电信号和所述第三电信号之间的预定关系，产生燃弧信号的装置；以及用于响应所述燃弧信号对所述总线断电的装置。
用于响应所述燃弧信号对所述总线断电的装置可以包括短路开关，其响应所述燃弧信号使所述总线短路；上游(upstream)断路器，其响应故障总线的过电流检测，对所述总线断电。
所述短路开关可以包括短路元件和控制电路，所述控制电路输入所述燃弧信号和出错信号。所述控制电路可以在所述燃弧信号为真且所述出错信号为假时，驱动所述短路元件。
所述光纤可以包括外套、内光纤、位于所述第一终端的第一连接器、在所述聚集部分的外套上的开口以及位于所述第二终端的第二连接器。所述第一连接器可以衔接所述光源，并且从中接收所述调制光。所述在聚集部分的外套上的开口最接近所述总线。所述第二连接器可以和所述分离器衔接，并且向其发送所述调制光和聚集光。
结合附图阅读，从下文对优选实施例的描述中，可以对该发明有一个全面的理解，其中图1是用于开关装置的闪络故障光探测器结构的框图；
图2是根据本发明的使用闭环反馈的闪络故障光探测器的框图；图3A和3B组成一个框图，以图解的形式表示根据本发明的一个实施例的使用闭环反馈的闪络故障光探测器；图4是包括图2的闪络故障光探测器的短路开关系统的框图；图5是开关装置柜内光纤排列的等角视图；图6是图2所示光探测器的一部分的等角视图。
具体实施例方式
参见图2和图6，闪络故障光探测器30检测电力系统部件(例如包括三相电力总线36的开关装置34)上的闪络故障32。虽然三相开关装置34被公开了，但本发明适用于广泛的容易发生闪络故障的电力系统部件(如低压系统(如电机电路防护器、负载配电盘、总线操作)；中压保险丝盘；单相系统；电容器组；海运舰船甲板设备)。
典型地，在存在来自另一光源(如环境光42)的一个或多个第二不同波长(在本例中，如大约820nm)的光40的情况下，闪络故障32产生第一预定波长(在本例中，如大约520nm)的电弧光38。虽然示出了环境光42，但光40可以来自广泛的光源(如钨灯光；闪光；荧光；镁光灯光；阳光)，并且还包括第一预定波长以及其他光波长。
光探测器30包括光源44、塑料光纤(POF)组件45、光学分离器46、第一光滤波器(如520nm)48、第一高频(HF)光电探测器50、第二光滤波器(如820nm)52、第二高频(HF)光电探测器54、低通滤波器56以及包括微分放大器58、高通滤波器60和阈值检测器62的电路57。
光源44向POF组件45提供合适波长(如820nm)以及合适频率(如2MHz)的调制光64。例如，如图3A所示，光源44’包括820nm的发光二极管(LED)66，被由比较器69构成的合适的振荡器68，以大约50％的占空因数以及大约2MHz的速率驱动开和关。用于反馈监控的调制光64防止由背景(环境)光产生的错误监控信号。
POF组件45包括POF光纤电缆70，该电缆具有带有第一光学连接器74的第一终端72，一个或者多个聚集部分76，以及带有第二光学连接器80的第二终端78。第一光学连接器74衔接对应的光源44的光学连接器82，并且从中接收调制光64。聚集部分76最接近开关装置电力总线36的三相电力总线84、86、88，并且聚集包括一些电弧光38和一些环境光40的光。第二光学连接器80衔接对应的光学分离器46的光学连接器90，并且向其发送调制光92(如作为光源调制光64的反馈光)和聚集光94(如电弧光38和环境光40的聚集部分)。如图6所示，图2中POF光纤电缆70的聚集部分76由电缆外套98上的开口(如96)形成，该开口将其中的裸光纤100显露出来。随后，裸光纤100接收一部分入射光101，如部分环境光40和电弧光38。虽然该例示出了除去一部分外套98的开口96，但其它应用可以在某些预计或者实际发生闪络故障的区域，除去整个外套(如从全角显露光纤100)(未示出)。
光学分离器46，如50/50光学分离器，从POF光纤电缆70的第二终端78接收调制光92和聚集光94，并且将该混合光分离成第一光束102和第二光束104，这些光束具有本质上差不多相同光强的相同光信号。光束102和104分别通过传统的光纤电缆组件106和108，传送到光滤波器48和52。
520nm的光滤波器48从第一光束102中提取第一滤波光束110，其包括具有电弧光38的大约520nm的预定波长的波长带宽。该滤波光束110包括环境光40和电弧光38中的大约520nm的分量，并由第一光电探测器50接收。随后，光电探测器50从滤波光束110中产生第一检测光电信号112。采用同样的方式，820nm的光滤波器52从第二光束104中提取第二滤波光束114，其包括具有环境光40的大约820nm的预定波长的波长带宽。该滤波光束114包括环境光40和光源调制光64中的大约820nm的分量，并由第二光电探测器54接收。随后，光电探测器54从滤波光束114中产生第二检测光电信号116。
低通滤波器56具有翻转频率(如fo＝大约100kHz)，该翻转频率明显低于光源44的频率，低通滤波器56从第二检测光电信号116中提取代表大约820nm的聚集光94的第三电信号118，其排除了2MHz的调制光92。低通滤波器56有效拒绝了来自光源44的调制光92的频率，而光滤波器52有效拒绝了电弧光38的预定520nm波长。因此，信号118代表基本来自环境光40的大约820nm的聚集光94。
高通滤波器60具有翻转频率(如fo＝约1.7MHz)，该翻转频率适当低于光源44的频率，且明显高于低通滤波器56的翻转频率。该滤波器60从第二检测光电信号116中提取代表大约820nm和大约2MHz的调制光92的第四电信号120，其排除了大约520nm的聚集光94。高通滤波器60有效拒绝了一般DC和其它相对低频的环境光40，而光滤波器52有效拒绝了电弧光38的预定520nm波长。因此，信号120代表大约820nm和大约2MHz的调制光92，其基本来自光源44，并且排除了电弧光38。
适当的电路，如微分放大器58，产生响应第一检测光(来自燃弧和环境或者其它背景光源的520nm聚集光)电信号112和第三电信号(基本来自环境或者其他背景光源的820nm聚集光)118之间的预定关系的燃弧检测信号z 122。例如，微分放大器58可以比较这些信号112、118，如果信号112明显大于(如至少合适的预定量；足够避免检测信号122的损害激活(nuisance activation)的量)信号118，那么检测信号122设置为真，例如以激活灭弧装置(如相地间或者相位间短路开关(未示出)；图4的短路开关222)。
根据本实施例的一个重要方面，光源44、光纤电缆组件45、光学分离器46，光滤波器52、HF光电探测器54、高通滤波器60和阈值检测器62合作提供闪络故障光探测器30的状况的闭环反馈，部分由光纤电缆70提供。阈值检测器62响应第四电信号120低于预定阈值(如适当的检测光纤70被损坏、光源44变暗、另一部件故障的值)，产生出错信号R 124。该信号124表示光纤70极有可能被损坏。因此，优选地，信号122的用途是失效。
优选地，对于开关装置34，光纤70的聚集部分76设置在最接近存在潜在闪络故障(例如，在电力总线与地之间，或者在电力总线与不同的电力总线之间相对接近的区域)的区域(例如，没有限制，断路器、断路器室、主总线室、电缆室、电力母线)，或者已经从实际闪络故障的报告中确认的区域。例如，光纤70的聚集部分76可以最接近这些区域，并且可以(1)垂直于母线84、86、88，并且缠绕在附近，最好不接触母线；(2)在每个母线周围缠绕若干次，或者超过母线的全长或者超过它的主要部分；(3)以曲折的方式和近似相同的距离排列在母线的前面、后面或者平行放置；(4)缠绕在现场母线的连接线(未示出)周围；和/或(5)垂直于闪络故障最可能发生的区域的电缆室(未示出)内的母线缠绕。
虽然公开了520nm和820nm波长，但可以使用大范围的波长用于大范围的闪络故障和环境条件。
虽然公开了100kHz、1.7MHz和2.0MHz频率的例子，但可以使用大范围的合适频率。
图3A和3B示出了闪络故障光探测器130，它以与图2的闪络故障光探测器30相似的方式运行。探测器130包括AC/DC转换器132，其由外部交流(AC)电源134供电，并且向探测器130的不同部件输出各种合适的直流(DC)电压136、138、140以及地142。虽然示出了电压电平的例子，但可以使用大范围的合适的电压电平。探测器130包括光源44’，其源自LED 66的大约820nm的调制光64’，LED 66由振荡器68以大约50％的占空因数以及大约2MHz的速率适当地调节开和关。探测器130还包括POF组件45、光学分离器46、传统光纤电缆106、108以及光滤波器48、52，如同以上结合图2讨论的。
探测器130还包括相同的第一和第二HF光电探测器50’、54’，它们将来自光滤波器48、52的滤波光分别转换为输出电信号112’、116’。HF光电探测器50’包括输入光电二极管144、第一运算放大器146、输出运算放大器148以及相对低噪音离散JFET 150。JFET 150起到源跟随器的作用，缓冲输出运算放大器148的反相输入152，并且使之适合与高阻抗反馈电阻154、156一起使用。比如说，输出运算放大器非反相输入158接地，输出运算放大器148就迫使JFET源极160接地，电阻162确保JFET 150具有合适的漏电流(如大约1mA)。因此，该电路的自偏压刚好低于地，一般大约-0.5VDC。光电二极管144内无光电流信号，该光电二极管偏压到-10V输出140，运算放大器输出164处于相同的电压，并且跟随该输出140。否则，当光电二极管144被照明时，电流来自运算放大器输出164，并且流过电阻154、156，以使得运算放大器输出164以传统的互阻抗放大器的方式上升。第一运算放大器146适当恢复DC精度，因此JFET 150不规定DC偏压条件。并不是将运算放大器非反相输入158接地，而是由第一运算放大器146适当驱动它，所以JFET源极160到达对于零JFET门电压合适的电压。按照上面所描述的，HF光电探测器54’与现在描述的HF光电探测器52’相同。
低通滤波器56’输入信号116’，输出信号118’，其包括运算放大器166、电阻168、170以及电容172。选择电阻168、170和电容172以提供合适的翻转频率(如fo＝大约100kHz；明显小于光源44’频率的频率)。
微分放大器58’输入信号112’、118’，输出信号z 122，其包括运算放大器174、电阻176、178、180、182、分压器184以及电阻186。分压器184和电阻186设置运算放大器174的偏置平衡量，以提供适当的阈值。比较器187将运算放大器174的输出和适当的阈值相比较，并且输出信号122’。
高通滤波器60’输入信号116’，输出信号120’，其包括运算放大器188、电容190、192和电阻194。选择电容190、192和电阻194以提供合适的翻转频率(如fo＝大约1.7MHz；适当小于光源44’频率的频率)。在运算放大器输出端200的并联电阻196和电容198为输出信号120’提供具有合适时间常数的合适的充电电源，该输出信号在探测器130的正常操作下为高逻辑电平。
阈值检测器62’输入信号120’，输出信号R124，其包括运算放大器202、电阻204、206、208、210、212以及NPN晶体管214。在正常操作下，信号120’为高，运算放大器输出216为低，因此晶体管214断开，输出124可以例如通过上拉电阻(未示出)拉高。在出错条件下，调制光64’可以中断(如因为POF组件45损坏；部件故障)。然后，在适当的时间延迟(由电阻196和电容198设置)之后，信号120’降到阈值电压(通常由电阻204、206设置)以下，运算放大器输出216改变状态，因此，晶体管214接通，从而使输出的出错信号R124被拉低。
图4示出了包括图3A和3B所示的闪络故障光探测器130的短路开关系统220。该系统220包括一个或者多个短路开关222(图4只示出一个开关(SW)222)。这种短路开关的例子在美国专利No.6,633,009中公开，在这里引入作为参考。虽然示出了一个短路开关222的例子，但可以使用任何合适的短路开关。系统220保护电力系统电力总线223免受低压配电装置226中的闪络故障，如224，并且消除该闪络故障。系统220还包括检测和激活电路228，用于检测闪络故障224，并响应激活短路开关负载(C)230，以使激活的负载230将闪络故障224消除，如在专利6,633,009中公开的。如同上面结合图3B所讨论的，探测器130输出燃弧检测信号122’，激活电路(ACT)232使用该检测信号122’以响应输出激活信号234到负载230的电输入端236。
用于响应燃弧信号122’对电力总线223断电的电路238，包括激活电路232，短路开关222，其响应燃弧信号122’和激活信号234，用短路元件239使总线223短路，以及上游断路器(CB)240，其响应故障总线中的过电流检测，对总线223断电。
在优选实施方式中，激活电路(ACT)232输入信号122’、124，并且当燃弧信号122’为真且出错信号124为假(如图3B的晶体管214断开)时，驱动短路开关222。在这个例子中，信号122’、124可以是或线连接，以在出错信号124为真(如图3B的晶体管214接通)时，燃弧信号122’被拉低，并因此失效。
参见图5，示出了具有容纳开关装置母线254的电力系统外壳252的光纤“扁平”排列250。外壳252包括面向开关装置母线254的内表面256。光纤电缆258适合于图2的光源44和分离器46之间的操作，其包括外套260、内光纤262以及在聚集部分266的外套260上的开口264。在聚集部分266的光纤电缆258形成螺线268，并且适当固定(如粘接；通过框架(未示出)固定)在外壳表面256上。在聚集部分266的外套开口264对着外壳表面256，并且最接近开关装置母线254，以接收一部分520nm电弧光270以及一部分环境光272。
已经详细描述了本发明的具体实施例，本领域的技术人员应该理解，各种对于细节的修改和替换都可以根据公开的全部教导得出。因此，已公开的特别排列只是说明性的，并不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求及其任何的、全部的等同的完整范围给出。
参考标记列表2 中压开关装置(如15kV/50kV)4 电源6 三相电力总线(A、B、C相)8 第一短路开关10第二短路开关12地14光探测器16光探测器18光探测器20光探测器22电弧光24闪络故障26触发/电源电路28驱动信号30闪络故障光探测器32闪络故障34开关装置36三相电力总线38电弧光40光42环境光44光源44’ 光源45塑料光纤(POF)组件46光学分离器48520nm光滤波器50高频(HF)光电探测器
50’ 高频(HF)光电探测器52820nm光滤波器54高频(HF)光电探测器54’ 高频(HF)光电探测器56低通滤波器56’ 低通滤波器57电路58微分放大器58’ 微分放大器60高通滤波器60’ 高通滤波器62阈值检测器62’ 阈值检测器64调制光64’ 调制光66820nm LED68振荡器69比较器70POF光纤电缆72第一终端74第一光学连接器76一个或多个聚集部分78第二终端80第二光学连接器82光源的光学连接器84三相电力总线86三相电力总线88三相电力总线
90 光学分离器的光学连接器92 调制光94 聚集光96 开口98 外套100裸光纤101入射102第一光束104第二光束106传统光纤电缆组件108传统光纤电缆组件110第一滤波光束112第一检测光电信号112’ 第一检测光电信号114第二滤波光束116第二检测光电信号116’ 第二检测光电信号118代表大约820nm的聚集光的第三电信号118’ 代表大约820nm的聚集光的第三电信号120代表大约820nm和大约2MHz的调制光的第四电信号120’ 代表大约820nm和大约2MHz的调制光的第四电信号122检测信号z124出错信号R130闪络故障光探测器132交流/直流(AC/DC)转换器134外部交流(AC)电源136直流(DC)电压138直流(DC)电压
140直流(DC)电压142地144输入光电二极管146第一运算放大器148输出运算放大器150结型场效应晶体管(JFET)152反相输入154高阻抗反馈电阻156高阻抗反馈电阻158非反相输入160JFET源极162电阻164输出166运算放大器168电阻170电阻172电容174运算放大器176电阻178电阻180电阻182电阻184分压器186电阻187比较器188运算放大器190电容192电容
194电阻196并联电阻198电容200运算放大器输出202运算放大器204电阻206电阻208电阻210电阻212电阻214NPN晶体管216运算放大器输出220短路开关系统222一个或多个短路开关(SW)223电力总线224闪络故障226低压配电装置228检测和激活电路230短路开关负载(C)232激活电路(ACT)234激活信号236电输入238对总线断电的电路239短路元件240上游断路器(CB)250光纤“扁平”排列252电力系统外壳254开关装置母线
256面向开关装置母线的表面258光纤电缆260外套262内光纤264开口266聚集部分268螺线270520nm电弧光272环境光
权利要求
1.一种用于检测电力系统的部件(34)上的闪络故障(32)的装置(30；130)，在存在来自可包括第一预定波长的另一光源(42)的第二波长的光(40)的情况下，所述闪络故障产生所述第一预定波长的光(38)，所述第二波长不同于所述第一预定波长，所述装置包括光源(44)，提供所述第二波长和第一频率的调制光(64)；光纤(45)，包括第一终端(72)、聚集部分(76)以及第二终端(78)，所述光纤的第一终端从所述光源接收所述调制光，所述聚集部分最接近所述部件，并且接收包括一些所述第一预定波长的光以及一些所述来自另一光源的第二波长的光的聚集光(94)，所述光纤的第二终端包括所述调制光(92，64)以及所述聚集光(94)；分离器(46)，从所述光纤的第二终端接收所述调制光和所述聚集光，并且将所述调制光和所述聚集光分离为第一光束(102)和第二光束(104)；第一滤波器(48)，从所述第一光束中提取包括具有所述第一预定波长的第一波长带宽的第一滤波光束(110)；第一检测器(50)，从所述第一滤波光束中产生第一检测光电信号(112)；第二滤波器(52)，从所述第二光束中提取包括不具有所述第一预定波长的第二波长带宽的第二滤波光束(114)；第二检测器(54)，从所述第二滤波光束中产生第二检测光电信号(116)；第三滤波器(56)，从所述第二检测光电信号中提取代表所述一些来自另一光源的第二波长的并且不包括所述调制光的光的第三电信号(118)；以及用于响应所述第一检测光电信号和所述第三电信号之间的预定关系，产生燃弧信号(122)的装置(57)。
2.根据权利要求1的装置(30)，其中所述用于产生燃弧信号的装置(57)包括第四滤波器(60)和阈值检测器(62)，所述第四滤波器从所述第二检测光电信号中提取代表所述调制光的第四电信号(120)，所述阈值检测器响应所述第四电信号低于预定阈值，产生出错信号(124)。
3.根据权利要求1的装置(30)，其中所述用于产生燃弧信号的装置(57)包括比较器(58)，其比较所述第一检测光电信号和所述第三电信号，并且当所述第一检测光电信号超过所述第三电信号至少一个预定量时，产生所述燃弧信号。
4.根据权利要求1的装置(30)，其中所述电力系统的部件是开关装置母线(84，86，88)；其中所述光纤是塑料光纤(70)，包括外套(98)、内光纤(100)、位于所述第一终端的第一连接器(74)、在所述聚集部分的外套上的开口(96)以及位于所述第二终端的第二连接器(80)，所述第一连接器衔接所述光源，并且从中接收所述调制光，所述在聚集部分的外套上的开口最接近所述开关装置母线，所述第二连接器和所述分离器衔接，并且向其发送所述调制光和所述聚集光。
5.根据权利要求1的装置(30)，其中所述第二波长是大约820nm；其中所述第一频率是大约2MHz。
6.根据权利要求1的装置(30)，其中所述分离器是光学分离器(46)，其将所述调制光和所述聚集光分离成具有第一强度的第一光束和具有第二强度的第二光束，其中所述第一强度约等于所述第二强度。
7.根据权利要求1的装置(30)，其中所述第一波长是大约520nm；其中所述第一滤波器是包括第一波长带宽的光滤波器(48)，所述第一带宽包括520nm。
8.根据权利要求1的装置(30)，其中所述第二波长是大约820nm；其中所述第二滤波器是包括第二波长带宽的光滤波器(52)，所述第二带宽包括820nm。
9.根据权利要求1的装置(30)，其中所述电力系统的部件包括容纳开关装置母线(254)的外壳(252)，所述外壳包括面向所述开关装置母线的表面(256)；其中所述光纤(258)包括外套(260)、内光纤(262)以及在所述聚集部分(266)的外套上的开口(264)；其中所述在聚集部分的光纤形成螺线(268)，并且固定在所述外壳的表面上；其中所述在聚集部分的外套上的开口和所述表面相对，并且最接近所述开关装置母线，以接收所述一些第一预定波长的光(270)以及所述一些来自另一光源的光(272)。
10.一种检测电力系统的部件(34)上的闪络故障(32)的方法，在存在来自可包括第一预定波长的另一光源(42)的第二波长的光(40)的情况下，所述闪络故障产生所述第一预定波长的光(38)，所述第二波长不同于所述第一预定波长，所述方法包括提供(44)所述第二波长和第一频率的调制光(64)；使用包括第一终端(72)、聚集部分(76)和第二终端(78)的光纤(70)；在所述光纤的第一终端接收(74)所述调制光；将所述光纤的聚集部分设置为最接近所述部件，以接收聚集光(94)，所述聚集光包括一些所述第一预定波长的光以及一些所述来自另一光源的第二波长的光；从所述光纤的第二终端接收(90)所述调制光(92，94)和所述聚集光(94)，并且将所述调制光和所述聚集光分离(46)为第一光束(102)和第二光束(104)；从所述第一光束中提取(48)包括具有所述第一预定波长的第一波长带宽的第一滤波光束(110)；从所述第一滤波光束中产生(50)第一检测光电信号(112)；从所述第二光束中提取(52)包括不具有所述第一预定波长的第二波长带宽的第二滤波光束(114)；从所述第二滤波光束中产生(54)第二检测光电信号(116)；从所述第二检测光电信号中提取(56)代表所述一些来自另一光源的第二波长的并且不包括所述调制光的光的第三电信号(118)；以及响应所述第一检测光电信号和所述第三电信号之间的预定关系，产生(58)燃弧信号(122)。
11.根据权利要求10的方法，还包括比较(58)所述第一检测光电信号和所述第三电信号；以及当所述第一检测光电信号超过所述第三电信号至少一个预定量时，产生(58)所述燃弧信号。
12.根据权利要求10的方法，还包括从所述第二检测光电信号中提取(60)代表所述调制光的第四电信号(120)；以及响应所述第四电信号低于预定阈值，产生(62)出错信号(124)。
13.根据权利要求12的方法，还包括使用具有第一翻转频率的低通滤波器(56)，所述第一翻转频率低于所述第一频率，用于从所述第二检测光电信号中提取所述代表一些来自另一光源的第二波长的并且不包括所述第一频率的调制光的光的第三电信号；以及使用具有第二翻转频率的高通滤波器(60)，所述第二翻转频率高于所述第一翻转频率且低于所述第一频率，用于从所述第二检测光电信号中提取所述代表所述第一频率的调制光的第四电信号。
14.根据权利要求10的方法，还包括采用大约520nm作为所述第一预定波长；采用大约820nm作为所述第二波长。
15.一种用于保护电力系统(226)的总线(223)免受闪络故障(224)的装置(220，238)，在存在来自可包括第一预定波长的另一光源(42)的第二波长的光(40)的情况下，所述闪络故障产生所述第一预定波长的光(38)，所述第二波长不同于所述第一预定波长，所述装置包括光源(44)，提供所述第二波长和第一频率的调制光(64)；光纤(45)，包括第一终端(72)、聚集部分(76)和第二终端(78)，所述光纤的第一终端接收来自所述光源的调制光，所述聚集部分最接近所述部件，并且接收包括一些所述第一预定波长的光和一些所述来自另一光源的第二波长的光的聚集光(94)，所述光纤的第二终端包括所述调制光(92，64)和所述聚集光(94)；分离器(46)，从所述光纤的第二终端接收所述调制光和所述聚集光，并且将所述调制光和所述聚集光分离为第一光束(102)和第二光束(104)；第一滤波器(48)，从所述第一光束中提取包括具有所述第一预定波长的第一波长带宽的第一滤波光束(110)；第一检测器(50)，从所述第一滤波光束中产生第一检测光电信号(112)；第二滤波器(52)，从所述第二光束中提取包括不具有所述第一预定波长的第二波长带宽的第二滤波光束(114)；第二检测器(54)，从所述第二滤波光束中产生第二检测光电信号(116)；第三滤波器(56)，从所述第二检测光电信号中提取代表所述一些来自另一光源的第二波长的并且不包括所述调制光的光的第三电信号(118)；用于响应所述第一检测光电信号和所述第三电信号之间的预定关系，产生燃弧信号(122)的装置(57)；以及用于响应所述燃弧信号，对所述总线断电的装置(238)。
16.根据权利要求15的装置(220，238)，其中所述用于响应所述燃弧信号对所述总线断电的装置(238)包括响应所述燃弧信号使所述总线短路的短路开关(222)，和响应所述故障总线的过电流检测对所述总线断电的上游断路器(240)。
17.根据权利要求16的装置(220，238)，其中所述用于产生燃弧信号的装置(57)包括第四滤波器(60)和阈值检测器(62)，所述第四滤波器从所述第二检测光电信号中提取代表所述调制光的第四电信号(120)，所述阈值检测器响应所述第四电信号低于预定阈值，产生出错信号(124)。
18.根据权利要求16的装置(220，238)，其中所述短路开关(222)包括短路元件(239)；其中所述用于断电的装置(238)包括控制电路(232)，其输入所述燃弧信号(122)和所述出错信号(124)，当所述燃弧信号为真且所述出错信号为假时，所述控制电路驱动所述短路元件。
19.根据权利要求15的装置(220，238)，其中所述光纤(70)包括外套(98)、内光纤(100)、位于所述第一终端(72)的第一连接器(74)、在所述聚集部分(76)的外套上的开口(96)以及位于所述第二终端(78)的第二连接器(80)，所述第一连接器衔接所述光源(44)，并且从中接收所述调制光(64)，所述在聚集部分的外套上的开口最接近所述总线(223)，所述第二连接器(80)和所述分离器(46)衔接，并且向其发送所述调制光(92)和所述聚集光(94)。
20.根据权利要求15的装置(220，238)，其中所述总线(254)设置在外壳(252)内，所述外壳(252)包括面向所述总线的表面(256)；其中所述光纤(258)包括外套(260)、内光纤(262)以及在所述聚集部分(266)的外套上的开口(264)；其中所述在聚集部分的光纤形成螺线(268)，并且固定在所述外壳(252)的表面(256)上；其中所述在聚集部分的外套上的开口(264)和所述表面相对，并且最接近所述总线，以接收所述一些第一预定波长的光(270)以及所述一些来自另一光源的光(272)。
全文摘要
一种装置(30)检测第一波长的闪络故障(32)。光源(44)提供第二不同波长和第一频率的调制光(64)。光纤(70)接收调制光，并且聚集两种波长的环境光(94)。分离器(146)接收光，并且将收到的光分离为第一和第二光束(102，104)。第一滤波器(48)从第一光束中提取包括第一波长的第一滤波光束(110)。第一光电探测器(50)从第一滤波光束中产生第一电信号(112)。第二滤波器(52)从第二光束中提取不包括第一波长的第二滤波光束(114)。第二光电探测器(54)从第二滤波光束中产生第二电信号(116)。低通滤波器(56)从第二电信号中提取代表不包括调制光的第二波长的光的第三电信号(118)。当第一电信号超过第三电信号时，比较器(58)产生燃弧信号(122)。
文档编号H02B13/065GK1637425SQ20041010477
公开日2005年7月13日 申请日期2004年12月3日 优先权日2003年12月5日
发明者J·J·谢伊 申请人:伊顿公司