使用滤波陷波电路以提供电弧故障脱扣协调的配电系统和电气开关设备的制作方法

专利名称：使用滤波陷波电路以提供电弧故障脱扣协调的配电系统和电气开关设备的制作方法
技术领域：
本申请所公开的概念一般涉及电气开关设备，特别涉及诸如电弧故障电路中断器 的电气开关设备。所公开的概念还涉及包括电弧故障电路中断器的配电系统。
背景技术：
电气开关设备包括例如电路开关装置以及例如断路器和网络保护器等的电路中 断器。电气开关设备一例如电路中断器，特别是模制外壳类断路器一在现有技术中众所 周知。参见例如美国专利No. 5，341，191。断路器用于保护电路免受由于过流状况引起的损坏，例如过载状况、短路或者电 弧故障或接地故障等其他故障状况引起的损坏。模制外壳断路器典型地包括每相一对可分 离触头。该可分离触头可以通过壳外设置的手柄手动操作或是响应于检测到的故障状况自 动操作。典型地，这样的断路器包括操作机构，其被设计为快速开合可分离触头；脱扣单 元，其检测多种故障状况，以便自动对断路器进行脱扣。在检测到故障状况时，脱扣单元将 操作机构脱扣至脱扣状态，由此将可分离触头移至其断开位置。工业断路器通常采用断路器框架(frame)，其容纳脱扣单元。参见例如美国专利 No. 5，910，760和No. 6，144，271。脱扣单元可以是模块化的，且可以是可替换的，以便改变 断路器的电气特性。使用这样的脱扣单元是众所周知的其采用微处理器来检测多种类型的过流或其 他故障状况并提供多种保护功能，例如长延时脱扣、短延时脱扣、瞬时脱扣、电弧故障脱扣 或短路故障脱扣。长延时脱扣功能保护由所保护电气系统供电的负载免遭过载和/或过 流。短延时脱扣功能可用于协调断路器分层结构中的下游(downstream)断路器的脱扣。瞬 时脱扣功能保护断路器所连接的电导体免受例如短路等破坏性过流状况。电弧故障脱扣功 能保护电路免受串联和/或并联电弧故障。不言而喻，接地故障脱扣功能保护电路免受接 地故障。通过区域联锁可以实现断路器之间的过流脱扣协调，在区域联锁中，保护层级中 较低的断路器向上游断路器发送故障检测信号，从而暂时降低上游断路器区域(例如，短 延时)中脱扣曲线的敏感性，使得下游断路器有时间响应。偶发电弧故障状况中，故障电流的均方根(RMS)值太低，以至于不能致动热磁脱 扣机构。传统断路器由此将不能脱扣。附加电子电弧故障感应的断路器可为溅射电弧故 障提供保护。理想地，电子电弧感应电路的输出直接脱扣(即断开)断路器。参见例如 美国专利 No. 6，710，688 ；No. 6，542，056 ；No. 6，522，509 ；No. 6，522，228 ；No. 5，691，869 和 No. 5，224，006。电弧故障可以串联或并联。串联电弧的示例是断线，其中断线的末端足够接近从 而引发电弧；或者，松散或相对薄弱的电气连接。并联电弧发生在不同电位的导体之间或电 力导体与地之间。与并联电弧故障不同，由于故障与负载串联，串联电弧故障几乎从不引起电流的增加。事实上，串联电弧故障会导致负载电流减小，且不能被传统保护装置的常规过 载和过流保护检测到。甚至是可在电路中吸取超过常规额定电流的电流的并联电弧使得电 流足够分散以产生小于引发热脱扣或者至少是延 时操作所需的RMS值。电弧电压和线路阻 抗的影响通常防止并联电弧达到足以致动瞬时脱扣功能的电流水平。此外，这种影响带来 的损坏由于这些故障的集中特性而更为严重。人们希望对故障状况的协调脱扣响应，以便在上游断路器不脱扣的同时确保最接 近于故障的断路器脱扣断开，由此使得由于隔离故障所引起的对整个系统的扰动最小化。对于电弧故障电路中断器协调，期望能够隔离电弧故障(最小化系统扰动)。但 是，并不存在提供上下游电弧故障电路中断器之间的电弧故障脱扣协调的已知协调电弧故 障电路中断器。电气开关设备中存在改进的余地，例如，电弧故障电路中断器中存在改进的余地。包含电弧故障电路中断器的配电系统中也有改进的余地。

实用新型内容这些和其他需求可通过所公开概念的实施例来达到，其减少了来自远离电力线路 (例如但不限于下游次级支路保护电力线路)的区域的电弧信号，同时，集中了来自电力线 路(例如但不限于主电力线路；次级馈电线路)本地区域的电弧信号。这样使得最接近于 电弧故障的电气开关设备脱扣，同时，阻止了例如上游馈线断路器或相邻支路中的断路器 发生脱扣。因此，这样可以在串并联电路保护装置之间建立可行且有用的电弧故障脱扣协 调，例如在主路中断器和支路中断器之间。电路中断器包括电感和电容，其被结构化为与端子(例如负载端子)下游的电力 线路阻抗相配合以形成滤波陷波电路。优选地，通过在使最接近于电弧事件的电路中断器 的直接下游的电弧事件所发出的电弧信号经过电弧故障脱扣电路的感应器之后将这些电 弧信号汇聚(sink)到地或中性点，滤波陷波电路将最接近于电弧事件的电路中断器的直 接下游的电弧事件所发出的电弧信号最大化，并阻止电弧信号到达上游电路中断器或邻近 电路中断器。根据所公开概念的一个方面，电气开关设备包括第一端子；第二端子；电气连接 在第一端子和第二端子之间的可分离触头；开闭可分离触头的操作机构；与操作机构协调 的电弧故障脱扣电路，其被结构化为响应于电弧故障条件脱扣断开可分离触头；串联电气 连接在第一端子和第二端子之间的电感器；电容器，其包括电气连接在电感器和第二端子 之间的第一引线，以及电气连接至接地导体或中性导体的第二引线，其中，电感器和电容器 被结构化为与第二端子下游的电力线路阻抗相配合以构成滤波陷波电路。根据所公开概念的另一方面，电弧故障电路中断器包括第一端子；第二端子；电 气连接在第一端子和第二端子之间的可分离触头；开闭可分离触头的操作机构；与操作机 构相配合的电弧故障脱扣电路，该电弧故障脱扣电路被结构化为响应于电弧故障条件脱扣 断开可分离触头；串联电气连接在第一端子和第二端子之间的电感器；第一电容器，包括 电气连接在电感器和第二端子之间的第一引线，以及电气连接至接地导体或中性导体的第 二引线；第二电容器，包括电气连接在第一端子和电感器之间的第一引线，以及电气连接至 接地导体或中性导体的第二引线，其中，电感器和第一电容器被结构化为与第二端子下游的电力线路阻抗相配合以构成第一滤波陷波电路，且其中，电感器和第二电容器被结构化 为与第一端子上游的电力线路阻抗相配合以构成第二滤波陷波电路。根据所公开概念的又一方面，电弧故障电路中断器包括第一端子；第二端子；电 气连接在第一端子和第二端子之间的可分离触头；开闭可分离触头的操作机构；与操作机 构相配合的电弧故障脱扣电路，该电弧故障脱扣电路响应于电弧故障条件脱扣断开可分离 触头；串联电气连接在第一端子和第二端子之间的电感器；可变电容器，包括电气连接或 可电气连接在电感器和第二端子之间的第一引线，以及电气连接至接地导体或中性导体的 第二引线；改变可变电容器的自适应电路，其中，电感器和可变电容器被结构化为与第二 端子下游的电力线路阻抗相配合以建立具有中心频率的滤波陷波电路，且其中，自适应电 路进一步结构化为改变滤波陷波电路的中心频率，从而适应第二端子下游的电力线路的变 化。根据所公开概念的又一方面，配电系统包括多个不同区域；多个不同的电弧故 障电路中断器，每个不同的区域具有所述多个不同的电弧故障电路中断器中的数个，其中， 所述多个不同的电弧故障电路中断器中的多个各自包括第一端子，第二端子，电气连接在 第一端子和第二端子之间的可分离触头，开闭可分离触头的操作机构，与操作机构相配合 的电弧故障脱扣电路，该电弧故障脱扣电路响应于电弧故障条件脱扣断开可分离触头，串 联电气连接在第一端子和第二端子之间的电感器，电容器，包括电气连接在电感器和第二 端子之间的第一引线以及电气连接至接地导体或中性导体的第二引线，其中，电感器和电 容器被结构化为与第二端子下游的电力线路阻抗相配合以构成滤波陷波电路。根据所公开概念的又一方面，检测设备包括第一端子；第二端子；检测电弧故 障条件的电弧故障检测器电路；串联电气连接在第一端子和第二端子之间的电感器；电容 器，包括电气连接到电感器和第二端子的第一引线，以及电气连接至接地导体或中性导体 的第二引线，其中，电感器和电容器被结构化为与第二端子下游的电力线路阻抗相配合以 构成滤波陷波电路。

结合附图，根据下述优选实施方式的描述，可以完全理解所公开的概念，其中图1是根据所公开概念的实施方式的电力线路的原理图形式的框图，该电力线路 包括三个区域和多个电弧故障电路中断器；图2是根据所公开概念的另一实施方式的电力线路的原理图形式的框图，该电力 线路包括三个区域和多个电弧故障电路中断器；图3是根据所公开概念的又一实施方式的电力线路的等效电路的原理图形式的 框图；图4是图3的三个区域中用于电弧故障的第一区域感应器的信号幅度vs频率的 曲线图；图5是图3的三个区域中用于电弧故障的第二区域感应器的信号幅度vs频率的 曲线图；图6是图3的三个区域中用于电弧故障的第三区域感应器的信号幅度vs频率的 曲线7[0027]图7是图2中一个断路器的部分的原理图形式的框图；图8是根据所公开概念的又一实施方式的电力线路的等效电路原理图形式的框 图。
具体实施方式
此处应用的术语“数个”表示一个或大于一的整数个(即复数个)。这里应用的术语“处理器”表示可以存储、检索和处理数据的可编程模拟和/或数 字装置；计算机；工作站；个人电脑；微处理器；微控制器；微型计算机；中央处理单元；大 型计算机；小型计算机；服务器；联网处理器；或者，其它合适的处理装置或设备。公开的概念联系配电系统描述，其包括三个区域以及三个或者更多的单相电弧 故障断路器，但公开的概念适用于宽广范围的配电系统，该配电系统包括一个或更多相以 及两个或更多区域，其中的每一个包括一个或更多的具有电弧故障脱扣电路的电气开关设 备。如图1所示，电力线路2包括第一(主)区域4、第二(次级馈电)区域6、第三 (分支)区域8，应当理解，所公开的概念适用于包括两个或更多不同区域的宽广范围的电 力线路。在三个示例区域4、6、8的每一个中，不对称阻抗由对应的电气开关设备的电感(L) 和电容(C)元件以及区域4、6、8或电力线路2中对应部分的电阻(R)元件确定，电气开关 设备例如为断路器(CB)等电弧故障电路中断器。电容(C)元件将下游电弧信号最大化并 将之引入第一区域4中的对应的感应器，例如Si。由此，这汇聚了来自相邻下游区域的电弧 信号。电感(L)元件阻止下游电弧信号到达上游区域，并且阻止上游电弧信号到达下游区 域。例如区域4的区域始于例如CB 22的电路中断器。该区域结束于下一电路中断器，例 如CB 20或CB 34。下一区域始于例如CB 20并延伸至下一 CB，例如14A，或延伸至负载，例 如35。例如，第三区域8的支路馈线12上的电弧故障10产生被引入支路CB14A的电弧 频率，通过电容器C316，以便进行正确的检测。但是，这些电弧频率的传送被电感器L318阻 断，这样防止任何上游断路器(例如，CB20，22)脱扣。另外，电感器L318阻止任何上游电 弧信号一例如来自电弧故障24，26的一到达下游CB MA0在第三区域8的示例负载中心 14中，所有断路器一例如14A，14B-均相同，但为了描述方便，仅仅示出了 CB 14A—起使 用的感应器S3、电感器L318和电容器C316。应当理解，其他断路器一例如14B--可具有 如本文所述的相同或类似的电路。如果电容器C3如图所示定位(感应器S3上游)，其阻 止上游电弧信号到达感应器S3，同时使合适的下游电弧信号汇聚经过感应器S3。但是，在 检测频率上，如果负载阻抗R3类似于由C3提供的阻抗，一些上游电弧信号可以通过感应器 S3。电感器L3更为有效地阻止不希望的下游电弧信号到达上游感应器，例如S2，并且阻止 例如24的下游电弧信号到达下游感应器S3。类似地，如果例如24的电弧故障发生在第二区域6，电容器C2a 28汇聚电弧信号， 从而脱扣第二区域6中的断路器20，以便进行故障的适当检测和中断。另外，电感器L2a 30 将这些电弧频率从上游断路器22阻断开，并将任何上游电弧信号从下游断路器20，14A阻 断开。电感器(L)和电容器(C)的组合被设置为阻断电弧信号，由此保护上游断路器和下 游断路器避免不必要的脱扣。[0035]第一区域4的主断路器22采用类似的滤波陷波(例如，频率陷波)电路。如果电 弧故障一例如26-发生在第一区域4，电容器C130汇聚电弧信号，从而脱扣第一区域4中 的断路器22，以便进行故障的适当检测和中断。另外，电感器L132将这些电弧频率与任何 上游断路器(未示出)阻断开，并将任何上游电弧信号(未示出)与下游断路器22、20、34、 14A阻断开。电弧故障电路中断器一例如由示例CB 22示出的一包括第一线路端子40，第二 负载端子42，电气连接在端子40、42之间的可分离触头44，开闭可分离触头44的操作机构 (OM)46，与操作机构46相配合的电弧故障脱扣(AFT)电路48。电弧故障脱扣电路48包括 感应器Si，并被结构化为响应于电弧故障条件一例如示例性电弧故障26-脱扣断开可分 离触头44。电感器(Ll)32串联电气连接在第一线路端子40和第二负载端子42之间。电 容器(Cl)30包括电气连接在电感器32和第二负载端子42 (感应器Sl上游)之间的第一 引线50以及电气连接至接地导体或中性导体54的第二引线52。电感器32和电容器30被 结构化为与第二端子42下游的电力线路阻抗一例如示例性母线馈线电阻(Rla) 56-相配 合以建立滤波陷波电路58。滤波陷波电路58被结构化为将来自第二端子42下游的电弧故障26的第一电弧 信号传送到电弧故障脱扣电路48，并将来自第一端子40上游的电弧故障(未示出)的第 二电弧信号从电弧故障脱扣电路48阻断。例如但不限于，第一电弧信号可具有关于大约 IOOkHz到大约IOMHz的范围的频率，但所公开的概念适用于宽范围的电弧信号频率。优选 地，滤波陷波电路58被结构化为使下游电弧故障26的信号强度最大化并使第一端子40上 游电弧故障(未示出)的信号强度最小化。例如但不限于，电感器(Ll)32的电感可以是大 约ΙΟμΗ，而电容器(Cl)30的电容可以是大约0.3μ F，但所公开的概念适用于宽范围的电 感和电容，并适用于宽范围的滤波陷波电路58的对应中心频率。使用单个电容器一例如C130-的一种考虑在于，电路参数能通过削弱信号或在 一些情况下放大信号来影响信号。由于电力线路一例如2—可长也可短，并且可能在不同 时间或不同情况下发生谐振，因此，可能希望改变电容器的值以便使性能最优化。希望一个区域(例如，示例区域4、6、8中的区域4)内对电弧故障的反应并不依赖 于其在该区域内的位置。为了以这样的方式对电弧进行标准化(normalize)，在每个区域 4、6、8内对所关心的电弧频率(例如但不限于在大约IOOkHz到大约IOMHz的范围内)进 行“陷波(trapped)”并将之记录在合适的电路中断器(例如，在该示例中为紧接的上游断 路器22)中，这些都是非常重要的。通过这种方式，可使故障检测和隔离正确、精确并且非 常有效。参照图2，示出了另一电力线路62。电力线路62与图1的电力线路2有些类似， 除了已被简化并使用了不同的电弧故障电路中断器一例如CB64-之外，其包括自适应电 路88和多个电容器79。示例CB 64包括第一线路端子66、第二负载端子68、电气连接在端 子66与68之间的可分离触头70，开闭可分离触头70的操作机构(OM) 72、与操作机构72 相配合并响应于例如76的电弧故障脱扣断开可分离触头70的AFT电路74。美国专^lJ No. 6, 710, 688 ；No. 6, 542, 056 ；No. 6, 522, 509 ；No. 6, 522, 228 ； No. 5，691，869和No. 5，224，006中公开了用于AFT电路48 (图1)禾口 74 (图2)的合适的电 弧故障检测器，在此将其引入作为参考，但可采用任何合适的电弧故障检测器或电路中断
9器。电感器78串联电气连接在第一线路端子66和第二负载端子68之间。采用数个 电容器79。如图所示，具有三个示例电容器(C1A，C1B，C1C)79。所述数个电容器79中的每 一个，例如(ClB) 80，包括电气连接在或可电气连接在电感器78和第二负载端子68 (用于 AFT 74的感应器上游(未标示))之间的第一引线82以及电气连接至接地导体或中性导体 86的第二引线84。自适应电路88调节电感器79的数目，如将在下面阐释的那样。电感器 78和所述数个电容器79中的至少一个与第二端子68下游的系统阻抗90相配合以建立具 有希望的中心频率的滤波陷波电路92。自适应电路88改变滤波陷波电路92的中心频率， 从而适应于第二端子68上游电力线路中的变化，并由此提供最大化的电弧状况信号强度。如图2所示，示例的数个电容器79是多个不同电容器，例如示例电容器(C1A)94、 (ClB)80、(ClC)96。自适应电路88选择所述多个不同电容器94、80、96中的数个，并将所述 多个不同电容器94、80、96中所选择的数个的第一引线一例如82—电气连接在电感器78 和第二负载端子68之间。在此实例中，自适应电路88包括谐振检测器98和滤波陷波选择 电路100。以下将结合图7讨论自适应电路88的实例。由于电力线路一例如62—可由于不同情况下负载和电路的增加和移除而时间 变化或被改变，希望改变多个电容器的值，例如所述数个电容器79的有效电容值，从而重 建最优化的性能。该实例中，如下面将结合图7详细讨论的，自适应电路88可通过对电 力线路62进行激荡(ringing)以确定阻抗参数从而实现这一点。例如，示例谐振检测器 98(例如但不限于合适的电子电路、合适的处理器程序)决定多个不同电容器中的哪个(或 哪些)一例如电容器94、80、96中的一个或更多一与电路参数最为匹配。例如，通过衰荡 (ring down)测试来发现希望的电容器，并且通过滤波陷波选择电路100命令多个对应的 固态开关(SSSs) 102、104、106闭合。这采用了合适的电容并确保最大化的电弧信号被引入 与该电力线路阻抗相关联的CB 64。参照图3，示出了用于另一电力线路的等效电路116。除了例如CB2 ’ 120和CB3，142 被改变为分别包括附加电容器C4122和C5124以外，此电力线路与图1的电力线路2有些 类似，如下所述。此外，断路器120、142与图1的断路器14A、20、22、34相似或相同。为了 便于描述，图1的可分离触头44和AFT 48没有示出。但是，电容器C4122和C5124最初假 定为开路，使得等效电路可以用于例如图1中的电力线路2。图3的等效电路116中，仅仅 开启一个故障AC源126、128、130，每次开启一个，以便模拟电力线路中多个点的扰动。线路长度在每个传输线片段内定义，示例的隔离模块132、134是“ π ”形C_L_C滤 波电路(用于CB2’ 120和CB3’ 142)，其例如包含在对应的断路器120、142内，并具有由下 游(例如，图3右侧)电容器C2138或C3140所感应的电流。C-L-C滤波电路增强了对上游 电弧信号的阻断以及对下游电弧信号强度的保持(例如，参见下文的表Ivs.表2)。用于 CBl' 118的隔离模块136是L-C滤波电路。电阻器R3150是用于第三区域8’的负载电阻器。实例1如图3和8所示，例如，电感(L1152，L2154，L3156)为例如10 μ H，电容(C1158， C2138，C3140，C4122，C5124)为例如 0.3 μ F。区域 4，、6，、8，的传输线参数近似为 0. 04nF/ 米，0.8 μ H/米和125mohm/米。长度01、02和03分别为20m、30m和40m。电容器158、138、140对电弧引起的在AC电流波形上的频率进行陷波。上游感应器S4、S5(图8)分别从对应的区域8’、6’检测对应的断路器142A、 120A(图8)上游的电弧故障。下游感应器S3、S2分别从对应的区域8’、6’检测对应的断 路器142A、120A下游的电弧故障。这样具有以下优点(1)感应器冗余；和/或⑵有可能 出于简化和/或节约费用的目的消除上游断路器中的类似功能。尽管用于最大化或最小化电弧信号的滤波电路元件已经公开为与对应的可分离 触头位于同一地点，由于C-L-C滤波电路(图3和8)是对称的，应该理解，图8中的两个感 应器S5、S2或S4、S3可以以下面的方式使用。下游感应器S2、S3感应下游电弧并可用于操 作任何位于同一地点的可分离触头(未示出，但参见图1中的可分离触头44和感应器Si)。 上游感应器S5、S4感应上游故障，并可用于通过任何合适的机构(例如但不限于并联脱扣 (shunt trip))触发其他装置(未示出)，或者用于简单地向远程CPU(未示出)提供信息。 对称的C-L-C滤波电路有利地将每个感应器与滤波电路的相反侧上的错误信息隔离。实例2图4-6是对于图3的等效电路116的故障协调的合适的电路仿真输出的曲线图 110、112、114。曲线图110、112、114分别用于图3中的区域4’、6’、8’。例如，“AC分析”模 式允许观测频率范围上的结果，例如但不限于1伏特的故障AC源所提供的。图4、5和6各自的曲线图110、112和114分别对应于第一区域4’(由V1126激 励)、第二区域6，(由V2128激励)、第三区域8，(由V3130激励)中的电弧。下面的表1 示出了例如但不限于500kHz时评估的结果，其中，结果相对于1伏特用dB表示。 表 1表1示出了使用C-L-C滤波电路对于图3的三个示例区域4 ’，6 ’，8 ’各自的电弧故 障的成功隔离，在该滤波电路中，C4的电容等于C2的电容，C5的电容等于C3的电容。这包 括各个区域中每个电路中断器一例如CB1’ 118，CB2，120，CB3，142—上的信号强度。采 用电容C1158和感应器Sl的第一区域4’具有_35dB的信号(例如，相对较强的信号)，而 采用电容C2138和感应器S2的第二区域6’具有-IOOdB的信号(例如，相对较弱的信号)， 采用电容C3140和感应器S3的第三区域8’具有-170dB的信号(例如，相对最弱的信号)。[0057]在该实例中，按照住宅、商业或工业设备中的电力线路的通用和典型选择，将电力 线路的线路长度01、02、03分别选择为大约20m、30m、40m(图3中从左至右)，但可采用任 何合适的长度。在给定应用中选择的电感(L1152，L2154，L3156)(例如但不限于10 μ H)和 电容(C1158、C2138、C3140)(例如但不限于0. 3yF)受到附加并联负载(未示出)和电路 中断器CB1’ 118，CB2，120，CB3，142之间线路长度(例如但不限于大约0. 04nF/m，0. 8 μ H/ m和125mohm/m)的影响。依赖于频率，线路长度的谐振影响可以在高于大约1/4波长时开 始发生，并在波长(例如，Romex 电线或电缆的大约225英尺处)时具有相对较大 的影响。下面的表2示出例如但不限于500kHz时评估的结果，其中，结果相对于1伏特用 dB表示。这用于图3的L-C滤波电路，其中，C4和C5开路。 表 2显然，隔离得以实现，但不如表1所示那样完全。实例3参照图7，自适应电路88(图2)的示例在变化的电路条件下实现最大化信号强度 的适应性。示例自适应电路88使对应的电力线路160激荡以确定阻抗参数。例如，合适的 电子电路(未示出)或合适的处理器程序162决定多个不同电容器164、166、168中的哪一 个(或哪几个)最适合于线路参数。例如，可以选择多个电容器并将之并联以提供相对较 大的电容值。通过衰荡测试发现所希望电容器164、166、168，并分别命令对应的固态开关 (SSSs) 170、172、174闭合。这采用了合适的电容器164、166、168，并确保合适的电弧信号被 引入与电力线路阻抗相关联的电路中断器(例如图1的CB 22)。合适的电路176最初将阶跃脉冲施加到电路中断器(例如，图1的CB22)下游电 力线路160的电力线上(即负载到中性点)。电路参数(例如图1中的L132、C130和Rla 56)的组合使得某些频率下产生最优的信号强度。该频率限定需要什么电容(电容器164、 166和/或168中的一个或更多)来增加电路中断器可分离触头178的下游(例如，线路至 中性点)，以便既最大化来自负载侧(例如，图7右侧)的信号强度，又阻断来自电路中断器 线路侧(例如，图7左侧)的信号。电路176对电力线路160施加脉冲，并从多个不同的电容器164、166、168中进行 选择，从而提供可变电容并得到希望的电容值。产生最高电压的电容是最接近于谐振点的 电容。处理器程序162的算法包括(1)用电路176，使电力线路160激荡；(2)通过微处理器(μ P) 183测量通过信号调节电路180和模数转换器(ADC) 182的结果得到的电压；(3) 将测量电压保存在存储器184中；(4)比较所存电压与先前所存的最高电压值，如果更高， 将新的最高值存储在存储器184中；(5)从不同电容器164、166、168中选择下一电容值；以 及(6)重复步骤(1)_(5)，直到所有可能的电容值均被测试。结果是，对于给定的电力线路 160和对应的电路元件(例如，电感器186和下游电力线路阻抗(未示出)(例如，图1的 Rla 56或R2a 56，))选择最优电容值。实例 4以下描述了使示例电路一例如图7的160-激荡的传统衰荡测试，但可以采用任 何合适的测试。示例电路176包括调谐电感器188，调谐电感器188由来自函数发生器190 和相对较小的电感器192的方波震激。电路176中，方波函数发生器190通过电阻器194 电气连接至相对较小的电感器192。例如但不限于，电感器192可以仅仅是几匝导线而电感 器188可以包括大约30匝。电感器192在这里用作变压器的原方，变压器的副方为相对较 小的电感器188。与常规变压器(未示出)由正弦源(比如常规的60Hz AC电力线)驱动 的通常情况不同的是，这里，变压器196由方波驱动。当方波发生器190所供给的电压突然 改变时，通过电感器188的磁通突然变化，在其中产生电动势(emf)。通过电感器188的磁 通中的这种突然变化意味着其已经由函数发生器190震激。电感器188中由震激所感应的 电动势的极性总是与通过该电感器188磁通中的变化方向相反。作为包括电感器188和电 容器198、200(和/或多个电容器164、166、168)的调谐系统对于由方波发生器190所引起 的磁通突然变化的自然响应，该系统中的电压为衰荡，即阻尼的正弦波。如果从激荡调谐系统(电感器188和电容器198、200(和/或数个电容器164、166、 168)移除能量的起因仅仅是该调谐系统自身固有的，那么，测量衰荡的幅度从某个数值下 降至该值一半时所需要的时间将会给出对调谐系统的Q的非常准确的测量。由此测量的时 间称作半幅衰减时间并由τ1/2表示。但是，除了仅与调谐系统(主要是绕卷电感器188的 电线电阻)相关联的损耗，某些能量总是通过包含电阻器194和电感器192的电路中耗散 而从激荡调谐系统移除。由于电感器192总是通过磁通与电感器188相联系，使得这两个 电感线圈感应耦合，因此，能量通过包含电阻器194和电感器192的电路从电感器188中移 除。由于调谐系统“激荡”，一些能量从电感器188传送至电感器192，此能量的一部分由于 电阻器194和电感器192的绕组的不可避免的电阻而丧失。实例 5图3中，应当理解，电容器(C5) 124包括电气连接在线路端子206和电感器156 之间的第一引线204电气连接至接地导体或中性导体(没有特别示出，但参见图1的导线 54)的第二引线208。电感器156和电容器124与线路端子206上游的电力线路阻抗(未 示出)相配合以构成滤波陷波(例如，频率陷波)电路210。例如，滤波陷波电路210可具 有大约IOOkHz到大约IOMHz范围的中心频率，但所公开的概念可适用于宽广范围的电弧信 号频率。例如但不限于，电感器156的电感可以是大约10 μ H，电容器124的电容可以是大 约0.3yF，但所公开的概念适用于宽广范围的电感和电容。应当理解电容器(C4)122的功 能类似于电容器(C5)124。实例6例如，在负载中心中，所公开的C-L-C滤波电路的简化是可能的。在负载中心中，例如在图1的14中，其在相对较近的距离中包含有多个(例如，支路)断路器，例如14A、 14B，可以将上游电容器一例如C5124(图3) —合并为跨越所有这些邻近断路器的一个电 容器，例如14A、14B，使得上游电容器一例如C5124-仅由例如14A的一个断路器使用，而 不被数个其他断路器例如14B所需要。这也允许图3的C-L-C滤波电路的优势在普通负载 中心14的所有断路器14A、14B中实现。因此，这允许其他断路器一例如14B-的简化。实例7由于图3中的电容器C4122(或C5124)在较高频率时与电容器C2138 (C3140) 具有相同的电流幅度，如图8所示，因此，对于一个断路器，可以采用两个感应器(例如， CB3” 142A具有下游感应器S3和上游感应器S4 ；CB2” 120A具有下游感应器S2和上游感应 器S5)来检测上游和下游区域中的电弧电流，这在限制所用特殊电路中断器数量以及在多 个区域应用提供冗余性的方面是有利的。除了感应器S4和S5，相应的电路中断器CB3”142A 和CB2”120A可与图3中相应的中断器CB3，142和CB2，120相同或相似，除了电容器C5124 和C4122以外，其均与图1的电路中断器14A、20、34、22相同或相似。在图8中，各个感应 器S4和S5采用对应的AFT电路(未示出)，或者，各个感应器S4，S5也可由一个AFT电路 (未示出)对于其信号交替使用。实例8如下所述，可采用此实例来得到L-C滤波电路中合适的灵敏度差。配电系统一例 如图1的电力线路2、图2的电力线路62、或者图3的电力线路等效线路116所表示的电力 线路(未示出)一包括例如图1的区域4、6和8的多个不同区域以及例如图1的各个断路 器22、20和24及14A的多个不同电弧故障电路中断器。由此，每个不同区域4、6、8中具有 所述多个不同电弧故障电路中断器22、20，34、14A中的数个断路器。尽管示出了三个示例 区域4、6、8，但是可以有两个不同的区域，或者，可以有四个或更多的不同区域。添加特定值的电感器(例如，L132)和电容器(例如，C130)使得对应的断路器 (例如CB 22)对于电弧事件和电弧能量相对更为敏感或更不敏感。因此，这可使得额定值 相对较低的断路器(例如，在下游区域中)对于相对较低电流的电弧更为敏感(例如，通过 采用相对较大的电容)，并使额定值相对较大的断路器(例如，在上游区域中)相对较不敏 感(例如，通过采用相对较小的电容)，同时，保持区域协调故障保护的益处。如果负载阻抗 由于负载电路的改变而变化，还可通过选择电容器(例如，C130)(如上结合图2所述)得 到最优化的信号强度。实例9尽管图1显示出可分离触头44设置在L-C滤波电路的电感器32和电容器30之 间，可分离触头44还可设置在电感器32上游(即图1中的电感器32左侧)或是设置在电 容器30和感应器Sl之间(即图1中可分离触头44和电容器30之间节点的右侧，但在感 应器Sl的左侧)。感应器Sl可设置在可分离触头44的上游或下游。优选地，感应器Sl在 可分离触头44的下游(即图1中可分离触头44的右侧)。实例10与实例9有些类似，对于图3的C-L-C滤波电路，可分离触头(未示出，但参见图1 的可分离触头44)可设置在电容器122和电感器154之间(即在电感器154和电容器122 共享的节点右侧，并与电感器154串联)、电感器154和电容器138之间(即电感器154和电容器138共享的节点左侧并与电感器154串联)或电感器138和感应器S2之间(即电感 器154和电容器138共享的节点右侧，但在电感器S2的左侧，并与电感器154串联)。感应 器S2可设置在可分离触头上游或下游。优选地，感应器S2设置在可分离触头的下游(即， 图1中可分离触头44的右侧)。实例11在图1中，支路断路器14A、14B彼此邻近地设置在负载中心14之内。由支路断路 器14A的电感器18和电容器16组成的第一滤波陷波电路提供来自另一支路断路器一例 如14B-的电弧故障信号隔离。类似地，支路断路器14B的第二滤波陷波电路(未示出，但 参见由支路断路器14A的电感器18和电容器16组成的滤波陷波电路)提供来自另一支路 断路器一例如14A-的电弧故障信号隔离。实例12尽管公开了断路器14々、20、22、34、64、118、120、142，应当理解，所公开的概念也适 用于检测设备，例如但不限于用于断路器的电弧故障检测电路或用于断路器的脱扣单元。尽管已经详细描述了所公开概念的特定实施方式，但是，本领域技术人员应当理 解，根据所公开的全部教导，可以对这些细节进行多种修改和替代。因此，公开的特定配置 仅仅意在描述，而不对由所附权利要求的全部范围和其任何全部等效方式所给出的所公开 概念的范围进行限制。
0087]附图标记0088]2电力线路0089]4区域0090]4’区域0091]6区域0092]6’区域0093]8区域0094]8’区域0095]10电弧故障0096]12支路馈线0097]14负载中心0098]14A断路器0099]14B断路器0100]16电容器C30101]18电感器L30102]20断路器0103]22断路器0104]24电弧故障0105]26电弧故障0106]28电容器0107]30电容器0108]32电感器
150109]34断路器0110]35负载0111]37负载0112]40第一线路端子0113]42第二负载端子0114]44可分离触头0115]46操作机构0116]48电弧故障脱扣电路0117]50第一引线0118]52第二引线0119]54导体0120]56母线馈线电阻0121]56，电阻0122]58滤波陷波电路0123]62电力线路0124]64断路器0125]66第一线路端子0126]68第二负载端子0127]70可分离触头0128]72操作机构0129]74电弧故障脱扣电路0130]76电弧故障0131]78电感器0132]79电容器0133]80电容器0134]82第一引线0135]84第二引线0136]86中性导体0137]88自适应电路0138]90系统阻抗0139]92滤波陷波电路0140]94电容器0141]96电容器0142]98谐振检测器0143]100滤波陷波选择电路0144]102开关0145]104开关0146]106开关0147]110曲线图
16[0148]112曲线图[0149]114曲线图[0150]116等效电路[0151]118断路器[0152]120断路器[0153]122电容器[0154]124电容器[0155]126AC源[0156]128AC源[0157]130AC源[0158]132隔离模块[0159]134隔离模块[0160]136隔离模块[0161]138电容器[0162]140电容器[0163]142断路器[0164]150电阻器[0165]152电感[0166]154电感[0167]156电感[0168]158电容器[0169]160电力线路[0170]162处理器程序[0171]164电容器[0172]166电容器[0173]168电容器[0174]170固态开关[0175]172固态开关[0176]174固态开关[0177]176电路[0178]178可分离触头[0179]180信号调节电路[0180]182模数转换器[0181]183微处理器[0182]184存储器[0183]186电感器[0184]188电感器[0185]190发生器[0186]192电感器[0187]194电阻器[0188]196变压器[0189]198电容器[0190]200电容器[0191]204第一引线[0192]206线路端子[0193]208第二引线[0194]210滤波陷波电路
权利要求一种电气开关设备(14A；20；22；34；64；118；120；142)，包括第一端子(40)；第二端子(42)；电气连接在所述第一端子和所述第二端子之间的可分离触头(44)；被结构化为断开以及闭合所述可分离触头的操作机构(46)；与所述操作机构相配合的电弧故障脱扣电路(48)，所述电弧故障脱扣电路被结构化为响应于电弧故障条件脱扣断开所述可分离触头；串联电气连接在所述第一端子和所述第二端子之间的电感器(32)；以及电容器(30)，包括电气连接在所述电感器和所述第二端子之间的第一引线(50)以及电气连接至接地导体或中性导体的第二引线(52)，其中，所述电感器和所述电容器被结构化为与所述第二端子下游的电力线路阻抗(56)相配合以构成滤波陷波电路(58)。
2.如权利要求1所述的电气开关设备(20)，其中，所述滤波陷波电路(58)被结构为将 来自所述第二端子下游的第一电弧故障条件(24)的第一电弧信号传送到所述电弧故障脱 扣电路，并阻塞来自所述第一端子上游的第二电弧故障条件(26)的第二电弧信号到达所 述电弧故障脱扣电路。
3.如权利要求1所述的电气开关设备(20)，其中，所述滤波陷波电路(58)被结构化为 使来自所述第二端子下游的第一电弧故障条件(24)的第一电弧信号的信号强度最大化， 并使来自所述第一端子上游的第二电弧故障条件(26)的第二电弧信号的信号强度最小 化。
4.如权利要求1所述的电气开关设备(20)，其中，所述电气开关设备为电弧故障电路 中断器(120;142;120A;142A)；其中，所述电容器为第一电容器(138 ;140)，第一电容器包 括电气连接在所述电感器和所述第二端子之间的第一引线(50)以及电气连接至接地导体 或中性导体(54)的第二引线(52)；且其中，所述电弧故障电路中断器还包括第二电容器(122 ；124)，包括电气连接在所述第一端子和所述电感器之间的第一引线 (204)以及电气连接至所述接地导体或中性导体的第二引线(208)，其中，所述电感器和所述第一电容器被结构化为与所述第二端子下游(56’ )的电力线 路阻抗相配合以构成第一滤波陷波电路(58)，且其中，所述电感器和所述第二电容器被结构化为与所述第一端子上游(56)的电力线 路阻抗相配合以构成第二滤波陷波电路(210)。
5.如权利要求4所述的电弧故障电路中断器(120A;142A)，其中，所述电弧故障脱扣电 路(48)包括第一感应器(S2 ；S3)和第二感应器(S5 ；S4)，所述第一感应器被结构化为感应 所述第二端子和所述第一电容器之间流动的电流，所述第二感应器被结构化为感应所述第 一端子和所述第二电容器之间流动的电流。
6.如权利要求1所述的电气开关设备(20)，其中，所述电气开关设备为电弧故障电路 中断器(64)；其中，所述电容器为可变电容(79)，其包括电气连接在或可电气连接在所述 电感器和所述第二端子之间的第一引线(82)以及电气连接至接地导体或中性导体的第二 引线(84)；且其中，所述电弧故障电路中断器还包括被结构化为改变所述可变电容的自适应电路(88)，其中，所述电感器和所述可变电容被结构化为与所述第二端子下游(90)的电力线路 阻抗相配合以构成具有中心频率的滤波陷波电路(92)，且其中，所述自适应电路进一步被结构化为改变所述滤波陷波电路(92)的中心频率，从 而适应所述第二端子下游的电力线路中的变化。
7.如权利要求6所述的电弧故障电路中断器(64)，其中，所述自适应电路进一步被结 构化(176)为激励所述第二端子下游的所述电力线路(160)；其中，所述可变电容是多个不 同电容器(94，80，96)；且其中，所述自适应电路进一步被结构化(162，182，180)为测量响 应于所述激励的电力线路的电压，比较所述电压与所存电压值，如果更高，则存储新的电压 值，从所述多个不同电容器中选择另一不同的电容值，并考虑所述多个不同电容器的多个 不同电容值，从而对于所述多个不同电容器选择最佳电容值。
8.一种配电系统(2)，包括多个不同区域(4，6，8)；以及多个不同的电弧故障电路中断器(14A，14B，20，22，34)，所述不同区域各自具有所述多 个不同的电弧故障电路中断器中的数个，其中，所述多个不同的电弧故障电路中断器中的多个各自为权利要求4所述的电弧故 障电路中断器。
9.如权利要求8所述的配电系统(2)，其中，所述滤波陷波电路(58)被结构化为将来 自所述第二端子下游的所述不同区域的第一个之中的第一电弧故障条件(24)的第一电弧 信号集中于所述电弧故障脱扣电路，并降低传送至所述电弧故障脱扣电路的来自所述第一 端子上游的所述不同区域的第二个之中的第二电弧故障条件(26)的第二电弧信号。
10.如权利要求9所述的配电系统(2)，其中，响应于来自所述第二端子下游的所述不 同区域的第一个之中的所述第一电弧信号，所述电容器对所述第一电弧信号进行汇聚；且 其中，响应于来自所述第一端子上游的所述不同区域的第二个之中的所述第二电弧信号， 所述电感器阻止所述第二电弧信号到达所述电弧故障脱扣电路，并阻止所述第一电弧信号 到达所述第一端子上游的所述不同区域的第二个之中的电弧故障脱扣电路。
11.如权利要求8所述的配电系统(2)，其中，所述电弧故障脱扣电路包括感应器(Si； S2 ；S3)，其被结构化为感应所述第二端子和所述电容器之间流动的电流；且其中，所述滤 波陷波电路被结构化为将来自所述第二端子下游的所述不同区域的一个区域中的电弧故 障条件(24)的电弧信号集中于所述感应器。
12.如权利要求8所述的配电系统(2)，其中，所述电容器为第一电容器；且其中，所述 不同的电弧故障电路中断器中至少一个的所述电弧故障脱扣电路包括第二电容器(122 ； 124)，第二电容器包括电气连接在所述第一端子和所述电感器之间的第一引线(204)以及 电气连接至所述接地导体或中性导体的第二引线(208)。
13.如权利要求12所述的配电系统(2)，其中，在所述不同区域(8)之一中，所述数个 不同的电弧故障电路中断器是彼此邻近配置在负载中心(14)内的多个支路断路器(14A， 14B)；其中，所述不同的电弧故障电路中断器中的所述至少一个是所述多个支路断路器 (14A, 14B)中的仅仅一个；且其中，所述多个支路断路器(14A，14B)中其他的不包括所述第 二电容器(122 ；124)。
14.如权利要求8所述的配电系统(2)，其中，位于所述不同区域的第一个之中的所述多个不同的电弧故障电路中断器(14A，20，22，34)中的第一个包括具有第一电感的电感器 和具有第一电容的电容器；且其中，位于所述不同区域的不同的第二个之中的所述多个不 同的电弧故障电路中断器(14A，20，22，34)中的不同的第二个包括具有第二电感的电感器 和具有第二电容的电容器，其中，所述第二电感不同于所述第一电感，所述第二电容不同于 所述第一电容。
15.如权利要求8所述的配电系统(2)，其中，在所述不同区域(8)之一中，所述数个 不同的电弧故障电路中断器是彼此邻近配置在负载中心(14)内的多个支路断路器(14A， 14B)；其中，所述支路断路器中的第一个的第一滤波陷波电路(92)提供到所述支路断路 器中第二个的故障信号隔离；且其中，所述支路断路器中所述第二个的第二滤波陷波电路 (92)提供到所述支路断路器的所述第一个的故障信号隔离。
专利摘要一种电气开关设备(14A；20；22；34；64；118；120；142)，包括第一端子(40)；第二端子(42)；电气连接在第一端子和第二端子之间的可分离触头(44)；被结构化为断开以及闭合可分离触头的操作机构(46)；与操作机构相配合的电弧故障脱扣电路(48)，所述电弧故障脱扣电路响应于电弧故障脱扣断开所述可分离触头。电感器(32)串联电气连接在第一端子和第二端子之间。电容器(30)包括电气连接在电感器和第二端子之间的第一引线(50)以及电气连接至接地导体或中性导体的第二引线(52)。电感器和电容器与第二端子下游的电力线路阻抗(56)相配合以建立滤波陷波电路(58)。
文档编号H02H7/26GK201639255SQ20092100001
公开日2010年11月17日 申请日期2009年12月17日 优先权日2008年12月17日
发明者J·C·齐歇尔, J·K·黑斯廷斯, T·J·舍普夫, W·E·小贝蒂, X·周 申请人:伊顿公司