专利名称：母线条件监视系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于通过监视和分析在母线和线缆接头处的电流和温度来确定电设备的条件的系统和方法。
背景技术：
电开关装置在电力系统中用来输配电力并且有选择地隔离电负载。以诸多形式生产开关装置，但是开关装置通常包括电元件(比如包括断开器、熔断器、断路器和主要输配母线)的组合。开关装置位于可能需要电输配、隔离和/或保护的任何地方。这些位置可以例如包括发电机、工厂、电动机、变换器和变电站。由于开关装置输配电流，所以温度累积变成一个待监视的重要特性。具体而言，在特定位置的非预计温度上升可以表明侵蚀或者某一其它类型的缺陷。如果未加以纠正，则这一缺陷可能造成灾难性的如下故障，该故障造成去激活的负载和对人员有潜在危害的条件。仅温度读数可能不能提供用于诊断开关装置缺陷的充分信息。这是因为温度波动不仅由缺陷引起而且与当前负载水平紧密联系。然而由于空间和成本约束，在每个重要节点或者连接点提供电流测量器件并不实际。因此在本领域中需要一种监视、分析电流和温度并且将电流与温度相关而在每个监视位置无需电流测量器件的系统和方法。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种用于监视开关装置的系统。开关装置包括主要母线、多个馈线电路和输入电路。监视系统包括在节点处耦合到主要母线的多个温度传感器，其中节点是在主要母线与每个馈线电路之间的连接点。输入电流传感器被定位成测量输入电路向主要母线供应的功率。多个输出电流传感器被定位成测量流过多个馈线电路的电力。该系统还包括处理器、用于存储信号的一个或者多个存储单元和软件程序指令，这些软件程序指令存储于一个或者多个存储单元中并且在由处理器执行时使系统执行以下方法。接收电配置，该电配置限定在主要母线、馈线电路、输入电路和节点之间的相对位置和电连接。通过从由输入电路供应的电流减去经过在节点的上游的每个馈线电路的电流来确定经过该节点之一的电流。如果在节点处的温度超过针对经过该节点的给定电流的预定温度值则确定报警条件。随后向开关装置操作者显示报警条件。根据本发明的另一方面，公开一种用于监视开关装置的方法，该开关装置具有主要母线、多个馈线电路和输入电路。该方法包括测量输入电路向主要母线供应的电流。测量流过多个馈线电路的电流。测量主要母线在一个或者多个节点处的温度，其中节点是在主要母线与每个馈线电路之间的连接点。通过从由输入电路供应的电流减去经过在所述节点的上游的每个馈线电路的电流来确定流过该节点之一的电流。如果在节点处的温度超过针对经过该节点的给定电流的预定温度值则确定报警条件。随后向开关装置操作者显示报警条件。
本发明的特征、方面和优点参照说明书、所附权利要求书和以下附图将变得更好理解，在其中图1是示意地图示了根据本发明的监视系统的视图；图2是根据本发明的网状网络的部分示意图；图3是图示了根据本发明的示例图形用户界面的视图；图4是显示示例温度比对电流的曲线的图形；图5是显示示例时间比对温度的曲线的图形；图6是示意地图示了根据本发明的单端变电站和监视系统的视图；图7是示意地图示了其中联络断路器(tie breaker)打开的双端变电站和监视系统的视图；图8是示意地图示了其中联络断路器闭合并且一个输入电路打开的双端变电站和监视系统的视图；并且图9是示意地图示了其中联络断路器闭合并且两个输入电路供电的双端变电站和监视系统的视图。
具体实施例方式应当注意，在下文具体描述中，相同部件无论是否在本发明的不同实施例中示出它们都具有相同标号。也应当注意，为了清楚和简洁地公开本发明，附图可以未必按比例并且可以用有些示意的形式示出本发明的某些特征。本发明是一种监视开关装置的内部特性并且标识有缺陷的开关装置内部连接的方法和系统。缺陷可以例如包括侵蚀、不恰当装配或者螺纹连接、超载等。此外，可以使用本发明来断定关于作为整体的开关装置的总体性能信息。现在参照图1，示出了根据本发明的系统，并且用标号10总体上表示该系统。系统10包括多个温度传感器12，这些温度传感器如将所见的那样放置于开关装置中的各种位置。在一个实施例中，温度传感器12为无线的，这意味着每个传感器12可以包括物理传感器、内部电源和通信电子器件。应当理解，物理传感器、电源和/或通信模块可以未在物理上驻留于相同物理环境中而是可以在单独环境中。根据一个实施例，传感器12与每个螺栓连接的主要母线(每相1个)和每个线缆接线片连接(每相1个)邻近地固着。在螺栓连接的主要母线处的传感器12装配于在螺栓连接的接头处的铜母线的表面上。温度传感器12与基站14无线通信。以这一方式，温度传感器12发送各种母线和线缆接线片连接的温度测量结果。根据一个实施例，温度传感器12相互通信从而形成网状网络。网状网络由于干扰、潜在长距离以及在传感器与数据收集和存储模块之间的大量屏蔽而在开关装置环境中有利。网状网络是如下网络基础设施模型，该模型允许使用间接路径从点A向点B传送网络信号或者数据分组或者为网络信号或者数据分组进行路由。可能路径和可能直接连接由个别传感器分析而无需外部协调器或者网管理器。参照图2可见，节点A能够仅与范围内的邻近节点通信。类似地，节点B能够仅与范围内的邻近节点通信。然而使用网状网络，信号可以经过其它节点传播以到达不可直接访问的节点(从A到B的红线)。以这一方式实现在开关装置中的任何两个节点(温度传感器)之间的通信。因此，一个或者多个节点可以放置于第一隔间中，而一个或者多个节点可以放置于第二邻接隔间中。多个节点之一可以放置于位于开关装置以内或者以外的数据取回和/或存储模块(基站14)的范围内。可以在网络之中的节点之间为来自温度传感器的读数进行路由直至它们到达与数据取回和/ 或存储模块通信的节点。以这一方式，可以向单个接入点传送甚至在开关装置的内部部分内生成的数据从而避免需要多个基站。再次参照图1，系统10还包括在开关装置中的各种位置处固着的多个电流传感器 16。如下文将更具体讨论的那样，每个电流传感器16测量流过开关装置中的给定位置的电流。每个电流传感器16与继电器18通信，该继电器监视电流传感器16并且在检测到预定条件时提供脱扣命令。在本实施例中，继电器18为过电流继电器，然而应当理解其它形式的继电器或者基站可以用来与电流传感器16通信。基站14和继电器18各自与工业计算机20通信。如下文将更具体描述的那样，计算机20接收测量的温度和电流值以确定有缺陷的母线连接的位置以及其它。如本领域普通技术人员将理解的那样，工业计算机可以包括如下计算机可读介质，该介质具有存储于其上的计算机可读指令，这些指令在由处理器执行时实现本发明的操作。计算机可读介质可以是任何如下介质，该介质可以包含、存储、传达、传播或者传送用于由指令执行系统、装置或者设备使用或者与指令执行系统、装置或者设备结合使用的用户接口程序指令并且可以例如是但不限于电子、磁、光学、电磁、红外线或者半导体系统、装置、设备或者传播介质或者该程序印刷于其上的其它适当介质。计算机可读介质的更多具体例子(非穷尽列举) 将包括便携计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPR0M或者闪存)、光纤、便携紧致盘只读存储器(CD-ROM)、光学存储设备、传输介质(比如支持因特网或者内部网的传送介质)或者磁存储设备。可以用任何适当编程语言编写用于实现本发明的操作的计算机程序代码或者指令，只要该编程语言允许实现描述的技术结果。工业计算机20然后可以处理并且向过程控制系统、图形用户界面或者向报警机制22输出信息。例如参照图3，示例图形用户界面可以包括开关装置M的如下静止图像， 该图像具有在个别配电装置间隔(cubicle)上叠加的温度值沈。例如绿色背景可以表明正常操作条件，而例如黄色或者红色背景可以表明异常操作条件。当然，可以提供任何数目的用户界面。在更多其它实施例中，每个开关装置机箱可以具有状态指示器(比如告警灯或者显示屏)。例如可以通过点击图3中所示画面之一来获取更多具体信息。可以显示在用户限定的时间段内的温度趋势以及温度-电流关系。也可以显示如下历史数据，该数据示出了回溯在以日、周、月或者年为单位的时段内的趋势。在这些或者其它实施例中，可以用图形的形式输出温度-时间或者温度-电流关系。仍进一步的，可以将测量的温度与温度预测带或者曲线相关。由于温度上升与电流平方近似成比例，所以可以比较预测的温度改变(由于电流改变所致)与测量的改变。因此对于在特定位置的给定电流，系统可以确定适当预计温度范围并且如果在这一范围以外则向操作者报警。这让操作者即使在电流负载减少时仍然能够标识潜在问题。参照图4，示出了示例系统的图形，在该图形中绘制了温度上升比对电流。可以按照以下等式确定母线的温度T = k*(I2)其中1为流过母线的电流；T为在母线位置处的温度；k为与母线的尺寸、几何形状和组成相关的温度常数。可以通过输入已知电流并且直接测量温度来实验地确定k因子。因此在k因子已知时可以计算预计温度比对电流的曲线。通过已知电流(后文将更具体讨论)，可以确定在特定节点的预计温度。然后可以比较该预计温度与实际测量温度，并且如果温度在容许范围以外，则可以启动报警。例如在图4中可见，在额定电流为2000安培时，母线温度为65 摄氏度。如果预定容许温度范围为百分之十，则如果温度超过71. 5度，那么报警就会发声。 可以选择其它容错范围(比如绝对范围(例如5摄氏度)或者根据温度范围而变化的范围 (例如在电流为0-1000安培时为10%而对于1001-3000安培的电流而言为5% ))。应当理解，测量和报警可能需要时间延迟，因为温度经常滞后于电流改变。这一滞后如果未恰当地加以考虑则可能引起不恰当报警。特定时间延迟设置可以依赖于母线尺寸、母线组成和目标灵敏度。例如参照图5，针对施加有2000安培额定负载的开关装置示出了示例时间比对温度的绘图。可见，在母线处于最终均衡温度的90%之前经过近似70分钟。在已知达到均衡温度所需要的时间量时可以延迟报警直至比如温度在可接受的均衡范围内这样的时间。根据一个或者多个实施例，提供内部温度传感器40(见图1)，该温度传感器测量开关装置内的环境温度。可以监视内部环境温度以保证它们未上升至预定限制以上。另外可以与接头温度比较或者根据内部环境温度调节接头温度。开关装置通常具有单端和双端这两类母线布置。在单端开关装置中，主要断路器馈给多个馈线断路器。主要断路器电流传感器(例如电流变换器)监视流入单个主要母线的总电流。沿着主要母线向下游移动，测量并且从主要输入断路器电流减去馈线断路器电流。因此，在主要母线上的进一步下游载送更少电流。然而未递减(按照ANSI-IEEE C37 标准)常见母线设计(例如1200A、2000A、3000A)以补偿这一电流减少。因此，在正常条件之下，母线的温度根据与主要断路器的距离而减少。因此如果温度是向报警功能的仅有输入则可能掩盖侵蚀或者损坏的母线连接(特别为与主要断路器相对更远的母线连接)。这是因为经过损坏的母线连接行进的减少的电流可能未使温度提升得足以触发报警。双端开关装置包括如下两个主要断路器，这些主要断路器馈给由联络断路器(通常均勻地)分离的多个馈线断路器。两个主要断路器电流传感器(例如电流变换器)监视在联络断路器打开时流入相应主要母线的总电流。从主要断路器向下游行进，测量并且从主要输入断路器电流减去馈线断路器电流。如果联络断路器闭合，则电流可能不再在相同方向上流动。在这样的系统中，可以从联络断路器电流传感器导出联络母线安培数。现在参照图6，示出了示例单端变电站(开关装置)。应当理解，尽管在图6-9的图中仅示出单个线，但是单个线代表三相电力。主要母线40向多个馈线电路42a-42d输配电力。每个馈线电路包括可以分别中断和测量馈线电路中的电流的断路器CB和电流变换器CT(电流传感器)。如图所示，温度传感器TS在每个馈线电路连接处固着到主要母线并且也在线缆连接处固着到馈线电路。箭头表明电流行进方向，因此可见输入电路44为用于主要母线40的电源。与馈线42a-d —样，输入电路44包括电流断路器CB和测量经过输入电路44的电流的电流变换器CT (电流传感器)。出于本发明的目的，将节点定义为在主要母线与馈线或者输入电路之间的电连接或者接头。因此，在图3中所示系统中，节点m位于输入电路44和主要母线40的电连接处。节点N2位于馈线电路4 和42b与主要母线40的电连接处。最后，节点N3位于馈线电路42c和42d与主要母线40的电连接处。可见温度传感器TS定位于每个节点处，然而没有电流变换器CT (电流传感器)定位于节点处。电流传感器由于成本考虑并且由于电流变换器一般太大而无法固着到主要母线而未放置于节点处。由于没有CT定位于节点处，所以工业计算机必须计算在每个节点处的电流。根据一个实施例，通过将上游输入电流求和并且减去流过所有上游馈线电路的电流来确定节点电流。例如在图3的实施例中，在节点m处的电流为il。从输入馈线连接44上的CT已知这一个值。在节点N2处的电流也为il，因为无上游馈线电路从输入电流减去。最终，在节点N3处的电流是用以下方式计算的i4 14 = i 1+ (- 2) + (- 3)。以这一方式，可以在数学上确定流过节点处的电流。这一个值然后可用于与直接监视在每个节点的温度的温度传感器TS取得的温度读数相关。如上文讨论的那样，然后可以将组合的温度-电流值与用于给定电流时的预计温度的预测曲线或者区段相关。现在参照图7，示出了双端变电站，其中两个输入主要断路器闭合并且联络断路器打开。断路器56 (联络断路器)电连接主要母线50a和50b的两个半边，主要母线50a和 50b分别向馈线电路52a-52d和5加_5池输配电力。每个馈线电路包括分别中断和测量经过馈线电路的电流的断路器CB和电流变换器CT(电流传感器)。如图所示，温度传感器TS 固着到在主要母线50与每个馈线电路之间的连接。温度也在线缆连接处固着到馈线电路。 箭头表明电流行进方向，因此可见输入电路5 和54b分别是用于主要母线50a和50b的电源。与馈线电路52a-h —样，输入电路5 和54b各自包括断路器CB和测量经过电路的电流的电流变换器CT (电流传感器)。节点Nll位于馈线电路5 和主要母线50a的电连接处。节点N12位于馈线电路5 和52b与主要母线50a的电连接处。节点N13位于馈线电路52c和52d与主要母线 50a的电连接处。节点N21位于输入电路54b和主要母线50b的电连接处。节点N22位于馈线电路5 和52f与主要母线50b的电连接处。节点N23位于馈线电路52g和5 与主要母线50b的电连接处。与图3中所示系统一样，温度传感器TS定位于每个节点处，然而没有电流变换器CT (电流传感器)定位于节点处。与图6的实施例一样，由于没有CT定位于节点处，所以工业机器人必须计算在每个节点处的电流。根据一个实施例，通过将上游输入电流求和并且减去流过所有上游馈线电路的电流来确定节点电流。因此，在图7的实施例中，在节点N21处的电流为i21。从输入电路54b上的电流传感器CT已知这一个值。在节点N22处的电流也为i21，因为无上游馈线电路从输入中减去电流。最后，在节点N23处的电流是根据下式计算的i24 :i24 = i21+(-i22) + (-i23)。现在参照图8，示出了与图7中所示双端变电站基本上相似的双端变电站。然而在这一实施例中，馈线Ma闭合(供电)、54b打开而联络断路器56闭合。因此与先前解决方案一样，通过从(通过馈线5 供应的)输入电流减去流过上游馈线电路的电流来确定在给定节点处的电流。现在参照图9，示出了与图7中所示双端变电站基本上相似的双端变电站。然而在这一实施例中，联络断路器56闭合。在这一配置中，联络母线电流可以根据相应输入和馈线电路电流而在任一方向上流动。然而使用上文讨论的代数方式并且在施加一致极性时， 可以通过将在上游处输入和输出的电流值求和来找到节点电流。为了恰当解决联络断路器电流，电流变换器输出信号是针对节点N13和N23的电流计算的部分。联络电流变换器具有由它的装配定向和流过其的电流方向确定的极性。电流变换器次级信号极性对于一个方向而言为(+_)而对于另一方向而言为(_+)。因此，在 N23的次级信号极性与用来计算流入W3的总电流的信号相反。这使得流入N13而流出 N23(或者流入N23而流出W3)的电流总是具有用于计算目的的正确极性。作为一种替选， 联络断路器可以在联络母线的两侧上具有电流变换器CT。在这一情况下，在每侧上的电流变换器可以测量相应电流。以这一方式可以确定流过断路器的电流数量和方向，并且可以在节点N13和N23处类似地进行电流计算。例如，如果电流经过联络断路器流向N23，则通过将上游输入ill求和并且减去流过上游馈线电路52a-d的上游电流来以图6中的相同方式进行用于发现在N13处的电流的计算。换而言之，联络电路电流只有在它流向给定节点才影响节点计算。如应当理解的那样，在监视系统操作之前向工业计算机中人工输入系统(例如图 6-9)的电布局。通过输入电布局并且将输入传感器信号与具体温度和电流传感器关联，使正确的相关和代数电流插值变为可能。使用上文讨论的方法和系统，温度读取易于进行并且无需大量拆卸开关装置就可以完成(例如通过使用无线温度传感器)。当与前述电流数据组合时，提供导体及其接头的条件的深入画面。另外，本发明无需使用特殊电流传感器。使用对开关装置电路的了解和在工业计算机中用于监视目的的数学算法来计算节点电流值。仍进一步地，温度读数与在完全相同节点位置处的电流读数组合。实际瞬时电流流动是来自安装于开关装置中的CT 的测量结果与以对开关装置内的输配电路构造的了解为基础的计算的组合。将理解前文一个或多个示例实施例的描述旨在于仅举例说明而非穷举本发明。本领域技术人员将能够对公开的主题内容的一个或多个实施例进行某些添加、删除和/或修改而未脱离如所附权利要求书限定的本发明的精神实质或者其范围。
权利要求
1.一种用于监视开关装置的系统，所述开关装置具有主要母线、多个馈线电路和输入电路，所述系统包括多个温度传感器，在节点处耦合到所述主要母线，其中节点是在所述主要母线与每个所述馈线电路之间的连接点；输入电流传感器，定位成测量由所述输入电路向所述主要母线供应的电力； 多个输出电流传感器，定位成测量流过所述多个馈线电路的电力； 处理器；一个或者多个存储单元，用于存储信号；软件程序指令，存储于所述存储单元中的一个或者多个存储单元中并且在由所述处理器执行时使所述系统执行方法，所述方法包括接收电配置，所述电配置限定在所述主要母线、所述馈线电路、所述输入电路和所述节点之间的相对位置和电连接；通过从由所述输入电路供应的电流减去经过在所述节点的上游的每个所述馈线电路的电流来确定经过所述节点之一的电流； 如果在节点处的温度超过针对经过所述节点的给定电流的预定温度值则确定报警条件；并且向开关装置操作者显示所述报警条件。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个温度传感器包括无线温度传感器。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述无线温度传感器形成网状网络基础设施。
4.根据权利要求1所述的系统，其中基于下式计算所述预定值T= k*(I2)，其中I为流过所述节点的电流；T为在所述节点处的温度；而k为与在所述节点处的所述主要母线的尺寸和组成相关的温度常数。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述软件程序指令还包括延迟所述报警条件的确定直至节点温度在预定均衡范围内。
6.一种监视开关装置的方法，所述开关装置具有主要母线、多个馈线电路和输入电路， 所述方法包括测量由所述输入电路向所述主要母线供应的电流； 测量流过所述多个馈线电路的电流；测量所述主要母线在一个或者多个节点处的温度，其中节点是在所述主要母线与每个所述馈线电路之间的连接点；通过从由所述输入电路供应的电流减去经过在所述节点的上游的每个所述馈线电路的电流来确定经过所述节点之一的电流；如果在节点处的温度超过针对经过所述节点的给定电流的预定温度值则确定报警条件；并且向开关装置操作者显示所述报警条件。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述测量所述主要母线的温度的步骤由无线温度传感器执行。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述无线温度传感器形成网状网络基础设施。
9.根据权利要求6所述的方法，其中基于下式计算所述预定值T= k*(I2)，其中I为流过所述节点的电流；T为在所述节点处的温度；而k为与在所述节点处的所述主要母线的尺寸和组成相关的温度常数。
10.根据权利要求6所述的方法，还包括延迟所述报警条件的确定直至节点温度在预定均衡范围内。
全文摘要
公开一种用于监视开关装置的方法和系统。测量向主要母线供应的电流。也测量流过多个馈线电路的电流。测量主要母线在一个或者多个节点处的温度，其中节点是在主要母线与每个馈线电路之间的连接点。通过从由输入电路供应的电流减去经过在节点的上游的每个馈线电路的电流来确定流过该节点之一的电流。如果在节点处的温度超过针对经过该节点的给定电流的预定温度值则确定报警条件。随后向开关装置操作者显示报警条件。
文档编号H02J13/00GK102474130SQ200980160361
公开日2012年5月23日 申请日期2009年7月8日 优先权日2009年7月8日
发明者H·M·卡兰迪卡, M·G·厄姆森, M·布丁, T·P·麦克纳玛拉 申请人:Abb研究有限公司