专利名称：包括电弧故障保护系统的紧凑型二次箱式变电站、在紧凑型二次箱式变电站中进行电弧 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及 一 种包括故障保护系统的紧凑型二次箱式变电站
(css)和在紧凑型二次箱式变电站(css)中进行故障保护的方法，
CSS包括环网单元(RMU)、变压器和低压开关装置(LV开关装置)。本发明还涉及用于执行该方法的控制单元。
背景技术：
在关于二次开关装置的现有技术中，通常不使用对电气故障进行自动反应的主动保护。在将CSS (紧凑型二次箱式变电站)放置在
公共可触及区域中的情况下，此方面需要特别的关注。关于伴随有
突然和极端压力增加的电弧故障，CSS必须释放压力以便保护公众
和操作人员免于伤害。 一 个这样的措施是例如使用在人的头部水平面以上的、在CSS顶部中的压力释放开口 。已知在css中有安装在
箱体内的消弧器(arckiller),用于环网单元的SF6气体。该消弧器感测由箱体内的内部电弧引起的突然压力增加并且通过将内部母线排接地进行反应。对压力增加的反应花费大于20ms以抑制电弧，从而防止爆炸，但是通常会对环网单元产生损害并且需要进一步修理。需要现场的手动复位操作以使得环网单元复位。除此之外，消弧器是一次性机制，即在脱扣之后需要进行维护或者甚至需要更换。从消弧器脱扣到电力连接重新建立之间的时间通常至少为若干小时。
WO 00/67271涉及一种用于快速关闭电力网络中的高压电流的电开关设备，包括第一电极，第二电极，闭合所述第一和第二电极的移动触点元件，以及操作设备。操作设备包括固定到第一电极的螺旋缠绕的第一线圈。移动触点元件包括与线圏接触的凸缘。流经线圏的电流脉冲形成线圏和凸缘之间的排斥力，所述排斥力将移动触点元件推至第二电极并且完成闭合操作。
由于可应用标准的不匹配，包括LV和HV侧的CSS通常不是真正电弧安全的。电弧故障周围的封闭被打开并且引起对工作人员的冲击。提供至少一个排气通道以避免热气体窒息，然而在如地下的小空间内难以设置排气通道和压力释放。
发明内容
本发明的目的在于对二次开关装置进行故障保护，使得CSS真正的电弧安全，即保护设备免于危险并且限制损坏。本发明的进一步的目的在于在故障情况下使二次开关装置尽快返回到操作中。
这些目的可以由权利要求1的前序部分所述的系统来实现，该系统包括如下技术特征CSS包括多个检测器，用于才企测电弧故障的出现，检测器可以至少放置在RMU、变压器或LV开关装置之一中，CSS包括控制单元，以及检测器连接到控制单元，以及CSS包括至少一个用于接地的快速操作开关，控制单元基于由检测器进行电弧故障检观'j激活用于接地的快速操作开关，以便将至少 一 个高压电力线路接地，并且控制单元还控制快速操作开关，使得其工作为工作接地开关。
在本发明中，词语"工作接地"是特意建立的为css处的工作或维护提供安全'性的接地。
通过使用例如WO 00/67271中描述的、也称为灭弧器的用于接地的快速操作开关设备，并且结合例如检测电弧光的、称为电弧监察系统的、用于检测电弧故障的出现的检测器，并且增加用于根据需要激活和去激活接地功能的控制能力的扩展的功能性，以便获得工作接地，可以实现与工作接地开关结合的主动电弧故障保护。
如上所述，称为灭弧器的、用于接地的快速操作开关设备是已知的(参见ABB产品样本"Arc Eliminator"和WO 00/67271 )。其目前在初级开关装置中使用，并且对电弧光进行反应，而不是对压力
进行反应。反应时间小于10ms，因此，如果使用于CSS中，则可以 防止环网单元(RMU)的损坏。然而，根据本发明，^r测器可以放 置在RMU中，也可以放置在LV侧和变压器的所有相关位置，并且 可以连接到用于接地的快速操作开关设备(灭弧器)。由于提供了 对整个CSS的主动保护，所以无需进行被动保护测试(节约成本)。 已知的灭弧器是可复位的，因此不需要进行更换。
这一特征允许使用控制单元来控制快速操作接地开关/灭弧器和 检测器的状态。根据本发明，快速操作接地开关可由控制单元控制， 使得接地也可以有意地进行。这允许使用快速操作接地开关不但作 为用于保护目的的快速开关设备，而且作为工作接地开关。常规的 工作4妄地开关可以被省略(节省成本和空间)。为满足安全性标准， 快速操作接地开关还附加地设置有当前状态的机械指示。
在此应当强调，本发明不以任何方式限制于使用涉及WO 00/67271的特定的快速操作开关设备(灭弧器)。可以使用任何具 有本发明所需的特定功能的快速操作接地开关。对WO 00/67271的 参考仅用于示出可在本发明中使用的开关的示例。
通过使用快速操作接地开关并且基于放置在CSS中的检测器对 快速操作接地开关进行控制，可以实现主动电弧故障保护。为避免 损坏CSS并且实际上为避免CSS的直接爆炸(这在CSS放置于公共 区域时是非常关键的)，需要在故障情况后，例如检测到电弧故障 时，实现高压入口的尽快接地。在首次检测到电弧后，4妾地的激活 应当在5ms内发生。这样，释放到CSS内的能量可以被减小到避免 直接爆炸的水平。特别地，在没有任何通到大气的通风开口的置于 地面下的CSS系统中，避免来自电弧故障的爆炸是非常重要的。即 使是在设置于地下的CSS系统中，爆炸也通常会损坏整个CSS使得 整个设备必须被更换。这在从CSS供电的区域中是令人不愉快的， 因为电力用户不得不在一天或甚至多日内无任何电力供应。在设置
于地面下的css中的爆炸甚至比在安装在地下的css中发生的爆炸
7更加危险。
通过电弧故障检测，控制单元可以将信号发送到触发单元，触发 单元激活快速操作开关以进入接地位置。使用触发单元可以加快对 快速操作接地开关的激活。
快速操作开关的激活导致设置在css的高压入口处的多个断路
器的至少一个的激活，以便选择性地清除电弧故障。实际上，电压
通常在lkV到50 kV的范围内。与快速操作接地开关相比较断路器 操作相对緩慢，断路器通常将在约小于70ms后被激活。
检测器可以检测CSS中的异常行为，其中检测器可以检测光和/ 或烟，其中控制单元基于检测的信号决定是否激活快速操作接地开 关或仅激活常规断路器。多个不同的检测器可以在CSS中操作。在 CSS中，通常不需要任何光亮，因此光检测器将可以容易和有效地 指示任何类型的不正常。另外，烟雾检测器可以在烟雾生成时比光 学系统快得多地检测到火焰。另外，可以使用压力检测器，以例如 使得在变压器的封闭回路(例如，用于绝缘液体)中的压力得以控制。 控制单元可以以不同的方式处理这些不同的信号。控制单元可以在 不同的情况下起到不同的作用。仅仅在出现极端危险时，控制单元 才激活快速操作接地开关。在其他情况下，控制单元可以向控制室 发出报警，控制室可以取代CSS的控制并且基于检测器信号做出关 于停机或需要在若干小时后进行维护的决定。
CSS还包括附加用于将LV开关装置的低压线路接地的快速操作 开关，以及控制单元配置为基于由任何一个检测器检测的电弧故障， 激活用于接地的该附加快速操作开关。
检测器可以是电弧检测器，此时，控制单元基于电弧检测激活快 速操作接地开关。优选地，在CSS中将多个检测器首先设置在环网 单元中，设置在变压器中或附近，或者设置在低压开关装置中。检 测到电弧故障将立即导致以下情况的发生，即激活快速操作开关以 使环网单元中的变压器的至少 一个高压侧被接地。接地也可以发生 在低压开关装置中。控制单元包括处理器装置，该处理器装置监视检测器。在控制单 元中，微处理器可以用于监视检测器。微处理器的操作方式使得可
以立即评估^r测的信号并且在几毫秒内i"故出决定，并且例如在CSS 中的某处检测到电弧故障后的几毫秒，通过触发单元激活快速操作 接地开关。
控制单元还包括用于处理来自检测器的信号的逻辑电路，该逻辑 电路激活触发电路。可以通过使用在异步状态下操作的NAND门来 执行对来自电弧检测器的信号的更快速的处理。基于NAND门的逻 辑电路可以在几微秒内做出逻辑判定。以此方式，用于激活触发单 元和快速操作接地开关的信号可以在远小于一 毫秒内离开控制单 元。以此方式，可以实现非常快速的接地。
在故障情况下，控制单元可以由不间断电源(UPS)供电。如果 控制单元也具有去激活接地情况的功能并且如果控制单元也监视到 检测器也在故障情况下，则在接地之后控制单元继续其操作是非常 重要的。.
控制单元可以连接到远程控制，以便接地动作可以从CSS外部 远程地发起，即从服务中心或从维护人员/操作员所携带的终端发起。 通过将控制单元连接到远程控制，有可能将基于计算机的电力控制 系统用于控制CSS。另外，在故障情况下，维护人员可以借助于远 程控制来控制CSS。另外，在使CSS进入到非故障状态之前，工作 人员可以例如通过手持远程控制以软的方式将CSS停机，并且使 CSS接地以可以安全地在^L箱内工作。
这些目的也可以由权利要求11的前序部分所述的方法来实现，
该方法具有如下特征
-借助于控制单元，监控设置在CSS中的多个电弧故障检测器， 检测器监控RMU、变压器或LV开关装置中的至少一个，以检测电弧 故障，
-由控制单元，基于电弧故障检测，激活用于将至少一个高压电 力线路接地的至少 一 个快速操作开关，
-由控制单元，激活设置在css的高压入口处的多个断路器的至少一个，以便选择性地清除电弧故障，以及
-由控制单元，控制快速操作开关，使得其工作为工作接地开关。
最后，本发明还涉及用于执行该方法的控制单元。
通过本发明可以避免严重的电弧故障，这是因为在电弧故障造成
css损坏之前使css停机。
图1示出了典型的操作中的css,以及
图2示出了根据本发明的CSS中的故障保护系统的实施例。
具体实施例方式
图1示出了CSS系统2，其连接到高压线路4，高压线路4和线 路6形成高压供电线路的环形连接(环网单元，RMU)的一部分。 线路8是朝向变压器12的高压连接。线路10将高压线路4和6连 接到正常操作的线路8。将以断路器14形式的开关设备放置在线路 8中并且将以断路器16形式的开关设备放置在线路4中。此外，在 线路6中示出了断路器18形式的开关设备。变压器12具有低压出 口 20，其连接到低压开关装置22,在此示出了用户连接24, 26, 28 和30。连接到低压出口 20的还有低压断路器，其可以放置在低压开 关装置22中。
在_|喿作中，高压线路4和6寿义载范围在lkV或50kV之间的电压， 其中变压器12将该电压降到230-250伏。在维护的情况下，断路器 14打开，这样线路8不连接到高压供电。在紧急情况下，需要将线 路8快速操作接地。这由箭头15指示。接地将立即降低线路4， 6, 和10处的高压，但是在接地后的相对短的时间内，断路器16和18 将打开使得仅有线路10和8为接地的线路，而线路4和6可以继续 操作于高压，因为其是相同环路的一部分。
图2示出了根据本发明的CSS系统102的实施例。CSS的内部 104包括如图1的CSS所包括的上述所有部件。此外，其包括连接
10到触发单元108的控制单元106，该控制单元106与不间断电源 (UPS) 110合作。在CSS中还有快速操作接地开关112,其包括上 述灭弧器或相应的设备。高压电弧故障检测器114， 116, 118由线 路120-124连接到控制单元106。低压电弧故障检测器126和128由 线路130和132连接到控制单元。此外，在CSS中示出了电弧故障 检测器134,该检测器在线路136上与控制单元进行通信。还有经由 线路140连接到快速操作接地开关112的触发单元108。快速操作接 地开关112经由线路144连接到地，对应于图1中的箭头15。高压 电弧故障检测器设置在CSS的高压侧，以及低压电弧故障检测器设 置在CSS的低压侧。
电弧故障检测器114, 116, 118, 126, 128,和124为检测光或 烟并且继而检测电弧故障的出现的检测器。还有可能具有其他类型 的检测器，例如电压或电流检测器或传感器，或压力传感器，其可 以间接地指示CSS中的电弧故障。
在正常操作中，CSS中的变压器有高压输入和低压输出。在高压 侧的不同检测器114、 116和118以及在低压侧的检测器126和128 监视CSS周围的所有电弧关键位置。检测器的数量可以远大于在此 指示的数量。如果检测器114, 116, 118或126和128之一检测到 故障，例如检测到电弧的开始，则立即将信号通过线路120, 122, 124或130， 132发送到控制单元106。控制单元激活触发器108，其 将信号通过线路140发送到快速操作接地开关112,快速操作接地开 关112在大多数情况下通过将环网单元接地而立即至少将变压器的 高压侧接地。接地大约发生在指示第一个电弧后的3-7ms内。然而， 还需要通过激活至少一个断路器14, 16, 18来清除故障。这可以以 与不包括快速接地开关的现有系统的通常操作方式相同的方式进行 操作，或者可以通过从控制单元接收的信号进行操作。应当根据电 弧故障的位置选择性地进行激活。变压器单元或LV开关装置中的故 障应当由输出端的断路器14清除，而HV开关装置中的故障应当由 输入端的断路器18和16清除。这些断路器还自动地由用作为CSS
ii供电的电力系统中的后备断路器的上游断路器进行后备。这意味着 在最接近快速操作接地开关112的开关设备仅仅为负荷断路器的情 况下，必须激活上游的后备断路器以便清除故障。通常，断路器应
当在不大于200ms的时间内被激活。
在LV和HV开关装置和变压器空间之间传达故障的出现，以便 为闭合快速操作接地开关的决定提供信息。自动地检测箱式变电站 内的任何电弧。快速接地开关将获取来自供电的所有能量，其否则 将用于支持电弧。相同的功能也可以在LV侧上提供安全性并且因此 从安全性方面考虑，可以省略LV断路器以节约成本和降低复杂度。 HV侧上的快速接地在LV侧上也具有积极效果，j旦是也可以设想在 LV侧上的独立的快速操作接地开关，以便将低压线路接地。
在快速操作接地开关112和一个或多个断路器激活后，连接到 UPS电源110的控制单元106继续操作。控制单元106可以发送才艮 警信号以开始这样的过程，即首先从控制室执行控制单元的手动控 制以检查是否存在严重故障，或者可以通过远程控制来命令控制单 元再次进入正常操作。
非常快速地操作接地开关将减少CSS 102中的损坏，并且快速反 应将可以避免CSS 102中的直接爆炸，但是在电弧检测后有可能在 CSS102的某处存在一些损坏，使得在新的激活之前需要维护。为了 能够进入CSS内部检查损坏情况或进行CSS上的维护工作，必须建 立工作接地。工作接地的建立可以通过使控制单元106发送信号到 快速操作接地开关112以便执行工作接地。进行此操作的一个可能 的方式是使用远程控制。
只要需要，控制单元106可以通过按照需求激活和去激活快速操 作接地开关112来实现工作接地。
此外，在某些情况下，可能需要检测器的组合。例如，当使用光 检测器指示电弧的出现时，也可能在某些情况下还需要有用于电信 号的检测器(例如电流或电压检测器)。可能有这样的情况，即用 于电信号的检测器设置在控制单元中，以例如出于安全性的原因基
12于电弧检测，支配快速操作接地开关112的触发。当必须激活工作 接地时，附加的电检测器也可以具有安全性功能。
权利要求
1.一种包括故障保护系统的紧凑型二次箱式变电站(CSS)(2，102)，所述CSS(2，102)包括具有高压电力线路(4，6，8)的环网单元(RMU)；变压器(12)；和低压(LV)开关装置(22)，其特征在于，所述CSS(2，102)包括多个检测器(114，116，118，126，128，134)，用于检测电弧故障的出现，所述检测器(114，116，118，126，128，134)可以放置在所述RMU、所述变压器或所述LV开关装置中的至少一个中，所述CSS包括控制单元(106)，以及所述检测器(114，116，118，126，128，134)连接到所述控制单元(106)，以及所述CSS包括至少一个用于接地的快速操作开关(112)，所述控制单元(106)基于由所述检测器进行的电弧故障检测而激活用于接地的所述快速操作开关(112)，以便将至少一个高压电力线路接地，并且所述控制单元还控制所述快速操作开关(112)，使得其工作为工作接地开关。
2. 根据权利要求1所述的紧凑型二次箱式变电站，特征在于其 包括触发单元(108)，以及通过电弧故障检测，所述控制单元(106) 可以将信号发送到所述触发单元(108)，所述触发单元(108)激 活所述快速操作开关(112)以进入接地位置。
3. 根据权利要求1-2中任意一项所述的紧凑型二次箱式变电站， 特征在于其包括设置在所述CSS (2， 102)的高压入口处的断路器(14, 16, 18)，以及所述快速操作开关(112)的激活导致至少一 个断路器(14, 16, 18)的激活，以便选择性地清除所述电弧故障。
4. 根据权利要求3所述的紧凑型二次箱式变电站，其特征在于 所述至少一个断路器(14, 16， 18)的激活由所述控制单元(106) 控制。
5. 根据权利要求l-4中任意一项所述的紧凑型二次箱式变电站， 特征在于其包括用于将所述LV开关装置的低压线路接地的附加的 快速操作开关，以及所述控制单元(106)配置为基于由任何一个检测器(114， 116， 118, 126， 128, 134 )检测的电弧故障而激活用 于接地的所述附加的快速操作开关。
6. 根据权利要求1-5中任意一项所述的紧凑型二次箱式变电站， 其特征在于所述检测器(114, 116， 118， 126, 128, 134)是电孤 检测器，其中所述控制单元基于电弧检须"激活所述快速操作开关(112)。
7. 根据权利要求1 - 6中任意 一 项所述的紧凑型二次箱式变电站， 其特征在于所述控制单元(106)包括微处理器装置，所述微处理器 装置监视所述检测器(114, 116, 118， 126, 128, 134 )。
8. 根据权利要求1-7中任意一项所述的紧凑型二次箱式变电站， 其特征在于所述控制单元(106)包括用于处理来自所述检测器(114， 116， 118, 126, 128 )的信号的逻辑电路，所述逻辑电路激活所述 触发电路(108)。
9. 根据权利要求1-8中任意一项所述的紧凑型二次箱式变电站， 其特征在于所述控制单元(106)连接到不间断电源(110)。
10. 根据权利要求1-9中任意一项所述的紧凑型二次箱式变电 站，其特征在于所述控制单元(106)连接到远程控制。
11. 一种在紧凑型二次箱式变电站(CSS) (2, 102)中进行故 障保护的方法，所述CSS (2， 102)包括具有高压电力线路(4, 6， 8)的环网单元(RMU);变压器(12)和低压(LV)开关装置(22),其特征在于借助于控制单元(106)，监控设置在所述CSS中的多个电弧故 障检测器(114, 116, 118, 126， 128, 134 ),所述检测器(114, 116, 118， 126, 128, 134 )监控所述RMU、所述变压器(12)或 所述LV开关装置中的至少 一个以便检测电弧故障，由所述控制单元(106)，基于电弧故障检测，激活用于将至少 一个高压电力线路(4， 6， 8)接地的至少一个快速操作开关(112),由所述控制单元，激活设置在所述CSS (2, 102)的高压入口 处的多个断路器(14, 16, 18)的至少一个，以1更选择性地清除所述电弧故障，以及由所述控制单元，控制所述快速操作开关(112),使得其工作 为工作4妻地开关。
12. —种用于执行权利要求11所述的方法的控制单元。
全文摘要
本发明涉及一种包括故障保护系统的紧凑型二次箱式变电站和在紧凑型二次箱式变电站(CSS)中进行故障保护的方法。CSS包括环网单元(RMU)、变压器和低压(LV)开关装置。本发明的目的在于对二次开关装置进行故障保护，本发明的进一步的目的在于在故障情况下使二次开关装置尽快返回到操作中。该目的可以通过一种系统来实现，在该系统中，CSS包括多个检测器(114，116，118，126，128，134)，检测器可以至少放置在RMU、变压器或LV开关装置之一中，检测器可以连接到控制单元(106)，控制单元通过检测器进行的故障检测可以激活用于接地的快速操作开关(112)。通过使用快速操作接地开关(112)并且基于放置在CSS中的检测器对其进行控制，可以实现主动电弧故障保护。控制单元(106)还控制快速操作接地开关(112)，使得其工作为工作接地开关。
文档编号H02H1/00GK101663803SQ200880008562
公开日2010年3月3日 申请日期2008年3月13日 优先权日2007年3月16日
发明者C·瑟鲁, H·布里德, L·伦丁 申请人:Abb技术有限公司