专利名称：用于使用断路器状态来检测电弧事件的方法、系统和设备的制作方法
用于使用断路器状态来检测电弧事件的方法、系统和设备技术领域
一般来说，本文所述的实施例涉及电弧闪光检测和抑制，更具体来说，涉及用于减少错误检测的电弧闪光检测系统。
背景技术：
至少部分已知的配电电路和开关设备一般具有通过诸如空气或者气体或固体电介质之类的绝缘来分隔的导体。但是，如果导体定位成过于靠近，或者如果导体之间的电压超过导体之间的绝缘的绝缘性质，则电弧可能发生。例如，导体之间的绝缘可能变为离子化，这使绝缘成为导电的，并且使得形成电弧闪光。
电弧闪光包括因两相导体之间、一相导体与中性导体之间或者一相导体与接地点之间的故障而引起快速释放能量。电弧闪光温度能够达到或超过20000°C，这会使导体和相邻设备汽化。此外，电弧闪光能够采取热量、强光、压力波和/或声波形式释放相当大的能量，足以损坏导体和相邻设备。但是，生成电弧闪光的故障的电流水平一般小于短路的电流水平，使得断路器可能不跳闸或者可能呈现延迟跳闸，除非断路器专门设计成处理电弧故障状况。
光传感器可用于检测电弧闪光期间所发射的光的存在。但是，这类传感器往往对低光度敏感，使得它们还检测非电弧闪光的光，并且触发电路保护装置的“错误跳闸”。例如，典型电弧闪光事件能够在离电弧闪光事件三至四英尺的距离产生大约100000勒克斯的光通量的光，而已知的光传感器一般在700勒克斯或以下则饱和。由断路器在跳闸期间、 由空间照明或者由直射阳光所发射的光可使光传感器错误地检测电弧闪光事件。因此，需要一种可靠地检测电弧闪光事件并且抑制电路保护装置的错误跳闸的电弧闪光检测系统。发明内容
在一个方面，电力设备保护系统包括第一电路监测装置，配置成监测第一电路； 第二电路监测装置，配置成监测电耦合到第一电路的第二电路；以及处理器，通信上耦合到第一电路监测装置和第二电路监测装置。处理器配置成从第一电路监测装置和第二电路监测装置中的至少一个接收指示故障的信号，确定故障是在第一电路还是在第二电路中发生，以及如果故障在第二电路中发生，则确定故障是否为电弧事件。
在另一方面，提供控制器以与电力设备保护系统配合使用。控制器配置成通信上耦合到配置成监测第一电路的第一电路监测装置，并且通信上耦合到配置成监测与第一电路电耦合的第二电路的第二电路监测装置。控制器还配置成从第一电路监测装置和第二电路监测装置中的至少一个接收指示故障的信号，确定故障是在第一电路还是在第二电路中发生，以及如果故障在第二电路中发生，则确定故障是否为电弧事件。
在另一方面，提供一种方法以用于保护具有至少一个第一电路和第二电路的电力设备。该方法包括由处理器从至少一个电路监测装置接收指示故障的信号；以及确定故障是在至少一个第一电路还是在第二电路中发生。如果故障在第二电路中发生，则处理器基于跨第二电路的多个导体所测量的电压水平来确定该故障是否为电弧事件，以及如果该故障是电弧事件，则处理器生成激活电路保护装置的信号。
图I是示范电力系统的示意框图。
图2是可与图I所示电力系统配合使用的示范配电系统的示意框图。
图3和图4是可与图I所示电力系统配合使用的设备保护系统的示意图。
图5是示出用于使用图3和图4所示设备保护系统来保护电力设备的示范方法的流程图。
具体实施方式
本文描述供保护配电设备或其它电气设备免于故障中使用的系统、方法和设备的示范实施例。这些实施例便于设备保护系统的连续操作。此外，例如，这些实施例使分支电路上发生的穿越故障能够使用馈电断路器来正常处理。本文所使用的“穿越故障”是在被保护区外部的配电系统中发生的故障，其中故障电流的全部或部分流经被保护区。这类穿越故障通常不要求电弧闪光能量的转向，而是能够通过使馈电断路器跳闸来消除，同时继续监测主电源馈电装置以检测电弧闪光。本文所述的实施例使穿越故障能够被检测，并且在检测到它们时使电路保护装置能够被激活。此外，这些实施例实现电弧事件的可靠检测， 同时减少可能由基于光的检测系统引起的错误跳闸。
图I是包括设备保护系统102和配电系统104的示范电力系统100的示意框图。 在一个示范实施例中，配电系统104包括多个开关设备106。保护系统102包括中央控制器 108，中央控制器108包括处理器110以及耦合到处理器110的存储区112。处理器110控制和/或监测开关设备单元106的操作。更具体来说，处理器110控制和/或监测开关设备单元106中的多个断路器和跳闸单元(图I中均未示出)的操作。处理器110经由网络 114与开关设备单元106进行通信。例如，中央控制器108包括中央通信单元116，中央通信单元116实现经由网络114在处理器110与开关设备单元106之间传送和接收数据和/ 或命令。
应当理解，术语“处理器”一般表示包括任何可编程系统，其中包括系统和微控制器、简化指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路以及能够运行本文所述功能的任何其它电路或处理器。上述示例只是示范性的，因而并不是要以任何方式限制术语“处理器”的定义和/或含意。
此外，存储区112存储由处理器可执行的以控制和/或监测开关设备单元106的程序代码和指令。存储区112可包括一种或一种以上形式的存储器。例如，存储区112 能够包括随机存取存储器(RAM)，RAM能够包括非易失性RAM(NVRAM)、磁RAM(MRAM)、铁电 RAM(FeRAM)和其它形式的存储器。存储区112还可包括只读存储器(ROM)、闪速存储器和 /或电可擦可编程只读存储器(EEPROM)。任何其它适当磁、光和/或半导体存储器可单独地或者与其它形式的存储器结合包含在存储区112中。存储区112还可以是或者包括可拆卸或可移动存储器，其中包括但不限于适当盒式磁带、磁盘、⑶ROM、DVD或USB存储器。
此外，在图I的示范实施例中，保护系统102包括显示装置118和用户输入装置120，它们提供用于使用保护系统102来监测和控制配电系统104的用户界面。显示装置 118可非限制性地包括监视器、电视显示器、等离子体显示器、液晶显示器(LCD)、基于发光二极管(LED)的显不器、基于多个有机发光二极管(OLED)的显不器、基于聚合物发光二极管(PLED)的显示器、基于多个表面传导电子发射器(SED)的显示器、包括投射和/或反射图像或者任何其它适当电子装置或显示机构的显示器。在一个实施例中，显示装置118包括具有关联触摸屏控制器的触摸屏。显示装置118可具有任何适当配置，例如正方形、矩形或长矩形。
此外，设备保护系统102包括通信上耦合到控制器108的电路保护装置102。电路保护装置122可以是电弧包容装置，电弧包容装置在独立设备中发起次级电弧，以便将能量从在配电系统104中的故障点发生的诸如电弧闪光之类的第一电弧转移开。备选地，电路保护装置122可以是短路器装置，短路器装置将能量从配电系统104中的故障点转向被短接的故障(bolted fault)。
图2是配电系统104的示意框图。更具体来说，图2是开关设备单元106的示意框图。在一个示范实施例中，开关设备单元106包括多个第一断路器或者多个馈电断路器 124或者其它电路开关或断流器。各馈电断路器124可移除地耦合在开关设备单元106中， 并且配置成控制送往一个或多个负载126的电力。负载126可包括但不限于仅包括制造或发电或配电设施的机械、电动机、照明和/或其它电和机械设备。电力从还耦合到第二断路器或主断路器130的第二电路、例如主电源馈电装置128提供给开关设备单元106。然后， 使用用于将电力提供给负载126的馈电断路器124将电力划分到多个第一电路或多个分支电路132中。
各馈电断路器124耦合到对应馈电跳闸单元134。此外，主断路器130耦合到主跳闸单元136。在一个示范实施例中，馈电跳闸单元134和主跳闸单元136还在通信上耦合到控制器108。例如，馈电跳闸单元134和主跳闸单元136可直接耦合以与控制器108进行通信，或者可耦合以经由通信单元138与控制器108进行通信。此外，可经由硬连线通信链路或者经由无线通信链路来提供馈电跳闸单元134、主跳闸单元136和控制器108之间的通信。跳闸单元134和136收集与对应断路器相关的操作数据。例如，馈电跳闸单元134可通过得到经由被各馈电断路器134监测的分支电路132的相应导体的电流水平、被馈电断路器134监测的跨分支电路132的多个导体的电压水平和/或馈电断路器134的断路器状态，来采集操作数据。类似地，主跳闸单元136可通过得到经由被主断路器130监测的主电源馈电装置128的相应导体的电流水平、被主断路器130监测的跨主电源馈电装置128的多个导体的电压水平和/或主断路器130的断路器状态，来采集操作数据。在一些实施例中，馈电跳闸单元134和/或主跳闸单元136以预先选择的频率定期接收操作数据。此外， 在一些实施例中，馈电跳闸单元134和/或主跳闸单元136包括能够将操作数据存储一定时间段的存储区(未示出)。
图3和图4是设备保护系统102的示意图。在一个示范实施例中，设备保护系统 102包括控制器108和监测装置，供检测在开关设备106(图I和图2所示)中发生的电路故障中使用。例如，第二电路监测装置、如主电路监测装置140监测主电源馈电装置128，以便检测通过主电源馈电装置128和/或一个或多个分支电路132的过电流状况。主电路监测装置140可以是主断路器130或电流传感器142。类似地，第一电路监测装置、如馈电电路监测装置144监测各分支电路132，以便检测过电流状况。在一个示范实施例中，馈电电路监测装置144是馈电断路器124(图2所示)。备选地，馈电电路监测装置144可以是电流传感器(未示出)。
设备保护系统102还包括通信上耦合到控制器108的电压传感器146。电压传感器146测量跨主电源馈电装置128的多个导体、例如主电源馈电装置128的两相线路之间或者一相线路与接地或中性线之间的电压水平、如第一电压水平。电压传感器146还生成与所测量电压水平成比例的信号，并且将该信号传送给控制器108。
在操作期间，主电路监测装置140或馈电电路监测装置144或者它们两者检测电路中的过电流状况或故障148。例如，馈电电路监测装置144可检测分支电路132中的故障148。备选地，主电路监测装置140可检测分支电路132或主电源馈电装置128中的故障148。主电路监测装置140或馈电电路监测装置144向控制器108传送指示故障检测的信号。响应该信号，控制器108确定故障148是在分支电路132还是在主电源馈电装置128 中发生。例如，如果故障148在分支电路132中发生，则控制器108可使馈电断路器124跳闸。但是，如果故障148在主电源馈电装置128中发生，则控制器108确定故障148是否为电弧事件。控制器108部分基于从电压传感器146所接收的信号来确定故障148是否为电弧事件。如果确定故障148是电弧事件，则控制器108提供激活电路保护装置122的信号， 以便使与电弧事件关联的能量能够从故障148的位置去除，从而保护设备。
图5是示出用于使用设备保护系统102(图1-4所示)来保护电力设备、如开关设备106 (图I和图2所示)的示范方法的流程图200。参照图3和图4，并且在一个示范实施例中，控制器108接收202指示故障、如故障148已经发生的信号。控制器108可从主电路监测装置140或者从馈电电路监测装置144接收该信号。在接收到该信号时，控制器108 发起204定时器。
此外，在接收到该信号时，控制器108确定故障148是在主电源馈电装置128还是在分支电路132上发生。例如，控制器108确定206主电路监测装置140是否检测到与故障148关联的过电流状况。如果主电路监测装置140没有检测到过电流状况，则控制器108 可使208主断路器130跳闸。但是，如果主电路监测装置140检测到过电流状况，则控制器 108确定210馈电电路监测装置144是否检测到与故障148关联的过电流状况。如果馈电电路监测装置144检测到过电流状况，则控制器108确定212故障148在分支电路132上发生，如图4所示，并且使馈电断路器124 (图2所示)跳闸。备选地，控制器108可使用消除故障148的不同方法。
但是，如果馈电电路监测装置144没有检测到过电流状况，则控制器108确定故障 148在主电源馈电装置128上已经发生，如图3所示。相应地，控制器108确定故障148是否为电弧事件。例如，控制器108从电压传感器146接收214表示跨主电源馈电装置128 的多个导体、例如主电源馈电装置128的两相线路之间或者一相线路与接地或中性线之间的第一电压水平的信号。控制器108将第一电压水平与可存储在存储区112(图I所示) 中的预先选择或预定的第二阈值电压水平进行比较216。如果控制器108确定218第一电压水平不大于(即，小于或等于)第二阈值电压水平，则控制器108继续从电压传感器146 接收214第一电压水平的后续测量。
但是，如果控制器108确定218第一电压水平大于第二阈值电压水平，则控制器108将第一时间段与可存储在存储区112中的第二阈值时间段进行比较220。第一时间段可通过控制器108接收到202指示故障148的发生的信号时与控制器108确定218第一电压水平大于第二阈值电压水平时之间的时间段来定义。第二时间段可基于主断路器130或馈电断路器124的中断时间。如果控制器108确定222第一时间段不大于(即，小于或等于)第二阈值时间段，则控制器108使224主断路器130跳闸。此外，如果控制器108确定 222第一时间段大于第二阈值时间段，则控制器108提供激活226电路保护装置122的信号。此外，控制器108可使224主断路器130跳闸。例如，如果第一时间段小于第二阈值时间段，并且第一电压水平大于第二阈值电压水平，则控制器108确定故障148是电弧事件， 并且提供激活226电路保护装置122的信号。
以上详细描述了供保护配电设备或其它电气设备中使用的系统、方法和设备的示范实施例。系统、方法和设备并不局限于本文所述的具体实施例，而是可单独且独立于本文所述的其它操作和/或组件来使用方法的操作和/或系统和/或设备的组件。此外，所述操作和/或组件也可在其它方法、系统和/或设备中限定或者与其结合使用，而并不局限于仅采用本文所述的系统、方法和存储介质来实施。
例如本文所述的控制器包括至少一个处理器或处理单元以及系统存储器。控制器通常具有至少某种形式的计算机可读介质。作为示例而不是限制，计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括通过任何方法或技术实现的、用于存储例如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据等信息的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者例如载波或其它传输机构等调制数据信号中的其它数据，并且包括任何信息传递介质。本领域的技术人员熟悉调制数据信号，它使其特性的一个或多个按照使得对信号中的信息进行编码的方式来设置或改变。以上任一个的组合也包含在计算机可读介质的范围之内。
虽然结合示范电力设备环境来描述本发明，但是本发明的实施例对于许多其它通用或专用电力设备环境或配置是可操作的。电力设备环境不是要提出关于本发明的任何方面的使用或功能性的范围的任何限制。此外，电力设备环境不应当被理解具有与示范操作环境中所述的组件的任一个或组合相关的任何相关性或要求。
本发明的实施例可通过由一个或多个计算机或其它装置所运行的诸如程序组件或模块之类的计算机可执行指令的一般上下文来描述。本发明的方面可采用组件或模块的任何数量和组织来实现。例如，本发明的方面并不局限于附图所示以及本文所述的特定计算机可执行指令或者特定组件或模块。本发明的备选实施例可包括具有比本文所示和所述的更多或更少功能性的不同计算机可执行指令或组件。
本文所示和所述的本发明的实施例中的操作的运行或执行顺序不是必需的，除非另加说明。也就是说，操作可按任何顺序来执行，除非另加说明，并且本发明的实施例可包括附加的或者比本文所公开的更少的操作。例如，考虑在另一个操作之前、同时或之后运行或执行特定操作落入本发明的方面的范围之内。
在介绍本发明的方面或其实施例的元件时，限定词“一个”、“该”和“所述”意在表示存在元件的一个或多个。术语“包含”、“包括”和“具有”意在包括在内，并且表示可能存在与列示元件不同的附加元件。
本书面描述使用示例来公开本发明，其中包括最佳模式，并且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的专利范围由权利要求书来限定，并且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这类其它示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构单元，或者如果它们包括具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构单元，则预计它们落入权利要求的范围之内。
部件列表
权利要求
1.一种电力设备保护系统(102),包括第一电路监测装置(144)，配置成监测第一电路(132)；第二电路监测装置(140)，配置成监测电耦合到所述第一电路(132)的第二电路 (128);以及处理器(110)，通信上耦合到所述第一电路监测装置(144)和所述第二电路监测装置 (140)，其中所述处理器(110)配置成从所述第一电路监测装置(144)和所述第二电路监测装置(140)中的至少一个接收信号，所述信号指示故障；确定所述故障是在所述第一电路(132)还是在所述第二电路(128)中发生；以及如果所述故障是在所述第二电路(128)中发生，则确定所述故障是否为电弧事件。
2.如权利要求I所述的电力设备保护系统(102)，其中，所述处理器(110)配置成确定所述第二电路监测装置(140)是否检测到与所述故障关联的过电流状况，以及确定所述第一电路监测装置(144)是否检测到所述过电流状况。
3.如权利要求2所述的电力设备保护系统(102)，其中，所述处理器(110)配置成当所述第二电路监测装置(140)和所述第一电路监测装置(144)均检测到所述过电流状况时， 确定所述故障在所述第一电路(132)中发生。
4.如权利要求2所述的电力设备保护系统(102)，其中，所述处理器(110)配置成当所述第二电路监测装置(140)检测到所述过电流状况但所述第一电路监测装置(144)没有检测到所述过电流状况时，确定所述故障在所述第二电路(128)中发生。
5.如权利要求I所述的电力设备保护系统(102)，还包括电压传感器(146)，所述电压传感器(146)通信上耦合到所述处理器(110)，并且配置成测量跨所述第二电路(128)的多个导体的电压水平。
6.如权利要求5所述的电力设备保护系统(102)，其中，所述处理器(110)还配置成从所述电压传感器(146)接收表示所测量电压水平的信号，并且将所述所测量电压水平与阈值电压水平进行比较。
7.如权利要求6所述的电力设备保护系统(102)，其中，所述处理器(110)配置成当所测量电压水平大于所述阈值电压水平时，确定所述故障是电弧事件。
8.如权利要求I所述的电力设备保护系统(102)，还包括通信上耦合到所述处理器 (110)的电路保护装置(122)，其中所述处理器(110)还配置成在确定所述故障是电弧事件时，生成激活所述电路保护装置(122)的信号。
9.如权利要求I所述的电力设备保护系统(102)，其中，所述第一电路监测装置(144) 和所述第二电路监测装置(140)中的至少一个包括断路器和电流传感器其中之一。
10.一种与电力设备保护系统(102)配合使用的控制器，所述控制器(108)配置成通信上耦合到配置成监测第一电路(132)的第一电路监测装置(144)；通信上耦合到配置成监测与所述第一电路(132)电耦合的第二电路(128)的第二电路监测装置(140)；从所述第一电路监测装置(144)和所述第二电路监测装置(140)中的至少一个接收信号，所述信号指示故障；确定所述故障是在所述第一电路(132)还是在所述第二电路(128)中发生；以及如果所述故障是在所述第二电路(128)中发生，则确定所述故障是否为电弧事件。
11.如权利要求10所述的控制器(108)，其中，所述控制器(108)配置成确定所述第二电路监测装置(140)是否检测到与所述故障关联的过电流状况，以及确定所述第一电路监测装置(144)是否检测到所述过电流状况。
12.如权利要求11所述的控制器(108)，其中，所述控制器(108)配置成当所述第二电路监测装置(140)和所述第一电路监测装置(144)均检测到所述过电流状况时，确定所述故障在所述第一电路(132)中发生。
13.如权利要求11所述的控制器(108)，其中，所述控制器(108)配置成当所述第二电路监测装置(140)检测到所述过电流状况而所述第一电路监测装置(144)没有检测到所述过电流状况时，确定所述故障在所述第二电路(128)中发生。
14.如权利要求10所述的控制器(108)，其中，所述控制器(108)还配置成通信上耦合到配置成测量跨所述第二电路(128)的多个导体的电压水平的电压传感器(146)；从所述电压传感器(146)接收表示所测量电压水平的信号；将所述所测量电压水平与阈值电压水平进行比较；以及当所述所测量电压水平大于所述阈值电压水平时，确定所述故障是电弧事件。
15.如权利要求10所述的控制器(108)，其中，所述控制器(108)还配置成通信上耦合到电路保护装置(122);以及在确定所述故障是电弧事件时，生成激活所述电路保护装置(122)的信号。
全文摘要
本发明涉及用于使用断路器状态来检测电弧事件的方法、系统和设备。电力设备保护系统(102)包括第一电路监测装置(144)，配置成监测第一电路(132)；第二电路监测装置(140)，配置成监测电耦合到第一电路(132)的第二电路(128)；以及处理器(110)，通信上耦合到第一电路监测装置(144)和第二电路监测装置(140)。处理器(110)配置成从第一电路监测装置(144)和第二电路监测装置(140)中的至少一个接收指示故障的信号，确定故障是在第一电路(132)还是在第二电路(128)中发生，以及如果故障在第二电路(128)中发生，则确定故障是否为电弧事件。
文档编号H02H3/08GK102545140SQ20111042700
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月8日 优先权日2010年12月8日
发明者G·W·罗斯克 申请人:通用电气公司