相关申请
本申请要求2015年3月19日提交的美国临时专利申请号62/135,284的权益和优先权，该申请的公开内容以引用方式并入本文中。
本发明涉及电路保护装置并且更具体地涉及过电压、过电流和闪弧保护装置和方法。
背景技术：
往往，过大的电压或者电流被施加到将动力传送到住所和商业以及机构设施的服务线路上。这样的过大的电压或电流尖峰(瞬态过电压和电涌电流)例如会导致闪电打击（lightningstrike）。上述事件会是电信配送中心、医院和过电压和/或电流电涌所导致的设备损坏和导致的停机时间会是非常昂贵的其它设施中所特别关心的。
通常，敏感的电子设备会通过使用电涌保护装置(spds，surgeprotectivedevices)来保护以抵抗瞬态过电压和电涌电流。例如，简要参考图1，其是包括常规过电压和电涌保护的系统。过电压保护装置10可以被安装在待保护的设备50的动力输入处，该设备通常被保护以抵抗过电流。spd的典型失效模式是短路。通常使用的过电流保护是内部热隔离开关（internalthermaldisconnector）和外部熔断器的组合，其中所述内部热隔离开关保护装置免于由于泄露电流增加导致的过热，所述外部熔断器保护装置免于较高的故障电流。不同的spd技术可以避免使用内部热隔离开关，因为在故障情况下它们将其操作模式改变成低欧姆电阻。以此方式，装置能够承受显著的短路电流。在此方面，可能操作上不需要内部热隔离开关。上述内容上进一步地，呈现甚至更高短路承受能力的一些实施例也可以仅由设施的主电路断路器保护而不需要专用的分支熔断器。
现在简要参考图2，其是包括常规电涌保护的系统的框图。如所示，三相线路可以被连接到且供应电能至一个或更多个变压器66，所述一个或更多个变压器66进而将三相电动力供应给主电路断路器68。三相电动力可以被提供给一个或更多个配电盘（distributionpanel）62。如所示，三相电动力的三个电压线路可以被标示为l1、l2和l3并且中性线路可以被标示为n。在一些实施例中，中性线路n可以被导电地联接到地面。
一些实施例包括电涌振保护装置(spds)104。如所示，每个spds104可以被连接在l1、l2和l3中的相应一个和中性部(n)之间。spd104可以保护设施内的其它设备，例如配电盘等等。此外，在长时间过电压的情况下，spds可以被用于保护所有设备。然而，这样的状况可以迫使spd长时间段地传导有限电流，这会导致spd的过热且可能导致其失效(根据spd能够吸收的能量承受能力、过电压情况的水平和持续时间)。在本示例中的spd104的典型的操作电压可以是大约400v(对于690vl-l系统)。在此方面，spds104将在正常操作状况期间各自执行为绝缘体并且因此不传导电流。在一些实施例中，spd's104的操作电压充分高于正常的线路到中性部的电压以确保spd104将继续执行为绝缘体，即使在系统电压由于过电压状况而增加的情况下，该过电压状况可能由于功率损失或者其它动力系统问题而导致。
在例如l1中的电涌电流的情况下，保护动力系统负载装置会需要为电涌电流的过量电流提供至地面的电流路径。电涌电流会在l1和n之间生成瞬态过电压。因为瞬态过电压极大地超过了spd104的操作电压，所以spd104将变成导电的，从而允许过量电流从l1流动通过spd104至中性部n。一旦电涌电流已经被传导到n，则过电压状况结束并且spd104再次变成不导电。然而，在一些情况下，一个或更多个spd's104可以开始允许泄漏电流被传导，甚至在低于spd's104的操作电压的电压下被传导。
另外，在电气装置柜内，可以存在会保护柜内的设备和接近的人员免受在柜内会生成的闪弧的装置。在柜内发生的闪弧会产生严重损坏并且被看作是对于人员的非常严重的安全危害。这样，应该尽可能快地探测闪弧并中断对应电流以便最小化损坏和/或风险。然而，特别是在高动力系统中，在闪弧期间，故障电流会被限制到比主电路断路器足够快地跳闸（trip）所需的电流阈值更低的水平。会需要更快的响应时间来避免损坏和/或风险。许多制造商使用的一种解决方案包括电子系统来迫使电路断路器的外部跳闸。在闪弧期间会显著增加柜内侧的压力并显著增加照明。电子电路可以使用压力和/或光学传感器来探测闪弧的存在性并使得电路断路器跳闸。其它的更近技术使用动力系统的电压和电流的读数并且当遇到这些读数的特定样式时使电路断路器跳闸。
然而，(在通过电子电路被外部跳闸之后)电路断路器使得系统从电源断开所用的时间可以是在大约100毫秒或者更多的范围。在这个时间期间，可以在大约10ka至大约100ka范围内的短路电流会导致对设备的内部部分的损坏以及导致接近的人员暴露于极大危险。
技术实现要素：
本发明的一些实施例涉及一种电路保护装置，其包括闪弧、过电流、过电压和电涌保护系统，其被连接在多个相线路和中性线路之间，所述线路在输入电源线路和电气设备内的电气负载板之间。
在一些实施例中，所述闪弧、过电流、过电压和电涌保护系统包括：撬棍装置（crowbardevice），其被联接到所述多个相线路和所述中性线路并且被配置成通过生成从所述多个相线路到所述中性线路的低电阻电流路径来防止过电压状况；多个电涌保护装置，其被连接到所述多个相线路和所述中性线路并且被配置成通过传导对应于过电压状况的有限电流量来在所述过电压状况期间保护设备；以及撬棍触发电路，其被配置成导致所述撬棍装置开启并且提供从所述多个相线路中的相线路到所述中性线路的所述低电阻电流路径。
一些实施例设置为，所述撬棍装置包括被联接在所述多个相线路中的相应相线路和所述中性线路之间的多个过电压保护模块。在一些实施例中，所述多个过电压保护模块中的每个模块均包括双向晶闸管（bidirectionalthyristor）和与该双向晶闸管串联连接的电感器。一些实施例设置为，所述多个过电压保护模块中的每个模块均包括彼此反向并联连接的两个晶闸管和与所述两个晶闸管串联连接的电感器。在一些实施例中，所述多个过电压模块中的所述模块进一步包括与所述两个晶闸管并联连接的缓冲电路。一些实施例设置为，该缓冲电路包括彼此串联连接的电阻器和电容器。
在一些实施例中，所述闪弧、过电流、过电压和电涌保护系统进一步包括：闪弧探测系统，其被配置成探测设备内的闪弧并生成和发送闪弧信号至撬棍触发电路。
一些实施例设置为，撬棍触发电路包括多个晶闸管触发电路，其被配置成生成由撬棍装置接收的晶闸管触发信号。在一些实施例中，撬棍触发器电路进一步包括：电源和电压保持电路，其被配置成接收用于触发电路的电动力并且在失去触发电路的电动力之后将动力提供给触发电路持续一定时间段；接口电路，其被配置成接收对应于所述多个相线路的电压的输入、通过所述多个相线路的电流流动、闪弧信号和/或温度或相应电涌保护装置；以及微控制器，其被配置成从所述接口电路接收数据、处理接收到的数据并且生成和发送触发信号至所述多个晶闸管触发电路中的一个或更多个、生成和发送警报信号至远程警报装置和/或跳闸信号至主电路断路器。一些实施例设置为，所述电源和电压保持电路包括：多个dc-dc转换器，其各自均可操作成将电压提供至所述多个晶闸管触发电路中的晶闸管触发电路；以及保持电路，其被配置成保持被提供给所述多个dc-dc转换器的电压。
一些实施例设置为，所述撬棍装置包括：被联接在所述多个相线路中的相应相线路和所述中性线路之间的多对反向并联连接的晶闸管；与所述多对反向并联的晶闸管中的相应晶闸管串联连接的多个电感器；以及被连接在所述多个相线路中的相应相线路和所述中性线路之间的多个电涌保护装置。
在一些实施例中，所述闪弧、过电流、过电压和电涌保护系统包括：撬棍装置，其被联接到所述多个相线路并在其间并且被配置成通过选择性生成在所述多个相线路之间的低电阻电流路径来防止过电压状况；多个电涌保护装置，其被连接到所述多个相线路并在其间并且被配置成通过传导对应于过电压状况的有限电流量来在所述过电压状况期间保护设备；以及撬棍触发电路，其被配置成导致所述撬棍装置开启并且提供从所述多个相线路中的相线路到所述中性线路的所述低电阻电流路径。
一些实施例设置为，所述闪弧、过电流、过电压和电涌保护系统包括：撬棍装置，其被联接到所述多个相线路和所述中性线路并且被配置成通过生成从所述多个相线路到所述中性线路的低电阻电流路径来防止过电压状况；多个电涌保护装置，其被连接到所述多个相线路和所述中性线路并且被配置成通过传导对应于过电压状况的有限电流量来在所述过电压状况期间保护设备；以及闪弧触发电路，其被配置成导致所述撬棍装置开启并且提供从所述多个相线路中的相线路到所述中性线路的所述低电阻电流路径。在一些实施例中，撬棍装置包括被连接到所述中性线路和所述多个相线路中的相应相线路的多个自触发撬棍模块。
在一些实施例中，所述多个自触发撬棍模块各自均包括：彼此反向并联连接的两个晶闸管；与所述两个晶闸管串联连接的电感器；以及撬棍触发电路，其被配置成从所述多个相线路中的对应相线路上的电流传感器接收电流信号并且响应于该电流信号超过电流阈值导致所述两个晶闸管中的至少一个提供在所述多个相线路中的对应相线路和所述中性线路之间的低电阻电流路径。
在一些实施例中，撬棍触发电路被配置成在不存在来自闪弧触发电路的任何信号的情况下生成触发信号。一些实施例设置为，撬棍触发电路被配置成在设备的起动阶段期间提供所述多个撬棍模块中的相应撬棍模块的自触发。在一些实施例中，闪弧触发电路被配置成响应于在设备的起动阶段之后探测到闪弧触发所述多个撬棍模块。
一些实施例设置为，所述多个撬棍模块中的撬棍模块进一步包括缓冲电路，其与所述两个晶闸管并联连接并且所述缓冲电路包括彼此串联连接的电阻器和电容器。
在一些实施例中，所述闪弧、过电流、过电压和电涌保护系统进一步包括：闪弧探测系统，其被配置成探测设备内的闪弧并且生成和发送闪弧信号至闪弧触发电路。
一些实施例设置为，所述闪弧、过电流、过电压和电涌保护系统进一步包括阈值选择器，其被连接到闪弧触发电路并且被配置成提供对应于电流阈值的值的阈值电流选择信号。在一些实施例中，阈值选择器包括接收用户输入并提供阈值电流选择信号至闪弧触发电路的用户输入装置。一些实施例设置为，阈值电流选择信号包括离散的二进制值，并且其中所述离散的二进制值中的最低值对应于默认阈值电流。
本发明的一些实施例涉及闪弧、过电流、过电压和电涌保护系统，其包括：撬棍装置，其被联接到多个相线路并在其间并且被配置成通过选择性生成在所述多个相线路之间的低电阻电流路径来防止过电压状况；以及多个电涌保护装置，其被连接到所述多个相线路中的相应相线路和所述撬棍装置，并且被配置成通过传导对应于过电压状况的有限电流量来在所述过电压状况期间保护设备。
在一些实施例中，所述多个电涌保护装置中的电涌保护装置各自均包括被连接到所述多个相线路中的对应相线路的第一端子和被连接到撬棍装置的第二端子。一些实施例设置为，撬棍装置包括连接到所述多个电涌保护装置的多个相端子和被连接在不同对相端子之间的多个晶闸管。
一些实施例设置为，撬棍装置进一步包括撬棍触发电路，其可操作成响应于探测到相线路上的故障状况生成至所述多个晶闸管的晶闸管触发信号。在一些实施例中，所述撬棍触发电路包括：整流电路，其生成对应于所述多个相线路之间的电压的直流(dc)信号；比较来自整流电路的dc信号与参考信号的比较器；以及多个隔离驱动器，其接收比较器输出，并且响应于比较器输出指示出dc信号超过参考信号，生成开启所述多个晶闸管的触发信号。
在一些实施例中，电涌保护装置包括金属氧化物变阻器。
本发明的一些实施例涉及电涌保护系统，其包括：多个撬棍模块，其被联接到多个相线路并且被配置成通过选择性生成在所述多个相线路和中性线路之间的低电阻电流路径来防止过电压状况；以及多个电涌保护装置，其与所述多个撬棍模块中的相应撬棍模块串联连接以便提供多个串联电路，所述串联电路中的每个包括所述多个撬棍模块中的一个和所述多个电涌保护装置中的一个，其中每个串联电路均被连接在所述多个相线路中的对应相线路和所述中性线路之间。
在一些实施例中，所述多个电涌保护装置中的电涌保护保护装置各自均包括被连接到所述多个相线路中的对应相线路的第一端子和被连接到所述多个撬棍模块中的对应撬棍模块的第二端子。在一些实施例中，所述多个撬棍模块中的撬棍模块各自均包括：被连接在所述多个电涌保护装置中的对应电涌保护装置和所述中性线路之间的多个反向并联的晶闸管；以及撬棍触发电路，其可操作成响应于探测到相线路上的故障状况生成至所述多个晶闸管的晶闸管触发信号。
在一些实施例中，所述撬棍触发电路包括：整流电路，其生成对应于在所述多个相线路中的对应相线路上的电压的直流(dc)信号；比较来自整流电路的dc信号与参考信号的比较器；驱动器，其接收比较器输出，并且响应于比较器输出指示出dc信号超过参考信号，生成晶闸管驱动信号；以及光学隔离器，其响应于从所述驱动器接收所述晶闸管驱动信号生成晶闸管触发信号，其中所述晶闸管触发信号开启该对反向并联的晶闸管以便提供在电涌保护器中的对应电涌保护器和中性线路之间的低电阻电流路径。
根据本发明的实施例，撬棍模块包括第一和第二电气端子、模块壳体和第一和第二撬棍单元。第一撬棍单元被置于模块壳体内并且包括被电连接在第一和第二电气端子之间的第一晶闸管。第二撬棍单元被置于模块壳体内并且包括与第一撬棍单元电气并联的被电连接在第一和第二电气端子之间的第二晶闸管。
在一些实施例中，第一晶闸管反向并联地连接到第二晶闸管。
撬棍模块可以包括缓冲电路，其被置于模块壳体内并且与第一和第二撬棍单元中的每个电气并联地被电连接在第一和第二电气端子之间。
撬棍模块可以包括被电气串联地连接在第一端子和第一和第二撬棍单元中的每个之间的线圈组件。在一些实施例中，撬棍模块包括缓冲电路，其被置于模块壳体内并且与第一和第二撬棍单元中的每个电气并联地被电连接在第一和第二电气端子之间。
在一些实施例中，所述线圈组件包括：导电线圈构件，该线圈构件包括限定螺旋线圈通道的螺旋延伸的线圈带材；以及包括填充线圈通道的分离器壁部分的电绝缘壳。
在一些实施例中，模块壳体包括限定封闭空腔的盖，第一和第二撬棍单元被容纳在封闭空腔内，并且撬棍模块进一步包括填充材料，该填充材料填充封闭空腔内未被第一和第二撬棍单元占据的容积。在一些实施例中，填充材料是环氧树脂。
撬棍模块可以包括金属氧化物变阻器装置，其被置于模块壳体内并且与第一和第二撬棍单元中的每个并联地被电连接在第一和第二电气端子之间。
撬棍模块可以包括触发电路，其被置于模块壳体内并且被电连接到第一和第二撬棍单元。在一些实施例中，撬棍模块包括至外部电流传感器的电连接。
根据一些实施例，第一晶闸管包括是阳极和阴极中的一个的第一接触表面和是阳极和阴极中的另一个的第二接触表面，并且第一撬棍单元包括接触第一接触表面的导电第一电极以及接触第二接触表面的导电第二电极。在一些实施例中，第一电极是包括端壁和侧壁的整体金属单元壳体构件，端壁和侧壁限定单元壳体空腔，晶闸管被置于单元壳体空腔内。撬棍模块可以包括偏置装置，其将第一和第二电极构件中的至少一个偏置成抵靠第一或第二接触表面。
根据一些实施例，所述第一撬棍单元包括:：限定封闭腔室的单元壳体，所述第一晶闸管被置于该封闭腔室内；在封闭腔室和单元壳体的外部之间被限定在单元壳体的壁内的电线端口；被安装在电线端口内的线缆压盖；以及从单元壳体的外部延伸通过线缆压盖且被电连接到第一晶闸管的电引线。
电引线电线可以终止于第一晶闸管的控制端子。撬棍模块可以包括第二电引线电线，其从单元壳体的外部延伸通过线缆压盖且被电连接到第一晶闸管的参考端子。
在一些实施例中，线缆压盖被粘结到电引线电线。在一些实施例中，线缆压盖包括被粘结到电引线电线的树脂。在一些实施例中，树脂是环氧树脂。
根据一些实施例，线缆压盖包括：固定在电线端口内的管状外部配件；以及安装在所述外部配件内并且围绕所述电引线电线的密封塞子；其中所述密封塞子填充在电引线电线和外部配件之间的径向空间。在一些实施例中，所述密封塞子被粘结到电引线电线。在一些实施例中，外部配件由粘结到单元壳体的聚合材料形成。
根据一些实施例，线缆压盖将电引线电线机械固定到单元壳体并且封闭地密封电线端口。
根据本发明的实施例，撬棍单元包括：限定封闭腔室的单元壳体；被置于封闭腔室内的晶闸管；在封闭腔室和单元壳体的外部之间被限定在单元壳体的壁内的电线端口；被安装在电线端口内的线缆压盖；以及从单元壳体的外部延伸通过线缆压盖且被电连接到晶闸管的电引线。
在一些实施例中，晶闸管包括是阳极和阴极中的一个的第一接触表面和是阳极和阴极中的另一个的第二接触表面，并且撬棍单元包括接触第一接触表面的导电第一电极以及接触第二接触表面的导电第二电极。
根据一些实施例，第一电极是包括端壁和侧壁的整体金属壳体构件，壳体构件形成单元壳体的一部分并且限定壳体空腔，并且晶闸管被置于壳体空腔内。
撬棍单元可以包括偏置装置，其将第一和第二电极构件中的至少一个偏置成抵靠第一或第二接触表面。
在一些实施例中，电引线电线终止于晶闸管的控制端子。撬棍单元可以包括第二电引线电线，其从单元壳体的外部延伸通过线缆压盖且被电连接到晶闸管的参考端子。
根据一些实施例，线缆压盖被粘结到电引线电线。在一些实施例中，线缆压盖包括被粘结到电引线电线的树脂。在一些实施例中，树脂是环氧树脂。
根据一些实施例，线缆压盖包括固定在电线端口内的管状外部配件和安装在外部配件内且围绕电引线电线的密封塞子，其中所述密封塞子填充在电引线电线和外部配件之间的径向空间。在一些实施例中，密封塞子被粘结到电引线电线。在一些实施例中，外部配件由粘结到单元壳体的聚合材料形成。
根据一些实施例，线缆压盖将电引线电线机械固定到单元壳体并且封闭地密封电线端口。
在一些实施例中，所述晶闸管是双向晶闸管。
根据本发明的方法实施例，用于形成撬棍单元的方法包括：提供单元壳体，该单元壳体限定封闭腔室并且包括在封闭腔室和单元壳体的外部之间被限定在单元壳体的壁内的电线端口；将晶闸管安装在封闭腔室内；布线电引线电线通过电线端口；使用线缆压盖密封在电线端口内的电引线电线；以及将电引线电线电连接到晶闸管。
在一些实施例中，使用线缆压盖密封在电线端口内的电引线电线包括：形成线缆压盖，包括将电引线电线插入管状外部配件内、将液体密封材料围绕电引线电线引入外部配件内以及固化或硬化围绕电引线电线的液体密封材料以便密封外部配件内的电引线电线；以及将电引线电线和线缆压盖安装在电线端口内。在一些实施例中，液体密封材料是树脂。
根据本发明的实施例，撬棍装置包括装置壳体和被置于装置壳体内的撬棍模块和电流传感器。所述撬棍模块包括:模块壳体；被置于模块壳体内的晶闸管；被置于模块壳体内的自触发电路；以及被置于模块壳体内的缓冲电路。
根据本发明的实施例，撬棍系统（crowbarsystem）包括撬棍模块和外部触发和警报接口电路。所述撬棍模块包括:模块壳体；被置于模块壳体内的晶闸管；被置于模块壳体内的线圈；被置于模块壳体内的触发电路；以及被置于模块壳体内的缓冲电路。外部触发和警报接口电路被电连接到撬棍模块。
应当注意到的是，相对于一种实施例描述的本发明的方面可以在不同的实施例中结合，虽然未相对于这个不同的实施例具体描述。也就是说，所有实施例和/或任何实施例的特征都能够以任何方式和/或组合形式组合起来。在下文所陈述的说明中详细地解释本发明的这些和其它目的和/或方面。
附图说明
包括附图来提供对于本发明的进一步理解并且附图被包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。附图图示了本发明的一些实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。
图1是包括常规电涌保护的系统的框图。
图2是包括常规电涌保护的系统的框图。
图3是示出根据本发明一些实施例的闪弧和电涌保护系统的框图。
图4是示出根据本发明一些实施例的闪弧和电涌保护系统的框图。
图5是代表根据本发明一些实施例的包括在开关柜内的闪弧和电涌保护系统的电路的示意图。
图6是示出根据本发明一些实施例的如上文关于图4被简要描述的触发电路的示意性框图。
图7是示出如参考图6所讨论的电源和电压保持电路的示意性框图。
图8是示出如参考图7所讨论的dc-dc隔离型转换器的框图。
图9是示出如参考图6所讨论的晶闸管触发电路的示意性框图。
图10是代表根据本发明一些实施例的包括闪弧和电涌保护系统的电路的示意图。
图11是代表根据本发明一些实施例的包括闪弧和电涌保护系统的电路的示意图。
图12是代表根据本发明一些实施例的包括闪弧和电涌保护系统的电路的示意图。
图13是根据本发明的一些实施例的撬棍系统和触发模块的顶部透视图。
图14是沿着图13的线14-14选取的图13的撬棍系统的横截面视图。
图15是形成图13的撬棍系统的一部分的撬棍模块的顶部透视图。
图16是图15的撬棍模块的部分分解顶部透视图。
图17是形成图15的撬棍模块的一部分的线圈组件的分解顶部透视图。
图18是形成图17的线圈组件的一部分的壳的横截面底部透视图。
图19是形成图15的撬棍模块的一部分的撬棍单元的分解底部透视图。
图20是图19的撬棍单元的横截面顶部透视图。
图21是图19的撬棍单元的放大部分横截面视图。
图22是图13的连接器模块的后部透视图。
图23是根据本发明的另外的实施例的撬棍模块的部分透视图。
图24是示出根据本发明一些实施例的在保护设备中使用的闪弧和电涌保护系统的示意图。
图25是示出根据本发明一些实施例的如上文关于图24被简要描述的撬棍模块的示意性框图。
图26是示出根据本发明一些实施例的如上文关于图25被简要描述的撬棍模块的触发电路的示意性框图。
图27是示出根据本发明一些实施例的在过电压状况期间的电压和电流值的图表。
图28是示出根据本发明一些实施例的如上文关于图24被简要描述的撬棍模块的闪弧触发电路的示意性框图。
图29是示出根据本发明一些实施例的在保护设备中使用的电涌保护系统的示意性框图。
图30是示出根据本发明一些实施例的如上文关于图29被简要描述的撬棍装置的示意性框图。
图31是示出根据本发明一些实施例的在保护设备中使用的电涌保护系统的示意性框图。
图32是示出根据本发明一些实施例的如上文关于图31被简要描述的撬棍模块的示意性框图。
图33是根据本发明的一些实施例的撬棍系统的顶部透视图。
图34是形成图33的撬棍系统的一部分的撬棍模块的顶部透视图。
图35是图33的撬棍模块的部分分解顶部透视图。
具体实施方式
现将参考附图在下文中更全面地描述本发明，其中示出了本发明的说明性实施例。在附图中为了清楚起见，区域或特征的相对尺寸可能被夸大。然而，本发明可以实施为许多不同的形式，并且不应当被解释为限于本文中阐述的实施例；相反地，提供这些实施例从而使得本公开将是全面且完整的，并且将把本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
将理解到当元件被称作被“联接到”或“连接到”另一元件时，其能够被直接联接或连接到另一元件或也可以存在居间元件。对比而言，当元件被称作被“直接联接到”或“直接连接到”另一元件时不存在居间元件。贯穿全文，类似附图标记指代类似元件。
此外，为了说明书易于描述一个元件或特征与附图中所示的另外的(多个)元件或(多个)特征的关系，可在本文中使用空间相对术语，诸如“下方”、“低于”、“下部”、“上方”、“上部”等。将理解的是，这些空间上相对的术语旨在包含除了附图中描绘的取向之外，还包含该装置在使用或操作时的不同的取向。例如，如果附图中的装置是颠倒的，则被描述为在其它元件或特征“下方”或“之下”的元件于是将定向成在其它元件或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可包含上方和下方的取向两者。装置可以以其它方式被定向(旋转90度或者处于其它取向)并且本文使用的空间相对描述被相应地解释。
为了简短和/或清晰起见，可能并未详细描述公知的功能或构造。
如本文所使用的，表述“和/或”包括一个或更多个相关联的列出的项目的任何和所有组合。
本文所用的术语是仅用于描述特定实施例的目的并且不旨在限制本发明。如本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”旨在也包括复数形式，除非上下文另有清楚指示。还将理解的是，术语“包括”和/或“包含”在本说明书中使用时，是说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但并不预先排除一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其的组的存在或添加。
除非另有限定，否则本文中使用的所有术语(包括技术和科学术语)的意思与本发明所属的领域的普通技术人员通常理解的相同。还将理解的是，术语(诸如常用辞典中定义的术语)应当解释为意思与其在相关领域的上下文中的意思一致，并且不应当以理想化或过于正式的意义来解释，除非本文中明确地如此限定。
根据本文描述的实施例，闪弧和电涌保护系统可以保护配电和控制设备免于在封装件(例如电气开关柜)内侧会生成的闪弧。在不存在本文提供的针对电弧的保护的情况下，对应于电弧的短路会导致电路断路器跳闸并且在大约100毫秒内断开电路。在例如由于电路阻抗导致较低短路电流的情况下，闪弧探测系统可以触发电路断路器跳闸。然而，在这个阶段期间，可以在大约10ka至大约100ka之间的短路电流将损坏开关柜内的内部设备，并且会对接近开关柜的人员存在严重的安全危害。
如本文讨论的，上面的影响可以通过使用撬棍装置被消除，该撬棍装置具有非常快速的响应时间(例如，小于大约5毫秒)并且可以传导故障电流以便消除电弧直到电路断路器跳闸并且使得开关柜从电源断开。
撬棍装置可以包括两个晶闸管(ac电流的每个方向一个)，当被触发时，该晶闸管可以产生将传导电流并消除闪弧的短路。然而，如本文提供的，晶闸管可以被保护以免由于误触发和/或过电压导致的损坏。可以通过使用本文描述的电路部件防止误触发，并且可以通过使用可以与过电压保护装置并联连接的电涌保护装置来提供过电压保护。使用电涌保护装置可以保护撬棍装置的晶闸管免于误触发并保护设施中的其它设备。
在一些实施例中，撬棍装置可以在电涌保护装置已经失效的情况下保护电涌保护装置。例如，这种装置的典型的失效模式可以是短路，其由内部热隔离开关和/或外部熔断器/电路断路器来中断。以此方式，撬棍装置可以在其失效情况下进一步保护电涌保护装置并且因此不需要热隔离开关和/或串联熔断器/电路断路器。
一些实施例设置为，撬棍装置可以以多种不同方式被实施。第一示例提供了单次操作，其中撬棍装置仅被使用一次并且替换的撬棍装置被提供来更换用过的撬棍装置。第二示例包括能够被多次使用的撬棍装置。在这种示例中，撬棍装置可以承受短路电流直到电路断路器跳闸。这样，撬棍装置可以在故障事件之后恢复并且允许主电路断路器的可能的再次闭合，这种再次闭合将允许设施重新开始正常操作(如果导致撬棍系统跳闸的问题已经解决)。
为了触发撬棍装置，可以使用单独的电子电路。该电路可以从闪弧探测器电路接收触发信号作为输入并且可以触发撬棍装置和/或主电路断路器。在一些实施例中，该电路也可以接收动力线路的电压和电流读数和电涌保护装置的电流读数作为输入。以此方式，如果存在长时间过电压状况并且如果电涌保护装置失效，则电子系统可以指示出在撬棍装置的下游的任何位置处存在短路。在任何上述状况(或者需要并且能够通过使用这些传感器或附加传感器被探测到的任何其它状况)下，电子系统可以触发撬棍装置和主电路断路器。
此外，电子电路也可以提供警报信号来指示出存在这些问题和/或导致撬棍装置跳闸的问题类型。一些实施例设置为，响应于下列状况和/或事件中的一个或更多个，撬棍装置可以被触发：
-柜内侧闪弧；
-电涌保护装置失效；
-长时间过电压或过电流状况；
-撬棍装置下游短路；
-能够通过使用现有传感器或通过为此原因安装附加传感器被探测到的系统内的任何其它电扰动样式；以及
-远程手动触发。
现在参考图3，其是示出根据本发明的一些实施例的闪弧、过电压、过电流和电涌保护系统的框图。本发明的一些实施例可以适用于对应于工业设施内使用的开关系统的设备的保护，包括发电设施的辅配电盘和/或服务入口段，该发电设施例如包括风力涡轮发电机。然而，这样的实施例是非限制性的。例如，本文描述的闪弧和电涌保护系统可以适用于易受过电压状况、电涌电流和/或闪弧故障影响的许多不同类型的系统。例如，用于控制和分配单相或多相电动力的中和/或低电压开关可以使用本文描述的闪弧和电涌保护系统。在一些实施例中，开关柜60可以包括被配置在其内以便保护设备50、开关柜60和其上包括的其它部件和/或接近开关柜60的人员的闪弧、过电压、过电流和电涌保护系统100。
现在简要参考图4，其是示出根据本发明的一些实施例的闪弧、过电压、过电流和电涌保护系统的框图。如所示，三相线路可以被连接到且供应电能至一个或更多个变压器66，所述变压器66可以进而将三相电动力供应给主电路断路器68。三相电动力可以被提供给一个或更多个配电盘62。如所示，三相电动力的三个电压线路可以被标示为l1、l2和l3并且中性线路可以被标示为n。在一些实施例中，中性线路n可以被导电地联接到地面。
一些实施例包括被连接在相线路l1、l2和l3和中性部(n)之间的闪弧、过电压、过电流和电涌保护系统100。闪弧、过电压、过电流和电涌保护系统100可以保护设施内的其它设备，例如配电盘62等等。在一些实施例中，闪弧、过电压、过电流和电涌保护系统100可以被联接到闪弧探测系统64和/或从闪弧探测系统64接收一个或更多个信号，其中该闪弧探测系统64可以是在配电盘62和/或设施内的其它设备内。
如上文讨论的，闪弧、过电压、过电流和电涌保护系统100可以被实现在对应于动力分配开关60的系统内，该开关60被配置成分配多相电动力。例如，现在参考图5，其是代表根据本发明一些实施例的包括在三相开关柜内的闪弧和电涌保护系统的电路的示意图。如所示，三相线路可以被连接到且供应电能至一个或更多个变压器66，所述变压器66可以进而将三相电动力供应给开关柜60内的主电路断路器68。在开关柜60内，三相电动力可以被提供给可以在开关柜60内或可以不在开关柜60内的一个或更多个配电盘62。如所示，三相电动力的三个电压线路可以被标示为l1、l2和l3并且中性线路可以被标示为n。在一些实施例中，中性线路n可以被导电地联接到地面。
在一些实施例中，闪弧、过电压、过电流和电涌保护系统100可以包括撬棍装置102，其可操作成通过生成从三个电压线路l1、l2、l3至中性线路n的低电阻路径来防止过电压状况。虽然一些实施例在本文参考过电压状况被讨论，不过这样的实施例也可以参考可以是由于过电压状况导致或可以不是由于过电压状况导致的过电流状况。一些实施例设置为，撬棍装置可以被触发电路106触发。
如所示，撬棍装置102可以包括对应于三相l1、l2和l3中的每相的过电压保护模块120。每个过电压保护模块120可以包括彼此并联电联接但具有相反极性的两个晶闸管(例如，th5和th6)。换言之，该对晶闸管中的第一晶闸管(例如，th5)的阳极可以被联接到该对晶闸管中的第二晶闸管(例如，th6)的阴极，并且该对晶闸管中的第一晶闸管(th5)的阴极可以被联接到该对晶闸管中的第二晶闸管(th6)的阳极。以此方式，当晶闸管被触发到处于导电状态时，交流波形中的每一半可以从相传导到中性部。
在一些实施例中，过电压保护模块120可以包括彼此串联设置的电阻器r和电容器c的电路，以致电阻器-电容器串联rc与所述两个晶闸管(例如，th5和th6)并联连接。虽然被描述且示为单个电阻器r和电容器c，不过实施例可以包括一个以上的电阻器和/或一个以上的电容器以便实现期望的电阻性和/或电容性性能，但是也可以使用额外的r和c来保证冗余度，因为这个电路的操作对于防止晶闸管的误触发是重要的。缓冲电路可以减缓电压的变化速率(dv/dt)，否则会导致误触发晶闸管。例如，在不存在rc缓冲电路的情况下，晶闸管可以被与实际过电压状况无关的电噪声触发。电容器c可以与电阻器r一起减小电压的变化速率(dv/dt)。当电路被激励时，电感l和电阻r可以限制电容器c的高电容值的电流涌入。
一些实施例设置为，电感器l被设置成与该对反向并联连接的晶闸管串联。电感器l可以限制通过晶闸管的电流的变化速率(di/dt)，否则这会损坏晶闸管。此外，在动力系统中产生的过电压情况下，l与rc缓冲电路组合在一起减小了晶闸管处电压的变化速率(dv/dt)。以此方式，可以防止晶闸管的自触发。
一些实施例设置为，在三相动力系统中，撬棍装置102包括三个过电压保护模块120，其可以从相应相导体l1、l2和l3联接到中性部n。在一些实施例中，每个过电压保护模块120均是将所有功能部件包括在其内作为单个组件的模块化部件。一些实施例设置为，多个(例如，在三相动力系统中是三个)过电压保护模块120可以被构造为单个组件，包括用于单个组件中的所有相的过电压保护的部件和功能。
一些实施例包括电涌保护装置(spds)104。如所示，每个spds104可以被连接在l1、l2和l3中的相应一个和中性部(n)之间。在闪电事件期间和/或瞬态过电压状况期间，使用spd可以保护撬棍装置的晶闸管以及保护设施内的其它设备。此外，在长时间过电压的情况下，spds可以用于保护所有设备。然而，这样的状况可以迫使spd长时间段地传导有限的电流，这会导致spd的过热且可能导致其失效(根据spd能够吸收的能量承受能力、过电压情况的水平和持续时间)。这样的事件可以通过使得撬棍装置跳闸来解决。在本示例中的spd104的典型的操作电压可以是大约400v(对于690vl-l系统)。在此方面，spds104将在正常操作状况期间各自执行为绝缘体并且因此不传导电流。在一些实施例中，spd's104的操作电压充分高于正常的线路到中性部的电压以确保spd104将继续执行为绝缘体，即使在系统电压由于过电压状况而增加的情况下，该过电压状况可能由于功率损失或者其它动力系统问题而导致。
在例如l1中的电涌电流的情况下，保护动力系统负载装置会需要为电涌电流的过量电流提供至地面的电流路径。电涌电流会在l1和n之间生成瞬态过电压。因为瞬态过电压极大地超过了spd104的操作电压，所以spd104将变成导电的，从而允许过量电流从l1流动通过spd104至中性部n。
一旦电涌电流已经被传导到n，则过电压状况结束并且spd104再次变成不导电。然而，在一些情况下，一个或更多个spd's104可以开始允许泄漏电流被传导，甚至在低于spd's104的操作电压的电压下被传导。在这样的状况下，泄漏电流可以通过例如使用电流变压器105被测量，该电流变压器105可以提供泄漏电流值至触发电路106。
闪弧探测系统64可以被构造成通过使用一个或更多个传感器和/或传感器类型(包括光电传感器、压力传感器和/电流变压器等等)探测在开关柜60内的闪弧。闪弧探测系统可以提供闪弧探测信号(afd)至触发电路106。
触发电路106可以接收对应于线路电压l1、l2、l3、线路电流i1、i2、i3、spd泄漏电流is1、is2、is3和闪弧探测信号afd的输入。如下文更详细描述的，触发电路106可以响应于故障情形，导致撬棍装置102开启从而提供从线路l1、l2、l3至中性部n的低电阻电流路径，导致主电路断路器68跳闸，并且/或者导致spd's开始导电。在一些实施例中，触发电路106可以进一步生成和/或传输警报信号至一个或更多个其它类型的监测、记录或警报设备。
一些实施例设置为，触发电路106通过触发电路电源65被提供动力，该电源65例如是单相交流电源和/或直流电源。一些实施例设置为，触发电路电源65可以经由一个或更多个电路中断器或者电路断路器67被联接到触发电路106并且可以因此被spds104保护。
现在参考图6，其是示出根据本发明一些实施例的如上文关于图5被简要描述的触发电路的示意性框图。在一些实施例中，触发电路106可以包括电源和电压保持电路166，其可以接收单相交流电动力和/或直流电动力以便给触发电路提供动力。电源和电压保持电路166可以包括电压保持电路，其可以在消除从触发电路电源65接收的电动力的可用性的状况之后向触发电路提供动力达至少100毫秒。
以此方式，即使在由于电路中的另一部分内的故障导致触发电路动力损失的情况下，电源和电压保持电路166仍为触发电路106起作用维持足够的电压直到电路断路器能够跳闸。例如，在这个阶段期间，至所有晶闸管的触发信号可以被持续地维持以便保持晶闸管处于导电状态。因此，晶闸管可以被维持在导电状态直到主电路断路器68已经跳闸。在替代性方案中，如果失去至晶闸管的触发信号，则晶闸管将仅允许非常有限的电流流动通过其，这会导致重新开始闪弧。
现在简要参考图7，其是示出如在上文参考图6所讨论的电源和电压保持电路166的示意性框图。在一些实施例中，电源和电压保持电路166被构造成接收电动力作为单相交流(ac)电源，包括电压线路lp和中性线路np。在这样的实施例中，接收的电动力可以通过使用ac-dc整流单元180从ac转换成直流(dc)。整流dc动力可以通过使用平滑电容器（smoothingcapacitor）182被平滑。
dc动力可以被提供给电压保持电路184，其可以包括与保持二极管dh并联连接的保持电阻器rh。保持电阻器rh和保持二极管dh的并联组合可以与保持电容器ch串联连接。一些实施例设置为，rh、dh、ch电路被连接在dc动力线路和地面或中性部之间。在一些实施例中，保持二极管dh的阳极被连接到dc动力线路，并且保持二极管dh的阴极被连接到保持电容器ch，该保持电容器ch的另一端子被连接到地面或中性部。
电源和电压保持电路166可以包括多个不同的dc-dc隔离型转换器186。例如，在三相系统的上下文中，dc-dc隔离型转换器186-1可以被提供成向三个不同的晶闸管触发电路168-1、2、3中的每种中的公共驱动器供应电压(vs，s)。另外，三个dc-dc隔离型转换器186-2、3、4可以被提供成分别向晶闸管触发电路168-1、2、3中的相应电路供应电压(vs1，s1；vs2，s2；vs3，s3)。
现在简要参考图8，其是示出如在上文参考图7所讨论的dc-dc隔离型转换器的框图。dc-dc隔离型转换器186可以接收至逆变器191的输入dc电压vin，该逆变器191被构造成将dc输入电压转换成ac电压。ac电压可以被提供给隔离变压器192，其可以产生对应的ac输出，该ac输出与从逆变器191接收的输入ac电压电隔离。在一些实施例中，隔离变压器192可以包括是1:1的线圈绕组比率，以致ac输出电压处于与隔离变压器接收的ac输入电压相同的电压水平。一些实施例设置为，隔离变压器192线圈绕组比率不是1.0并且因此ac输出电压可以具有与从隔离变压器192接收的ac输入电压不同的电压水平。来自隔离变压器192的ac输出电压可以被整流器193接收，该整流器193被构造成将ac电压转换成dc输出电压。
返回参考图6，在一些实施例中，触发电路106可以包括接口电路164，其被构造成接收来自各个传感器的输入并且将对应于接收到的输入的数据提供给微控制器162。例如，接口电路164可以接收对应于如下的输入：相动力线路l1、l2、l3和中性部n的电压；来自闪弧探测系统64的闪弧警报信号afd；在相动力线路上的电流i1、i2、i3；通过spd's的电流is1、is2、is3；和/或spds的温度ts1、ts2、ts3等等。
一些实施例设置为，微控制器162可以处理接收到的输入并且生成触发信号至一个或更多个晶闸管触发器168-1、2、3以便触发晶闸管至导电模式。在一些实施例中，微控制器可以进一步生成至主电路断路器68的跳闸信号tcb。一些实施例设置为，微控制器生成警报信号，该警报信号可以被提供给本地和/或远程位置，该远程位置可以被监测并/或可以包括监视控制与数据采集(scada)。在一些实施例中，警报信号被提供给远程视觉和/或听觉报警器。
微控制器162可以基于各种理由和/或事件触发晶闸管。例如，闪弧可以触发闪弧信号以便从闪弧探测系统64被发送到微控制器162。对应于一个或更多个线路具有超过预定阈值的电压持续预定时间段的系统过电压状况可以导致微控制器触发晶闸管。在一个或更多个线路上的电流超过预定电流阈值持续预定时间段的过电流状况可以导致微控制器触发晶闸管。
在一些实施例中，spds温度超过预定温度阈值持续预定时间段的电涌保护装置104的过热可以导致微控制器触发晶闸管。此外，当任何相线路的电压降低和该相线路的对应电流增加会导致微控制器触发晶闸管时可以探测到短路。
一些实施例设置为，spd的经探测寿命终止会导致微控制器触发晶闸管。在一些实施例中，这样的spd可以包括金属氧化物变阻器(mov)和/或组合的mov/gdt(气体放电管)。这样的状况可以通过相线路中的电压降低和对应spd中的电流升高被确定。
在一些实施例中，微控制器可以被构造成仅当在对状况和/或事件之间的时间间隔有或没有约束的情况下发生状况和/或事件的特定组合时触发过电压保护装置。
在一些实施例中，晶闸管触发器168-1、2、3可以从微控制器162接收触发信号并且提供控制信号至对应的晶闸管对以便导致相应晶闸管从基本不导电状态切换到导电状态。例如，现在简要参考图9，其是示出如在上文参考图6所讨论的晶闸管触发电路168-1的示意性框图。
每个晶闸管触发电路168可以是相同的并且可以可操作成触发对应于特定相线路的一对晶闸管。这样，图9涉及图6的晶闸管电路中的一个，即168-1，其对应于被连接到相线路l1的晶闸管。公共的驱动器172可以由电压线路vs和s提供动力，该电压线路由电源和电压保持电路166提供并且被提供给其它晶闸管触发电路168-2、3中每个的公共的驱动器172。响应于来自微控制器162的触发信号t1，公共的驱动器172改变状态以便提供晶闸管触发信号th1。晶闸管1响应于th1的状态变化改变成导电状态，并且只要th1被激活就保持在导电状态。在晶闸管1的情况下，参考点c1是中性线路n。
光电驱动器（optodriver）170可以被由电源和电压保持电路166提供的电压线路vs1和s1提供动力。相比于dc电压电路vs和s，电压线路vs1和s1不被提供给晶闸管电路168-2、3中的其它电路。响应于来自微控制器162的触发信号t2，光电驱动器170改变状态以便提供晶闸管触发信号th2。晶闸管2响应于th2的状态变化改变成导电状态，并且只要th2被激活就保持在导电状态。在晶闸管2的情况下，参考点c2是相线路l1。相电压参考点是使用光电驱动器来隔离输出的原因。
返回参考图6，触发电路同时触发全部6个晶闸管并且维持被触发状态持续至少100毫秒，且同时动力经由电源和电压保持电路166被供应到触发电路。另外，当晶闸管正被触发时，触发电路可以提供触发信号至主电路断路器68并提供警报从而指示出故障。在一些实施例中，警报也可以包括对应于故障事件的原因的数据。
现在简要参考图10，其是代表根据本发明另一些实施例的包括在三相开关柜内的闪弧、过电压、过电流和电涌保护系统的电路的示意图。如所示，根据图10的实施例与上文关于图5所描述实施例不同之处在于，撬棍装置102针对每个相至中性部包括双向晶闸管，而不是针对每相以互补设置的两个单向晶闸管。一些实施例设置为，双向晶闸管各自依赖于四条控制电线用于向其提供触发信号。图10的其它特征基本类似于上文关于图5所讨论的那些并且因此将不再重复。
现在简要图11，其是代表根据本发明另一些实施例的包括在三相开关柜内的闪弧、过电压、过电流和电涌保护系统的电路的示意图。如所示，根据图11的实施例与上文关于图5所描述实施例不同之处在于，撬棍装置102包括晶闸管和spds104。在一些实施例中，spds104中的一些在撬棍装置102内与从每相连接到中性部的晶闸管、rc和/或rlc电路并联连接。一些实施例设置为，spds104是金属氧化物变阻器(movs)和/或组合的mov/gdt。在一些实施例中，在泄漏电流增加的情况下，movs可以被热熔断以便防止mov过热，其中当动力系统中存在过电压状况时通常会发生泄漏电流增加。在此方面，触发电路106可以监测温度上升和/或热熔断和/或通过mov的电流以便指示mov是否已经失效成短路。响应于这样的状况，晶闸管可以被快速触发以便防止整个装置的进一步损坏。一些实施例设置为，当mov还没有失效成短路时热熔断可以足以中断泄漏电流以便防止装置过热。图10的其它特征基本类似于上文关于图5所讨论的那些并且因此将不再重复。为了进一步减小被施加到晶闸管的过电压，附加的movs可以与缓冲电路(rc)并联地被使用。
现在简要参考图12，其是代表根据本发明另一些实施例的包括在三相开关柜内的闪弧、过电压、过电流和电涌保护系统的电路的示意图。如所示，根据图12的实施例与上文关于图5所描述实施例不同之处在于，撬棍装置102被构造成从相连接到相而不是从相连接到中性部。具体地，晶闸管和rlc电路从每个相连接到另一个相，以致撬棍装置102可以在不将过量电流传导到中性线路n的情况下操作。另外，spds104从相连接到相以便针对一个相相对于其它相提供过电压保护。在一些实施例中，撬棍装置100包括可以是单个单向晶闸管的单个晶闸管。图10的其它特征基本类似于上文关于图5所讨论的那些并且因此将不再重复。
如本文所使用的，"单片"意味着物体是由没有接头或接缝的材料形成或构成的单个整体件。
参考图13-23，在此示出了根据本发明实施例的撬棍系统200和连接器模块290。撬棍系统200对应于图5的撬棍系统102并且是图5的撬棍系统102的实施方式。连接器模块290对应于可以被连接在如图3中所示的撬棍系统102和触发电路106之间的连接器并且是该连接器的实施方式。
参考图13，系统200包括三个线路导体l1b、l2b和l3b(分别被电连接到图5的线路l1、l2和l3)、中性导体nb(被电连接到图5的中性线路n)和根据本发明的实施例且每个对应于图3的模块120中的相应一个的三个撬棍模块210(1)、210(2)和210(3)。导体l1b、l2b、l3b、nb可以例如是大体刚性的金属板或母线。导体l1b、l2b、l3b、nb可以例如被安装在电气开关柜60内。撬棍模块210(1)、210(2)和210(3)被电连接到连接器模块290。撬棍模块210(1)、210(2)和210(3)中的每个均将中性导体nb电且机械连接到线路导体l1b、l2b、l3b中的相应一个。
在一些实施例中，导体l1b、l2b、l3b、nb是刚性母线并且被刚性地附粘到模块210(1)、210(2)、210(3)并通过模块210(1)、210(2)、210(3)连接，以便共同地形成大体刚性的整体组件或装置203(图13)。
参考图14-21，其中示出了撬棍模块210(3)。撬棍模块210(1)、210(2)和210(3)可以在构造上大体相同并且因此将在下文中仅详细描述撬棍模块210(3)，应该理解的是这个描述类似地也应用于其它撬棍模块210(1)、210(2)。本文中，附图标记210被用于总体上描述三个撬棍模块210(1)、210(2)、210(3)中的每个。
模块210(3)包括塑料盖212、金属基部母线214、紧固件215、线圈组件220、内部电路板组件230、信号线缆232和两个晶闸管组件或单元201、202。
每个晶闸管单元201和202均包括晶闸管270。单元201的晶闸管270对应于图5的晶闸管th6，并且单元202的晶闸管270对应于晶闸管th5。
中心通孔214b和外部通孔214a被限定在母线214内(图16)。孔214a可以是埋头的或凹入的以便完全接收螺栓217的头部。根据一些实施例，母线214由铝形成。根据一些实施例，母线214是整体的，并且在一些实施例中是单片的。
盖212和母线214形成限定封闭空腔212a的模块壳体，线圈组件220、内部电路板组件230、信号线缆232和撬棍单元201、202被容纳在该空腔212a内。信号线缆232通过孔212b延伸出盖212并且延伸至连接模块290。
盖212可以由具有高熔化和燃烧温度的介电或电绝缘材料形成。在一些实施例中，盖212由提供良好防潮性的材料形成。在一些实施例中，盖212由聚合材料形成，并且在一些实施例中，由硅树脂化合物（siliconecompound）或聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt，polybutyleneterephthalate)形成。
填充材料218(图14)填充空腔内未被部件220、230、232、201、202占据的容积。填充材料218可以是具有高熔化和燃烧温度的介电或电绝缘材料。在一些实施例中，填充材料由聚合材料形成，并且在一些实施例中，包括选自由环氧铸造树脂（epoxycastresin）构成的组的材料。
线圈组件220(图14和图16-18)包括导电线圈构件222、导电母线224、导电端子构件226、电绝缘体片227、电绝缘壳228、联接螺钉229a和联接螺栓229b。
线圈构件220对应于线圈l(图5)。线圈构件220包括线圈主体222a、限定螺旋线圈通道222b的螺旋延伸的线圈带材222c以及联接延伸部222d。螺纹孔222e轴向延伸通过延伸部222d并且通孔222f轴向延伸通过主体222a。
根据一些实施例，线圈构件220由金属形成，并且在一些实施例中由铝形成。根据一些实施例，线圈构件220是整体的，并且在一些实施例中是单片的。
端子构件226包括主体226a、联接延伸部226b和端子柱226c。孔226e轴向延伸通过延伸部226b。螺纹孔226d轴向延伸到柱226c内。端子构件226被延伸通过孔222e、226e的螺栓229b电且机械地连接到线圈构件220。绝缘体片227被插在主体226a和主体222a之间以便防止或者抑制其间的电流流动。
根据一些实施例，端子构件226由金属形成，并且在一些实施例中由铝形成。根据一些实施例，端子构件226是整体的，并且在一些实施例中是单片的。
母线224包括主体224a，该主体224a在其上侧上是大体平面的并且具有从其下侧突出的支座（standoff）224b。螺栓孔224c轴向延伸通过主体224a和支座224b。紧固件229a延伸通过孔224d并且进入线圈主体222a内以便将母线224的上面固定成与线圈主体222a机械且电地接触。
根据一些实施例，母线224由金属形成，并且在一些实施例中由铝形成。根据一些实施例，母线224是整体的，并且在一些实施例中是单片的。
壳228包括外部壳部分228a和分隔壁部分228b。外部壳部分228a部分围绕并封装部件222、224、226、227。螺栓孔228c被限定在部分228a内、与孔222f对齐。端子柱226c突出通过柱孔228d并且突出到壳228之上。分隔壁部分228b填充线圈带材222c的相邻绕组之间的线圈通道222b。
壳228可以由具有高熔化和燃烧温度的介电或电绝缘材料形成。在一些实施例中，壳228由聚合材料形成。在一些实施例中，壳228包括环氧树脂。在一些实施例中，壳228包括从由环氧树脂粘结剂和/或环氧铸造树脂或者硅树脂弹性体构成的组中选择的材料。在一些实施例中，壳228是单片的。在一些实施例中，壳228包括从由环氧树脂粘结剂和/或环氧铸造树脂构成的组中选择的材料，且该材料本身被不同材料的外部层覆盖。
外部壳层223可以由与壳228不同的材料形成以便提供互补的性质。在一些实施例中，外部壳层223由相比于壳228的材料提供增强的防潮性的材料形成。在一些实施例中，外部壳层223由硅树脂化合物或者pbt形成。(由与o形环265a、265b相同或类似材料制成的)o形环223a防止以液体形式(最初)使用的环氧树脂泄漏而形成壳228。
电路板组件230包括基体230a(例如pcb)和被安装在其上的电容器230b、一对电阻器230c、230d、引线电线230e和引线支架230f。电容器230b对应于电容器c(图5)。电阻器230c、230d对应于（多个）电阻器r(图5)。电容器230b被电线230e电连接到母线224，并且电阻器230c、230d被引线支架230f电连接到母线214。电阻器230c、230d和电容器形成如下文更详细讨论的缓冲电路。
参考图16和图19-21，其中示出了撬棍单元201。撬棍单元201、202可以在构造上大体相同并且因此将在下文中仅详细描述撬棍单元201，应该理解的是这个描述类似地也应用于撬棍单元202。
撬棍单元201具有沿纵向的轴线a-a(图20)。撬棍单元201包括第一电极或壳体240、活塞形第二电极250、在壳体240和电极250之间的晶闸管270以及如下文更详细讨论的其它部件。
参考图19和图20，壳体240具有端电极壁242和从电极壁242延伸的圆柱形侧壁244。侧壁244和电极壁242形成与开口246连通的腔室或空腔241。螺纹孔249轴向延伸到电极壁242内。电线孔或端口248延伸通过侧壁244并且具有在其外部开口处的扩大的凹槽248a。
电极250具有被置于空腔241内的头部252和向外突出通过开口246的整体形成的轴254。晶闸管270被置于空腔241内在电极壁242和头部252之间且与电极壁242和头部252中的每个接触。
更详细地关注撬棍单元201的构造，撬棍单元201进一步包括弹簧垫圈262、平坦垫圈264、绝缘构件266、端帽268、固位夹267、o形环265a、265b和线缆压盖280。
壳体240的电极壁242具有面向内的大体平面的接触表面242a。定位器特征或柱247从接触表面242a向上突出。环状槽243被形成在侧壁244的内表面内。根据一些实施例，壳体240由铝形成。然而，可以使用任何合适的导电金属。根据一些实施例，壳体240是整体的，并且在一些实施例中是单片的。所示的壳体240是圆柱形的，不过也可以是不同形状。
如图20最佳所示的，电极250的头部252具有大体平面的接触表面252a，其面向电极壁242的接触表面242a。螺纹孔255被形成在轴254的端部内以便接收螺栓215，用于将母线l3b固定到电极250。环状侧向开口沟槽254d被限定在轴254内。
根据一些实施例，电极250由铝形成，并且在一些实施例中，壳体侧壁244和电极250两者均由铝形成。然而，可以使用任何合适的导电金属。根据一些实施例，电极250是整体的，并且在一些实施例中是单片的。
环状间隙g1被径向限定在头部252和侧壁244的最接近的相邻表面之间。根据一些实施例，间隙g1具有从大约5至15mm的范围内的径向宽度。
壳体240、绝缘构件266和端帽268共同限定容纳晶闸管270的封闭腔室245。
晶闸管270包括主体272和在主体272的轴向相对端上的阳极274和阴极276。将意识到在图14中没有详细示出晶闸管的内部结构和部件。阳极274和阴极276分别具有大体平面的接触表面274a和276a。晶闸管270被插在接触表面242a和252a之间，以致接触表面274a与接触表面242a配合并且接触表面276a与接触表面252a配合。如下文所描述的，头部252和壁242抵靠晶闸管270被机械加载以便确保在配合接触表面之间的牢固且一致的接合。壳体240的定位器柱247被座置在接触表面276a内形成的互补定位器插座277内。
晶闸管270进一步包括门或控制端子278a和参考端子278b。例如，如图5中所示，在此被标作th5的至晶闸管的门或控制端子278a的输入可以对应于来自触发电路106的信号th5。类似地，连接至晶闸管th5的参考端子278b的参考可以对应于来自触发电路106的参考c5。
参考图20，线缆压盖280被附粘在电线端口248内，并且两个信号电线232a、232b延伸通过电线端口248和线缆压盖280进入腔室245内。电线232a电终结于控制端子278a，并且电线232b电终结于参考端子278b。
线缆压盖280包括被固定在电线端口248内的配件282。配件282具有圆柱形主体282a、凸缘282b和通孔282c。主体282a被座置在电线端口248内并且凸缘282b被座置在凹槽248a内。配件282可以例如通过粘结剂284被固定就位。在一些实施例中，粘结剂284将主体282a和凸缘282b直接粘结到电线端口248的壁。
线缆压盖280进一步包括在孔282c内的密封塞子286。密封塞子286围绕电线232a、232b，粘结到电线232a、232b和配件282，并且连续填充电线232a、232b和配件282之间的径向空间并围绕电线232a、232b密封。以此方式，密封塞子286用于将电线232a、232b机械固位或固定在端口282c内(提供应力释放)并且完全密封、塞住或闭合孔282c(例如，气密的)。
密封塞子286可以由具有高熔化和燃烧温度的刚性材料形成。在一些实施例中，密封塞子286由聚合材料形成。在一些实施例中，密封塞子286是硬化或固化树脂。在一些实施例中，密封塞子286包括环氧树脂。在一些实施例中，密封塞子286包括环氧树脂粘结剂或者环氧铸造树脂。
配件282可以由具有高熔化和燃烧温度的刚性材料形成。在一些实施例中，配件282由聚合材料形成。在一些实施例中，配件282由尼龙-66(pa-66)或等价物形成。
也能够提供线缆压盖280以用于线缆232通过盖212的密封和穿入(图15)。
弹簧垫圈262围绕轴254。每个弹簧垫圈262均包括接收轴254的孔。最下方的弹簧垫圈262邻接头部252的顶面。根据一些实施例，在弹簧垫圈孔和轴254之间的间隙是在从大约0.015至0.035英寸的范围内。弹簧垫圈262可以由弹性材料形成。根据一些实施例且如所示，弹簧垫圈262是由弹簧钢形成的belleville垫圈。虽然示出两个弹簧垫圈262，不过可以使用更多或更少的垫圈。弹簧可以被设置成不同的堆叠设置，例如串联、并联或者串联且并联。
平坦金属垫圈264被插在弹簧垫圈262和绝缘体环266之间且其中轴254延伸通过在垫圈264内形成的孔。垫圈264用于分配上部弹簧垫圈262的机械载荷以便防止弹簧垫圈262切入绝缘体环266中。
绝缘体环266叠覆且邻接垫圈264。绝缘体环266具有主要主体环266a和从主要主体环266a向上延伸的圆柱形上凸缘或轴环266b。孔266c接收轴254。根据一些实施例，在孔266c和轴254之间的间隙是在从大约0.025至0.065英寸的范围内。向上且向外的开口周边沟槽266d被形成在主要主体环266a的顶部角落处。
绝缘体环266优选地由具有高熔化和燃烧温度的介电或电绝缘材料形成。绝缘体环266可以由例如聚碳酸酯（polycarbonate）、陶瓷或者高温聚合物形成。
端帽268叠覆且邻接绝缘体环266。端帽268具有接收轴254的孔268a。根据一些实施例，在孔268a和轴254之间的间隙是在从大约0.1至0.2英寸的范围内。端帽268可以例如由铝形成。
夹267是弹性的且是截头环形的。夹267被部分接收在槽243内且从壳体240的内壁径向向内部分地延伸以便限制端帽268的向外轴向位移。夹267可以由弹簧钢形成。
o形环265a被定位在沟槽254内，以致其被卡在轴254和绝缘体环266之间。o形环265b被定位在沟槽266d内，以致其被卡在绝缘构件266和侧壁244之间。当被安装时，o形环265a、265b被压缩，以致它们抵靠相邻接口表面被偏置且在所述相邻接口表面之间形成密封。在过电压事件中，来自晶闸管270的例如热气体和碎屑的副产品可以填充或散布到空腔腔室245内。这些副产品可以被o形环265a、265b约束或阻止以免通过壳体开口246逸出撬棍单元201。
o形环265a、265b可以由相同或不同材料形成。根据一些实施例，o形环265a、265b由例如弹性体的弹性材料形成。根据一些实施例，o形环265a、265b由橡胶形成。o形环265a、265b可以由例如可从dupont获得的vitontm的氟碳橡胶（fluorocarbonrubber）形成。也可以使用其它橡胶，例如丁基橡胶。根据一些实施例，橡胶具有在大约60和100邵氏（shore）a之间的硬度。
电极头部252和壳体壁242沿着负载或夹持轴线c-c(图20)抵靠晶闸管270被持续偏置或加载以便确保在晶闸管接触表面276a、274a和表面242a、252a之间的牢固且一致的接合。单元201的这方面可以通过考虑到根据本发明的如下文所描述的用于组装单元201的方法被意识到。
电线232a、232b通过使用密封塞子286被固定在配件282的孔282a内。在一些实施例中，电线278a、278b被插入到孔282a内，液体密封材料围绕电线232a、232b被引入(例如，倾倒或者注射)到孔内，并且密封材料被固化以便在电线232a、232b上形成刚性密封塞子286。
配件282通过使用粘结剂284被固定在电线端口248内。电线232a、232b被连接到端子274a、276a。在一些实施例中，在将配件282固定在电线端口248内之前，电线232a、232b被密封塞子286固定。
o形环265a、265b被安装在沟槽254、266d内。晶闸管270被置于空腔241内，以致接触表面276a接合接触表面242a。电极250被插入到空腔241内，以致接触表面252a接合接触表面274a。弹簧垫圈262沿轴254下滑。垫圈264、绝缘体环266和端帽268沿轴254下滑并滑到弹簧垫圈262之上。夹具(未示出)或其它合适的装置被用于向下驱使端帽268，进而使得弹簧垫圈262偏转。当端帽268仍处于夹具的负载下时，夹267被压缩并被插入到槽243内。夹267然后被释放并被允许返回到其原始直径，因此其部分填充槽并且部分从槽243径向向内延伸到空腔241内。夹267和槽243从而用于维持在端帽268上的负载以便部分地使弹簧垫圈262偏转。端帽268至绝缘体环266上且从绝缘体环至弹簧垫圈262上的加载进而被传递到头部252。以此方式，晶闸管270被夹(夹持)在头部252和电极壁242之间。
当撬棍单元201被组装时，壳体240、电极250、绝缘构件266、端帽268、夹267、o形环265a、265b和线缆压盖280共同形成容纳晶闸管270的单元壳体或壳体组件249。
撬棍模块210可以如下文根据本发明的方法被组装。
为了构造线圈组件220，母线224通过使用螺栓229a被固定到线圈构件222。端子构件226通过使用螺栓229b被固定到线圈构件222且其中绝缘体片227被卡在端子构件226和线圈构件222之间。之后围绕且通过这个子组件模制壳228。例如，在一些实施例中，子组件被置于模具中，之后模具被液体壳材料(例如，液体树脂)填充，并且之后材料被冷却或固化以便形成刚性壳228。孔228c、228d、222f、226d的区域可以暂时地被模具特征等填充或塞住以便防止液体壳材料填充这些区域。围绕壳228模制或装配壳223。例如，壳223可以围绕壳228被模制或共同模制。弹性o形环223a可以围绕端子柱226c和母线支座224b被装配。
线圈组件220被螺栓217固定到撬棍单元201的电极240并且被螺栓217固定到撬棍单元202的电极250。螺栓217的头部被座置在壳228的孔228c内以便提供低的平坦轮廓。基部母线214被螺栓217固定到撬棍单元201的电极250并且被螺栓217固定到撬棍单元201的电极240。螺栓217的头部被座置在基部母线214的孔214a内以便提供低的平坦轮廓。引线电线230e和230f分别通过螺钉被固定到母线224和基部母线214。
盖212被安装在前述子组件之上并且通过例如紧固件(例如螺钉)、粘结剂和/或互锁特征被固定到基部母线214。线缆232(其包括来自每个撬棍单元201、202的电线对232a、232b)按线路通过盖212内的开口212b。空腔212a的剩余容积被填充材料218填充。在一些实施例中，液体填充材料被引入(例如，倾倒或注射通过孔214b)进入空腔212a内，且之后被固化以便形成刚性填充材料218。
连接模块290(图13和图22)包括对应于撬棍系统102和触发电路106之间的互连部的一个或多个电路。例如，一些实施例设置为，撬棍系统102包括三个撬棍模块210(1)、210(2)和210(3)(在图5中被示意性示作撬棍模块120)，其包括至触发电路106的连接。具体地，例如，每个线缆232可以对应于相应一个撬棍模块210，并且可以对应于每个撬棍模块210内的两个撬棍单元201中的每个的晶闸管触发信号以及每个撬棍模块210内的两个撬棍单元中的每个的参考信号。连接模块290可以包括周围封装件292和被构造成提供至配合连接器(未示出)中的触头的连接的多个电触头。以此方式，撬棍系统102可以被连接到触发电路106。
为了将撬棍模块210(1)、210(2)、210(3)连接到导体l1b、l2b、l3b、nb，每个线路导体l1b、l2b、l3b被螺栓215机械且电连接到撬棍模块210(1)、210(2)、210(3)中相应一个的端子构件226，并且中性导体nb被螺栓215机械且电连接到撬棍模块210(1)、210(2)、210(3)的基部母线214。
在使用中，撬棍系统200和撬棍模块210(1)、210(2)、210(3)如上文所描述执行，分别用于系统102和三个模块120(图5)。
当发生触发事件且模块210的晶闸管270传导在线路之间的电流时，模块210桥接(即中性线路n和线路l1、l2、l3中相关联的一个)。如上文讨论的，撬棍单元201、202且因此其晶闸管270沿相反方向定向以便传导ac电流方向中相应方向上的电流。在模块210的撬棍单元202的情况下，电流相继流动通过端子柱226c、端子延伸部226b、线圈构件延伸部222d、线圈带材222c、线圈主体222a、母线224、配合至母线224的电极250、晶闸管270、配合至母线214的电极240和母线214。在撬棍单元201的情况下，电流相继流动通过母线214、电极250、晶闸管270、电极240、母线224、线圈主体222a、线圈带材222c、延伸部222d、延伸部226b和端子柱226c。
撬棍模块210的构造和配置提供了能够被有效地整体形成到现有电气设备柜内的紧凑的模块化整体包装的装置。这种包装提供了简单且方便的设置和特征，用于将模块210连接到线路l1、l2、l3、n(例如，经由导体母线l1b、l2b、l3b、nb)。
而且，撬棍模块210的构造和配置能够提供具有增加的强度和耐用性的撬棍模块210以便承受长时间段的故障电流的物理影响(生成的电磁力)以及使用中的其它电和机械应力。因此，当被触发时其能够安全地承受短路事件(避免人员的任何安全问题以及对设施的设备以及整个设施本身的任何损坏)。
当以如下两种不同方式被触发时撬棍模块210能够操作：一种是承受故障电流持续使得上游主电路断路器跳闸所需的时间段；并且第二种(不同于第一种的设计)是晶闸管270不能承受故障电流并且在短路中失效。由于设计中所用的晶闸管的低能量承受能力，第二选项是有吸引力的。然而，在这样的情况下，撬棍系统200通常仅能够被触发一次，因为在其被触发后，系统200不可恢复并且其必须被更换。在晶闸管270能够承受故障电流的情况下，通常需要两个附加条款。一个是添加的线圈222的电感被用于消除在传导故障电流(在晶闸管盘的内部表面上产生热点)期间由于高di/dt所导致的对晶闸管损坏的可能性。线圈的阻抗也用于允许缓冲电路230b、230c、230d防止晶闸管由于过大dv/dt而自触发(减小dv/dt，这需要电路中存在特定阻抗-在一些应用中这会是系统的现有阻抗的一部分并且允许省略线圈)。第二是，即使在这种情况下，对于撬棍模块210也应该使用相同构造的条款，以便承受晶闸管短路失效(晶闸管的典型失效模式)情况下的损坏。因此撬棍模块210的构造是非常有益的，并且在一些情况下对于两种设计实施方式(撬棍模块210的承受和失效)是强制性的。
例如，当模块210被激活时，其晶闸管270可以被损坏(例如，由于承载了所有的故障电流)。然而，相关联的壳体组件241容纳了撬棍单元201、202内的损坏物(例如碎屑、气体和直接热)，以致模块210安全地失效。而且，围绕单元201、202的模块210的部件也能够容纳或者缓冲逸出单元201、202的任何热或损坏产物。以此方式，模块210能够防止或减少对相邻设备(例如柜中的开关设备)的任何损坏和对人员的伤害。以此方式，模块210能够提高设备和人员的安全性。这能够是非常重要的特征，因为使用本文讨论的撬棍系统的主要理由是保护设备和人员以免闪弧伤害，所述闪弧伤害通常由于断开在母线之间的绝缘或者由于半导体装置(如晶闸管、igbt等)上的失效而导致。如此，如果其产生与其用于解决的损坏效果相同的损坏效果(半导体装置的严重失效)，则这样的系统会具有有限的价值或不具有显著价值。
线圈组件220且具体地壳228的构造提供了耐用的整体部件。线圈组件220的增强的强度有益于承受由跨越线路串联定位的线圈构件222所经历和施加的应力。
填充材料218能够为模块210提供改进的强度。填充材料218能够有助于容纳晶闸管损坏导致的副产品。填充材料218能够将模块210的电气部件与环境(例如人员和开关柜内的其它设备)热绝缘以及电绝缘。填充材料218也能够提供防破坏(tamperresistance)。
线缆压盖280为电线232a、232b提供应力释放，并且也用于密封电线端口248以便防止或抑制由于晶闸管损坏产生的副产品通过电线端口248排出。
在一些实施例中，线缆压盖280被构造成响应于腔室内的压力超过规定范围内的阈值压力来允许线缆压盖248破裂或失效。即，线缆压盖280能够用作依赖压力的阀。这可以在如下情况下是非常重要的特征，即由于一些理由撬棍模块210过度暴露于故障电流(超过其规格)并且线缆压盖280作为模块210内侧的压力释放件操作而不产生显著伤害(即其以受控方式通过允许沿特定方向排放烟而释放内部压力，其可以通过引导烟排放到通风口从外部控制)。
在不拆卸撬棍单元201、202的情况下能够观察到线缆压盖280的失效。压盖280的阀功能能够有利地用于确定撬棍模块210能够承受的最大故障电流和持续时间，仅当在撬棍单元201、202被测试或额定时将打开阀时作为指示(用作撬棍模块210的故障电流承受能力接近其极限的第一指示，而不是经历整个模块的完全损坏)。
根据本发明的实施例的电气保护装置(例如，装置210)除上文所述的优点之外还可以提供大量优点。装置可以被形成为具有相对紧凑的外形。装置可以被翻新，用于代替不具有本文描述的晶闸管的类似类型的撬棍装置而被安装就位。具体地，本装置可以具有与所述先前的装置相同的长度尺寸。故障电流的持续时间和触发期间的操作模式(承受或失效)取决于撬棍系统的故障电流额定值。这决定了所用晶闸管270的尺寸并且因此决定了撬棍模块210和整个系统的尺寸和构造细节。
根据一些实施例，在每个电极接触表面(例如，接触表面242a、252a)和晶闸管接触表面(例如，接触表面274a、276a)之间的接合面积是至少一平方英寸。
根据一些实施例，根据其表面面积，被偏置的电极240、250沿着轴线c-c向晶闸管270施加在从2000lbf至26000lbf的范围内的负载。
根据一些实施例，壳体240和电极250的组合热质量大体大于晶闸管270的热质量。如本文所使用的，术语“热质量”意味着物体(例如，晶闸管270)的一种或多种材料的比热乘以物体的一种或多种材料的质量的乘积。即，热质量是将物体的一克的一种或多种材料升高一摄氏度所需的能量乘以物体中的一种或多种材料的质量的量。根据一些实施例，电极头部252和电极壁242中至少一个的热质量大体大于晶闸管270的热质量。根据一些实施例，电极头部252和电极壁242中至少一个的热质量是晶闸管270的热质量的至少两倍，并且根据一些实施例，是至少十倍大。根据一些实施例，头部252和壁242的组合热质量大体大于晶闸管270的热质量，根据一些实施例是晶闸管270的热质量的至少两倍，并且根据一些实施例是至少十倍大。
如上文讨论的，弹簧垫圈262是belleville垫圈。belleville垫圈可以被用于施加相对高的负载而不需要大量的轴向空间。然而，其它类型的偏置器件也可以被使用来补充或代替一个或多个belleville垫圈。合适的替代性偏置器件包括一个或更多个线圈弹簧、波形垫圈或螺旋垫圈。
根据本发明的另外的实施例，撬棍模块210可以被构造成仅具有一个撬棍单元201或202(即，省略另一个撬棍单元202或201)，以致撬棍模块被形成为仅在一个方向导电。这样修改的撬棍模块可以以匹配的反转对被使用以提供撬棍模块210的功能。
根据本发明的另外的实施例，撬棍模块210可以被构造成仅具有一个撬棍单元201或202(即，省略另一个撬棍单元202或201)，但是使得剩余的单个撬棍单元201、202代替晶闸管270包括能够在两个方向操作的双向晶闸管。即，当被触发时，双向晶闸管将在ac电流的两个方向传导电流。该撬棍模块可以相比于双晶闸管撬棍模块在尺寸和/或成本上减小。
根据本发明的另外的实施例，撬棍模块210可以被构造成没有线圈222。
参考图23，在此示出了根据本发明另外的实施例的撬棍模块310。除了下文描述的之外，撬棍模块310对应于撬棍模块210。在图23中，盖212、填充材料218和撬棍单元201未示出，以便为了解释的目的提供更清楚的视图。在撬棍模块310中的撬棍单元201被螺栓217a和217b电连接到基部母线214和线圈构件222，如在撬棍模块210中的那样。
撬棍模块310包括整体形成的金属氧化物变阻器(mov)装置288。整体形成的mov装置288被引线289a(绕过线圈222c)电连接到端子构件226，并且被引线289b电连接到基部母线214。mov装置288被安装在引线289a、289b之间的电绝缘基体288c上。mov装置288包括电接触引线289a的第一销型引线和电接触引线289b的第二销型引线。mov内部包括在引线288a和mov的一个电极之间的热链路(热隔离开关或热熔断器)。mov的另一电极被连接到引线288b。此外，在226和mov引线288a之间的连接以及在母线214和引线288b之间的连接通过使用母线被实现以便当mov传导来自电源的电涌/闪电电流或故障电流时允许至动力线路和地面的连接承受传导的电流所生成的力。撬棍模块310可以被用作例如上文参考图11所描述的系统的撬棍装置102中的撬棍模块。附加的mov也可以被使用(整体形成在pcb288c中)，并且并联连接到两个晶闸管以便减小其端部的过电压并且防止可能导致晶闸管误触发的最大预期过电压。
现在参考图24，其是示出根据本发明的一些实施例的闪弧、过电压、过电流和电涌保护系统的示意图。图24可以包括上文至少关于图5所描述的元件并且因此可以省略其附加描述。在一些实施例中，闪弧、过电压、过电流和电涌保护系统500可以保护风力涡轮发电机的电气系统免于闪弧、过电流和/或电涌或闪电事件。一些实施例设置为，闪弧、过电压、过电流和电涌保护系统500包括撬棍装置502，其可操作成通过生成从相电压线路l1、l2、l3至中性线路n的低电阻线路来防止过电压状况。一些实施例设置为，撬棍装置502包括撬棍模块520，所述撬棍模块520各自均被连接在对应相电压线路l1、l2、l3和中性线路n之间。
一些实施例设置为，每个撬棍模块520可以被连接到可以监测对应相线路的电流流动的电流传感器505。在一些实施例中，电流传感器505可以与撬棍模块520和/或撬棍装置502分离，而在另一些实施例中，电流传感器505可以被整体形成到撬棍模块520和/或撬棍装置502中。
一些实施例包括电涌保护装置(spds)104。如所示，每个spds104可以被连接在l1、l2和l3中的相应一个和中性部(n)之间。在闪电事件期间和/或瞬态过电压状况期间使用spd104可以保护撬棍装置502的晶闸管以及保护设施内的其它设备。
在一些实施例中，撬棍装置502可以被闪弧触发电路506触发。如上所描述的，闪弧探测系统64可以被配置成探测开关柜60内的闪弧并且将闪弧探测信号(afd)提供至闪弧触发电路506。在一些实施例中，闪弧触发电路506可以管理来自撬棍模块520的触发和警报信号并且将触发输出提供给一个或更多个电路断路器68。一些实施例设置为，闪弧触发电路506也可以提供对应于每个撬棍模块520的状况和触发撬棍模块520中的多个的原因的指示。
闪弧、过电压、过电流和电涌保护系统500也可以包括阈值选择器510，其提供信号至闪弧触发电路506来设定电流阈值，在该电流阈值处闪弧触发电路506导致撬棍模块520致动。
在使用和起作用时，在正常操作状况下，撬棍模块520可以保持不活动并且因此不在相线路l1、l2、l3和中性线路n之间传导电流。正常操作状况可以包括其中相线路电压小于特定阈值的状况。例如，在一些实施例中，特定阈值可以是大约1800v峰值，然而，这样的实施例是非限制性的，因为阈值电压可以是大于或小于1800v。
撬棍模块520可以根据何时探测到故障状况而以不同方式触发。例如，撬棍模块520可以在起动阶段期间以第一方式被触发并且在稳态操作期间以第二方式被触发。
在起动阶段期间，例如在从风力涡轮机或其它发电装置起动开始大约2秒或更少时间内，撬棍模块520可以在没有来自闪弧触发电路506的动力供应的情况下操作。在此方面，撬棍模块520不能被来自闪弧探测系统64的警报信号触发，因为这样的系统通常在起动阶段期间不可操作。以此方式，撬棍模块520可以在起动阶段期间自触发。
现在参考图25，其是示出根据本发明一些实施例的如上文关于图24被简要描述的撬棍模块的示意性框图。撬棍模块520可以包括彼此反向并联连接且与电感器l串联连接的两个晶闸管th1、th2。如本文所使用的，术语“反向并联”可以指的是部件彼此并联连接但相对彼此处于互补设置的构造。例如，第一部件的阳极端子可以被连接到第二部件的阴极端子，而第一部件的阴极端子被连接到第二部件的阳极端子。在一些实施例中，电阻器r和电容器c可以彼此串联连接且与晶闸管th1、th2并联连接。撬棍模块520可以进一步包括撬棍触发电路530，其被构造成提供撬棍模块520中的自触发功能。在起动阶段期间，撬棍触发电路530可以由从电流传感器505接收的电流供电。例如，一旦通过相线路的电流高于阈值电流(ith)持续多于2ms的时段，则撬棍模块520可以自触发。在这样的情况下，仅被连接到对应相线路的撬棍模块520可以被触发。
现在简要参考图27，其是示出根据本发明一些实施例的在故障状况期间的电压和电流值的图表。继续上述示例，在时间t1，故障电流i达到阈值电流ith。在时间t2，响应于故障电流i超过阈值电流ith持续特定时间段，撬棍模块520开始传导故障电流，因而在时间t3时将该循环的剩余部分的电压降低到大约零伏特。如果在循环的第二半部期间仍存在故障，则撬棍模块520再次传导故障电流，因而降低该循环的剩余部分的电压。
返回参考图25，一些实施例设置为，每次撬棍模块520被触发，则触发信号将被提供给闪弧触发电路506。在一些实施例中，撬棍模块520的响应时间(从探测到过电流的时间开始)可以小于大约1ms。在一些实施例中，响应时间可以小于大约500μs。一些实施例设置为，响应时间可以是大约300μs。
现在参考图26，其是示出根据本发明一些实施例的如上文关于图25被简要描述的撬棍模块的撬棍触发电路的示意性框图。撬棍触发电路530可以接受从电流传感器505到一个或更多个升压变压器510、512中的电流信号。因为电流信号和来自升压变压器510、512的输出可以是交流(ac)信号，所以来自升压变压器510、512的输出可以分别被整流器520、522接收。整流器520、522可以生成对应于来自电流传感器505的电流信号的直流(dc)信号。
撬棍触发电路530也可以包括可变参考信号发生器530、532，其提供对应于ith的选定值的参考信号。比较器540、542可以被构造成分别从整流器520、522接收dc信号并且从可变参考发生器532、530接收参考信号。响应于来自整流器的一个dc信号超过参考信号，比较器的输出状态从高变成低，或者反之亦然。撬棍触发电路530可以包括延迟电路550、552，其被构造成接收来自比较器540、542的输出信号。响应于接收来自比较器540、542的变化的输出，延迟电路550、552的输出将在给定时间延迟之后变化。通过提供时间延迟，可以防止和/或减少晶闸管的误触发。来自延迟电路550、552的输出可以经由二极管588、582提供晶闸管触发信号，其导致对应的晶闸管开启进入导电状态的。
在一些实施例中，延迟电路550、552可以提供相对彼此不同的参考电压信号。例如，延迟电路550可以提供相对于中性线路的正电压用于触发晶闸管th1。类似地，延迟电路552可以提供相对于电感器底部端子lth的正电压。
虽然上文描述了在起动阶段期间撬棍触发电路530的自触发操作，不过一旦起动阶段结束，则撬棍模块520的正常操作响应于闪弧触发电路506。撬棍触发电路530可以接收进入dc-dc转换器570、572的控制电压vcc和地面电压。在一些实施例中，第一dc-dc转换器572可以提供能够触发第一晶闸管th1的dc电压，并且第二dc-dc转换器570可以提供能够触发第二晶闸管th2的dc电压。撬棍触发器电路530也可以接收进入驱动器580的闪弧探测信号。响应地，驱动器580可以激励光学开关560和562，从而导致dc电压经由二极管584、588施加到晶闸管th1、th2。
现在参考图28，其是示出根据本发明一些实施例的如上文关于图24被简要描述的撬棍模块的闪弧触发电路的示意性框图。闪弧触发电路506可以接收地面电压和操作电压vcc，比如例如24vdc。锁存电路546可以接收并锁存从闪弧探测系统64接收的闪弧信号的警报状态。一些实施例设置为，闪弧触发电路506包括多个输出触发器544，其可以被用于提供跳闸信号至一个或更多个电路断路器和/或警报器。
在一些实施例中，闪弧触发电路506包括矩阵548，其被构造成从阈值选择器510接收离散数字输入并且基于接收的数字输入信号的值生成电流阈值。一些实施例设置为，阈值选择器510可以是提供离散数字信号(例如二位二进制信号)的旋转开关。在这样的实施例中，阈值选择器510的不同输出可以是00、01、10和11。在一些实施例中，00可以对应于在撬棍模块520的自触发操作中使用的默认阈值电流值。以此方式，在起动阶段期间不存在信号可以对应于00二进制值。通过示例的方式，对应于不同二进制信号的电流阈值的值可以包括6.3ka、500a、8ka和10ka。
闪弧触发电路506可以在起动开始的最初2秒之后提供可靠电压(vcc)至三个撬棍模块520并且可将警报信号从闪弧探测系统64传递到三个撬棍模块520而不需在起动开始的最初2秒之后引入任何延迟。
在一些示例实施例中，当通过动力线路的电流高于ith峰值持续多于2ms的时段时，撬棍模块520可以被触发。在这样的情况下，仅被连接到对应动力线路的撬棍模块520在每次电流高于ith时被自触发。在一些实施例中，一旦被触发则撬棍模块520的响应时间是大约300μs。
一些实施例设置为，当存在来自闪弧探测系统64的警报信号时撬棍模块520也可以被触发。在这种情况下，所有三个撬棍模块520均被触发直到主电路断路器68跳闸。一些实施例设置为，一旦被触发则撬棍模块520的响应时间小于2ms并且通常可以是大约300μs。然后，撬棍模块520将处于连续触发持续100ms的时段。
一些实施例设置为，闪弧和电涌保护系统可以包括撬棍模块作为与能量吸收装置串联连接的电子开关。在这样的应用中，在系统中存在会损坏设备的tov(过电压)。在此方面，将部分能量引导到将吸收该能量的装置的解决方案会是有利的。一些实施例包括能量吸收装置，其可以基于被并联连接来吸收tov事件的多个金属氧化物变阻器(movs)。例如，电压可以在这种事件期间通过当电压增加时开启movs以传导一些电流而被锁住（clamp）。
例如，对于240v系统，峰值电压是336v。使用具有尽可能接近名义电压的250vac的最大持续操作电压(mcov)的mov可以使得在正常状态下mov将不传导任何电流。mov可以在336v时传导非常小的泄漏电流(~1ma)。然而，随着电压增加，mov可以开始大量地传导以努力限制电压。在这种情况下，电压不能超过峰值1000v的值。
然而，存在会在低很多的电压水平(例如700v而不是1000v)处需要保护的动力系统。在这样的情况下，为了降低保护水平，可以使用具有较低mcov的movs，即较薄的mov盘。例如，mov可以具有150vac而不是250vac的mcov。在这样的情况下，在正常操作下，mov可以传导显著的电流(高于几安培)，该电流将使其在有限时间段(取决于被传导电流的准确水平)内失效。在此方面，可以使用能量吸收装置，其与具有150vac的mcov的mov彼此串联。
例如，现在参考图29，其是示出根据本发明一些实施例的在保护设备中使用的电涌保护系统的示意性框图。如所示，闪弧、过电压、过电流和电涌保护系统600可以包括被连接在不同相线路l1、l2、l3之间的撬棍装置602。撬棍装置602可以与连接到多个相线路l1、l2、l3中的相应线路的多个movs605串联连接。
撬棍装置602可以用作开关，其将会仅当电压超过给定阈值时将用作能量吸收装置的movs605连接到相线路。在一些实施例中，给定阈值是大约600v，然而，这仅仅是非限制性示例。movs605可以传导尽可能多的电流以便将电压保持在700v以下。通过示例的方式，基于150vacmov的电压-电流曲线，在700v时，mov605可以传导10ka的电流，这超过了tov能够产生的电流。因此，相线路l1、l2、l3不能达到700v水平。
另外，当正弦曲线系统电压下降为穿过零水平时，mov的阻抗将增加并且将限制通过撬棍模块602内的晶闸管的电流。之后当通过撬棍装置602内的晶闸管的电流低于200ma时，晶闸管将会将能量吸收装置从系统断开。只要系统电压下降到低于大约280v的峰值，则这就会发生。
现在简要参考图30，其是示出根据本发明一些实施例的如上文关于图29被简要描述的撬棍装置的示意性框图。撬棍装置602可以包括被连接在多个相线路l1、l2、l3中的不同对之间的多个晶闸管th1、th2、th3。撬棍装置触发电路630可以包括整流电路632，其从多个相线路l1、l2、l3接收三相ac电流并且生成对应的dc信号。撬棍装置触发电路630可以包括比较器634，其接收dc信号和参考电压vr并且比较这两个信号。如果dc信号超过参考电压vr，则比较器634生成至多个触发驱动器636的输出，所述多个触发驱动器636被构造成响应于该输出将晶闸管触发进入导电模式。一旦dc信号下降到参考电压vr之下，则比较器634输出改变状态并且触发驱动器636关断晶闸管。
现在参考图31，其是示出根据本发明一些实施例的在保护设备中使用的电涌保护系统60的示意性框图。代替上文关于图29和图30的线路至线路连接，闪弧、过电压、过电流和电涌保护系统可以包括撬棍装置700，其包括与从每个相线路l1、l2、l3至中性部n的撬棍模块720串联连接的movs705。因为每个相线路包括独立的mov705/撬棍720模块组合，于是可以解决在单独的相线路处的故障而不需触发其它相线路的mov705/撬棍模块720组合。现在简要参考图32，其是示出根据本发明一些实施例的如上文关于图31被简要描述的撬棍模块的示意性框图。撬棍装置触发电路730可以包括整流电路732，其从对应相线路接收ac相电流并且生成对应的dc信号。撬棍装置触发电路730可以包括比较器734，其接收dc信号和参考电压vr信号并且比较这两个接收到的信号。如果dc信号超过参考电压vr，则比较器734生成至触发驱动器736的输出，这于是会激活光学隔离器738。来自光学隔离器738的输出被构造成响应于其将晶闸管th1、th2触发成导电模式。一旦dc信号下降到参考电压vr之下，则比较器734输出改变状态并且触发驱动器736关断晶闸管th1、th2。
参考图33-35，在此示出了根据本发明另外的实施例的撬棍系统800。撬棍系统800包括撬棍装置802(对应于图24的撬棍装置502)、触发和警报接口电路单元806(对应于图24的触发电路506)和远程阈值选择器开关807(对应于图24的阈值选择器510)。
参考图33，撬棍装置800包括三个撬棍模块810、三个spds804、中性导体nb、线路导体l1b、l2b、l3b和三个电流传感器805。撬棍装置800进一步包括撬棍装置壳体860(以虚线示出)，撬棍模块810、spds804、导体nb、l1b、l2b、l3b和电流传感器805被安装、放置并封装在该壳体内。
在一些实施例中，触发和警报接口电路单元806和远程选择器开关807位于撬棍装置壳体860外侧。例如，触发和警报接口电路单元806可以位于容纳撬棍装置802和线路l1、l2、l3的电气服务柜内的其它部位，以致触发和警报接口电路单元806被更好地定位成使得操作者能够接近或探测柜内的活动。远程选择器开关807可以位于距离撬棍装置802显著距离(例如在至少20英尺)处。例如，撬棍装置802可以位于塔上在地面上方较高处，而远程选择器开关807被安装在接近地面水平以便允许操作者能够方便地接近。
撬棍模块810对应于图24的撬棍模块520。每个撬棍模块810均被电且机械联接到中性导体nb(对应于中性线路n)和线路导体l1b、l2b、l3b(对应于线路l1、l2、l3)中的相应一个。
相应的spd804(对应于图24的spds104；例如mov基spd)被安装在相关联的线路导体l1b、l2b、l3b和中性导体nb之间并且将相关联的线路导体l1b、l2b、l3b和中性导体nb并联地电连接到相关联的撬棍模块810。
电流传感器805对应于电流传感器505。每个电流传感器805均操作地安装在相应一个线路导体l1b、l2b、l3b上并且具有被连接到相关联的撬棍模块810的输出信号电线805a。
每个撬棍模块810也被电气线缆806a电连接到触发和警报接口电路单元806。远程选择器开关807进而被电气线缆807a电连接到接口电路单元806。
撬棍模块810可以被构造且操作成总体如关于撬棍模块210在本文中所述的那样，除了如下文所描述的。每个模块810可以包括对应于填充材料218的填充材料；然而，该填充材料未在图35中示出。
参考图34和图35，撬棍模块810包括限定封闭腔室811a的模块壳体811。模块壳体811包括外部盖812、可移除盖或背板813和基板815。外部盖812设置有后侧开口812a。开口812a通过可移除盖或背板813被闭合并环境密封。在背板813和盖812之间围绕开口的接口可以被橡胶密封件813a封闭地密封。在一些实施例中，腔室811a被封闭地密封或者防潮密封。
参考图35，对应于撬棍单元201、202的撬棍单元801、803和对应于电路板组件230的电路板组件830被置于腔室811a内在线圈组件820(对应于线圈组件220)和基部母线814之间。
电路板组件830可以包括对应于电路板组件230的缓冲电路的缓冲电路。
内部电路板组件833在腔室811a内被固定到背板813。内部电路板组件833可以包括图25和图26的撬棍模块520的撬棍自触发电路530。有利地，将触发电路530非常接近晶闸管th1、th2地放置在撬棍模块壳体811内能够减少或者防止在线缆上引起噪声，否则噪声会意外地触发晶闸管th1、th2。
电连接器813b被安装在背板813上以便将电线805a、806a电连接到电路板组件830、电路板组件833和撬棍单元801、803的晶闸管。电连接器813b可以被环境密封。
本文公开的各个创造性方面可以彼此独立地被使用。例如，如描述的包括线缆压盖280的撬棍单元201可以被使用而不需将撬棍单元201与线圈、母线、缓冲电路和或另一撬棍单元整体组装在一起。
在不偏离本发明的精神和范围的情况下，鉴于本公开的益处，本领域普通技术人员可以做出许多修改和改进。因此，必须理解的是，所示实施例仅作为示例目的被提出并且不应该被看作限制如由所附权利要求所限定的本发明。因此，所附权利要求应该被解读为不仅包括文字上被提出的元件的组合，并且还包括以大体相同方式执行大体相同功能以获得大体相同结果的所有等价元件。因此权利要求应该被理解为包括上文特别示出和描述的、概念上等同的以及结合了本发明的基本构思的那些内容。