專利名稱：電弧閃光消除系統,裝置和方法
技術領域：
本發明涉及電弧閃光防護以及消除技術，并且尤其涉及用于此目的 的消弧(crowbar)設備。
背景技術：
電力電路以及開關設備具有絕緣分開的導體。空氣間隙通常在某些 區域中用作這種絕緣的部分或者全部。如果導體彼此太靠近或者電壓超 過了絕緣特性，那么在這些導體之間會出現電弧。導體之間的空氣或者 任何絕緣(氣態或固態電介質)可被離子化，從而使得其導電，這也將 形成電弧。電孤溫度可高達20000攝氏度，使導體和相鄰材料氣化，并 且釋放大量的能量。
電弧閃光是由于相對相、相對中性線、或者相對地之間的電弧故障 所導致的快速能量釋放的結果。電弧閃光可產生4艮高的熱量、強烈的光、 壓力波、以及聲音/沖擊波。然而，電弧閃光電流通常遠小于短路電流， 并因此期望延遲或者不跳閘斷路器，除非選擇斷路器來處理電弧故障情 況。諸如國家環境政策法案(NEPA)，職業安全與衛生條例(OSHA)，以 及電氣和電子工程師協會(IEEE)之類的代理以及標準規定了流過個人 保護衣服以及設備發出的電弧閃光，但不存在由規定所形成的消除電弧 閃光的設備。
標準熔絲和斷路器典型地不能對電弧閃光足夠快速地反應。"消弧裝 置，，是一種企圖對電路短路并且因此將電能從電弧閃光轉移出去的保護
要產生的三相短路故障。通用的減小電弧閃光的設備采用機械和/或電-機械工藝，其能承受從將要產生的短路中得到的較大的電流值。因此， 本領域中需要一種克服這些缺陷的電弧閃光消除布置。
發明內容
本發明的實施例包括這一種消除電動機控制中心的電弧閃光的方法。該方法包括檢測對應于電動機控制中心的電弧閃光。響應該檢測， 在延遲之后，確定電弧閃光是否繼續，并且響應于確定電弧閃光繼續， 使消弧裝置跳閘。
本發明的另一實施例包括一種電動機控制中心，其包括電路支路， 與電路支路進行故障保護通信的限流斷路器，以及與該電動機控制中心 電力連接的消弧裝置。該限流斷路器響應電路支路內的電流值而切斷其 中的電流，并且該消弧裝置響應對應于電動機控制中心的持續限定期間 的電弧閃光情況，以消除該電弧情況。
本發明的另 一 實施例包括配電系統。該配電系統包括開關設備和與 該開關設備電力連接的電動機控制中心。該電動機控制中心包括電路支 路，與電路支路進行故障保護通信的限流斷路器，以及與該電動機控制 中心電力連接的消弧裝置。該限流斷路器響應電路支路內的電流值而切 斷其中的電流，并且該消弧裝置響應對應于電動機控制中心的持續限定 期間的電弧閃光情況，以消除該電弧情況。
當參考附圖閱讀下面的詳細說明時，本發明的這些以及其他特征， 方面以及優點將更好理解，其中所有附圖中相同的特征標識相同的部件，
其中
圖1是根據本發明實施例的具有消弧裝置和激勵電路的電路的示意
圖2是根據本發明實施例的具有球形電極和觸發器栓的消弧外殼的 剖面圖3是根據本發明實施例的具有等離子槍觸發器的消弧裝置的透視
圖4是根據本發明實施例的燒蝕性等離子槍觸發器的剖面圖5是根據本發明實施例的電弧閃光消除方法的流程圖6是根據本發明實施例的消弧裝置的示意圖7是根據本發明實施例的消弧裝置的示意圖8是根據本發明實施例的配電系統的方框示意圖；以及
圖9是根據本發明實施例的配電系統的方框示意圖。
具體實施例方式
本發明實施例的發明人已經創新地意識到受控電弧可用作電弧閃光消除的消弧裝置，并且這種受控電弧比現有的消弧裝置更快，提供了增
強的電路保護。圖l示出具有電源22的電路201，給信號可控的斷路器 26保護的三個單獨的母線24A， 24B, 24C提供三相電力A， B， C。通過 母線提供電力給一個或多個負載28A， 28B， 28C。
斷路器26在短路的情況下打開。然而，在電弧閃光30的情況下不 打開，這是因為流過電弧閃光30的電流小于短路的熔斷電流，其中該短 路的熔斷電流使得斷路器26跳閘。此外，與諸如斷路器26之類的機械 斷路器相關的延遲可使得電弧閃光30的能量導致無法預料的設備損壞以 及可能的人身傷害。
為了解決這個問題，根據本發明的各方面，將消弧裝置32連接到電 路中，以快速消除電弧閃光。它提供連接到每個相應的相A， B， C上的 間隙電極34A， 34B, 34C。間隙35或者多個間隙將這些電極34A, 34B, 34C彼此隔開。該間隙可位于空氣或者其它絕緣氣體中，例如氮氣，六氟 化硫，或者任何其他合適的惰性氣體。間隙35中的觸發器設備36將絕 緣氣體的局部部分離子化，以激勵電極34A, 34B, 34C之間的保護性電 弧37 (最好參見圖2)。這種保護性電弧37快速吸收來自電路201的能 量，消除了危害的電弧閃光30。將電極34A， 34B, 34C密封在堅固耐壓 容器或者外殼38中以承受與保護性電弧37相關的爆炸能量，該堅固耐 壓防護容器或者外殼38可包括聲沖擊波吸收器41。外殼38可以是例如 由能夠承受所計算的TNT量的爆炸等效物的鋼、其他金屬或者合金，或 者塑料合成物制成的耐壓防護容器。
電弧閃光30的低電流(與短路相比)使得較早檢測更加困難。因為 這個原因，可提供一個或多個諸如差動電流傳感器42和/或光學傳感器 44之類的合適的傳感器來檢測電弧閃光30。這種傳感器在本領域中是公 知的。
傳感器42， 44連接到邏輯電路46，該邏輯電路46在檢測到電弧30 時產生消弧裝置觸發器激勵指令48。這樣通知觸發電路52提供脈沖54 給觸發器36，該觸發器使在電極34A， 34B, 34C之間的間隙35中的某些 氣體離子化。這樣就降低了間隙阻抗，激勵了電極34A， 34B, 34C之間 的保護性電弧37。對于給定電路電壓，可通過電極34A， 34B, 34C的尺 寸和間隔，并通過在如后所述的觸發器中提供燒蝕性材料來設計消弧裝 置的間隙35。觸發降低了電極34A， 34B和34C上的阻抗，這樣系統電流流進了消弧裝置32。
間隙35的阻抗可被設計成支持電弧，該電弧引出足以打開斷路器26 的電流。除此之外，斷路器跳閘信號50可由邏輯電路46產生，以打開 斷路器26。然而，電弧閃光的消除在斷路器26具有打開的時間之前由保 護性電弧37完成。
圖2示出具有球形電極34A， 34B，以及觸發器36的消弧裝置外殼 38的剖面圖。該外殼可包括阻尼層41，以吸收由保護性電弧37產生的 聲沖擊波。觸發器36可以是電極栓36、電極對、或者接收足以離子化主 電極34A, 34B之間的某些氣體的電流脈沖的加熱元件。可替換地，觸發 器可以是燒蝕性等離子槍60 (最好參見圖3)，該燒蝕性等離子槍60將 諸如聚四氟乙烯，縮醛樹脂，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或者任何燒蝕 性聚合體之類的燒蝕材料的等離子體以超聲波速度注入到電極間的間隙 35中。這樣就在電極之間產生了導電通道，對于快速和保護消弧裝置電 流響應，快速并且顯著降低了間隙阻抗。圖3是具有三個球形電極34A, 34B， 34C以及在電極34A, 34B, 34C之間注入等離子體62的等離子槍觸 發器60的消弧裝置的透視圖。在外殼38中設置一個或多個壓力釋放孔 39。這些孔39恒定打開，由孔39的尺寸來控制釋放速度，或者它們僅 在壓力超過給定的安全閾值時才通過閥或者迸發板(burst plate)來打 開。提供過濾器40以防止顆粒物釋放。孔的內壁由燒蝕性材料(例如， 聚四氟乙烯，縮醛樹脂，PMMA，或者尼龍等等)形成，從而在熱蒸汽和 顆粒排出到外殼38之前冷卻該熱蒸汽和該顆粒。
圖4是等離子槍60的剖面圖，其具有第一和第二電極64, 66， 一杯 燒蝕性材料68和擴散噴管70。在電極64, 66之間簡短的電壓脈沖形成 了電弧72，該電弧72加熱并且燒蝕該杯材料68中的一部分從而產生高 導電等離子體62。如圖3所示，將這種等離子體注入到球形電極34A, 34B和34C之間的間隙35中，以激^力如圖2所示的保護性電弧37。
根據上面的描述，電路201使得電弧閃光消除的方法更容易了。圖5 示意性地示出根據本發明實施例的一種用于電弧閃光消除的方法73。該 方法包括連續檢測用于電弧閃光30的電路74。響應于確定76出現了電 弧閃光30，該方法包括觸發78消弧裝置32并且使斷路器26跳閘80。 在消弧裝置32被觸發78之后，該方法還包括維護82該電氣系統，以消 除電弧閃光30的起因，檢測84對于磨損的消弧裝置32,如果需要的話對其維護以及最后，復位86該斷路器26，將電路201的電氣系統返回到 服務中。
在實驗測試過程中已經發現，實施本發明各方面的消弧裝置比任何 其他已知的電孤閃光消除技術更快。該消弧裝置32采用燒蝕性等離子觸 發器進行操作，并且在10-65千安的三相電路中被測試。在采用5kA電 流的8/20微秒觸發脈沖進行觸發后，其實現了小于0. 2ms的能量傳送時 間。這種響應比當前已知的機械電弧故障保護系統的大約3ms的響應時 間要快大約15倍。此外，消弧裝置32避免了電路201受到由機械消弧 裝置產生的熔斷電流的突然浪涌所帶來的損傷。與機械消弧裝置沒有進 行吸收相反，本文中描述的這種消弧裝置32吸收了電氣系統中10-20% 的能量。此外，該消弧裝置32非常牢固，可升級，并且在修理之前可重 復使用幾次，比其他技術所花費的費用更少，并且更加可靠，這是因為 它沒有移動部件。如上所述，燒蝕性等離子槍60要求很少的啟動能量， 并且也沒有移動部件。
電極間的間隙35的阻抗可進行設計并且由各種參數來進行控制，這 些參數包括間隙電極34A, 34B， 34C的尺寸和間隔以及觸發器的等離子 體62的特性。等離子體62的特性由等離子槍的電極64， 66、燒蝕杯68 的內部尺寸、觸發器的脈沖形狀以及能量、和杯68的材料來確定。例如， 在上述的連續測試中，消弧裝置電極34A, 34B， 34C是40mm直徑的球體， 分別與相鄰的球體間隔"mm或者具有位于距離公共中心點為37. 52mm的 半徑處的球體中心。該觸發器是具有杯68的燒蝕性等離子槍60，其中杯 68由縮醛樹脂形成，內腔直徑是3mm，腔長度為8,。噴管70位于電極 34A, 34B, 34C球體中心的平面下方的約25mm處。杯68可由如上所述的 其他燒蝕性材料形成，或者如果希望的話，由多個材料的組合形成。
本發明的裝置以各種方式構造成。例如，多個消弧裝置單元32可以 被構造成用于保護電路。圖6示出了實施本發明各方面的例如包括兩個 消弧裝置321， 322的消弧裝置的第二實施例202。第一消弧裝置321具 有由第一間隙隔開的第一和第二電極34A, 34Cl，該第一間隙具有第一電 弧觸發設備36A。第一電極34A連接到電路的第一相A，第二電極34C1 連接到電路的第三相C。第二消弧裝置322具有由第二間隙隔開的第三和 第四電極34B， 34C2,該第二間隙具有第二電弧觸發設備36B。第三電極 34B連接到電氣系統的第二相B上，第四電極34C2連接到電氣系統的第三相c上。
圖7示出實施本發明各方面的例如包括三個消弧裝置321, 322， 323 的消弧裝置的第三實施例203。第一消弧裝置321具有由第一間隙隔開的 第一和第二電極34A， 34G1,該第一間隙具有第一電弧觸發設備36A。第 一電極34A連接到電路的第一相A上。第二電極34G1接地。第二消弧裝 置322具有由第二間隙隔開的第三和第四電極3化，34G2,該第二間隙具 有第二電弧觸發設備36B。第三電極34B連接到電氣系統的第二相B上， 第四電極34G2接地。第三消弧裝置323具有由第三間隙隔開的第五和第 六電極34C， 34G3,該第三間隙具有第三電弧觸發設備36C。第五電極34C 連接到電氣系統的第三相C，第六電極34G3連接到地。
例如根據本發明實施例的消弧裝置可設置在如321， 322, 323之類 的模塊單元中，這些模塊單元可安裝在例如圖6和7所示的不同結構中。 這些單元的主電極可以設置有電弧調節以適用于不同的電壓。
圖8示出配電系統399的實施例的方框示意圖，該配電系統399可 包括本文中描述和示出的消弧裝置32的各個方面。示出電力連接器400 在電源22和開關設備405之間。應該理解，示出電力連接器400為單條 線路，但其可包括多于一相的電源，例如圖1中示出的三相A， B， C，以 及開關中性線(未示出)。將電力從電源22提供給包括斷路器26的開關 設備405。開關設備405分配電力給一個或多個電動機控制中心(MCC) 410， 415， 420，其進一步將電力分配給下游的電負載425。如上所述， 響應于電弧閃光30的檢測，消孤裝置32消除了電弧閃光30，并且引出 足以打開斷路器26的電流，因而將電力從MCC 410， 415, 420以及下游 的負載425中除去。在一個實施例中，在檢測電弧30之后，消弧裝置32 產生斷路器斷開信號50以打開斷路器26。盡管為了演示的目的將消弧裝 置32演示為與開關設備405分隔開，但是應該知道其可以一體地設置在 開關設備405之內。
如上所述，圖8所示的消弧裝置32在開關設備405之內提供了電弧 閃光30的保護，緊接著在開關設備405內檢測到這種電弧閃光30的開 始之后，打開斷路器，從而將電力從MCC 410, 415， 420的全部下游負 載425中除去。
圖9示出了可替換的配電系統430的實施例的方框示意圖代表。像 例如圖1所示的消弧裝置32那樣的消弧裝置431與電動機控制中心420電力連接，并且響應對應于電動機控制中心420的持續限定期間的電弧 閃光30的情況，從而消除電弧閃光30的情況。盡管圖9中示出消弧裝 置431與一個MCC 420連接，應該知道，本文中描述的實施例可以包括 多于一個的消弧裝置431與多于一個的MCC連接，例如MCC 410， 415， 420與諸如開關設備405那樣的開關設備進行電力連接。
在一個實施例中，MCC 420包括一個或多個與電路支路440， 445， 450進行電力連接并且進行故障保護通信的快速動作限流斷路器432。每 個限流斷路器432響應每個電路支路440， 445， 450中的電流值，從而 響應于過電流值來中斷其中的電流。可選地，主斷路器435可以保護MCC 420中的所有支路440, 445， 450。就像斷路器26，主斷路器435可使得 足夠的電流來支持電弧閃光30而不中斷，并且還包括不足以消除期望電 弧閃光30的響應時間。
限流斷路器432與斷路器26和435的區別在于它們提供足夠的靈敏 度來中斷維持電弧閃光30的電流量。此外，這種限流斷路器432經常提 供八到十毫秒(近似為每秒電周期中60個周期的一半)的響應時間。因 此，擇性打開適當的斷路器432可以消除出現在限流斷路器432的下游 的任何電弧閃光30。因此，通過限流斷路器432的選擇性打開消除電弧 閃光30，增強了系統430的選擇性，這是因為其它斷路器432和它們對 應的負載不受影響，仍然在運行之中。這種增強的選擇性是理想的，這 是因為它減少了斷路器435， 26的故障觸發，其能影響另外正確運行的 支路440， 445, 450。在某些工業中，就像例如材料處理工業那樣，非常 期望減少電力的任何中斷，這是因為這種電力中斷可以對這些處理過程 帶來非常高的破壞。
結合由限流斷路器432提供給設置在斷路器432的下游的支路440， 445， 450的電弧閃光30的保護，還希望在MCC 420中提供電弧閃光30 的消除。本發明的實施例在MCC 420內提供電孤閃光30的消除，同時增 強選擇性，因而減小了不期望的電力服務中斷的可能性。在一個實施例 中，MCC 420中的電弧閃光消除和選擇性可由消弧裝置431來提供，該消 弧裝置431例如是本文中結合限流斷路器432描述的消弧裝置32。
在一個實施例中，諸如至少一個差動電流傳感器42和光學傳感器44 那樣的傳感器與通過伴隨有電弧閃光30的情況來檢測電弧閃光30的邏 輯電路46進行信號通信。響應于對指示可能的電弧閃光30的情況的檢測，邏輯電路46啟動延遲445。在該延遲455之后，與至少一個傳感器 42， 44進行信號通信的另一邏輯電路460評估表示電弧閃光30的情況是 否繼續存在。如果表示電弧閃光30的情況繼續存在，則邏輯電路"0通 過提供消弧裝置觸發啟動指令48給觸發電路52來觸發消弧裝置431，從 而提供脈沖54給消弧裝置431,以消除如上所述的電弧閃光30。由延遲 電路455提供的時間延遲量大于限流斷路器432的響應時間，從而使得 限流斷路器432響應限流斷路器432的下游的任何電弧閃光30。在一個 實施例中，期望合適的時間延遲是約七到十毫秒。
因此，如果表示潛在的電弧閃光30的情況的起因在一個限流斷路器 432的下面，這將由其中包含該起因的特定支路440， 445, 450的限流斷 路器432來消除，并且在延遲455之后將不再存在。因此，如果在延遲 455之后，由邏輯電路460進行的評估發現表示潛在電弧閃光30的情況 不再出現，繼續提供電力給不出現電弧閃光30情況的剩余支路440， 445， 450，從而為MCC 420提供電弧閃光30保護和增強的靈敏性。
可替換地，如果表示潛在的電弧閃光30的情況在延遲455之后繼續 存在，那么表示出潛在電弧閃光30的起因位于限流斷路器432的上游， 并且啟動消弧裝置431。如上所述，除了啟動消弧裝置32以外，觸發電 路52可以提供斷路器跳閘信號50給對應于電動機控制中心420的斷路 器26。優選的是，為了進一步增強靈敏性并且防止正確運行的MCC (諸 如圖9中的MCC410， 415)中斷，觸發電路52可提供斷路跳閘信號465 給開關設備405中的斷路器470，該開關設備405和與被檢測的電弧閃光 30相關聯的特定MCC 420電力連接并且與其對應。可替換地，觸發電路 52可提供斷路器跳閘信號475給MCC 420內的斷路器435。
在一個實施例中，圖9中示出的消弧裝置431容易通過電纜480的 外部附件而更新到現有的MCC 420上。此外，這種更新安裝需要電弧傳 感器，例如差動電流傳感器42或光學傳感器44中的至少一個。在另一 個實施例中，消弧裝置431可以直接安裝在MCC 420內。
盡管本發明的實施例已經采用分立的邏輯電路部件進行描述和示 出，但是應該清楚本發明的范圍并不局限于此，并且本發明還應用于采 用集成邏輯電路部件的消弧裝置431中。
盡管本發明已經參考示意性實施例進行了描述，但是應該知道，不 脫離本發明的范圍可進行各種改變并且可將其元件替換成等效物。此外，可進行許多變形，以使得特定的情形或材料可適應本發明不脫離其基本 范圍的教導。因此，其意圖在于，本發明并不局限于就像實現本發明所 期望的最好的或者僅有的模式那樣公開的特定實施例，而是，本發明包 括落入所附權利要求范圍內的所有實施例。同樣，在附圖和說明書中， 已經公開了本發明的示意性實施例，盡管已經采用了特定的術語，但是 除非另有說明，他們可僅使用通用并且描述性的含義，并且目的不在于 限制，因此本發明并不局限于此。此外，術語第一，第二等的使用并不 標識任何順序或者重要性，而寧可說是術語第一，第二等用于將一個元 件與其他元件區分開。此外。術語一， 一個等的使用并不標識數量的限 制，而寧可說是標識至少一個所涉及項的出現。
權利要求
1、一種消除電動機控制中心(420)中的電弧閃光(30)的方法，該方法包括檢測對應于電動機控制中心(420)的電弧閃光(30)；響應于該檢測，并且在延遲(445)之后，確定電弧閃光(30)是否繼續；以及響應于確定電弧閃光(30)繼續，觸發消弧裝置(431)。
2、 權利要求1的方法，其中觸發消弧裝置(431)包括觸發在耐壓 防護殼(38)中電極(3"、 3化、34C)之間的間隙(35)中的保護性電 弧(37)。
3、 權利要求2的方法，還包括觸發該間隙(35)到足夠低的阻抗， 從而使得保護性電弧(37)使與電動機控制中心(420 )相關聯的電路中 的斷路器(470， 26)跳閘。
4、 權利要求l的方法，其中該觸發包括使與電動機控制中心(420 ) 進行故障保護通信的信號可控的斷路器(470, 26, 435 )跳閘。
5、 權利要求1的方法，其中該延遲(445)大于與電動機控制中心 (420 )的電路支路(440， 445， 450 )進行故障保護通信的限流斷路器 (432 )的響應時間。
6、 一種電動機控制中心(420 )，包括 電路支路(440, 445， 450 );與該電路支路(440， 445， 450 )進行故障保護通信的限流斷路器 (432 )，該限流斷路器(432 )響應于電路支路(440， 445， 450 )內的 電流值以中斷其中的電流；以及與電動機控制中心(420 )進行電力連接的消弧裝置(431)，該消弧 裝置(431)響應對應于電動機控制中心(420 )的持續的限定期間的電 弧閃光情況(30)，以消除該電弧閃光情況(30)。
7、 權利要求6的電動機控制中心(420 )，其中該持續的限定期間大 于限流斷路器(432 )的響應時間。
8、 權利要求6的電動機控制中心(420 )，還包括 與電路支路(440, 445， 450 )進行故障保護通信的并且設置在電路支路(440， 445， 450 )上游的斷路器(470， 26, 435 )，該斷路器(470, 26， 435 )響應消弧裝置(431)，以中斷電動機控制中心(410， 415， 420 )中的電流。
9、 一種配電系統(430)，包括 開關設備(405 );與該開關設備(405 )進行電力連接的電動機控制中心(420 )，該電 動機控制中心(420 )包括電路支路(440， 445， 450 );與電路支路(440， 445， 450)進行故障保護通信的限流斷路器 (432 )，該限流斷路器(432 )響應電路支路(440， 445， 450 )內的電 流值以中斷其中的電流；以及與該電動機控制中心(420 )進行電力連接的消弧裝置(431 )，該消 弧裝置(431)響應對應于電動機控制中心(420 )的持續的限定期間的 電弧閃光情況(30)，以消除該電弧閃光情況(30)。
10、 權利要求9的配電系統(430 )，還包括設置在開關設備(405 )中的斷路器(470， 26)，該斷路器(470 ) ( 26 ) 與電動機控制中心(420 )進行故障保護通信，并且響應于消弧裝置(431) 以中斷提供給電動機控制中心(420 )的電流。
全文摘要
本發明涉及電弧閃光消除系統，裝置和方法。一種消除電動機控制中心(420)中的電弧閃光的方法。該方法包括檢測對應于電動機控制中心(420)的電弧閃光。響應于檢測該電弧閃光，并且在延遲(445)之后確定電弧閃光是否繼續，并且響應于確定電弧閃光繼續，觸發消弧裝置(431)。
文檔編號H01H73/18GK101431236SQ200810214269
公開日2009年5月13日 申請日期2008年8月29日 優先權日2007年8月30日
發明者A·K·博霍里, G·W·羅斯克, T·阿索肯 申請人:通用電氣公司