控制開關裝置及使用其的方法與流程

本申請要求2013年12月8日提交給美國專利商標局的申請號分別為61/913351、61/913362，名稱均為“控制開關裝置及使用其的方法”的美國專利申請的優先權權益。

技術領域

本發明屬于電子工程領域。本發明特別涉及一種用于減少商業和工業電力系統中電弧閃光發生和限制其浪涌電流的裝置和方法。更具體地說，本發明涉及控制開關裝置(CSDs)及使用其的方法。此外，本發明允許增加設施的電容量。

背景技術：

在大型工業及商業樓宇中，變壓器通電可能會產生額定電流15倍的大浪涌電流。這種狀況下要求一定的安全系數以切斷這些電流，其使得保護繼電器的敏感設置無用，導致高入射能量故障，往往產生電弧閃光事件。

在大型工業設施中，電弧閃光是造成人身傷害和死亡的主要原因之一。要求的安全系數和浪涌電流的作用也限制連接到配電系統的變壓器的大小。

圖1示出了一種典型的商業/工業設施與公共設施的連接關系。配電系統(1)供給商業或工業設施。熔斷器(2)具備一個公共設施輸入的值，其常常限制變壓器的大小或給其盡可能小尺寸以清除變壓器浪涌。斷路器(3)是用戶端的裝置，出于維修目的或安全原因斷路器與設施隔離，而且斷路器能夠使用戶端的設備免受過流損壞。主電力變壓器(4)把配電網上的電壓降低到一個較低的值以為設施(5)中的負載(6)供電。很多時候，因為該保護裝置的切斷時間不夠快，即使檢測到故障，仍然會發生電弧閃光(7)事件。保護繼電器(8)檢測過載、短路和其它電氣故障。在上述情況下， 斷路器(3)跳閘。

如圖2所示，商業或工業設施中的浪涌電流主要是由主電力變壓器(4)的失控通電引起的。當變壓器失控通電時，其先前的去磁造成變壓器磁心內的剩余磁通是造成高浪涌電流的原因，從而導致變壓器飽和。此時，由于該浪涌電流，保護繼電器(8)的設置必須考慮到高水平的浪涌電流，因此這些裝置對下游設施(5)中的故障不太敏感。由于保護裝置不太敏感，故障檢測不太能有效地避免和減輕電弧閃光事件。此外，由于浪涌電流能夠上升到15倍的額定電流，因此設施的電容量會由于變壓器通電對配電系統的影響而受到限制。

當電流流過導體之間的空氣時發生電弧閃光。它釋放由銅、鋼或鋁等外殼材料的成分氣化產生的強光、熱量、聲音和電弧爆炸。電力系統中電弧閃光事件造成的傷害是最痛苦和昂貴的安全隱患之一。

圖4示出了用于保護協調模擬的單線圖。在本例中，公共系統(18)供給公共總線(19)。用戶總線通過熔斷器(20)連接到公共總線。

在用戶方，變壓器(24)將電平從25KV變換至600V。可以手動操作斷路器(23)以隔離用戶負載(25)或通過過流繼電器(22)斷開斷路器。

如圖5所示，時間-電流坐標曲線圖中，必須設置用戶過流保護繼電器(28)以便克服最壞情況下的變壓器浪涌(29)。在同一圖中，繼電器允許180A的連續電流。因為沒有使用CSD，因此浪涌電流可能會非常高(高達15倍的變壓器滿載電流)。為此，將過流保護繼電器(28)的瞬時部分設定在1400A。

圖7示出了用于保護協調模擬的單線圖，其中設置為：F級；AFB＝9.91ft。根據這些設置以及圖7所示的內容，故障切斷時間(FCT)可上升到20個周期(準確地說FCT＝20.339個周期)，由此產生的入射能量(IE)達52cal/cm²(準確地說在18時IE＝52.4cal/cm²)。Ibf為58.32kA。在最后一個例子中，使用了圖4中的一些元件。公共系統(34)、公共總線(35)、用戶總線(36)、變壓器(38)、過流保護繼電器(37)和用戶負載(39)。 這種能量對在附近工作的人是致命的。需要注意的是，無論何時都應當避免在每平方厘米大于或等于40卡路里水平下工作，因為在此水平下的電弧閃光事件會引發爆炸危險。在這最后一個例子中，使用了圖4中的一些元件：公共系統(34)公共總線(35)、用戶總線(36)、變壓器(38)、過流保護繼電器(37)和用戶負載(39)。此外，圖5示出了變壓器熱極限(27)和熔斷器特性(26)。

圖9示出圖4例子的保護協調曲線，但其使用的是8MVA的變壓器(24)而非5MVA的。在本例中，過流保護繼電器(50)仍允許180A的連續電流，但此時將過流保護繼電器(50)的瞬時部分設定在2280A以克服較大變壓器的較大浪涌電流(51)。圖9示出了過流保護繼電器(50)的設置不能在其本身和公共熔斷器(48)之間提供足夠的間隙，因此，這種較大變壓器的連接不能用于公共設施。圖9還示出了變壓器的熱限制(49)。

控制開關裝置，或CSDs，在高電壓變電站已經使用了許多年。直到現在，一個CSD的價格一直居高不下，但最近的技術發展使得專門用于中壓應用的更實惠的CSD設計變得可能。

因此，需要一種新的技術，通過限制變壓器浪涌電流并允許更靈敏的保護設置，使得連接到典型配電網的商業和工業電力設施中的電弧閃光入射能量顯著減少。

也需要一種新的技術，以增加電力設施的電容量。

技術實現要素：

本發明涉及一種通過限制其浪涌電流以減少商業和工業電力設施中電弧閃光發生的技術。此外，本發明允許增加設施的電容量。

本發明首先涉及一種用于降低用戶負載內的電弧閃光的方法，用戶負載(5)由一電流供電，該電流由包括一斷路器的電路控制。該方法包括如下步驟：為該電路提供一控制開關裝置(CSD)，其適于發送一打開或關閉的命令到該斷路器以便同步打開或關閉的機械操作，以減少發送到該電路的 浪涌電流。

優選地，在本文中公開的方法進一步包括如下步驟：調節該CSD以在最佳的電角度關閉該電路的斷路器，以減少浪涌電流。斷路器可以向下連接到過流保護繼電器。在這種情況下，該方法還進一步包括如下步驟：調整繼電器的靈敏度，以獲得更短的故障切斷時間并將入射能量水平降低為無害水平。

該控制開關裝置與一變壓器連接。該方法還進一步包括如下步驟：計算該變壓器內的剩余磁通，以計算切換斷路器的最佳的電角度。

本文公開的方法包括如下步驟：在變壓器的通電期間減少或消除浪涌電流。

該電路可以由通過包括熔斷器的配電系統的電流供給。熔斷器可以向下連接到斷路器。該方法還可以進一步包括如下步驟：根據浪涌電流的功能配置熔斷器的尺寸，以維持較高的浪涌電流。該方法還可以進一步包括如下步驟：將變壓器更換為具有較大電功率的變壓器，同時使得熔斷器的值相同并且維持過流保護繼電器和熔斷器之間的充分的選擇性和協調性。

本發明還可以涉及一種電路，其包括一斷路器并由一電流電供給。該電路進一步包括一控制開關裝置(CSD)，用于發送一打開或關閉的命令到該斷路器以便將其打開和關閉的機械操作與最佳的電角度同步，以減少用戶負載中電弧閃光事件。

可以調節該CSD以在最佳的電角度關閉電路的斷路器，以減少浪涌電流。

本文所公開的電路中，該斷路器可向下連接到具有靈敏度的一過流保護繼電器，所述過流保護繼電器用于獲得更短的故障切斷時間并將入射能力水平降低為無害水平。

本文所公開的電路中，借助于包括一熔斷器的一配電系統，該電流可以被提供給該電路。該熔斷器可以連接到該斷路器，并且具有根據潛在浪涌電流的功能的選定尺寸。本文所公開的電路包括具有一額定功率的一變壓器， 該額定功率受限于向熔斷器輸入最大電流值的公用設施。設置過流保護繼電器以維持熔斷器足夠的協調性和選擇性。

本發明利用一控制開關裝置(CSD)通過在一個最佳的電角度閉合電路的斷路器來控制電力變壓器通電，以減少提供給電路的浪涌電流。

本發明允許顯著減少連接到典型配電網的商業和工業電力設施中的電弧閃光入射能量。本發明允許限制變壓器浪涌電流并且提供更靈敏的保護設置。

本發明還允許增加這些設施的電容量。通過使用一控制開關裝置實現了浪涌電流的減小，其可替代地被稱為波形臨界點(POW)控制器，更優選為智能控制器設計的控制開關裝置。

目前，由于可上升至額定電流的15倍浪涌電流，保護設置不夠靈敏。電能本質上是系統電壓×歷經時間×電流。本發明中，可以將保護設置為更低的水平，從而增加保護的靈敏度并且減少跳閘和隔離故障的時間，因此最小化故障能量并且減輕電弧閃光水平。此外，本發明允許增加設施的電容量。

本發明中認為具有新穎性的特征在所附的權利要求書中具體闡述。

附圖簡要說明

本發明的上述和其它目的、特征和優點通過接下來的描述將變得更加顯而易見，參考附圖如下，其中：

圖1示出了商業或工業設施到配電系統的典型連接(現有技術)。

圖2示出了浪涌電流的一個例子(現有技術)。

圖3示出了本發明一個實施例的控制開關裝置的實現。

圖4示出了用于仿真的單線圖(現有技術)。

圖5示出了不含CSD的5MVA變壓器的保護裝置坐標曲線圖(現有技術)。

圖6示出了本發明一個實施例的包含CSD的5MVA變壓器的保護裝置坐標曲線圖，以及更靈敏的保護設置。

圖7示出了不含CSD的5MVA變壓器的入射能量(IE)水平和故障切斷時間(現有技術)。

圖8示出了本發明一個實施例的包含CSD的5MVA變壓器的入射能量(IE)水平和故障切斷時間，以及更靈敏的保護設置。

圖9示出了不含CSD的8MVA變壓器的保護裝置坐標曲線圖(現有技術)。

圖10示出了本發明一個實施例的包含CSD的8MVA變壓器的保護裝置坐標曲線圖，以及更靈敏的保護設置。

具體實施方式

一種新穎的控制開關裝置和使用其的方法將在下文進行描述。雖然通過具體實施例的方式說明本發明，但應該理解的是，在此描述的實施例僅僅作為示例，并且本發明的范圍并不局限于此。

本發明提供了一種用于降低在配備有電源變壓器且連接到典型配電網的商業和工業電力設施中的電弧閃光入射能量的新技術和方法。

“商業和工業電氣裝置”，指的是任何工業或商業負載，其可以包括任何種類的電氣設備，如電機、照明系統、加熱和冷卻系統、自動生產線、電爐等。

“更嚴格的保護設置”，指的是設置保護，以便如果發生故障，考慮到浪涌電流，保護的跳閘速度比它通常的跳閘速度快。當浪涌電流減小時，對跳閘的保護限制將降低。

如圖3所示，本發明的電路包括一CSD(16)，通過在最佳的電角度閉合斷路器(10)來控制電源變壓器(11)的通電，以減少浪涌電流以及減少含負載(13)的電力設施(12)中的電弧閃光(14)事件。指揮設施(12)的斷路器(10)的CSD(16)的使用也允許增加配備電源變壓器(11)以及連接到典型配電系統(17)的商業和工業電力設施(12)的電容量。

該CSD(16)也被稱為波形臨界點(POW)控制器。該CSD為智能 控制器，其設計成發送一打開或關閉命令到一斷路器以便其機械操作與電網上的電信號同步。該機械操作優選為在最佳的電角度執行，以便減少或消除開關瞬變。

為了最小化浪涌電流，該CSD(16)計算出變壓器(11)內的剩余磁通。基于這個信息，該CSD(16)將選擇適當的電角度以閉合斷路器(10)。

其它電氣元件，如斷路器、變壓器、過流保護繼電器、熔斷器、負載、POW和CSD，可以是本領域公開的那些。特別地，美國專利US6433980B1中描述了可用于本發明的CSD的主要功能。同時，美國專利US7576957B2描述了可用于本發明的POW的主要功能。US6433980B1和US7576957B2的信息作為參考附上。

保護該配電網互連(17)的熔斷器(9)和過流保護繼電器(15)，通常根據該變壓器(11)提供的變壓器浪涌電流和最大負荷能力來評價和調整。因此，浪涌電流的減小允許這些保護裝置的更嚴格的設置，以更快地檢測故障電流并降低下游入射能量水平，同時在不對公共系統產生不利影響的前提下提高設施的電容量。

圖6示出了使用本發明原理的電路的保護協調的研究。在本實驗中，CSD被用來最小化變壓器的浪涌電流。因此，保護繼電器可被參數化(32)，以增加靈敏性或反應性，以減輕入射能量水平。例如，示出了設定在600A左右的瞬時電流。該電流允許使用CSD(16)消除或切斷浪涌電流(33)。相對地，同一例中，如圖5所示，如果不使用CSD，切斷浪涌(29)所需的電流大大增加，為1400A左右。

如圖8所示，更嚴格的保護設置(D級；AFB＝5.86ft)通常會導致較低的故障切斷時間(FCT＝5.960個周期)，并且入射能量(IE)的水平下降到18.3cal/cm²(每平方厘米的卡路里數)。在這個最后的例子中，使用與圖4相同的元件。公共系統(40)、公共總線(41)、熔斷器(42)、用戶總線(43)、斷路器(45)、變壓器(46)和用戶負載(47)。然而，過流保護繼電器(44)具有更嚴格的設置。圖6還示出了與圖5相同的變壓器熱極限(31)和熔斷 器特性(30)。

圖10示出了使用8MVA電力變壓器的保護坐標曲線圖。除了變壓器(24)具有8MVA的電容量，以及CSD適于或用于最小化浪涌電流(55)之外，已經在與圖4類似的電力設施上做過研究。保護繼電器的靈敏度或反應性被增加后，可以在配電系統中使用較大的變壓器，同時仍然允許用戶保護繼電器和公共熔斷器之間的協調。

如圖10所示，不同于5MVA的一個8MVA變壓器，可以以相同的公用熔斷器(52)的值安裝，同時仍保持了用戶保護繼電器(54)和公用保護裝置或熔斷器(52)之間足夠的選擇性和協調性。圖10示出了8MVA單元的新的變壓器熱極限(53)。

盡管上文詳細描述了本發明示例性和當前的優選實施例，但應當理解的是，創新概念可以以多樣的方式體現和采用，并且所附權利要求書意在被解釋為包括該多樣性，現有技術限制的變形除外。