專利名稱：用于檢測電力系統中的閃弧故障的自供電的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及即使在存在其他光源的情況下使用由閃弧(arcing)發出的光對電力系統中的閃弧故障進行檢測的技術。更具體地，其涉及由該發出的光提供能量而不需要外部能源的這樣一種裝置和方法，且其使用廉價光纖與中央電子設備進行通信。
然而，常常是，會在開關裝置機箱內例如在總線之間，或在總線和接地金屬元件之間產生不期望的閃弧故障(arcing fault)。這樣的閃弧故障會產生出高能氣體，其對該裝置和附近的人員構成一種威脅。一種使人員免受開關裝置中的閃弧故障的傷害的常用方法是設計金屬罩來抵抗來自該閃弧故障的沖擊。然而，由于要使用大尺寸的金屬且需用無數的焊接接頭來防止飛屑，因此這樣做要付出巨大的額外代價。即使有了這些預防措施，由開關裝置中的閃弧故障所造成的沖擊也不能總是得到充分的控制。
近來，已開發出若干用于降低來自內部閃弧故障的沖擊的嚴重程度的方法。這些方法包括壓力檢測和光檢測，它們檢測該開關裝置內的閃弧故障，且在可能產生嚴重損害之前使斷路器斷路。該壓力檢測方法受到壓力檢測器缺乏敏感性的限制。在機箱壓力上升至可檢測的級別之前，該閃弧故障已經造成嚴重的損害。迄今所使用的光檢測方法是沒有選擇性的，因而任何光信號都能觸發該檢測器。因此，由服務人員使用的手電筒，或日光或閃光燈都可能會錯誤地觸發該光學檢測器。為避免這些對光學檢測器的錯誤觸發，已經提出或者直接或者通過檢測由該電流產生的磁場將光學檢測和電流檢測結合起來進行。不幸的是，這些方法費用昂貴且還沒有被證明是可靠的。
美國專利No.6,229,680公開了一種用于在存在其他光源的情況下光學檢測電力系統中的閃弧故障的裝置和方法。聚集來自電力系統中的各元件的光并將它們分成兩個光束。使第一束光穿過第一窄帶濾波器以提取該材料的閃弧的波長特征，所述材料例如開關裝置導體中的銅。使第二束光穿過具有窄帶寬的第二濾波器，該窄帶寬不包括上述特定波長。分別由光二極管將該提取的光信號轉換為檢測的光電信號和背景光電信號并進行比較。如果該檢測的光電信號超出該背景光電信號一選擇的閾值，則驅動例如為脫扣螺線管(trip solenoid)的輸出裝置。盡管有效，但該結構要求具有一對分開的光纖的分叉光纖束，用于每個被監控的元件。這些光纖光纜易碎且價格昂貴。此外，在光纖聚光端的光學器件所提供的視角有限。另一種結構是將光二極管緊靠待被監控的每個元件，該結構要求向這些光檢測器中的每一個分配能量，而且其提供的視角也窄。
因此需要一種用于檢測電力系統元件中的閃弧的改進的裝置和方法，要求其經濟而且不需要昂貴的特殊光纖，且優選通過電弧自己提供能量，從而消除能量分配的需要。
每個光電裝置可包括至少一個光伏電池和濾波裝置，第一光電裝置所具有的濾波器的通帶等于包含由閃弧故障產生的預定波長的第一波長帶，用于第二光電裝置的濾波器的通帶等于不包含閃弧故障的預定波長的第二波長帶。
在另一實施例中，一偏置電信號被加至由第一光伏電池產生的信號。該偏置電信號可由一個或多個附加的光伏電池產生，所述一個或多個附加的光伏電池將它們的電輸出加至第一光伏電池的電輸出上，使得該發光裝置被偏置至其操作點，從而可降低該過濾光伏電池的大小或個數以降低費用。
根據本發明的方法包括從來自該元件的光中提取第一波長帶的光，并將該第一波長帶的光施加至第一光伏電池以產生一檢測的光電信號，所述第一波長帶包括由閃弧故障產生的預定波長。從來自該元件的光中還提取出不包括該預定波長的第二波長帶的光，并將其施加至至少一個第二光伏電池以產生一背景光電信號。從該檢測的光電信號中減去該背景光電信號，且當該檢測的光電信號超出該背景光電信號一預定閾值量時，產生一檢測器光信號。一光電裝置暴露于該檢測器光信號以產生一閃弧故障信號。
通過結合附圖閱讀以下對優選實施例的描述，可全面理解本發明。在所述附圖中圖1為一銅電弧的光譜輻照度曲線；圖2為太陽光的光譜輻照度曲線；圖3為根據本發明第一實施例的檢測器的示意圖；圖4A為根據本發明第二實施例的檢測器的示意圖；圖4B為圖4A中示出的實施例的修改形式的示意圖；圖5為根據本發明的裝置的示意圖，包括該電子裝置的示意電路圖；圖6為示出將本發明應用于開關裝置中的電弧保護的示意圖。
本發明的閃弧故障檢測器采用檢測器單元中的光伏電池。圖3示出檢測器單元1的一種形式。該檢測器單元1包括第一光電裝置3，該第一光電裝置3包括至少一個，或多個串聯連接的光伏電池5，和第一濾波器7，其對入射到光伏電池5的光進行濾波。該第一濾波器7的通帶的中心在該閃弧材料的特征波長，例如521，820nm處。
檢測器1包括第二光電裝置9，其又包括一個或多個串聯連接的光伏電池11，和第二濾波器13，其對入射到該光伏電池11的光進行濾波且其通帶不包括該閃弧材料的特征波長，在該示例性系統中該通帶的中心例如在大約600nm處。
第一光電裝置3響應于被濾波的入射光產生一檢測的光電信號，類似地，第二光電裝置9產生一背景光電信號，該信號的幅度依賴于在第二濾波器13的通帶內的光輻照度。電路15具有與第一光伏電池3串聯連接的第一分支151和類似地與第二光伏電池11串聯連接的第二分支152，該電路15將這兩個電信號相反地連接至例如為發光二極管(LED)17的發光裝置。當存在閃弧時，由第一光電裝置3產生的檢測的光電信號超出由第二光電裝置9產生的背景光電信號一閾值量，該閾值量足以打開LED17。而在不存在閃弧時，由于在第一濾波器7的通帶中的某些輻照，第一光電裝置3將產生一檢測的光電信號，其不足以克服由第二光電裝置9產生的背景光信號對LED17的反偏效應。事實上，在背景光為來自白熾燈泡或手電筒的熒光的情況下，該背景光電信號會大大超出該檢測的光電信號且使LED17嚴重反偏，其中所述白熾燈泡或手電筒在第一濾波器7的通帶的輻照度非常低，但在第二濾波器13的通帶的輻照度則相當高。濾波器7和13可以是干擾濾波器，當然也可以使用較廉價的帶通濾波器。
圖4A示出檢測器單元1′的另一個實施例，其在電路15的第一分支151加入一偏置產生器19，其形式為與第一光電裝置3串聯連接的一個或多個附加的光伏電池21。這將一正向偏置施加于LED17，因此可使用更少或更小的過濾光伏電池5和11。這還減小了濾波器7和13的尺寸，且由此降低了其成本。由于未向該附加的光伏電池21提供濾波器，因此降低了該檢測器的總成本。可按圖4B所示對圖4A的實施例進行修改使得雖然將檢測器1″的偏置產生電池21放置為與過濾光伏電池5和11均串聯，但仍提供正向偏置LED17的相同效果。
通過使用光伏電池5、11和21，圖3和4中的檢測器1和1′自己提供能量。此外，即使沒有光學器件，該光伏電池的視角也比在上述背景技術中描述的較早的光學閃弧檢測器中使用的分叉光纖電纜的大。
圖5示出本發明的閃弧故障檢測器22。檢測器單元1(或1′)被連接至包括光電電路25的響應裝置23。該光電電路包括光電二極管27，其由檢測器1產生的光信號激勵。該光信號通過光纖29被從檢測器1發送至光電檢測器27。這允許光電電路25遠離被監控的元件，在該元件處，閃弧故障檢測器用于例如中壓開關裝置中。這使光電電路25離開該中壓的附近，所述中壓例如15KV，否則可能會在電子裝置中產生電磁干擾。由此，光纖29為光電電路25提供了電隔離。當由檢測器1產生的光信號主要為一數字信號時，即在檢測到閃弧故障時為通(on)，在不存在閃弧故障時為斷(off)的情況下，低成本光纖即可適用于完成傳送該數字光信號以及向該光電電路25提供電隔離的雙重功能。
由一適當的直流供給電壓例如+Vcc向該光檢測器27提供能量。在存在閃弧時，由LED17產生的光信號打開光電檢測器27，該光電檢測器使電流流過電阻器31。由該電流產生的跨越該電阻器31的電壓被光電放大器33充分放大以接通晶體管35。該晶體管35將該觸發信號提供給一單穩多諧振蕩器37。通常，晶體管35截止(off)，以便上拉(pull-up)電阻器39將+Vs施加于該單穩多諧振蕩器37的觸發輸入端。當檢測器通過光纖29提供光信號以接通該光電檢測器27時，該晶體管35被接通，上拉本來下降至地的該單穩多諧振蕩器37的觸發輸入。這使得該多諧振蕩器的輸出Q的Vout變高。由電容器43和電阻器45形成的RC電路41復位該單穩多諧振蕩器37以使其再次變低，因此Vout為一脈沖信號。可使用由Vout表示的閃弧故障信號來設置警報，和/或使斷路器斷路，或者相反地，啟動保護或通知動作。選擇RC電路41的時間常數，使得所產生的脈沖持續時間足以激勵該期望的輸出裝置。
圖6示意性地示出本發明的光學閃弧故障檢測器22在分配系統開關裝置中的應用。該開關裝置47包括一金屬開關裝置柜49。典型地，該開關裝置機箱49被分為前室51、中室53和后室55。前室51被垂直分為若干單元57，其中容納有例如斷路器59的電開關裝置。中室53容納包括被連接至一組垂直總線(僅能看見一根)63的水平三相總線61的剛性總線。這些垂直總線通過上快速切斷(disconnect)65連接至斷路器59。下快速切斷67通過回路69將斷路器連接至從后室55延伸來的電纜71。
本發明的光學閃弧故障檢測器22可用于防止開關裝置47出現閃弧故障，所述閃弧故障可能會出現于導體61-71中的任何導體之間，或出現在這些導體和金屬機箱49之間。由此，檢測器1可被插進單元57、中室53或后室55中，在這些地方它們可以監控閃弧故障。每個檢測器1由光纖29連接至光電電路25，光電電路25可被容納于前室51的最頂部的單元57或任何其他方便的位置。一旦檢測到閃弧故障，就會通過斷路引線73將由光電電路25產生的閃弧信號作為一斷路信號施加至每個斷路器59或高速短路開關(未示出)。還會將該閃弧信號作為斷路信號發送至將切斷輸入總線61的能量供給的主斷路器(未示出)，或發送至一遠程監控站(也未示出)。
盡管詳細描述了本發明的特定實施例，本專業技術人員將會理解在本公開的整個講解的啟發下可對這些細節進行多種修正和替換。相應地，所公開的具體的結構僅用于示例的目的，而并非用于限制本發明的范圍，本發明的范圍由附加的權利要求及其所有的或任意等價描述的全部范圍來限定。
權利要求
1.一種用于在存在來自其他光源的光的情況下檢測電力系統的元件處的閃弧故障的裝置(22)，該閃弧故障在該元件處產生一預定波長的光，來自其他光源的光可能會包括該預定波長的光，該裝置包括檢測器單元(1，1′)，包括第一光電裝置(3)，用于從包含來自該元件的第一波長帶的光的入射光產生一檢測的光電信號，所述第一波長帶包括該預定波長；第二光電裝置(9)，用于從包含來自該元件的第二波長帶的光的入射光產生一背景光電信號，所述第二波長帶不包括該預定波長；電激勵的發光裝置(17)，用于當被電激勵時發出光信號；和電路裝置(15)，其將第一光電裝置(3)和第二光電裝置(9)連接至該發光裝置(17)，且同時使得該檢測的光電信號和背景光電信號相反，以在該檢測光電信號超出該背景光電信號一指示閃弧故障的閾值量時電激勵該發光裝置(17)發出該光信號；以及響應單元(23)，包括光纖(29)，其傳送來自該發光裝置(17)的光信號；和光電裝置(25)，其基本上僅響應于由該光纖(29)傳送的光信號，以響應于該光信號產生閃弧信號。
2.根據權利要求1的裝置(22)，其中，第一光電裝置(3)包括至少一個光伏電池(5)和在該至少一個第一光伏電池(5)和該元件之間且通帶等于第一波長帶的第一濾波裝置(7)，且其中第二光電裝置(9)包括至少一個第二光伏電池(11)和在該至少一個第二光伏電池(11)和該元件之間且通帶等于第二波長帶的第二濾波裝置(13)。
3.根據權利要求2的裝置(22)，其中該至少一個第一光伏電池(5)包括多個光伏電池，該至少一個第二光伏電池(11)包括多個第二光伏電池，且該電路裝置(15)包括串聯連接該多個第一光伏電池(5)的第一分支(151)，和串聯連接該多個第二光伏電池(11)的第二分支(152)，該第一和第二分支(151，152)并聯連接至該發光裝置(17)。
4.根據權利要求2的裝置(22)，其中該檢測器單元(1′)還包括偏置裝置(21)，用于響應于周圍光產生一偏置電信號，且電路裝置(15)連接該偏置裝置(21)以將該偏置電信號加至該檢測的光電信號。
5.根據權利要求4的裝置(22)，其中該偏置裝置(21)包括至少一個第三光伏電池。
6.一種在存在來自其他光源的光的情況下檢測電力系統中的元件處的閃弧故障的方法，該閃弧故障在該元件處產生一預定波長的光，來自其他光源的光可能會包含該預定波長的光，該方法包括從來自該元件和存在的任何其他光源的光中提取包括該預定波長的第一波長帶的光，并將該第一波長帶的光施加至至少一個第一光伏電池(5)以產生一檢測的光電信號；從來自該元件和存在的任何其他光源的光中提取不包括該預定波長的第二波長帶的光，并將該第二波長帶的光施加至至少一個第二光伏電池(11)以產生一背景光電信號；從該檢測的光電信號中減去該背景光電信號；當該檢測的光電信號超出該背景光電信號一預定的閾值量時，產生一檢測器光信號；以及將一光電裝置(27)暴露于該檢測器光信號以產生一閃弧故障信號。
7.根據權利要求6的方法，其中將該光電裝置暴露于該檢測器光信號包括通過一光纖(29)將該檢測器光信號傳送至該光電裝置(27)。
8.一種用于在存在來自其他光源的光的情況下檢測一電力系統的元件處的閃弧故障的裝置(22)，該閃弧故障在該元件處產生一預定波長的光，且來自其他光源的光可能會包括該預定波長的光，該裝置包括檢測器單元(1，1′)，當包括來自該元件的光的入射光包含的第一波長帶的光超出該入射光中第二波長帶的光一選擇的量時，該檢測器單元響應于該入射光產生一光信號，其中第一波長帶包括該預定波長，第二波長帶不包括該預定波長，該檢測器單元僅由該入射光供給能量；和響應裝置(23)，包括一光電裝置(27)，其響應于該光信號產生一閃弧故障信號。
9.根據權利要求8的裝置(22)，其中該響應裝置(23)還包括一將光信號從檢測器單元(1，1 ′)傳送至光電裝置(27)的光纖(29)。
10.根據權利要求9的裝置(22)，包括多個檢測器單元(1，1′)，其每一個響應于來自該電力系統中不同元件的光，和多個光纖(29)，其每一個將由一檢測器單元(1，1′)產生的光信號傳送至光電裝置(27)，該光電裝置被操作來響應于來自該多個檢測器單元(1，1′)的任何一個的光信號產生閃弧信號。
11.根據權利要求10的裝置(22)，其中該檢測器單元(1，1′)包括第一光電裝置(3)，用于從包括來自該元件的第一波長帶的光的入射光中產生一檢測的光電信號，所述第一波長帶包括該預定波長；第二光電裝置(9)，用于從包括來自該元件的第二波長帶的光的入射光中產生一背景光電信號，所述第二波長帶不包括該預定波長；電激勵發光裝置(17)，用于當被電激勵時發出一光信號；和電路裝置(15)，其將第一光電裝置(3)和第二光電裝置(9)連接至發光裝置(17)，且同時使得該檢測的光電信號和該背景光電信號相反，以在該檢測的光電信號超出該背景光電信號一指示閃弧故障的閾值量時電激勵該發光裝置(17)發出該光信號。
全文摘要
即使在存在背景光的情況下，由檢測器來檢測電力系統中的閃弧故障，所述檢測器由該閃弧產生的光來供給能量。檢測器具有一個或多個第一光伏電池，其由通過第一濾波器的光提供能量以產生檢測的光電信號，該第一濾波器的通帶包括該閃弧材料的特征波長。由經第二濾波器濾波的光對一個或多個第二光伏電池提供能量以產生一背景光電信號，該第二濾波器的通帶不包括該特征波長。這兩個電信號被相反地施加于一LED，當存在閃弧時，LED被接通。來自該LED的光信號被傳送至光電電路，由其產生一閃弧信號。
文檔編號H02H1/00GK1438489SQ0310238
公開日2003年8月27日 申請日期2003年2月12日 優先權日2002年2月12日
發明者J·J·謝伊 申請人:伊頓公司