專利名稱：電弧閃光檢測系統、設備和方法
技術領域：
本發明涉及防止和減輕電弧閃光的技術，并且特別涉及防止低電 壓斷路器中的有損害的跳閘。
背景技術：
電力線路和開關裝置具有^R絕緣體隔離的導體。在一些區域空氣 間隙時常一皮作為部分或所有這種絕緣體。如果導體彼此過于靠近，或 者電壓超過絕緣特性，那么在導體之間可能發生電弧。導體之間的空 氣或任何絕緣體(氣體或固體電介質)都可能變成電離的，使其成為傳
導性的，其可導致產生電弧。電弧溫度可能高達20,000。C，使導體和
相鄰材料氣化，并釋^:大量的能量。
電弧閃光是由于在相-相、相-零或相-地之間的電弧放電而引起的 快速能量釋放的結果。電弧閃光可產生高熱、強光、壓力波和聲波/ 沖擊波。然而，電弧閃光電流通常比短路電流小得多，因此斷路器的 延遲或不跳閘是可預期的，除非選擇斷路器處理電弧閃光狀況。諸如
國家環境政策法案(NEPA)、職業安全與衛生條例管理局(OSHA)以及 電氣及電子工程師學會(IEEE)等機構和標準通過個人防護衣和設備來 調節電弧閃光問題，但條例沒有確立消除電弧閃光的裝置。
典型地，電弧閃光至少部分地通過使用光傳感器或光檢測器而得 到檢測，光傳感器或光檢測器檢測由電弧發射出的光。這些光傳感器 對于光是非常敏感的，并可被來自周圍環境的明亮的光觸發。這種對 周圍光線狀況的敏感性導致了斷路器有害的跳閘，致使不必要的電功 率損失到保護電路中。
因此，雖然目前的電弧閃光^r測系統適合于其預期目的，-f旦在本領域中仍存在對減少或消除電弧閃光事件的錯誤;險測的電弧閃光檢測裝置的需求。
發明內容
本發明提供了 一種利用斷路器檢測電弧閃光的方法。該方法包括檢測斷路器中的光的存在。檢測斷路器參數，該參數指示斷路器中的接觸臂的位置。使電弧閃光檢測器的響應延遲某一固定的時段。最后，在固定時段之后如果仍檢測到光，那么使斷路器跳閘。
本發明還提供了一種具有殼的斷路器。入口端子定位在殼的一端。出口端子也定位在殼的一端，其中，出口端子電聯4妄在入口端子上。可移動的接觸臂設置在殼中，其中，接觸臂電聯接在入口端子和出口端子之間。光傳感器定位以檢測殼中的光的存在。參數傳感器被
聯接以測量斷路器參數。電弧閃光檢測器電聯接在光傳感器和參數傳感器上，電弧閃光檢測器響應于來自光傳感器和所述參數傳感器的信號而使斷路器的跳閘延遲。
本發明還提供了 一種具有光傳感器和參數傳感器的斷路器。跳閘單元電聯接在光傳感器和參數傳感器上。跳閘單元具有控制器，其響應于可執行的計算機指令，用于延遲斷路器響應于接收到來自光傳感器和參數傳感器的信號的跳閘響應。
當參照附圖閱讀以下詳細i兌明時，將更好地理解本發明的這些以及其它特征、方面和優勢，其中在所有附圖中相同的標號表示相同的
部件，其中
圖1是根據一個示例性實施例的帶有電弧閃光檢測系統的電路的示意圖2是利用電壓互感器的電弧閃光檢測系統的一個實施例的示意
圖；圖3是當接觸臂分開時斷路器的電壓和電流曲線的圖示； 圖4是圖2的實施例的電路的示意圖5是斷路器的平面圖，其具有與斷路器機構相關聯的斷路器參 數傳感器；
圖6是圖5的斷路器的平面圖，其中，斷路器處于開位置；和
圖7是根據一個示例性實施例的電弧閃光檢測方法的流程部件列表
20電路
22功率源
24母線A
26母線B
28母線C
30斷路器
32負載
34電弧故障檢測器
36接觸臂
38機構
40手柄
42跳閘桿組件
44跳閘單元
46電流互感器
48光傳感器
50斷路器參數傳感器
具體實施例方式
用于檢測電弧閃光事件的系統與諸如斷路器的裝置是集成一體 的，以容許電功率的中斷，并最大限度地減小電弧閃光造成的損害。 圖1顯示了帶功率源22的電路20,此功率源為三個相應的受到可由信號控制的斷路器30保護的母線24、 26、 28提供3-相電功率A、 B、 C。功率通過母線提供給一個或多個負載32。
斷路器30通常設置成在異常操作狀況下，例如短路狀況下^^皮斷 開。然而，在電弧閃光30的情況下，斷路器典型地可能不斷開，因 為流過電弧閃光的電流低于短路的電流電平，短路電流會使斷路器30 跳閘。為了提供這種額外的功能，電弧閃光檢測器34監測斷路器30 的操作狀況以檢測電弧閃光事件。
斷路器30還包括一個或多個接觸臂36,其設置成可在閉合狀態 和斷開狀態之間移動，在閉合狀態下，電流從功率源22流向負載32， 在斷開狀態下電功率的流動被中斷。接觸臂36電聯接到入口端子52 上，其將斷路器30電連接在功率源22上。接觸臂36還聯接在機構 38上，機構38包括諸如彈簧和連桿等構件，以使接觸臂36在受到操 作員通過例如斷開開關或手柄40而激勵時從閉合位置移動到斷開位 置。機構還使用一種跳閘桿組件42,其容許接觸臂36在異常操作狀 況下快速斷開。
機構38還聯，接在跳閘單元44上。跳閘單元44可以是電子式的， 其具有帶處理器的控制器，處理器執行計算機指令，用于控制斷路器 30的操作。跳閘單元44還可以是機械組件，其包含諸如磁鐵等構件 或熱響應裝置，其在異常操作狀況下激勵跳閘桿組件42。在跳閘單元 44是電子單元的情況下， 一組電流互感器46提供了指示經由斷路器 30流入母線24,26,28中的電流水平的信號。
斷路器30還包括電聯接在電弧閃光檢測器34上的第 一傳感器48 和第二傳感器50。如以下將更詳細論述的那樣，電弧閃光檢測器34 使用接收自第 一傳感器48和第二傳感器50的數據以確定電弧閃光事 件是否發生，或者事件是否是正常的或預期的操作狀況。在示例性實 施例中，第一傳感器48是光傳感器或光檢測器。光傳感器48響應于 撞擊光傳感器48中的檢測器的光子而發送信號。因為電弧閃光產生 光，所以來自光傳感器的信號發送指示了電弧閃光事件。然而，在斷路器30的殼31中，還存在其它也可能產生光的事件。例如，當斷路 器在閉合位置和斷開位置之間操作時，在接觸臂的觸點和聯4姿在斷路 器的出口端子54上的固定觸點之間會瞬間產生等離子弧。在電觸點 分開和電流中斷的任何時間都會產生這類等離子弧。應該懂得，電弧 閃光檢測器34需要區分由斷路器30正常操作所產生的來自光傳感器 48的信號。
為了將電弧閃光事件與正常操作區別開，電弧閃光檢測器34利 用來自斷路器參數傳感器50的數據。斷路器參數傳感器50可以是任 何類型的提供斷路器30的操作指示的傳感器，這類傳感器包括，但 不限于電壓互感器、聯接在接觸臂36上的指示開關、聯接在機構38 上的指示開關、聯接在跳閘桿組件42上的指示開關、或者電4關接在 外部裝置上的傳感器，諸如過電流傳感器56。應該懂得，斷路器參數 傳感器50的實例是示例性的，并且權利要求的范圍不應受到如此的 限制。
電弧閃光檢測器34包括體現在可執行的計算機指令中的算法， 用于比較來自光傳感器48的信號、來自電流互感器46和參數傳感器 50的電流水平，如圖塊58中所示。如果從光傳感器48接收到信號， 并且電流互感器46測量出異常的電流水平，那么電弧閃光4全測器34 確定斷路器30的操作狀態。如果參數傳感器50指示接觸臂處于閉合 位置，那么這指示電弧閃光事件正在發生，因為光傳感器48所檢測 的光不是由于斷路器觸點的分開而引起的。之后電弧閃光^f企測器34 繼續至圖塊60，在此處，當機構38被激勵時信號^Jl送至跳閘單元 44，致使斷路器觸點分開，并且電功率的流動^皮中斷。如果圖塊58 返回的結果是否定的，那么這意味著光傳感器48已經發送信號，并 且參數傳感器50指示至少其中一個接觸臂36已經移動。例如，如果 過電流傳感器56指示高的電流水平，那么這將指示斷路器將發生跳 閘以清除故障。電弧閃光檢測器繼續至圖塊62,在此處進行電弧閃光 檢測器34的響應。在預定的時間段之后，電弧閃光檢測器34返回其正常狀態。
現在參看圖2-4,其顯示了參數傳感器50是聯接在斷路器30上的電壓互感器64的一個示例性實施例。電壓互感器64包括電聯接在斷路器30的入口端子52側的第一連接66。電壓互感器64的第二連接68電聯接在斷路器30的出口端子54側。電壓互感器64是一種容許以高精度測量電壓的類型的互感器。電壓互感器將較高水平的電壓和電流調整至可利用正常測量儀表直接測量的較低的水平。
在操作期間，電弧閃光檢測器34接收斷路器30處的電流和電壓的測量值。在狀況正常的情況下，如圖3的線70所示，電壓測量值的導數dV/dT為零或接近零。因而，當dV/dT曲線為零時，如區間72中所示，這指示接觸臂36是閉合的且沒有移動。隨著接觸臂36移動，dV/dT曲線發生變化，例如區間74中所示。這種dV/dT曲線上的變化指示接觸臂36斷開，并且電弧閃光檢測器34響應于光傳感器48的信號而延遲至例如區間74的末端。如果光傳感器48在區間74的末端例如點76處仍然發送信號，那么這將指示電弧閃光事件正在發生。在這種情形下，在接觸臂36已經移動并且電弧閃光正在發生的情況下，電弧閃光檢測器可采取額外的步驟，例如發送信號給上游斷路器(未顯示)以中斷電功率的流動或使用本領域中已知的其它電弧閃光減輕技術。
因而，在示例性實施例中，電弧閃光^r測器34從電壓互感器輸出78、電流互感器輸出80和光傳感器輸出82中獲得數據作為輸入。這些輸入同用于預期操作狀態的已知值進行比較，并進入邏輯判定樹以確定需要采取什么動作，例如延遲電弧閃光響應84。因此，當沒有電弧閃光事件發生時，電弧閃光檢測方法將減少斷路器30的有害的跳閘。有害跳閘的減少減少了電路20的維護和操作費用。
現在轉到圖5和圖6，其顯示了另一實施例，其中斷路器參數傳感器50是一種開關，例如微型開關86。如上面論述的那樣，斷路器30包括接觸臂36，其聯接在入口端子52和出口端子54之間。斷路器機構38通過連桿88,90而聯接在接觸臂36上。連桿88,90與機構 38 —起造成接觸臂36在閉合彈簧96的作用力下閉合。連桿88,90還 將接觸臂36保持在閉合位置，克服彈簧94的作用力，直至被例如跳 閘桿組件42釋力文。
在操作期間，當接觸臂36處于閉合位置時(圖5)，微型開關86 處于斷開位置。當接觸臂斷開時(圖6)，例如由于跳閘單元44檢測到 故障或受到例如機構38的激勵時，連桿88,90開始運動，致使接觸臂 36圍繞樞軸92而旋轉。這種旋轉是由于彈簧，例如彈簧94所施加的 作用力而引起的。接觸臂36的旋轉造成電功率的中斷，并使電路脫 離功率源22。
當連桿88,90從閉合位置移動到斷開位置時，連桿90的表面與微 型開關86相互作用。這種相互作用造成微型開關86從斷開位置移動 到閉合位置。微型開關86的閉合完成了電路，其導致信號傳輸至電 弧閃光檢測器34中。如上面論述的那樣，接觸臂36的斷開會造成瞬 時的等離子弧的形成，其可被光傳感器48檢測到。當微型開關86閉 合時，信號的傳輸對電弧閃光檢測器34指示接觸臂36是斷開的，并 且傳感器34的響應應一皮延遲。因而，可避免有害的跳閘和錯誤的電 弧閃光事件的指示。應該懂得，雖然所示微型開關86與連桿90相互 作用，但該圖是示例性的，并且可將微型開關86設置成與機構38中 的任何連桿，例如連桿88相互作用。此外，還可將微型開關86設置 成直接與接觸臂36相互作用，以進一步最大限度地減小發送指示接 觸臂36是斷開的信號所需要的時間量。
電弧閃光檢測器34可包括一個或多個處理器和相關聯的電子構 件(未顯示)，其能夠接收、存儲和執行計算機指令，以容許電弧閃光 檢測器執行本文所述的方法。在圖7中顯示了用于最大限度地減小有 害的跳閘和電弧閃光事件錯誤指示的示例性過程100。過程100開始 于圖塊102,并繼續至確定光傳感器48是否已經檢測到光的判定圖塊 104。如果判定圖塊104返回否，那么過程100回送至開始圖塊102,以再次開始過程100。
如果判定圖塊104返回是，那么過程IOO繼續至判定圖塊106以 確定電流互感器46是否測量到任何異常電流水平。如果沒有異常電 流讀數，那么過程100再次回送至開始圖塊102。如果判定圖塊106 返回是，那么過程100繼續至圖塊108以確定斷路器參數傳感器50 是否已經提供了指示斷路器斷開的任何信號。利用上面參照圖5-6的 示例，如果微型開關86沒有被激勵，那么判定圖塊108返回否。這 可能指示電弧閃光事件的發生。然后過程100繼續至圖塊110，在圖 塊110中使斷路器機構跳閘，容許連桿88,90在彈簧94的作用力下移 動，并中斷流入到電路20中的電流。然后過程IOO停止于圖塊112。
如果判定圖塊108返回是，那么這指示接觸臂36是斷開的，并 且由光傳感器48檢測到的光并非是由于電弧閃光事件引起的。然后 過程IOO繼續至圖塊114，在圖塊114中，使電弧閃光檢測器34的響 應延遲某一預定的時間量。 一旦這個時間周期到期，例如在圖3的點 76處，那么就在判定圖塊116中確定光傳感器48是否仍然檢測到光。 如果判定圖塊116返回是，意味著仍然檢測到光，那么過程100移動 至圖塊IIO，在圖塊IIO處使斷路器跳閘，并使過程停止于圖塊112。 如果判定圖塊116返回否，那么過程100回送至圖塊102，并再次開 始。
雖然已經利用集成邏輯電路構件的方框圖描述并顯示了本發明 的一個實施例，但是應該懂得，本發明的范圍并不受到如此限制，而 且本發明還將應用于可利用離散的邏輯電路構件或利用機械計時延 遲而非包含在軟件中的計時延遲的電弧閃光檢測器。
雖然已經參照示例性實施例描述了本發明，但是應該懂得，在不 脫離本發明的范圍內，可做出各種變化，并且等效物可替代其元件。 另外，在不脫離本發明的本質范圍的情況下，可進行許多改進，以使 得特殊的情形或材料適應本發明的教導。因此，本發明并不局限于作 為凈皮認為是實現本發明的最佳才莫式或唯一沖莫式的特殊的實施例，相反本發明將包括落在權利要求范圍內的所有實施例。另外，在附圖和說明書中已經公開了本發明的示例性實施例，雖然可能采用了特殊術語，但除非聲明，否則其只是用于普通且描述性的意義，而非用于限制目的，因此本發明的范圍并不局限于此。此外，術語"第一，，、"第二"等的使用并不表示任何順序或重要性，相反術語"第一"、"第二"等用于將一個元件與另一元件區分開。此外，術語"一"、"一個"等的使用并不表示數量的限制，而是表示至少存在一個所指事物。
權利要求
1.一種利用斷路器(30)檢測電弧閃光的方法，其包括檢測所述斷路器(30)中的光的存在(104)；檢測指示所述斷路器(30)中的接觸臂(36)的位置的斷路器參數(108)；使電弧閃光檢測器的響應延遲一段固定的時間(114)；在所述一段固定的時間之后，如果仍然檢測到所述光，就使所述斷路器跳閘(110)。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述檢測斷路器參數(108)包括測量所述斷路器的輸入側和輸出側之間的電壓電勢的步驟。
3. 根據權利要求2所述的方法，其特征在于，還包括對所述測量的電壓取導數(70)的步驟。
4. 根據權利要求3所述的方法，其特征在于，如果所述電壓導數的值響應于所述檢測光的存在(104)而發生變化，那么就執行使所述電弧閃光檢測器的響應延遲(l 14)。
5. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括接收斷開所述斷路器的信號，并響應于接收到所述信號而執行使所述電弧閃光檢測器的響應延遲(l 04)的步驟。
6. —種斷路器(30)，包括殼(31);位于所述殼(31)的一端的入口端子(52);位于所述殼(31)的一端的出口端子(54),所述出口端子(54)電聯^妄在所述入口端子(52)上；在所述殼(31)中的可移動的接觸臂(36),所述接觸臂(36)電聯接在所述入口端子(52)和所述出口端子(54)之間；光傳感器(48)，其被定位來檢測所述殼(31)中的光的存在；參數傳感器(50),其被聯接來測量斷路器參數；和 電弧閃光檢測器(34)，其電聯接在所述光傳感器(48)和所述參數傳 感器(50)上，所述電弧閃光檢測器(34)響應于來自所述光傳感器(48)和 所述參數傳感器(50)的信號而延遲所述斷路器(30)的跳閘。
7. 根據權利要求6所述的斷路器(30)，其特征在于，所述參數傳 感器(50)是電壓互感器(78)，其可操作地聯-接在所述入口端子(52)和所 述出口端子(54)之間。
8. 根據權利要求6所述的斷路器(30),其特征在于，所述參數傳 感器(50)對來自斷路器斷開裝置(38)的信號起響應。
9. 根據權利要求8所述的斷路器(30)，其特征在于，所述斷路器 斷開裝置是一種過電流繼電器(56)。
10. 根據權利要求8所述的斷路器(30),其特征在于，所述斷路 器斷開裝置是一種手動斷路器斷開開關(40)。
全文摘要
本發明提供了一種用于斷路器的電弧閃光系統和操作方法。這種電弧閃光系統包括第一傳感器例如光檢測器，和檢測斷路器參數的第二傳感器。這種電弧閃光系統響應于來自第一傳感器和第二傳感器的信號以確定是否發生電弧閃光事件，以避免斷路器的有害的跳閘。
文檔編號H02H5/00GK101640406SQ20091016583
公開日2010年2月3日 申請日期2009年7月30日 優先權日2008年7月30日
發明者G·W·羅斯克, T·F·小帕帕羅 申請人:通用電氣公司