等離子體生成設備的制作方法

專利名稱：等離子體生成設備的制作方法
技術領域：
本發明的實施例主要涉及等離子體槍，并且更具體地涉及燒蝕性等離子體槍。
背景技術：
電力線路和開關裝置通常涉及由絕緣體隔離的導體。在一些區域中，空氣空間通常用作此種絕緣體的一部分或全部。如果導體彼此過于接近，或電壓差超過絕緣性能，則在導體之間可能會出現電弧。導體之間的空氣或任何絕緣體(氣體或固體電介質)可變成電離的，使得絕緣體導通，且從而產生電弧。電弧溫度可高達20，000°C，使導體和相鄰的材料氣化，以及釋放出能破壞電路的爆炸性能量。電弧閃光是由相-相、相-中性點或相-地之間的電弧故障造成的快速能量釋放的結果。電弧閃光可產生類似于爆炸那樣的高熱、強光、壓力波和聲波/沖擊波。然而，電弧故障電流在大小方面通常比短路電流要小得多，且因此預計電路斷路器會延遲或不會跳閘，但該斷路器選擇為用以處理電弧故障狀態除外。通常，電弧閃光減輕技術使用標準的熔斷器和電路斷路器。然而，這些技術的響應時間緩慢并不會快到足以減輕電弧閃光。已經用于減輕電弧故障的一種其它技術是采用短接(機械短路器(crowbar))開關，該開關定位在電力母線與地面之間，或在相與相之間。在發生電弧故障時，短路器開關使電力母線上的線電壓短路，且使能量轉移遠離電弧閃光，因此保護器材免受電弧爆炸造成的破壞。在電力母線上所產生的短路導致上游電路斷路器消除栓接故障。大且昂貴的這些開關定位在主電力母線上，導致觸發時的栓接故障狀態。結果，公知的是機械短路器在上游變壓器上引起極端應力。需要一種改進的電弧閃光防止機構，其具有改善的響應時間且成本效益合算。

發明內容
一方面，提供了一種設備，如電弧減輕裝置。電弧減輕裝置可包括第一等離子體生成裝置和第二等離子體生成裝置，以及在一些情形中具有第三等離子體生成裝置。等離子體生成裝置可構造成用以發射在其中生成的等離子體，以便提供在主電極之間的等離子體橋，該主電極隔開至少大約50mm。例如，電弧減輕裝置可包括主電極。第二等離子體生成裝置可包括一對相對且間隔開的電極。低電壓高電流的能量源可連接在相對的電極之間。通道可構造成以便在第一等離子體生成裝置與其它等離子體生成裝置之間引導等離子體。例如，第二等離子體生成裝置可構造成用以接收由第一等離子體生成裝置所產生的等離子體，以便減小在第二等離子體生成裝置的相對電極之間的區域的阻抗。例如，該阻抗可減小到足以容許由于低電壓高電流的能量源而在第二等離子體生成裝置的相對電極之間形成電弧。第二等離子體生成裝置可包括燒蝕性材料，其構造成用以在該對相對電極之間存在電弧時被燒蝕。第一等離子體生成裝置可包括第一電極、與第一電極間隔開的基電極，以及高電壓低電流的能量源，該能量源構造成用以在第一電極與基電極之間產生足以導致其間空氣擊穿的電勢差(比如說，在電流小于或等于大約IA時為至少大約8kV)。第一等離子體生成裝置還可包括第二電極，該第二電極與基電極相對且間隔開。低電壓高電流的能量源(比如說，構造成用以產生小于或等于大約IkV的電壓和至少大約4kA的電流)可連接在第二電極與基電極之間，其中，第二電極和基電極都設置成以便在第一電極與基電極之間存在電弧時導致擊穿其間的空氣。第一等離子體生成裝置還可包括構造成用以在第二電極與基電極之間存在電弧時被燒蝕的燒蝕性材料。在一些實施例中，低電壓高電流的能量源可連接在第一電極與第二電極之間，與高電壓低電流的能量源并聯。高電壓低電流的能量源可構造成用以提供跨過第一電極和基電極的高電壓低電流脈沖，而低電壓高電流的能量源可構造成用以響應于該高電壓低電流脈沖提供跨過第一電極和基電極的低電壓高電流脈沖。另一方面，提供了一種設備，如電弧減輕裝置。電弧減輕裝置可包括第一等離子體生成裝置和第二等離子體生成裝置。第二等離子體生成裝置可包括一對相對且間隔開的電極，以及連接在其間的低電壓高電流的能量源。通道可構造成用以在第一等離子體生成裝置與第二等離子體生成裝置之間引導等離子體，使得第二等離子體生成裝置接收由第一等離子體生成裝置所產生的等離子體。來自于第一等離子體生成裝置的等離子體可用來將在該對相對電極之間的區域的阻抗減小到足以容許由于低電壓高電流的能量源而引起在其間形成電弧。


當參照附圖閱讀如下詳細描述時，本發明的這些及其它特征、方面和優點將變得更容易理解，所有附圖中的相似標號表示相似的零件，在附圖中圖1為根據示例性實施例所構造的電力系統的簡圖；圖2為圖1中的電弧減輕裝置的透視圖；圖3為圖2中的等離子體生成系統的透視圖；圖4為圖2中的等離子體生成系統的平面視圖；圖5為圖2中的等離子體生成系統的局部透視圖；圖6為圖2中的等離子體生成系統的局部分解透視圖；圖7為圖2中的等離子體生成系統的電路圖；圖8為圖2中的等離子體生成系統的等離子體槍的截面簡圖，繪出了在一個等離子體槍的第一電極與基電極之間電弧的形成；圖9為圖2中的等離子體生成系統的電路圖，繪出了在一個等離子體槍的第一電極與基電極之間電弧的形成； 圖10為圖2中的等離子體生成系統的等離子體槍的截面簡圖，示出了在等離子體槍的第二電極與基電極之間的電弧的形成；圖11為圖2中的等離子體生成系統的電路圖，示出了在等離子體槍的第二電極與基電極之間電弧的形成；圖12為圖2中的等離子體生成系統的透視圖，繪出了等離子體經由其跨過的運動；圖13為圖2中的等離子體生成系統的電路圖，繪出了等離子體經由其跨過的運
4動；圖14為圖2中的等離子體生成系統的電路圖，繪出了在其余等離子體槍的電極之間的電弧的形成；以及圖15為繪出圖2中的電弧減輕裝置的操作的示意性側視圖。零件清單100電力系統102 電源104 負載106電路斷路器108公共母線108a，108b，108c 導線110電弧減輕裝置112電弧容置裝置114電信號監測系統116電弧閃光事件118電弧閃光判定系統120電參數122 參數124電弧閃光傳感器126電弧故障信號128，130，132 主電極134等離子體生成系統136，138，140 等離子體槍141 殼體142a 和 142b, 144a 和 144b, 146a 和 146b 電極148低電壓高電流脈沖能量源150高電壓低電流脈沖能量源152燒蝕性材料部分153 槽口154，156，158 腔室區域160 端口162 電極163整流器164電阻器166電容器168電阻-電容充電電路170 開關172高電壓脈沖變壓器174初級繞組
5
176次級繞組178整流器180電阻器182電容器184電阻-電容充電電路186電阻器188電感器190 開關192電阻器194 通道196 通路198a，198b，198c 電弧200等離子體202等離子體橋204保護性電弧
具體實施例方式下文參照附圖詳細地描述本發明的示例性實施例，其中，相同的參考標號在所有圖中表示相同的部分。這些實施例中的一些可滿足以上及其它需要。參看圖1，示出了電力系統，且其大體上由參考標號100表示。電力系統100包括構造成用以經由電路斷路器106傳送電力至負載104的電源102。例如，電源102可使用如圖所示的三相構造或例如通過單相構造，將交流(AC)電力傳送至公共母線108。電源102 和負載104還可經由公共母線108聯接到電弧減輕裝置110上。電弧減輕裝置110可裝容在電弧容置裝置112內。電信號監測系統114可構造成用以監測電力系統100中的電流變化，該電流變化可能由于電弧閃光事件116而引起。在一個實例中，電信號監測系統114包括電流變壓器。 電弧閃光判定系統118可構造成用以接收來自電信號監測系統114的電參數120以及來自電弧閃光傳感器1 的參數122。如本文所用，用語“參數”是指可用作標記電弧閃光事件的量，舉例來說，例如光照、熱輻射、聲音、壓力和/或源于電弧閃光事件116的射頻信號。因此，傳感器IM例如可包括光學傳感器、熱輻射傳感器、聲音傳感器、壓力變換器和/或射頻傳感器。基于參數120和122，電弧閃光判定系統118可產生表示出現電弧閃光事件116的電弧故障信號126。如下文所述，電弧故障信號1 可用于啟動電弧減輕裝置110。參看圖1和圖2，電弧減輕裝置110可包括分別連接到公共母線108的導線108a， 108b，108c上的主電極128，130，132 (例如，對應于不同的相、中性點或地面的不同導體)。 盡管該實施例示出了三個主電極，但其它實施例可根據電力系統的需要而包括更多或更少的電極。主電極128，130，132之間的間隙可能是電力系統100正常操作所需的，而必要的間隙量取決于系統電壓。例如，以大約600V操作的低電壓系統可能在主電極128，130，132 之間需要大約25mm的間隙，而以大約15kV操作的中壓系統可能需要主電極間隔開至少大約50mm，以及在一些情形中大于IOOmm或甚至150mm。
參看圖1至圖6，電弧減輕裝置110可包括等離子體生成系統134。等離子體生成系統134可包括一個或多個等離子體生成裝置，如等離子體槍136，138，140，其由殼體141 支承并設置在主電極128，130，132之間。各等離子體槍136，138，140均可包括一對相對且間隔開的電極 14 和 142b, 144a和 144b, 146a和 146b。電極 142a, 142b, 144a, 144b, 146a, 146b例如可由銅和/或不銹鋼制成，且可包括端子以便使電極連接到相應的能量源148， 150(下文所述)上。各等離子體槍136，138，140還可包括燒蝕性材料。例如，各等離子體槍136，138， 140均可包括電介質燒蝕性材料部分152，其分別設置成鄰近成對的相對電極14 和142b， 144a和144b，146a和146b (例如，與這些成對的相對電極層合)。如下文進一步所述，燒蝕性材料部分152可構造成使得至少一種燒蝕性材料部分152在對應的一對相對電極14 和142b，144a和144b，和/或146a和146b之間存在足夠的電流電弧時將被燒蝕。可選的燒蝕性材料例如包括聚四氟乙烯、聚甲醛聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和/或其它燒蝕性聚合物。電極142a，142b，144a，144b，146a，146b中的一些和燒蝕性材料部分152可限定槽口 153，使得當組裝在一起時，該電極和燒蝕性材料部分一起用來在各等離子體槍136， 138，140內限定相應的腔室區域154，156，158。如下文將進一步描述的那樣，在等離子體槍 136，138，140操作期間，在腔室154，156，158中可發生燒蝕和對應的等離子體生成，這些腔室限定朝向主電極128，130，132附近的區域敞開的端口 160。參看圖2至圖7，相應的低電壓高電流的脈沖能量源148可跨過各對相對的電極 142a和142b，144a和144b，146a和146b連接。在此上下文中，“低電壓高電流〃脈沖能量源是指構造成用以產生小于或等于大約IkV的電壓和至少大約4kA的脈沖電流的能量源。低電壓高電流脈沖能量源148可構造成使得在對應的一對相對電極14 和142b，144a 和144b，146a和146b之間存在電弧時，與電弧相關聯的電流足以燒蝕至少一個燒蝕性材料部分152。低電壓高電流脈沖能量源148的實例在下文中提供。一個等離子體槍(比如說，等離子體槍136)可包括另一電極162。與等離子體槍136相關聯的電極14h，142b，162在下文分別稱為〃第二〃電極(142a)、“基〃電極 (142b)和"第一"電極(162)。高電壓低電流脈沖能量源150可跨過第一電極162和基電極142b連接，且可構造成用以產生足以導致其間空氣擊穿的至少瞬時的電勢差。在該上下文中，“高電壓低電流"脈沖能量源是指構造成用以產生至少大約8kV的電壓和小于或等于大約IA的脈沖電流的能量源。高電壓低電流脈沖能量源150的實例在下文中提供。高電壓低電流脈沖能量源150例如可為電容器放電電路或為基于脈沖變壓器的。 高電壓脈沖能量源150可包括與電源(未示出)成電力連接的整流器163、形成電阻-電容充電電路168的電阻器164和電容器166，以及設置成與電容器166串聯的開關170。例如， 高電壓低電流的脈沖能量源150可接收大約120至480V的AC(120-480VAC)電壓，且電容器166可充電至大約MOV的預定電壓。高電壓低電流的脈沖能量源150還可包括具有初級繞組174和次級繞組176的高電壓脈沖變壓器172。初級繞組174可通過開關170與電源(未示出)成電力連接，而次級繞組176可與第一電極162和基電極142b成電力連接。例如，低電壓高電流的脈沖能量源148可為使用微法級電容器的電容放電電路， 該微法級電容器產生相對較高的電流和相對較低的電壓(例如，在低于大約IkV的電壓下為大約5kA)。低電壓高電流脈沖能量源148可包括與電源(未示出)成電力連接的整流器178，以及構造為電阻-電容充電電路184的電阻器180和電容器182。例如，低電壓高電流的脈沖能量源148可從電源(未示出)接收大約480VAC的電壓，且電容器182可充電直至大約600V。電容器182可與該對電極14 和14 并聯，且與電阻器180串聯。低電壓高電流脈沖能量源148還可包括電阻器186、在整流器178和第二電極14 之間串聯連接的電感器188。此外，開關190和電阻器192可跨過整流器178串聯連接，以便在低電壓高電流脈沖能量源148的測試期間提供放電路徑。等離子體生成系統134可包括構造成用以容許在等離子體槍136，138，140之間流體連通的通道(或管道，conduit) 194。例如，電極 142a, 142b, 144a, 144b, 146a, 146b, 162 和各槍136，138，140的燒蝕性材料部分152可構造成以便限定與由殼體141所限定的通路 196結合成一體的腔室154，156，158。參看圖1和圖7至圖11，在操作中，電弧閃光判定系統118可確定電弧閃光事件 116(基于參數120和12 的發生和產生電弧故障信號126。高電壓低電流脈沖能量源150 可構造成用以接收電弧故障信號126，且予以響應而產生脈沖，該脈沖引起第一電極162與基電極142b之間的空氣(或更通常而言，無論存在何種氣體)擊穿。例如，電弧故障信號 126可促使開關170關閉，而脈沖經由脈沖變壓器172的初級繞組174發送。作為響應，第二電壓電勢可經由變壓器172的次級繞組176跨過第一電極162和基電極142b形成。因此，可產生高電壓(例如，在電容器166充電至大約MOV時為大約8kV)低電流脈沖，該脈沖可高到足以克服第一電極162與基電極142b之間的空氣擊穿電壓。結果，能量相對較低的電弧198a可跨過第一電極162與基電極142b之間的距離。第二電極14 可設置成使得第一電極162與基電極142b之間的電弧198a導致由第二電極與基電極之間的空間所提供的阻抗減小。這種阻抗減小可足以在低電壓高電流的脈沖能量源148的作用下引起第二電極14 與基電極142b之間的空氣擊穿，從而容許電弧198a移動且保持在第二電極與基電極之間。阻抗的減小還容許高電流脈沖在第二電極14 與基電極142b之間流動而與低電壓無關。電弧198a的能量因此隨著低電壓高電流脈沖能量源148的電容器182放電而顯著地增大。參看圖12至圖14，一旦電弧198a已經傳遞至第二電極14 和基電極142b，則低電壓高電流的脈沖能量源148便構造成用以保持足夠的電弧電流，以便引起相關聯的燒蝕性材料部分152的燒蝕，這導致在腔室巧4中產生等離子體200。在腔室巧4中產生的一些等離子體200然后可由與等離子體槍136相關聯的端口 160發射。然而，至少一些等離子體200可由通道194引導到其它等離子體槍138，140的腔室156，158中。當等離子體200進入等離子體槍138，140的腔室156，158中時，與對應的電極對 144a和144b，146a和146b之間的空間相關聯的相應阻抗便減小。分別跨過電極14 和 144b，146a和146b連接的低電壓高電流的脈沖能量源148然后可啟動各對電極之間的電弧 198b，198c。低電壓高電流的脈沖能量源148再次構造成用以保持足夠的電弧電流，以便引起相關聯的燒蝕性材料部分152的燒蝕，這導致在腔室156，158中產生等離子體200。參看圖2、圖12和圖15，一旦等離子體槍136，138，140產生等離子體200，則等離子體可從相應的端口 160發射以便占據主電極128，130，132之間的空間。等離子體200可在主電極128，130，132之間產生導通的等離子體橋202，從而使主電極短接并容許保護性
8電弧204形成于其間。等離子體橋202因此可用來減輕電弧閃光事件116，啟動上游的保護裝置(如，電路斷路器106)，且從而切斷供給至故障電力系統的電力。這種有意產生的故障可以受控的方式執行，其中，與電弧閃光事件116相關聯的能量可轉移遠離故障位置。保護性電弧204可發出呈強光、聲音、壓力波和沖擊波形式的大量能量。保護性電弧204還引起主電極128，130，132的氣化，導致高壓。可注意的是，電弧減輕裝置110可包括封殼或電弧容置裝置112，其構造成用以包含由保護性電弧204引起的沖擊波和高壓。在2009年5月 26日提交的美國專利申請No. 12/471,662中提供了電弧容置裝置的實例，該申請通過引用整體并入到本文中。離開端口 160的等離子體200射流的特性，如速度、離子濃度和傳播，以及還有等離子體橋202的特性，尤其可由等離子體槍136，138，140的尺寸和間距、燒蝕性材料的類型以及能量源148供送能量的方式來控制。因此，主電極128，130，132之間的間隙的阻抗在啟動電弧減輕裝置110時可設計成用以產生相對較快和穩健的保護性電弧204。根據以上實例構造的實施例可允許利用連接到多個等離子體槍中的單個上的單個高電壓低電流能量源來啟動該多個等離子體槍。該構造可具有許多優點。例如，高電壓低電流的能量源趨于是昂貴的，且因此有用的是最大限度地減少所需的這些裝置的數目。 此外，對于包括單個高電壓低電流能量源用于觸發串聯連接的多個等離子體槍的實施例而言，可能需要一個或多個阻塞二極管，以免使高電壓脈沖通過流經由觸發電極、上游槍的陽極和高電流電容器所形成的路徑而繞過下游槍中的一個或多個。該二極管將使得觸發系統更為復雜和昂貴，且進一步而言，高于某一電流電平(5kA)可趨于限制在傳導時由于其高電阻造成的高電流脈沖。盡管本文僅示出和描述了本發明的某些實施例，但本領域的技術人員可想到許多修改和變化。因此，應當理解到，所附權利要求意圖涵蓋落入本發明的真正精神內的所有這些修改和變化。
權利要求
1.一種設備，包括第一等離子體生成裝置(136)；第二等離子體生成裝置(138)；以及通道(194)，其構造成用以在所述第一等離子體生成裝置與所述第二等離子體生成裝置之間引導等離子體。
2.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，所述第二等離子體生成裝置包括一對相對且間隔開的電極(144a，144b)；以及連接在所述一對相對的電極之間的低電壓高電流能量源(148)。
3.根據權利要求2所述的設備，其特征在于，所述第二等離子體生成裝置構造成用以接收由所述第一等離子體生成裝置產生的等離子體，以便將所述一對相對的電極之間的區域的阻抗減小到足以容許在所述一對相對電極之間由于所述低電壓高電流能量源而引起形成電弧。
4.根據權利要求2所述的設備，其特征在于，所述第二等離子體生成裝置包括構造成用以在所述一對相對的電極之間存在電弧時被燒蝕的燒蝕性材料(152)。
5.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，所述第一等離子體生成裝置包括第一電極(162)；與所述第一電極間隔開的基電極(142b)；以及高電壓低電流能量源(150)，其構造成用以在所述第一電極與所述基電極之間生成足以導致其間空氣擊穿的電勢差。
6.根據權利要求5所述的設備，其特征在于，所述第一等離子體生成裝置包括與所述基電極相對且間隔開的第二電極(142a)以及連接在所述第二電極與所述基電極之間的低電壓高電流能量源(148)，所述第二電極和所述基電極設置成以便在電弧存在于所述第一電極與所述基電極之間時導致其間的空氣擊穿。
7.根據權利要求5所述的設備，其特征在于，所述第一等離子體生成裝置包括構造成用以在所述第二電極與所述基電極之間存在電弧時被燒蝕的燒蝕性材料(152)。
8.根據權利要求5所述的設備，其特征在于，所述高電壓低電流能量源構造成用以產生至少大約8kV的電壓和小于或等于大約IA的電流。
9.根據權利要求5所述的設備，其特征在于，所述第一等離子體生成裝置包括連接在所述第一電極與所述基電極之間的與所述高電壓低電流能量源并聯的低電壓高電流能量源(148)，其中，所述高電壓低電流能量源構造成用以提供跨過所述第一電極和所述基電極的高電壓低電流脈沖，以及所述低電壓高電流能量源構造成用以響應于所述高電壓低電流脈沖來提供跨過所述第一電極和所述基電極的低電壓高電流脈沖。
10.根據權利要求9所述的設備，其特征在于，所述低電壓高電流能量源構造成用以產生小于或等于大約IkV的電壓和至少大約4kA的電流。
全文摘要
本發明涉及等離子體生成設備。具體而言，提供了一種設備，如電弧減輕裝置(110)，其可包括第一等離子體生成裝置(136)和第二等離子體生成裝置(138)。第二等離子體生成裝置可包括一對相對且間隔開的電極(144a，144b)以及連接在其間的低電壓高電流能量源(148)。通道(194)可構造成用以在第一等離子體生成裝置與第二等離子體生成裝置之間引導等離子體，使得第二等離子體生成裝置接收由第一等離子體生成裝置產生的等離子體。來自于第一等離子體生成裝置的等離子體可用來將該一對相對的電極之間的區域的阻抗減少到足以容許由于低電壓高電流的能量源而引起在其間形成電弧。
文檔編號H05H1/48GK102202455SQ20111008474
公開日2011年9月28日 申請日期2011年3月25日 優先權日2010年3月25日
發明者A·K·博霍里, G·加尼雷迪, T·阿索肯 申請人:通用電氣公司