專利名稱：電弧閃光消除裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電弧閃光防止和減弱技術(shù)，并且特別涉及用于該目的的電消弧設(shè)備(crowbar device) 背景技術(shù)電力線路和開關(guān)裝置具有由絕緣體隔開的導(dǎo)體。在一些領(lǐng)域中， 空氣空間經(jīng)常用作為部分或所有的這種絕緣體。如果導(dǎo)體彼此太靠近 或者電壓超過絕緣屬性，則在導(dǎo)體之間可以出現(xiàn)電弧。導(dǎo)體之間的空 氣或任何絕緣體(氣體或固體電解質(zhì))可變得電離，使得它導(dǎo)通，從 而產(chǎn)生電弧。電弧溫度可以高達20000'C，使導(dǎo)體和臨近材料汽化，并 且釋放即使在一定距離上也破壞電路并危及人員的爆炸能量。例如， 10kA/480V的電弧具有大約8個炸藥巻的能量。美國每天出現(xiàn)大約5到10 個嚴(yán)重的電弧閃光事件。電弧閃光是由相位-相位、相位-中性點、或相位-接地之間的電弧 故障而引起的快速能量釋放的結(jié)果。電弧閃光能產(chǎn)生類似于爆炸的高 熱、強光、壓力波、和聲音/沖擊波。然而，電弧故障電流通常比短路 電流小很多，并且因此預(yù)料到斷路器跳閘(trip)將延遲或者不出現(xiàn) 斷路器跳閘，除非斷路器凈皮選擇用來處理電弧故障情況。諸如國家環(huán) 境政策法案(NEPA)、職業(yè)安全與衛(wèi)生條例管理局(OSHA)以及電氣 和電子工程師協(xié)會(IEEE)的代理和標(biāo)準(zhǔn)通過人員防護服和防護裝備 來規(guī)定電弧閃光問題，但是不存在由該規(guī)定建立的用于消除電弧閃光 的設(shè)備。當(dāng)前的電弧閃光減弱技術(shù)不是令人滿意的。標(biāo)準(zhǔn)保險絲和斷路器 對電弧閃光反應(yīng)得不夠快。電"消弧"是一種有意使電路短路并因此 將電能從電弧閃光轉(zhuǎn)移走的防護設(shè)備。因此所創(chuàng)建的有意的三相短路 故障接著由通過使保險絲或斷路器跳間并最終切斷電源來清除?，F(xiàn)有 技術(shù)的電孤閃光減弱設(shè)備的例子在美國專利6141192、 6532140 、 6633009， 6839209和國際專利公開W09921254中公開。但是，依賴于機 械和/或機電過程的斷路器可能對于在損害發(fā)生之前使電弧閃光停止來說太慢了。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個方面在于， 一種用于通過將能量轉(zhuǎn)移到爆炸壓力安全殼中的消弧器(arc crowbar)來消除電路上電孤閃光的方法。本發(fā)明的另一個方面在于，監(jiān)控具有一個或多個專門的電弧閃光 檢測設(shè)備的電路，所述檢測設(shè)備與確定電弧閃光何時發(fā)生的邏輯電路 連接。邏輯電路接著向消弧器生成觸發(fā)信號并且向電路上的信號控制 的斷路器生成跳間信號。本發(fā)明的另一個方面在于，在壓力安全殼中具有間隙電極的電弧 消弧設(shè)備。電極之間的電弧觸發(fā)設(shè)備電離化電極之間 一部分的氣體或 者將等離子體注入到間隙中以啟動電極之間的防護電弧。本發(fā)明的另一個方面在于，作為消弧器觸發(fā)設(shè)備而提供的消融的 等離子體槍將等離子體或消融材料注入到消弧器的電極之間的間隙以 啟動防護電弧(protective arcing )并降低間隙阻抗，從而快速有效 進行電弧閃光消除和斷路器跳閘。


當(dāng)參考附圖閱讀隨后的詳細說明時，本發(fā)明的這些和其它特征、 方面、和優(yōu)點將變得更好理解，在附圖中相同的符號表示相同的部件， 其中圖l是根據(jù)本發(fā)明各方面的具有消弧器和激活電路的電路示意圖；圖2是具有球形電極和扳機銷的消孤器外殼的截面圖； 圖3是具有等離子體槍扳機的消弧器的透視圖； 圖4是消融的等離子體槍扳機的截面圖； 圖5是電弧閃光消除方法的流程圖；圖6是實現(xiàn)本發(fā)明各方面的消弧器的第二實施例的示意圖； 圖7是實現(xiàn)本發(fā)明各方面的消弧器的第三實施例的示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)創(chuàng)新地認(rèn)識到，受控制的電弧可以作為用于 電弧閃光消除的電消弧器，并且這種受控制的電孤可以比現(xiàn)有的消孤器更快，對電路和人員提供了更好的保護。圖1示出具有電源22的電路 201,向受信號可控斷路器26保護的三條相應(yīng)總線24A、 24B、 24C提供 三相電源A、 B、 C。經(jīng)由總線向一個或多個負(fù)栽28A、 28B、 28C供電。在短路的情況下，斷電器26將打開。但是，在電弧閃光30的情況 下它可能不是打開的，因為流經(jīng)電孤閃光的電流低于使斷路器跳間的 短路的篩分電流(bolting current)。此外，機械斷路器對于防止不 受電弧閃光損壞和危害來說太慢了 。為了解決這個問題，根據(jù)本發(fā)明的各方面在電路中連接消弧器32 以快速消除電弧閃光。它提供了連接到每個相應(yīng)相位A，B，C的間隙電極 34A，34B，34C。 一個或多個間隙35將這些電極彼此分開。間隙可以在空 氣或諸如氮氣、六氟化硫或其它任何適當(dāng)惰性氣體的另一絕緣氣體中。 間隙35中的觸發(fā)設(shè)備36電離化絕緣氣體的局部部分以啟動電極之間的 防護電弧37。這種防護電弧快速地吸收來自電路的能量，消除危險電 弧30。電極34A， 34B， 34C被密封在堅固的耐壓容器或外殼38中，所迷容 器或外殼38可以包括聲沖擊波吸收器41以抵擋防護電弧的爆炸能量。 外殼38可以是壓力安全殼，例如由鋼、其它金屬或合金、或塑料合成 物制成，其可以抵擋與所計算TNT量等同的爆炸量。電弧閃光的低電流使得及早檢測更加困難。為此，可以提供一個 或多個適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，比如差分電流傳感?2和/或光學(xué)傳感器44,來 檢測電弧閃光30。這些傳感器在本領(lǐng)域中是已知的。例如，差分電流 傳感器技術(shù)在本受讓人的美國專利6751528和6232857中描述。光學(xué)傳 感器44可以是本領(lǐng)域中已知的任何類型的光學(xué)傳感器，比如在美國專 利4369364中所描迷的光學(xué)傳感器。傳感器42， 44連接到邏輯電路46,邏輯電路46在檢測到電弧30時 產(chǎn)生消弧觸發(fā)激活命令48。這指令觸發(fā)電路52提供脈沖54到觸發(fā)器36， 使得觸發(fā)器電離化電極34A, 34B和34C之間的間隙35中的一些氣體。這 降低了間隙阻抗，啟動電極之間的防護電弧。如稍后所描述的，對于 給定的電路電壓，可以通過電極34A， 34B， 34C的尺寸和間隔以及在觸發(fā) 器中提供消融材料來設(shè)計消弧間隙35。觸發(fā)使得電極34A， 34B和34C上 的阻抗降低，以使得系統(tǒng)電流在消弧器中流動。間隙3 5阻抗可以設(shè)計為支持拉出足夠的電流以打開斷路器的電 弧。除此之外，斷路器跳閘信號50可以由邏輯電路46產(chǎn)生以打開斷路器26。但是，電弧閃光的消除是在斷路器具有打開時間之前由防護電 弧37完成。圖2示出了具有球形電極34A， 34B和觸發(fā)器36的消弧器外殼38的截 面圖。該外殼可以包括阻尼層41來吸收由防護電弧37產(chǎn)生的聲沖擊波。 觸發(fā)器36可以是接收足夠電離化主電極34A， 34B之間一些氣體的電流 脈沖的電極銷36、電極對或發(fā)熱元件?？商鎿Q地，觸發(fā)器可以是消融 等離子體槍60，其將消融材料的等離子體，比如Teflon⑧、Delrin⑧、 Po 1 y-me thy 1 e me thacra 1 a t e (PMMA)或任何消融聚合物，以超音速的速 度注入到電極間的間隙35。這創(chuàng)建了電極之間的傳導(dǎo)通道，快速且劇 烈地降低了間隙阻抗以便于快速且防護的消弧電流響應(yīng)。圖3是具有三 個球形電極34A， 34B， 34C和等離子槍扳機60的消弧器的透^L圖，等離子 槍扳機60將等離子體62注入在電極之間?？梢栽谕鈿?8中提供一個或 多個減壓孔39。這些孔可以不斷地打開，通過孔尺寸來控制釋放速率， 或者它們可以只在壓力超過給定安全閾值的情況下借助閥門或爆裂板 (burst plate)而打開。過濾器40可以被提供用于防止微粒的釋放。 孔的內(nèi)壁可以由消融材料(例如Teflon、 Delrin、 PMMA或尼龍等)制 成，以在排到容器外部之前冷卻熱蒸汽和微粒。圖4是具有第一和第二電極64、 66、消融材料68的帽和發(fā)散噴嘴70 的等離子體槍60的截面圖。電極64、 66之間電位的短暫脈沖創(chuàng)建了電 弧72，該電弧使一些帽材料68發(fā)熱和消融以創(chuàng)建高傳導(dǎo)性等離子體62。 該等離子體被注入到如圖3所示的球形電極34A， 34B， 34C之間的間隙35 中，以啟動防護電弧37。圖5示意性示出根據(jù)本發(fā)明各方面的電弧閃光消除方法73。該方法 包括連續(xù)感測74電路的電弧閃光，確定76電弧閃光何時發(fā)生，接著觸 發(fā)78消弧器并使斷路器跳闬，接著維持82電氣系統(tǒng)以消除電弧閃光的 原因，檢查84斷路器的磨損(wear)，并且如果需要則維持它，且最 后復(fù)位86斷路器，使電氣系統(tǒng)返回以便服務(wù)。在實驗測試中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)本發(fā)明各方面的消弧器比任何已知 的電弧閃光消除技術(shù)更快。該消弧器用消融等離子體觸發(fā)器來操作并 且在IO - 65千安培的3相電路中測試。它實現(xiàn)了在用5kA電流的8/20微 秒觸發(fā)脈沖進行觸發(fā)之后小于O. 2ms的能量轉(zhuǎn)移時間。例如，該響應(yīng)大 約比美國專利5933308中描述的機械電弧故障保護系統(tǒng)的近似3ms響應(yīng)時間快14倍。本消弧器避免了對電路201因由機械消弧器產(chǎn)生的篩分電 流的突然喘振(surge )而引起的損壞。與機械消弧器不吸收能量相反， 本消弧器吸收電氣系統(tǒng)中10-20%的能量。此外，實現(xiàn)本發(fā)明各方面 的消弧器是健壯的、可擴展的、在重調(diào)節(jié)之前可以重用若干次，并且 相比于其它技術(shù)應(yīng)當(dāng)較便宜并且更可靠，因為它沒有移動部件。如上 所迷，消融等離子體槍幾乎不要求激活能量并且也不具有移動部件。電極間間隙35的阻抗可以通過各種參數(shù)來設(shè)計和控制，包括間隙 電極尺寸和間隔以及觸發(fā)器等離子體特性。等離子體特性由等離子體 槍電極64， 66、消融帽68內(nèi)部尺寸、觸發(fā)脈沖形狀和能量、以及帽68 的材料來確定。例如，在上迷的成功測試中，消弧電極34A， 34B， 34C是 40mm直徑的球體，每個與臨近球體間隔25咖，或其球心位于公共中心 點起的37. 52mm半徑處。觸發(fā)器是消融等離子體槍60，具有由Delrin⑧ 制成的帽68,該帽內(nèi)腔直徑為3mm并且腔體長度為8mm。噴嘴70位于電 極34A, 34B， 34C球心的平面之下大約25mm處。如上所述，帽68可以由其它消融材料制成，或者如果期望由材料的組合制成。本發(fā)明的裝置可以用各種方式配置。例如，多個消弧器單元可以 被配置用于保護電路。圖6示出了實現(xiàn)本發(fā)明各方面的消弧器的第二實 施例202,比如包括兩個消弧器321， 322。笫一消弧器321具有由第一 間隙隔開的第一和第二電極34A， 34C1,第一間隙具有第一電弧觸發(fā)設(shè) 備36A。第一電極34A連接到電路的第一相位A，并且第二電極34C1連接 到電路的第三相位C。第二消弧器322具有由笫二間隙隔開的第三和第 四電極34B， 34C2，第二間隙具有第二電弧觸發(fā)設(shè)備36B。第三電極3斗B 連接到電氣系統(tǒng)的第二相位B，并且第四電極34C2連接到電氣系統(tǒng)的第 三相位C。'圖7示出了實現(xiàn)本發(fā)明各方面的消弧器的第三實施例203,比如包 括三個消弧器321， 322， 323。第一消弧器321具有由第一間隙隔開的 第一和第二電極34A， 34Gl，第一間隙具有第一電弧觸發(fā)設(shè)備36A。第 一電極34A連接到電路的第一相位A。第二電極34G1連接到接地。第二 消弧器322具有由第二間隙隔開的第三和第四電極3化，34G2，第二間 隙具有第二電弧觸發(fā)設(shè)備36B。第二電極34B連接到電氣系統(tǒng)的第二相 位B,并且第四電極34G2連接到接地。第三消弧器323具有由第三間隙 隔開的第五和第六電極34C, 34G3,第三間隙具有第三電弧觸發(fā)設(shè)備36C。第五電極34C連接到電氣系統(tǒng)的第三相位C，并且第六電極34G3連 接到接地。根據(jù)本發(fā)明的消弧器可以在多個模塊單元比如321, 322和323中提 供，這些模塊單元能以圖6和7所示的不同配置安裝。這些單元的主電 極可以具有用于適配不同電壓的間隙調(diào)整。盡管這里只說明和描述了本發(fā)明的某些特征，但是對于本領(lǐng)域技 術(shù)人員來說可以出現(xiàn)許多修改和變化。因此，應(yīng)當(dāng)理解的是，所附權(quán) 利要求旨在覆蓋落在本發(fā)明真實精神內(nèi)的所有這種修改和變化。部件列表201具有第一實施例消弧器的電力線路 202具有第二實施例消弧器的電力線路 203具有第三實施例消弧器的電力線路 22電源A多相電氣系統(tǒng)的相位A B多相電氣系統(tǒng)的相位B C多相電氣系統(tǒng)的相位C 24A相位A電源總線 24B相位B電源總線 24C相位C電源總線 26信號控制的斷路器 28A負(fù)載A 28B負(fù)栽B 28C負(fù)栽C30電源電路中的電弧閃光32第一實施例中的消弧器321多消弧器實施例中的第一消弧器322多消弧器實施例中的第二消弧器323多消弧器實施例中的第三消弧器34A消弧器的間隙電極A34B消弧器的間隙電極B34C消弧器的間隙電極C34C1第二實施例中的相位C上的兩個電極中的第一個34C2第二實施例中的相位C上的兩個電極中的第二個34G1第三實施例中的第一接地電極34G2第三實施例中的第二接地電極34G3第三實施例中的第三接地電極35消弧器的間隙36第一實施例中的電弧觸發(fā)設(shè)備36A多消弧器實施例中的笫一電弧觸發(fā)設(shè)備36B多消弧器實施例中的第二電弧觸發(fā)設(shè)備36C多消弧器實施例中的第三電弧觸發(fā)設(shè)備37防護電孤38消弧器的防護外殼39壓力釋放孔40微粒過濾器41防護外殼的沖擊波吸收器部分 42差分電流電弧閃光傳感器 44光學(xué)電弧閃光傳感器46用于信號通知觸發(fā)電路和斷路器的邏輯電路 48觸發(fā)電路的激活信號 50斷路器的跳閘信號 52觸發(fā)電路 54觸發(fā)脈沖60用于電弧觸發(fā)的等離子體槍 62等離子體64等離子體槍的第一電極 66等離子體槍的笫二電極 68消融材料的帽 70發(fā)散的等離子體噴嘴 72等離子體槍的電弧 73電弧閃光消除的方法 74不斷感測電弧閃光 76檢測電弧閃光78觸發(fā)消弧器 80跳閘斷路器82維護電氣系統(tǒng)以移除電弧閃光的原因84檢查消弧器，并且如果需要，則進行維護86復(fù)位消弧器
權(quán)利要求
1.一種電弧閃光消除器，包括防護電弧設(shè)備，包括在封閉外殼中的空氣中由間隙(35)隔開的間隙電極(34A，34B，34C)，每個電極連接到電路上電氣上不同的部分；在間隙中的電弧觸發(fā)設(shè)備(36)，電離化間隙中的一部分氣體，由此啟動電極之間的防護電弧，該防護電弧吸收來自電路的電能；觸發(fā)電路(52)，發(fā)送電脈沖給電弧觸發(fā)設(shè)備以便激活它；和電弧閃光傳感器(42，44)，信號通知觸發(fā)電路以便在所述傳感器檢測到電路上的電弧閃光情況時發(fā)送電脈沖到電弧觸發(fā)設(shè)備；其中電路上的電弧閃光情況使得觸發(fā)防護電弧設(shè)備，以產(chǎn)生將來自電弧閃光情況的能量轉(zhuǎn)移走的防護電弧。
2. 權(quán)利要求1的電弧閃光消除器，還包括電路上的信號控制的斷路 器(26),并且其中傳感器信號通知電路器在傳感器檢測到電弧閃光 情況時打開。
3. 權(quán)利要求l的電弧閃光消除器，其中當(dāng)電弧觸發(fā)設(shè)備電離化所迷 一部分氣體或在電極之間注入等離子體時，間隙電極之間的間隙具有電阻抗。
4. 權(quán)利要求l的電弧閃光消除器，其中電弧觸發(fā)設(shè)備包括觸發(fā)電 極，所述觸發(fā)電極借助電壓或電流脈沖來觸發(fā)防護電弧以得到氣體的 電擊穿。
5. 權(quán)利要求1的電弧閃光消除器，其中電弧觸發(fā)設(shè)備包括發(fā)熱元 件，所述發(fā)熱元件電離化間隙中一部分的氣體以啟動防護電弧。
6. 權(quán)利要求1的電弧閃光消除器，其中電弧觸發(fā)設(shè)備包括具有發(fā)散 噴嘴的等離子體槍(60)，用于將等離子體注入到間隙電極之間的間 隙中以在間隙電極之間啟動防護電弧。
7. 權(quán)利要求l的電弧閃光消除器，其中電弧觸發(fā)設(shè)備包括消融等離 子體槍(60)，用于將消融材料的等離子體注入到間隙電極之間的間 隙中以在間隙電極之間啟動防護電弧。
8. 權(quán)利要求7的電弧閃光消除器，其中消融等離子體槍注入等離子 體，該等離子體的傳導(dǎo)性對于使能防護電孤中打開斷路器的電流來說 是足夠的。
9.權(quán)利要求1的電弧閃光消除器，其中封閉的外殼包括內(nèi)部聲沖擊 波吸收層。
全文摘要
電弧閃光消除裝置和方法。具有在防護外殼中由間隙(35)隔開的電極(34A，34B，34C)的消弧器。每個電極連接到電路上電氣上不同的導(dǎo)體。傳感器(42，44)檢測電路上的電弧閃光情況并信號通知觸發(fā)電路以便發(fā)送電脈沖到電弧觸發(fā)設(shè)備(36)。觸發(fā)設(shè)備電離化電極之間的一部分氣體，啟動電極之間吸收來自電路的電能并使斷路器跳閘的防護電弧，消除電弧閃光情況。觸發(fā)設(shè)備可以是等離子體槍，尤其是將消融材料的等離子體注入到間隙中的等離子體槍。傳感器可以信號通知斷路器(26)在電源電路中打開。電弧閃光傳感器類型可以包括差分電流傳感器和/或光學(xué)傳感器。
文檔編號G01R31/08GK101277008SQ20081008848
公開日2008年10月1日 申請日期2008年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月30日
發(fā)明者A·K·博霍里, G·波帕拉于, T·阿索坎 申請人:通用電氣公司