專利名稱：用于檢測(cè)電力系統(tǒng)中的閃弧故障的自供電的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及即使在存在其他光源的情況下使用由閃弧(arcing)發(fā)出的光對(duì)電力系統(tǒng)中的閃弧故障進(jìn)行檢測(cè)的技術(shù)。更具體地，其涉及由該發(fā)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(jià)光纖與中央電子設(shè)備進(jìn)行通信。
然而，常常是，會(huì)在開關(guān)裝置機(jī)箱內(nèi)例如在總線之間，或在總線和接地金屬元件之間產(chǎn)生不期望的閃弧故障(arcing fault)。這樣的閃弧故障會(huì)產(chǎn)生出高能氣體，其對(duì)該裝置和附近的人員構(gòu)成一種威脅。一種使人員免受開關(guān)裝置中的閃弧故障的傷害的常用方法是設(shè)計(jì)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(shù)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(jià)。即使有了這些預(yù)防措施，由開關(guān)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(fā)出若干用于降低來自內(nèi)部閃弧故障的沖擊的嚴(yán)重程度的方法。這些方法包括壓力檢測(cè)和光檢測(cè)，它們檢測(cè)該開關(guān)裝置內(nèi)的閃弧故障，且在可能產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p害之前使斷路器斷路。該壓力檢測(cè)方法受到壓力檢測(cè)器缺乏敏感性的限制。在機(jī)箱壓力上升至可檢測(cè)的級(jí)別之前，該閃弧故障已經(jīng)造成嚴(yán)重的損害。迄今所使用的光檢測(cè)方法是沒有選擇性的，因而任何光信號(hào)都能觸發(fā)該檢測(cè)器。因此，由服務(wù)人員使用的手電筒，或日光或閃光燈都可能會(huì)錯(cuò)誤地觸發(fā)該光學(xué)檢測(cè)器。為避免這些對(duì)光學(xué)檢測(cè)器的錯(cuò)誤觸發(fā)，已經(jīng)提出或者直接或者通過檢測(cè)由該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)將光學(xué)檢測(cè)和電流檢測(cè)結(jié)合起來進(jìn)行。不幸的是，這些方法費(fèi)用昂貴且還沒有被證明是可靠的。
美國(guó)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(xué)檢測(cè)電力系統(tǒng)中的閃弧故障的裝置和方法。聚集來自電力系統(tǒng)中的各元件的光并將它們分成兩個(gè)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(zhǎng)特征，所述材料例如開關(guān)裝置導(dǎo)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(zhǎng)。分別由光二極管將該提取的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為檢測(cè)的光電信號(hào)和背景光電信號(hào)并進(jìn)行比較。如果該檢測(cè)的光電信號(hào)超出該背景光電信號(hào)一選擇的閾值，則驅(qū)動(dòng)例如為脫扣螺線管(trip solenoid)的輸出裝置。盡管有效，但該結(jié)構(gòu)要求具有一對(duì)分開的光纖的分叉光纖束，用于每個(gè)被監(jiān)控的元件。這些光纖光纜易碎且價(jià)格昂貴。此外，在光纖聚光端的光學(xué)器件所提供的視角有限。另一種結(jié)構(gòu)是將光二極管緊靠待被監(jiān)控的每個(gè)元件，該結(jié)構(gòu)要求向這些光檢測(cè)器中的每一個(gè)分配能量，而且其提供的視角也窄。
因此需要一種用于檢測(cè)電力系統(tǒng)元件中的閃弧的改進(jìn)的裝置和方法，要求其經(jīng)濟(jì)而且不需要昂貴的特殊光纖，且優(yōu)選通過電弧自己提供能量，從而消除能量分配的需要。
每個(gè)光電裝置可包括至少一個(gè)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(chǎn)生的預(yù)定波長(zhǎng)的第一波長(zhǎng)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(yù)定波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)帶。
在另一實(shí)施例中，一偏置電信號(hào)被加至由第一光伏電池產(chǎn)生的信號(hào)。該偏置電信號(hào)可由一個(gè)或多個(gè)附加的光伏電池產(chǎn)生，所述一個(gè)或多個(gè)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(fā)光裝置被偏置至其操作點(diǎn)，從而可降低該過濾光伏電池的大小或個(gè)數(shù)以降低費(fèi)用。
根據(jù)本發(fā)明的方法包括從來自該元件的光中提取第一波長(zhǎng)帶的光，并將該第一波長(zhǎng)帶的光施加至第一光伏電池以產(chǎn)生一檢測(cè)的光電信號(hào)，所述第一波長(zhǎng)帶包括由閃弧故障產(chǎn)生的預(yù)定波長(zhǎng)。從來自該元件的光中還提取出不包括該預(yù)定波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)帶的光，并將其施加至至少一個(gè)第二光伏電池以產(chǎn)生一背景光電信號(hào)。從該檢測(cè)的光電信號(hào)中減去該背景光電信號(hào)，且當(dāng)該檢測(cè)的光電信號(hào)超出該背景光電信號(hào)一預(yù)定閾值量時(shí)，產(chǎn)生一檢測(cè)器光信號(hào)。一光電裝置暴露于該檢測(cè)器光信號(hào)以產(chǎn)生一閃弧故障信號(hào)。
通過結(jié)合附圖閱讀以下對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的描述，可全面理解本發(fā)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(yáng)光的光譜輻照度曲線；圖3為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的檢測(cè)器的示意圖；圖4A為根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的檢測(cè)器的示意圖；圖4B為圖4A中示出的實(shí)施例的修改形式的示意圖；圖5為根據(jù)本發(fā)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(fā)明應(yīng)用于開關(guān)裝置中的電弧保護(hù)的示意圖。
本發(fā)明的閃弧故障檢測(cè)器采用檢測(cè)器單元中的光伏電池。圖3示出檢測(cè)器單元1的一種形式。該檢測(cè)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(gè)，或多個(gè)串聯(lián)連接的光伏電池5，和第一濾波器7，其對(duì)入射到光伏電池5的光進(jìn)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(zhǎng)，例如521，820nm處。
檢測(cè)器1包括第二光電裝置9，其又包括一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)連接的光伏電池11，和第二濾波器13，其對(duì)入射到該光伏電池11的光進(jìn)行濾波且其通帶不包括該閃弧材料的特征波長(zhǎng)，在該示例性系統(tǒng)中該通帶的中心例如在大約600nm處。
第一光電裝置3響應(yīng)于被濾波的入射光產(chǎn)生一檢測(cè)的光電信號(hào)，類似地，第二光電裝置9產(chǎn)生一背景光電信號(hào)，該信號(hào)的幅度依賴于在第二濾波器13的通帶內(nèi)的光輻照度。電路15具有與第一光伏電池3串聯(lián)連接的第一分支151和類似地與第二光伏電池11串聯(lián)連接的第二分支152，該電路15將這兩個(gè)電信號(hào)相反地連接至例如為發(fā)光二極管(LED)17的發(fā)光裝置。當(dāng)存在閃弧時(shí)，由第一光電裝置3產(chǎn)生的檢測(cè)的光電信號(hào)超出由第二光電裝置9產(chǎn)生的背景光電信號(hào)一閾值量，該閾值量足以打開LED17。而在不存在閃弧時(shí)，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(chǎn)生一檢測(cè)的光電信號(hào)，其不足以克服由第二光電裝置9產(chǎn)生的背景光信號(hào)對(duì)LED17的反偏效應(yīng)。事實(shí)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(hào)會(huì)大大超出該檢測(cè)的光電信號(hào)且使LED17嚴(yán)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(dāng)高。濾波器7和13可以是干擾濾波器，當(dāng)然也可以使用較廉價(jià)的帶通濾波器。
圖4A示出檢測(cè)器單元1′的另一個(gè)實(shí)施例，其在電路15的第一分支151加入一偏置產(chǎn)生器19，其形式為與第一光電裝置3串聯(lián)連接的一個(gè)或多個(gè)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(cè)器的總成本。可按圖4B所示對(duì)圖4A的實(shí)施例進(jìn)行修改使得雖然將檢測(cè)器1″的偏置產(chǎn)生電池21放置為與過濾光伏電池5和11均串聯(lián)，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(cè)器1和1′自己提供能量。此外，即使沒有光學(xué)器件，該光伏電池的視角也比在上述背景技術(shù)中描述的較早的光學(xué)閃弧檢測(cè)器中使用的分叉光纖電纜的大。
圖5示出本發(fā)明的閃弧故障檢測(cè)器22。檢測(cè)器單元1(或1′)被連接至包括光電電路25的響應(yīng)裝置23。該光電電路包括光電二極管27，其由檢測(cè)器1產(chǎn)生的光信號(hào)激勵(lì)。該光信號(hào)通過光纖29被從檢測(cè)器1發(fā)送至光電檢測(cè)器27。這允許光電電路25遠(yuǎn)離被監(jiān)控的元件，在該元件處，閃弧故障檢測(cè)器用于例如中壓開關(guān)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(huì)在電子裝置中產(chǎn)生電磁干擾。由此，光纖29為光電電路25提供了電隔離。當(dāng)由檢測(cè)器1產(chǎn)生的光信號(hào)主要為一數(shù)字信號(hào)時(shí)，即在檢測(cè)到閃弧故障時(shí)為通(on)，在不存在閃弧故障時(shí)為斷(off)的情況下，低成本光纖即可適用于完成傳送該數(shù)字光信號(hào)以及向該光電電路25提供電隔離的雙重功能。
由一適當(dāng)?shù)闹绷鞴┙o電壓例如+Vcc向該光檢測(cè)器27提供能量。在存在閃弧時(shí)，由LED17產(chǎn)生的光信號(hào)打開光電檢測(cè)器27，該光電檢測(cè)器使電流流過電阻器31。由該電流產(chǎn)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(fā)信號(hào)提供給一單穩(wěn)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(wěn)多諧振蕩器37的觸發(fā)輸入端。當(dāng)檢測(cè)器通過光纖29提供光信號(hào)以接通該光電檢測(cè)器27時(shí)，該晶體管35被接通，上拉本來下降至地的該單穩(wěn)多諧振蕩器37的觸發(fā)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(fù)位該單穩(wěn)多諧振蕩器37以使其再次變低，因此Vout為一脈沖信號(hào)?？墒褂糜蒝out表示的閃弧故障信號(hào)來設(shè)置警報(bào)，和/或使斷路器斷路，或者相反地，啟動(dòng)保護(hù)或通知?jiǎng)幼鳌＿x擇RC電路41的時(shí)間常數(shù)，使得所產(chǎn)生的脈沖持續(xù)時(shí)間足以激勵(lì)該期望的輸出裝置。
圖6示意性地示出本發(fā)明的光學(xué)閃弧故障檢測(cè)器22在分配系統(tǒng)開關(guān)裝置中的應(yīng)用。該開關(guān)裝置47包括一金屬開關(guān)裝置柜49。典型地，該開關(guān)裝置機(jī)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(guān)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(fā)明的光學(xué)閃弧故障檢測(cè)器22可用于防止開關(guān)裝置47出現(xiàn)閃弧故障，所述閃弧故障可能會(huì)出現(xiàn)于導(dǎo)體61-71中的任何導(dǎo)體之間，或出現(xiàn)在這些導(dǎo)體和金屬機(jī)箱49之間。由此，檢測(cè)器1可被插進(jìn)單元57、中室53或后室55中，在這些地方它們可以監(jiān)控閃弧故障。每個(gè)檢測(cè)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(cè)到閃弧故障，就會(huì)通過斷路引線73將由光電電路25產(chǎn)生的閃弧信號(hào)作為一斷路信號(hào)施加至每個(gè)斷路器59或高速短路開關(guān)(未示出)。還會(huì)將該閃弧信號(hào)作為斷路信號(hào)發(fā)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(fā)送至一遠(yuǎn)程監(jiān)控站(也未示出)。
盡管詳細(xì)描述了本發(fā)明的特定實(shí)施例，本專業(yè)技術(shù)人員將會(huì)理解在本公開的整個(gè)講解的啟發(fā)下可對(duì)這些細(xì)節(jié)進(jìn)行多種修正和替換。相應(yīng)地，所公開的具體的結(jié)構(gòu)僅用于示例的目的，而并非用于限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍由附加的權(quán)利要求及其所有的或任意等價(jià)描述的全部范圍來限定。
權(quán)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(cè)電力系統(tǒng)的元件處的閃弧故障的裝置(22)，該閃弧故障在該元件處產(chǎn)生一預(yù)定波長(zhǎng)的光，來自其他光源的光可能會(huì)包括該預(yù)定波長(zhǎng)的光，該裝置包括檢測(cè)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(zhǎng)帶的光的入射光產(chǎn)生一檢測(cè)的光電信號(hào)，所述第一波長(zhǎng)帶包括該預(yù)定波長(zhǎng)；第二光電裝置(9)，用于從包含來自該元件的第二波長(zhǎng)帶的光的入射光產(chǎn)生一背景光電信號(hào)，所述第二波長(zhǎng)帶不包括該預(yù)定波長(zhǎng)；電激勵(lì)的發(fā)光裝置(17)，用于當(dāng)被電激勵(lì)時(shí)發(fā)出光信號(hào)；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(fā)光裝置(17)，且同時(shí)使得該檢測(cè)的光電信號(hào)和背景光電信號(hào)相反，以在該檢測(cè)光電信號(hào)超出該背景光電信號(hào)一指示閃弧故障的閾值量時(shí)電激勵(lì)該發(fā)光裝置(17)發(fā)出該光信號(hào)；以及響應(yīng)單元(23)，包括光纖(29)，其傳送來自該發(fā)光裝置(17)的光信號(hào)；和光電裝置(25)，其基本上僅響應(yīng)于由該光纖(29)傳送的光信號(hào)，以響應(yīng)于該光信號(hào)產(chǎn)生閃弧信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置(22)，其中，第一光電裝置(3)包括至少一個(gè)光伏電池(5)和在該至少一個(gè)第一光伏電池(5)和該元件之間且通帶等于第一波長(zhǎng)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(gè)第二光伏電池(11)和在該至少一個(gè)第二光伏電池(11)和該元件之間且通帶等于第二波長(zhǎng)帶的第二濾波裝置(13)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置(22)，其中該至少一個(gè)第一光伏電池(5)包括多個(gè)光伏電池，該至少一個(gè)第二光伏電池(11)包括多個(gè)第二光伏電池，且該電路裝置(15)包括串聯(lián)連接該多個(gè)第一光伏電池(5)的第一分支(151)，和串聯(lián)連接該多個(gè)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(lián)連接至該發(fā)光裝置(17)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置(22)，其中該檢測(cè)器單元(1′)還包括偏置裝置(21)，用于響應(yīng)于周圍光產(chǎn)生一偏置電信號(hào)，且電路裝置(15)連接該偏置裝置(21)以將該偏置電信號(hào)加至該檢測(cè)的光電信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的裝置(22)，其中該偏置裝置(21)包括至少一個(gè)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(cè)電力系統(tǒng)中的元件處的閃弧故障的方法，該閃弧故障在該元件處產(chǎn)生一預(yù)定波長(zhǎng)的光，來自其他光源的光可能會(huì)包含該預(yù)定波長(zhǎng)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(yù)定波長(zhǎng)的第一波長(zhǎng)帶的光，并將該第一波長(zhǎng)帶的光施加至至少一個(gè)第一光伏電池(5)以產(chǎn)生一檢測(cè)的光電信號(hào)；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(yù)定波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)帶的光，并將該第二波長(zhǎng)帶的光施加至至少一個(gè)第二光伏電池(11)以產(chǎn)生一背景光電信號(hào)；從該檢測(cè)的光電信號(hào)中減去該背景光電信號(hào)；當(dāng)該檢測(cè)的光電信號(hào)超出該背景光電信號(hào)一預(yù)定的閾值量時(shí)，產(chǎn)生一檢測(cè)器光信號(hào)；以及將一光電裝置(27)暴露于該檢測(cè)器光信號(hào)以產(chǎn)生一閃弧故障信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中將該光電裝置暴露于該檢測(cè)器光信號(hào)包括通過一光纖(29)將該檢測(cè)器光信號(hào)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(cè)一電力系統(tǒng)的元件處的閃弧故障的裝置(22)，該閃弧故障在該元件處產(chǎn)生一預(yù)定波長(zhǎng)的光，且來自其他光源的光可能會(huì)包括該預(yù)定波長(zhǎng)的光，該裝置包括檢測(cè)器單元(1，1′)，當(dāng)包括來自該元件的光的入射光包含的第一波長(zhǎng)帶的光超出該入射光中第二波長(zhǎng)帶的光一選擇的量時(shí)，該檢測(cè)器單元響應(yīng)于該入射光產(chǎn)生一光信號(hào)，其中第一波長(zhǎng)帶包括該預(yù)定波長(zhǎng)，第二波長(zhǎng)帶不包括該預(yù)定波長(zhǎng)，該檢測(cè)器單元僅由該入射光供給能量；和響應(yīng)裝置(23)，包括一光電裝置(27)，其響應(yīng)于該光信號(hào)產(chǎn)生一閃弧故障信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置(22)，其中該響應(yīng)裝置(23)還包括一將光信號(hào)從檢測(cè)器單元(1，1 ′)傳送至光電裝置(27)的光纖(29)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的裝置(22)，包括多個(gè)檢測(cè)器單元(1，1′)，其每一個(gè)響應(yīng)于來自該電力系統(tǒng)中不同元件的光，和多個(gè)光纖(29)，其每一個(gè)將由一檢測(cè)器單元(1，1′)產(chǎn)生的光信號(hào)傳送至光電裝置(27)，該光電裝置被操作來響應(yīng)于來自該多個(gè)檢測(cè)器單元(1，1′)的任何一個(gè)的光信號(hào)產(chǎn)生閃弧信號(hào)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置(22)，其中該檢測(cè)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(zhǎng)帶的光的入射光中產(chǎn)生一檢測(cè)的光電信號(hào)，所述第一波長(zhǎng)帶包括該預(yù)定波長(zhǎng)；第二光電裝置(9)，用于從包括來自該元件的第二波長(zhǎng)帶的光的入射光中產(chǎn)生一背景光電信號(hào)，所述第二波長(zhǎng)帶不包括該預(yù)定波長(zhǎng)；電激勵(lì)發(fā)光裝置(17)，用于當(dāng)被電激勵(lì)時(shí)發(fā)出一光信號(hào)；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(fā)光裝置(17)，且同時(shí)使得該檢測(cè)的光電信號(hào)和該背景光電信號(hào)相反，以在該檢測(cè)的光電信號(hào)超出該背景光電信號(hào)一指示閃弧故障的閾值量時(shí)電激勵(lì)該發(fā)光裝置(17)發(fā)出該光信號(hào)。
全文摘要
即使在存在背景光的情況下，由檢測(cè)器來檢測(cè)電力系統(tǒng)中的閃弧故障，所述檢測(cè)器由該閃弧產(chǎn)生的光來供給能量。檢測(cè)器具有一個(gè)或多個(gè)第一光伏電池，其由通過第一濾波器的光提供能量以產(chǎn)生檢測(cè)的光電信號(hào)，該第一濾波器的通帶包括該閃弧材料的特征波長(zhǎng)。由經(jīng)第二濾波器濾波的光對(duì)一個(gè)或多個(gè)第二光伏電池提供能量以產(chǎn)生一背景光電信號(hào)，該第二濾波器的通帶不包括該特征波長(zhǎng)。這兩個(gè)電信號(hào)被相反地施加于一LED，當(dāng)存在閃弧時(shí)，LED被接通。來自該LED的光信號(hào)被傳送至光電電路，由其產(chǎn)生一閃弧信號(hào)。
文檔編號(hào)H02H1/00GK1438489SQ0310238
公開日2003年8月27日 申請(qǐng)日期2003年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月12日
發(fā)明者J·J·謝伊 申請(qǐng)人:伊頓公司