用於使用光和時間鑑別來檢測電弧閃光事件的方法、系統、和設備的製作方法

2023-06-08 08:43:11

專利名稱：用於使用光和時間鑑別來檢測電弧閃光事件的方法、系統、和設備的製作方法
技術領域：
本文描述的實施例一般涉及電弧閃光檢測和緩解，並且更具體地涉及用來減少損害檢測的電弧閃光檢測系統。
背景技術：
已知的電子線路和開關設備一般具有由諸如空氣或氣體或固體電介質的絕緣材料分隔開的導體。然而，如果放置導體時在一起靠得太近，或者如果導體之間的電壓超過導體之間絕緣材料的絕緣性能，則可產生電弧。導體之間的絕緣材料可變成電離的，這使得絕緣材料變成傳導的並能夠形成電弧。由在兩個相導體之間、在一相導體與一中性導體之間、或在一相導體與接地點之間的故障造成的能量快速釋放引起了電弧閃光。電弧閃光溫度能夠到達或超過20000°C，這能夠汽化導體和相鄰設備。另外，電弧閃光能夠以熱量、強光、壓力波和/或聲波的形式釋放相當大的能量，足以損壞導體和相鄰設備。然而，生成電弧閃光的故障的電流電平一般小於短路的電流電平，因此除非將斷路器特別設計成處理電弧故障條件，否則斷路器一般不跳閘或展現延遲跳間。雖然存在通過要求使用個人防護服和設備來調節電弧閃光問題的機構和標準，但消除電弧閃光的規則並未建立裝置。諸如熔絲和斷路器的標準電路保護裝置一般反應不夠快，無法緩解電弧閃光。展示足夠快響應的一個已知的電路保護裝置是電「短路器(crowbar) 」，該裝置通過有意創建電「短路」而利用機械和/或機電過程，以將電能量從電弧閃光點轉移。此類有意短路故障隨後通過使熔絲或斷路器跳間而得以清除。然而，使用短路器創建的有意短路故障可允許相當大的電流電平流過相鄰電設備，由此仍能夠對設備造成損壞。光傳感器可用於檢測在電弧閃光期間發射的光的存在。然而，此類傳感器經常對低光級敏感，使得它們也檢測非電弧閃光的光並觸發電路保護裝置的「損害跳閘」。例如，典型的電弧閃光事件能夠在離電弧閃光事件的三到四英尺距離處產生光通量大約lOOOOOlux 的光，而已知的光傳感器一般在7001ux或更低處飽和。由跳閘期間斷路器發射的光、由空間照明發射的光、或由直射陽光發射的光可引起光傳感器錯誤地檢測電弧閃光事件。使用特別的通風模式或光傳感器的至少一些已知的電弧閃光檢測系統放置成使得例如在斷路器中斷期間釋放的光不足以使光傳感器飽和。然而，減少斷路器中斷期間釋放的光的量可能負面影響斷路器的性能。因此，需要可靠檢測電弧閃光事件並緩解電路保護裝置的不期望的損害跳閘的電弧閃光檢測系統。

發明內容
在一個方面中，操作斷路器的方法包括使用光傳感器檢測光事件並確定光事件是否來源於斷路器的操作。在另一方面中，電力設備保護系統包括斷路器、配置成測量通過電路的電流的電流傳感器、配置成檢測光事件的光傳感器、以及通信耦合到電流傳感器和光傳感器的控制器，其中，配置控制器以確定光事件是否來源於斷路器的操作。在另一方面中，提供控制器用來與電力設備保護系統一起使用。控制器包括處理器，其配置成從電流傳感器接收代表測量的電流電平的信號、從光傳感器接收代表光事件的檢測的信號、以及確定光事件是否來源於斷路器的操作。


圖1是示例性電弧閃光檢測裝置的示意框圖。圖2是包括圖1所示的電弧閃光檢測裝置的示例性電力設備保護系統的示意框圖。圖3是包括圖2所示的電力設備保護系統的關閉的設備外殼的示意圖示。圖4是包括圖2所示的電力設備保護系統的關閉的設備外殼的示意圖示。圖5是圖示出可與圖1所示的電弧閃光檢測裝置一起使用的斷路器的跳閘定時和電流之間的關係的曲線圖。
具體實施例方式本文描述了在檢測和緩解電弧閃光事件中使用的方法、系統和設備的示例性實施例。通過排斥(discriminate against)在斷路器已知的跳閘時間期間發生的光事件，本文描述的實施例使用電流和光促進了在配電設備外殼中更可靠地檢測電弧閃光事件。本文描述的方法、系統、和設備的示例性技術效果使得能夠更可靠的進行電弧閃光事件的檢測，以致與這些事件相關聯的能量可轉到自給的電弧閃光抑制裝置。在電弧閃光事件期間，通過電路的電流快速上升而且光能將典型地幾乎立即釋放。當斷路器用於緩解電流如此快速的上升時，電流電平會在斷路器開始電路中斷和釋放光能之前在電路中持續預定量的時間。本文描述的實施例的功能是，當初始檢測到電流上升並且如果在預定時間周期後未檢測到光，則將用二次算法來確定斷路器是否正啟動電路中斷或者是否正發生電弧閃光事件。例如，帶有大約0. 25秒的已知跳閘響應時間的斷路器會在一定量的時間 (例如，0.22秒)內啟動電路中斷。本文描述的實施例能使得檢測裝置能夠在一定持續時間期間檢測到高電流電平並確定光檢測是否發生在該持續時間之外。在該持續時間之外檢測到光事件可能跟電弧閃光事件相關聯。圖1是用於使用光和時間鑑別來檢測電弧閃光事件的示例性電弧閃光檢測裝置 100的示意框圖。在圖1的示例性實施例中，系統100包括測量通過導體(未在圖1中示出)的電流電平的電流傳感器102。此外，電流傳感器102生成與電流電平成比例的信號。 電流傳感器102可檢測AC電流並生成模擬輸出信號或者複製感測的電流波形的雙極輸出信號。備選地，電流傳感器102可檢測AC電流並生成與感測的電流的平均值或者感測的電流的RMS值成比例的單極輸出信號。另外，電流傳感器102可檢測DC電流並生成複製感測的電流波形的單極輸出信號，或者可生成當感測的電流超出某閾值時切換的數字輸出。示例性電流傳感器非限制性地包括電流變壓器，霍爾效應傳感器，電阻傳感器、或配置成檢測電流電平並生成代表該電流電平的輸出信號的任何合適的傳感器。此外，系統100包括檢測光事件的多個光傳感器104。設備外殼包括有效阻止來自至少一些光傳感器104的光的大量障礙(obstruction)。相應地，為了保持足夠覆蓋，光傳感器104遍布於導體附近的設備外殼。照射在光傳感器104上的光包括環境光、由斷路器的跳閘生成的光(未在圖1中示出)、和/或由電弧閃光事件生成的光。如果光強度足以使光傳感器104達到飽和，那麼光傳感器104就生成代表檢測的信號。例如，光傳感器104可生成與光事件的光水平成比例的信號。備選地，光傳感器104可生成指示發生的檢測的信號，例如當檢測到特定水平時信號的改變。關於信號與基於時間的關係(該關係是電流電平和光的檢測之間的關係)之間的關係來分析信號，以確定電弧閃光事件是否已發生。在一備選實施例中，光被濾光器(未示出)按特定百分比衰減。如果衰減的光的強度足以使光傳感器104達到飽和，那麼光傳感器就生成代表檢測的信號。濾光器使系統100能在損害光和由電弧閃光事件生成的光之間進行鑑別。在圖1的示例性實施例中，系統100也包括耦合(例如通信耦合)到電流傳感器 102和光傳感器104的控制器106。此外，控制器106包括配置成存儲斷路器跳間數據的存儲區108，斷路器跳閘數據例如多個電流電平和在每個電流電平處斷路器打開所需的時間周期。一個或多個電流電平和斷路器打開所需的相應時間周期的關係可存儲在例如存儲器映像、資料庫中，以表格形式存儲，或者存儲在文本文件中。然而，應該理解存儲區108可以任何適合的方式存儲電流電平和時間周期。此外，應該理解存儲器108可包括將電流電平同時間周期相關聯的任何合適方式。控制器106還包括耦合到存儲區108的處理器110。處理器110接收來自電流傳感器102和光傳感器104的信號，並使用存儲在存儲區108中的基於時間的相關性來分析信號，以確定電弧閃光事件是否已經發生。當處理器110確定電弧閃光事件已經發生時，它將信號輸出到電弧抑制裝置(未在圖1中示出)，以緩解由電弧閃光事件對配電設備的損壞。在一些實施例中，處理器110可基於除了光和電流之外的其他參數(例如，聲音、壓力、 熱量、或者由適當的傳感器檢測的其他適當參數)來確定電弧閃光事件是否已經發生。應該理解，術語「處理器」 一般是指任何可編程的系統，包括系統和微控制器、精簡指令集電路(RISC)、專用集成電路(ASIC)、可編程邏輯電路、和能執行本文描述的功能的任何其它電路或處理器。上面的示例僅僅是示例性的，並且因而不是打算以任何方式限制術語「處理器」的定義和/或意義。此外，存儲區108存儲由處理器110可執行的程序代碼和指令，以控制和/或監測電流傳感器102、光傳感器104、或者耦合到控制器106的任何其它裝置。存儲區108可包括一種形式或者多於一種形式的存儲器。例如，存儲區108可包括含有非易失隨機存取存儲器(NVRAM)、磁RAM(MRAM)、鐵電RAMO^eRAM)的RAM和其他形式的儲存器。存儲區108也可包括只讀存儲器(ROM)，閃速存儲器和/或電可擦寫可編程只讀存儲器(EEPROM)。存儲區108中可包括任何其他適合的磁的、光學的、和/或半導體的存儲器(單獨或者與其他形式的存儲器相結合)。存儲區108還可以是或者還可包括可分離的或者可移動的存儲器，包括但不限於合適的盒式存儲器(cartridge)、盤、⑶ROM、DVD、或者USB存儲器。圖2是包括電弧閃光檢測裝置100的示例性電力設備保護系統200的示意框圖。 如圖2中所示，導線202耦合到斷路器204。電流傳感器102也耦合到導線202，以測量通過導線202的電流電平。此外，載荷導體206耦合到等離子觸發電弧抑制裝置208。導線202可為饋線或者主總線。斷路器204操作跳閘打開機制，例如釋放鎖扣的跳閘螺線管。儘管一些高壓斷路器是自給的並包括電流變壓器、保護繼電器、和內部控制電源，但跳閘螺線管典型地由分離的電池賦能。一旦檢測到故障，斷路器204內的觸點就會打開，以中斷經過導線202的電流。 例如，斷路器204之內包含的機械儲存能量(例如，彈簧或者壓縮空氣)用來分離觸點。在一些實施例中，需要的能量的一部分可從故障電流中獲得。當控制器106檢測到電弧閃光事件時，信號會發送到電路保護裝置。例如，電弧抑制裝置208可用來隔離與電弧閃光事件相關聯的能量。與檢測的電弧閃光相關聯的能量從導線202轉到電弧抑制裝置208。激活放置在電弧抑制裝置208內的等離子槍(未示出)， 以啟動受控的和遏制的電弧閃光，從而促進對耦合到導線202和/或載荷導體206的電組件的保護。備選地，控制器106可引起斷路器204跳閘。圖3是封閉的設備外殼300的示意圖示，以及圖4是設備外殼300的內部302的示意圖示。多個導線202和主總線304進入設備外殼300，以及多個載荷導體206退出設備外殼300。如圖4中所示，放置在設備外殼300內的電力設備保護系統200促進防止電弧閃光事件。例如，放置電流傳感器102來監測通過主總線304的電流電平。放置光傳感器104來監測鄰近導體的光量。例如，可放置光傳感器104來監測鄰近主總線304的光量。 在備選實施例中，設備外殼300可包括多個電弧檢測裝置100(例如，用於主總線304的第一電弧檢測裝置和用於每個導線202的分離的電弧檢測裝置)。在這種實施例中，第一電流傳感器測量通過主總線304的電流電平，並且分離的電流傳感器測量通過相應導線202的電流電平。相似地，在這樣的實施例中，第一光傳感器檢測鄰近主總線304的光，並且分離的光傳感器檢測鄰近相應導線202的光。值得注意地是，多個光傳感器104可遍布於設備外殼300定位，並通信耦合到相應控制器106。在控制器106的控制下，放置斷路器204以使得電路中斷能在主總線304中啟動。 此外，在一些實施例中，在相應控制器106的控制下，放置額外的斷路器以使得電路中斷能在相應導線202中啟動。而且，當控制器檢測到電弧閃光事件時，放置電弧抑制裝置208以使得能夠重新路由電能。備選地，控制器106 —檢測到電弧閃光事件就可引起斷路器204 跳閘。在操作期間，控制器106使用電流傳感器102測量電流電平。例如，舉例來講，電流傳感器102測量(例如，周期性地測量)通過主總線304的導體的電流電平。電流傳感器102還將代表電流電平的信號傳送到控制器106。備選地或附加地，多個電流傳感器102 可測量通過主總線304的導體和一個或多個導線202的每個的電流電平，並將代表電流電平的信號傳送到一個或多個控制器106。此外，控制器106使用光傳感器104檢測光事件。例如，當足夠強度的光照射在光傳感器104上時，它就將指示光事件的信號傳送到控制器106。備選地或附加地，可放置多個光傳感器104以檢測主總線304和一個或多個導線202的每個的光事件，並將代表光事件的檢測的信號傳送到一個或多個控制器106。基於電流電平和光事件的檢測，控制器106使用存儲在存儲區108(如圖1中所示)中的電流電平和光事件定時之間的關係來確定光事件是否來源於電弧閃光事件，或者光事件是否來源於斷路器204的操作。圖5是曲線圖500，其示出了電流和斷路器204的跳
6閘定時之間的關係。χ軸是用於斷路器204的電流設置的倍數，以及y軸是以秒為單位的時間測量。例如，對於額定為2000安的斷路器，χ軸上的數值2對應於4000安。如圖5中所示，基於最小帶502、中間帶504、和最大帶506可配置斷路器204跳閘。用中間帶504作為參考，如果斷路器204感測到電流電平足以引起跳閘，斷路器204就啟動電路中斷。電路中斷發生在隨電流電平而變化的時間周期T上。例如，如圖5中所示，在大約4000安的電流電平處，電路中斷發生在大約0. 22秒和大約0. 31秒之間的時間周期T上。一旦從光傳感器104接收到指示已經檢測到光事件的信號，控制器106就確定與從電流傳感器102接收的電流電平相關聯的時間周期T。如果控制器106確定光事件在時間周期T期間發生， 則控制器106使斷路器204能夠完成電路中斷。然而，如果控制器106確定光事件發生在時間周期T之外，則控制器106激活電弧抑制裝置208 (如圖2中所示)和/或引起斷路器 204跳閘。在一些實施例中，控制器106在時間周期T上添加預選擇量的時間，以確保斷路器204具有足夠的時間完成電路中斷並促進降低出現損害跳閘的機會。在備選實施例中，斷路器204將為控制器106指示斷路器204正啟動電路中斷的信號傳送到控制器106。控制器106從存儲在存儲區108中並在圖5中圖示的、基於時間的相關性來確定時間周期T，其與由斷路器204完成電路中斷相關聯。在時間周期T期間，控制器106不激活電弧抑制裝置208。相反，控制器106使斷路器204能夠完成電路中斷。在另一個備選實施例中，測量的電流電平的快速下降可意味著斷路器204正在啟動電路中斷。當控制器106檢測到電流電平的下降時，控制器106至少在時間周期T期間不激活電弧抑制裝置208。相反，控制器106使斷路器204能夠完成電路斷路。上面詳細描述了用於使用光和時間鑑別來檢測電弧閃光事件的方法、系統、和設備的示例性實施例。該方法、系統、和設備不限於本文描述的特定實施例，而是相反，方法的操作和/或系統和/或設備的組件可與本文描述的其他操作和/或組件相獨立及分離地使用。進一步地，描述的操作和/或組件也可在其他系統、方法和/或設備中定義或與之結合使用，而並不限於只通過本文描述的系統、方法、和存儲媒體來實踐。儘管連同示例性配電系統環境描述了本發明，但本發明的實施例可以大量其它一般目的或者特定目的的系統環境或者者配置來操作。本文描述的系統環境並無意於建議關於本發明任何方面的使用或者功能性範圍的限制。此外，本文描述的系統環境不應解釋為具有涉及示例性操作環境中示出的任何一個部件或者部件的組合的任何從屬性或要求。除另有說明外，本文示出和描述的本發明實施例中的操作的執行或履行順序不是必須的。也就是說，除另有說明外，可以任何順序履行操作，而且本發明的實施例可包括與本文公開的那些相比額外的或者更少的操作。例如，預期的是，在另一個操作之前、同時、或者之後執行或者履行一具體操作是在本發明方面的範圍之內的。當介紹本發明方面或者其實施例的元件時，冠詞「一」 「該」和「所述」意指存在一個或多個元件。術語「包括」、「包含」和「具有」意指含有的以及意味著除列出的元件外可具有額外的元件。本書面描述使用示例來公開包括最佳模式的本發明，以及還使本領域技術人員能實踐本發明，包括製作和使用任何裝置或系統及執行任何結合的方法。本發明可取得專利的範圍由權利要求來定義，且可包括本領域技術人員想到的其它示例。如果此類其它示例包括與權利要求字面語言無不同的結構要素，或者如果它們包括與權利要求字面語言無實質不同的等效結構要素，則它們規定為在權利要求範圍之內。部件表
100電弧閃光檢測裝置
102電流傳感器
104光傳感器
106控制器
108存儲區
110處理器
200電力設備保護系統
202導線
204斷路器
206載荷導體
208電弧抑制裝置
300設備外殼
302內部
304主總線
500曲線圖
502最小帶
504中間帶
506最大帶。
權利要求
1.電力設備保護系統000)，包括斷路器(204)；電流傳感器(102)，配置成測量通過電路的電流；光傳感器(104)，配置成檢測光事件；以及控制器(106)，通信耦合到所述電流傳感器(10 和所述光傳感器(104)，所述控制器 (106)配置成確定所述光事件是否來源於所述斷路器O04)的操作。
2.如權利要求1所述的電力設備保護系統000)，其中，所述控制器(106)進一步配置成確定在配置所述斷路器O04)以響應所述電流電平而打開期間的時間周期內是否檢測到所述光事件。
3.如權利要求2所述的電力設備保護系統000)，其中，進一步配置所述控制器(106)， 以基於所述電流電平來確定所述時間周期。
4.如權利要求2所述的電力設備保護系統000)，其中，進一步配置所述控制器(106)， 以當在所述時間周期外檢測到所述光事件時激活電路保護裝置。
5.如權利要求1所述的電力設備保護系統000)，其中，進一步配置所述控制器(106)， 以接收來自所述斷路器O04)的、指示所述斷路器(204)正打開的信號。
6.如權利要求5所述的電力設備保護系統000)，其中，進一步配置所述控制器(106)， 以忽略在與所述斷路器(204)打開相關聯的時間周期期間的所述光事件。
7.如權利要求1所述的電力設備保護系統000)，其中，進一步配置所述控制器(106)， 以檢測指示所述斷路器(204)打開的所述電流電平的降低，並忽略在與所述斷路器(204) 打開相關聯的時間周期期間的所述光事件。
8.控制器(106)，用來與電力設備保護系統(200)—起使用，所述控制器包括處理器(110)，其配置成從電流傳感器(10 接收代表測量的電流電平的信號；從光傳感器(104)接收代表光事件的檢測的信號；以及確定所述光事件是否來源於斷路器(204)的操作。
9.如權利要求8所述的控制器(106)，進一步包括配置成存儲斷路器跳間數據的存儲區(108)，所述斷路器跳間數據包括多個電流電平和在所述多個電流電平的每個處斷路器 (204)打開所需的相應時間周期。
10.如權利要求9所述的控制器，其中，進一步配置所述處理器(110)，以確定在配置所述斷路器O04)以響應所述電流電平而打開期間的時間周期內是否檢測到所述光事件。
全文摘要
本發明名稱為「用於使用光和時間鑑別來檢測電弧閃光事件的方法、系統、和設備」。電力設備保護系統(200)包括斷路器(204)、配置成測量通過電路的電流的電流傳感器(102)、配置成檢測光事件的光傳感器(104)、以及通信耦合到電流傳感器(102)和光傳感器(104)的控制器(106)，其中，配置控制器(106)以確定光事件是否來源於斷路器(204)的操作。
文檔編號H02H3/10GK102403691SQ20111027872
公開日2012年4月4日 申請日期2011年9月6日 優先權日2010年9月8日
發明者D·E·德爾費諾, G·W·羅斯克, R·J·卡吉亞諾, T·F·小帕帕洛 申請人:通用電氣公司