包括具有带接口的脱扣单元的断路器的开关设备 |
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| 申请号 | CN201310341841.4 | 申请日 | 2013-08-07 | 公开(公告)号 | CN103762515A | 公开(公告)日 | 2014-04-30 |
| 申请人 | 伊顿公司; | 发明人 | J·J·本克; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及包括具有带 接口 的脱扣单元的 断路器 的 开关 设备。开关设备（2）包括多个汇流条（4）；和多个断路器（6）。至少一个所述断路器包括脱扣单元（8）。脱扣单元包括针对与开关设备操作性地相关联的至少一个 电弧 故障 传感器 （12）的接口（10）。脱扣单元构造成响应于流过所述至少一个所述断路器中对应的一个断路器的 电流 和来自所述至少一个电弧故障传感器的电弧故障 信号 （16）而使所述至少一个所述断路器中所述对应的一个断路器和一 短路 开关（14）中的至少一者脱扣。 | ||||||
| 权利要求 | 1.开关设备（2），包括： |
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| 说明书全文 | 包括具有带接口的脱扣单元的断路器的开关设备技术领域背景技术[0002] 电力系统结合有用于控制和保护目的的开关。形成整个电力系统一部分的配电系统包括安装在金属箱柜中的主电力母线和分支电力母线以及断路器以形成开关设备。通过电路断续器来中断配电系统的母线中的电流流动随着电路断续器的触点打开而形成电弧。由中断引起的这些电弧在电路断续器的通常操作过程中被抑制和熄灭。 [0003] 电路断续器如断路器采用用于保护电导体免于因过大的电流而受损的过流脱扣（跳闸）单元。例如，基于微处理器的过流脱扣单元采用可调节的脱扣特性来连续监测流过断路器的电流并引发脱扣。 [0004] 在开关柜内，例如在电力母线之间或在电力母线和接地金属部件之间，可能发生意外的电弧故障。这些电弧故障会产生高能气体，高能气体对结构和附近人员造成威胁。当在带电电路上或周围执行维护时尤其如此。工人常常在不经意间使电力母线短接，由此在封壳内产生电弧故障。所引起的电弧爆炸（arc blast）构成极大危险并且可能导致伤害或甚至死亡。该问题由于封壳门通常为了维护而打开而加重。 [0005] 保护人员免受开关设备中的电弧故障危害的常用方案是将金属封壳设计成耐受源于电弧故障的爆炸。由于所使用的大尺寸金属和防止飞散碎屑所需的大量焊接接头，实现这一点要花费很大的额外成本。即使采用了这些预防措施，也无法遏制源于开关设备内部的电弧故障的爆炸。 [0006] 近来，已开发出用以尽量减小源于内部电弧故障的爆炸的严重程度的方法。这些方法包括压力感测和光检测，它们感测开关设备内的电弧故障并且在会引起严重损害之前使断路器脱扣。压力感测方法受限于压力传感器的不灵敏。等到箱柜压力已升高至可检测的水平时，电弧故障已经导致了严重损害。 [0007] 在中压系统中，内部电弧故障将在开关设备封壳内部的某处频繁地发生，但当然不限于连接了服务于负载的电缆的部位。 [0008] 在低压系统如马达控制中心中，内部电弧故障可例如在维护线路配电板时发生在负载中心配电板内。裸露的带电铜母线可能被无意地短接。对于低压和中压两种系统的另一个示例是啮齿动物、蛇或者其它动物或物体使导体短接。 [0010] 中压系统的表现将与低压系统类似；然而，中压系统不太可能自行熄灭。短路开关的撬杆作用（crowbarring）将使电弧熄灭。一旦电弧消失，并且如果短路点已烧尽或被去除，则系统电力可恢复。 [0011] 已知采用高速短路开关来消除电弧故障。已知的电弧消除装置和系统在电力母线上（例如，相与相之间，如用于三相的两个开关；相与地之间，如用于三相的三个开关）产生金属性短路故障（bolted fault），以便消除电弧故障并防止由于电弧爆炸引起的设备损害和人身伤害。还已知针对该目的采用各种类型的撬杆开关。在电力母线上引起的短路致使上游断路器通过断电而清除金属性短路故障。参见例如美国专利号6,633,009和6,657,150。结果，系统电力由于上游断路器的脱扣而失去。 [0012] 通过感测流过电力母线的电流和与例如电力母线的电弧故障相关的弧闪或弧光两者，已知的短路开关电子电路除短路开关外还具有使上游断路器脱扣的其它选择。 [0013] 开关设备存在改进的空间。 发明内容[0014] 通过所公开的构思的实施例来满足这些和其它需求，所述实施例提供了一种针对作为断路器脱扣单元一部分的一定数量的电弧故障传感器的接口，以及断路器脱扣单元响应于所感测出的电流和来自针对所述一定数量的电弧故障传感器的所述接口的所感测出的电弧故障而使短路开关和/或对应的断路器脱扣的能力。 [0015] 根据所公开的构思的一个方面，开关设备包括：多个汇流条；和多个断路器，至少一个所述断路器中包括：脱扣单元，其中脱扣单元包括针对（连接到）与开关设备操作性地相关联的至少一个电弧故障传感器的接口，并且其中脱扣单元构造成响应于流过所述至少一个所述断路器中对应的一个断路器的电流和来自所述至少一个电弧故障传感器的电弧故障信号而使所述至少一个所述断路器中所述对应的一个断路器和一短路开关中的至少一者脱扣。 [0016] 作为所公开的构思的另一个方面，开关设备包括：多个汇流条；短路开关，短路开关构造成使一定数量的所述汇流条与大地短接或彼此间短接；和多个断路器，至少一个所述断路器包括：脱扣单元，脱扣单元包括针对与开关设备操作性地相关联的至少一个电弧故障传感器的接口，并且脱扣单元构造成响应于流过所述至少一个所述断路器中对应的一个断路器的电流和来自所述至少一个电弧故障传感器的电弧故障信号而使所述至少一个所述断路器中所述对应的一个断路器和所述短路开关中的至少一者脱扣。 [0017] 作为所公开的构思的另一个方面，中压开关设备包括：多个汇流条；和多个中压断路器，至少一个所述中压断路器包括：与所述多个汇流条相互电连接的多个导体；多个电流传感器，每个所述电流传感器与所述导体中对应的一个导体成一体；和脱扣单元，脱扣单元包括针对与中压开关设备操作性地相关联的至少一个电弧故障传感器的第一接口和针对电流传感器的第二接口，并且脱扣单元构造成响应于流过导体的电流和来自所述至少一个电弧故障传感器的电弧故障信号而使所述至少一个所述中压断路器中对应的一个中压断路器和一短路开关中的至少一者脱扣。附图说明 [0018] 当结合附图阅读时可从以下对优选实施例的描述充分理解所公开的构思，在附图中： [0019] 图1是根据所公开的构思的实施例的开关设备的框图。 [0020] 图2-4是根据所公开的构思的其它实施例的图1的开关设备的框图。 [0021] 图5是根据所公开的构思的另一实施例的图1的开关设备的简化等轴视图。 [0022] 图6-8是根据所公开的构思的其它实施例的图1的开关设备的框图。 [0023] 图9-11是根据所公开的构思的其它实施例的图1的开关设备的简化等轴视图。 [0024] 图12是根据所公开的构思的其它实施例的包括短路开关的开关设备的框图。 [0025] 图13A和13B是根据所公开的构思的其它实施例的包括短路开关和一体式电流传感器的中压开关设备的等轴视图。 [0026] 附图标记列表 [0027] [0028] [0029] 具体实施方式[0030] 如文中所用，术语“数量”应当指一或大于一的整数（即，多个）。 [0032] 如文中所用，术语“脱扣单元”应具有其在与电路断续器如低压或中压断路器联用时的通常含义，并且还应当指如通常与中压断路器联用的外部保护继电器、一体式保护继电器或一体式继电器。 [0033] 如文中所用，术语“断路器”应具有其在应用于低压或中压断路器时的通常含义，并且还应当指固定式断路器、固定安装的断路器、或抽出式断路器。 [0034] 如文中所用，术语“抽出式断路器”应具有其在应用于低压或中压断路器时的通常含义，并且还应当指可抽出的断流器或可抽出的断路器。 [0036] 如文中所用，术语“中压”应当指高于低电压并且在从约1000VRMS至约38kVRMS的范围内的任何电压。 [0037] 如文中所用，关于两个或更多个部分/部件“连接”或“联接”在一起的表述应当指所述部分直接连结在一起或通过一个或多个中间部分连结在一起。此外，如文中所用，关于两个或更多个部分被“附接”的表述应当指所述部分直接连结在一起。 [0038] 参照图1，开关设备2包括多个汇流条4和多个断路器6。至少一个断路器6包括脱扣单元8。脱扣单元8包括接口（I）10，该接口针对与开关设备2操作性地相关联的至少一个电弧故障传感器12。脱扣单元8响应于流过所述至少一个断路器6中对应的一个断路器的电流和来自所述至少一个电弧故障传感器12的电弧故障信号16而使所述对应的一个断路器6和短路开关14（用虚线图示出）中的至少一者脱扣。 [0039] 下面的示例1-20描述了对应于图1的各种示例性构型。 [0040] 示例1 [0041] 如图2所示，所述至少一个断路器6是一个主断路器18，并且所述至少一个电弧故障传感器12连接到主断路器18的脱扣单元8的接口（I）10。 [0042] 示例2 [0043] 图3示出所述至少一个断路器6是一个主断路器20，并且所述至少一个电弧故障传感器12是连接到所述一个主断路器20的脱扣单元8的接口（I）10的多个电弧故障传感器22、24。 [0044] 示例3 [0045] 参照图4，所述至少一个断路器6是一个主断路器26和至少一个分支断路器28。所述至少一个电弧故障传感器12是多个电弧故障传感器30、32。电弧故障传感器30连接到所述一个主断路器26的脱扣单元8的接口10。电弧故障传感器32连接到所述至少一个分支断路器28的脱扣单元8的接口10。 [0046] 示例4 [0047] 图5示出所述至少一个断路器6是一定数量的抽出式断路器34。所述至少一个电弧故障传感器12是一定数量的点式传感器36。所述一定数量的点式传感器36中的每个通过所述一定数量的抽出式断路器34中对应的一个断路器34的二级线束38连接到该断路器的脱扣单元8（也在图1中示出）的接口10（在图1中示出）。 [0048] 点式传感器如36是仅感测开关设备2的一个特定的点或区域的传感器。点式传感器36感测光，然后对光进行分析以检查其是否与坏弧相关。点式传感器采用铜导体37，该铜导体可通过二级连接器（未示出）与断路器脱扣单元8电连接。二级连接器是位于开关设备2中的抽出式断路器34上面的导体和安装支架。不存在以此方式连接“光纤”电缆的已知方式。光纤电缆仅能从一个点延伸到另一个点。相比之下，点式传感器如36能够通过二级线束38（在图9、10和13A中最佳地示出）一直连接到开关设备2和抽出式断路器34的二级连接器（未示出）。 [0049] 示例5 [0050] 图1-5的脱扣单元8安装在开关设备2（图1）的一定数量的断路器6内，以便提供检测电弧且然后快速解决该问题的一体式保护继电器。这有助于既保护开关设备2又保护人的生命。 [0051] 示例6 [0052] 由脱扣单元8提供的一体式保护继电器处理与流过对应的断路器6的电流（如通常流过电流传感器39（图1））对应的传感器输入，和来自所述至少一个电弧故障传感器12的电弧故障信号16，并且决定是使断路器6脱扣、还是使高速短路开关14脱扣、还是使断路器6和短路开关14两者脱扣。例如而非限制地，断路器6可在约35mS内闭合或打开，高速短路开关14可在约6mS内操作。对于较低级别的电弧问题，使断路器6脱扣是好的方案，因为可避免整个开关设备2的关断。然而，对于较高级别的电弧问题，积累了大的电弧能量并且高速短路开关14的示例性的6mS时间快到足以避免损害。因此，脱扣单元8可选择使断路器6和/或高速短路开关14脱扣。 [0053] 示例7 [0054] 参照图6，由脱扣单元8提供的一体式保护继电器可具有连接到一个主断路器42的多个电弧故障传感器40。或者，如图7所示，多个电弧故障传感器44连接到多个断路器46的脱扣单元8。 [0055] 示例8 [0056] 图1的所述至少一个电弧故障传感器12可为连接到一定数量的断路器6的脱扣单元8的接口10的光纤传感器。电弧故障传感器12可为如上文关于示例4所述的点式传感器，或者可为整段或大段的光纤可吸入光的光纤弧光传感器（下称“光纤传感器”）。光纤传感器可例如而非限制地在10个或更多个区段内卷绕。 [0057] 示例9 [0058] 再参照图6，用于由脱扣单元8提供的一体式保护继电器的电弧故障传感器40可以是连接到保护继电器的前面的一定数量的点式传感器和/或一定数量的光纤传感器。所有这些电弧故障传感器40连接到脱扣单元8的接口10。 [0059] 示例10 [0060] 图1的断路器6可包括正在由维护人员维护的断路器，和/或开关设备2的主断路器。 [0061] 示例11 [0062] 还参照示例6，脱扣单元8可响应于流过对应的一个断路器6的电流和来自一定数量的电弧故障传感器12的电弧故障信号16而仅使短路开关14（在图1中用虚线图示出）脱扣。 [0063] 示例12 [0064] 还参照示例6，脱扣单元8可响应于流过对应的一个断路器6的电流和来自一定数量的电弧故障传感器12的电弧故障信号16而仅使该对应的一个断路器6脱扣。 [0065] 示例13 [0066] 还参照示例6，脱扣单元8可响应于流过对应的一个断路器6的电流和来自一定数量的电弧故障传感器12的电弧故障信号16而使短路开关14（在图1中用虚线图示出）和该对应的一个断路器6两者脱扣。 [0067] 示例14 [0068] 在该示例中，图1的开关设备2是低压开关设备并且所述至少一个电弧故障传感器12是构造成安装在接近开关设备2时的维护人员身上的人员保护传感器。人员保护传感器12连接到脱扣单元8的接口10。 [0069] 人员保护传感器12安装在接近开关设备2（例如，接近其前面）的维护人员身上。维护人员将人员保护传感器12连接到与正被维护的断路器6对应的断路器脱扣单元8以增加安全性。或者，维护人员连接到与图4的主断路器26对应的断路器脱扣单元8。通过任一连接，由脱扣单元8提供的一体式保护继电器工作。否则，在常规的非维护操作期间，所述一定数量的电弧故障传感器12不工作。示例性的脱扣单元8通过电弧和电流两者的存在而处理脱扣。对于可选的快速脱扣能力而言，高速短路开关14（在图1中用虚线图示出）可在6mS内操作。 [0070] 人员保护传感器12可联接到人的衣服（例如，衬衣）。其目的是保护步入用于开关设备2的房间内的人员。例如，人员可走到开关设备2的前面，对其进行作业，改变设置，检查特征结构，并检查仪表。在这整个过程中，他们都受到保护，因为人员保护传感器12可发送电弧故障信号16以使对应的断路器6脱扣和/或使高速短路开关14脱扣。 [0071] 示例15 [0072] 在该示例中，图1的开关设备2是中压开关设备。除了脱扣单元8是“断路器一体式继电器”并且维护人员将人员保护传感器12连接到与正被维护的断路器6对应的断路器一体式继电器以增加安全性之外，该示例与示例14类似。 [0073] 如果断路器6是低压断路器，则脱扣单元8是脱扣单元而非一体式继电器。 [0074] 对于传统的中压断路器，代替术语“脱扣单元”，对应的术语通常被称为外部保护继电器或简称为保护继电器，其位于传统中压断路器的外部。 [0075] 对于所公开的脱扣单元8，所公开的构思除所公开的“一体式保护继电器”或“一体式继电器”外还可采用外部保护继电器，该外部保护继电器是断路器6的一部分而不是开关设备2的一部分。 [0076] 为了方便文中的说明，术语“脱扣单元”结合低压断路器采用，而术语“一体式保护继电器”结合中压断路器采用。在其它方面，所公开的构思可采用基本相同的装置，对于低压断路器为“脱扣单元”，对于中压断路器为“一体式保护继电器”。 [0077] 示例16 [0078] 在该示例中，开关设备2是如图8所示的低压开关设备48，并且所述至少一个电弧故障传感器12是穿过（遍及）低压开关设备48和/或接近所述多个汇流条4走线（延伸，route）的单根光纤电缆50。在构造开关设备48时，单根光纤电缆50穿过开关设备走线。单根光纤电缆50可走线进出每个位置。例如，文中公开的光纤传感器实际上是整段或大致整段的光纤可吸入弧光的光纤电缆。因此，例如而非限制地，通过可容易地弯曲到任何适当的空间内的一根较长的光纤电缆，可在开关设备48的10个或更多个区段（例如而非限制，顶部区段；中间区段；底部区段；配线区段；开关设备区段）内铺设6英尺、12英尺、20英尺或更长的光纤电缆。在此示例中，接口10包括两个光纤连接，以便可偶尔通过输出光脉冲来测试光纤电缆50。 [0079] 或者，单根光纤电缆50仅在开关设备48的对应于汇流条4的区域内走线。光纤电缆50然后走线到用于开关设备48的主断路器（例如图4的24）的前面并安装到对应的脱扣单元8的前面。示例性的脱扣单元8通过电弧和电流的存在而处理脱扣。对于可选的快速脱扣能力，高速短路开关14（在图1中用虚线图示出）可在6mS内操作。 [0080] 示例17 [0081] 在该示例中，图1的开关设备2是如图9所示的中压开关设备52。中压开关设备52被收纳在具有外门56的封壳54中。中压开关设备52包括主断路器58并且所述至少一个电弧故障传感器12是单根光纤电缆60，光纤电缆60穿过外门56走线以便覆盖对开关设备52外部的弧光的感测，并且走线到主断路器58的脱扣单元8的接口10。 [0082] 弧光极亮并且由燃烧的等离子或超热的熔融金属产生。结果，开关设备52内部的电弧（例如，通常被掩盖在较小的密闭区域内）在开关设备52的外部、开关设备52的前方及其不同隔室（未示出）中可见。弧光在小的开口中、螺栓孔后面和穿过金属门的门缝出现。光纤电缆60可走线到开关设备52的内部或外部以提供保护。在大部分情况下，光纤电缆在开关设备52的内部走线（例如，默认构型）。然而，在用户升级旧设备并且不希望在开关设备52中爬行、钻孔和增加一定数量的电弧故障传感器的情况下，光纤电缆可安装在开关设备52的外部。 [0083] 在该示例中，光纤电缆60“穿过开关设备52的门”走线到与主断路器58对应的断路器一体式继电器（脱扣单元8）。 [0084] 如示例16中的低压开关设备传统上“穿过门”安装，这意味着当站立在开关设备48（图8）的前方时可在开关设备48的外侧看见断路器。或者，中压开关设备如52传统上“位于门的后面”，这意味着在向中压开关设备52看去时存在实心钢门，例如56。要看到断路器如58，必须打开该门56。 [0085] 示例18 [0086] 作为示例17的替换，如图10所示，单根光纤电缆62在外门64后面并穿过中压开关设备66或接近多个汇流条68走线到对应的断路器如70（其为抽出式断路器）的脱扣单元（一体式继电器）8的接口10。在该示例中，光纤电缆62被断开以将抽出式断路器70从中压开关设备66拉出。 [0087] 该示例有些类似于示例6，以下除外：开关设备是中压开关设备66，光纤电缆62“在门后面”走线到断路器70，并且光纤电缆62被断开以将断路器70从开关设备66拉出。 [0088] 示例19 [0089] 参照图11，开关设备72可以是包括抽出式断路器74的低压开关设备。在构造开关设备72时，点式传感器76穿过开关设备72在一定数量的期望位置或接近多个汇流条78走线。例如而非限制地，一个点式传感器76可走线到一个断路器74A，多个点式传感器76可走线到一个断路器74B，或者多个点式传感器76可仅走线到主断路器80。点式传感器76可经由抽出式断路器74的二级配线82走线；因此，断路器74可被拉入和拉出而不会存在任何问题，这是因为可获得螺杆（未示出）的撬动作用，这将断路器74从开关设备72的外部推入或推出开关设备72。示例性的脱扣单元8通过电弧和电流的存在而处理脱扣。对于可选的快速脱扣能力，高速短路开关14（在图1中用虚线图示出）可在6mS内操作。 [0090] 示例20 [0091] 作为对示例19的替换，开关设备72可以是中压开关设备。 [0092] 示例21 [0093] 图12示出包括多个汇流条86、构造成使一定数量的汇流条86与大地89短接或彼此间短接的短路开关88和多个断路器90的开关设备84。至少一个断路器90包括脱扣单元92。脱扣单元92包括接口（I）94，该接口针对与开关设备84操作性地相关联的至少一个电弧故障传感器96。脱扣单元92响应于流过对应的一个断路器90的电流和来自所述至少一个电弧故障传感器96的电弧故障信号98而使以下中的至少一者脱扣：（a）该对应的一个断路器90，和（b）短路开关88。 [0094] 在该示例中，开关设备84是低压开关设备。 [0095] 以下示例22-27描述了对应于图12的各种示例性构型。 [0096] 示例22 [0097] 有些类似于示例21，开关设备84可以是中压开关设备。 [0098] 示例23 [0099] 除了应用于图12的开关设备84和短路开关88之外，该示例类似于示例16。 [0100] 示例24 [0101] 除了应用于图12的开关设备84和短路开关88之外，该示例类似于示例17。 [0102] 示例25 [0103] 除了应用于图12的开关设备84和短路开关88之外，该示例类似于示例18。 [0104] 示例26 [0105] 除了应用于图12的开关设备84和短路开关88之外，该示例类似于示例19。 [0106] 示例27 [0107] 除了应用于图12的开关设备84和短路开关88之外，该示例类似于示例20。 [0108] 示例28 [0109] 图13A-13B示出了包括多个汇流条102和多个中压断路器104、105的中压开关设备100。至少一个中压断路器104、105包括与所述多个汇流条102相互电连接的多个导体106、多个电流传感器108（每个电流传感器都与对应的一个导体106成一体）、和脱扣单元 110（例如而非限制地，一体式保护继电器）。脱扣单元110包括针对与中压开关设备100操作性地相关联的至少一个电弧故障传感器114的第一接口112和针对电流传感器108的第二接口116。脱扣单元110构造成响应于流过导体的电流和来自所述至少一个电弧故障传感器114的电弧故障信号120而使以下中的至少一者脱扣：（a）所述至少一个中压断路器 104、105中对应的一个，和（b）短路开关118。 [0110] 除了脱扣单元110包括一体式电流传感器108之外，该示例类似于示例15。如图13B所示，电弧传感器114与中压断路器105成一体。 [0111] 以下示例29和30描述了对应于图13A和13B的各种示例性构型。 [0112] 示例29 [0113] 除了应用于图13A和13B的开关设备100和一体式电流传感器108之外，该示例类似于示例20。 [0114] 示例30 [0115] 除了应用于图13A和13B的开关设备100和一体式电流传感器108之外，该示例类似于示例17。 [0116] 示例31 [0117] 所公开的构思采用断路器脱扣单元8（例如而非限制地，低压断路器脱扣单元；中压断路器保护继电器）来提供电弧感测。这提供了具有所公开的针对光纤电缆或点式传感器的接口10的传统脱扣单元的相对很低成本的升级。这提供了完整的电弧保护系统，该系统比已知的电弧保护系统小得多。所公开的构思支持低压和中压断路器和开关设备，以及大范围的电弧故障传感器。 [0118] 示例32 [0119] 如文中所用，可采用一个电弧故障传感器或适当的任意多个电弧传感器。例如，多于一个的电弧传感器输出可被发送到图1的断路器脱扣单元8以采取行动。此外，可采用传统的“收集器”单元（未示出）以向一个收集器输入多个电弧信号如16，然后向断路器脱扣单元接口10输出单个信号如16以采取行动。 [0120] 示例33 [0121] 脱扣单元8和电弧传感器接口10与图1的断路器6成一体。这减小或消除了配线的可变性、成本、安装成本和出错机会。另外，工厂测试可覆盖断路器6、电流传感器108（图13A-13B）、脱扣单元8和电弧故障传感器12（图1）。 [0122] 虽然已详细描述了所公开的构思的特定实施例，但本领域技术人员应理解，可借鉴本公开的整体教导开发出这些细节的各种变型和替换方案。因此，所公开的特定布置结构旨在仅为说明性的而非限制所公开的构思的范围，该范围由所附权利要求及其任何和全部等同物的完全内容给定。 |
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