CN101604586B - 电弧遏制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电弧遏制装置和方法。该电弧遏制装置包括具有用于气体的逸出的多个通孔的冲击防护罩，该冲击防护罩构造成围绕电弧源。该装置还包括具有与多个通孔大致对准的多个开口的内壳，该内壳构造成为电弧源提供电绝缘基座。所设置的外壳设在内壳的周围，该外壳构造成将气体引向装置外的环境。

Description

电弧遏制装置和方法

技术领域

本发明一般地涉及用于减小电弧的效果的技术，尤其涉及电弧遏制(arc containment)。

背景技术

电弧闪光可以被定义为与由电弧引起的能量释放相关的情况。该能量释放呈光和热的形式，并常常引起压力波或冲击波。当两个导体之间的绝缘体(通常仅为空气)不再能够承受它们之间的电压时，发生电弧闪光，导致绝缘击穿。由电弧闪光现象产生的能量是导体之间的电压、现象期间的电流以及该现象的持续时间的函数。为了降低或减小这些现象的有害效果，设计工程师具有诸如接地技术和限流熔断器的选择，以降低系统电压或故障电流。然而，在某些情况下，降低电弧故障清除时间(clearing time)是降低因电弧故障而导致的允许通过的能量的另一种方法。

当遏制电弧闪光时，所释放的高能量水平能够伴随大约数十至数百巴的非常高的压力波，该压力波的瞬时压力和极限压力取决于短路电流的量级、容器的体积和性质。因此，容器的成本随着电流的量级而指数地增加。由于电弧周围的气体或气化的成分的瞬时发热而产生冲击波。由冲击波产生的压力也可能非常高，大约数百巴，且为电流量级和容器壁离电弧的距离的函数。冲击波在电弧形成的初始阶段期间发生。在容器内形成因膨胀气体导致的极限压力，且通常为诸如现象的持续时间、短路电流的量级、以及遏制腔室的体积的因素的函数。

因此，需要一种设计为用最小的尺寸和成本来承受冲击波和高压的电弧遏制方法。

发明内容

根据本发明的一个实施例，提供了一种电弧遏制装置。该电弧遏制装置包括还具有用于气体的逸出的多个通孔(aperture)的冲击防护罩，该冲击防护罩构造成围绕电弧源。该装置还包括具有与多个通孔大致对准的多个开口的内壳，该内壳构造成为电弧源提供电绝缘基座。外壳设置在内壳的周围，该外壳构造成将气体引向装置外的环境。

根据另一个实施例，提供了一种制造电弧遏制装置的方法。该方法包括将冲击防护罩设置在内壳内，该冲击防护罩包括与内壳中的开口大致对准的多个通孔。该方法还包括将外壳设置在内壳的周围，该外壳构造成为内壳和外壳之间的气体提供通道。该方法还包括将电弧源安装在冲击防护罩内的电绝缘基座上。

根据另一个实施例，提供了一种将电弧遏制在电弧遏制装置内的方法。该方法包括：通过冲击防护罩来遏制源于电弧源的冲击波；经由冲击防护罩的多个通孔和围绕冲击防护罩的内壳上的多个开口来排出气体；以及经由位于内壳和外壳之间的通道引导气体。

根据另一个实施例，提供了一种电弧遏制装置。该装置包括：围绕电弧源的冲击防护罩，该冲击防护罩构造成遏制冲击波；以及围绕冲击防护罩的壳体，该壳体构造成为电弧源提供电绝缘基座。

附图说明

当参考附图阅读以下的详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其他的特征、方面以及优点，贯穿所有附图，相似的符号代表相似的部件，其中：

图1是包括电弧遏制装置的电力系统的示意图；

图2是电弧遏制装置的图示；

图3是图示某些示范性的构件和电弧源的电弧遏制装置的分解图；

图4是图3的电弧遏制装置的部分截面图；

图5是图示用于引导气体的通风孔的电弧遏制装置的截面图；以及

图6是根据本发明的一个实施例的不通风的电弧遏制装置的截面图。部件列表10 电力系统12 电源14 短路器16 母线18 负载20 电弧极系统22 电弧遏制装置24 电弧闪光检测系统26 电信号监视系统28 电弧闪光判断系统30 传感器32 电参数34 非电参数36 电弧闪光38 电弧故障信号42 电弧遏制装置44 外壳46 肋48 通风孔50 通风孔52 支撑组件58 内壳60 孔62 冲击防护罩64 通孔66 波状凸起(corrugation)68 孔70 电极72 电极74 电极76 电绝缘基座80 通道82 等离子体枪84 电触头86 电触头88 紧固件90 紧固件92 去离子板96 烧蚀层98 烧蚀层100 开口106 不通风的电弧遏制装置108 壳体110 冲击防护罩112 电绝缘基座

具体实施方式

参照图1，电力系统被图示且总体上由参考标号10表示。在所图示的实施例中，电力系统10包括电源12，该电源构造成经由断路器14向负载18传输电力。在一个示范性的实施例中，电源12构造成向共同的母线16传输交流电流或交流电力。本文中所图示的电力系统10包括三相结构。在另一个实施例中，电力系统10可以包括单相结构。电源12和负载18还经由共同的母线16而耦合到电弧极系统20(电弧源)上。电弧极系统20的一个示例包括但不限于电弧撬杠(arc crowbar)装置。电弧极系统20被封闭在电弧遏制装置22内。

电弧闪光检测系统24构造成检测电力系统10内的电弧闪光现象36，且还包括电信号监视系统26、电弧闪光判断系统28以及传感器30。电信号监视系统26构造成监视电力系统中的可能因电弧闪光现象而出现的电流变化。在一个示例中，电信号监视系统26包括电流互感器。另外，电弧闪光判断系统28构造成接收来自电信号监视系统26的电参数32和来自传感器30的参数34。本文中所使用的术语“参数”是指源自电弧闪光26的诸如光、热辐射、声、压力或射频信号的参数。因此，在这样的一个实施例中，非电类传感器包括光学传感器。在电弧闪光现象36的情况下，电弧闪光判断系统28基于参数32和34产生电弧故障信号38。电弧故障信号38还触发电弧极系统20。如本领域技术人员将会意识到的，电弧极系统20有助于减小电弧闪光现象的效果。

电弧极系统20构造成产生电弧故障，该电弧故障在电弧遏制装置22内产生第二电弧闪光40。电弧闪光40放出强光、声音、压力波以及冲击波形式的大量的能量。其还引起导致高压的电极的气化。(这种电弧故障促进从电弧闪光36转移能量)。可以注意到，依靠其功能性，电弧极系统20包括足够坚固以遏制由电弧闪光40导致的冲击波和高压的壳体或电弧遏制装置22。在下文中，详细地讨论电弧遏制装置22的构造和功能性。

在本发明的一个实施例中，电弧遏制装置可以为如图2、3、4以及5所示的通风的电弧遏制装置。在本发明的另一个实施例中，电弧遏制装置可以为不通风的电弧遏制装置(图6)。不通风的电弧遏制装置典型地占据更多体积。例如，在600伏的系统中，针对65kA/5周期的电弧闪光能量，不通风的电弧遏制装置可能占据约0.1立方米的体积，而对于相同的电弧闪光能量等级，通风的电弧遏制装置可能占据小于0.01立方米的体积。然而，可以注意到，可以取决于安装位置的要求而使用适当的电弧遏制装置(通风的或不通风的)。

图2图示了根据本技术的一个方面实施的一个示范性的电弧遏制装置42。可以注意到，可以将电弧遏制装置42实施为图1中所提及的用于电弧极系统20的电弧遏制装置22。在所图示的实施例中，电弧遏制装置42包括外壳44。外壳可以由诸如金属、非导电材料、合成物等任何合适的材料制成。肋46设置在外壳表面的周围，以改善外壳的机械强度(尤其是抵抗由装置内的电弧闪光导致的高内压的能力)。通风孔48和50设在外壳44的底侧。然而，可以注意到，在所图示的示范性的实施例中，一个单独的这样的通风孔大致绕着外壳的整个较低的周边延伸。外壳被安装到支撑组件52上。支撑组件52包括电绝缘基座(在图2中不可见)，当装置被如图所示地组装时，该电绝缘基座将位于外壳内。

图3图示了图2的示范性的电弧遏制装置42的分解图。根据所图示的实施例，如图3所示，电弧遏制装置42包括诸如外壳44、内壳58、冲击防护罩62以及支撑组件52的各种构件。在一个具体的实施例中，冲击防护罩包括导电材料或非导电材料。在本发明的一个实施例中，内壳包括导电材料或非导电材料。

在目前所关注的实施例中，通过穿过由诸如参考标号60表示的孔的螺丝(未显示)将外壳44紧固在内壳58上。通过外壳44、内壳58以及支撑件52中的大致对准的孔来容纳这些螺丝。因此，这些构件恰当地定位并牢固地保持在一起以抵抗由电弧遏制装置内的电弧闪光现象导致的冲击波和高压。外壳设置在内壳58的周围。冲击防护罩62设置在内壳58内。在目前所关注的实施例中，冲击防护罩62包括围绕其周边的波状凸起66。波状凸起66通过扩散和挠曲而帮助吸收冲击波。如本领域技术人员将会意识到的，与不具有吸收相似量级的冲击波和高压的冲击防护罩的装置相比，通过使用冲击防护罩62，可以充分地降低电弧遏制装置42的体积构造。在冲击防护罩62的顶部表面上设置有通孔64，这些通孔大致与内壳58上的开口对准，以用于由图1中所提及的电弧闪光40的加热而导致的气体的逸出。外壳和内壳被紧固至支撑组件52上。支撑组件52包括与孔60对准的孔68，以容纳紧固件。电极70、72以及74被安装在支撑组件52上，形成电弧源。设置有延伸穿过支撑组件的电接触杆(未显示)以便于电极到电源(例如，电力母线)的连接。支撑组件52可以由任何合适的电绝缘的材料和合成物制成，从而为电极提供电绝缘基座76。

图4是示范性的电弧遏制装置42的截面组装图。如上所述，使电弧遏制装置42的构造为刚性，以承受来自电弧闪光现象的高压和冲击波。内壳58被容纳在电绝缘基座76上。可以注意到，电绝缘基座76是图3中所提及的支撑组件52的一部分。冲击防护罩62设置在电极的周围。冲击防护罩62构造成通过冲击防护罩62的表面上的波状凸起66来吸收在电弧闪光的情况下所产生的冲击波。内壳58设置在冲击防护罩62的周围。通孔64设置在冲击防护罩62上且开口设置在内壳58上，用于气体的通过。外壳44设置在内壳58的周围，以促成位于内壳58和外壳44之间的用于气体逸出的通道80。等离子体枪82放置在固定到电绝缘基座76上的电极70、72以及74的中心。在一个实施例中，作为减小电弧的技术，等离子体枪82注入等离子体，从而响应于图1中所提及的电弧故障信号38而产生电弧故障。电极经由电触头84和86以及第三电触头(未显示)而连接到外部电路上。外壳44和内壳58经由紧固件88和90而紧固到电绝缘基座76上。去离子板92设置在通道80中，以在气体从电弧遏制装置42放出之前将其去离子化。

图5是电弧遏制装置42的部分截面图。装置42的构造包括外壳44，该外壳设置在内壳58的周围，以提供位于内壳58和外壳44之间的通道80。烧蚀层96设置在外壳44的内表面上。第二烧蚀层98设置在内壳58的外表面上。在一个示范性的实施例中，烧蚀层包括诸如但不限于迭尔林、特氟隆或聚丙烯的烧蚀聚合物。可以结合诸如喷涂、安装板材等的设置烧蚀层96和98的各种方法。通道80在底部具有通风孔48和50，以将气体排出至装置42之外。烧蚀层96和98通过烧蚀来吸收在通道80中产生的在图1中所提及的电弧闪光40的情况下由气体产生的热。冲击防护罩62设置在内壳58内。电极70、72以及74被容纳在电绝缘基座76上。冲击防护罩具有对准于内壳58上的开口100的通孔64。在此通过示例显示了两个这样的通孔64和开口100。许多这样的通孔64和相应的开口100可以分别设置在冲击防护罩62和内壳58上。如本领域技术人员将会意识到的，通孔64和开口100被对准，以用于气体的通过。去离子板92邻近通孔64设置。

图6图示了不通风的电弧遏制装置106的透视图。装置106包括壳体108、冲击防护罩110、电绝缘基座112以及电极70、72、74。在所图示的实施例中，形成电弧源的电极被封闭在不通风的电弧遏制装置106内。在图1中所提及的电弧闪光40的情况下，冲击防护罩110构造成吸收由电弧闪光释放出的冲击波。冲击防护罩110包括位于其表面周围的波状凸起，该波状凸起在吸收冲击波的期间提供挠性。可以注意到，波状凸起通过提供更多的暴露于冲击波的表面面积来提供冲击波的扩散。壳体108设置在冲击防护罩110的周围并固定到电绝缘基座112上。电绝缘基座112为电极70、72以及74提供支撑。

这样的电弧遏制装置有利地降低了装置内的高压，使较低的运行压力成为可能。该装置还扩散了冲击波，因而有利于紧凑的构造。所以，根据所公开的技术，达成了电弧遏制装置的简化构造设计和紧凑尺寸。

虽然在本文中仅图示和描述了本发明的某些特征，但本领域技术人员将会想到许多变型和变换。因此，应当理解，所附的权利要求书旨在覆盖所有落入本发明的真实要旨内的这样的变型和变化。

Claims (6)

1.一种用于从发生在电力系统内的第一电弧闪光转移能量的装置，所述装置包括：

电弧源，其构造成产生第二电弧闪光；

等离子体枪，其构造且设置成响应于在所述电力系统内的第一电弧闪光而在所述电弧源附近注入等离子体；

具有用于气体的逸出的多个通孔的冲击防护罩，该冲击防护罩构造成围绕所述电弧源和所述等离子体枪；

内壳，其包括与所述多个通孔大致对准的多个开口以便允许气体从在所述冲击防护罩的内部的区域流到在所述内壳的外部的区域，该内壳构造成为所述电弧源提供电绝缘基座；

设置在所述内壳的周围的外壳，该外壳构造成将气体引向该装置外的环境；

第一烧蚀层，其设置在所述内壳的外表面上；以及

第二烧蚀层，其设置在所述外壳的内表面上；

其中，所述内壳和所述外壳隔开以便在所述内壳和所述外壳之间形成通道，所述通道设置成与通风孔流体连通以便允许气体从在所述通道的内部的区域流到在所述外壳的外部的区域；并且

所述通道设置在所述第一烧蚀层和所述第二烧蚀层之间。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，使所述冲击防护罩具有波状凸起，以响应于接收由电弧现象导致的冲击波而挠曲。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冲击防护罩包括导电材料或非导电材料中的至少一种。

4.一种制造电弧遏制装置的方法，包括：

将冲击防护罩设置在电弧源上使得所述电弧源包含在所述冲击防护罩中，该冲击防护罩包括多个通孔；

将内壳设置在所述冲击防护罩上使得所述冲击防护罩包含在所述内壳中，所述内壳包括多个开口；

将外壳设置在所述内壳的周围使得所述内壳包含在所述外壳中；

将电弧源安装在所述冲击防护罩内的电绝缘基座上；以及

牢固地将所述外壳和所述内壳紧固到所述电绝缘基座上；

其中，将内壳设置在所述冲击防护罩上包括将所述多个开口设置成与所述通孔对准；并且

将外壳设置在所述内壳的周围包括在所述外壳和所述内壳之间形成通道，并且还包括在所述通道中设置烧蚀材料；

其中，在所述通道中设置烧蚀材料包括：

在所述内壳的外表面上设置第一层烧蚀材料；和

在所述外壳的内表面上设置第二层烧蚀材料。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述冲击防护罩包括具有波状凸起的冲击防护罩。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，将内壳设置在所述冲击防护罩上还包括将所述多个开口和所述多个通孔对准。