CN1438489A - 用于检测电力系统中的闪弧故障的自供电的装置和方法 - Google Patents

Abstract

即使在存在背景光的情况下，由检测器来检测电力系统中的闪弧故障，所述检测器由该闪弧产生的光来供给能量。检测器具有一个或多个第一光伏电池，其由通过第一滤波器的光提供能量以产生检测的光电信号，该第一滤波器的通带包括该闪弧材料的特征波长。由经第二滤波器滤波的光对一个或多个第二光伏电池提供能量以产生一背景光电信号，该第二滤波器的通带不包括该特征波长。这两个电信号被相反地施加于一LED，当存在闪弧时，LED被接通。来自该LED的光信号被传送至光电电路，由其产生一闪弧信号。

Description

用于检测电力系统中的 闪弧故障的自供电的装置和方法

技术领域

本发明涉及即使在存在其他光源的情况下使用由闪弧(arcing)发出的光对电力系统中的闪弧故障进行检测的技术。更具体地，其涉及由该发出的光提供能量而不需要外部能源的这样一种装置和方法，且其使用廉价光纤与中央电子设备进行通信。

背景技术

电力系统包括用于控制和保护目的的开关。形成该整个电力系统一部分的分配系统包括安装在金属机箱内形成开关装置(switchgear)的主电源总线、分支电源总线和断路器。在断路器的触点打开时，由该断路器所造成的分配系统的总线中的电流中断会产生电弧。在断路器的正常操作过程中，由中断产生的这些电弧会得到抑制并被消灭。

然而，常常是，会在开关装置机箱内例如在总线之间，或在总线和接地金属元件之间产生不期望的闪弧故障(arcing fault)。这样的闪弧故障会产生出高能气体，其对该装置和附近的人员构成一种威胁。一种使人员免受开关装置中的闪弧故障的伤害的常用方法是设计金属罩来抵抗来自该闪弧故障的冲击。然而，由于要使用大尺寸的金属且需用无数的焊接接头来防止飞屑，因此这样做要付出巨大的额外代价。即使有了这些预防措施，由开关装置中的闪弧故障所造成的冲击也不能总是得到充分的控制。

近来，已开发出若干用于降低来自内部闪弧故障的冲击的严重程度的方法。这些方法包括压力检测和光检测，它们检测该开关装置内的闪弧故障，且在可能产生严重损害之前使断路器断路。该压力检测方法受到压力检测器缺乏敏感性的限制。在机箱压力上升至可检测的级别之前，该闪弧故障已经造成严重的损害。迄今所使用的光检测方法是没有选择性的，因而任何光信号都能触发该检测器。因此，由服务人员使用的手电筒，或日光或闪光灯都可能会错误地触发该光学检测器。为避免这些对光学检测器的错误触发，已经提出或者直接或者通过检测由该电流产生的磁场将光学检测和电流检测结合起来进行。不幸的是，这些方法费用昂贵且还没有被证明是可靠的。

美国专利No.6,229,680公开了一种用于在存在其他光源的情况下光学检测电力系统中的闪弧故障的装置和方法。聚集来自电力系统中的各元件的光并将它们分成两个光束。使第一束光穿过第一窄带滤波器以提取该材料的闪弧的波长特征，所述材料例如开关装置导体中的铜。使第二束光穿过具有窄带宽的第二滤波器，该窄带宽不包括上述特定波长。分别由光二极管将该提取的光信号转换为检测的光电信号和背景光电信号并进行比较。如果该检测的光电信号超出该背景光电信号一选择的阈值，则驱动例如为脱扣螺线管(trip solenoid)的输出装置。尽管有效，但该结构要求具有一对分开的光纤的分叉光纤束，用于每个被监控的元件。这些光纤光缆易碎且价格昂贵。此外，在光纤聚光端的光学器件所提供的视角有限。另一种结构是将光二极管紧靠待被监控的每个元件，该结构要求向这些光检测器中的每一个分配能量，而且其提供的视角也窄。

因此需要一种用于检测电力系统元件中的闪弧的改进的装置和方法，要求其经济而且不需要昂贵的特殊光纤，且优选通过电弧自己提供能量，从而消除能量分配的需要。

发明内容

本发明提供了一种改进的装置和方法，用于即使在存在其他光源的情况下检测电力分配系统中的闪弧故障。一检测器单元包括第一光电装置，其响应于第一波长带的入射光产生检测的光电信号，其中所述第一波长带的入射光包括由闪弧故障产生的预定波长的光。该检测器单元的第二光电装置由包括来自该元件的第二波长带的光，但不包括所述预定波长的光的入射光产生背景光电信号。电路装置将第一光电装置和第二光电装置连接至一电激励发光装置，且同时使得该检测的光电信号和背景光电信号相反，以在该检测的光电信号超出该背景光电信号一选择的指示闪弧故障的阈值量时激励该发光装置发出一光信号。一响应单元包括传送来自检测器单元的发光装置的光信号的光纤，光电装置基本上仅响应于由该光纤传送的光信号，用于响应于该光信号产生一闪弧信号。当光纤主要用于传送数字光信号以及提供检测器单元和输出闪弧信号之间的电隔离时，其可以是低成本装置。此外，在电力系统中可以重复的检测器单元是自己提供能量的，因此无需分配激励能源。此外，该光电装置具有宽的视角，因此无需光学系统来聚光，或者可降低所需检测器单元的数量。

每个光电装置可包括至少一个光伏电池和滤波装置，第一光电装置所具有的滤波器的通带等于包含由闪弧故障产生的预定波长的第一波长带，用于第二光电装置的滤波器的通带等于不包含闪弧故障的预定波长的第二波长带。

在另一实施例中，一偏置电信号被加至由第一光伏电池产生的信号。该偏置电信号可由一个或多个附加的光伏电池产生，所述一个或多个附加的光伏电池将它们的电输出加至第一光伏电池的电输出上，使得该发光装置被偏置至其操作点，从而可降低该过滤光伏电池的大小或个数以降低费用。

根据本发明的方法包括从来自该元件的光中提取第一波长带的光，并将该第一波长带的光施加至第一光伏电池以产生一检测的光电信号，所述第一波长带包括由闪弧故障产生的预定波长。从来自该元件的光中还提取出不包括该预定波长的第二波长带的光，并将其施加至至少一个第二光伏电池以产生一背景光电信号。从该检测的光电信号中减去该背景光电信号，且当该检测的光电信号超出该背景光电信号一预定阈值量时，产生一检测器光信号。一光电装置暴露于该检测器光信号以产生一闪弧故障信号。

附图说明

通过结合附图阅读以下对优选实施例的描述，可全面理解本发明。在所述附图中：

图1为一铜电弧的光谱辐照度曲线；

图2为太阳光的光谱辐照度曲线；

图3为根据本发明第一实施例的检测器的示意图；

图4A为根据本发明第二实施例的检测器的示意图；

图4B为图4A中示出的实施例的修改形式的示意图；

图5为根据本发明的装置的示意图，包括该电子装置的示意电路图；

图6为示出将本发明应用于开关装置中的电弧保护的示意图。

具体实施方式

如在专利No.6,229,680中的装置，本发明根据这样一个事实，即电力系统中的闪弧故障产生该发出电弧的材料的光特征。例如，在电力系统中，该材料通常为用于导体中的铜。图1示出铜电弧的光谱的一个例子。如图所示，有几条发射线，其中强峰出现在521.820nm位置。在大约490nm和590nm之间有其他一些相对较强的发射线；然而，在600nm及以上位置活动性则相当小。不幸的是，可能存在于该被监控的环境中的其他光源也发出包括某些该相同波长的光。例如，如图2所示，太阳光的光谱相当宽，虽然在大约520nm处已具有强发射线，但其在大约600nm处仍具有强发射。其他可能存在的光源，例如荧光灯、钨灯、手电筒和闪光灯，的主要照辐度在600nm位置，而在大约520nm处的辐照度则相当小。根据本发明，选择两个带宽的光来检测该闪弧的存在并区分该闪弧和其他光源。为此目的，使用具有选择通带的滤波器。所选择的第一滤波器的通带包括该闪弧材料的波长特征，在该例中，该材料为铜。由此，所选择的第一滤波器的通带包括521.82nm。所选择的第二滤波器的通带不包含该特征波长。在该示例性装置中，所选择的该滤波器的通带的中心大约在600nm。所选择的每个通带的带宽能够在灵敏度和分辨率之间产生适当的折衷。该带宽可高达大约25nm，但优选为大约5-10nm。带宽越窄，则检测的分辨率越强，但灵敏度却随着带宽的变窄而降低。

本发明的闪弧故障检测器采用检测器单元中的光伏电池。图3示出检测器单元1的一种形式。该检测器单元1包括第一光电装置3，该第一光电装置3包括至少一个，或多个串联连接的光伏电池5，和第一滤波器7，其对入射到光伏电池5的光进行滤波。该第一滤波器7的通带的中心在该闪弧材料的特征波长，例如521，820nm处。

检测器1包括第二光电装置9，其又包括一个或多个串联连接的光伏电池11，和第二滤波器13，其对入射到该光伏电池11的光进行滤波且其通带不包括该闪弧材料的特征波长，在该示例性系统中该通带的中心例如在大约600nm处。

第一光电装置3响应于被滤波的入射光产生一检测的光电信号，类似地，第二光电装置9产生一背景光电信号，该信号的幅度依赖于在第二滤波器13的通带内的光辐照度。电路15具有与第一光伏电池3串联连接的第一分支15₁和类似地与第二光伏电池11串联连接的第二分支15₂，该电路15将这两个电信号相反地连接至例如为发光二极管(LED)17的发光装置。当存在闪弧时，由第一光电装置3产生的检测的光电信号超出由第二光电装置9产生的背景光电信号一阈值量，该阈值量足以打开LED17。而在不存在闪弧时，由于在第一滤波器7的通带中的某些辐照，第一光电装置3将产生一检测的光电信号，其不足以克服由第二光电装置9产生的背景光信号对LED17的反偏效应。事实上，在背景光为来自白炽灯泡或手电筒的荧光的情况下，该背景光电信号会大大超出该检测的光电信号且使LED17严重反偏，其中所述白炽灯泡或手电筒在第一滤波器7的通带的辐照度非常低，但在第二滤波器13的通带的辐照度则相当高。滤波器7和13可以是干扰滤波器，当然也可以使用较廉价的带通滤波器。

图4A示出检测器单元1′的另一个实施例，其在电路15的第一分支15₁加入一偏置产生器19，其形式为与第一光电装置3串联连接的一个或多个附加的光伏电池21。这将一正向偏置施加于LED17，因此可使用更少或更小的过滤光伏电池5和11。这还减小了滤波器7和13的尺寸，且由此降低了其成本。由于未向该附加的光伏电池21提供滤波器，因此降低了该检测器的总成本。可按图4B所示对图4A的实施例进行修改使得虽然将检测器1″的偏置产生电池21放置为与过滤光伏电池5和11均串联，但仍提供正向偏置LED17的相同效果。

通过使用光伏电池5、11和21，图3和4中的检测器1和1′自己提供能量。此外，即使没有光学器件，该光伏电池的视角也比在上述背景技术中描述的较早的光学闪弧检测器中使用的分叉光纤电缆的大。

图5示出本发明的闪弧故障检测器22。检测器单元1(或1′)被连接至包括光电电路25的响应装置23。该光电电路包括光电二极管27，其由检测器1产生的光信号激励。该光信号通过光纤29被从检测器1发送至光电检测器27。这允许光电电路25远离被监控的元件，在该元件处，闪弧故障检测器用于例如中压开关装置中。这使光电电路25离开该中压的附近，所述中压例如15KV，否则可能会在电子装置中产生电磁干扰。由此，光纤29为光电电路25提供了电隔离。当由检测器1产生的光信号主要为一数字信号时，即在检测到闪弧故障时为通(on)，在不存在闪弧故障时为断(off)的情况下，低成本光纤即可适用于完成传送该数字光信号以及向该光电电路25提供电隔离的双重功能。

由一适当的直流供给电压例如+V_cc向该光检测器27提供能量。在存在闪弧时，由LED17产生的光信号打开光电检测器27，该光电检测器使电流流过电阻器31。由该电流产生的跨越该电阻器31的电压被光电放大器33充分放大以接通晶体管35。该晶体管35将该触发信号提供给一单稳多谐振荡器37。通常，晶体管35截止(off)，以便上拉(pull-up)电阻器39将+V_s施加于该单稳多谐振荡器37的触发输入端。当检测器通过光纤29提供光信号以接通该光电检测器27时，该晶体管35被接通，上拉本来下降至地的该单稳多谐振荡器37的触发输入。这使得该多谐振荡器的输出Q的V_out变高。由电容器43和电阻器45形成的RC电路41复位该单稳多谐振荡器37以使其再次变低，因此V_out为一脉冲信号。可使用由V_out表示的闪弧故障信号来设置警报，和/或使断路器断路，或者相反地，启动保护或通知动作。选择RC电路41的时间常数，使得所产生的脉冲持续时间足以激励该期望的输出装置。

图6示意性地示出本发明的光学闪弧故障检测器22在分配系统开关装置中的应用。该开关装置47包括一金属开关装置柜49。典型地，该开关装置机箱49被分为前室51、中室53和后室55。前室51被垂直分为若干单元57，其中容纳有例如断路器59的电开关装置。中室53容纳包括被连接至一组垂直总线(仅能看见一根)63的水平三相总线61的刚性总线。这些垂直总线通过上快速切断(disconnect)65连接至断路器59。下快速切断67通过回路69将断路器连接至从后室55延伸来的电缆71。

本发明的光学闪弧故障检测器22可用于防止开关装置47出现闪弧故障，所述闪弧故障可能会出现于导体61-71中的任何导体之间，或出现在这些导体和金属机箱49之间。由此，检测器1可被插进单元57、中室53或后室55中，在这些地方它们可以监控闪弧故障。每个检测器1由光纤29连接至光电电路25，光电电路25可被容纳于前室51的最顶部的单元57或任何其他方便的位置。一旦检测到闪弧故障，就会通过断路引线73将由光电电路25产生的闪弧信号作为一断路信号施加至每个断路器59或高速短路开关(未示出)。还会将该闪弧信号作为断路信号发送至将切断输入总线61的能量供给的主断路器(未示出)，或发送至一远程监控站(也未示出)。

尽管详细描述了本发明的特定实施例，本专业技术人员将会理解在本公开的整个讲解的启发下可对这些细节进行多种修正和替换。相应地，所公开的具体的结构仅用于示例的目的，而并非用于限制本发明的范围，本发明的范围由附加的权利要求及其所有的或任意等价描述的全部范围来限定。

Claims (11)

1.一种用于在存在来自其他光源的光的情况下检测电力系统的元件处的闪弧故障的装置(22)，该闪弧故障在该元件处产生一预定波长的光，来自其他光源的光可能会包括该预定波长的光，该装置包括：

检测器单元(1，1′)，包括：

第一光电装置(3)，用于从包含来自该元件的第一波长带的光的入射光产生一检测的光电信号，所述第一波长带包括该预定波长；

第二光电装置(9)，用于从包含来自该元件的第二波长带的光的入射光产生一背景光电信号，所述第二波长带不包括该预定波长；

电激励的发光装置(17)，用于当被电激励时发出光信号；和

电路装置(15)，其将第一光电装置(3)和第二光电装置(9)连接至该发光装置(17)，且同时使得该检测的光电信号和背景光电信号相反，以在该检测光电信号超出该背景光电信号一指示闪弧故障的阈值量时电激励该发光装置(17)发出该光信号；以及

响应单元(23)，包括

光纤(29)，其传送来自该发光装置(17)的光信号；和

光电装置(25)，其基本上仅响应于由该光纤(29)传送的光信号，以响应于该光信号产生闪弧信号。

2.根据权利要求1的装置(22)，其中，第一光电装置(3)包括至少一个光伏电池(5)和在该至少一个第一光伏电池(5)和该元件之间且通带等于第一波长带的第一滤波装置(7)，且其中第二光电装置(9)包括至少一个第二光伏电池(11)和在该至少一个第二光伏电池(11)和该元件之间且通带等于第二波长带的第二滤波装置(13)。

3.根据权利要求2的装置(22)，其中该至少一个第一光伏电池(5)包括多个光伏电池，该至少一个第二光伏电池(11)包括多个第二光伏电池，且该电路装置(15)包括串联连接该多个第一光伏电池(5)的第一分支(15₁)，和串联连接该多个第二光伏电池(11)的第二分支(15₂)，该第一和第二分支(15₁，15₂)并联连接至该发光装置(17)。

4.根据权利要求2的装置(22)，其中该检测器单元(1′)还包括偏置装置(21)，用于响应于周围光产生一偏置电信号，且电路装置(15)连接该偏置装置(21)以将该偏置电信号加至该检测的光电信号。

5.根据权利要求4的装置(22)，其中该偏置装置(21)包括至少一个第三光伏电池。

6.一种在存在来自其他光源的光的情况下检测电力系统中的元件处的闪弧故障的方法，该闪弧故障在该元件处产生一预定波长的光，来自其他光源的光可能会包含该预定波长的光，该方法包括：

从来自该元件和存在的任何其他光源的光中提取包括该预定波长的第一波长带的光，并将该第一波长带的光施加至至少一个第一光伏电池(5)以产生一检测的光电信号；

从来自该元件和存在的任何其他光源的光中提取不包括该预定波长的第二波长带的光，并将该第二波长带的光施加至至少一个第二光伏电池(11)以产生一背景光电信号；

从该检测的光电信号中减去该背景光电信号；

当该检测的光电信号超出该背景光电信号一预定的阈值量时，产生一检测器光信号；以及

将一光电装置(27)暴露于该检测器光信号以产生一闪弧故障信号。

7.根据权利要求6的方法，其中将该光电装置暴露于该检测器光信号包括通过一光纤(29)将该检测器光信号传送至该光电装置(27)。

8.一种用于在存在来自其他光源的光的情况下检测一电力系统的元件处的闪弧故障的装置(22)，该闪弧故障在该元件处产生一预定波长的光，且来自其他光源的光可能会包括该预定波长的光，该装置包括：

检测器单元(1，1′)，当包括来自该元件的光的入射光包含的第一波长带的光超出该入射光中第二波长带的光一选择的量时，该检测器单元响应于该入射光产生一光信号，其中第一波长带包括该预定波长，第二波长带不包括该预定波长，该检测器单元仅由该入射光供给能量；和

响应装置(23)，包括一光电装置(27)，其响应于该光信号产生一闪弧故障信号。

9.根据权利要求8的装置(22)，其中该响应装置(23)还包括一将光信号从检测器单元(1，1 ′)传送至光电装置(27)的光纤(29)。

10.根据权利要求9的装置(22)，包括多个检测器单元(1，1′)，其每一个响应于来自该电力系统中不同元件的光，和多个光纤(29)，其每一个将由一检测器单元(1，1′)产生的光信号传送至光电装置(27)，该光电装置被操作来响应于来自该多个检测器单元(1，1′)的任何一个的光信号产生闪弧信号。

11.根据权利要求10的装置(22)，其中该检测器单元(1，1′)包括：

第一光电装置(3)，用于从包括来自该元件的第一波长带的光的入射光中产生一检测的光电信号，所述第一波长带包括该预定波长；

第二光电装置(9)，用于从包括来自该元件的第二波长带的光的入射光中产生一背景光电信号，所述第二波长带不包括该预定波长；

电激励发光装置(17)，用于当被电激励时发出一光信号；和

电路装置(15)，其将第一光电装置(3)和第二光电装置(9)连接至发光装置(17)，且同时使得该检测的光电信号和该背景光电信号相反，以在该检测的光电信号超出该背景光电信号一指示闪弧故障的阈值量时电激励该发光装置(17)发出该光信号。

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