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控制開(kāi)關(guān)裝置及使用其的方法與流程

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控制開(kāi)關(guān)裝置及使用其的方法與制造工藝

本申請(qǐng)要求2013年12月8日提交給美國(guó)專(zhuān)利商標(biāo)局的申請(qǐng)?zhí)柗謩e為61/913351、61/913362,名稱(chēng)均為“控制開(kāi)關(guān)裝置及使用其的方法”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)權(quán)益。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電子工程領(lǐng)域。本發(fā)明特別涉及一種用于減少商業(yè)和工業(yè)電力系統(tǒng)中電弧閃光發(fā)生和限制其浪涌電流的裝置和方法。更具體地說(shuō),本發(fā)明涉及控制開(kāi)關(guān)裝置(CSDs)及使用其的方法。此外,本發(fā)明允許增加設(shè)施的電容量。



背景技術(shù):

在大型工業(yè)及商業(yè)樓宇中,變壓器通電可能會(huì)產(chǎn)生額定電流15倍的大浪涌電流。這種狀況下要求一定的安全系數(shù)以切斷這些電流,其使得保護(hù)繼電器的敏感設(shè)置無(wú)用,導(dǎo)致高入射能量故障,往往產(chǎn)生電弧閃光事件。

在大型工業(yè)設(shè)施中,電弧閃光是造成人身傷害和死亡的主要原因之一。要求的安全系數(shù)和浪涌電流的作用也限制連接到配電系統(tǒng)的變壓器的大小。

圖1示出了一種典型的商業(yè)/工業(yè)設(shè)施與公共設(shè)施的連接關(guān)系。配電系統(tǒng)(1)供給商業(yè)或工業(yè)設(shè)施。熔斷器(2)具備一個(gè)公共設(shè)施輸入的值,其常常限制變壓器的大小或給其盡可能小尺寸以清除變壓器浪涌。斷路器(3)是用戶端的裝置,出于維修目的或安全原因斷路器與設(shè)施隔離,而且斷路器能夠使用戶端的設(shè)備免受過(guò)流損壞。主電力變壓器(4)把配電網(wǎng)上的電壓降低到一個(gè)較低的值以為設(shè)施(5)中的負(fù)載(6)供電。很多時(shí)候,因?yàn)樵摫Wo(hù)裝置的切斷時(shí)間不夠快,即使檢測(cè)到故障,仍然會(huì)發(fā)生電弧閃光(7)事件。保護(hù)繼電器(8)檢測(cè)過(guò)載、短路和其它電氣故障。在上述情況下, 斷路器(3)跳閘。

如圖2所示,商業(yè)或工業(yè)設(shè)施中的浪涌電流主要是由主電力變壓器(4)的失控通電引起的。當(dāng)變壓器失控通電時(shí),其先前的去磁造成變壓器磁心內(nèi)的剩余磁通是造成高浪涌電流的原因,從而導(dǎo)致變壓器飽和。此時(shí),由于該浪涌電流,保護(hù)繼電器(8)的設(shè)置必須考慮到高水平的浪涌電流,因此這些裝置對(duì)下游設(shè)施(5)中的故障不太敏感。由于保護(hù)裝置不太敏感,故障檢測(cè)不太能有效地避免和減輕電弧閃光事件。此外,由于浪涌電流能夠上升到15倍的額定電流,因此設(shè)施的電容量會(huì)由于變壓器通電對(duì)配電系統(tǒng)的影響而受到限制。

當(dāng)電流流過(guò)導(dǎo)體之間的空氣時(shí)發(fā)生電弧閃光。它釋放由銅、鋼或鋁等外殼材料的成分氣化產(chǎn)生的強(qiáng)光、熱量、聲音和電弧爆炸。電力系統(tǒng)中電弧閃光事件造成的傷害是最痛苦和昂貴的安全隱患之一。

圖4示出了用于保護(hù)協(xié)調(diào)模擬的單線圖。在本例中,公共系統(tǒng)(18)供給公共總線(19)。用戶總線通過(guò)熔斷器(20)連接到公共總線。

在用戶方,變壓器(24)將電平從25KV變換至600V??梢允謩?dòng)操作斷路器(23)以隔離用戶負(fù)載(25)或通過(guò)過(guò)流繼電器(22)斷開(kāi)斷路器。

如圖5所示,時(shí)間-電流坐標(biāo)曲線圖中,必須設(shè)置用戶過(guò)流保護(hù)繼電器(28)以便克服最壞情況下的變壓器浪涌(29)。在同一圖中,繼電器允許180A的連續(xù)電流。因?yàn)闆](méi)有使用CSD,因此浪涌電流可能會(huì)非常高(高達(dá)15倍的變壓器滿載電流)。為此,將過(guò)流保護(hù)繼電器(28)的瞬時(shí)部分設(shè)定在1400A。

圖7示出了用于保護(hù)協(xié)調(diào)模擬的單線圖,其中設(shè)置為:F級(jí);AFB=9.91ft。根據(jù)這些設(shè)置以及圖7所示的內(nèi)容,故障切斷時(shí)間(FCT)可上升到20個(gè)周期(準(zhǔn)確地說(shuō)FCT=20.339個(gè)周期),由此產(chǎn)生的入射能量(IE)達(dá)52cal/cm2(準(zhǔn)確地說(shuō)在18時(shí)IE=52.4cal/cm2)。Ibf為58.32kA。在最后一個(gè)例子中,使用了圖4中的一些元件。公共系統(tǒng)(34)、公共總線(35)、用戶總線(36)、變壓器(38)、過(guò)流保護(hù)繼電器(37)和用戶負(fù)載(39)。 這種能量對(duì)在附近工作的人是致命的。需要注意的是,無(wú)論何時(shí)都應(yīng)當(dāng)避免在每平方厘米大于或等于40卡路里水平下工作,因?yàn)樵诖怂较碌碾娀¢W光事件會(huì)引發(fā)爆炸危險(xiǎn)。在這最后一個(gè)例子中,使用了圖4中的一些元件:公共系統(tǒng)(34)公共總線(35)、用戶總線(36)、變壓器(38)、過(guò)流保護(hù)繼電器(37)和用戶負(fù)載(39)。此外,圖5示出了變壓器熱極限(27)和熔斷器特性(26)。

圖9示出圖4例子的保護(hù)協(xié)調(diào)曲線,但其使用的是8MVA的變壓器(24)而非5MVA的。在本例中,過(guò)流保護(hù)繼電器(50)仍允許180A的連續(xù)電流,但此時(shí)將過(guò)流保護(hù)繼電器(50)的瞬時(shí)部分設(shè)定在2280A以克服較大變壓器的較大浪涌電流(51)。圖9示出了過(guò)流保護(hù)繼電器(50)的設(shè)置不能在其本身和公共熔斷器(48)之間提供足夠的間隙,因此,這種較大變壓器的連接不能用于公共設(shè)施。圖9還示出了變壓器的熱限制(49)。

控制開(kāi)關(guān)裝置,或CSDs,在高電壓變電站已經(jīng)使用了許多年。直到現(xiàn)在,一個(gè)CSD的價(jià)格一直居高不下,但最近的技術(shù)發(fā)展使得專(zhuān)門(mén)用于中壓應(yīng)用的更實(shí)惠的CSD設(shè)計(jì)變得可能。

因此,需要一種新的技術(shù),通過(guò)限制變壓器浪涌電流并允許更靈敏的保護(hù)設(shè)置,使得連接到典型配電網(wǎng)的商業(yè)和工業(yè)電力設(shè)施中的電弧閃光入射能量顯著減少。

也需要一種新的技術(shù),以增加電力設(shè)施的電容量。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

本發(fā)明涉及一種通過(guò)限制其浪涌電流以減少商業(yè)和工業(yè)電力設(shè)施中電弧閃光發(fā)生的技術(shù)。此外,本發(fā)明允許增加設(shè)施的電容量。

本發(fā)明首先涉及一種用于降低用戶負(fù)載內(nèi)的電弧閃光的方法,用戶負(fù)載(5)由一電流供電,該電流由包括一斷路器的電路控制。該方法包括如下步驟:為該電路提供一控制開(kāi)關(guān)裝置(CSD),其適于發(fā)送一打開(kāi)或關(guān)閉的命令到該斷路器以便同步打開(kāi)或關(guān)閉的機(jī)械操作,以減少發(fā)送到該電路的 浪涌電流。

優(yōu)選地,在本文中公開(kāi)的方法進(jìn)一步包括如下步驟:調(diào)節(jié)該CSD以在最佳的電角度關(guān)閉該電路的斷路器,以減少浪涌電流。斷路器可以向下連接到過(guò)流保護(hù)繼電器。在這種情況下,該方法還進(jìn)一步包括如下步驟:調(diào)整繼電器的靈敏度,以獲得更短的故障切斷時(shí)間并將入射能量水平降低為無(wú)害水平。

該控制開(kāi)關(guān)裝置與一變壓器連接。該方法還進(jìn)一步包括如下步驟:計(jì)算該變壓器內(nèi)的剩余磁通,以計(jì)算切換斷路器的最佳的電角度。

本文公開(kāi)的方法包括如下步驟:在變壓器的通電期間減少或消除浪涌電流。

該電路可以由通過(guò)包括熔斷器的配電系統(tǒng)的電流供給。熔斷器可以向下連接到斷路器。該方法還可以進(jìn)一步包括如下步驟:根據(jù)浪涌電流的功能配置熔斷器的尺寸,以維持較高的浪涌電流。該方法還可以進(jìn)一步包括如下步驟:將變壓器更換為具有較大電功率的變壓器,同時(shí)使得熔斷器的值相同并且維持過(guò)流保護(hù)繼電器和熔斷器之間的充分的選擇性和協(xié)調(diào)性。

本發(fā)明還可以涉及一種電路,其包括一斷路器并由一電流電供給。該電路進(jìn)一步包括一控制開(kāi)關(guān)裝置(CSD),用于發(fā)送一打開(kāi)或關(guān)閉的命令到該斷路器以便將其打開(kāi)和關(guān)閉的機(jī)械操作與最佳的電角度同步,以減少用戶負(fù)載中電弧閃光事件。

可以調(diào)節(jié)該CSD以在最佳的電角度關(guān)閉電路的斷路器,以減少浪涌電流。

本文所公開(kāi)的電路中,該斷路器可向下連接到具有靈敏度的一過(guò)流保護(hù)繼電器,所述過(guò)流保護(hù)繼電器用于獲得更短的故障切斷時(shí)間并將入射能力水平降低為無(wú)害水平。

本文所公開(kāi)的電路中,借助于包括一熔斷器的一配電系統(tǒng),該電流可以被提供給該電路。該熔斷器可以連接到該斷路器,并且具有根據(jù)潛在浪涌電流的功能的選定尺寸。本文所公開(kāi)的電路包括具有一額定功率的一變壓器, 該額定功率受限于向熔斷器輸入最大電流值的公用設(shè)施。設(shè)置過(guò)流保護(hù)繼電器以維持熔斷器足夠的協(xié)調(diào)性和選擇性。

本發(fā)明利用一控制開(kāi)關(guān)裝置(CSD)通過(guò)在一個(gè)最佳的電角度閉合電路的斷路器來(lái)控制電力變壓器通電,以減少提供給電路的浪涌電流。

本發(fā)明允許顯著減少連接到典型配電網(wǎng)的商業(yè)和工業(yè)電力設(shè)施中的電弧閃光入射能量。本發(fā)明允許限制變壓器浪涌電流并且提供更靈敏的保護(hù)設(shè)置。

本發(fā)明還允許增加這些設(shè)施的電容量。通過(guò)使用一控制開(kāi)關(guān)裝置實(shí)現(xiàn)了浪涌電流的減小,其可替代地被稱(chēng)為波形臨界點(diǎn)(POW)控制器,更優(yōu)選為智能控制器設(shè)計(jì)的控制開(kāi)關(guān)裝置。

目前,由于可上升至額定電流的15倍浪涌電流,保護(hù)設(shè)置不夠靈敏。電能本質(zhì)上是系統(tǒng)電壓×歷經(jīng)時(shí)間×電流。本發(fā)明中,可以將保護(hù)設(shè)置為更低的水平,從而增加保護(hù)的靈敏度并且減少跳閘和隔離故障的時(shí)間,因此最小化故障能量并且減輕電弧閃光水平。此外,本發(fā)明允許增加設(shè)施的電容量。

本發(fā)明中認(rèn)為具有新穎性的特征在所附的權(quán)利要求書(shū)中具體闡述。

附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明

本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)通過(guò)接下來(lái)的描述將變得更加顯而易見(jiàn),參考附圖如下,其中:

圖1示出了商業(yè)或工業(yè)設(shè)施到配電系統(tǒng)的典型連接(現(xiàn)有技術(shù))。

圖2示出了浪涌電流的一個(gè)例子(現(xiàn)有技術(shù))。

圖3示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的控制開(kāi)關(guān)裝置的實(shí)現(xiàn)。

圖4示出了用于仿真的單線圖(現(xiàn)有技術(shù))。

圖5示出了不含CSD的5MVA變壓器的保護(hù)裝置坐標(biāo)曲線圖(現(xiàn)有技術(shù))。

圖6示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的包含CSD的5MVA變壓器的保護(hù)裝置坐標(biāo)曲線圖,以及更靈敏的保護(hù)設(shè)置。

圖7示出了不含CSD的5MVA變壓器的入射能量(IE)水平和故障切斷時(shí)間(現(xiàn)有技術(shù))。

圖8示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的包含CSD的5MVA變壓器的入射能量(IE)水平和故障切斷時(shí)間,以及更靈敏的保護(hù)設(shè)置。

圖9示出了不含CSD的8MVA變壓器的保護(hù)裝置坐標(biāo)曲線圖(現(xiàn)有技術(shù))。

圖10示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的包含CSD的8MVA變壓器的保護(hù)裝置坐標(biāo)曲線圖,以及更靈敏的保護(hù)設(shè)置。

具體實(shí)施方式

一種新穎的控制開(kāi)關(guān)裝置和使用其的方法將在下文進(jìn)行描述。雖然通過(guò)具體實(shí)施例的方式說(shuō)明本發(fā)明,但應(yīng)該理解的是,在此描述的實(shí)施例僅僅作為示例,并且本發(fā)明的范圍并不局限于此。

本發(fā)明提供了一種用于降低在配備有電源變壓器且連接到典型配電網(wǎng)的商業(yè)和工業(yè)電力設(shè)施中的電弧閃光入射能量的新技術(shù)和方法。

“商業(yè)和工業(yè)電氣裝置”,指的是任何工業(yè)或商業(yè)負(fù)載,其可以包括任何種類(lèi)的電氣設(shè)備,如電機(jī)、照明系統(tǒng)、加熱和冷卻系統(tǒng)、自動(dòng)生產(chǎn)線、電爐等。

“更嚴(yán)格的保護(hù)設(shè)置”,指的是設(shè)置保護(hù),以便如果發(fā)生故障,考慮到浪涌電流,保護(hù)的跳閘速度比它通常的跳閘速度快。當(dāng)浪涌電流減小時(shí),對(duì)跳閘的保護(hù)限制將降低。

如圖3所示,本發(fā)明的電路包括一CSD(16),通過(guò)在最佳的電角度閉合斷路器(10)來(lái)控制電源變壓器(11)的通電,以減少浪涌電流以及減少含負(fù)載(13)的電力設(shè)施(12)中的電弧閃光(14)事件。指揮設(shè)施(12)的斷路器(10)的CSD(16)的使用也允許增加配備電源變壓器(11)以及連接到典型配電系統(tǒng)(17)的商業(yè)和工業(yè)電力設(shè)施(12)的電容量。

該CSD(16)也被稱(chēng)為波形臨界點(diǎn)(POW)控制器。該CSD為智能 控制器,其設(shè)計(jì)成發(fā)送一打開(kāi)或關(guān)閉命令到一斷路器以便其機(jī)械操作與電網(wǎng)上的電信號(hào)同步。該機(jī)械操作優(yōu)選為在最佳的電角度執(zhí)行,以便減少或消除開(kāi)關(guān)瞬變。

為了最小化浪涌電流,該CSD(16)計(jì)算出變壓器(11)內(nèi)的剩余磁通?;谶@個(gè)信息,該CSD(16)將選擇適當(dāng)?shù)碾娊嵌纫蚤]合斷路器(10)。

其它電氣元件,如斷路器、變壓器、過(guò)流保護(hù)繼電器、熔斷器、負(fù)載、POW和CSD,可以是本領(lǐng)域公開(kāi)的那些。特別地,美國(guó)專(zhuān)利US6433980B1中描述了可用于本發(fā)明的CSD的主要功能。同時(shí),美國(guó)專(zhuān)利US7576957B2描述了可用于本發(fā)明的POW的主要功能。US6433980B1和US7576957B2的信息作為參考附上。

保護(hù)該配電網(wǎng)互連(17)的熔斷器(9)和過(guò)流保護(hù)繼電器(15),通常根據(jù)該變壓器(11)提供的變壓器浪涌電流和最大負(fù)荷能力來(lái)評(píng)價(jià)和調(diào)整。因此,浪涌電流的減小允許這些保護(hù)裝置的更嚴(yán)格的設(shè)置,以更快地檢測(cè)故障電流并降低下游入射能量水平,同時(shí)在不對(duì)公共系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響的前提下提高設(shè)施的電容量。

圖6示出了使用本發(fā)明原理的電路的保護(hù)協(xié)調(diào)的研究。在本實(shí)驗(yàn)中,CSD被用來(lái)最小化變壓器的浪涌電流。因此,保護(hù)繼電器可被參數(shù)化(32),以增加靈敏性或反應(yīng)性,以減輕入射能量水平。例如,示出了設(shè)定在600A左右的瞬時(shí)電流。該電流允許使用CSD(16)消除或切斷浪涌電流(33)。相對(duì)地,同一例中,如圖5所示,如果不使用CSD,切斷浪涌(29)所需的電流大大增加,為1400A左右。

如圖8所示,更嚴(yán)格的保護(hù)設(shè)置(D級(jí);AFB=5.86ft)通常會(huì)導(dǎo)致較低的故障切斷時(shí)間(FCT=5.960個(gè)周期),并且入射能量(IE)的水平下降到18.3cal/cm2(每平方厘米的卡路里數(shù))。在這個(gè)最后的例子中,使用與圖4相同的元件。公共系統(tǒng)(40)、公共總線(41)、熔斷器(42)、用戶總線(43)、斷路器(45)、變壓器(46)和用戶負(fù)載(47)。然而,過(guò)流保護(hù)繼電器(44)具有更嚴(yán)格的設(shè)置。圖6還示出了與圖5相同的變壓器熱極限(31)和熔斷 器特性(30)。

圖10示出了使用8MVA電力變壓器的保護(hù)坐標(biāo)曲線圖。除了變壓器(24)具有8MVA的電容量,以及CSD適于或用于最小化浪涌電流(55)之外,已經(jīng)在與圖4類(lèi)似的電力設(shè)施上做過(guò)研究。保護(hù)繼電器的靈敏度或反應(yīng)性被增加后,可以在配電系統(tǒng)中使用較大的變壓器,同時(shí)仍然允許用戶保護(hù)繼電器和公共熔斷器之間的協(xié)調(diào)。

如圖10所示,不同于5MVA的一個(gè)8MVA變壓器,可以以相同的公用熔斷器(52)的值安裝,同時(shí)仍保持了用戶保護(hù)繼電器(54)和公用保護(hù)裝置或熔斷器(52)之間足夠的選擇性和協(xié)調(diào)性。圖10示出了8MVA單元的新的變壓器熱極限(53)。

盡管上文詳細(xì)描述了本發(fā)明示例性和當(dāng)前的優(yōu)選實(shí)施例,但應(yīng)當(dāng)理解的是,創(chuàng)新概念可以以多樣的方式體現(xiàn)和采用,并且所附權(quán)利要求書(shū)意在被解釋為包括該多樣性,現(xiàn)有技術(shù)限制的變形除外。

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