專利名稱：限制接線故障能量的設(shè)備及方法和確定電系統(tǒng)安全的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過根據(jù)一檢測到的故障中斷流向或來自一負(fù)荷裝置的電流來限制供至配電網(wǎng)絡(luò)中線路內(nèi)故障處的能量。更具體來說，本發(fā)明涉及通過根據(jù)一檢測到的故障使用一個(gè)連接在一正極輸入引線與一正極輸出引線之間的一體式開關(guān)或連接在一負(fù)極輸入引線與一負(fù)極輸出引線之間的一體式開關(guān)中斷流向或來自一負(fù)荷裝置的電流來限制供至配電網(wǎng)絡(luò)中線路內(nèi)故障處的能量。
背景技術(shù)：
所述論述旨在探索一種可限制供至一電性負(fù)荷饋電電路中一故障處的能量的創(chuàng)新方案。所述特征在許多電氣系統(tǒng)中具有普遍價(jià)值且在其于危險(xiǎn)氣氛下供電的電氣系統(tǒng)中具有很大的價(jià)值。所述故障及其相關(guān)能量可變成一點(diǎn)火源并造成火災(zāi)或爆炸。
通常，已顯示具有可防止上述點(diǎn)火的能力的電氣設(shè)備、組件及系統(tǒng)被歸類為對一特定危險(xiǎn)具有本征安全性。
所述解決方案在地下煤礦開采工業(yè)中頗具市場。在所述工業(yè)中，本征安全性特別定義于許多出版物中。在美國，隸屬于美國勞動(dòng)部(US Department ofLabor)的美國礦山安全和健康管理局(Mine Safety and HealthAdministration(MSHA))制訂的美國聯(lián)邦行政法典(Code of Federal Regulations)第18部分第30條中提到了本征安全性。國際本征安全性在EN50020、IEC60079-11以及許多其它國際標(biāo)準(zhǔn)中均有提及。
作為一點(diǎn)火源的接線故障一種可作為潛在點(diǎn)火源的接線故障示于圖1中。故障4可以是電源1與負(fù)荷2之間的互連接線3中的接線或?qū)Ь€斷開。如果電流在導(dǎo)線斷開時(shí)流經(jīng)所述導(dǎo)線，就會產(chǎn)生一電弧4。所述電弧4是一潛在的點(diǎn)火源。如果接線3位于一危險(xiǎn)氣氛中，則點(diǎn)火的可能性或風(fēng)險(xiǎn)將會增加。
如果負(fù)荷裝置顯示具有維持流入故障處的電流的特性(如圖2所示)，則電弧能量或點(diǎn)火的可能性就會大大增加。例如，一類似于螺線管的電感負(fù)荷就具有此特性。負(fù)荷的電感類似于一恒定電流源6。其在發(fā)生故障期間將會使來自電源5的電流流經(jīng)互連接線7并進(jìn)入故障8。在一給定的電流電平下這將會增加點(diǎn)火的可能性或其將大大限制可確保不會發(fā)生點(diǎn)火的最大電流“安全”電平。
飛輪二極管-電感負(fù)荷的典型方案在許多工業(yè)中(包括本征安全性區(qū)域)皆普遍認(rèn)為使用飛輪二極管可在電源路徑中斷時(shí)隔離陷獲于電感負(fù)荷中的能量。飛輪二極管的應(yīng)用示于圖3中。飛輪二極管14可在電源9的路徑斷開時(shí)為陷獲于電感負(fù)荷13中的電流提供一路徑。通常，所述電源路徑可由一開關(guān)或控制裝置斷開以使負(fù)荷斷電。所述路徑或互連接線10還可由一線路內(nèi)故障12斷開。
通過簡單的電路分析表明，如果且當(dāng)故障12兩端的電壓達(dá)到電源9的輸出電壓加上飛輪二極管14的正向電壓降之和時(shí)電流將僅自故障12轉(zhuǎn)移至飛輪二極管14。通常，所述轉(zhuǎn)移發(fā)生于正常電源路徑斷開時(shí)。此將發(fā)生于例如當(dāng)負(fù)荷通過斷開電源9處的電流供給路徑而被切斷時(shí)。理想情況下，此轉(zhuǎn)移亦會在圖3所示的線路內(nèi)故障12的情況下很快地發(fā)生?！昂芸臁币庵敢淮蟠蠖逃诠┙o充分能量以產(chǎn)生一可造成爆炸或火災(zāi)的點(diǎn)火所需的時(shí)間的時(shí)間區(qū)段。
圖4中的圖形示出了圖3電路中的電流自起弧故障12至飛輪二極管14的理想轉(zhuǎn)移。倘若一起弧故障12發(fā)生于時(shí)刻t41，則圖4a所示的電弧電壓將會在時(shí)刻t4l出現(xiàn)并在時(shí)刻t42急劇增加至電源電壓加上飛輪二極管正向電壓降之和的電平。圖4b所示的電弧電流在時(shí)刻t41至?xí)r刻t42之間的時(shí)段內(nèi)仍將恒定保持于負(fù)荷電流的電平。在時(shí)刻t42處，飛輪二極管14變成正向偏壓并接受如圖4c所示的電流轉(zhuǎn)移。供至電弧的功率(即圖4a中的電弧電壓乘以圖4b中的電弧電流)示于圖4d中。此轉(zhuǎn)移過程依賴于所述二極管的正向偏壓。應(yīng)了解，當(dāng)電流自電弧至二極管的轉(zhuǎn)移開始時(shí)，電弧的負(fù)阻抗特性將會加速所述轉(zhuǎn)移。當(dāng)電弧中的電流開始降低時(shí)，電弧電壓趨向于增加并因而會更快地轉(zhuǎn)移電流。
飛輪二極管的缺點(diǎn)上述對電弧的評價(jià)忽略了電弧的一個(gè)重要電特性。實(shí)際上，通過電弧焊及其它等離子弧制程可知，電弧可具有一限電壓特性。實(shí)際電弧電壓與許多因素有關(guān)，包括為電弧饋電的放電點(diǎn)的幾何形狀、觸點(diǎn)材料、溫度、氣氛氣體組成等等。因此，對于由一故障所致的電弧而言，不存在預(yù)定的精確電壓。實(shí)際上，所述電壓可能會由于燃弧條件的變化而發(fā)生范圍較寬的波動(dòng)。電弧電壓相對于電源電壓而言是不確定的。圖4所示的上述電流轉(zhuǎn)移實(shí)例依賴于一試圖立即超過電源電壓的電弧電壓。
圖5中的圖形示出了當(dāng)某一時(shí)段內(nèi)一電弧電壓低于電源電壓電平時(shí)圖3電路中的電流轉(zhuǎn)移。倘若一起弧故障12發(fā)生于時(shí)刻t51，則圖5a所示的電弧電壓將會在時(shí)刻t5l出現(xiàn)并急劇增加。然而，由于電弧所具有的特性，電弧電壓降在某一時(shí)段內(nèi)將不會達(dá)到或超過電源電壓電平。在任意時(shí)間點(diǎn)，例如時(shí)刻t52，圖5a中的電弧電壓將會超過電源電壓加上飛輪二極管14的正向電壓降之和的電平。飛輪二極管電流示于圖5c中。應(yīng)注意，在飛輪二極管14在時(shí)刻t52變?yōu)檎蚱珘褐皼]有電流通過飛輪二極管14分流。正向偏壓條件僅在如果且當(dāng)電弧兩端的電壓超過電源電壓加上二極管正向電壓降之和時(shí)才會發(fā)生。在t51至t52之間的時(shí)間段內(nèi)，圖5b中的電流保持不變。供至電弧的功率如圖5d所示。將功率對時(shí)間積分得出的供至電弧的能量顯著大于最初的預(yù)計(jì)值。飛輪二極管14不能保證快速地自電弧12轉(zhuǎn)移電流。
這是一個(gè)重要的觀測結(jié)果。其表明在圖3所示電路中飛輪二極管14不能可靠地抑制電感負(fù)荷13陷獲的能量饋入故障12中。此外，在整個(gè)環(huán)路中仍保持電流流動(dòng)，此使得電源9向故障12貢獻(xiàn)更多的能量。因此，在對電路10(其為負(fù)荷11饋電)中的一故障進(jìn)行點(diǎn)火可能性分析或測試時(shí)必須認(rèn)真地對具有飛輪二極管14的電感負(fù)荷13加以考慮。為測試目的而對電路點(diǎn)火風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)時(shí)，必須將實(shí)際裝置及接線網(wǎng)絡(luò)包括在所述測試中。不可使用非電感或電阻性等效負(fù)荷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明關(guān)于一種可限制供至配電網(wǎng)絡(luò)中線路內(nèi)故障處的能量的設(shè)備。所述設(shè)備包括一輸入端，所述輸入端具有一連接至一DC電源的正極引線及負(fù)極引線。所述設(shè)備包括一輸出端，所述輸出端具有一連接至一負(fù)荷裝置的正極引線及負(fù)極引線。所述設(shè)備包括一用于檢測線路內(nèi)故障的檢測器。所述設(shè)備包括一中斷機(jī)構(gòu)，所述中斷機(jī)構(gòu)可根據(jù)檢測出的故障中斷流向或來自所述負(fù)荷裝置的電流流動(dòng)。
本發(fā)明關(guān)于一種可限制供至一DC配電網(wǎng)絡(luò)中一線路內(nèi)故障處的能量的方法。所述方法包括下述步驟通過監(jiān)測一電力電路支路的一負(fù)荷端的電壓降低來間接地感測由所述故障感應(yīng)的電壓降從而檢測所述故障。還有一步驟是中斷一所述故障位于其中的環(huán)路中的電流流動(dòng)。
本發(fā)明關(guān)于一種用于測定一電氣系統(tǒng)安全性的方法。所述方法包括下述步驟測試所述包括受飛輪二極管保護(hù)的電感負(fù)荷的電氣系統(tǒng)，此測試中禁止為測試目的而使用非電感或電阻性負(fù)荷替代所述由飛輪二極管保護(hù)的電感負(fù)荷。還有一步驟是測定所述電氣系統(tǒng)是否安全。


在附圖中，對本發(fā)明的較佳實(shí)施例及實(shí)施本發(fā)明的較佳方法進(jìn)行了圖解說明，其中圖1是電源、負(fù)荷及具有故障的互連接線的圖形。
圖2是電源、電流源負(fù)荷及具有故障的互連接線的圖形。
圖3是具有飛輪二極管的電感負(fù)荷的圖形。
圖4是理想電流轉(zhuǎn)移的波形。
圖5是具有受限電弧電壓的電流轉(zhuǎn)移的波形。
圖6是輸入電壓降的波形。
圖7是概念性加強(qiáng)裝置的圖形。
圖8是概念性加強(qiáng)裝置的波形。
圖9是電源、電感負(fù)荷及具有故障和集中雜散電感的互連接線的圖形。
圖10是電源、電感負(fù)荷及具有故障和集中雜散電感的互連接線的圖形。
圖11是在存在雜散電感的情況下具有輸入電壓限制裝置的增強(qiáng)裝置的波形。
圖12是具有接通延遲的增強(qiáng)裝置的圖形。
圖13是接通延遲功能的波形。
圖14是替代裝置構(gòu)造和故障位置的圖形。
圖15是檢測器電路輸出的替代應(yīng)用的圖形。
圖16是具有受個(gè)別保護(hù)負(fù)荷的系統(tǒng)構(gòu)造的圖形。
圖17是對于多個(gè)負(fù)荷具有保護(hù)的系統(tǒng)構(gòu)造的圖形。
圖18是冗余建置的圖形。
圖19是裝置較佳實(shí)施例的詳圖。
圖20是增強(qiáng)裝置的圖形。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參見附圖，且更具體來說參見其中的圖20，所述圖中顯示了一種可限制供至配電網(wǎng)絡(luò)101中線路內(nèi)故障處的能量的設(shè)備。所述設(shè)備包括一輸入端，所述輸入端具有一連接至一DC電源的正極引線及負(fù)極引線。所述設(shè)備包括一輸出端，所述輸出端具有一連接至一負(fù)荷裝置的正極引線及負(fù)極引線。所述設(shè)備包括一用于檢測線路內(nèi)故障的檢測器106。所述設(shè)備包括一機(jī)構(gòu)100，所述機(jī)構(gòu)可根據(jù)檢測出的故障中斷流向或來自所述負(fù)荷裝置的電流流動(dòng)。
較佳地，中斷機(jī)構(gòu)100是一連接在所述正極輸入引線與所述正極輸出引線之間的一體式開關(guān)105或連接在所述負(fù)極輸入引線與所述負(fù)極輸出引線之間的一體式開關(guān)105。所述裝置較佳地包括復(fù)數(shù)個(gè)連接在所述正極輸入引線與所述正極輸出引線之間的中斷開關(guān)機(jī)構(gòu)100或一個(gè)連接在所述負(fù)極輸入引線與所述負(fù)極輸出引線之間的一體式開關(guān)105?；蛘?，所述設(shè)備包括一個(gè)一體式限電壓裝置107，所述裝置直接跨接在所述輸入正極引線和負(fù)極引線的兩端。較佳地，所述設(shè)備包括復(fù)數(shù)個(gè)限電壓裝置107，所述裝置直接跨接在所述輸入正極引線和負(fù)極引線的兩端。
或者，所述設(shè)備控制一位于電流饋送或返回路徑中作為中斷機(jī)構(gòu)100的遠(yuǎn)程開關(guān)。所述設(shè)備可控制所述DC電源的作為中斷機(jī)構(gòu)100的遠(yuǎn)程切斷功能。所述設(shè)備可向具有一個(gè)或更多個(gè)一體式飛輪二極管104的一個(gè)或更多個(gè)電感負(fù)荷裝置103饋電。
或者，檢測器106可感測至所述裝置的輸入電壓并對輸入電壓下降或正在下降的輸入電壓作出響應(yīng)。檢測器106可包括一啟動(dòng)或重啟動(dòng)延遲以提供防濺射故障保護(hù)。所述啟動(dòng)延遲功能在所述裝置的每次運(yùn)行期間均處于完全復(fù)位狀態(tài)。檢測器106可包括一低壓線路退出保護(hù)功能。
本發(fā)明關(guān)于一種可限制供至一DC配電網(wǎng)絡(luò)中一線路內(nèi)故障處的能量的方法。所述方法包括下述步驟通過監(jiān)測一電力電路支路的一負(fù)荷端的電壓降低來間接地感測由所述故障感應(yīng)的電壓降從而檢測所述故障。還有一步驟是中斷一所述故障位于其中的環(huán)路中的電流流動(dòng)。
較佳地，所述方法還包括在存在使電壓降低于所述DC電源的電平的故障時(shí)降低供至一故障的能量的步驟，其中所述故障位于為一個(gè)或更多個(gè)負(fù)荷裝置饋電的網(wǎng)絡(luò)中。較佳地，所述方法還包括降低供至一故障的能量的步驟，其中所述故障位于所述為一負(fù)荷裝置饋電的網(wǎng)絡(luò)中，所述負(fù)荷裝置具有電感特性且包括一個(gè)一體式飛輪二極管104。還有一步驟是將一重啟動(dòng)延遲納入所述檢測電路中，以使所述檢測電路在一規(guī)定時(shí)段內(nèi)鎖定于一故障狀況從而禁止重連接至一已有的起弧故障。
本發(fā)明關(guān)于一種用于測定一電氣系統(tǒng)安全性的方法。所述方法包括下述步驟測試所述包括受飛輪二極管104保護(hù)的電感負(fù)荷的電氣系統(tǒng)，此測試中禁止為測試目的而使用非電感或電阻性負(fù)荷替代所述由飛輪二極管104保護(hù)的電感負(fù)荷。還有一步驟是測定所述電氣系統(tǒng)是否安全。
較佳地，所述方法還包括要求所述測試必須在雜散線路電感及由飛輪二極管104保護(hù)的電感負(fù)荷存在下實(shí)施的步驟。
在運(yùn)用本發(fā)明的過程中，很難從電源9的終端處檢測出圖3所示的互連接線10中是否發(fā)生了起弧故障。然而，參見圖6，圖6a所示電弧電壓在時(shí)刻t61的最初升高伴隨著圖6b所示負(fù)荷輸入電壓的相應(yīng)下降。圖6b所示的時(shí)刻t61時(shí)的負(fù)荷終端電壓的降低及/或降低速率可用于促進(jìn)遠(yuǎn)離電弧的電流轉(zhuǎn)移。此概念將于圖7中闡釋。增強(qiáng)裝置21被顯示為一開關(guān)22與電壓敏感檢測器23，其響應(yīng)于裝置輸入電壓的降低及/或降低速率。所述裝置輸入電壓即負(fù)荷輸入電壓。且更具體而言，所述裝置輸入電壓即處于潛在危險(xiǎn)線路內(nèi)故障18風(fēng)險(xiǎn)中的互連接線16的負(fù)荷端電壓。電壓感測電路23可檢測出輸入電壓的降低或正在降低的輸入電壓。響應(yīng)于此，開關(guān)22斷開。此動(dòng)作將中斷向起弧故障18饋電的整個(gè)負(fù)荷電流路徑并使陷獲于電感負(fù)荷19的電流進(jìn)入飛輪二極管20。由增強(qiáng)裝置促進(jìn)的電流轉(zhuǎn)移示于圖8提供的各圖形中。倘若一起弧故障18發(fā)生于時(shí)刻t81，則圖8a所示的電弧電壓將會在時(shí)刻t8l出現(xiàn)并急劇增加。圖8a電弧電壓在時(shí)刻t81時(shí)的增加將會造成圖8b裝置輸入電壓在時(shí)刻t81時(shí)的相應(yīng)降低。在時(shí)刻t82時(shí)電壓已降低至足以由電壓敏感檢測器23測出，此將觸發(fā)開關(guān)22的動(dòng)作。該有限的動(dòng)作時(shí)間或傳播延遲的跨度為自檢測時(shí)間時(shí)刻t82至開關(guān)22斷開時(shí)間t83。在時(shí)刻t83斷開開關(guān)22后，圖8c所示的電弧電流下降至零且陷獲于電感負(fù)荷19的電流被轉(zhuǎn)移至飛輪二極管20中。此外，圖8e所示的供至電弧18的功率在時(shí)刻t83時(shí)被強(qiáng)制為零。因而，將功率對時(shí)間積分得出的供至電弧的能量受到限制。該技術(shù)可在電弧電壓可能低于電源電壓電平的情況下克服電弧的限電壓特性。另外，該技術(shù)還利用了電弧的負(fù)阻抗和非線性特性。實(shí)際上，當(dāng)電流通過所述二極管分流出去時(shí)，電弧電壓將會升高。這將會造成電弧電壓的進(jìn)一步增高并會加速分流電流及滅弧過程。
對互連接線電感的暫態(tài)抑制另一重要的考慮因素是接線電感對供至故障的能量的作用。為分析目的，可將雜散電感集中起來，如圖9所示。雜散電感存在于整個(gè)互連電路25中。集中等效電感30顯示為用于連接電源24與負(fù)荷26的互連接線25的一部分。人們普遍認(rèn)為，陷獲于負(fù)荷26中的能量或更精確地說負(fù)荷電感28可受到飛輪二極管29的抑制，且只有陷獲于接線電感30中的能量將被供至故障27。人們預(yù)計(jì)供至故障27的能量包括且僅限于所有陷獲于接線電感30中的所有能量。在所述情況下，倘若一電弧或故障電壓降低于電源電壓，則電弧電流將會繼續(xù)流動(dòng)。雜散電感30及負(fù)荷電感28同時(shí)作用以維持電流流動(dòng)。在此情況下，電源24將一不確定量的額外能量提供至起弧故障27。
當(dāng)存在雜散接線電感時(shí)，一種電流中斷現(xiàn)象是暫態(tài)電壓。圖10示出了一種用于控制暫態(tài)電壓的技術(shù)。一跨接在增強(qiáng)裝置38的輸入端子兩端的限電壓裝置41可限制暫態(tài)電壓。暫態(tài)電壓是當(dāng)電流陷獲于雜散接線電感37中時(shí)由開關(guān)39的斷開造成的。圖11參照圖10示出了當(dāng)存在雜散接線電感與一限電壓裝置時(shí)的電流轉(zhuǎn)移。倘若一起弧故障34發(fā)生于時(shí)刻t111，則圖11a所示的電弧電壓將會在時(shí)刻t111出現(xiàn)并急劇增加。在時(shí)刻t112電壓感測電路40將會檢測到由此導(dǎo)致的圖11b所示輸入電壓的降低。在自時(shí)刻t112至?xí)r刻t113的動(dòng)作或傳播延遲時(shí)間跨度后開關(guān)39斷開。陷獲于電感負(fù)荷35中的電流被轉(zhuǎn)移至飛輪二極管36。飛輪二極管電流示于圖11d中。然而，電流仍然陷獲于雜散線路電感37中。此電流繼續(xù)流經(jīng)電源31、雜散線路電感37、起弧線路故障34及限電壓裝置41。在增強(qiáng)裝置38的輸入端子處存在的導(dǎo)電限電壓裝置41可在自時(shí)刻t113至?xí)r刻t114之間的時(shí)間跨度段內(nèi)確定圖11b所示的輸入端子電壓。在此時(shí)間段內(nèi)，圖11c所示電弧電流被驅(qū)動(dòng)為零。應(yīng)記住，若沒有增強(qiáng)裝置38，則圖11c所示電弧電流可能會繼續(xù)流動(dòng)一顯著較長的時(shí)間。結(jié)果是，將圖11e所示電弧功率對時(shí)間積分得到的供至起弧線路故障34的能量將會更高。
用于防止濺射故障的接通延遲還需要對間歇故障或?yàn)R射電弧加以考慮。該等情況可使電弧電壓降至零或足夠低以使開關(guān)重新連通負(fù)荷裝置。如果開關(guān)重新連通電路且導(dǎo)致電弧的情況仍然存在，則可能會再次引發(fā)電弧。該能量可加至先前遞送的能量上并造成點(diǎn)火。
一種針對再次起弧可能性的方案是將一接通延遲納入圖12所示的裝置中。接通延遲51的作用是在增強(qiáng)裝置48的輸入端子電壓限制條件得到滿足后延遲開關(guān)49自切斷(off)狀態(tài)至接通(on)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。延遲必須足夠長以清除或耗散來自先前電弧的能量。理想地，應(yīng)使響應(yīng)于電壓傳感器50的開關(guān)49的切斷傳播延遲保持于盡量短的時(shí)間。
接通延遲將建立一使電路保持?jǐn)嚅_的時(shí)段以防止再次起弧。圖13示出了納入所述延遲的工作波形。事件順序如下所示。起弧故障45發(fā)生于時(shí)刻t131。在時(shí)刻t132電壓感測電路50將會檢測到由此導(dǎo)致的圖13b所示輸入電壓的降低。在自時(shí)刻t132至?xí)r刻t133的傳播延遲時(shí)間跨度后開關(guān)49斷開。此時(shí)，陷獲于電感負(fù)荷46中的電流被轉(zhuǎn)移至飛輪二極管47中。此外，自時(shí)刻t133開始，接通延遲電路51將在自時(shí)刻t132至?xí)r刻t133的時(shí)間跨度內(nèi)阻止開關(guān)49閉合。
故障位置或裝置構(gòu)造的獨(dú)立性圖14所示圖形中示出了各種接線故障位置53a、53b、53c、53d以及各種增強(qiáng)裝置布置54a、54b、54c、54d和各種開關(guān)布置52a、52b、52c、52d。不論如何變化，所述構(gòu)想皆可良好地發(fā)揮作用?；驹斫赃m用于此。監(jiān)測電力電路支路55a，55b，55c，55d的負(fù)荷端電壓以檢測由故障所致的電壓降并中斷為故障饋電的電流。
圖14中提供的四種構(gòu)造詳細(xì)描述了下述開關(guān)及故障布置1.開關(guān)52a位于正向支路中且故障53a位于負(fù)向支路中。
2.開關(guān)52b位于負(fù)向支路中且故障53b位于負(fù)向支路中。
3.開關(guān)52c位于正向支路中且故障53c位于正向支路中。
4.開關(guān)52d位于負(fù)向支路中且故障53d位于正向支路中。
在每一構(gòu)造中，檢測點(diǎn)均是增強(qiáng)裝置54a、54b、54c、54d的輸入端子。此外，在每種情況下，環(huán)路中的總電流均響應(yīng)于施加的故障而中斷。
檢測電路輸出端的替代用途圖15顯示，裝置檢測功能可用于除控制一體式開關(guān)之外的目的。增強(qiáng)裝置59定位成使輸入端子位于可遭受故障60的互連接線57的負(fù)荷端。檢測電路61監(jiān)測增強(qiáng)裝置59的輸入端子電壓。檢測電路61的輸出被提供至遠(yuǎn)程切斷驅(qū)動(dòng)電路62及開關(guān)63，二者是電源56的一部分。該實(shí)例利用故障檢測信息來中斷或切斷電源。應(yīng)注意，接通延遲或重啟動(dòng)邏輯可能需要建置于開關(guān)及其相關(guān)驅(qū)動(dòng)電路處。
檢測出的故障信息可用于許多功能，例如故障指示、故障記錄等等。
干預(yù)控制或系統(tǒng)圖16所示圖形示出一在若干位置采用增強(qiáng)裝置64的系統(tǒng)。對于每一負(fù)荷65皆設(shè)置一增強(qiáng)裝置64。
在該類型的系統(tǒng)中，故障可能會在沿互連接線66或自電源67延伸通過此系統(tǒng)的饋線電路的任一點(diǎn)處發(fā)生。增強(qiáng)裝置64將響應(yīng)于其各饋線電路或來自電源67的主饋線電路中的線路故障。應(yīng)了解，主饋線電路中的線路故障可能會使所有增強(qiáng)裝置運(yùn)行。各負(fù)荷65的饋線支路中的故障可能僅會使專門用于此負(fù)荷的增強(qiáng)裝置64運(yùn)行。
圖17所示圖形示出了一在一為若干負(fù)荷69饋電的位置處采用增強(qiáng)裝置68的系統(tǒng)。在該情況下，所述裝置位于網(wǎng)絡(luò)中載有一電流電平的一點(diǎn)或支路上，如果所述裝置不存在，那么此電流電平將可能導(dǎo)致點(diǎn)火。
在此類型的系統(tǒng)中，一故障可能會在沿接線70或自電源71延伸通過此系統(tǒng)的饋線電路70的任一點(diǎn)處發(fā)生。增強(qiáng)裝置68將響應(yīng)于來自電源71的主饋線電路70中的線路故障。應(yīng)了解，各負(fù)荷69的饋線支路72中的一故障不會使一上游增強(qiáng)裝置68動(dòng)作。
增強(qiáng)裝置可位于整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)中。該等裝置的位置和構(gòu)造必須基于對配電網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。此風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)必須確定具有故障可能性的網(wǎng)絡(luò)支路，所述故障可導(dǎo)致過量能量耗散或可在危險(xiǎn)氣氛下導(dǎo)致點(diǎn)火。該等裝置的感測或輸入端子必須位于任何可遭受一具有不可接受能量水平的故障的電路支路的負(fù)荷側(cè)。由增強(qiáng)裝置控制的或集成于增強(qiáng)裝置內(nèi)的開關(guān)必須位于所述風(fēng)險(xiǎn)支路電路的環(huán)路電流路徑中。此外，還必須考慮對干預(yù)控制73的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。
冗余建置圖18所示圖形中示出了冗余及三重冗余的增強(qiáng)裝置。在一些存在組件失效時(shí)要求限制故障能量的安全相關(guān)應(yīng)用中可能會需要使用冗余裝置。該等應(yīng)用包括用于本征安全型組件或系統(tǒng)的電路。用于指導(dǎo)該等應(yīng)用的設(shè)計(jì)的一些標(biāo)準(zhǔn)是IEC 60079-11、EN50020和美國聯(lián)邦行政法典第30條。
應(yīng)注意，冗余組件(無論是圖18a所示的冗余組件還是圖18b所示的三重冗余組件)均按冗余群組布置。例如，在負(fù)荷需要飛輪二極管的情況下，冗余飛輪二極管74以一群組形式直接位于負(fù)荷75處。增強(qiáng)裝置16的主要組件也分組布置。冗余限電壓裝置77彼此直接并聯(lián)跨接在輸入端子兩端。開關(guān)78與檢測電路79定位成依序彼此饋電。
應(yīng)注意，旁路阻抗80與每一冗余開關(guān)78并聯(lián)連接。此阻抗允許任一下游增強(qiáng)裝置感測負(fù)荷終端狀況，而無論任一上游開關(guān)處于何種狀態(tài)。冗余群組中的最后一個(gè)開關(guān)或負(fù)荷側(cè)開關(guān)不需要旁路元件80。實(shí)際上，在任何情況下皆不需要旁路阻抗。其可通過消除由為下游裝置饋電的冗余開關(guān)造成的級聯(lián)啟動(dòng)順序來改善冗余建置的啟動(dòng)或重啟動(dòng)時(shí)間。
本發(fā)明可降低耗散于線路內(nèi)起弧接線故障內(nèi)的能量。圖20中示出了基本裝置和建置。增強(qiáng)裝置100位于可能遭受起弧故障102的電力電路支路101的負(fù)荷端。所述裝置根據(jù)感測故障的存在并中斷流向故障的電流流動(dòng)的原理工作。通過監(jiān)測遭受故障102的電力電路支路101的負(fù)荷端或增強(qiáng)裝置100的輸入端子處的電壓降來間接感測由故障造成的電壓降。所述裝置通過中斷包括故障電力電路支路的電路環(huán)路中的電流作出反應(yīng)。
在包括一受飛輪二極管104保護(hù)的電感負(fù)荷103的情況下本發(fā)明對于降低故障能量特別有效。飛輪二極管104單獨(dú)使用時(shí)僅能在該二極管由整個(gè)電路變?yōu)檎蚱珘簳r(shí)分流電感負(fù)荷103的電流。一起弧故障102可能存在于為負(fù)荷饋電但并不保證所述二極管將變?yōu)檎蚱珘旱碾娐分小?br> 本發(fā)明可用于中斷線路電流并促進(jìn)負(fù)荷電流轉(zhuǎn)移至飛輪二極管中。這一功能在線路故障兩端的電壓不超過可用電源電壓的情況下特別具有價(jià)值。所述裝置將監(jiān)測裝置輸入端子電壓并對所監(jiān)測電壓作出反應(yīng)。基本裝置由一開關(guān)105與檢測/驅(qū)動(dòng)電路106組成。所述裝置可由檢測/驅(qū)動(dòng)電路106中的接通延遲及一輸入電壓限制裝置107來增強(qiáng)。接通延遲可在存在濺射或間歇故障時(shí)改善性能。檢測電路106基于獲得的輸入電壓使開關(guān)105動(dòng)作以中斷線路電流。該作用可使負(fù)荷103中陷獲的電流進(jìn)入飛輪二極管104路徑中。限電壓裝置107可限制由電流中斷造成的暫態(tài)電壓并可耗散能量。
耗散于起弧故障中的能量可由若干來源提供。該等來源包括“電流源”電感負(fù)荷103、陷獲于線路電感108中的電流以及由電源109提供的任何額外能量。除了可加速負(fù)荷電流至飛輪二極管104中的轉(zhuǎn)移外，線路內(nèi)開關(guān)105還可中斷來自電源109的任何額外能量的遞送。
圖19所示的整個(gè)電路顯示一增強(qiáng)裝置建置方案。該建置方案不具有冗余性。此具體建置方案中包括用于12VDC電力電路的組件值。
輸入端子標(biāo)記為IN+和IN-。輸入端子連接至配電網(wǎng)絡(luò)并接收來自網(wǎng)絡(luò)的電力。輸出端子標(biāo)記為OUT+和OUT-。輸出端子連接至負(fù)荷裝置。電流流入IN+端子并自O(shè)UT+端子流出以便為負(fù)荷饋電。來自負(fù)荷的電流通過OUT-端子返回增強(qiáng)裝置。然后，電流自IN-端子返回配電網(wǎng)絡(luò)。
組件Zl可提供上述輸入電壓暫態(tài)抑制功能。Zl直接跨接在IN+和IN-端子兩端。特別需要注意的是，在冗余應(yīng)用中該等組件必須按圖18定位及分組。另外，R16也可用于冗余應(yīng)用中。R16可為每一上游開關(guān)提供旁路阻抗以使任一下游增強(qiáng)裝置均具有感測輸入端子的能力。在冗余應(yīng)用中，冗余群組中的最后一開關(guān)上并不需要R16，如圖19所示。在未采用冗余度的應(yīng)用中不需要R16。
其余組件可提供檢測和開關(guān)功能。
開關(guān)功能通過MOSFET晶體管Q1建置。Q1定位成可中斷OUT-和IN-端子之間的電流路徑。應(yīng)注意，可選R16直接跨接于自O(shè)UT-至IN-的路徑兩端。
控制Q1的門驅(qū)動(dòng)信號通過R15、C7和C8耦接至該晶體管上。在非安全相關(guān)應(yīng)用中，C7和C8可由一個(gè)電容器代替。在安全相關(guān)應(yīng)用中，C7和C8的串聯(lián)連接可允許一個(gè)電容器發(fā)生短路故障。
Q1的接通、接通延遲或重啟動(dòng)延遲由包括R14和C6的RC網(wǎng)絡(luò)控制。C6的充電速率和Q1的隨后接通均由R14控制。接通驅(qū)動(dòng)電路通過R15、C7和C8耦接至Q1。
Q2的接通可促進(jìn)Q1的切斷。Q2使C6放電并隨后通過R15、C7和C8網(wǎng)絡(luò)自Q1拉動(dòng)門電荷。
通過下拉比較器U1A的輸出可將晶體管Q2驅(qū)動(dòng)為接通狀態(tài)。通過釋放U1A的輸出可切斷Q2。
比較器U1A通過由R5、R6、R7、C3、C4、R8、R9、D1和D2形成的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測輸入電壓。當(dāng)U1A的輸出很低時(shí)，監(jiān)測電平會受由R10、R11、C5和D3形成的路徑的影響。所述網(wǎng)絡(luò)將輸入線路電壓信號傳遞至U1A的+輸入端。二極管D1和D2可限制調(diào)節(jié)線路電壓信號的范圍。在穩(wěn)態(tài)條件下，所述信號由包括R5、R6、R7、R8和R9的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比例縮放。該經(jīng)比例縮放的信號受D1和5V基準(zhǔn)值的影響。在正處于下降狀態(tài)的輸入電壓的動(dòng)態(tài)條件下，C3和C4用于通過R8和R9將下降的電壓快速直接轉(zhuǎn)移至U1A的+輸入端。此外，U1A可提供一低壓線路退出保護(hù)功能以防止降電壓運(yùn)行。
比較輸入線路電壓與施加至U1A的-輸入端的固定2.5V基準(zhǔn)電壓。在正常運(yùn)行條件下，所述調(diào)節(jié)線路電壓信號將會超過此2.5V基準(zhǔn)值且U1A的輸出浮動(dòng)并由R12向上拉動(dòng)。
由R10、R11、C5和D3形成的網(wǎng)絡(luò)為U1A的運(yùn)行提供滯后。如果輸入線路電壓降到足夠低，則其將觸發(fā)U1A的運(yùn)行，處于下降狀態(tài)的U1A輸出通過將某些額外的下拉電壓耦合至U1A的+輸入端而加強(qiáng)這一點(diǎn)。C5可確保在U1A被觸發(fā)時(shí)U1A將在足夠長的時(shí)間內(nèi)保持于低電平以使C6放電并復(fù)位接通延遲功能。
應(yīng)注意，包括U1B、U1C和U1D在內(nèi)的未用U1比較器通道的所有輸入端皆連接至基準(zhǔn)共用端。
電阻器R4、齊納二極管Z3和電容器C2可向比較器U1提供5VDC的電力。
電阻器R1和齊納二極管Z2可向整個(gè)電路提供5VDC的邏輯電力。電阻器R2和R3可形成一經(jīng)C1過濾的2.5VDC基準(zhǔn)。
在正常的運(yùn)行條件下，配電網(wǎng)絡(luò)直接向增強(qiáng)裝置的IN+和IN-端子提供輸入電力。在此情況下，該輸入電力的標(biāo)稱值為12VDC。比較器電路U1A檢測正常運(yùn)行電壓并允許其輸出浮動(dòng)。結(jié)果是，Q2經(jīng)偏置切斷且Q1(主輸出開關(guān))經(jīng)偏置接通。此可提供自O(shè)UT-至IN-的直接連接。在此情況下，電力直接提供至負(fù)荷。
響應(yīng)于IN+與IN-兩端的處于下降狀態(tài)的輸入電壓，比較器U1A將其輸出向下拉動(dòng)。這將會接通Q2并隨后切斷Q1。
當(dāng)輸入電壓電平恢復(fù)時(shí)，比較器U1A將釋放其輸出。此將會切斷Q2并使C6充電。當(dāng)C6經(jīng)充分充電時(shí)Q1將接通。
較佳實(shí)施例的部件表(本發(fā)明在任何情況下均不受該等值的限制)部件號U1 LM139AQ1 IRFZ34N Q2 2N2905AZ1 P6KE24A Z2 1N4689 Z3 1N4689D1 1N4148 D2 1N4148 D3 1N4148
電容器值C11000pF C20.033μFC3 22pFC41000pF C510pFC6 0.022μFC70.033μF C80.033μF電阻器值R19.09KΩ R2140KΩ R3 124KΩR41.00KΩ R59.09KΩ R6 150KΩR7124KΩ R830.1KΩ R9 124KΩR10 20.0KΩ R11 3.00MΩ R12 499KΩR13 499ΩR14 249KΩ R15 30.1KΩR16 10KΩ盡管在上述實(shí)施例中出于舉例說明目的對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但是應(yīng)理解上述細(xì)節(jié)僅用于舉例說明目的，并且所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可對其進(jìn)行變動(dòng)，此并不偏離以下權(quán)利要求所述的本發(fā)明精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于限制供至配電網(wǎng)絡(luò)中線路內(nèi)故障處的能量的設(shè)備，所述設(shè)備包括一輸入端，其具有一連接至一DC電源的正極及負(fù)極引線；一輸出端，其具有一連接至一負(fù)荷裝置的正極及負(fù)極引線；一檢測器，其用于檢測所述線路內(nèi)故障；及一機(jī)構(gòu)，其能夠根據(jù)一檢測到的故障而中斷流向或來自所述負(fù)荷裝置的電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述中斷機(jī)構(gòu)是一連接在所述正極輸入引線與所述正極輸出引線之間的一體式開關(guān)或一連接在所述負(fù)極輸入引線與所述負(fù)極輸出引線之間的一體式開關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其包括復(fù)數(shù)個(gè)連接在所述正極輸入引線與所述正極輸出引線之間的中斷開關(guān)機(jī)構(gòu)或一連接在所述負(fù)極輸入引線與所述負(fù)極輸出引線之間的一體式開關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其包括一個(gè)一體式限電壓裝置，所述一體式限電壓裝置直接跨接在所述輸入正極引線與負(fù)極引線兩端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其包括復(fù)數(shù)個(gè)限電壓裝置，所述復(fù)數(shù)個(gè)限電壓裝置直接跨接在所述輸入正極引線與負(fù)極引線兩端。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其控制一位于電流饋送或返回路徑中的用作所述中斷機(jī)構(gòu)的遠(yuǎn)程開關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其控制所述DC電源的用作所述中斷機(jī)構(gòu)的一遠(yuǎn)程切斷功能。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述檢測器檢測供至所述裝置的輸入電壓并對輸入電壓下降或正在下降的輸入電壓作出響應(yīng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中所述檢測器包括一啟動(dòng)或重啟動(dòng)延遲以提供防濺射故障保護(hù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述啟動(dòng)延遲功能在所述裝置的每次運(yùn)行期間均處于完全復(fù)位狀態(tài)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中所述檢測器包括一低壓線路退出保護(hù)功能。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其用于為具有一個(gè)或更多個(gè)一體式飛輪二極管的一個(gè)或更多個(gè)電感負(fù)荷裝置饋電。
13.一種可限制供至一DC配電網(wǎng)絡(luò)中一線路內(nèi)故障處的能量的方法，所述方法包括下述步驟通過監(jiān)測一電力電路支路的一負(fù)荷端的電壓降低來間接感測由所述故障感應(yīng)的電壓降從而檢測所述故障；及中斷一所述故障位于其中的環(huán)路中的電流。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其包括在存在使電壓降低于所述DC電源的電平的故障時(shí)降低供至一故障的能量的步驟，其中所述故障位于所述為一個(gè)或更多個(gè)負(fù)荷裝置饋電的網(wǎng)絡(luò)中。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其包括降低供至一故障的能量的步驟，其中所述故障位于所述為一負(fù)荷裝置饋電的網(wǎng)絡(luò)中，所述負(fù)荷裝置具有電感特性且包括一個(gè)一體式飛輪二極管。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其包括將一重啟動(dòng)延遲納入所述檢測電路中的步驟，以使所述檢測電路在一規(guī)定時(shí)段內(nèi)鎖定于一故障狀況從而禁止重連接至一已有的起弧故障。
17.一種用于測定一電氣系統(tǒng)安全性的方法，其包括下述步驟測試所述包括受飛輪二極管保護(hù)的電感負(fù)荷的電氣系統(tǒng)，此測試中禁止為測試目的而使用非電感或電阻性負(fù)荷替代所述由飛輪二極管保護(hù)的電感負(fù)荷；及測定所述電氣系統(tǒng)是否安全。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其包括要求所述測試必須在雜散線路電感及由飛輪二極管保護(hù)的電感負(fù)荷存在下實(shí)施的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種限制線路內(nèi)接線故障中的能量的技術(shù)。所述技術(shù)采用一種裝置，其通過在可能遭受線路內(nèi)起弧故障的電路的負(fù)荷端感測電壓來檢測是否存在故障。當(dāng)檢測到饋線電路負(fù)荷端的電壓降低時(shí)，所述裝置將會動(dòng)作以中斷所述電路環(huán)路中向所述故障饋電的電流。所述動(dòng)作可降低供至故障的能量。所述技術(shù)在任何電路中均極具價(jià)值，且當(dāng)其用于向一具有一飛輪二極管的電感負(fù)荷饋電的DC電路中時(shí)其可顯著降低故障能量。
文檔編號H02H7/26GK1756018SQ20051010259
公開日2006年4月5日 申請日期2005年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月14日
發(fā)明者凱文·M·胡茨科, 羅杰·D·胡茨科, 斯坦利·J·皮薩爾斯基, 布雷特·M·耶格爾 申請人:Kh控制公司