用于低和中压开关装置的线圈致动器及包括所述线圈致动器的电弧故障线圈抑制设备

摘要

本公开涉及用于低和中压开关装置的线圈致动器及包括所述线圈致动器的电弧故障线圈抑制设备。一种用于低和中压开关装置的线圈致动器，包括线圈电磁体(2)、电力和控制单元(3)和处理单元(32)，其中所述电力和控制单元(3)包括可操作地连接到所述线圈电磁体(2)的电力电路(31)，并且所述处理单元(32)可操作地连接到所述电力电路并通过所述电力电路(31)控制所述线圈电磁体(2)的跳闸。所述电力和控制单元(3)包括适于可操作地连接到光纤电缆(112)的光学端口(30)以及可操作地连接到所述光学端口和所述处理单元的第一检测单元(33)。所述第一检测单元(33)适于从所述光学端口接收光信号(L)并依赖于所述光信号输出指示电弧故障存在的第一检测信号(D1)。所述处理单元(32)适于从所述第一检测单元接收所述第一检测信号(D1)并依赖于所述第一检测信号控制所述线圈电磁体(2)的跳闸。在另一方面，本发明涉及包括所述线圈致动器的电弧故障线圈抑制设备。

说明书

技术领域

本发明涉及用于低和中压开关装置的线圈致动器，诸如断路器、 切断开关、接触器或自动开关等。

在另一方面，本发明涉及包括所述线圈致动器的、用于低和中压 电气系统(诸如开关装置、配电盘、电网等等)的电弧故障线圈抑制 设备。

本发明的线圈致动器和电弧故障线圈抑制设备可以方便地用在低 和中压应用中。

背景技术

在本发明的框架内，术语“低压”指低于1kVAC和1.5kVDC 的电压，而术语“中压”指低于72kVAC和100kVDC的电压。

如已知的，电弧故障是有时候在电气系统的相位导体之间、相位 和中性导体之间或者相位和接地导体之间发生的现象。

这些现象的特征在于能量的快速释放，这常常导致会产生类似于 爆炸的热量、强光、压力波和声音冲击波的电弧闪光。

电弧故障的发生可能严重地损坏电气系统并且对干预电气系统的 操作人员造成严重的安全危险。

多年间已经开发出了许多解决方案来确定电弧故障事件的发生并 且干预电气系统，以减轻电弧状况，尤其是切断供给电弧故障的电能。

由于位于要被观察的安装隔间中的合适的光学检测装置，这些解 决方案当中的一些基于电弧闪光的检测。

一旦检测到电弧故障的发生，已知解决方案一般就规定开关装置 跳闸，以中断朝该流的电流流动(断路)或者朝地转移电流流动(切 换到地)。

在一些情况下，到开关装置的跳闸命令是由与其关联的控制和保 护单元生成的，该单元方便地具有适于从光学检测装置接收光信号的 光学输入端口。

在一些情况下，到开关装置的跳闸命令是由专用保护设备(电弧 抑制器)提供的，该专用设备专门设计为与光学检测装置接口并且处 理来自其的光学检测信号，由此确保抑制电弧故障的更快干预。

传统的电弧抑制设备一般是相当昂贵且难以布置的。为此，它们 通常只在市场上以最高价获得的电气系统中采用。

另外，由于其本身的复杂性，传统的电弧抑制设备常常相当难以 安装在已有的电气系统中，例如，为了改造目的。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供解决以上提到的问题的、用于中 和低压电气系统的电弧故障抑制布置。

并且更具体地，本发明的一个目的是提供一种相对于传统解决方 案，实现和安装都相对容易和不昂贵的电弧故障抑制布置。

作为另一个目的，本发明旨在提供可以方便地在广泛地各种电气 系统中，甚至在具有相对低市场价格的电气系统中，安装的电弧故障 抑制布置。

本发明还有另一个目的是提供出于改造和升级目的而相对容易地 安装在已有电气系统中的电弧故障抑制布置。

为了实现以上目的，根据以下权利要求1和相关的从属权利要求， 本发明提供了用于低和中压开关装置的线圈致动器。

在另一方面，根据以下权利要求7和相关的从属权利要求，本发 明提供了电弧故障线圈抑制设备。

附图说明

本发明的更多特点和优点将从在附图中提供的其优选但非排他的 实施例、非限制性例子的描述中显现，在附图中：

图1是根据本发明的线圈致动器的通用实施例的示意图；

图2是根据本发明的结合有线圈致动器的电弧故障线圈抑制设备 的通用实施例的示意图；

图3是，在优选实施例中，根据本发明的与线圈致动器的操作相 关的一些量的行为的示意表示。

具体实施方式

参考图1，本发明涉及用于低和中压开关装置的线圈致动器1。

线圈致动器1适于可操作地定位在开关装置(未示出)的线圈致 动器隔间的底座(seat)中，从而与后者的致动机构可操作地关联。

作为例子，所述开关装置可以是中压断路器并且所述致动机构可 以是所述断路器的主要命令链。

线圈致动器1包括线圈电磁体2位于其中的外壳，包括与可移动 活塞(plunger)2A可操作地关联的线圈2B(优选地是单个线圈)。

在本发明的优选实施例中，可移动活塞2A通常处于静止位置并 且在线圈2B被激励电流I_E通电时移动(跳闸事件)，这是由于它是 由线圈2B生成的磁力启动的。

在本发明的另一种可能中，可移动活塞2A与致动弹簧(未示出) 可操作地关联，从而在通常沿线圈2B循环的激励电流I_E被中断时被 所述致动弹簧移动。

在这种情况下，在正常条件下，线圈2B生成与致动弹簧激励出 的机械力相反的磁力，其中弹簧处于压缩状态。当激励电流I_E被中 断并且可移动活塞2A被致动弹簧推动时，线圈电磁体2跳闸。

方便地，线圈致动器1的外壳具有允许线圈电磁体2的可移动活 塞2A与开关装置的致动机构接口和交互的开口。

线圈致动器1包括可以位于线圈电磁体2的相同外壳内或者在不 同的外壳内的电力和控制单元3。

电力和控制单元3包括可操作地连接到线圈电磁体2的电力电路 31和可操作地连接到电力电路31的处理单元32。

有利地，处理单元32包括输出端口320，通过其，它向电力电 路32发送控制信号C。

优选地，控制信号C是逻辑类型。作为例子，依赖于处理单元 32命令电力电路31不使线圈电磁体2跳闸或者使其跳闸，它可以通 常分别处于低或高逻辑电平。

电力电路31方便地布置成依赖于控制信号C向线圈2B提供激 励电流I_E。

如果线圈电磁体2通常不利用激励电流I_E供电，则电力电路31 在得到处理单元32的命令时只提供激励电流I_E，用于使线圈电磁体 2跳闸。

如果线圈电磁体2通常利用激励电流I_E供电，则电力电路31在 正常条件下提供激励电流I_E并且，当得到处理单元32的命令时，中 断该电流I_E，以造成线圈电磁体2的跳闸。

因此，处理单元32总是能够通过电力电路31控制(控制信号C) 线圈电磁体2的跳闸。

电力和控制单元3包括至少光学输入端口30，该端口30适于可 操作地连接到光纤电缆112以便接收光信号L，以及可操作地连接到 第一检测单元33，该检测单元33可操作地连接到光学端口30和处 理单元32。

检测单元33适于从光学端口30接收光信号L并且依赖于在输 入中接收到的光信号L输出指示电弧故障事件存在的第一检测信号 D₁。

优选地，检测单元33包括识别装置，该识别装置可操作地连接 到光学端口30以接收光信号L并提供作为所述光信号的函数的检测 信号D₁。

优选地，所述识别装置包括光电二极管电路332，该电路332可 操作地耦合到光学端口30，以接收光信号L并将转换成检测电流 (或电压)D₀，其中D₀根据所接收光信号L的强度而改变。

由光电二极管电路332输出的检测电流D₀被方便地提供给比较 器电路333以供处理。

比较器电路333比较检测电流D₀的振幅与预定义的阈值并且依 赖于这种比较的结果而生成检测信号D₁。

检测信号D₁方便地是逻辑类型。作为例子，依赖于检测电流D₀是否超过所述预定义的阈值，它通常分别处于低或高逻辑电平。

检测单元33向处理单元32提供第一检测信号D₁，处理单元32 适于接收其(优选地在第一输入端口321)并依赖于所述检测信号通 过生成用于电力电路31的正确控制信号C来控制线圈电磁体2的跳 闸。

如果检测信号D₁指示没有识别出电弧故障事件(例如，检测信 号D₁处于低逻辑电平)，则处理单元32将不命令电力电路31使线 圈电磁体2跳闸。

相反，如果检测信号D₁指示识别出电弧故障事件(例如，检测 信号D₁处于高逻辑电平)，则处理单元32将命令电力电路31使线 圈电磁体2跳闸。

在根据其通常不用激励电流I_E供电的优选实施例中，线圈致动 器1的操作在图3中示意性地示出。

由光纤电缆112提供给光学端口30的光信号L指示在开关装置 或者该开关装置被安装在其中的电气系统的给定被观察隔间(例如， 包括开关装置的配电盘的电缆或排隔间(barcompartment))中存在 的光辐射。

在正常条件下，在光学端口30接收的光信号L不显示指示电弧 闪光存在的光脉冲。

检测单元33接收光信号L并且，基于后者，确定没有电弧故障 事件发生。

因此，由检测单元33提供的检测信号D₁停留在低逻辑电平(正 常条件)。

检测信号D₁由处理单元32接收，处理单元32将基于所述检测 信号命令(控制信号C处于低逻辑电平)电力电路31不使线圈电磁 体2跳闸。

在时刻t₀，电弧故障在被观察的隔间发生并且生成电弧闪光。

同时，给电弧故障供电的电流I_F开始流动。

在光学端口30接收的光信号L立即显示出相对于正常条件具有 显著强度的脉冲。

检测单元33接收光信号L并且基于后者确定电弧故障事件的发 生。

在时刻t₁，由检测单元33提供的检测信号D₁切换到高逻辑电平， 由此发信号通知电弧故障的存在。

检测信号D₁由处理单元32接收，处理单元32生成控制信号C， 以命令(控制信号C处于高逻辑电平)电力电路31供应激励电流I_E， 由此使线圈电磁体2跳闸(时刻t₂)。

线圈电磁体2的跳闸激活线圈电磁体2位于其中的开关装置的致 动机构，由此使给电弧故障供电的电流I_F中断(时刻t₃)。

电流I_F的中断造成电弧故障的抑制。

实验数据已经示出在上述优选实施例中用于线圈致动器1的操作 的以下典型干预间隔：t₁-t₀≈1ms，t₂-t₀≈10ms并且t₃-t₀≈25-40ms。

因此，相对于传统保护和控制单元或电弧抑制设备典型的那些， 线圈致动器1能够利用改进的干预时间确保开关装置的快速干预。

这种短干预时间是相当有利的，因为它们允许减少提供给电弧故 障的能量数量，由此显著减轻对电气系统的损坏效果。

优选地，电力和控制单元3可操作地连接到电源4，电源4有利 地提供处理单元32和电力电路31操作所需的电能。

优选地，电源4恒定地向电力和控制单元3提供电能，因为后者 (尤其是处理单元32和电力电路31)总是需要准备好在电弧故障的 情况下以短干预时间进行干预。

优选地，电力和控制单元3包括可操作地连接到处理单元32的 第二检测单元36。

检测单元36适于输出指示由电源4供给电力和控制单元3的电 压电平的第二检测信号D₂。

优选地，检测单元36包括可操作地关联到电源4以便检测由后 者提供的电源电压电平的电压感测电路(未示出)。

处理单元32适于在第二输入端口322接收检测信号D₂并且依赖 于所接收的检测信号D₂生成控制信号C来控制线圈电磁体2的跳闸。

有利地，处理单元32处理检测信号D₂，以检查由电源4供给的 真正电压电平。

如果所述电压电平高于预定义的安全阈值，则处理单元将命令电 力电路31不使线圈电磁体2跳闸。

如果所述电压电平低于所述安全阈值，则由于在电弧故障事件情 况下不再可能进行干预，处理单元32将命令电力电路31使线圈电磁 体2跳闸。

应当注意的是，因此，甚至在线圈电磁体通常不用激励电流I_E供电的情况下，线圈致动器1也能够执行所谓欠电压(under-voltage) 线圈致动器典型的欠电压功能，如在欠电压线圈致动器中所发生的那 样。

优选地，处理单元32包括从外部设备500接收输入数据和/或向 外部设备500提供输出数据的第三输入端口323，其中设备500诸如 保护和控制单元(例如，线圈致动器1结合在其中的开关设备的保护 和控制单元)。

在端口323，处理单元32可以从外部设备500接收例如跳闸信 号T并且生成控制信号C，以便依赖于所接收的跳闸信号T控制线 圈电磁体2的跳闸。

因此，线圈致动器1能够执行通常向安装在开关装置中的线圈致 动器请求的常见跳闸功能。

优选地，处理单元32是数字处理单元，诸如微处理器，它能够 执行软件指令来处理检测信号D₁、D₂和跳闸信号T并且生成命令信 号C。

有利地，处理单元32包括非易失性和可重写的存储器，以存储 这种软件指令和其它操作参数，这些指令和操作参数可以通过适当布 置的输入端口(未示出)上载在处理单元中。

当然，处理单元可以包括(未示出的)更多处理或电子装置，以 便根据需要处理在合适的更多输入端口接收到的更多输入数据/控制 信号并且在合适的更多输出端口提供更多输出数据/控制信号。

本发明的备选实施例可以规定处理单元32包括模拟的(或部分 模拟的)电路来实现以上描述的功能性。

优选地，处理单元32可操作地连接到外部人机接口(MMI) 400，作为例子，MMI400可以包括在线圈致动器1包括在其中的开 关装置的保护和控制单元中。

因此，处理单元32能够经由MMI400直接从用户/向用户接收/ 提供输入/输出数据或命令。

例如，处理单元32可以从MMI400接收命令信号M并且依赖 于所接收的跳闸信号M生成控制信号C来控制线圈电磁体2的跳闸。

优选地，电力和控制单元3包括信令装置35，以发信号通知线 圈电磁体2的跳闸事件。

信令装置35优选地是适当布置的被处理单元32执行以便向 MMI400提供数据的软件指令，其中数据指示线圈电磁体2的跳闸 事件的发生，MMI400可以方便地显示警报消息。

作为备选，信令装置35可以是硬件实现的。例如，它们可以包 括被由处理单元32、由电力电路31或由线圈电磁体2激活的电机电 路(未示出)致动的标记。

在另一方面，本发明涉及用于低或中压电气系统，诸如开关装置、 配电盘或另一类似装备，的电弧故障线圈抑制设备100。

抑制设备100包括适于感测光辐射并提供指示检测到的光辐射的 光信号L的感测单元110。

抑制设备100还包括在其光学端口30可操作地连接到感测单元 110以便接收光信号L的线圈致动器1。

如以上所提到的，线圈致动器1方便地位于开关装置的线圈致动 器隔间201中。

另一方面，感测单元110可以布置成感测在被观察的隔间202中 的光辐射，其中隔间202可以是例如包括线圈致动器1的开关装置安 装在其中的电气系统(例如，配电盘)的电缆隔间或排隔间，或者开 关装置本身的接触隔间。

优选地，感测单元110包括可操作地位于被观察的隔间202中的 感测头111以及光纤电缆112，其中光纤电缆112耦合到所述感测头 和线圈致动器1的光学端口30。

优选地，感测头111包括被感测到的光辐射的过滤器117，例如， 方便地布置成仅允许具有UV波长的光通过其的过滤器。

优选地，感测头111还包括可操作地耦合到过滤器117的输出以 便适当地将光信号L发送到光纤电缆112的透镜118。

在本发明的一些实施例中，光纤电缆112具有单件结构。

当被观察的隔间202相对靠近线圈致动器1定位在其中的开关装 置的隔间201时，这种解决方案是有利的。

在本发明的其它实施例中，光纤电缆112可以包括可以以可移除 的方式相互耦合的第一和第二部分113、115。

优选地，第一部分113具有耦合到光学端口30的第一端113A 和具有第一电缆连接装置114的第二端113B，而第二部分115具有 耦合到感测头111的第三端115A和具有第二电缆连接装置116的第 二端115B。

有利地，第一和第二电缆连接装置114、116以可移除的方式相 互连接。

作为例子，第一和第二电缆连接装置114、116可以包括可以以 可移除的方式相互耦合的插头和插座电缆连接器。

当相对长的距离存在在隔间201、202之间时或者当隔间201、 202以可移除的方式相互可耦合时，这种解决方案是相当有利的，如 在线圈致动器包括在可回缩类型的开关装置——即，具有可以从永久 性固定到电气配电盘(包括被观察的隔间202)的支撑框架分离的主 体(包括隔间201)——中时所发生的那样。

优选地，线圈致动器1和光纤电缆的第一部分113固定到开关装 置的隔间201(例如，线圈致动器隔间)，而感测头111和光纤电缆 112的第二部分115固定到被观察的隔间202(例如，配电盘的电缆 隔间或排隔间)。

相对于现有技术状况的电弧抑制布置，本发明提供了显著的优点。

线圈致动器1可以提供控制和保护单元或专用电弧抑制设备的相 同功能，因此，其不需要为了为开关装置提供电弧抑制功能而安装控 制和保护单元或专用电弧抑制设备。

这导致开关装置或相关电气系统的制造成本的显著降低。

线圈致动器1可以方便地位于开关装置的线圈致动器隔间的底座 当中。

这显著简化了其在开关装置上的板载(onboard)安装并且在整个 抑制设备100的安装灵活性方面，提供了显著优点，甚至在被观察的 隔间202处于相对长距离时或者在开关装置是可回缩类型时都可以容 易地被设置在操作位置中，这在成缆时间的减少方面具有显著优点。

因此，线圈致动器1和抑制设备100可以以相对低的成本针对各 种电气系统合适地实现，即使这些电气系统是为相对低价格的目标设 计的。

另一方面，线圈致动器1可以方便地用来代替已经板载在开关装 置上的线圈致动器。

线圈致动器1能够集成已知类型的线圈致动器的功能与电弧抑制 功能，其中电弧抑制功能通常只在保护和控制单元或电弧抑制设备中 实现。

因此，抑制设备100特别适于安装在已有的电气系统上，从而使 现有安装的相对低成本和快速现场升级有可能。