[發明專利]混合式氣隙和固態斷路器及防止電路故障和過載的方法

有效

• 申請號: 201780014631.0
• 申請日: 2017-02-27
• 公開（公告）號: CN108885951B
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發明（設計）人: R·肯尼迪;D·考羅西斯
• 申請（專利權）人: 原子動力公司
• 主分類號: H01H9/54
• 分類號: H01H9/54;H01H33/16;H01H89/00;H02H3/02;H02H3/44;H02H7/26
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 黃綸偉;李輝

涉及混合式氣隙和固態斷路器及防止電路故障和過載的方法，具體地涉及用于配電系統的混合式氣隙/固態裝置保護裝置(PD)，該混合式氣隙/固態裝置保護裝置包括：氣隙斷連單元，該氣隙斷連單元與固態裝置串聯；感測和驅動電路；以及微控制器。在感測和驅動電路在PD的負載電路中檢測到即將發生的故障或過高且不可接受的過壓情況時，感測和驅動電路生成快速關斷固態裝置的選通信號。同時，微控制器為氣隙斷連單元生成斷連脈沖，斷連脈沖通過在負載電路中形成氣隙來作出響應。關斷的固態裝置和氣隙一起防止負載和關聯的負載電路被損壞。它們還用于將故障或者過載情況的源與配電系統的其余部分電氣隔離以及物理隔離。

相關申請的交叉引用

本申請要求于2016年3月1日提交的美國臨時專利申請第62/301,948號的權益。

技術領域

本公開涉及混合式氣隙和固態斷路器及防止電路故障和過載的方法。

背景技術

電斷路器(electrical circuit breaker)用于配電系統中以防止電氣負載和導體暴露于過流情況。通常，存在兩種類型的過流情況：過載和故障。美國國家電氣規范(NEC)將過載定義為：“超過正常的滿載額定值的設備的操作或者當其堅持足夠長的時間時超過額定載流量的導體的操作會造成損壞或者危險的過熱”。與過載相比，故障通常會產生更高的過流，這取決于故障阻抗。沒有阻抗的故障被稱為“短路”或者“直接故障”。

傳統斷路器本質上是機械的。它們具有在發生故障或者長時間過流情況時會物理分離的電觸點。通常使用彈簧機構、壓縮空氣、或者彈簧機構和壓縮空氣的組合來電磁地執行斷開觸點。

傳統斷路器的一個顯著問題在于它們對故障的反應很慢。由于它們的機電結構，傳統斷路器通常需要至少幾毫秒來隔離故障。反應時間較慢是不可取的，因為它會增加火災隱患、對電氣設備的損壞、甚至電弧閃光的風險，當沒有足夠快速地隔離短路或者直接故障時，這些情況便可能會發生。電弧閃光是產生短路情況的電導體的電爆炸。電弧閃光中釋放出來的能量可以在電弧末端處產生超過35,000°F(或者20,000℃)的溫度，導致金屬導體快速蒸發，使熔融金屬炸裂，并且會導致在極大力量下從事故點向外噴射的等離子體膨脹。因此，對于生命、財產和電氣設備來說，電弧閃光顯然是極其危險的。

除了隔離故障較慢之外，傳統斷路器存在高可變性。由于所涉及的磁性和機械設計的限制，機械斷路器響應于故障或者長時間過流情況而跳閘所需的時間(以及此時的電流限制)在單個給定斷路器中可能存在不同，并且在一個斷路器與另一個斷路器之間也可能存在不同，即使對于相同類型和相同額定值的斷路器以及來自相同制造商的相同類型和額定值的斷路器也可能存在不同。

由于傳統斷路器缺乏精度并且具有高度可變性，所以制造商通常會為他們制造并銷售的每種類型和額定值的斷路器提供時間-電流特性數據。特定類型和額定值的時間-電流特性數據通常以二維對數圖的方式顯示，諸如，圖1所圖示的，包括橫軸上的電流、縱軸上的時間、保證斷路器跳閘和不跳閘的時間-電流區域、以及斷路器的跳閘狀態不確定的不確定帶。

傳統斷路器缺乏精度并且具有高度可變性使得協調研究(coordinationstudies)難以執行。協調研究是由電工或者工程師在設計配電系統期間進行的研究。協調研究涉及：選擇斷路器(通常具有不同額定值)并且計算出在配電系統中布置各個選定的斷路器的最佳方式。協調研究中包含的一項重要任務涉及：以只有離即將發生的故障上游最近的斷路器會跳閘以電氣隔離即將發生的故障的這種方式，來配置各個斷路器。如果正確執行該任務，則各個斷路器的時間-電流不確定帶不會重疊。遺憾的是，由于缺乏精度以及由此產生的時間-電流特性中的不確定帶，所以始終無法按照需要或期望來完成協調研究，并且各個斷路器的不確定帶最終在一定程度上重疊，如圖2所圖示的。重疊的不確定帶是有問題的，因為它會導致上游斷路器響應于即將發生的故障而過早地或者不必要地跳閘的可能性，而不是通過位于更接近即將發生的故障的更遠下游的斷路器。上游斷路器過早地或者不必要地跳閘是不可取的，因為它可以導致配電系統的較大部分不必要地斷電。