CN105745724B - 电气装置的短路设备以及用于消灭装置中的电弧的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于使包括至少两条电导线(12)的电气装置(10)短路的设备(30)，该设备包括：至少两个连接端子(42)，其每个能够连接至相应的电导线；机电单元(44)，能够在连接端子(42)之间建立短路；至少一个电阻元件(46)，能够将连接端子(42)之一连接至对应的电导线。该电阻元件或每个电阻元件(46)包括连接至对应的连接端子(42)的第一连接端(54)、以及能够连接至对应的电导线的第二连接端(56)。电阻元件(46)具有阻抗，并且，对于电阻元件的在0℃和200℃之间的温度，阻抗值的变化小于1mΩ。

Description

电气装置的短路设备以及用于消灭装置中的电弧的系统

技术领域

本发明涉及一种用于使电气装置(installation)短路的设备、以及用于熄灭(quench)在这种装置中易出现的电弧的系统。

背景技术

在电气装置保护领域中，长久存在的问题是保护电气装置以防易于在该装置中的内部故障之后出现电弧。通常在该装置的相导线(conductor)之间产生电弧。

电弧伴随有大量能量在非常短时间的释放。该能量尤其以热量的形式、以及以通过空气生成冲击波的爆炸的形式释放。因此，电弧的出现既对于该装置来说是破坏性的，又对于位于附近的人们来说是危险的。

为了保护该电气装置以及位于附近的人们，主要的目的是快速地(即，例如在小于2毫秒(ms)内)抑制此电弧。因此，已知的做法是使用短路设备以允许相对于向该装置供应电力的电源，在电弧的上游创建短路。还将短路设备置于将电源与该装置的电导线连接的断路器的下游。因此，在检测到电弧时，短路设备使电导线短路，然后，对应于电弧的电流流过短路设备，并且电弧消失。然而，此短路操作使得短路电流流过该装置在短路设备与电源之间的部分，直到断路器断开为止。短路电流生成在该装置的此部分上施加的相当大的应力，直到断路器断开为止，由此缩短该装置的寿命。

为了使当电弧出现并且短路设备在该电气装置中建立短路时该电气装置所受到的应力最小，从文献DE-A-10931647已知的做法是将限流设备连接在短路设备与电导线之间。这种限流设备可以比作如下这样的开关，其被保持在闭合位置，并且在检测到电弧之后，只有当电弧已经被传递到短路设备中并且已经消失时(即，当在电导线两端测量的电压低于预定阈值时)才断开。

然而，这种解决方案实施复杂，并且，只要在电导线两端测量的电压高于预定阈值，就在该装置上施加相当大的应力。因此，这种设备不允许有效地减小施加在该装置上的应力，并且该装置因此偶尔受到相当大的应力，其导致其老化和恶化。

发明内容

因此，本发明的目的是提出一种短路设备，其允许非常快速地熄灭电弧、同时限制在该装置短路之后该装置受到的应力。

为此，本发明涉及一种用于使包括至少两条电导线的电气装置短路的设备，该设备包括：至少两个连接端子，其每个能够连接至相应的电导线；机电块，能够在连接端子之间建立短路；至少一个电阻元件，能够将连接端子之一连接至对应的电导线，该电阻元件或每个电阻元件包括连接至对应的连接端子的第一连接端、以及能够连接至对应的电导线的第二连接端。根据本发明，电阻元件具有阻抗，并且，对于电阻元件的在0℃和200℃之间的温度，阻抗值的变化小于1mΩ。

凭借本发明，电阻元件允许显著地减小该装置受到的应力、同时允许熄灭电弧。具体地，电阻元件允许流过电导线的电流的峰值和平均值减小。更具体地，在机电块在连接端子之间、并因此在电导线之间建立短路的时刻，该装置受到的应力通常非常大，并且，电阻元件的使用允许限制流过电导线的短路电流，以便限制该装置受到的应力，而不显著增加熄灭电弧所用的时间。

根据本发明的其它有利方面，短路设备包括孤立地、或者以任何及上述可能的组合采取的以下特征中的一个或多个：

-对于电阻元件的在0℃和100℃之间的温度，电阻元件的阻抗值在0.3m Ω和1mΩ之间，优选地，在0.5mΩ和0.6mΩ之间；

-机电块包括移动构件，其能够在将连接端子彼此电隔离的休息(rest) 位置、与将连接端子相互连接的短路位置之间切换；

-该设备包括多个电阻元件，每个连接端子连接至相应电阻元件的第一连接端，同时电阻元件彼此电隔离；

-该电阻元件或每个电阻元件由不锈钢制成；

-该电阻元件或每个电阻元件包括将第一连接端与第二连接端连接的边缘，同时该电阻元件或每个电阻元件具有与对应的边缘垂直的横截面，其大于或等于400mm²；

-将至少一个连接端子相对于其它连接端子升高一高度，所升高的高度在2cm和4cm之间；

-该电阻元件或每个电阻元件是交错(boustrophedon)的形式。

本发明的另一主题是一种用于熄灭易于在电气装置中出现的电弧的系统，该装置包括至少两条电导线，该系统包括：至少一个设备，用于检测每条导线上的电弧；至少一个电隔离断路器，连接至在该电气装置与此电气装置的电源之间的电导线；短路设备，连接至电导线；用于控制该短路设备的电子单元，其能够控制该短路设备，以使得其在检测设备检测到电弧时，处于用于在电导线之间建立短路的状态中；以及构件，用于当该检测设备检测到电弧时使电断路器跳闸。根据本发明，该短路设备如上所述。

根据熄灭系统的另一有利方面，相对于电源，将短路设备置于电隔离断路器的下游。

附图说明

-根据仅通过非限制性示例的方式、以及参考附图而给出的下面描述，本发明将被更好地理解，并且其它优点将变得更加明显，其中：

-图1是根据本发明的第一实施例的、包括三条电导线、并且配备有用于熄灭电弧的系统的电气装置的图示，其中熄灭系统包括电短路设备；

-图2是图1的短路设备的透视图；

-图3是表示在由短路设备建立电导线之间的短路期间、流过图1的每条电导线的电流的三条曲线的集合；

-图4是表示在由短路设备建立电导线之间的短路期间、图1的电导线之一受到的应力的曲线；

-图5是根据本发明的第二实施例的、与图1的图示类似的图示；

-图6是根据本发明的第三实施例的、与图2的视图类似的视图；

-图7是对于配备有现有技术的熄灭系统的电气设备的、与图3的集合类似的三条曲线的集合；以及

-图8是对于配备有现有技术的熄灭系统的电气设备的、与图4的曲线类似的曲线。

具体实施方式

在图1中，三相电气装置10包括三条电导线12，其每条对应于一个相，导线12连接至三相电源14。

导线12连接至它们供电的电负载16、以及用于熄灭电弧A的系统18，电弧A易于在该装置10中出现在电导线12之间。

电源14包括电力变压器20，意在连接至电网22。

熄灭系统18包括对于每条导线12的电流传感器24、以及能够在电弧A 出现在电导线12之间时检测由电弧A产生的光的闪烁或闪耀的光传感器26。熄灭系统18包括三相断路器28，其被置于电源14与负载16之间，并且能够在电故障的情况下将电源14相对于该装置10电隔离。

熄灭系统18还包括用于使电导线12短路的设备30、以及能够控制短路设备30和断路器28和处理由电流传感器24和光传感器26发送的数据的处理单元32。

电力变压器20能够将由电网22递送且具有第一AC电压的电流变换为具有第二AC电压的另一电流。

电网22是AV电网，诸如三相电网。优选地，电网22是中压电网，即，电压高于1000伏特且低于50000伏特的电网。于是，第一AC电压是中压，并且第二AV电压例如是低压，即，低于1000伏特的电压。电力变压器20 由此将三相电气装置10划分为中压侧和低压侧。

电流传感器24被置于围绕每条电导线12，并且被布置在电源14与短路设备30和断路器28两者之间。每个电流传感器24例如包括围绕对应的电导线12布置的Rogowski环。

光传感器26能够在知道相对于位于上游的电源14，电弧A出现在短路设备30的下游的情况下，检测由跨导线12出现电弧A而产生的光的闪烁或闪耀。光传感器26例如如在申请EP-A1-0575932的第3页第18至23行以及第5页第9至18行上所述的。

三相断路器28能够通过切断对导线12的供电，将电源14与装置10电隔离。如图1中所示，断路器28可以比作连接至导线12的三个开关34、以及用于控制开关34的致动器。断路器28可以在两个位置(即，开关34处于断开位置并且将电流通过电导线12的流动中断的断开位置、以及开关34处于闭合位置并且允许电流流过电导线12的闭合位置)之间移动。

短路设备30包括：三个连接端子42，其每个能够连接至相应的电导线 12；以及平行六面体(parallelepipedic)机电块44，能够建立连接端子42之间的短路。

短路设备30对于每个连接端子42，还包括电阻元件46，其能够将对应的连接端子42连接至对应的电导线12。

机电块44和短路设备30的纵轴由X标注。

机电块44和短路设备30的横轴由Y标注，其中该横轴垂直于纵轴X，并且每个电阻元件46沿着该横轴将对应的连接端子42与对应的电导线12相连接。

与纵轴X和横轴Y垂直的垂直轴由Z标注。

处理单元32包括用于检测电弧A的软件48、用于控制短路设备30、以及更具体地用于控制机电块44的电子单元50、以及用于使三相电断路器28 跳闸的构件52。

致动器36能够经由跳闸构件52控制，以便将开关34移动到它们的断开位置，对于该位置，电流通过电导线12的流动被中断。

每个连接端子42能够经由对应的电阻元件46而连接至对应的电导线12。在图2中，将连接端子42之一相对于其它连接端子42升高高度H1。所升高的高度H1沿着横轴Y测量，并且在2cm与4cm之间。

机电块44能够通过将连接端子42彼此连接而建立它们之间的短路。机电块44包括构件53，其沿着纵轴X，在将连接端子42彼此电隔离的休息位置、与将连接端子42相互电连接的短路位置之间移动。

机电块44优选地根据在专利申请FR-A1-2980301从第8页第15行至第 11页第31行所描述的机电块。机电块44沿着纵轴X延伸。

将每个电阻元件46设计为将对应的连接端子42连接至对应的电导线12。更具体地，每个电阻元件46包括连接至对应的连接端子42的第一连接端54、以及能够连接至对应的电导线12的第二连接端56。如图2中所示，通过介电元件58将电阻元件46彼此电隔离，该介电元件58被布置在两个连续的电阻元件46之间。因此，当移动构件53处于休息位置时，电阻元件46彼此电隔离，而当移动构件53处于短路位置时，电阻元件46彼此电连接。

每个电阻元件46具有如下这样的阻抗，其值的变化对于电阻元件46的在0℃和200℃之间的温度而小于1mΩ。

对于电阻元件46的在0℃和100℃之间的温度，每个电阻元件46的阻抗的值例如在0.3mΩ和1mΩ之间，优选地，在0.5mΩ和0.6mΩ之间。

在图2中，每个电阻元件46是交错形式。电阻元件46由不锈钢制成。

每个电阻元件46包括边缘60，其在第一连接端54与第二连接端56之间、在大于200mm的曲线长度L60上延伸。同样地，垂直于边缘60测量的电阻元件的横截面大于400mm²。

每个电阻元件46例如由不锈钢AISI 316L制成，不锈钢AISI 316L的电阻率在20℃等于75μΩ.cm。每个电阻元件46例如具有等于340mm的曲线长度L60、以及垂直于边缘60测量的、等于500mm²的横截面。形成电阻元件46的尺寸，以使得它们的最大温度对于在50毫秒上等于100千安培(kA) 的流过其的电流而小于500℃。因此，每个电阻元件46具有体积V1，其优先地大于80cm³(80000mm³)。

在一变型中，形成电阻元件46的材料不同于不锈钢，并且此材料的特性以及电阻元件46的尺寸使得每个电阻元件46具有如下这样的阻抗，其值对于电阻元件46的在0℃和100℃之间的温度而在0.3mΩ和1mΩ之间，优选地，在0.5mΩ和0.6mΩ之间。在此变型中，形成电阻元件的材料例如是高电阻率的镍-铬合金或铁-铬合金。

每个电阻元件46经由两个螺栓连接64连接至对应的连接端子42。

根据由光传感器26和电流传感器24测量的数据，检测软件48能够检测电弧A在电导线12之间的出现。

检测软件48、电流传感器24和光传感器26可以比作用于检测电弧A的电气设备。

控制单元50能够控制短路设备30，以使得其当由检测软件48检测到电弧A时，处于用于建立电导线12之间的短路的状态。更具体地，电子控制单元50能够以如下这样的方式充当机电块44：当电弧A被检测到时，控制移动构件53朝着其短路位置移动。

跳闸构件52能够控制致动器36，以便当检测软件48检测到电弧A时将断路器28移动到断开位置中。

在检测软件48检测到电弧A之后断路器28移动到其断开位置中所用的时间通常小于50ms。因此，对于该装置10，消除由短路设备30创建的短路所用的时间小于50ms。每个第一连接端54沿着横轴Y包括两个通孔，它们在各个图中不可见。

每个螺栓连接64包括沿着横轴Y被置于通过机电块44和对应的通孔的螺纹杆66、以及拧到螺纹杆66上以便保持每个电阻元件46处于相对于机电块44的位置的两个螺栓68。

在图3中，第一曲线202、第二曲线204和第三曲线206在峰值方面表示对于阻抗等于0.6mΩ的电阻元件46、以及当机电块44从其休息位置转变到短路位置时，分别流过三条电导线12的每条的电流。对于在机电块44移动到其短路位置之后通过变压器20而被递送至电导线12的、其RMS值等于 100kA的三相电流，以及对于在机电块44移动到其短路位置之前具有415V 的值的、在电导线12之间的电压，获得所示的第一曲线202、第二曲线204 和第三曲线206。

以已知的方式，在流过电导线12的电流是AC电流的情况下，在机电块 44到其短路位置的转变期间，电流的值等于：

其中，表示以弧度(rad)表示的、对于每条电导线12在电流与电压之间的相移，

α表示以弧度表示的起始角度，即，关于对应的导线(对于其，机电块 44转变至短路位置)两端的电压而测量的角度，

ω表示以rad/秒(rad/s)为单位的角频率，

t表示以秒为单位的时间，以及

I表示以安培为单位的电流的RMS值。

因此，该电流具有稳态正弦分量以及瞬态非周期性分量非周期性分量随着时间t增加而减小，并因此在机电块44 转变到短路位置之后的例如第一个二十毫秒处于最大振幅。

第一曲线202的最大振幅大于第二曲线204和第三曲线206的最大振幅。第一曲线202是非常不对称的，即，其是非正弦的。这是由于非零非周期性分量，其在机电块44转变至短路位置之后的至少第一个二十毫秒具有大振幅。对于第二曲线204和第三曲线206，电流的非对称分量的振幅小于第一曲线202的电流的非对称分量的振幅。

流过电导线12的电流的振幅的高值(整体上大于100kA的峰值)生成电导线12之间的显著的应力，如图4中所示。具体地，图4在第四曲线208 中示出以十牛顿(daN)表示的第一侧向应力E1，其施加在对应于第一曲线 202的电流所流过的电导线12上。对于电导线12的等于200mm的长度、以及沿着横轴Y测量的等于70mm的在每条连续的电导线12之间的距离，获得第四曲线208。第一测量侧向应力E1在流过所述电导线12的电流的强度最大的时刻(即，对于8ms量级(order)的时间t)最大。更一般地，流过每条电导线12的电流影响对应于第一曲线202的电流所流过的电导线12所受到的第一侧向应力E1。

对于第一侧向应力E1所进行的观察对于施加在其它电导线12上的侧向应力也是有效的。因此，流过电导线12的电流的振幅越大，该装置10所受到、且在电导线12之间施加的应力就越大。

图5对应于本发明的第二实施例，对于该第二实施例，与第一实施例的元件类似的元件包括相同标号并且不再描述。

在图5中，装置300包括第一三相断路器302和第二三相断路器304，它们与三相断路器28类似。相对于位于上游的电网22，第一三相断路器302 连接在短路设备30的下游，并且第二断路器304连接在短路设备30的上游。更具体地，第二断路器304被置于电力变压器20与电网22之间。

因此，装置300包括用于熄灭电弧的系统318、以及连接至变压器20的电导线12。

熄灭系统318包括第二三相断路器304。第二断路器304通常被布置在中压侧，而第一断路器302被布置在低压侧。

跳闸构件52能够在检测软件48检测到电弧A出现时，使第二断路器304 跳闸。第二实施例的操作类似于第一实施例的操作，除了以下之外：在第一实施例中，断路器28断开其在低压侧布置的开关34；而在第二实施例中，第二断路器304断开其在中压侧布置的开关34。此外，根据第二实施例，电流传感器24被置于第二三相断路器304的下游。

在检测软件48检测到电弧A出现之后断路器304移动到其断开位置所用的时间通常为100ms量级。因此，对于装置300，消除由短路设备30创建的短路所用的时间为100ms量级。

流过电导线12的电流的形式对于本发明的第一和第二实施例来说是相同的。

在图6中，示出短路设备330。短路设备330与根据第一实施例的短路设备30类似，除了其包括电阻元件346之外，该电阻元件346沿着与纵轴X 和横轴Y平行的平面、且整体形状如L地从其第一连接端54延伸到其第二连接端56。电阻元件346由诸如不锈钢的材料制成。

每个电阻元件346具有沿着基本上将第一连接端54连接至第二连接端 56的边缘360测量的、大于200mm的曲线长度L360。每个电阻元件346也具有垂直于边缘360的大于或等于400mm²的横截面。

更一般地，电阻元件346的尺寸以及形成电阻元件346的材料使得：对于电阻元件346的在0℃和100℃之间的温度，每个电阻元件346具有其值在 0.3mΩ和1mΩ之间，优选地，在0.5mΩ和0.6mΩ之间，的阻抗。

在图7中，第五曲线402、第六曲线404和第七曲线406在峰值方面对应于当通过现有技术的用于熄灭电弧的系统在电导线之间建立短路时(即，没有电阻元件46、346)，分别流过三条电导线的每一条的电流。在与对于第一曲线202、第二曲线204和第三曲线206而选择的条件等同的条件下，获得第五曲线402、第六曲线404和第七曲线406。与第一曲线202、第二曲线 204和第三曲线206相比，表现出对于第五曲线402、第六曲线404和第七曲线406来说电流的峰值更高。

在图8中，第八曲线408示出对应于第五曲线402的电流所流过的电导线所受到的第二侧向应力E2。表现出第二侧向应力E2大于第一侧向应力E1。具体地，因为在第五曲线402、第六曲线404和第七曲线406中所看到的电流的振幅大于在第一曲线202、第二曲线204和第三曲线206中所看到的电流的振幅，所以与根据第一、第二和第三实施例的熄灭系统18、318相比，这导致作为现有技术的熄灭系统的部分的电导线上的更大应力。

凭借本发明，对应于第一曲线202的电流所流过的电导线12上所施加的应力的最大量在整体上减小了大约40％。因此，熄灭系统18允许在机电块 44转变到其短路位置期间电导线12上施加的应力显著减小。具体地，电阻元件46、346允许通过修改装置10、300的总电阻以便修改每条电导线12两端的电压与流过每条电导线12的电流之间的相移，来对于每条电导线12减小电流的非周期性分量的振幅。相移的修改允许对于每条电导线12减小功率因数的值和非周期性分量。非周期性分量对装置10、300具有非常负面的影响，并且能够大大增大流过对应的电导线12的电流的峰值，例如，将峰值乘以1.5。

短路设备30、330允许瞬态非周期性分量的减小，并且因此允许流过对应的电导线12的瞬态电流的峰值的减小，以便减小电气装置10、300(更具体地，电导线12)所受到的应力。在不显著增加转换电弧A所用的时间的情况下，获得非周期性分量的此减小以及应力的减小。转换时间对应于出现在电导线12之间的电弧A通过短路设备30、330所需的时间。

具体地，电弧转换时间优选地在0.1ms和2ms之间。

此外，电阻元件46、346的大体积允许对于在50ms上等于100kA的流过电阻元件的电流，将电阻元件的温度限制到小于500℃的值。

最后，凭借根据本发明的熄灭系统18、318，在转换时段内限制装置300 所受到的应力，然后，在预定响应时间之后，断路器将电源14(更一般地，电网22)与电导线12电隔离。

电阻元件46、346使得可以减小装置10的功率因数，以减小电流的峰值和平均值两者，以便限制装置10中的加热并且不阻碍通过转换至短路设备 30、330而对电弧的熄灭。该转换对应于使电弧通过短路设备30。

当机电块44处于其休息位置时，电导线12之间的电压通常低于690V。

在一个变型中，电气装置10是单相或两相装置，它们分别包括相导线和中性导线、或者两条相导线。

根据另一变型，流过电导线12的电流是DC电流，并且递送到电导线12 的电压低于400V。

Claims (11)

1.一种用于使包括至少两条电导线(12)的电气装置(10；300)短路的短路设备(30；330)，该短路设备包括：

-至少两个连接端子(42)，其每个能够连接至相应的电导线(12)；

-机电块(44)，能够在连接端子(42)之间建立短路；

-至少一个电阻元件(46；346)，能够将连接端子(42)之一连接至对应的电导线(12)，每个电阻元件(46；346)包括连接至对应的连接端子(42)的第一连接端(54)、以及能够连接至对应的电导线的第二连接端(56)，

其特征在于，电阻元件(46；346)具有阻抗，并且，对于电阻元件的温度在0℃和200℃之间，阻抗值的变化小于1mΩ。

2.如权利要求1所述的短路设备，其特征在于，对于电阻元件的温度在0℃和100℃之间，电阻元件(46；346)的阻抗值在0.3mΩ和1mΩ之间。

3.如权利要求2所述的短路设备，其特征在于，对于电阻元件的温度在0℃和100℃之间，电阻元件(46；346)的阻抗值在0.5mΩ和0.6mΩ之间。

4.如权利要求1所述的短路设备，其特征在于，机电块(44)包括移动构件(53)，其能够在将连接端子(42)彼此电隔离的休息位置、与将连接端子(42)相互连接的短路位置之间切换。

5.如前述权利要求之一所述的短路设备，其特征在于，该短路设备包括多个电阻元件(46；346)，每个连接端子(42)连接至相应电阻元件(46；346)的第一连接端(54)，将电阻元件(46；346)彼此电隔离。

6.如权利要求1-4中任一项所述的短路设备，其特征在于，每个电阻元件(46；346)由不锈钢制成。

7.如权利要求1-4中任一项所述的短路设备，其特征在于，每个电阻元件(46；346)包括将第一连接端(54)与第二连接端(56)连接的边缘(60；360)，每个电阻元件(46；346)具有与对应的边缘(60；360)垂直的横截面，其大于或等于400mm²。

8.如权利要求1-4中任一项所述的短路设备，其特征在于，将至少一个连接端子(42)相对于其它连接端子(42)升高一高度(H1)，所升高的高度(H1)在2cm和4cm之间。

9.如权利要求1-4中任一项所述的短路设备，其特征在于，每个电阻元件(46；346)是交错形式。

10.一种用于熄灭易于在电气装置(10；300)中出现的电弧(A)的系统(18；318)，该电气装置包括至少两条电导线(12)，该系统包括：

-至少一个用于检测每条导线(12)上的电弧(A)的设备(24；26；28)；

-至少一个电隔离断路器(28；304)，连接至在该电气装置(10；300)与此电气装置的电源(14)之间的电导线(12)；

-短路设备(30；330)，连接至电导线(12)；

-用于控制该短路设备(30；330)的电子单元(32)，其能够控制该短路设备(30；330)，以使得其在检测设备检测到电弧(A)时，处于用于在电导线(12)之间建立短路的状态中；以及

-构件，用于当检测设备(24；26；28)检测到电弧时使电断路器(28；304)跳闸，

其特征在于，该短路设备(30；330)为根据前述权利要求之一所述的短路设备。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，相对于电源(14)，将短路设备(30；330)置于电隔离断路器(28；304)的下游。