[发明专利]具有传输线测试的电力分配系统

说明书

技术领域

本发明涉及电力分配系统安全保护装置——例如，具有电子监测以便当发生电气故障或安全隐患时尤其在个人已经接触暴露的导体的情况下检测和断开电力的电力分配系统。本发明适用于一般的电力分配，或更具体地适用于电动车辆充电、电信或替代性能量电力系统。

背景技术

在典型电力分配应用中，来自中心电源的电力通过许多分支电路分配至负载装置。这些分支电路装备有保护装置(如断路器或熔断器)。在电气故障(如短路)期间，保护装置被设计成用于检测反常高电平的电流，且在导致对分配系统的破坏或火灾前，将电源从负载断开或中断。

引入接地故障中断器(GFI)通过检测特定分支电路中的相电流之间的不平衡来向分配系统添加触电保护，该不平衡表明电流正流过交替性接地路径并且可能在使个人触电的过程中。

然而，在传统分配保护方法中存在明显的缺点。例如，火灾仍可从松动的连接处发生。在此情况下，活连接的电阻增加并且升温至点燃周围材料的点。这个热量积聚可以在远低于分支电路保护装置跳变点的电流下发生。在GFI保护的情况下，GFI电路可以仅保护同时与线导体和接地点接触的个人，比如如果个人用一只手触摸带电导体并用另一只手触摸水槽水龙头就是这种情况。然而，如果个人能够同时触摸带电导体和返回路径(诸如跨家庭电源插座的“火”线和中性线)，GFI将不激活并且人将受到电击。

另一重要概念为用于使电击致命率与流过身体的电流脉冲的持续时间和大小相关的度量。由电生理学家使用来描述此关系的一种度量被称为时值；是类似于工程师将其称为系统时间常数的概念。电生理学家通过使用长脉冲发现触发神经细胞的最小电流量来确定神经的时值。在连续测试中，将脉冲缩短。相同电流的更简短脉冲较少可能触发神经。时值被定义为以两倍于从那个第一非常长的脉冲确定的电流来触发细胞的最小刺激长度。在对于给定电流的时值以下的脉冲长度将不触发神经细胞。本披露的发明可以利用时值原理，以便使能量包的大小和持续时间安全地处于可导致触电的水平以下。

触电是通过电击导致心室纤维性颤动(VF)而诱发心脏骤停。VF是对正常心律的破坏。当心跳变得不稳定并且血流变得最低或完全停止时，死亡会发生。麦克丹尼尔(McDaniel)等人在《起博与临床电生理学(PacingandClinicalElectrophysiology)》、卷28、第1期、2005年1月的题为“神经肌肉失能性防御装置的心脏安全(CardiacSafetyofNeuromuscularIncapacitatingDefensiveDevices)”的论文中提供了在类似于所披露的发明的条件下用于估计诱发VF所必需的最小电荷的保守参考。进行该研究是为了探讨电神经肌肉失能装置的安全性方面，这些电神经肌肉失能装置通常由执法机构用于使暴力嫌疑犯失能。麦克丹尼尔测量了一系列的猪对施加至动物胸腔的多个、简短(150μs)电脉冲的响应。在这些测试中，720μC的阈值电荷可以在30kg动物中诱发VF。将带倒钩的镖放置在动物表面上，紧邻心脏并且足够穿透以便绕开皮肤的正常绝缘层。这导致身体电阻低至400欧姆。相比之下，美国职业安全与健康机构(OSHA)将潮湿的人类皮肤的电阻描述成近似于1000欧姆。

通过仔细监测由电源发送的所包含的电能到负载装置的传递，可以确定某些其他机构(如外部短路、或受到电击的人)是否影响了能量的传递。随后可以中断传递，以便保护设备或人员。如果电流脉冲周期低于肌肉时值，人类骨骼或心肌将较不容易受到脉冲影响。避免建筑或设备火灾也是至关重要的，但导致火灾的能量水平通常远小于将导致心脏骤停的水平。所披露的发明将以小增量监测和控制能量传递，并因此可以提供超过甚至通过结合断路器与接地故障中断器所提供的安全性的附加安全性。

存在两种有待检测的主要故障模式。第一模式为线中或串联故障，其中，反常电阻与电源和负载之间的路径串联放置，如由图3a中被电击的个人所示。第二故障模式为跨线或并联故障，如图3b中所示。线中故障可以通过对于给定电流在电源与负载点之间的反常电压下降来检测。在所披露的发明中，跨线故障可以通过在输出导体已通过电子开关与电源和负载两者隔离后它们之间的阻抗减少来检测。

发明内容