[发明专利]配电系统中的固态断路器和机械断路器的选择性协调

说明书

配电系统中的固态断路器和机械断路器的选择性协调。在包括固态断路器(SSCB)和一个或更多个下游机械断路器(CB)的配电系统中，在短路事件期间反复接通和断开SSCB中的固态开关装置，以减小短路电流的均方根(RMS)值。在滞后控制回路中调节产生的脉冲化短路电流，以将RMS限制到低至足以防止SSCB过早跳闸但高至足以允许下游机械CB中的一个跳闸并隔离短路的值。允许脉冲化持续最大短路脉冲化时间。仅在最大短路脉冲化时间内没有下游机械CB能够跳闸来隔离短路时，才允许SSCB跳闸。

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年5月4日提交的美国临时专利申请No.62/667,114的权益。

技术领域

本发明涉及配电系统中的固态断路器和机械断路器的选择性协调。

背景技术

断路器用于配电系统中，以使电路免于由故障和过载引起的异常高电流。当断路器检测到故障或长时间且不可接受的高过载时，它通过“断开”其电路来进行响应，以防止潜在有害的过电流在电路中流动。传统的断路器通常包括：热响应双金属条，该热响应双金属条在高过电流在电路中流动达不可接受的长时间之后使断路器的触点分离；以及电磁铁，该电磁铁操作为当大电流在电路中浪涌时尽快分离断路器的触点，该浪涌例如可能由短路引起。

传统的机械断路器在它们对故障快速反应的能力方面受到限制，通常需要几毫秒来检测并完全隔离故障。慢反应时间是不希望的，因为它增大电气设备损坏的风险以及电路的电气布线中的火灾的可能性。传统机械断路器的另一个缺点是在断开它们的触点的时间期间，高压电弧跨触点形成并出现。电弧是不希望的，因为它们可能产生电离气体以及熔化并汽化的金属，这可能将触点焊接回到一起，由此产生另外的短路。在一些情况下，电弧放电(arcing)还可能使得断路器爆炸。为了防止这些问题，传统的断路器，特别是在高压环境中使用的断路器，通常包括某种含弧或灭弧设备，诸如分隔并冷却电弧的熄弧沟、吹熄电弧的压缩空气、包围断路器触点的油填充室或借助电弧使汽化油爆炸的喷射室。

近来，已经努力使高功率半导体(即，“固态”装置)适用于断路器应用。通过用高功率固态开关代替传统机械断路器的机械操纵触点，消除固态断路器内的电弧放电的问题，并且不再需要断路器内的复杂的含弧/灭弧设备。固态装置也具有吸引力，因为它们能够比机械断路器更快地对故障作出反应，例如，在几微秒而不是几毫秒内对故障作出反应。进一步地，因为固态装置的电流-电压特性是精确的并且从一个装置到另一个装置变化很小，所以可以制造由固态装置构造的断路器，以具有从一个固态断路器到另一个固态断路器几乎相同的时间-电流特性。这与传统的机械断路器不同，传统的机械断路器由于其热、磁以及机械构造，甚至在由同一制造商提供的同一类型和额定值(rating)的断路器当中也展示其时间-电流特性的广泛变化。最后，因为固态装置是电子控制的，所以它们更佳地适于电力的所谓“智能”分配。

虽然固态断路器无疑是传统机械断路器的有吸引力的替代选择，但在一些情况下，必须或期望在同一配电系统中使用固态断路器和机械断路器这两者。例如，可能必须或期望将固态断路器构造为或使其适于充当包含多个下游机械断路器的配电网络中(例如，诸如在配电盘中)的“主”断路器。然而，在这种类型的应用中遭遇各种问题。一个问题是固态断路器在几个下游机械断路器当中的“选择性协调”。选择性协调是工程师在配电系统设计中执行的一个步骤。如果适当完成，则当故障发生在得到的配电系统中时，仅配电系统中在故障下游的那些部分被电隔离并断电。这样，上游断路器不会不必要地跳闸，并且配电系统的不受故障影响的其他部分可以继续运行。不幸地，由于机械和固态断路器的迥然不同的时间-电流特性，难以实现在包含下游机械断路器的配电系统中选择性地协调固态断路器。本发明解决该问题。

发明内容