埃德蒙•施韦策的继电器改变了电力行业

以下文章来源于悦智网，作者Qusi Alqarqaz

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他发明的基于微处理器的设备让电网更安全。

一个多世纪以来，公用事业公司一直在使用机电继电器来保护电力系统以免其在恶劣天气、事故和其他异常情况下发生损坏。但继电器既不能进行故障定位，也不能准确记录发生的情况。

1977年，埃德蒙•O.施韦策三世（Edmund O. Schweitzer III）发明了基于数字微处理器的继电器，这是他博士论文的一部分。施韦策的继电器可以定位半径1公里内的故障，为公用事业的可靠性、安全性和效率设定了新的标准。

为了开发和制造继电器，他于1982年在华盛顿普尔曼的地下室创立了施韦策工程实验室（SEL）。如今，施韦策工程实验室在超过165个国家和地区生产保护、监测、控制和自动化电力系统的产品。

施韦策是该公司的总裁兼首席技术官，也是IEEE终身会士。他创办施韦策工程实验室时公司有7名成员，目前已扩展到了6000多名员工。

这家拥有40多年历史的员工持股公司仍在不断发展壮大。该公司在美国有4家制造工厂，其最新的一家工厂于2023年3月在爱达荷州莫斯科市开业，主要生产印刷电路板。

施韦策凭借其工作获得了许多荣誉，包括2012年IEEE电力工程奖章。

电力电子技术的进步

树木或车辆撞倒电线、电网运营商失误或设备出现故障时，就可能会发生电力系统故障。故障会将额外的电流分流到电路的某些部分，进而导致电路短路。

如果没有制定适当的方案或安装合适的装置来保护设备并确保电力供应的连续性，断电或停电就可能会蔓延到整个电网。

然而，过载电流并不是唯一可能发生的损坏。故障还会改变电压、频率和电流方向。

保护方案应迅速将故障与电网的其他部分隔离开，从而使得现场损坏得到控制，防止故障蔓延到系统的其他部分。要做到这一点，必须安装保护装置。

这就是施韦策基于数字微处理器的继电器的用武之地。他在1982年完善了该继电器，后来被商业化，并作为SEL-21数字距离继电器/故障定位器出售。

灵感来自一次停电和一本书

施韦策说，他的继电器在一定程度上受到了他大学一年级时发生的一件事的启发。

“1965年，我还是普渡大学的一名大一新生，一次大停电导致美国东北部和加拿大安大略省数百万人断电数小时。”他回忆道，“那是一件大事，我记得很清楚。我从中吸取了很多教训,其中之一就是恢复电力有多么难。”

他说，他还受到了《保护继电器：理论与实践》（Protective Relays: Their Theory and Practice）一书的启发。他在华盛顿州立大学普尔曼分校攻读工程系研究生期间读了这本书。

“我意识到这些固态设备是专用的信号处理器。”他说，“它们会读取电力系统的电压和电流，并判断电力系统中的设备是否正常运行。我开始思考如何利用我对数字信号处理的了解，将其应用于微处理器内部，从而保护电力系统。”

当时4位微处理器和8位微处理器还是新生事物。

“微处理器的发明者并不知道人们会用它来做各种各样的事。这太神奇了。”他说。

更快地清除故障

施韦策继续发明保护和控制电力系统的方法。2016年，他的公司发布了SEL-T400L，它可以对电力系统每微秒进行一次采样，以检测以光速移动的行波之间的时间。该理念的目的是快速检测和定位输电线路中的故障。

继电器会在1到2毫秒内决定是否让电路断开或采取其他动作。以前，保护继电器大约需要16毫秒来作决定。在高压交流电路中，典型的断路器需要30到40毫秒才能断开。

“如今，没有理由还要等待清除故障。”施韦策说，“从电压和角度稳定性、安全性、降低火灾风险和电气设备损坏的角度来看，更快地断开电路是一个巨大的机会。每节省1毫秒的故障清除时间，输电系统的稳定性限制就会增加15兆瓦。这大约是每毫秒一个馈线。因此，如果节省12毫秒，我们就可以突然从一个输电系统的一部分为另外12个以上的配电馈线提供服务。”

他说，时域技术还会被应用于变压器和配电保护方案，而且会对直流输电产生重大影响。

他说，如今让他兴奋的是能量包概念，他和施韦策工程实验室一直在研究这个概念。能量包可以测量所有信号的能量交换，包括失真的交流系统或直流网络。

“能量包可以精确测量能量传输，与频率或相位角无关，并会以具有共同时间参考（例如每毫秒）的固定速率更新。”他说，“时域能量包提供了加速控制系统和精确测量失真系统能量的机会，这对传统的频域计算方法提出了挑战。”

从教授到发明家

1977年，施韦策加入了俄亥俄大学电气工程系，开始了一段成功的学术生涯。两年后，他搬到了华盛顿州的普尔曼，并在接下来的6年里在华盛顿州的沃伊兰工程与建筑学院任教。直到SEL-21的销售大获成功之后，他才决定全身心投入到他的创业公司。

库斯•阿尔卡卡兹（Qusi Alqarqaz）是IEEE高级会员、电气工程师、工程经理和顾问，在电力行业以及有关电力公用事业公司的分析和性能改进计划方面拥有超过33年的经验。

作者：Qusi Alqarqaz

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