УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТКЛЮЧЕНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ Российский патент 1997 года по МПК H02H7/22 H02H7/26 

Предлагаемое устройство относится к системам релейной защиты электрооборудования и может быть использовано для подачи сигнала на аварийное отключение комплексных распределительных устройств (КРУ) при возникновении в них электрической дуги короткого замыкания.

При разработке систем аварийной защиты электрораспределительного оборудования, в частности КРУ, встает задача отключения отдельной ячейки КРУ без отключения КРУ в целом при возникновении электрической дуги в этой ячейке, либо отключения всего КРУ, если дуга возникла одновременно в двух и более ячейках. Устройство для отключения КРУ должно охватывать все его ячейки, иметь высокое быстродействие и не реагировать на электромагнитные помехи.

Известно фотореле "Молния-2" [1] используемое для подачи сигнала на аварийное отключение КРУ. Устройство срабатывает при условии непосредственного попадания вспышки света от электрической дуги на фотодатчик, в качестве которого используется фоторезистор. Поэтому для отключения КРУ в целом, состоящего из нескольких ячеек, необходимо устанавливать фотодатчик в каждой ячейке и соединять их электрическим кабелем. Однако в этом случае исключается возможность отключения отдельной ячейки КРУ, а электрический кабель подвергается воздействию электромагнитных помех.

Наиболее близким техническим решением к прелагаемому является устройство дуговой защиты УДЗ-1 [2] состоящее из световода, выполненного из пластмассового волокна, фотоприемника, компаратора и исполнительного органа. Световод прокладывается в местах вероятного возникновения электрической дуги и соединяется с фотоприемником, подключенным к неинвертирующему входу компаратора, нагрузкой которого является исполнительный орган, отключающий КРУ.

Работает устройство следующим образом. При возникновении электрической дуги у световода подгорает или перегорает изоляционный слой. По светопроводящему каналу свет попадает на фотоприемник, где преобразуется в электрический аналог, который сравнивается на компараторе с заданным уровнем напряжения, превышение которого свидетельствует о появлении электрической дуги. В этом случае сигнал с компаратора вызывает срабатывание исполнительного органа, который отключает КРУ в целом. Данное устройство позволяет охватывать несколько ячеек за счет прокладки световода в этих ячейках.

Недостатком прототипа является невозможность отключения отдельной ячейки КРУ, в которой возникла электрическая дуга. В случае возникновения электрической дуги в одной ячейке отключается КРУ в целом.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства, а именно обеспечение возможности отключения той ячейки КРУ, в которой возникла электрическая дуга, без отключения КРУ в целом.

Указанная цель достигается тем, что устройство для отключения ячейки КРУ, содержащее световод, фотоэлектронный преобразователь (ФЭП), к входу которого подключен световод, и исполнительный орган, дополнительно содержит второй ФЭП, блок логарифмирования отношения токов, схему ИЛИ, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микропроцессор и n-1 исполнительных органов, где n число контролируемых ячеек КРУ, световод подключен вторым концом к входу второго ФЭП, выходы первого и второго ФЭП подключены к соответствующим входам схемы ИЛИ и блока логарифмирования, выход последнего соединен с первым входом АЦП, второй вход которого соединен с первым входом микропроцессора, выход АЦП соединен с первым входом микропроцессора, к второму входу которого подключен выход схемы ИЛИ, а остальные выходы микропроцессора соединены с соответствующими входами исполнительных органов.

Существо изобретения заключается в том, что в устройстве регистрируют два световых сигнала с противоположных концов световода, возникающих в одной точке световода при попадании в эту точку через его боковую поверхность света от электрической дуги и распространяющихся по этому же световоду в его противоположные концы. По отношению амплитуд этих сигналов находят расстояние от точки попадания света электрической дуги на световод до первого ФЭП вдоль световода и, зная расположение световода в ячейках КРУ, определяют ячейку, в которой возникла электрическая дуга, и отключают ее, не отключая КРУ в целом. При возникновении электрической дуги одновременно в двух и более ячейках отключаются все КРУ.

Блок-схема устройства представлена на фиг. 1, на фиг.2 приведена схема экспериментальной установки, на фиг.3 график экспериментальной зависимости прологарифмированного отношения амплитуд выходных сигналов с ФЭП от расстояния от первого ФЭП до места возникновения световой вспышки.

Устройство для отключения ячейки КРУ содержит световод 1, два ФЭП 2 и 3, блок логарифмирования отношения токов 4, схему ИЛИ 5, АЦП 6, микропроцессор 7 и исполнительные органы 8. Каждый конец световода подключен к входу своего ФЭП, выходы которых подключены к соответствующим входам схемы ИЛИ 5 и блока логарифмирования 4. Выход последнего соединен с первым входом АЦП 6, второй вход которого соединен с первым выходом микропроцессора, выход АЦП подключен к первому входу микропроцессора 7. Выход схемы ИЛИ 5 подключен к второму входу микропроцессора 7, а остальные выходы микропроцессора 7 соединены с соответствующими входами исполнительных органов 8, количество которых определяется числом ячеек в КРУ, охваченных заявляемым устройством.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Возникновение и горение электрической дуги в ячейке КРУ сопровождается интенсивным испусканием света, который попадает на боковую поверхность световода 1 с прозрачной защитной оболочкой и возбуждает в точке внутри световода 1, расположенной напротив дуги, два световых сигнала, которые распространяются по световоду в противоположные концы и поступают на ФЭП 2 и ФЭП 3, где преобразуются в электрические аналоги. Электрические сигналы через схему ИЛИ 5 поступают на микропроцессор 7, вызывая его прерывание. Одновременно сигналы с выходов ФЭП 2 и ФЭП 3 поступают на блок логарифмирования отношения токов 4, на выходе которого формируется сигнал, поступающий на АЦП 6. По прерыванию микропроцессор 7 подает команду пуска на АЦП 6. По этой команде АЦП 6 преобразует сигнал с выхода блока 4 в двоичный цифровой код, который считывается микропроцессором 7. Микропроцессор 7 осуществляет сравнение этого кода с кодами ячеек КРУ, заранее записанными в нем, и при совпадении зарегистрированного кода с кодом одной из ячеек подает сигнал на исполнительный орган, соответствующий этой ячейке, в результате чего ячейка отключается. В случае, если зарегистрированный код не совпадает с кодами ячеек, микропроцессор 7 подает сигналы на исполнительные органы всех ячеек, тем самым отключая КРУ в целом. После подачи сигнала на отключение через временной интервал, определяемый техническими характеристиками данного типа КРУ, микропроцессор 7 снова подает сигнал пуска на АЦП 6 и цикл повторяется. При наличии на выходе АЦП 6 кода, соответствующего тому, что дуга еще горит, микропроцессор 7 выдает сигналы на исполнительные органы всех ячеек, тем самым отключая КРУ в целом.

Принцип действия предлагаемого устройства основан на зависимости амплитуды сигнала на выходе блока логарифмирования 4 отношения токов с выходов ФЭП 2 и ФЭП 3 от расстояния x между вспышкой света, возникающей в одной точке внутри световода, и ФЭП 3. Зная это расстояние при известной прокладке световода, можно определить ячейку, где возникла дуга, что подтверждается следующим.

Токи i₁ и i₂, возникающие в ФЭП 2 и ФЭП 3, определяются формулами:

где e коэффициент преобразования света электрической дуги в световую мощность, индуцированную в световоде;
S крутизна преобразования световой мощности в ток в ФЭП;
F освещенность световода, создаваемая светом от электрической дуги;
l длина облучения световода светом дуги;
а коэффициент затухания световой мощности в световоде;
L длина световода;
x расстояние от ФЭП 3 до ячейки, где возникла электрическая дуга.

Блок логарифмирования 4 производит математическую операцию отношения токов i₁ и i₂ с выходов ФЭП 2 и ФЭП 3:
U_вых=R•lg(i₂/i₁)+U_смо,
где U_вых напряжение на выходе блока 4;
U_смо, R константы, определяемые конкретным исполнением блока 4.

Подставляя (1) и (2) в (3) и проводя необходимые математические преобразования, получим для определения x формулу:

Микропроцессор 7 по этой формуле определяет x и сравнивает его с расстоянием от ФЭП 3 до каждой ячейки, определенными заранее и введенными в микропроцессор 7. При попадании x в интервал [X_n, X_n + dX_n] для n-й ячейки микропроцессор 7 выдает сигнал на исполнительный орган, соответствующий этой ячейке, и последняя отключается.

Пример конкретного выполнения заявляемого устройства:
световод 1 нерегулируемый волоконно-оптический жгут с прозрачной защитной оболочкой, выполненный по чертежу 5AC503582-14;
ФЭП 2 и ФЭП 3 фотодиоды ФД263;
блок логарифмирования отношения токов выполнен в соответствии с [3]
схема ИЛИ 5 серии 564;
АЦП 6 микросхема К1113ПВ1;
микропроцессор 7 серии К580;
исполнительные органы 8 электромагнитные реле типа РПГ-5-212073.

Для подтверждения работоспособности устройства была экспериментально исследована функциональная зависимость вида:
ln(i₁/i₂)=f(x)
Экспериментальная установка приведена на фиг. 2. Она состоит из световода 1 вышеуказанного типа длиной 20 м, двух ФЭП 2, 3 также указанных типов, двух АЦП 9, 10 типа СПН33 [4] блоков оперативно-запоминающих устройств типа СОЗУ7 11, 12 [4] блока управления СМБУ13 [4] ПЭВМ типа РС/АТ 14, связанной с СМБУ13 последовательным каналом RS232, а также генератора световых импульсов СГС-251 15 [4]
С помощью генератора создавались световые импульсы, которые освещали боковую поверхность световода 1, при этом измеряли расстояние между точкой освещения световода и ФЭП 2 x. Свет, индуцированный световым импульсом в световоде, преобразовывался на ФЭП 2, 3 в электрические аналоги, которые измерялись блоками СПН33, СОЗУ7, СМБУ13 и по RS232 передавались в ПЭВМ РС/АТ, где определялись амплитуды импульсов и находилось логарифмическое отношение амплитуд ln(i₁/i₂). В ПЭВМ РС/АТ вручную заносили значения x.

Результаты экспериментов приведены в виде графика на фиг.3. По оси ординат отложены значения ln(i₁/i₂), а по оси абсцисс значения x. График в пределах погрешности измерения имеет линейный характер, что подтверждает верность формулы (4).

Таким образом, предлагаемое устройство для отключения КРУ в сравнении с прототипом обеспечивает выборочное отключение ячейки КРУ при возникновении в ней электрической дуги без отключения КРУ в целом, а при возникновении электрической дуги одновременно в двух и более ячейках отключается все КРУ, т. е. функциональные возможности.

Использование: для подачи сигнала на аварийное отключение комплексных распределительных устройств (КРУ) при возникновении в них электрической дуги короткого замыкания. Сущность изобретения: устройство содержит световод, два фотоэлектронных преобразователя (ФЭП), блок логарифмирования отношения токов, схему ИЛИ, АЦП, микропроцессор и исполнительные органы. Каждый конец световода подключен к входу соответствующего ЭП, выходы ФЭП подключены к соответствующим входам схемы ИЛИ и блока логарифмирования. Выход последнего соединен с первым входом АЦП, второй вход которого соединен с первым выходом микропроцессора. Выход АЦП подключен к первому входу микропроцессора. Выход схемы ИЛИ подключен к второму входу микропроцессора, а остальные выходы микропроцессора соединены с соответствующими входами исполнительных органов, количество которых определяется числом ячеек в КРУ, охваченных заявляемым устройством. Положительный эффект: расширение функциональных возможностей устройства, а именно обеспечение возможности отключения той ячейки КРУ, в которой возникла электрическая дуга, без отключения КРУ в целом. При возникновении электрической дуги одновременно в двух и более ячейках отключаются все КРУ. 3 ил.

Устройство для отключения ячейки КРУ, содержащее световод, фотоэлектронный преобразователь, к входу которого подключен световод, и исполнительный орган, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит второй фотоэлектронный преобразователь, блок логарифмирования отношения токов, схему ИЛИ, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор и n 1 исполнительных устройств, где n число контролируемых ячеек, световод подключен вторым концом к входу второго фотоэлектрического преобразователя, выходы фотоэлектрических преобразователей подключены к соответствующим входам схемы ИЛИ и блока логарифмирования, выход которого соединен с входами аналого-цифрового преобразователя, выход последнего соединен с первым входом микропроцессора, к второму входу которого подключен выход схемы ИЛИ, а выходы микропроцессора соединены с соответствующими входами исполнительных органов, причем микропроцессор выполнен с возможностью реализации функции
X (U_смо U_вых) / (0,2 • а • R) + L / 2,
где X расстояние от второго фотоэлектронного преобразователя до ячейки КРУ, где возникла электрическая дуга;
U_в ы х напряжение на выходе блока логарифмирования отношения токов;
U_с м о, R константы, определяемые конкретным исполнением блока логарифмирования отношения токов;
а коэффициент затухания световой мощности в световоде;
L длина световода.