УСТРОЙСТВО ДУГОВОЙ ЗАЩИТЫ ДЛЯ ОТКЛЮЧЕНИЯ ЯЧЕЙКИ КОМПЛЕКТНОГО РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2001 года по МПК H02H7/22 H02H7/26 H02B13/25 

Изобретение относится к системам релейной защиты электрооборудования и может быть использовано для подачи сигнала на аварийное отключение ячейки комплектного распределительного устройства (КРУ) при возникновении в ней открытой электрической дуги короткого замыкания.

При разработке систем аварийной защиты электрораспределительного оборудования, в частности КРУ, при возникновении электрической дуги в отдельной ячейке КРУ встает задача отключения этой поврежденной ячейки без отключения КРУ в целом. Устройство дуговой защиты должно охватывать все ячейки КРУ, регистрировать поврежденную ячейку и подавать сигнал на ее отключение. Также оно должно иметь высокое быстродействие, не реагировать на электромагнитные помехи и допускать многократное срабатывание.

Известно устройство дуговой защиты [1], содержащее чувствительный элемент в виде световода - волоконно-оптического жгута со светопроницаемой оболочкой, который оптически подсоединен к входу фотоэлектронного преобразователя, выход которого через пороговое устройство подсоединен к исполнительному органу, осуществляющему отключение КРУ в целом. Световод прокладывается в местах вероятного возникновения дуги в ячейках КРУ. Устройство работает следующим образом. При возникновении открытой электрической дуги в ячейке КРУ свет от нее, падающий на боковую поверхность световода, проходит через его светопроницаемую оболочку и захватывается светопроводящим каналом световода, по которому передается к фотоэлектронному преобразователю, где преобразуется в электрический аналог - скачок напряжения на выходе фотоэлектронного преобразователя. Амплитуда этого скачка на пороговом устройстве сравнивается с уровнем срабатывания этого устройства. При превышении этого уровня пороговое устройство вырабатывает сигнал, который вызывает срабатывание исполнительного органа, отключающего КРУ в целом. Данное устройство позволяет охватывать несколько ячеек КРУ за счет прокладки световода в этих ячейках, имеет достаточное быстродействие, не реагирует на электромагнитные помехи за счет использования диэлектрического световода. Кроме этого, оно допускает многократное срабатывание, так как световод при воздействии дуги не разрушается. Однако оно не позволяет определять поврежденную ячейку для ее селективного отключения, и поэтому производит отключение КРУ в целом.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для отключения ячейки комплектного распределительного устройства [2], состоящее из световода со светопроницаемой оболочкой, двух фотоэлектронных преобразователей, электронного блока обработки сигналов и n исполнительных органов, где n равно числу контролируемых ячеек КРУ. Световод своими концами подключен через фотоэлектронные преобразователи к входам электронного блока обработки сигналов, выходы которого подключены к исполнительным органам. Как и в предыдущем устройстве, световод протягивается через ячейки КРУ вблизи мест возможного возникновения открытой электрической дуги. Устройство работает следующим образом. При возникновении открытой электрической дуги ее свет падает на боковую поверхность световода, захватывается в его светопроводящем канале и передается по нему в оба конца световода к фотоэлектронным преобразователям, которые преобразуют приходящий на них свет в пропорциональные его мощности электрические сигналы - фототоки. Эти фототоки поступают на входы электронного блока обработки сигналов, где производится их математическая обработка по формуле:

где x - расстояние от ячейки, где возникла электрическая дуга, до первого фотоэлектронного преобразователя вдоль световода;
L - длина световода;
α - коэффициент затухания световода;
I₁, I₂ - фототоки с первого и второго фотоэлектронных преобразователей соответственно.

Зная геометрию прокладки световода, нетрудно определить поврежденную дугой ячейку. По величине x электронный блок обработки сигналов определяет номер n_k ячейки, где возникла дуга, и формирует на своем n_k выходе сигнал, который поступает соответственно на n_k исполнительный орган, производящий отключение данной ячейки. В случае, когда величина x не соответствует ни одной ячейке, электронный блок обработки сигналов выдает сигналы на все ячейки КРУ и отключает его в целом. Данное устройство охватывает несколько ячеек КРУ, не реагирует на электромагнитные помехи, производит отключение А только поврежденной ячейки без отключения КРУ в целом, допускает многократное срабатывание.

Определение расстояния x от ячейки, в которой возникла дуга, до фотоэлектронных преобразователей определяется с погрешностью. При заданной максимальной погрешности |Δx|_max длина контролируемого внутри КРУ участка ограничена, что подтверждается следующим.

Абсолютную погрешность Δx определения местоположения возникновения дуги данным устройством можно записать в виде:

где ΔI_1, ΔI₂ - среднеквадратичные значения флуктуации фототоков фотоэлектронных преобразователей. С учетом того, что относительные флуктуации фототоков ε₁ = ΔI₁/I₁, ε₂ = ΔI₂/I₂, выражение (2) можно переписать в виде:

где ε_max = max{|ε₁|,|ε₂|}.
Относительная флуктуация ε фототока, связанная только с флуктуацией светового потока, определяется по формуле (4):

где ν - энергия фотона, принимаемого фотоэлектронным преобразователем; η - квантовая эффективность фотоэлектронного преобразователя: W - шум фактор; Δ f - полоса частот, в которой регистрируется сигнал; P - световая мощность сигнала, принимаемого фотоэлектронным преобразователем, и определяемая выражением:
P=P₀exp(- α •x), (5)
где P₀ - световая мощность, захваченная световодом от световой вспышки дуги и направленная на один из фотоэлектронных преобразователей, x - расстояние от дуги до этого преобразователя вдоль световода.

Относительная флуктуация ε будет максимальной, когда световая мощность P принимаемого сигнала будет минимальной, что соответствует световой вспышке, воздействующей на дальний от фотоэлектронного преобразователя конец световода, когда x = L, поэтому максимальную погрешность |Δx|_max можно записать в виде:

Так как фотоэлектронные преобразователи находятся рядом, оба конца световода должны быть расположены вблизи друг от друга. Поэтому длина L световода должна быть примерно в 2 раза больше длины L_конт контролируемого участка:
L=2L_конт
С учетом вышесказанного максимальная длина контролируемого участка будет равна:

Так, при α =0,07 1/м, P₀ = 1 мкВт, |Δx|_max = 0,5 м; К = 2,2587•10^-5 мкВт максимальная длина контролируемого участка будет 28,5 м, при длине световода ~57 м.

Недостатком прототипа является малая длина контролируемого участка внутри КРУ при значительной длине световода.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является увеличение длины контролируемого участка внутри КРУ.

Технический результат достигается тем, что устройство дуговой защиты для отключения ячейки комплектного распределительного устройства, содержащее световод со светопроницаемой оболочкой, два фотоэлектронных преобразователя, электронный блок обработки сигналов и n исполнительных органов, где n - число контролируемых ячеек, выходы фотоэлектронных преобразователей подключены к соответствующим входам электронного блока обработки сигналов, каждый из n выходов которого подключен к соответствующему исполнительному органу, дополнительно содержит второй световод со светопроницаемой оболочкой и коэффициентом затухания, отличным от коэффициента затухания первого световода на величину Δα≈2/L, где L - длина световодов, световоды объединены в кабель, одним концом каждый световод оптически подсоединен к входу своего фотоэлектронного преобразователя, электронный блок обработки сигналов выполнен с возможностью реализации математической функции:

где x - расстояние от ячейки КРУ, в которой возникла дуга до фотоэлектронных преобразователей вдоль кабеля световодов: I₁, I₂ - фототоки с выходов фотоэлектронных преобразователей.

На фиг. 1 приведена схема устройства, на фиг. 2 - схема примера выполнения электронного блока обработки сигналов.

Устройство дуговой защиты для отключения ячейки КРУ содержит световоды 1, 2, объединенные в один кабель, фотоэлектронные преобразователи 3, 4, электронный блок обработки сигналов 5 и n исполнительных органов 6, где n - число контролируемых ячеек. Световоды 1 и 2 одним из своих концов оптически подключены к входам фотоэлектронных преобразователей 3, 4 соответственно. Выходы фотоэлектронных преобразователей 3, 4 подключены соответственно к первому и второму входам электронного блока обработки сигналов 5, а каждый из n выходов этого блока подключен к соответствующему исполнительному органу 6_1...n.

Устройство работает следующим образом. При возникновении открытой электрической дуги в одной из ячеек КРУ свет от нее падает на боковую поверхность кабеля световодов, имеющих разные коэффициенты затухания, проходит через их светопроницаемую оболочку и захватывается в их светопроводящих каналах. По световодам 1, 2 световые сигналы от дуги распространяются с разной степенью затухания их мощности и поступают на фотоэлектронные преобразователи 3, 4, где их мощности преобразуются в пропорциональные этим мощностям сигналы фототоков. Фототоки поступают на входы электронного блока обработки сигналов 5, где по их соотношениям определяется номер поврежденной ячейки, после чего на выходе электронного блока обработки сигналов, соответствующем этой ячейке, формируется сигнал на ее отключение, который подается на исполнительный орган 6_m, соответствующий m-й ячейке. Исполнительный орган 6_m осуществляет отключение m-й поврежденной ячейки.

Принцип действия предлагаемого устройства основан на линейной зависимости логарифма отношения мощностей световых сигналов, регистрируемых на концах световодов, от длины этих световодов между вспышкой света и их концами. Зная эту длину при известной геометрии прокладки кабеля световодов, можно определить ячейку, где возникла дуга. Возможность определения длины кабеля световодов между вспышкой света и его концом подтверждается следующим.

Мощности световых сигналов P₁ и P₂, индуцированные в световодах вспышкой света, например от открытой электрической дуги, и регистрируемые на их концах, определяются по формулам:
P₁ = q•F•l•exp(-α₁x) (9)
P₂ = q•F•l•exp(-α₂x) (10)
где q - коэффициент преобразования света в световую мощность, захваченную световодом и направленную в конец, подсоединенный к фотоэлектронному преобразователю;
F - освещенность, создаваемая регистрируемой световой вспышкой в месте расположения световодов;
l - облученная длина световодов;
α_1,α_2/ - коэффициенты затухания световой мощности световодов 1, 2 соответственно;
x - длина световодов от места световой вспышки до их концов, подсоединенных к фотоэлектронным преобразователям.

Разделив уравнения (9) на (10) и взяв от полученного выражения логарифм, легко получить следующую формулу:

Вводя обозначение Δα = α₂-α₁ и учитывая, что световые мощности P₁ и P₂ пропорциональны фототокам I₁ и I₂ на фотоэлектронных преобразователях 3, 4, уравнение (11) можно переписать в виде формулы:

Таким образом положение световой вспышки вдоль кабеля из двух световодов будет определено.

Величина Δα выбирается такой, чтобы обеспечить минимальную погрешность определения положения световой вспышки вдоль кабеля. Максимальная абсолютная погрешность Δx определяется по формуле:

где ε_max1,ε_max2 - максимальные относительные флуктуации фототоков I₁, I₂ соответственно.

Как и в прототипе, очевидно, что относительная флуктуация ε будет максимальной, когда световая вспышка произойдет на дальних от фотоэлектронных преобразователей концах световодов. Поэтому максимальную погрешность можно записать в виде:

Можно показать, что |Δx|_max имеет минимум, когда Δα ≈ 2/L.
Отметим, что в данной схеме длина контролируемого участка равна длине световодов L_конт=L. Если пренебречь затуханием в световоде l, то длина L_конт контролируемого участка может быть оценена по формуле:

При тех же параметрах, что и в прототипе, а именно: при α = 0,07 1/м, P₀ = 1 мкВт, |Δx|_max = 0-5 м; К= 2,2587•10^-5 мкВт, длина контролируемого участка составит L_конт ≈ 53 м, что в 1,85 раз больше, чем в прототипе.

В заявляемом устройстве в качестве световодов 1, 2 могут быть использованы, например, нерегулярные волоконно-оптические жгуты, изготавливаемые АО "Лыткаринский завод оптического стекла".

В качестве фотоэлектронных преобразователей могут быть использованы фотодетекторы, изготовленные на базе фотодиодов ЛФД-2.

В качестве электронного блока обработки сигналов может быть использован блок, выполненный по схеме, приведенный на фиг. 2, который состоит из блока логарифмирования отношения токов 7, выполненного на базе схемы, приведенной в [4] , и линейно-точечного индикатора на базе микросхемы типа LM3914, описанной в [5].

В качестве исполнительного органа может быть использован блок на базе реле РЭН-33.

Таким образом, техническим результатом от использования заявляемого устройства дуговой защиты для отключения ячейки комплектного распределительного устройства в сравнении с прототипом является увеличение длины контролируемого участка.

Источники информации
1. Устройство дуговой защиты, МКИ⁷ H 02 H 7/26, Свидетельство на полезную модель N 5893, 26.09.1996.

2. Устройство для отключения комплектных распределительных устройств, Патент на изобретение, МКИ⁷ H 02 H 7/26, N 2096887, 04.08.1993.

3. П.А. Демьяненко, Радиотехника,1988 г., N 2, стр.88.

4. Шило В.Л. Линейные интегральные схемы, М.: Советское радио, 1979, с. 179.

5. Ч. Шумейкер "Любительские схемы контроля и сигнализации на ИС", М.: Мир, 1989, с.111.

Использование: для подачи сигнала на аварийное отключение ячейки комплектного распределительного устройства (КРУ) при возникновении в ней открытой электрической дуги короткого замыкания. Техническим результатом является увеличение длины контролируемого участка внутри КРУ. Устройство содержит два световода с разными коэффициентами затухания, объединенными в один кабель, два фотоэлектронных преобразователя, электронный блок обработки сигналов и n исполнительных органов, где n - число контролируемых ячеек. Каждый световод одним концом оптически подключен к входу своего фотоэлектронного преобразователя, выходы фотоэлектронных преобразователей подключены к соответствующим входам электронного блока обработки сигналов. Каждый из его n выходов подключен к соответствующему исполнительному органу, коэффициенты затухания световодов отличаются на величину Δα ≈ 2/L, где L - длина световодов. Электронный блок обработки сигналов выполнен с возможностью реализации математической функции: x = 1/Δα I_n I₁/I₂, где x - расстояние от ячейки КРУ, в которой возникла дуга, до фотоэлектронных преобразователей вдоль кабеля световодов; I₁, I₂ - фототоки с выходов фотоэлектронных преобразователей. 2 ил.

Устройство дуговой защиты для отключения ячейки комплектного распределительного устройств (КРУ), содержащее световод со светопроницаемой оболочкой, два фотоэлектронных преобразователя, электронный блок обработки сигналов и n исполнительных органов, где n - число контролируемых ячеек, выходы фотоэлектронных преобразователей подключены к соответствующим входам электронного блока обработки сигналов, каждый из n выходов которого подключен к соответствующему исполнительному органу, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит второй световод со светопроницаемой оболочкой и коэффициентом затухания, отличным от коэффициента затухания первого световода на величину где L - длина световодов, световоды объединены в кабель, одним концом каждый световод оптически подсоединен к входу своего фотоэлектронного преобразователя, электронный блок обработки сигналов выполнен с возможностью реализации математической функции

где х - расстояние от ячейки КРУ, в которой возникла дуга, до фотоэлектронных преобразователей вдоль кабеля световодов;
I₁, I₂ - фототоки с выходов фотоэлектронных преобразователей.