УСТРОЙСТВО ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЙ ДУГОВОЙ ЗАЩИТЫ КОМПЛЕКТНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ Российский патент 2002 года по МПК H02H7/22 

Устройство относится к электротехнике и может быть использовано для защиты комплектных распределительных устройств внутренней и наружной установки (КРУ (Н)) от коротких замыканий (КЗ), сопровождаемых электрической дугой.

Появление электрической дуги в отсеке КРУ (Н) вызывает увеличение освещенности в нем, что может быть использовано для построения защиты. Известны технические решения аналогичного назначения по А.С. СССР 997175, 1043776, 1111224, патенту ФРГ 1126011, патенту Франции 2087348. При этом фотодатчики устройств защиты размещаются в различных отсеках шкафов КРУ и связываются с реагирующими органами при помощи линий связи. Общим недостатком указанных решений является их низкая помехоустойчивость, обусловленная воздействием электромагнитных помех на линии связи, что приводит к необходимости отстройки от них путем введения временных задержек, частотной фильтрации или увеличения уровней срабатывания реагирующих органов. Для уменьшения длины линий связи такие устройства необходимо устанавливать в каждом шкафу КРУ (Н), что в связи с широким распространением КРУ в энергосистемах и на промышленных предприятиях требует значительных затрат.

Наиболее близким по технической сущности решением (прототипом) является устройство защиты электроустановок корпусной конструкции по патенту РФ 2024149, содержащее фотодатчики, резисторы, масштабный усилитель, аналогово-цифровой преобразователь, дешифратор, пусковой орган, логическую схему ИЛИ, орган времени, источник опорного напряжения и выходные органы. В отличие от описанных выше решений в нем реализована возможность централизации защиты с выбором (селекцией) поврежденной ячейки и формированием сигнала на отключение поврежденного или питающего присоединений. Однако при внешней электромагнитной помехе, наводимой в линиях связи фотодатчиков с резисторами или масштабным усилителем, может произойти неверное (ошибочное) определение поврежденной ячейки за счет сложения или вычитания напряжения помехи с полезным сигналом, подаваемым на вход аналогово-цифрового преобразователя. Кроме этого требуется точная калибровка цепей фотодатчиков, что усложняет устройство. При освещении нескольких фотодатчиков, что возможно при развитии аварии, практически невозможно определить поврежденные ячейки.

Цель изобретения - повышение надежности, помехоустойчивости и расширение функциональных возможностей.

Указанная цель достигается тем, что в устройство централизованной дуговой защиты комплектных распределительных устройств, содержащее фотодатчики, пусковой орган, выходные элементы, выходные органы и линию связи, дополнительно введены мультиплексор, к входам которого подсоединены фотодатчики, а к выходу - вход первого устройства обработки информации, один выход которого соединен с первым приемопередатчиком, а второй выход - с управляющим входом мультиплексора, фотодатчики, мультиплексор, первое устройство обработки информации и первый приемопередатчик образуют фотоэлектрический преобразователь, фотоэлектрические преобразователи размещены в защищаемых ячейках комплектного распределительного устройства, их число равно числу защищаемых ячеек, второй приемопередатчик, выход которого подключен к первому входу второго устройства обработки информации, к одному выходу которого подключен элемент сигнализации, а ко второму - элемент индикации, образуют центральное управляющее устройство, причем выход пускового устройства подключен ко второму входу второго устройства обработки информации, третье устройство обработки информации соединено последовательно с выходным элементом и образует выходной орган, число выходных органов равно числу коммутационных аппаратов питающих присоединений шин низшего и высшего напряжения, к цепям управления которых они подключены, к линии связи подключены первые приемопередатчики фотоэлектрических преобразователей, второй приемопередатчик центрального управляющего устройства и третьи приемопередатчики выходных органов, причем первое устройство обработки информации по сигналу от центрального управляющего устройства обеспечивает последовательное подключение с помощью мультиплексора выходов фотодатчиков к своим входам и преобразует полученный сигнал в цифровой код, включающий информацию о номере фотоэлектрического преобразователя и состоянии его фотодатчиков, второе устройство обработки информации центрального управляющего устройства анализирует информацию от фотоэлектрических преобразователей и пускового органа и формирует кодированный сигнал, в соответствии с которым третье устройство обработки информации вырабатывает управляющие воздействия на выходной элемент выходного органа, подключенного к коммутационному аппарату поврежденной ячейки и через выдержку времени - для выходных органов, подключенных к коммутационным аппаратам питающих присоединений шин низшего напряжения, а в случае их отказов - для выходного органа коммутационного органа со стороны высшего напряжения.

На фиг.1 показана структурная схема предлагаемого устройства. Устройство содержит n (по количеству защищаемых ячеек) фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) - 1, центральное управляющее устройство (ЦУУ) - 2, т (по количеству коммутационных аппаратов) выходных органов (ВО) - 3 и пусковой орган (ПО) - 4. Фотоэлектрические преобразователи, центральное управляющее устройство и выходные органы соединены между собой линией связи (ЛС) - 5. Пусковой орган 4 подключен к одному из входов ЦУУ 2.

Фотоэлектрические преобразователи 1 состоят из фотодатчиков ФД1, ФД2... ФДk - 6 (где k - число защищаемых отсеков ячейки), мультиплексора (МПС) - 7, первого устройства обработки информации (УOИ1) - 8 и первого приемопередатчика (ПП1) - 9. Фотодатчики 6 могут быть реализованы на основе фотодиодов, фоторезисторов, фототранзисторов, оптоволоконных датчиков освещенности. Выходы фотодатчиков подключены к входам мультиплексора 7, выход которого соединен с входом первого устройства обработки информации 8. Переключение входов мультиплексора осуществляется под воздействием управляющих сигналов от первого устройства обработки информации 8 фотоэлектрического преобразователя. Управляющие входы мультиплексора 7 соединены со вторым выходом первого устройства обработки информации 8. Первое устройство обработки информации 8 может быть реализовано, например, как показано на стр. 218 в книге "Основы промышленной электроники. В.Г. Герасимов, О.М. Князьков, А.Е. Краснопольский, В.В. Сухоруков; Под ред. В.Г. Герасимова. - М.:Высш. шк. 1986. -386 с." или на основе PIC-контроллера, включающего в себя арифметико-логическое устройство, устройство управления, оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство, порты ввода-вывода, компаратор, аналогово-цифровой преобразователь, таймеры. (Микроконтроллеры. Выпуск 1 -М. Додэка, 1998). Выход устройства обработки информации 8 соединен с первым приемопередатчиком 9, который передает и принимает информацию, и выполнен, например, на основе схемы, приведенной на рис.8.7 на стр. 29 книги "Проектирование импульсных и цифровых устройств радиотехнических систем. Гришин Ю.Б, Казаринов Ю.М., Катиков В.М. и др., Под ред. Ю.М. Казаринова. - М. : Высшая школа., 1985.-319 с.". Фотоэлектрические преобразователи 1 размещаются в защищаемых ячейках КРУ, а фотодатчики ФД1, ФД2...ФДk - в их различных отсеках. Выход первого приемопередатчика 9 подключен к линии связи 5. Линия связи 5 может быть проводная и беспроводная, а также оптоволоконная.

Центральное управляющее устройство 2 содержит второй приемопередатчик (ПП2)-10, второе устройство обработки информации (УОИ2) - 11, элемент индикации (ЭИ) - 12 и элемент сигнализации (ЭС) - 13. Вход второго приемопередатчика 10 подключен к линии связи 5, а выход - к первому входу второго устройства обработки информации 11. Ко второму входу второго устройства обработки информации 11 подключен выход пускового органа 4. Пусковой орган 4 может быть реализован на реле тока или реле напряжения, контролирующих ток или напряжение защищаемого объекта. Первый выход второго устройства обработки информации 11 подключен к элементу индикации 12, второй его выход подключен к элементу сигнализации 13. ЦУУ 2 располагается, например, в релейном отсеке вводной ячейки КРУ и управляет работой всего устройства централизованной дуговой защиты комплектных распределительных устройств.

Выходные органы 3 состоят из третьего приемопередатчика (ППЗ) - 14, третьего устройства обработки информации (УОИЗ)-15 и выходного элемента (ВЭ)-16, который может быть реализован на электромеханическом или электронном (твердотельном) реле, тиристоре, транзисторе. Вход третьего приемопередатчика подключен к линии связи 5, выход - к входу третьего устройства обработки информации 15. Выход третьего устройства обработки информации 15 соединен с выходным элементом 16. Устройства обработки информации 11, 15 и приемопередатчики 10, 14 реализуются так же, как описано выше.

На фиг. 2 показана поясняющая схема защиты одной секции шин. Выходные органы 3 воздействуют по командам ЦУУ 2 на выключатели соответствующих присоединений Q3,Q4,Q5 - 17, секционный выключатель Q6 - 18, вводной выключатель Q2 - 19 и выключатель Q1 - 20 стороны высшего напряжения силового трансформатора (Т) - 21, к которому подключена секция шин низшего напряжения (НН) - 22. Питание трансформатора 21 осуществляется от шин высшего напряжения (ВН) - 23. Пусковой орган 4 присоединен к трансформаторам тока (ТА) - 24 вводного присоединения и (или) трансформатору напряжения (TV) - 25 секции шин низшего напряжения 22 (показано пунктиром).

В исходном состоянии (при отсутствии дугового КЗ) центральное управляющее устройство 2 последовательно опрашивает все фотоэлектрические преобразователи 1, подключенные к линии связи 5. Фотодатчики (ФД1...ФДК) 6 фотоэлектрических преобразователей (ФЭП1...ФЭПn) 1 преобразуют световой поток падающего на них излучения в электрический сигнал, пропорциональный освещенности в месте установки фотодатчиков. Первые устройства обработки информации 8 фотоэлектрических преобразователей 1 по сигналу от центрального управляющего устройства 2 обеспечивают последовательное подключение с помощью мультиплексора 7 выходов фотодатчиков 6 к своим входам и преобразуют полученный сигнал в цифровой код, включающий в себя информацию о номере фотоэлектрического преобразователя и состоянии его фотодатчиков 6 (освещены они излучением от дугового КЗ или нет), и передают его посредством первых приемопередатчиков 9. Пусковой орган 4 находится в несработанном состоянии. Второе устройство обработки информации 11 центрального управляющего устройства 2 после анализа полученной информации от фотоэлектрических преобразователей 1 и пускового органа 4 формирует сигнал на элемент индикации 12 о нормальном режиме и через второй приемопередатчик 10 выдает на линию связи 5 для передачи выходным органам 3 кодированные сигналы, соответствующие нормальному режиму работы защищаемого объекта. Информация на элемент сигнализации 13 не выдается. Третьи устройства обработки информации 15 выходных органов 3, получив по линии связи 5 через третьи приемопередатчики 14 от центрального управляющего устройства 2 информацию о состоянии защищаемого объекта, вырабатывают управляющие воздействия на выходные элементы 16 выходных органов 3, подключенных к коммутационным аппаратам питающих присоединений шин низшего напряжения, а в случае их отказов - для выходного коммутационного органа со стороны высшего напряжения. В данном случае формируется сигнал о несрабатывании выходных органов 3.

При внутреннем КЗ, сопровождаемом электрической дугой, срабатывает пусковой орган 4, фотодатчики 6 соответствующей ячейки освещаются излучением столба дуги КЗ. Первое устройство обработки информации 8 соответствующего фотоэлектрического преобразователя 1 на основе анализа (обработки) сигналов, переданных от фотодатчиков 6 через мультиплексор 7 формирует сигнал о состоянии фотодатчиков 6. На запрос центрального управляющего устройства 2 сработавший фотоэлектрический преобразователь 1 формирует код, соответствующий повреждению в защищаемой зоне. Центральное управляющее устройство 2, опрашивая фотоэлектрический преобразователь 1, на присоединении которого произошло дуговое КЗ, получает кодированное сообщение о номере фотоэлектрического преобразователя и наличии электрической дуги, проверяет состояние пускового органа 4 и формирует кодированный сигнал (состоящий из номера выходного органа и команды для него) для соответствующего выходного органа 3, подключенного к цепям управления выключателем 17 поврежденной ячейки и через выдержку времени - сигнал для выходных органов 3, подключенных к коммутационным аппаратам питающих присоединений (выключателя 19 ячейки ввода и секционного выключателя 18). В случае отказов коммутационных аппаратов шин низшего напряжения центральное управляющее устройство 2 формирует кодированный сигнал для выходного органа коммутационного аппарата (выключателя 20) стороны высшего напряжения. При этом второе устройство обработки информации 11 считывает и пересылает кодированные сигналы через второй приемопередатчик 10 центрального управляющего устройства 2. Информация (данные) о состоянии фотоэлектрического преобразователя 1, сформировавшего кодированный сигнал о дуговом КЗ выводится вторым устройством обработки информации 11 на элемент индикации 12. В случае дугового КЗ одновременно в двух или более ячейках, что возможно при развитии аварии, центральное управляющее устройство 2 формирует сигналы для выходных органов 3, подключенных к цепям отключения выключателей 18, 19 и 20 питающих присоединений без выдержки времени.

При внешней световой помехе в отсеке ячейки КРУ (Н) фотоэлектрические преобразователи 1 на запрос центрального управляющего устройства 2 формируют сигнал об освещенности в отсеке, однако это не приводит к ложному действию, так как отсутствуют условия для срабатывания пускового органа 4, и центральное управляющее устройство 2 не формирует для выходных органов 3 команд на отключение.

При внешней электромагнитной помехе, воздействующей на линию связи 5, центральное управляющее устройство 2 сравнивает полученные сигналы с областью допустимых значений сигналов и принимает решение о достоверности переданного сообщения или посылает дополнительный запрос фотоэлектрическим преобразователям 1 на подтверждение полученных данных.

Постоянное взаимодействие центрального управляющего устройства 2 с фотоэлектрическими преобразователями 1 и выходными органами 3 путем обмена кодированными сигналами позволяет осуществлять функциональный контроль исправности устройства. При этом второе устройство обработки информации 11 центрального управляющего устройства 2 формирует сигналы для элемента индикации 12, соответствующие различным режимам работы устройства, а в случае повреждения фотоэлектрических преобразователей 1, выходных органов 3 или линии связи 5 формирует сигнал на срабатывание элемента сигнализации 13 и блокирует работу выходных органов 3.

Таким образом, предлагаемая схема позволяет повысить надежность функционирования защиты путем последовательного опроса состояния фотоэлектрических преобразователей, повысить помехоустойчивость за счет кодирования информации и сравнения полученной информации с областью допустимых значений, повысить функциональные возможности за счет формирования сигналов отключения как на выключатель защищаемого присоединения, так и на выключатели питающих присоединений.

В настоящее время устройство по предлагаемой схеме внедрено в эксплуатацию и проведены натурные испытания, подтвердившие его работоспособность и положительные качества.

Использование: для централизованной защиты комплектных распределительных устройств от коротких замыканий, сопровождаемых электрической дугой. Технический результат заключается в повышении надежности, помехоустойчивости и расширении функциональных возможностей. Контроль уровня сигнала, пропорционального световому потоку, генерируемому электрической дугой короткого замыкания, осуществляется фотоэлектрическими преобразователями. Передача информации о состоянии фотоэлектрических преобразователей осуществляется по запросу центрального управляющего устройства по линии связи. Кодирование передаваемой информации позволяет выполнить надежную чувствительную централизованную защиту комплектных распределительных устройств и отстроиться от различного рода электромагнитных помех. 2 ил.

Устройство централизованной дуговой защиты комплектных распределительных устройств, содержащее фотодатчики, пусковой орган, выходные элементы, выходные органы и линию связи, отличающееся тем, что в него дополнительно введены мультиплексор, к входам которого подсоединены фотодатчики, а к выходу - вход первого устройства обработки информации, один выход которого соединен с первым приемопередатчиком, а второй выход - с управляющим входом мультиплексора, фотодатчики, мультиплексор, первое устройство обработки информации и первый приемопередатчик образуют фотоэлектрический преобразователь, фотоэлектрические преобразователи размещены в защищаемых ячейках комплектного распределительного устройства, их число равно числу защищаемых ячеек, второй приемопередатчик, выход которого подключен к первому входу второго устройства обработки информации, к одному выходу которого подключен элемент сигнализации, а ко второму - элемент индикации, образуют центральное управляющее устройство, причем выход пускового устройства подключен ко второму входу второго устройства обработки информации, третье устройство обработки информации соединено последовательно с выходным элементом и образует выходной орган, число выходных органов равно числу коммутационных аппаратов питающих присоединений шин низшего и высшего напряжения, к цепям управления которых они подключены, к линии связи подключены первые приемопередатчики фотоэлектрических преобразователей, второй приемопередатчик центрального управляющего устройства и третьи приемопередатчики выходных органов, причем первое устройство обработки информации по сигналу от центрального управляющего устройства обеспечивает последовательное подключение с помощью мультиплексора выходов фотодатчиков к своим входам и преобразует полученный сигнал в цифровой код, включающий информацию о номере фотоэлектрического преобразователя и состоянии его фотодатчиков, второе устройство обработки информации центрального управляющего устройства анализирует информацию от фотоэлектрических преобразователей и пускового органа и формирует кодированный сигнал, в соответствии с которым третье устройство обработки информации вырабатывает управляющие воздействия на выходной элемент выходного органа, подключенного к коммутационному аппарату поврежденной ячейки, и через выдержку времени - для выходных органов, подключенных к коммутационным аппаратам питающих присоединений шин низшего напряжения, а в случае их отказов - для выходного органа коммутационного органа со стороны высшего напряжения.