УСТРОЙСТВО ДУГОВОЙ ЗАЩИТЫ С ОПРЕДЕЛЕНИЕМ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ И МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ Российский патент 2012 года по МПК H02H7/26 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в системах релейной защиты комплектных распределительных устройств (КРУ) для обнаружения факта возникновения, определения местоположения и оценки мощности электрической дуги.

В настоящее время дуговые замыкания в шкафах комплектных распределительных устройств являются наиболее разрушительным видом аварий, происходящих в электроэнергетике. Полное исключение таких аварий за счет технических средств невозможно по экономическим причинам. Единственное средство, позволяющее существенно уменьшить разрушения является применение устройств дуговой защиты, осуществляющих быстрое отключение питания с аварийных цепей КРУ.

В современных условиях устройство дуговой защиты должно фиксировать момент возникновения дуги, определять ее местоположение внутри КРУ с точностью до отсека и оценивать ее мощность. Это позволяет минимизировать повреждения от электрической дуги, а также по известному местоположению и мощности дугового замыкания определять алгоритм действия релейной защиты (селективность отключения, работу аппаратов повторного включения, включения резерва и т.д.).

Известен волоконно-оптический датчик открытой электрической дуги [1], в которых чувствительным элементом, реагирующим на световую вспышку электрической дуги, является протяженный волоконный световод со светопроницаемой оболочкой, противоположные концы которого оптически подключены к соответствующим фотодетекторам. Определение местоположения электрической дуги производится по логарифму отношения мощностей оптических сигналов на противоположных концах световода. Оценка мощности электрической дуги осуществляется по логарифму произведения мощностей оптических сигналов на противоположных концах световода. Недостатком данного устройства является низкая точность определения местоположения электрической дуги из-за неоднородных дефектов по длине волоконного световода, которые не позволяют точно определить отсек, в котором произошла дуга.

Известно устройство дуговой защиты комплектного распредустройства [2], состоящего из фотодатчиков, включенных по балансовой схеме и измерительного органа, реагирующего на напряжение различной полярности. Данное устройство позволяет селективно определять ячейки четных и нечетных номеров. Недостатком данного устройства является недостаточная селективность и невозможность оценивать мощность электрической дуги.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство централизованной дуговой защиты электроустановок корпусной конструкции [3], в котором три фотодатчика подключены через балластные резисторы входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен через дешифратор к трем выходным органам. Данное устройство позволяет определять отсек, в котором произошла электрическая дуга.

Недостатком прототипа является отсутствие информации о мощности электрической дуги.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является расширение функциональных возможностей устройства, а именно обеспечение возможности одновременного определения отсека КРУ, в котором произошла электрическая дуга, и оценки мощности электрической дуги.

Технический результат достигается тем, что устройство дуговой защиты с определением местоположения и мощности электрической дуги, содержащее N фотодетекторов, подключенных к входам аналого-цифровых преобразователей микропроцессора, N выходов которого подключены к входам соответствующих N исполнительных органов, дополнительно содержит N+1 резисторов одинакового сопротивления, причем фотодетекторы являются преобразователями оптического потока в электрический ток и соединены между собой параллельно через резисторы 2,…, N, фотодетекторы 1, N подключены через резисторы 1, N+1 к входам первого и второго аналого-цифрового преобразователя микропроцессора, а микропроцессор выполнен с возможностью определения номера k сработавшего фотодетектора по формуле

,

где round(x) - функция округления до ближайшего целого,

U₁, U₂ - напряжения на входах первого и второго аналого-цифровых преобразователя соответственно, а также оценки мощности электрической дуги по формуле

,

где W - оценочное значение мощности дуги,

R - сопротивление резисторов,

S - коэффициент преобразования тока фотодетектора в мощность электрической дуги, цифровой выход микропроцессора подключен к индикатору электрической мощности дуги.

Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на чертеже Фиг.1.

Устройство состоит из N фотодетекторов 1_1,…,N, являющихся преобразователями оптического потока в электрический ток, которые соединены между собой параллельно через резисторы 2_2,…,N. Фотодетекторы 1₁ и 1_N параллельно подключены через резисторы 2₁, 2_N+1 к входам аналого-цифровых преобразователей АЦП1 и АЦП2 микропроцессора 5, соответственно. Выходы микропроцессора KAHAЛ_1,…,N подключены к входам соответствующих исполнительных органов 6_1,...,N. Фотодетекторы 1_1,…,N расположены в отсеках КРУ, в которых может возникнуть электрическая дуга. Сопротивление всех резисторов одинаково 2_1,…,N+1 и равно R. К цифровому выходу микропроцессора 5 подключен индикатор мощности электрической дуги 7.

В отсутствие электрической дуги фотодетекторы 1_1,…,N не выдают электрического тока, напряжения на резисторах 2₁, 2_N+1 равно нулю. Микропроцессор 5 осуществляет циклический опрос аналого-цифровых преобразователей АЦП1 и АЦП2 с преобразованием напряжения на резисторах 2₁, 2_N+1 в цифровой код. Цифровые сигналы, полученные на каждом цикле опроса, сравниваются с пороговыми уровнями. Если пороговые уровни не превышаются, то пусковые сигналы на исполнительные органы не выдаются. В отсутствие пусковых сигналов исполнительные органы находятся в режиме ожидания и никаких действий не выполняют, а индикатор мощности электрической дуги 7 отображает сигнал отсутствия дуги.

При возникновении электрической дуги, например, в k-ом отсеке одного из шкафов КРУ, оптический поток световой вспышки от нее попадает на расположенный в этом отсеке фотодетектор 1_k, где преобразуется в электрический ток I_ph. Этот ток разбивается на два сигнала I_ph1 и I_ph2:

Сигнал тока I_ph1 распространяется по резисторам 2_1,…k-1 и создает на резисторе 2₁ напряжение U₁.

U₁=I_ph1·R.

Сигнал тока I_ph2 распространяется по резисторам 2_k,…,N-1 и создает на резисторе 2_N+1 напряжение U₂:

U₂=I_ph2·R.

Подставляя значения U₁, U₂ в формулу (1), нетрудно получить величину тока фотодетектора I_ph:

.

Полагая, что ток фотодетектора пропорционален падающему на его светочувствительный слой световому потоку, а поток, в свою очередь, функционально связан с мощностью электрической дуги, то по определенному значению I_ph можно оценить мощность электрической дуги по формуле:

где W - оценочное значение мощности дуги; R - сопротивление резисторов; S - коэффициент преобразования тока фотодетектора в мощность электрической дуги. Зарегистрированное значение W отображается на индикаторе мощности электрической дуги 7.

Напряжение U на выходе фотодетектора 1_k, будет равно

U=I_ph1·kR=I_ph2·(N-k+1)R.

Отсюда по измеренным значениям U₁, U₂ можно найти значение для k:

Микропроцессор 5 измеряет значения U₁, U₂, проводит сравнение их с пороговыми значениями. При возникновении электрической дуги эти значения должны быть выше пороговых величин. Если это так, то микропроцессор вычисляет по формуле (3) значение k и выдает сигнал по выходу КАНАЛ_k в исполнительный орган 6_k, который производит отключение k-го отсека одного из шкафов КРУ, где произошла дуга, от высоковольтного питания, а также по формуле (2) вычисляет величину W и визуализирует ее на индикаторе 7.

В заявляемом устройстве в качестве фотодетекторов 1₁,…,_N может быть использован фотодиод ФД7К.

В качестве резисторов 2_1,…,N+1 можно использовать любые резисторы с номиналом, меньшим 10 кОм, и рассеиваемой мощностью до 3 Вт.

Микропроцессор 5 может быть построен на базе микросхемы ADUC841 фирмы AnalogDevuces, имеющий встроенные аналого-цифровые преобразователи.

В качестве исполнительных органов 6_1,…,6_N можно использовать промежуточное электромеханическое реле РП21.

В качестве индикатора мощности электрической дуги 7 можно использовать жидкокристаллический модуль МТ-16S2H.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет одновременно определять светоизолированный отсек КРУ, в котором произошла электрическая дуга с оценкой ее мощности.

Источники информации

1. Волоконно-оптический датчик открытой электрической дуги. Патент РФ на изобретение №2237332, 07.10.2002, МКИ⁷ Н02Н 7/26.

2. Устройство дуговой защиты комплектного распредустройства. Патент РФ на изобретение №2024148, 09.03.1992, МКИ⁵ Н02Н 7/22.

3. Устройство централизованной дуговой защиты электроустановок корпусной конструкции. Патент РФ на изобретение №2024149, 03.04.1992, МКИ⁵ Н02Н 7/22.

Использование: в области электротехники. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Устройство содержит N фотодетекторов, подключенных к входам аналого-цифровых преобразователей (АЦП) микропроцессора, N выходов которого подключены к входам соответствующих N исполнительных органов, а также дополнительно содержит N+1 резисторов одинакового сопротивления, причем фотодетекторы являются преобразователями оптического потока в электрический ток и соединены между собой параллельно через резисторы 2,…, N, фотодетекторы 1, N подключены через резисторы 1, N+1 к входам первого и второго АЦП микропроцессора, а микропроцессор выполнен с возможностью определения номера k сработавшего фотодетектора по формуле

где round(x) функция округления до ближайшего целого, U₁, U₂ напряжения на входах первого и второго АЦП соответственно, а также оценки мощности электрической дуги по формуле

где W - оценочное значение мощности дуги, R - сопротивление резисторов, S - коэффициент преобразования тока фотодетектора в мощность электрической дуги, цифровой выход микропроцессора подключен к индикатору электрической мощности дуги. 1 ил.

Устройство дуговой защиты с определением местоположения и мощности электрической дуги, содержащее N фотодетекторов, подключенных к входам аналого-цифровых преобразователей микропроцессора, N выходов которого подключены к входам соответствующих N исполнительных органов, отличающееся тем, что дополнительно содержит N+1 резисторов одинакового сопротивления, причем фотодетекторы являются преобразователями оптического потока в электрический ток и соединены между собой параллельно через резисторы 2, …, N, фотодетекторы 1, N подключены через резисторы 1, N+1 к входам первого и второго аналого-цифрового преобразователя микропроцессора, а микропроцессор выполнен с возможностью определения номера k сработавшего фотодетектора по формуле

где round(x) - функция округления до ближайшего целого;
U₁, U₂ - напряжения на входах первого и второго аналого-цифровых преобразователей соответственно, а также оценки мощности электрической дуги по формуле
,
где W - оценочное значение мощности дуги;
R - сопротивление резисторов;
S - коэффициент преобразования тока фотодетектора в мощность электрической дуги, цифровой выход микропроцессора подключен к индикатору электрической мощности дуги.