УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ИСКРЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ Российский патент 2018 года по МПК G01R31/08 G01R15/14 H02H7/26 

Настоящее изобретение относится к области пожарной безопасности и электроэнергетики, а именно, к способам и устройствам обнаружения и защиты от искрения в электрических сетях и электроустановках, удовлетворяющим, в частности, требованиям на устройства защиты при дуговом пробое (далее также УЗДП) по стандарту IEC 62606:2013. General requirements for arc fault detection devices, а также стандарту ГОСТ IEC 62606-2016 «Устройства защиты бытового и аналогичного назначения при дуговом пробое. Общие требования», либо иным техническим требованиям, предъявляемым к устройствам защиты от искрения в электрических сетях и электроустановках.

Устройство защиты от искрения (УЗИс) представляет собой устройство, включающее блок обнаружения искрения (также искрового пробоя, искрового разряда) и блок разрывания цепи (также орган отключения, расцепитель). УЗИс предназначено для работы в сложной электромагнитной обстановке и должно удовлетворять во многом противоречивым требованиям по чувствительности, помехоустойчивости и отсутствию ложных срабатываний от штатной работы оборудования. Поэтому для успешной работы УЗИс желателен сбор по возможности разносторонней информации о процессах, протекающих в защищаемой цепи.

Так, в заявке на патент США US 20160187409 описывается УЗИс, регистрирующее и анализирующее импульсы тока в области низких частот, импульсы напряжения в области низких частот, а также интенсивность высокочастотных компонент тока. Инициация процесса анализа осуществляется по импульсу тока в области низких частот, превосходящему по амплитуде заранее установленный порог. На последнем этапе анализа в нескольких полосах частот проверяется уровень высокочастотных колебаний тока, порожденных широкополосными флуктуациями, присущими протеканию дугового разряда. Являясь характерным признаком дугового пробоя, эти флуктуации в то же время достаточно слабы, что порождает определенные проблемы для создания УЗИс с большими значениями номинального тока. Большие значения номинального тока соответствуют в среднем более широкой зоне обслуживания, охватывающей большее число подключенных электроприборов, и большую протяженность и разветвленность защищаемой цепи, что может вести к значительному ослаблению передачи высокочастотных компонент тока от места возникновения искрения до УЗИс. В результате, сигналы, выделяемые частотными фильтрами из указанных флуктуаций, могут ослабляться до уровня фоновых помех, существующих в данное время в защищаемой цепи. Так, в УЗИс 5SM6 фирмы Siemens (см., например, ссылку в сети Интернет https://support.industry.siemens.com/cs/document/109744645/brochure) для обнаружения искрения используются описанные выше флуктуации. При высоком уровне фоновых помех указанное УЗИс просто переходит в режим ограниченной способности функционирования, о чем сообщает пользователю соответствующей индикацией.

Таким образом, при больших зонах обслуживания распознавание широкополосных флуктуаций тока, применяемое в вышеуказанных и других известных УЗИс, может быть затруднено из-за малой амплитуды анализируемых сигналов.

Существенно большей амплитудой при прочих равных условиях обладают импульсы тока, выделяемые высокочастотными фильтрами в момент наступления дугового пробоя. Распознавание искрения с помощью этих импульсов известно, например, из патента США US 5280404 или патента РФ RU 2528137.

УЗИс и способ регистрации искрения согласно патенту RU 2528137 могут быть приняты в качестве ближайших аналогов объектов настоящего изобретения.

Решения, основанные на данном принципе, включающие ближайший аналог, будут реагировать и срабатывать также и при маломощных высокочастотных событиях, являющихся штатными событиями, например, при поджиге блоков люминесцентных ламп с электромагнитной пускорегулирующей аппаратурой.

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных ограничений и недостатков известных устройств защиты от искрения и способов их работы.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности определения события искрения, снижение количества ложных срабатываний устройства защиты от искрения, увеличение зоны обслуживания, охватывающей большее число подключенных электроприборов, и протяженности и разветвленности защищаемой цепи.

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается в предлагаемом способе работы устройства защиты от искрения, при котором измеряют сигналы напряжения и тока в защищаемой цепи в каждом полупериоде напряжения, на основании измеренных отклонений напряжения и тока определяют наличие единичного искрового разряда в каждом полупериоде напряжения, накапливают информацию о единичных искровых разрядах в течение заданного промежутка времени и сохраняют ее в виде параметра искрения. По достижении параметром искрения заданного значения регистрируют искрение и вырабатывают сигнал на отключение защищаемой цепи от сети. При этом измерение напряжения и тока включает измерение тока в высокочастотной области, измерение тока в среднечастотной области, измерение напряжения в низкочастотной области и измерение напряжения в среднечастотной области.

Введение в известные из уровня техники способы работы УЗИс измерений тока в среднечастотной области и напряжения в среднечастотной области не просто увеличивает число критериев определения наличия искрения в защищаемой цепи, но дает возможность осуществлять контроль за возникновением искрения при условиях, когда сигналы от искрения хорошо выделяются на фоне помех и сигналов от штатно работающего оборудования не только в защищаемой цепи, но и в смежных с ней цепях электрической сети. Это позволяет существенно снизить количество ложных срабатываний устройства защиты от искрения. Как следствие, по сравнению с известными способами работы УЗИс заявляемый способ обеспечивает расширение зоны обслуживания, охватывающей большее число подключенных электроприборов, и увеличивает протяженность и разветвленность защищаемой цепи.

В предпочтительном варианте исполнения изобретения измерение тока в среднечастотной области, измерение напряжения в среднечастотной области и измерение напряжения в низкочастотной области выполняют только при условии превышения значения измеряемого тока в высокочастотной области заранее заданного значения. При этом предпочтительно, если измерение тока в высокочастотной области выполняют в области от 1 до 10 МГц на участке роста модуля сетевого напряжения. Это позволяет уменьшить количество «лишней» информации, обрабатываемой устройством защиты от искрения, и, следовательно, снизить требования к объему и скорости обработки информации в устройстве.

В процессе определения единичного искрового разряда могут определять ток искрения по измерениям напряжения в низкочастотной области и измерениям тока в среднечастотной области. При несоответствии тока искрения заранее заданным значениям измерения в отношении текущего события прекращаются, что также позволяет уменьшить количество излишней информации, обрабатываемой устройством защиты от искрения, а кроме того, исключить ложные срабатывания устройства защиты от искрения.

Одновременно с определением тока искрения предпочтительно определять полярность сигналов напряжения в среднечастотной области по измерениям напряжения в среднечастотной области, и по полярности сигналов напряжения в среднечастотной области и полярности сигналов тока в среднечастотной области подтверждать наличие единичного искрового разряда именно в защищаемой цепи. Это позволяет с высокой точностью выделить сигнал от искрения на фоне помех в защищаемой цепи и смежных цепях.

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается также в предлагаемом устройстве защиты от искрения, включающем блок питания, по меньшей мере один датчик тока, по меньшей мере один блок считывания напряжения, блок выделения высокочастотных сигналов тока, блок выделения среднечастотных сигналов тока, микроконтроллер и орган отключения. Микроконтроллер выполнен с возможностью взаимодействия с указанными блоками выделения высокочастотных и среднечастотных сигналов тока для осуществления измерения соответственно тока в высокочастотной области и тока в среднечастотной области, взаимодействия с блоком считывания напряжения для осуществления измерения напряжения в низкочастотной области и среднечастотной области, определения события единичного искрового разряда, накопления информации о единичных искровых разрядах в течение заданного времени и сохранения ее в виде параметра искрения, и выработки сигнала отключения по достижении параметром искрения заданного значения.

Заявленное устройство защиты от искрения является вариантом исполнения такого устройства, реализующего заявленный способ работы устройства защиты от искрения, и все преимущества заявленного способа реализуются в заявленном устройстве.

Далее некоторые возможные варианты исполнения изобретения, которыми, однако, настоящее изобретение не ограничивается, подробно раскрыты со ссылками на фигуры.

На фиг. 1 приведен вариант устройства защиты от искрения и его включения в защищаемую цепь.

На фиг. 2 приведена общая блок-схема работы устройства защиты от искрения согласно заявляемому способу.

На фиг. 3 приведена блок-схема высокочастотной инициации (ВЧ-инициации) измерений.

На фиг. 4 приведена типичная гистограмма распределения значений напряжения при дуговом пробое.

На фиг. 5 показаны типичные помехи от блока питания портативного компьютера и светодиодной лампы.

На фиг. 6 приведен график модуляции порога распознавания высокочастотного сигнала напряжения.

На фиг. 7 приведена блок-схема определения единичного искрового разряда после ВЧ-инициации.

На фиг. 8 приведены осциллограммы скачка тока при пробое.

На фиг. 9 приведен пример сигнала контура контроля мощности.

На фиг. 10 приведен пример сигнала датчика среднечастотного напряжения.

На фиг. 11 представлена условная схема регистрации возмущений датчиками устройства защиты от искрения.

На фиг. 12 приведена таблица полярностей среднечастотных сигналов тока и сигналов датчика среднечастотного напряжения при коммутациях нагрузок.

На фиг. 1 приведен вариант реализации устройства (1) защиты от искрения, или УЗИс (1), согласно настоящему изобретению и его включения в защищаемую цепь.

УЗИс (1) включает блок (2) считывания напряжения, датчик (3) тока, блок (4) выделения высокочастотных сигналов тока, блок (5) выделения среднечастотных сигналов тока, микроконтроллер (6), блок (7) питания, а также орган (8) отключения.

Указанные элементы УЗИс (1), за исключением органа (8) отключения, формируют блок обнаружения искрения.

УЗИс (1) включается в линию между вводным щитом (9) или другим источником питания, или сетью, и электроустановками (10) защищаемой цепи.

Блок (2) считывания напряжения включает в себя два датчика напряжения: датчик низкочастотного напряжения и датчик среднечастотного напряжения. Датчик низкочастотного напряжения совместно с микроконтроллером (6) используется для регистрации и последующего анализа текущего значения сетевого напряжения с достаточно большой частотой выборки, в частности, 10-40 кГц, предпочтительно 20-30 кГц. Датчик среднечастотного напряжения совместно с микроконтроллером (6) используется для регистрации и последующего анализа импульсов напряжения в среднечастотной области примерно от 1 до 50 кГц, предпочтительно от 5 до 50 кГц.

В общем случае датчик низкочастотного напряжения и датчик среднечастотного напряжения могут являться отдельными друг от друга устройствами. Количество датчиков низкочастотного напряжения и датчиков среднечастотного напряжения, а также количество блоков (2) считывания напряжения может варьироваться в зависимости от решаемой задачи и определяться, например, количеством защищаемых фаз и/или цепей.

Блок (2) считывания напряжения может иметь любое известное исполнение и в простейшем случае представляет собой делитель напряжения для измерения в низкочастотной области и дифференцирующую цепь для измерения в среднечастотной области.

Датчик (3) тока предназначен для получения сигналов тока, из которых далее, посредством блока (4) выделения высокочастотных сигналов тока, блока (5) выделения среднечастотных сигналов тока и микроконтроллера (6), выделяются и анализируются соответственно среднечастотные сигналы тока (измерение тока в области примерно от 0,1 до 20 кГц, предпочтительно - от 0,3 до 15 кГц) и высокочастотные сигналы тока (измерение тока в области примерно от 1 до 10 МГц).

Может использоваться несколько датчиков (3) тока в зависимости от решаемой задачи. Например, могут использоваться два датчика (3) тока, один из которых работает совместно или объединен с блоком (4) выделения высокочастотных сигналов тока, а второй работает совместно или объединен с блоком (5) выделения среднечастотных сигналов тока.

Датчик (3) тока может иметь любое известное исполнение и в простейшем случае представляет собой трансформатор тока.

Микроконтроллер (6) предназначен для обработки сигналов, поступающих от блока (2) считывания напряжения, датчика (3) тока, блока (4) выделения высокочастотных сигналов тока и блока (5) выделения среднечастотных сигналов тока, определения события возникновения искрения в защищаемой линии и выработки управляющего сигнала для органа (8) отключения.

Блок (7) питания обеспечивает питание микроконтроллера (6) и, если необходимо, органа (8) отключения.

Орган (8) отключения при поступлении управляющего сигнала от микроконтроллера (6) разрывает цепь питания электроустановок (10), т.е. отключает защищаемую цепь от сети. Разрыв цепи в зависимости от конструктивного исполнения устройства может производиться не только в пути L тока фазы (как для примера показано на фиг. 1), но и в пути N тока нейтрали.

Устройство (1) защиты от искрения работает следующим образом.

Микроконтроллер (6) анализирует сигналы, поступающие от блока (2) считывания напряжения, и сигналы, поступающие от датчика (3) тока через блок (4) выделения высокочастотных сигналов тока и блок (5) выделения среднечастотных сигналов. Принятие решения о наличии в защищаемой цепи искрения с параметрами, требующими по критериям ГОСТ IEC 62606-2016 или другого положения отключения электроустановок (10) от питающей линии, производится в два этапа, схематично представленных на блок-схеме на фиг. 2.

На первом этапе микроконтроллер (6) определяет наличие и производит оценку параметров единичного искрового разряда (ЕИР) в текущем полупериоде сетевого напряжения путем анализа и сопоставления следующих сигналов:

1) сигнала от датчика низкочастотного напряжения (на фиг. 2 этот сигнал отмечен как НЧ-V) для определения текущего напряжения сети;

2) сигнала от датчика (2) тока в области частот примерно от 1 до 10 МГц, т.е. в высокочастотной области (на фиг. 2 этот сигнал отмечен как ВЧ-I);

3) сигнала от датчика (2) тока в области частот примерно от 0,1 до 20 кГц, предпочтительно от 0,3 до 15 кГц, т.е. в среднечастотной области (на фиг. 2 этот сигнал отмечен как СЧ-I);

4) сигнала от датчика среднечастотного напряжения (на фиг. 2 этот сигнал отмечен как СЧ-V) на частоте примерно от 1 до 50 кГц, предпочтительно от 5 до 50 кГц.

После получения и анализа указанных сигналов микроконтроллер (6) определяет, есть ли единичный искровой разряд (ЕИР), и в случае положительного ответа далее, на втором этапе работы УЗИс, последовательность подтвержденных ЕИР анализируется с целью определения искрения. При подтверждении искрения микроконтроллер (6) вырабатывает сигнал для органа (8) отключения на отключение защищаемой цепи от сети.

Ниже каждый из этапов описан более подробно, начиная с первого этапа.

По сигналу от датчика низкочастотного напряжения, т.е. сигналу НЧ-V, определяется фаза перехода сетевого напряжения через ноль.

Затем определяются временные промежутки, в которых будут производиться последующие измерения. Эти временные промежутки соответствуют участку роста модуля сетевого напряжения, т.е. лежат в угловых секторах синусоиды напряжения 0-90° и 180-270° после перехода сетевого напряжения через ноль. На участках спада модуля сетевого напряжения повторяющийся пробой крайне маловероятен, и поэтому измерять случайные или регулярные помехи разного рода на этих участках нецелесообразно.

Далее сигнал тока от датчика (2) тока посредством блока (4) выделения высокочастотных сигналов подвергается частотной фильтрации, устраняющей частотные компоненты в диапазоне примерно до 1 МГц, формируя сигнал ВЧ-I, а затем - амплитудной дискриминации, например, с помощью компаратора (на фигурах не показан), который может входить в состав микроконтроллера (6) или быть выполнен в виде самостоятельного блока.

Целью такой частотной фильтрации является первичное отделение сигналов от искрения, обладающих большой интенсивностью высокочастотных компонент, от сигналов помех, создаваемых большинством электроприборов. Превышение сигналом тока, полученным после указанной частотной фильтрации, т.е. сигналом ВЧ-I, заранее установленного значения Io инициирует процедуру дальнейших измерений (в частности, измерений сигналов СЧ-I, СЧ-V, НЧ-V), которая в рамках настоящей заявки для удобства называется высокочастотной инициацией, или ВЧ-инициацией. При этом, как было сказано выше, ВЧ-инициация допускается только на участке роста модуля сетевого напряжения.

Схематично ВЧ-инициация представлена на блок-схеме на фиг. 3.

Порог амплитудной дискриминации высокочастотных сигналов, определяемый указанным заранее установленным значением Io, задается исходя из компромисса между обнаружением сигналов от искрения и устойчивостью УЗИс (1) к сигналам помех от штатно работающих электроустановок (10). Однако амплитуды сигналов от искрения и сигналов помех зависят от текущего значения напряжения и, таким образом, от фазы текущего значения напряжения относительно перехода сетевого напряжения через ноль. Амплитуда сигналов тока от искрения в высокочастотной и среднечастотной областях при прочих равных условиях прямо пропорциональна напряжению, при котором в данном полупериоде сети происходит дуговой пробой.

Для примера на фиг. 4 приведена типичная гистограмма распределения значений напряжения дугового пробоя с действующим значением тока дуги около 7 А при использовании в качестве искрового промежутка тестового генератора дуги, выполненного по п. 9.9.2.7 стандарта IEC 62606:2013. Здесь по оси абсцисс отложены диапазоны напряжения в вольтах, а по оси ординат - число отсчетов. Из фиг. 2 видно, что примерно половина пробоев происходит при напряжениях меньше 100 В, причем поведение этого распределения зависит от труднопредсказуемых факторов. Низковольтные пробои могут составить сильно преобладающую долю, имея в то же время малую амплитуду сигналов, затрудняющую их распознавание. В то же время, в области значений напряжения менее 100 В резко падает и уровень большинства помех. Для примера, на фиг. 5 показано фазирование помех на выходе датчика (3) тока от ряда типовых источников относительно напряжения сети, в частности от блока питания на холостом ходу (фиг. 5а) и под нагрузкой (фиг. 5b), а также от светодиодной лампы (фиг. 5с).

По этой причине для оптимизации соотношения сигналов от искрения с сигналами помех в каждом полупериоде сети целесообразно проводить модуляцию уровня дискриминации высокочастотного сигнала тока (т.е. порога ВЧ-инициации) с обеспечением его пропорциональности сетевому напряжению в области значений сетевого напряжения от 30 В и выше. При меньших значениях сетевого напряжения этот уровень сохраняется постоянным во избежание чрезмерного роста чувствительности УЗИс (1) к помехам. Характер модуляции в положительном полупериоде сети иллюстрируется фиг. 6, на которой представлена кривая вводимой модуляции порога Uпор распознавания высокочастотного сигнала тока (ВЧ-I). Данная модуляция может осуществляться, например, синхронной с сетевым напряжением модуляцией потенциала опорного напряжения компаратора, дискриминирующего высокочастотный сигнал на выходе блока (4) выделения высокочастотных сигналов, пропорциональный импульсу тока датчика (3) тока.

Итак, ВЧ-инициация инициирует измерение сигналов СЧ-I, СЧ-V, НЧ-V для определения и подтверждения наличия ЕИР, что схематично показано на блок-схеме на фиг. 7.

Целью проводимой после ВЧ-инициации обработки сигналов датчика (3) тока в среднечастотной области (сигнал СЧ-I на фиг. 7) и сигналов датчика низкочастотного напряжения (сигнал НЧ-V на фиг. 7) является оценка значения тока дуги, определяемого проводимостью искрящего участка защищаемой цепи. Амплитуда высокочастотных сигналов тока ВЧ-I не позволяет достоверно определить ток дуги, поскольку она очень сильно зависит от априори неизвестной конфигурации цепи. В то же время, например, стандарт МЭК 62606:2013 четко определяет нижний предел чувствительности УЗДП к току искрения, а именно 2,5 А для напряжения сети 230 В, поскольку проведенные исследования показывают малую вероятность возгорания при меньших значениях тока искрения. Однако реакция на слаботочные возмущения, производимые рядом электроустановок (10), привела бы к неоправданным срабатываниям УЗИс (1), и поэтому в алгоритм распознавания искрения вводится дискриминация по проводимости замыкаемого в данный момент на сеть участка цепи.

Данная задача решается следующим образом. Параллельно с обработкой информации от датчика (3) тока в высокочастотной области УЗИс (1) выполняет обработку сигналов тока на существенно более низких частотах посредством контура, реализованного с использованием блока (5) выделения среднечастотных сигналов тока. Указанный контур далее для удобства называется контуром контроля мощности (ККМ), а выходной сигнал ККМ - сигналом ККМ. Использование ККМ в УЗИс (1) обусловлено тем, что по истечении времени переходных процессов, определяемых реактивными параметрами цепи, скачок среднечастотного сигнала тока СЧ-I относительно его величины перед происшедшим явлением стабилизируется по уровню и равняется частному от деления текущего напряжения сети на активное сопротивление искрящего участка. На фиг. 8 показаны примеры осциллограммы тока при пробое при одном и том же текущем напряжении сети на нагрузку с различным сопротивлением в цепи с реактивными составляющими импеданса 540 Ом (фиг. 8а), 147 Ом (фиг. 8b) и 104 Ом (фиг. 8с), где верхняя кривая показывает скачок среднечастотного сигнала тока СЧ-I, а нижняя кривая - сигнал ВЧ-инициации. При этом четко проявляется прямая пропорциональность скачка среднечастотного сигнала тока (на его стабилизированном участке) проводимости искрящего участка цепи.

Отсюда вытекает возможность определить проводимость искрящего участка делением величины скачка среднечастотного сигнала тока СЧ-I на текущее значение напряжения сети НЧ-V, которое с достаточно большой частотой, в частности, 10-40 кГц, более предпочтительно 20-30 кГц, непрерывно считывается микроконтроллером (6) с блока (2) считывания напряжения. Для выбора области частот анализа сигналов ККМ, временного интервала и алгоритма этого анализа должны быть учтены следующие требования:

1) сигналы ККМ формируются в блоке (5) выделения среднечастотных сигналов тока частотной фильтрацией сигнала от того же датчика (3) тока, с которого поступают высокочастотные сигналы тока, или от дополнительного датчика тока любого рода;

2) процесс анализа сигналов ККМ вызывается только ВЧ-инициацией;

3) область частот анализа сигналов ККМ должна быть достаточно низкой (соответственно, время анализа должно быть достаточно большим), чтобы амплитуда сигналов ККМ не зависела от реактивных составляющих защищаемой цепи и определялась только активной составляющей импеданса искрящего участка;

4) время анализа должно быть достаточно малым по сравнению с полупериодом сетевого напряжения (соответственно, полоса частот анализа должна быть достаточно большой), чтобы анализ сигнала ККМ после возможных слаботочных высокочастотных импульсов не занимал много времени, поскольку в противном случае может блокироваться реакция УЗИс (1) на другие события в данном полупериоде.

Противоречивость указанных выше требования 4 к времени анализа и требования 3 к области частот анализа сигналов ККМ привела к необходимости проведения дополнительных экспериментальных исследований. В результате была определена оптимальная полоса частот сигналов ККМ: она лежит в области примерно от 0,1 до 20 кГц, наиболее предпочтительно от 0,3 до 15 кГц, а временной интервал анализа отклика на единичное высокочастотное возмущение составляет от 5 до 50-100 мкс после возмущения.

Цепью формирования сигнала ККМ может служить, например, колебательный контур в блоке (5) выделения среднечастотных сигналов тока. Альтернативно, вся необходимая частотная фильтрация может выполняться микроконтроллером (6). Возможны и другие варианты реализации ККМ.

Для примера рассмотрим случай, когда цепью формирования сигнала ККМ служит указанный выше колебательный контур с резонансной частотой 10 кГц и добротностью несколько менее 0,5. Сигнал ККМ на конденсаторе такого контура имеет вид, показанный на фиг. 9, а количественной характеристикой скачка тока, практически нечувствительной к величине и расположению реактивных элементов защищаемой цепи, является среднее от этого импульса на интервале от 5 до примерно 70 мкс от ВЧ-инициации.

Деление величины вычисленного по сигналу ККМ скачка тока на текущее значение сетевого напряжения на момент высокочастотного возмущения позволяет определить значение активной составляющей проводимости участка возможного искрения. По полученной величине проводимости определяют ток потребления участка возможного искрения, и определенный таким образом ток потребления сравнивают с пороговым значением Iпор, установленным с некоторым запасом ниже технических требований к УЗИс (1) (для стандарта IEC 62606:2013 это значение составляет 2,5A при напряжении сети 230B). При величине скачка тока дуги Iдуги, соответствующего пробою на сопротивление, превышающее пороговое значение Iпор, т.е. при условии Iдуги<Iпор, событие игнорируется, и микроконтроллер (6) возвращается в состояние готовности к анализу следующих событий в данном полупериоде сети (см. фиг. 7).

После ВЧ-инициации и одновременно с описанным выше анализом сигнала ККМ проводится обработка сигналов СЧ-V датчика среднечастотного напряжения (см. фиг. 7). При формировании сигнала импульса напряжения, например, двукратным дифференцированием сетевого напряжения на клеммах УЗИс (1) с постоянной времени обоих дифференцирующих звеньев порядка 40 мкс, сигнал импульса напряжения при любой конфигурации цепи имеет четко выраженную полярность в интервале времени от 5 до 15 мкс от момента ВЧ-инициации. Для примера, на фиг. 10а и 10b показаны сигналы СЧ-V датчика среднечастотного напряжения при одинаковых скачках тока в двух различных точках протяженной и разветвленной сети. Как видно, указанные сигналы имеют одинаковую полярность, однозначно определяемую в указанном интервале времени.

Целью обработки сигнала СЧ-V датчика среднечастотного напряжения является определение его полярности для подтверждения дислокации источника искрения и знака возмущения внутри защищаемой цепи. Это необходимо во избежание влияния процессов, происходящих в цепях других фаз или той же фазы вне защищаемой цепи. Интенсивность наводки высокочастотных сигналов извне бывает достаточно высока, чтобы вызвать ВЧ-инициацию, что особенно опасно вблизи перехода фазы защищаемой цепи через ноль, поскольку порог ВЧ-инициации в это время низок, а коэффициент пересчета сигнала ККМ в проводимость участка дуги велик, в то время как процессы в цепях смежных фаз в этот момент могут протекать при максимальных значениях напряжения и по этой же причине иметь большую интенсивность.

Решить эту проблему позволяет сопоставление полярностей сигналов ККМ, т.е. среднечастотных сигналов тока СЧ-I, и сигналов СЧ-V датчика среднечастотного напряжения.

Рассмотрим диаграмму полярностей среднечастотных сигналов тока СЧ-I и сигналов СЧ-V датчика среднечастотного напряжения при замыкании и размыкании нагрузок в защищаемой цепи и смежных цепях. Условная схема регистрации возмущений может быть схематически представлена в виде, приведенном на фиг. 11. Здесь V и i - соответственно датчики напряжения и тока УЗИс; Z - коммутируемая нагрузка в защищаемой цепи; Z1 - нагрузка в смежной цепи, подключенной к той же фазе L1, что и защищаемая цепь; Z2 - нагрузка в другой фазе L2, имеющей в момент возмущения одинаковую полярность с фазой L1; Z3 - нагрузка в третьей фазе L3, имеющей в момент возмущения полярность, противоположную полярности фазы L1; Z_N - импеданс нейтрали N. Среднечастотные компоненты коммутационных процессов, включая дуговые пробои, влияют на датчики напряжения V и тока i кондуктивным путем вследствие ненулевого импеданса Z_N цепи между локальной точкой соединения проводов нейтрали нагрузок N и точкой исходной генерации напряжения нейтрали N₀. Коммутация нагрузок Z1, Z2, Z3 создает скачок потенциала в точке N относительно N₀ и, таким образом, относительно потенциалов фаз, вызывая скачки напряжения и тока соответственно в датчиках напряжения V и тока i.

В соответствии со схемой согласно фиг. 11, на фиг. 12 представлена таблица полярностей импульсов среднечастотных сигналов тока СЧ-I (или сигналов ККМ) и сигналов СЧ-V датчика среднечастотного напряжения при замыкании и размыкании нагрузок в защищаемой и смежных цепях в положительном полупериоде сети. Полярность сигнала импульсов среднечастотных сигналов тока для определенности принята положительной при росте тока в защищаемой цепи; в отрицательном полупериоде все полярности просто поменяют знак.

Как видно из фиг. 12, замыканию нагрузки Z, происходящему, в частности, при дуговом пробое в защищаемой цепи, соответствует сочетание полярностей среднечастотных сигналов тока и сигналов датчика среднечастотного напряжения, не повторяющееся ни при каких других коммутациях. Поэтому после ВЧ-инициации одновременно с анализом отклика ККМ сигнал датчика среднечастотного напряжения направляется на подтверждение его наличия и его полярности. В простейшем варианте это может быть осуществлено отдельным компаратором или, альтернативно, микроконтроллером (6). При отсутствии этого подтверждения в ближайшие 5-15 мкс анализ сигнала ККМ прекращается, и микроконтроллер (6) возвращается в состояние готовности к анализу следующих событий.

При соблюдении всех вышеизложенных критериев наличие единичного искрового разряда (ЕИР) в защищаемой цепи в данном полупериоде считается подтвержденным (см. фиг. 7), и УЗИс (1) переходит ко второму этапу анализа.

На втором этапе осуществляется переход от идентификации ЕИР к идентификации собственно искрения. Этот этап может быть реализован различными способами, например, известными из перечисленных выше патентных документов. Ниже приводится еще один вариант определения события искрения по подтвержденным ЕИР, который, наряду с известными, может быть использован при реализации настоящего изобретения.

При зачете микроконтроллером (6) единичного искрового разряда в данном полупериоде, в цифровой накопитель, являющийся, например, составной частью микроконтроллера (6), вкладывается определенное количество баллов. При наличии в цифровом накопителе ненулевой суммы баллов из нее каждый полупериод вычитается заранее установленная сумма баллов. Величины вкладов и вычетов баллов подбираются так, чтобы при достаточной частоте следования полупериодов с ЕИР общая сумма баллов достигла установленного предела, при котором микроконтроллер (6) дает органу (8) отключения команду на отключение защищаемой цепи. Здесь под достаточной частотой следования полупериодов с ЕИР подразумеваются частота в сочетании с количеством искровых замыканий нагрузки в защищаемой цепи, которые крайне маловероятны в режимах реальной эксплуатации не искрящей цепи. При этом сумма вклада в цифровой накопитель может быть сделана зависящей от вычисленного в данном полупериоде сети значения тока искрения, например, возрастая с его увеличением, для сокращения времени срабатывания устройства при больших токах искрения.

При подтверждении события искрения микроконтроллер (6) вырабатывает управляющий сигнал для органа (8) отключения, и орган (8) отключения производит отключение защищаемой цепи электроустановок (10) от сети.

Таким образом, настоящее изобретение позволяет намного более точно и однозначно фиксировать событие искрения в защищаемой цепи, существенно снижая количество ложных срабатываний. Как следствие, расширяется зона контроля за возможным искрением в защищаемой сети, увеличивается число подключенных к защищаемой цепи электроприборов, а также повышается протяженность и разветвленность защищаемой цепи.

Настоящее изобретение относится к защите электрических линий, в частности к обнаружению и защите от искрения в электрических сетях и электроустановках. Способ работы устройства защиты от искрения в защищаемой цепи включает измерение в каждом полупериоде напряжения сигналов тока в высокочастотной области, сигналов тока в среднечастотной области, сигналов напряжения в низкочастотной области и сигналов напряжения в среднечастотной области. На основании измеренных сигналов определяют наличие единичного искрового разряда в каждом полупериоде напряжения, накапливают информацию о единичных искровых разрядах в течение заданного времени и сохраняют ее в виде параметра искрения. По достижении параметром искрения заданного значения регистрируют искрение и вырабатывают сигнал на отключение защищаемой цепи от сети. Устройство (1) защиты от искрения в цепи включает блок (2) считывания напряжения, датчик (3) тока, блок (4) выделения высокочастотных сигналов тока, блок (5) выделения среднечастотных сигналов тока, микроконтроллер (6), блок (7) питания и орган (8) отключения. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения события искрения, снижение количества ложных срабатываний устройства защиты от искрения, увеличение зоны обслуживания, количества подключенных электроприборов, протяженности и разветвленности защищаемой цепи. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Способ работы устройства защиты от искрения (УЗИс), при котором:

измеряют сигналы напряжения и тока в защищаемой цепи в каждом полупериоде напряжения,

на основании измеренных сигналов напряжения и тока определяют наличие единичного искрового разряда в каждом полупериоде напряжения, накапливают информацию о единичных искровых разрядах в течение заданного времени и сохраняют ее в виде параметра искрения,

по достижении параметром искрения заданного значения регистрируют искрение и

вырабатывают сигнал на отключение защищаемой цепи от сети, при этом измерение сигналов напряжения и тока включает:

измерение тока в высокочастотной области,

измерение тока в среднечастотной области,

измерение напряжения в низкочастотной области и

измерение напряжения в среднечастотной области.

2. Способ работы УЗИс по п. 1, в котором:

измерение тока в среднечастотной области, измерение напряжения в среднечастотной области и измерение напряжения в низкочастотной области выполняют при условии превышения значения измеряемого тока в высокочастотной области заранее заданного значения.

3. Способ работы УЗИс по п. 2, в котором:

измерение тока в высокочастотной области, предпочтительно в области от 1 до 10 МГц, выполняют на участке роста модуля сетевого напряжения.

4. Способ работы УЗИс по п. 1, в котором:

определяют ток дуги по измерениям напряжения в низкочастотной области, предпочтительно с частотой измерений от 10 до 40 кГц, более предпочтительно с частотой измерений от 20 до 30 кГц, и измерениям тока в среднечастотной области, предпочтительно в области от 0,1 до 20 кГц, более предпочтительно в области от 0,3 до 15 кГц.

5. Способ работы УЗИс по п. 4, в котором:

по существу одновременно с определением тока дуги определяют полярность сигналов напряжения в среднечастотной области по измерению напряжения в среднечастотной области, предпочтительно в области от 1 до 50 кГц, более предпочтительно в области от 5 до 50 кГц.

6. Способ работы УЗИс по п. 5, в котором:

наличие единичного искрового разряда подтверждают по току дуги, превосходящему пороговое значение, и по полярности сигналов напряжения в среднечастотной области и полярности сигналов тока в среднечастотной области.

7. Устройство защиты от искрения в цепи, включающее:

блок питания,

по меньшей мере один блок считывания напряжения,

по меньшей мере один датчик тока,

блок выделения высокочастотных сигналов тока,

блок выделения среднечастотных сигналов тока,

микроконтроллер, выполненный с возможностью:

взаимодействия с блоком выделения высокочастотных сигналов тока и блоком выделения низкочастотных сигналов тока для осуществления изменения и анализа сигналов соответственно тока в высокочастотной области и тока в среднечастотной области,

взаимодействия с блоком считывания напряжения для осуществления измерения и анализа сигналов напряжения в среднечастотной области и низкочастотной области,

определения события единичного искрового разряда,

накопления информации о единичных искровых разрядах в течение заданного времени и сохранения ее в виде параметра искрения и

выработки сигнала отключения по достижении параметром искрения заданного значения, и

орган отключения, выполненный с возможностью отключения сети по сигналу отключения.

8. Устройство защиты от искрения по п. 7, в котором:

блок считывания напряжения включает по меньшей мере один датчик низкочастотного напряжения и по меньшей мере один датчик среднечастотного напряжения.