Комплексная микропроцессорная система мониторинга и управления дуговой защитой и комплектными распределительными устройствами Российский патент 2019 года по МПК H02H9/08 H02H7/22 

Изобретение относится к области электроэнергетики, в частности - системам дуговой защиты высоковольтных переключателей и комплектных распределительных устройств (КРУ) 6-10 кВ. Система обеспечивает детектирование факта возникновения электрической дуги на раннем этапе и предотвращает ее появление внутри шкафа распределительного устройства без отключения токоведущих цепей и может быть применено при создании новых и модернизации существующих электрических подстанций.

Известно устройство дуговой защиты [патент RU №2379811] позволяющее увеличить радиус контролируемой зоны шкафа распределительного устройства за счет применения световода с большей чувствительностью к внешнему облучающему излучению, состоящее из чувствительного элемента, являющимся световодом с оболочкой, прозрачной для светового излучения электрической дуги, который через фотоэлектронный преобразователь подсоединен к входу порогового устройства, а выход порогового устройства подсоединен к исполнительному органу, в качестве световода чувствительного элемента используется оптическое волокно из полиметилметакрилата.

Однако, при использовании данного устройства для защиты шкафа распределительного устройства, возникает сложность определения точного местоположения возникшего дугового разряда, в следствие чего отключение всех токоведущих цепей, расположенных в вблизи световода. Также из-за большой длины световода происходит затухание светового потока, а при его засветке внешним источником света отличным от дугового разряда возникает вероятность ложных срабатываний.

Известно микропроцессорное устройство релейной защиты и автоматики с дистанционным управлением патент [патент RU №2222083] содержащее блоки гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения, блок частотных фильтров, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорную систему управления выходным реле и сигнализацией в соответствии с алгоритмами защиты и приемопередатчик с антенной для выполнения функций релейной защиты, автоматики, измерении, регистрации, управления и контроля присоединений, позволяет уменьшить габариты и расширить функциональные возможностей системы дуговой защиты за счет исключения пульта управления с клавиатурой и мини-дисплеем и организации обмена по радиоканалу.

Однако при использовании радиоканала, возникающие высокочастотные радиопомехи при работе релейных устройств коммутации сильно зачумляют радиоэфир, что может приводить к неработоспособности пульта дистанционного канала в определенные моменты времени.

Также известна дугогасительная система патент [патент RU №2366022] содержащая секцию, выполненную из набора дугогасительных и искрогасительных пластин, изолированных между собой набором изоляционных пластин, пластины выполненных в форме круга с пазом в виде сектора с острым углом и с возможностью вращательного движения этих дугогасительных пластин вокруг своей оси, позволяющая увеличить интенсивность охлаждения дуги и эффективности ее гашения при уменьшении габаритов дугогасительной системы за счет использования вращающихся пластин. Недостатком данной системы является вращающаяся часть, электропривод которой подвержен выходу из строя под действием наведенных токов в случае аварии.

Известно устройство для гашения дуги неполяризованного аппарата дутьем на постоянных магнитах [патент RU №2402094], содержащий подвижный и неподвижный контакты, постоянные магниты, привод для управления подвижным контактом, датчик тока, поворотный механизм, электрически связанный с датчиком тока, и корпус в форме полого цилиндра, который закреплен с возможностью вращательного движения вокруг своей оси, позволяющее надежно гасить дуговой разряд при токе любого направления.

Однако область действия данного устройства невелика и ограничена полем, создаваемым магнитами, что позволяет использовать систему в узкоспециализированных распределительных устройствах. Недостатком данной системы является вращающаяся часть, электропривод которой подвержен выходу из строя под действием наведенных токов в случае аварии.

Наиболее близким по технологической сущности является устройство управления и мониторинга ячейки комплектного распределительного устройства [патент RU №2454772], содержащее три контроллера, снабженных аналоговыми входами и дискретными входами для подключения к соответствующим выходам датчиков состояния ячейки, позволяющее повысить производительность цифровой обработки и надежность управления ячейкой комплектного распределительного устройства.

К недостатку известного устройства можно выделить слабую помехозащищенность ЛВС, при нахождении линии вблизи высоковольтных кабелей.

Задачей изобретения является создание устройства системы дуговой защиты, позволяющее точно определять нахождение источника дугового разряда и гасить его на раннем этапе возникновения во всем объеме шкафа или определенном месте, например, вблизи высоковольтных шин, без отключения токоведущих цепей, использующее цифровую систему управления для мониторинга состояния комплектного распределительного устройства в составе подстанции в целом.

Техническим результатом является повышение надежности и функциональности системы дуговой защиты, а также стабильности и бесперебойности работы комплектных распределительных устройств.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве управления и мониторинга ячейки комплектного распределительного устройства содержащего три контроллера, снабженных аналоговыми входами и дискретными входами для подключения к соответствующим выходам датчиков состояния ячейки, отличающейся тем, что содержит основную микропроцессорную систему управления к которая соединена с автономными микропроцессорными следящими системами к каждая из которых связанна с основными датчиками напряженности электрического поля, вспомогательными оптическими датчиками и устройством управления клапаном с высоким быстродействием и релейным устройством отключающим питание распределительного устройства позволяющая контролировать напряженность электрического поля внутри шкафа распределительного устройства, при достижении которой некоторого порогового значения на раннем этапе возникновения дугового разряда поступает сигнал на устройство управления клапаном и основную микропроцессорную систему управления, в результате чего происходит гашение дуги газовоздушной смесью без отключения токоведущих цепей, и следовательно, тем самым решается задача повышения надежности и функциональности системы дуговой защиты, а также стабильность и бесперебойность работы комплектных распределительных устройств.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где показана функциональная схема системы дуговой защиты.

На чертеже приняты следующие обозначения: 1 - ячейка распределительного устройства; 2 - возможные источники дуговых разрядов (колодки высоковольтных контактов, находящиеся под напряжением 6.5-10 кВ, штепсельные соединения и т.д.); 3 - основной датчик, измеряющий напряженность электрического поля; 3' - вспомогательный датчик, измеряющий интенсивность светового излучения в инфракрасном диапазоне; 4 - автономная микропроцессорная следящая система; 5 - устройство управления клапаном с высоким быстродействием; 6 - распылитель газо-воздушной смеси; 7 - релейное устройство отключающее питание распределительного устройства; 8 - оптическая развязка цифровой передачи данных; 9 - сегментные устройства подключения блоков цифровой следящей системы; 10 - микропроцессорная система управления; 11 - терминал для мониторинга и ввода команд управления; 12 - устройство подключения к сети интернет; 13 - удаленный терминал; 14 - линия сети интернет; 15 - блок следящей системы; 16 - микропроцессорный блок управления.

Комплексная микропроцессорная система мониторинга и управления дуговой защитой и комплектными распределительными устройствами содержит блок следящей системы 15, снабженный дискретными входами и выходами предназначенными для подключения к соответствующим выходам датчиков 3 и 3' состояния ячейки комплектного распределительного устройства (КРУ), и входам релейного устройства 7 отключающего питание распределительного устройства, а также к устройству управления клапаном с высоким быстродействием 5, который осуществляет подачу "сухой воды" на распылитель газо-воздушной смеси 6. Микропроцессорный блок управления 16, снабженная сегментными устройствами подключения блоков цифровой следящей системы 9, микропроцессорной системой управления 10, терминалом для мониторинга и ввода команд управления 11, а также устройством для подключения к сети интернет 12, при этом блок следящей системы 15 и микропроцессорный блок управления 16 связаны между собой посредством цифровой лини передачи данных. Микропроцессорный блок управления 16 соединен с автономными микропроцессорными следящими системами 15, каждая из которых связанна с основными датчиками напряженности электрического поля 3, вспомогательными оптическими датчиками 3', устройством управления клапаном с высоким быстродействием 5 и релейным устройством 7, выполненным с возможностью отключения питания распределительного устройства 1; позволяющая при помощи датчиков состояния ячейки КРУ контролировать напряженность электрического поля. При достижении порогового значения напряженности, микропроцессорная следящая система 15 подает электрический управляющий сигнал на устройство управления клапаном 5 и основную микропроцессорную систему управления 16, в результате чего происходит гашение дуги газовоздушной смесью без отключения токоведущих цепей, и, следовательно, повышается стабильность и бесперебойность работы КРУ и снабжение электроэнергией.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Датчики 3 и 3' установленные в ячейке 1 улавливают при помощи чувствительных элементов воздействие физических процессов, сопровождающих возникающий дуговой разряд в ячейке распределительного устройства 1 преобразуя в электрические сигналы и усиливая их. Выходной сигнал датчиков 3 и 3' детектируется микропроцессорной следящей системой 4, согласно заложенному алгоритму система вырабатывает выходной сигнал, поступающий на устройство управления клапаном 5 впрыскивая тем самым ГВС внутрь ячейки локально изменяя диэлектрическую проницаемость среды и тем самым управляя процессом возникновения дугового разряда, либо выходной сигнал поступает на релейное устройство 5 отключая тем самым напряжение в ячейке 1, параллельно с этим микропроцессорная следящая система 4 посылает данные о состоянии датчиков и выполненных действиях на микропроцессорную систему управления 10 используя для этого оптическую развязку цифровой передачи данных 8 и - сегментное устройство подключения блоков цифровой следящей системы 9, в результате чего оператор может контролировать в режиме реального времени все ячейки распределительных устройств при помощи терминала для мониторинга и ввода команд управления 11 либо удаленный терминала 13. Микропроцессорная система управления 10 производит постоянный мониторинг подключенных к ней следящих систем 4, если система, по каким либо причинам не отвечает, то предусмотрена возможность ручного отключения напряжений в ячейке 1 по средствам дублирующих линий связи, для этого микропроцессорная система управления 10 подает управляющий сигнал по дублирующей линии напрямую в релейное устройство. В зависимости от настроек микропроцессорной системы управления 10 этот процесс может быть автоматизирован. Так как микропроцессорная система управления 10 имеет отдельное питание и отделена от всех систем связанных с ячейками при помощи сегментных устройств подключения блоков цифровой следящей системы 9 и оптических развязок цифровой передачи данных 8, то это ее защищает от электрических всплесков в случае нарушения изоляции датчиков 3 и 3' и поражения микропроцессорной следящей системы 4. Настройка параметров микропроцессорной следящей системы 4 производится при помощи микропроцессорной системы управления 10 для ручной настройки параметров микропроцессорной следящей системы 4 в системе предусмотрен терминал для мониторинга и ввода команд управления 11.

Технико-экономическая эффективность практического использования предлагаемой системы дуговой защиты заключается в следующем:

1. Детектирование дугового разряда на раннем этапе его возникновения позволяет проводить более эффективно погасить, используя газовоздушную смесь без отключения токоведущих цепей и, следовательно, без обесточивания распределительного устройства и перераспределения нагрузки, что позволит использовать новые более простые в конструкции распределительные устройства.

2. Использование основной микропроцессорной системы для управления автономных следящими системами, позволяет использовать одно подключение ЛВС только к основной микропроцессорной системе для мониторинга и управления системой дуговой защиты.

3. Использование автономных микропроцессорных следящих систем позволяет использовать их как по отдельности, так и в составе с основной микропроцессорной системой, что при выходе их строя последней не повлияет на работоспособность основных узлов.

4. При использовании в качестве газовоздушной смеси "сухую воду" позволяет объединить систему дуговой защиты и систему пожаротушения в одну общую систему, оборудованную микропроцессорной системой управления с удаленным доступов по ЛВС с рабочего места оператора.

5. Для защиты от наведенных токов на линиях связи между основной микропроцессорной системой и автономными микропроцессорными следящими системами, использовано повышение логического уровня напряжения, а на линии связи между датчиками и автономными микропроцессорными следящими системами используется широтно-импульсная модуляция, с высоким уровнем напряжения что позволяет уменьшить процент наведенного тока в линии связи и использовать более дешевые и менее экранированные кабели.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к системам дуговой защиты высоковольтных переключателей и комплектных распределительных шкафов (КРУ). Технический результат заключается в повышении надежности и функциональности системы дуговой защиты, а также стабильности и бесперебойности работы комплектных распределительных устройств. Достигается тем, что микропроцессорная система управления, соединенная с автономными микропроцессорными следящими системами, позволяет при помощи датчиков состояния ячейки КРУ контролировать напряженность электрического поля, при достижении порогового значения напряженности микропроцессорная следящая система подает сигнал на устройство управления клапаном и основную микропроцессорную систему управления, в результате чего происходит гашение дуги газовоздушной смесью без отключения токоведующих цепей, и, следовательно, тем самым решается задача повышения надежности и функциональности системы дуговой защиты, а также стабильность и бесперебойность работы комплектных распределительных устройств. 1 ил.

Комплексная микропроцессорная система мониторинга и управления дуговой защитой и комплектными распределительными устройствами, содержащая первый контроллер, снабженный аналоговыми и дискретными входами, предназначенными для подключения к соответствующим выходам датчиков состояния ячейки комплектного распределительного устройства (КРУ), второй контроллер, снабженный последовательным портом, к которому подключен сенсорный экран, и третий контроллер, снабженный дискретными входами для подключения к датчикам состояния ячейки КРУ, и дискретными выходами, к которым подключен формирователь релейных сигналов управления ячейкой КРУ, при этом первый, второй и третий контроллеры связаны между собой внутренней ЛВС, а второй и третий контроллеры снабжены первым и вторым дублированными портами Ethernet, предназначенными для подключения к станционной шине и к шине процесса цифровой подстанции соответственно, отличающаяся тем, что содержит основную микропроцессорную систему управления, которая соединена с автономными микропроцессорными следящими системами, каждая из которых связана с основными датчиками напряженности электрического поля, вспомогательными оптическими датчиками, устройством управления клапаном с высоким быстродействием и релейным устройством, выполненным с возможностью отключения питания распределительного устройства; позволяющая при помощи датчиков состояния ячейки КРУ контролировать напряженность электрического поля, при достижении порогового значения напряженности микропроцессорная следящая системам подает сигнал на устройство управления клапаном и основную микропроцессорную систему управления, в результате чего происходит гашение дуги газовоздушной смесью без отключения токоведущих цепей, и, следовательно, повышается стабильность и бесперебойность работы КРУ и снабжение электроэнергией.