СИСТЕМА ДУГОВОЙ ЗАЩИТЫ Российский патент 2023 года по МПК H02H7/00 

Изобретение относится к области электроэнергетики, в частности – системам дуговой защиты высоковольтных переключателей и комплектных распределительных устройств (КРУ) 6-35 кВ.

Система дугой защиты шин обеспечивает предотвращение выхода из строя ячеек КРУ и высоковольтных переключателей, путем детектирование факта возникновения электрической дуги при её появлении как на внешних шинах, так и внутри шкафа распределительного устройства как с отключением, так и без отключения токоведущих цепей. Система может быть применена при создании и разработке инновационных систем защиты от дуговых замыканий, а так же при модернизации имеющихся систем на электрических подстанциях.

Известно устройство дуговой защиты [патент RU №201607], которое содержит блоки детектирования света и тестирования, в которые встроены микроконтроллер с аналого-цифровым преобразователем, цифровым фильтром верхних частот; блок детектирования света и тестирования, блок управления, блок дискретных выходов и блок дискретных входов электрически соединены между собой цифровой последовательной шиной CAN; каждое реле блока дискретных выходов выполнено с возможностью срабатывания как результат логической функции, описываемой с помощью функции булевой алгебры И, ИЛИ, а также функции инверсии, при этом в качестве переменных функций используются сигналы срабатывания волоконно-оптических датчиков и дискретных входов, которые поступают к блоку дискретных выходов посредством шины CAN. Недостатком данного устройства релейной защиты от дуговых замыканий является отсутствие защиты от ложных срабатываний, так как нет возможности выставлять время задержки и программно регулировать пороговое значение тока уставки. Защита от ложных срабатываний осуществляется через другие управляющие устройства, что снижает быстродействие и надежность устройства, а так же увеличивает его стоимость.

Близким аналогом, который был взят за прототип, является микропроцессорное устройство релейной защиты и автоматики (МУРЗ) (патент на изобретение РФ № 2645750, МПК H02H 7/00, опубл. 28.02.2018), состоящее из корпуса, в котором установлены: процессорный модуль, состоящий из одного или более процессоров, выполняющий обработку получаемых данных, модуля часов реального времени; блока памяти, содержащий ПЗУ и ОЗУ; интерфейсов связи, модулей релейной защиты автоматики (РЗА), соединенных с процессорным модулем, измерительных модулей, состоящих из модулей аналоговых входов и модулей дискретных входов/выходов; блока питания и модуля АЦП, предназначенного для преобразования поступающих аналоговых сигналов. Устройство имеет гальванически развязанные входные каналы, которые используются для измерения токов и напряжений по трем фазам и нулевой последовательности. Лицевая панель, содержит микроконтроллер, интерфейсы связи с внешними вычислительными устройствами, дисплей, светодиоды, клавиатуру подключаемую через USB интерфейс. Лицевая панель выполнена съемной с возможностью удаленного управления МУРЗ. Недостатками микропроцессорного устройства релейной защиты и автоматики (МУРЗ) являются нерегулируемая чувствительность, из-за которой происходит большое количество ложных срабатываний, а так же отсутствие возможности гашения дуги без отключения токоведущих частей, то есть невозможность устройства устанавливать в высоковольтные выключатели/переключатели для гашения «Дуги Петрова», что значительно снижает область применения данного устройства. Подключение лицевой панели и устройств ввода/выводы через USB интерфейс снижает надежность и накладывает определенные условия эксплуатации устройства.

Устройство дуговой защиты [патент RU №2379811] относится к системам релейной защиты и автоматики (РЗА) комплектных распределительных устройств (КРУ) 6-10 кВ и предназначено для обнаружения факта возникновения электрической дуги внутри шкафа КРУ и выдачи оперативного сигнала на отключение токоведущих цепей, на которых возникла дуга. Устройство содержит чувствительный элемент, являющийся 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, отличающееся тем, что в качестве световода чувствительного элемента используется оптическое волокно из полиметилметакрилата. Недостатком данного устройства является невозможность точного определения возникновения дугового замыкания. Обнаружение дугового замыкания происходит только при возникновении горящей дуги внутри ячейки КРУ, которая выжигает место контакта на токоведущих частях. При засветке возникает вероятность ложных срабатываний, так как нет возможности отрегулировать чувствительность волоконно – оптического датчика.

Наиболее близким техническим решением является устройство «комплексная микропроцессорная система мониторинга и управления дуговой защитой и КРУ», в которой микропроцессорная система управления [патент RU № 2703279], 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 токоведущих цепей. Недостатком такой системы является низкий уровень помехозащищенности, так как устройства слежения за состоянием ячейки соединены с автономным микропроцессором при помощи медного токопроводящего кабеля и отсутствие возможности самодиагностики работы при эксплуатации. Ключевым недостатком является отсутствие возможности отключения токоведущих частей, предусмотрено только гашение «Дуги Петрова».

Задачей изобретения является создание устройства системы дуговой защиты, точно обнаруживающее дуговое замыкание и при необходимости ликвидирующее возгорание в ячейках КРУ или в распределительном шкафу, как с отключением, так и без отключения токоведущих цепей. Дуговая защита использует цифровую систему управления, которая производит комплексную оценку состояния подстанции в целом, по полученным данным с датчиков. Устройство производит постоянный мониторинг токоведущих частей и диагностику целостности оптоволоконного кабеля, передавая обработанные данные, отображающиеся на блоке индикации как: работа, срабатывание, отказ, авария. Блок индикации подключен к интерфейсу для дальнейшей передачи и считывания полученной информации.

Техническим результатом является повышение функциональности, помехоустойчивости и уменьшение количества ложных срабатываний в комплектных распределительных устройствах (КРУ) 6-35 кВ, высоковольтных переключателей, а так же уменьшение внешних связей с устройствами, например с устройством максимальной токовой защиты (МТЗ). Результат приводит к бесперебойности и более стабильной работе вышеперечисленных устройств.

Поставленная задача решается тем, что устройство использует цифровую систему управления с модулем реального времени и с возможностью записи данных в ПЗУ для комплексной оценки состояния подстанции в целом, обеспечивая постоянный мониторинг токоведущих частей и целостности конструкции. Система имеет возможность самодиагностики работоспособности и отображает через блок индикации следующие сигналы – работа, срабатывание, отказ, авария, которые необходимы для корректной работы системы диспетчеризации.

Дуговая защита шин представляет собой цифровую систему управления, с возможностью пожаротушения, дополнительно устанавливаемая к логической или дифференциальной и системе защиты шин. Дуговая защита выполнена на базе микроконтроллеров или других электро вычислительных машин (ЭВМ), расположенных в отдельном корпусе вместе с блоком питания (БП), способных обрабатывать получаемые данные и записывать их в ПЗУ, за счет применения устройств, следящих за состоянием ячейки, а именно датчиков напряженности, далее датчиков Холла, волоконно-оптических датчиков, далее (ВОД), подключенных через преобразующее устройство к БДВВ. Данная связка датчиков за счет применения регулирующего усилителя и генератора позволяет настраивать чувствительность, производить опрос и диагностику работы системы защиты. Применение преобразователя аналогово сигнала в оптический позволяет избежать возникновение помех в шине данных. Обеспечивает гальваническую развязку между элементами системы, что необходимо для обеспечения безопасности работы обслуживающего персонала. Основным отличием является функция мониторинга целостности и работоспособности устройства, и использование двухуровневой системы обработки данных, гарантирующей быстродействие гашения дуги в ячейке КРУ в случае её возникновения, путем подачи диэлектрической газовоздушной смеси в место горения дуги, внутри устройства. При превышении значения установленного максимума с датчика напряженности электромагнитного поля, происходит безопасное отключение секции или системы шин, путем подачи соответствующего сигнала на релейное устройство отключения питания шин (релейная защита автоматики (РЗА)).

Сущность изобретения поясняется Фиг. 1., где показана функциональная схема системы дуговой защиты. Упрощенная структурная схема дуговой защиты показана на Фиг. 2.

На Фиг.1 приняты следующие обозначения:

– 1, 3, 5, 7 – фотодиоды;

– 2, 4, 6, 8 – светодиоды;

– 9, 10, 11, 12 – места установки (ВОД);

– 13, 14, 15, 16 – усилитель формирователь (его выходы/входы);

– 17, 18, 19, 20 – оптический преобразователь;

– 21 – регулируемый усилитель чувствительности;

– 22 – генератор частоты импульсов;

– 23 – нормально закрытый клапан непрямого действия;

– 24 – баллон с газовоздушной смесью;

– 25 – микроконтроллер (ПЛК),

– 26 – процессор;

– 27, 28, 29, 30 – аналогово цифровой преобразователь (АЦП) (его выходы/входы);

– 31, 32, 33, 34 – датчики напряженности (датчики Холла);

– 35 – блок дискретных входов и выходов (БДВВ);

– 36 – блок индикации (БИ);

– 37 – блок питания (БП);

– 38 – постоянно запоминающее устройство ПЗУ;

– 39 – система обесточивания шин;

– 40 – интерфейс связи;

– 41 – блок управления устройством;

– 42 – блок релейной защиты автоматики (РЗА).

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Датчики напряженности 31, 32, 33, 34, установленные вблизи шин, снимают показания о заряде, протекающем в цепи за определенный промежуток времени. После чего полученный сигнал конвертируется из аналогового в цифрой, при помощи АЦП 27, 28, 29, 30, и поступает на микроконтроллер (ПЛК) 25, где обрабатывается первый раз, далее с ПЛК 25 информация обрабатывается повторно на процессоре 26, который связан с блоками РЗА 42 и пожаротушением. В случае превышения тока уставки, подается управляющий сигнал с процессора на устройство релейного отключения шин питания или в систему пожаротушения при срабатывании волоконно-оптического датчика. Высвечивается сигнал «Срабатывание 1-4», в случае возникновения дугового замыкания без отключения шин. «Авария» при отключении шин. «Отказ» в случае, если по какой-либо причине ток продолжает протекать по шине после адресации сигнала в систему пожаротушения и отключения шин питания.

Волоконно-оптический датчик состоит из фотодиода 1, 3, 5, 7 и светодиода 2, 4, 6, 8. В качестве обратной связи, необходимой для подтверждения работы устройства, используется имитация возникновения дуги в ячейке, путем задания определенной частотой работы светодиода – режим мерцания. При корректной работе устройства высвечивается сигнал «Работа». В случае обнаружения горения дуги в ячейке КРУ отправляется сигнал, конвертируемый в оптический, далее в дискретный. Полученный сигнал обрабатывается совместно с сигналом полученного с датчика напряженности электромагнитного поля, после чего система управления выдает один из четырех видов сигналов или два из четырех, в частности «Авария», «Срабатывание», «Отказ», «Работа» или «Авария» и «Отказ», в случае если ни одна из систем гашения не сработала.

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

1. Ликвидация дугового замыкания осуществляется при помощи средств пожаротушения или при помощи устройства отключения питания шин, что обеспечивает безопасное эффективное гашение дуги с сохранением дорогостоящего оборудования, с возможностью не обесточивать токоведущие цепи, в частности для высоковольтных переключателей.

2. Простота установки и доступность. Устройство поставляется как готовое изделие и не требует сборок и отладок при вводе в эксплуатацию, за исключением задания тока уставки и максимально длительного горения дуги.

3. Двухуровневая система обработки данных, обеспечивающая быстродействие и диспетчеризацию, а так же постоянный мониторинг состояния в установленных устройствах. Система передает, обрабатывает и сохраняет все необходимые данные, сигналы, что обеспечивает возможность, при необходимости, тонкой настройки системы дуговой защиты, через удаленный доступ.

4. Помехозащищенность. Защищенность плат с микроконтроллерами и процессорами, а так же использование в схеме преобразователя сигналов из оптического в дискретный позволяют избежать возникновения помех в шинах данных, что обеспечивает стабильность работы системы защиты от дуговых замыканий при минимальных затратах.

5. Система пожаротушения, позволяет сохранить дорогостоящее оборудование, путем предотвращения горения контактов шин в ячейках КРУ, за счет подачи дугогасящей диэлектрической газовоздушной смеси, которая так же обеспечивает безопасность работы персонала от ожогов и ударов током. В применяемой газовоздушной смеси отсутствуют опасные вещества для здоровья человека, что делает её возможной для использования, где работает обслуживающий персонал.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – повышение помехоустойчивости и уменьшение количества ложных срабатываний в комплектных распределительных устройствах (КРУ) 6-35 кВ. Система дуговой защиты содержит четыре волоконно-оптических датчика (ВОД), состоящих из фотодиода (ФД) и светодиода (СД), и четырех датчиков напряженности электромагнитного поля – датчиков Холла, сигналы с которых преобразуются в дискретные и поступают на блок дискретных входов и выходов (БДВВ) микропроцессора для обработки. Отображение состояния наблюдаемого устройства осуществляется на блоке индикации через интерфейс связи. Считываемые данные записываются в постоянно запоминающее устройство (ПЗУ) для анализа по полученным данным силы тока во время появления дугового замыкания и времени действия дугового замыкания. Гашение дуги осуществляется за счет подачи в место горения дуги диэлектрической газовоздушной смеси, подаваемой при помощи нормально закрытого клапана непрямого действия и подключенного баллона с безопасной диэлектрической газовоздушной смесью – Хладоном, через систему шлангов к каждому устройству. Отключение токоведущей части шин осуществляется при поступлении определенного сигнала, обработанного процессором, на устройства релейной защиты шин автоматики. 2 ил.

Система дуговой защиты, содержащая четыре волоконно-оптических датчика (ВОД), состоящих из фотодиода (ФД) и светодиода (СД), передающих через оптоволокно получаемые сигналы, которые после преобразуются в дискретные для обработки микропроцессором, и четырех датчиков напряженности электромагнитного поля – датчиков Холла, сигналы с которых сначала поступают на аналоговый цифровой преобразователь (АЦП), далее преобразуются в дискретные и поступают на блок дискретных входов и выходов (БДВВ), где после обрабатываются микропроцессором и передаются по шинам данных на процессор для дальнейшей обработки, с целью отображения состояния за наблюдаемым устройством на блоке индикации через интерфейс связи; считываемые данные записываются в постоянно запоминающее устройство (ПЗУ), которое позволяет провести необходимый анализ по полученным данным силы тока во время появления дугового замыкания и времени действия дугового замыкания; гашение дуги внутри устройства осуществляется за счет подачи в место горения дуги диэлектрической газовоздушной смеси, подаваемой при помощи нормально закрытого клапана непрямого действия, обеспечивающего необходимое быстродействие, и подключенного баллона с безопасной диэлектрической газовоздушной смесью – Хладоном через систему шлангов к каждому устройству; при необходимости отключение токоведущей части шин осуществляется при поступлении определенного сигнала, обработанного процессором, на устройства релейной защиты шин автоматики.