Волоконно-оптический датчик открытой электрической дуги

 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в энергетическом оборудовании для повышения локализационной способности электроустановок, в том числе шкафов комплектных распределительных устройств, комплектных трансформаторных подстанций, комплектных токопроводов, при возникновении в них открытой электрической дуги. Техническим результатом, обеспечиваемым изобретением, является расширение функциональных возможностей датчика, а именно обеспечение возможности одновременного определения местоположения электрической дуги и ее мощности. Датчик содержит волоконный световод со светопроницаемой оболочкой, два фотоэлектронных преобразователя, два блока логарифмирования электрических сигналов, блок вычитания двух электрических сигналов и блок суммирования двух электрических сигналов. Каждый из противоположных концов световода оптически подключен к входу соответствующего фотоэлектронного преобразователя. Выход первого фотоэлектронного преобразователя подключен к входу первого блока логарифмирования, выход которого параллельно подключен к первому входу блока вычитания и второму входу блока суммирования. Выход второго фотоэлектронного преобразователя подключен к входу второго блока логарифмирования, выход которого параллельно подключен к второму входу блока вычитания и первому входу блока суммирования. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в энергетическом оборудовании для повышения локализационной способности электроустановок, в том числе шкафов комплектных распределительных устройств (КРУ), комплектных трансформаторных подстанций (КТП), комплектных токопроводов при возникновении в них открытой электрической дуги.

При разработке систем аварийной защиты электрораспределительного оборудования, в частности КРУ, при возникновении открытой электрической дуги встает задача определения местоположения дуги и ее мощности. При этом датчик открытой электрической дуги должен охватывать несколько шкафов КРУ и не реагировать на электромагнитные помехи.

Известно устройство дуговой защиты [1], в состав которого входит датчик открытой электрической дуги в виде эластичного оптико-волоконного жгута со светопроницаемой оболочкой, подключенного одним из своих концов к фотоэлектронному преобразователю.

Выходной сигнал Р датчика можно описать формулой

P=kW·10^-α·^s,

где W - мощность электрической дуги; k - коэффициент преобразования датчика; α - коэффициент затухания оптической мощности в оптико-волоконном жгуте; s - местоположение электрической дуги вдоль жгута. Данный датчик позволяет фиксировать только момент возникновения электрической дуги, так как из его единственного выходного сигнала Р нельзя выделить две независимые величины: мощность дуги W и ее местоположение s.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является волоконно-оптический датчик открытой электрической дуги, входящий в устройство для отключения КРУ [2], состоящий из протяженного волоконного световода со светопроницаемой оболочкой, противоположные концы которого оптически подключены к соответствующим фотоэлектронным преобразователям. Выходы фотоэлектронных преобразователей подключены к соответствующим входам блока логарифмирования отношения токов фотоэлектронных преобразователей.

Датчик работает следующим образом. Возникновение и горение открытой электрической дуги в ячейке КРУ сопровождается интенсивным испусканием света, который попадает на боковую поверхность световода в точке s, соответствующей местоположению аварийной ячейки вдоль световода, и возбуждает внутри световода два оптических сигнала. Эти сигналы по тому же самому световоду поступают на его противоположные концы и, соответственно, входы фотоэлектронных преобразователей, где преобразуются в аналогичные им по форме импульса электрические сигналы, которые описываются формулами:

где P₁, Р₂ - электрические сигналы с выходов первого и второго фотоэлектронных преобразователей; L - длина световода.

Сигналы P₁, P₂ поступают на вход блока логарифмирования отношения токов, где преобразуются в электрический сигнал U по следующей формуле:

где β - коэффициент преобразования блока логарифмирования отношения токов.

Таким образом, на выходе датчика генерируется сигнал, линейно зависящий от местоположения дуги s вдоль световода.

Недостатком прототипа является отсутствие информации о мощности электрической дуги.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является расширение функциональных возможностей датчика, а именно обеспечение возможности одновременного определения местоположения электрической дуги и ее мощности.

Технический результат достигается тем, что волоконно-оптический датчик открытой электрической дуги, содержащий волоконный световод со светопроницаемой оболочкой, каждый из двух противоположных концов которого оптически подключен к входу своего фотоэлектронного преобразователя, дополнительно содержит два блока логарифмирования электрических сигналов, блок вычитания двух электрических сигналов и блок суммирования двух электрических сигналов, выход первого фотоэлектронного преобразователя подключен через соответствующий ему блок логарифмирования электрических сигналов к первому входу блока вычитания двух электрических сигналов и к второму входу блока суммирования двух электрических сигналов, выход второго фотоэлектронного преобразователя подключен через соответствующий ему блок логарифмирования электрических сигналов к второму входу блока вычитания двух электрических сигналов и к первому входу блока суммирования двух электрических сигналов.

Схема волоконно-оптического датчика открытой электрической дуги представлена на чертеже.

Датчик содержит волоконный световод 1 со светопроницаемой оболочкой, два фотоэлектронных преобразователя 2, 3, два блока логарифмирования электрических сигналов 4, 5, блок вычитания двух электрических сигналов 6, блок суммирования двух электрических сигналов 7. Противоположные концы световода 1 оптически подключены к соответствующим входам фотоэлектронных преобразователей 2, 3, выходы которых подключены к входам соответствующих блоков логарифмирования электрических сигналов 4, 5. Выход блока логарифмирования электрического сигнала 4 подключен к входу 1 блока вычитания двух электрических сигналов 6 и к входу 2 блока суммирования двух электрических сигналов 7. Аналогично выход блока логарифмирования электрического сигнала блока 5 подключен к входу 2 блока вычитания двух электрических сигналов 6 и к входу 1 блока суммирования двух электрических сигналов 7. Выходы блоков 6, 7 вычитания и суммирования двух электрических сигналов являются выходами 1, 2 датчика. Световод 1 со светопроницаемой оболочкой прокладывается вблизи токоведущих частей электрооборудования в местах наиболее вероятного возникновения электрической дуги.

Предлагаемый волоконно-оптический датчик открытой электрической дуги работает следующим образом. Возникновение и горение открытой электрической дуги сопровождается сильным световым излучением, интенсивность которого пропорциональна мощности дуги W. Это излучение падает на боковую поверхность световода 1, в сердцевине которого индуцирует два оптических сигнала, пропорциональных интенсивности падающего излучения. Индуцированные оптические сигналы распространяются вдоль того же самого световода 1 по направлению к его концам и преобразуются в фотоэлектронных преобразователях 2, 3 в аналогичные им по форме импульса электрические сигналы P₁, P₂ в соответствии с формулами (1), (2). Электрические сигналы с фотоэлектронных преобразователей 2, 3 поступают на соответствующие им блоки логарифмирования 4, 5, в которых они преобразуются методом логарифмирования в сигналы U₁, U₂ по формулам:

U₁=β·lg(P₁)=β·(lg(kw)-α·s),

U₂=β·lg(P₂)=β·(lg(kW)-α·L+α·s),

где β - коэффициент преобразования блока логарифмирования электрического сигнала.

Прологарифмированный сигнал U₁ поступает на вход 1 блока вычитания двух сигналов 6 и на вход 2 блока суммирования двух сигналов 7. Аналогично прологарифмированный сигнал U₂ поступает на вход 2 блока разности двух сигналов 6 и на вход 1 блока суммы двух сигналов 7. В результате на выходе блока разности двух сигналов 6 образуется сигнал V₁ линейно зависящий от местоположения дуги s согласно формуле

V₁=U₁-U₂=β·α·(L-2·s),

а на выходе блока суммирования двух сигналов 7 соответственно образуется сигнал V₂, линейно зависящий от логарифма мощности дуги W согласно формуле

V₂=U₁+U₂=β·(2·lg(kW)-a·L).

Таким образом, на выходах 1, 2 формируются электрические сигналы, линейно зависящие от местоположения и логарифма мощности электрической дуги, что позволяет одновременно определять местоположение и мощность открытой электрической дуги.

В заявляемом устройстве в качестве световода 1 можно использовать, например, нерегулярный оптико-волоконный жгут в оболочке из белой силиконовой резины, изготавливаемый АО “Лыткаринский завод оптического стекла”.

В качестве фотоэлектронных преобразователей 2, 3 могут быть использованы фотодетекторы, изготовленные на базе фотодиодов ЛФД-2.

В качестве блоков логарифмирования 4, 5 электрических сигналов может быть использована схема логарифмирования, построенная на базе операционного усилителя и приведенная в [3].

В качестве блоков суммирования и вычитания двух электрических сигналов 6, 7 могут быть использованы схемы, построенные на базе операционного усилителя и приведенные в [3].

Таким образом, техническим результатом от использования заявляемого волоконно-оптического датчика открытой электрической дуги в сравнении с прототипом является расширение функциональных возможностей устройства, а именно обеспечение возможности одновременного определения местоположения и мощности открытой электрической дуги.

Источники информации

1. Демьянович М.В. и др. Новая дуговая защита для комплектных распределительных устройств. “Энергетик”, №5, 2001, с.24.

2. Устройство для отключения комплектных распределительных устройств. Патент РФ на изобретение №2096887, 04.08.1993, МКИ⁷ Н 02 Н 7/26.

3. Шило В.Л. Линейные интегральные схемы. - М.: Советское радио, 1979.

Формула изобретения

Волоконно-оптический датчик открытой электрической дуги, содержащий волоконный световод со светопроницаемой оболочкой, каждый из противоположных концов которого оптически подключен к входу соответствующего фотоэлектронного преобразователя, отличающийся тем, что он дополнительно содержит два блока логарифмирования электрического сигнала, блок вычитания двух электрических сигналов и блок суммирования двух электрических сигналов, выход первого фотоэлектронного преобразователя подключен к входу первого блока логарифмирования, выход которого параллельно подключен к первому входу блока вычитания и второму входу блока суммирования, выход второго фотоэлектронного преобразователя подключен к входу второго блока логарифмирования, выход которого параллельно подключен к второму входу блока вычитания и первому входу блока суммирования.

РИСУНКИРисунок 1