Способ динамического обнаружения аварийного электрического разряда и устройство для его осуществления



Способ динамического обнаружения аварийного электрического разряда и устройство для его осуществления
Способ динамического обнаружения аварийного электрического разряда и устройство для его осуществления
Способ динамического обнаружения аварийного электрического разряда и устройство для его осуществления
Способ динамического обнаружения аварийного электрического разряда и устройство для его осуществления
Способ динамического обнаружения аварийного электрического разряда и устройство для его осуществления
Способ динамического обнаружения аварийного электрического разряда и устройство для его осуществления
Способ динамического обнаружения аварийного электрического разряда и устройство для его осуществления
Способ динамического обнаружения аварийного электрического разряда и устройство для его осуществления
Способ динамического обнаружения аварийного электрического разряда и устройство для его осуществления
Способ динамического обнаружения аварийного электрического разряда и устройство для его осуществления

 


Владельцы патента RU 2515996:

Кудрявцев Дмитрий Юрьевич (RU)
Минченко Александр Владимирович (RU)
Козырев Антон Александрович (RU)

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности. Согласно способу зарегистрированный сигнал i(t) тока нагрузки подается на два канала, в каждом из которых проходит три ступени обработки, при этом в первом канале на первой ступени оценивают отклонения сигнала тока от периодической функции, выделяют регулярную компоненту, являющуюся детерминированной частью исходного сигнала, путем усреднения исходного сигнала по малому промежутку времени - более, чем в десять раз меньшим периода анализа Т, и берут ее среднеквадратичное значение, на второй ступени - выделяют высокочастотные составляющие, исключая медленно меняющиеся компоненты сигнала за несколько периодов анализа Т, на третьей сигнал фильтруют для исключения влияния отдельных импульсов большой амплитуды и учитывают историю предыдущих его значений за длительный временной промежуток со снижением вклада каждого значения в результат в зависимости от его давности; во втором канале на первой ступени выделяют иррегулярную компоненту путем вычитания регулярной компоненты из сигнала i(t) и берут ее среднеквадратичное значение; на второй ступени выделяют высокочастотные составляющие, а на третьей сигнал фильтруют, полученные на выходах первого и второго каналов уровни сигнала сравнивают с заданными пороговыми значениями и в случае их превышения формируют команду тревоги, приводящую к обесточиванию контролируемой сети. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к схемам защиты в области электроэнергетики и пожарной безопасности, осуществляющим автоматическое отключение и непосредственно реагирующим на недопустимое отклонение от нормальных электрических рабочих параметров с последующим восстановлением соединения или без такового, а именно, к способам динамического обнаружения аварийного электрического разряда.

В электроустановках и кабельных линиях по причине механических, химических и температурных воздействий образуются повреждения изоляции, которые приводят к нарушению порядка функционирования электрической цепи, изменению соответствующей ей совокупности характеристик и возникновению аварийных режимов работы. Наибольшую сложность в обнаружении представляют аварийные режимы, при которых протекают физические процессы с электрическими разрядами.

Особенностью современных электроустановок является наличие в них устройств с однократными или периодически повторяющимися электрическими разрядами или устройств, в штатном режиме работы генерирующих форму тока, сходную с током разряда. В связи с этим, при разработке способа динамического обнаружения аварийного электрического разряда возникла необходимость его разграничения на два класса - штатный электрический разряд и аварийный электрический разряд.

Под штатным электрическим разрядом (ШЭР) будем понимать разряд любого типа - искровой, дуговой и др., присущий ряду электрических машин и устройств (коллекторные электродвигатели, выключатели, контакторы, реле, сварочные аппараты, газоразрядные лампы и т.д.). К штатному электрическому разряду также можно отнести электрические процессы, протекающие в контролируемой сети, которые обладают рядом характерных признаков - переходные и коммутационные процессы, сопровождающие работу импульсных источников питания и преобразователей напряжения, устройств частотного привода и т.п.

Аварийным электрическим разрядом (АЭР) будем считать разряд любого типа - искровой, дуговой и др., не характерный для электроустановок, машин и устройств, находящихся в исправном состоянии, который может привести к возгоранию или воспламенению изоляционных материалов и окружающих предметов и веществ.

Аварийный электрический разряд, в свою очередь, целесообразно разделить по ряду признаков и особенностей детектирования на три вида: последовательный, параллельный и разряд на землю.

Последовательный аварийный электрический разряд возникает при нарушении надежного электрического контакта в цепи с подключенной нагрузкой. Ток последовательного аварийного электрического разряда ограничивается номинальным током нагрузки.

Параллельный аварийный электрический разряд возникает при дуговом или искровом разрядах между фазными и (или) нейтральным проводниками.

Аварийный электрический разряд на землю является частным случаем параллельного аварийного электрического разряда и возникает при дуговом или искровом разрядах между фазными проводниками и заземленными частями электроустановки (проводник защитного заземления).

При аварийной ситуации первоначально появляются одиночные искровые разряды, характеризующиеся крайне малым временем протекания разрядного тока. Выделяющаяся теплота при достаточной частоте появления искровых разрядов способствует обугливанию изоляционного материала и перетеканию аварийного электрического разряда в следующую, более устойчивую фазу - дуговой разряд. Аналогично процесс развивается при нарушении электрического контакта в клеммниках и других коммутационных изделиях.

Доля пожаров, возникающих из-за ненадежного контакта и повреждений элементов электроустановок, которые не приводят к коротким замыканиями и перегрузкам, достигает 80% [Павлов Д.Д. Исследование и разработка интеллектуального устройства искробезопасности для систем автоматики: дис. канд. техн. наук: 05.13.05 Владимир, 2006 РГБ ОД, 61:06-5/3843, стр.12], поэтому способ защиты от аварийного электрического разряда актуален и его следует применять на электроустановках всех категорий как промышленного, так и бытового назначения.

Существующие способы защиты с помощью автоматических выключателей (АВ) и устройств защитного отключения (УЗО) не позволяют выявить наличие аварийного электрического разряда и произвести своевременное отключение поврежденной части электроустановки, поэтому для значительного повышения уровня безопасности электроустановок возникла необходимость в разработке новых способов защиты.

Известно техническое решение [патент России 2254615 G08B 17/06, G08B 25/10, опубл. 20.06.2005], согласно которому на вводе электрической сети измеряют суммарный электрический ток. Из измеренного суммарного тока путем фильтрации выделяют сигнал, содержащий высшие гармоники, появляющиеся при искрении и горении электрической дуги. Сформированный сигнал усиливают, выпрямляют и накапливают в течение установленного времени. В процессе накопления сравнивают величину суммарного сигнала с заданным уровнем, который выбирается для соответствующей степени пожарной опасности сети. В зависимости от величины накопленного сигнала, соответствующего достигнутому уровню, формируют сигнал предупреждения и (или) команду на отключение электрической сети.

Недостатками данного технического решения является низкая достоверность детектирования электрической дуги при использовании в электрических сетях с изменяющейся нагрузкой и высокой частотой коммутаций, так как в качестве информативного показателя используется ток нагрузки, меняющийся при ее включении и отключении, а также несоответствие заданных пределов степеней пожарной опасности реальным условиям функционирования электроустановок.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является способ [заявка на патент США 2009/0059449 А1, опубл. 05.03.2009], в котором зарегистрированный сигнал тока контролируемой сети подается на два независимых канала; первый канал содержит фильтр высоких частот (ФВЧ), предназначенный для удаления из сигнала основной гармоники сети переменного тока, второй - фильтр низких частот (ФНЧ), служащий для подавления высокочастотных составляющих тока, возникающих, в частности, при искрении. Сигналы тока каждого из каналов после фильтрации оцифровываются и обрабатываются с помощью микропроцессора следующим образом. Сигнал первого канала анализируется для выявления одной или нескольких статистических характеристик. Сигнал второго канала служит для вычисления среднеквадратичного значения тока нагрузки. Статистические характеристики сигнала первого канала сравниваются с определенными диапазонами значений, зависящих от среднеквадратичного значения тока нагрузки. В случае, если значения статистических характеристик попадают в заданные для определенного значения тока нагрузки пределы, значения логического счетчика увеличиваются. При достижении предельного значения формируется сигнал, приводящий к обесточиванию контролируемой сети.

Существенными недостатками данного технического решения являются: возможность ложного срабатывания устройства при нормальном функционировании нагрузок с большими пусковыми токами и высоким уровнем штатных электрических разрядов - коллекторных двигателей и импульсных источников питания, необеспечение пожарной безопасности при наличии аварийного электрического, в том числе дугового, разряда, являющегося одним из видов аварийного электрического разряда малой мощности, зависимость предельного уровня аварийного электрического разряда от тока нагрузки контролируемой сети, приводящая к недопустимому повышению его порогового значения, невозможность устойчивой регистрации кратковременных искровых разрядов.

Задачей предлагаемого способа динамического обнаружения аварийного электрического разряда является обеспечение устойчивого функционирования и отсутствия ложных срабатываний для всех видов нагрузок, в том числе при наличии штатных электрических разрядов и для пусковых токов любого уровня, и обеспечение стабильного и постоянного порогового уровня аварийного электрического разряда, основанного на экспериментальных данных по минимальной энергии разряда, необходимой для возгорания, регистрация как дуговых, так и искровых электрических разрядов.

Задача решается таким образом, что в способе динамического обнаружения аварийного электрического разряда, характеризующемся тем, что зарегистрированный сигнал i(t) тока нагрузки контролируемой сети подается на два канала, в каждом из которых проходит три ступени обработки, при этом в первом канале на первой ступени оценивают отклонения зарегистрированного сигнала тока от периодической функции, выделяют регулярную компоненту, являющуюся детерминированной частью исходного сигнала, путем усреднения исходного сигнала по малому промежутку времени (более, чем в десять раз меньшим периода анализа Т, и берут ее среднеквадратичное значение, на второй ступени для повышения достоверности обнаружения аварийного электрического разряда выделяют высокочастотные составляющие, исключая медленно меняющиеся компоненты сигнала за несколько периодов анализа Т, на третьей ступени сигнал фильтруют для исключения влияния отдельных импульсов большой амплитуды и учитывают историю предыдущих его значений за длительный временной промежуток со снижением вклада каждого значения в результат в зависимости от его давности; во втором канале на первой ступени выделяют иррегулярную компоненту, являющуюся стохастической частью исходного сигнала, путем вычитания регулярной компоненты из зарегистрированного сигнала i(t) и берут ее среднеквадратичное значение; на второй ступени выделяют высокочастотные составляющие, исключая медленно меняющиеся отклонения сигнала за несколько периодов анализа, а на третьей ступени сигнал фильтруют для исключения влияния отдельных импульсов большой амплитуды и учитывают историю предыдущих его значений за длительный временной промежуток, равный трем и более периодам анализа, со снижением вклада каждого значения в результат в зависимости от его давности, затем полученные на выходах первого и второго каналов уровни сигнала сравнивают с заданными пороговыми значениями и, в случае их превышения, формируют команду тревоги, приводящую к обесточиванию контролируемой сети.

По заявляемому способу на первой ступени для определения отклонения зарегистрированного сигнала тока от периодической функции из значений сигнала за текущий период анализа вычитают значения за предыдущий период анализа и рассчитывают среднеквадратичное значение x1(t), являющееся оценкой апериодичности сигнала тока, по формуле:

x 1 ( t ) = 1 2 τ T t T t ( ρ τ ρ + τ ( i ( θ ) i ( θ T ) d θ ) ) 2 d ρ ,

где i(t) - зарегистрированный сигнал тока;

Т - период анализа - фиксированный временной промежуток, для переменного тока и постоянного тока, определяемый временем срабатывания защитных устройств - автоматического выключателя или устройства защитного отключения, установленных совместно и обеспечивающих дополнительную защиту электроустановки;

t - момент поступления зарегистрированного сигнала в каналы для обработки;

τ - радиус малой окрестности t;

ρ- моменты времени, лежащие на отрезке [t-T;t], по которым происходит усреднение;

θ - момент преобразования сигнала.

По заявляемому способу для выделения иррегулярной компоненты на первой ступени из значений зарегистрированного сигнала тока вычитают значения регулярной компоненты, затем вычисляют среднеквадратичное значение x2(t), по формуле:

x 2 ( t ) = 1 T t T t ( i ( ρ ) 1 2 τ ρ τ ρ + τ i ( θ ) d θ ) 2 d ρ .

По заявляемому способу на второй ступени в каждом из каналов для повышения достоверности определения аварийного электрического разряда выделяют высокочастотные составляющие, исключая медленно меняющиеся компоненты сигналов за несколько периодов анализа, и берут их абсолютные значения, рассчитывая по формуле:

y k ( t ) = | x k ( t ) 1 r T t T t x k ( ρ ) d ρ | ; k∈{1,2}

где r - число периодов анализа, по которым происходит усреднение.

k=1 - для первого канала, k=2 - для второго канала.

По способу на третьей ступени сигналы, полученные на выходах второй ступени в каждом из каналов, фильтруют, применяя амплитудные фильтры, и суммируют с отфильтрованными с помощью фильтров низких частот сигналами, полученными за предыдущие периоды анализа, по формуле:

{ z k ( t ) = 0 t z k ( θ ) exp ( a k ( θ t ) ) d θ + 2 e b k y k 2 ( t ) A exp [ b k ( y k ( t ) A ) 2 ] , t 0 z ( t ) = 0, t < 0

k∈{1,2}

где A = 1 τ t τ t y k ( θ ) d θ

ak - параметр успокоения, характеризует степень влияния предыдущих значений на текущее;

bk - параметр подавления, характеризует степень влияния единичных импульсов большой амплитуды;

k=1 - для первого канала, k=2 - для второго канала.

Сущность способа заключается в выделении из зарегистрированного сигнала тока, пропорционального току нагрузки контролируемой сети, двух составляющих - компонент, обладающих различными свойствами и характеристиками и анализе динамики характеристик этих компонент во времени. Одна из компонент, определенная нами как регулярная, является детерминированной составляющей зарегистрированного сигнала. Вторая компонента, определенная как иррегулярная, - стохастическая составляющая зарегистрированного сигнала, представляющая собой случайную или, в случае работы устройств с однократными или периодически повторяющимися электрическими разрядами, псевдослучайную величину.

Предлагаемый способ иллюстрируются фиг.1-2.

На фиг.1 показана структурная схема, поясняющая способ.

На фиг.2 показаны области штатного и аварийного электрического разрядов в соответствии с изменением значений zk.

Сигнал тока нагрузки контролируемой сети, регистрируемый датчиком тока 1, подключенным к одному из ее проводников, подается на два параллельных канала блока обработки, в каждом из которых зарегистрированный сигнал проходит три ступени обработки (X, Y и Z).

В первом канале на первой ступени (ступень Х на фиг.1) выделяют регулярную компоненту из зарегистрированного сигнала следующим образом: проводят исключение периодической составляющей сигнала путем суммирования входного сигнала с инвертированным сигналом предыдущих периодов анализа (линия задержки 2, инвертор 3) и проводят усреднение по малому промежутку времени, предшествующему моменту поступления зарегистрированного сигнала в канал для обработки с помощью элемента усреднения (линии задержки 4 и сумматора-делителя 5), после чего определяют среднеквадратичное значение регулярной компоненты за временной промежуток Г с помощью среднеквадратичного детектора 6.

На второй ступени (ступень Y на фиг.1) полученное среднеквадратичное значение преобразованного сигнала суммируют с инвертированным с помощью инвертора 15 средним арифметическим значений преобразованных сигналов за r предыдущих периодов анализа T, полученным с помощью линии задержки 11 и сумматора-делителя 12.

Таким образом, фактически происходит исключение повторяющихся колебаний значения сигнала, в сети переменного тока соответствующих частоте основной гармоники сети, либо в сети постоянного тока - частоте коммутаций импульсных блоков питания или частотных преобразователей, и выделение для дальнейшей обработки высокочастотных составляющих из сигнала. На заключительном этапе второй ступени берут абсолютное значение сигнала с помощью мостового выпрямителя 7.

Далее сигнал поступает на третью ступень (Z), где его фильтруют с использованием амплитудного фильтра 8, снижающего чувствительность к одиночным импульсам большой амплитуды, значительно превышающей (в 10 и более раз) среднюю амплитуду преобразованного сигнала. После чего сигнал суммируют с накопленными за предыдущее время уровнями выходного сигнала, получаемого на выходе фильтра низких частот, включенного в цепь положительной обратной связи и образованной линией задержки 20 и интегрирующим звеном 19, благодаря чему обеспечивают влияние истории предыдущих значений сигнала на формирование текущего уровня выходного сигнала.

Во втором канале на первой ступени (ступень Х на фиг.1) выделяют иррегулярную компоненту из зарегистрированного сигнала: сигнал суммируют с инвертированным с помощью инвертора 9 сигналом первого канала, благодаря чему осуществляют исключение выделенной регулярной компоненты из исходного сигнала, после чего определяют среднеквадратичное значение иррегулярной компоненты за период Т с помощью среднеквадратичного детектора 10.

На второй ступени (Y) обработка преобразованного сигнала, полученного на предыдущей ступени (ступень X), происходит аналогично обработке на второй ступени для первого канала (используются элементы: линия задержки 13, сумматор-делитель 14, инвертор 16, мостовой выпрямитель 17.

Преобразования на третьей ступени (Z) второго канала аналогично преобразованиям первого канала проводят с использованием амплитудного фильтра 18 и фильтра низких частот в цепи обратной связи, образованной линией задержки 22 и интегрирующим звеном 21.

После прохождения третьей ступени обработки выходные сигналы первого и второго каналов поступают на компараторы 9 и 23 соответственно, с помощью которых уровни сигналов сравниваются с заданными пороговыми сигналами α и β, которые подаются от источников опорных напряжений 25 и 26. Логические сигналы с компараторов подаются на устройство логического умножения И, с выхода последнего дискретный сигнал поступает на устройство управления 24. В случае одновременного превышения обоих пороговых значений устройство управления на основе поступившего на него логического сигнала ИСТИНА формирует команду для отключения контролируемой сети, посылает тревожный сигнал на пульт диспетчера и т.д.

На фиг.2 изображена взаимосвязь пороговых значений α и β с режимами работы контролируемой сети, z1 и z2 - выходные сигналы первого и второго каналов, поступающие на вход компараторов 9 и 23. Рост значений z1 и z2 сигнализирует о переходе режима работы сети из режима без разрядов или с наличием штатного электрического разряда в режим аварийного электрического разряда. Существует переходная область - зона неопределенности, в которой возможно срабатывание устройства в отсутствие явно выраженного аварийного разряда. Однако, такие срабатывания нельзя считать ложными, так как они вызваны режимами, близкими к аварийным (чрезмерный износ щеток коллекторных двигателей, прогорание контактных площадок коммутационных устройств и т.д.)

Данный способ может быть реализован с помощью устройства, прототип которого описан в заявке на патент США 2009/0059449 А1. Прототип по причинам, изложенным ранее при описании известного способа, не обеспечивает необходимой достоверности детектирования аварийного электрического разряда, а устройству присущи ложные срабатывания.

Предлагаемое устройство динамического обнаружения аварийного электрического разряда содержит датчик тока нагрузки контролируемой сети с подключенным к выходу устройством защиты входа, сигнал с которого подают на широкополосный усилитель, с выхода которого он поступает на аналого-цифровой преобразователь, с использованием которого производят дискретное по времени считывание зарегистрированного сигнала i(t) тока нагрузки контролируемой сети, аналого-цифровой преобразователь подключен к функциональному модулю - цифровому логическому устройству, с помощью которого получают М отсчетов im за промежуток времени Tj, далее из полученного набора отсчетов поэлементно вычитают набор отсчетов, полученный за предыдущий промежуток времени Tj-1:

i m ,1 = { i m i m M , m M + 1 i m , m M ,

где im - m-ый элемент набора отчетов, полученного из дискретизированного сигнала тока нагрузки, считанного за временной промежуток Tj;

М - количество отсчетов, получаемых за промежуток времени Tj;

полученные наборы отсчетов усредняют, применяя оператор усреднения

i m ,2 = 1 m max { m S ,1 } + 1 j = max { m S ,1 } m i j ,2 ,

где S - фиксированное количество отсчетов, попадающих в радиус малой окрестности τ;

и вычисляют норму полученного результата по формуле:

x n ,1 = 1 M + 1 j = m M m | i j ,2 | 2 ;

для выделения высокочастотных составляющих к исходному набору отсчетов im применяют оператор усреднения согласно формуле:

i m ,3 = 1 m max { m S ,1 } + 1 j = max { m S ,1 } m i j ,

для повышения достоверности оценки исключают медленно меняющиеся составляющие последовательности отсчетов нескольких периодов анализа: из исходного набора отсчетов im поэлементно вычитают im,3, после чего вычисляют норму полученного набора чисел:

x n ,2 = 1 M + 1 j = m M m | i j i j ,3 | 2 ;

далее из полученных значений xn,1, xn,2 вычитают средние арифметические значения наборов отсчетов xm,k, полученных за последние r промежутков времени Tj, и берут их абсолютные величины:

y n , k = { | x n , k 1 r + 1 m = n r n x m , k | , n r | x n , k | , n < r , k∈{1,2};

затем, применяя к каждой из последовательностей значений yn,1, yn,2 преобразование, эквивалентное двухступенчатой схеме фильтрации, состоящей из нелинейного фильтра подавления изолированных импульсов и линейного фильтра накопления:

z n , k = { m = n p n 1 z m , k exp ( a k ( m n + 1 ) ) + 2 e b k y n , k 2 B exp [ b k ( y n , k B ) 2 ] , n max { p , q } y n , k , n < max { p , q }

k∈{1,2}

получают значения zn,1 и zn,2 и сравнивают их с заданными пороговыми значениями α и β, т.е. проверяют выполнение условия:

(zn,1>α)&(zn,2>β),

в случае выполнения этого условия формируют сигнал для отключения электроустановки, который с выхода блока управления и анализа подают на индикатор, выход которого подключен к реле, приводящее в действие исполнительный механизм, воздействующий на контактную группу, с помощью которого осуществляют обесточивание контролируемой сети.

Устройство конструктивно и функционально может быть объединено с устройством защитного отключения, и (или) с автоматическим выключателем защиты от перегрузок и сверхтоков.

Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами фиг.3-4.

На фиг.3 изображена блок-схема устройства.

На фиг.4 - алгоритм работы функционального модуля устройства.

Устройство (фиг.3) содержит контактную группу 2, блок защиты от волновых перенапряжений 3, датчик тока нагрузки 4, блок питания 7, устройство защиты входа 9, усилитель 11, аналого-цифровой преобразователь 12, функциональный модуль 14, индикатор 13, реле 10, исполнительный механизм 8 и, в случае совмещения с устройством защиты, тепловой и электромагнитный расцепители, и датчик дифференциального тока 6.

Устройство включается в контролируемую сеть последовательно с нагрузками и функционирует следующим образом.

Напряжение сети подают на входные клеммы 1, которое затем поступает на контактную группу 2, используемую для отключения нагрузки в случае аварийной ситуации, блок защиты от волновых перенапряжений 3, препятствующий прохождению кратковременных импульсных перенапряжений в контролируемую электроустановку и на электронную схему устройства, на датчик тока нагрузки 4 и на выходные клеммы 5.

Сигнал с датчика тока нагрузки 4 подают на устройство защиты входа 9, осуществляющее дополнительную защиту электронной схемы устройства при длительной перегрузке (в том случае, если в составе устройства не предусмотрен автоматический выключатель либо при его повреждении). Далее сигнал усиливается с помощью усилителя 11 и подается на аналого-цифровой преобразователь 12 для оцифровки и дальнейшей обработки с помощью функционального модуля 14.

Функциональный модуль 14 содержит микроконтроллер или иное цифровое логическое устройство с дополнительными элементами, обеспечивающими требуемый режим работы. С его помощью осуществляют сбор, хранение и обработку оцифрованных данных сигнала тока, поступившего с датчика, формирование сигнала на индикатор 13 и команды на реле 10 для приведения в действие исполнительного механизма 8 с целью размыкания контактной группы 2 и обесточивания контролируемой сети при возникновении аварийной ситуации.

Функциональный модуль 14 обрабатывает поступающие сигналы и выдает информационные сообщения или формирует команду на отключение контролируемой сети согласно алгоритму, представленному на фиг.4.

В результате внедрения данного изобретения значительно повышается достоверность определения аварийного электрического разряда, исключаются ложные срабатывания при одновременной работе нагрузок различных видов (чисто активные, индуктивные, емкостные и смешанные). Отдельно следует указать на высокое быстродействие устройства и устойчивую регистрацию аварийной ситуации до зажигания стабильной электрической дуги, приводящей к пожару. Данное изобретение может применяться в сетях как переменного, так и постоянного тока.

Таким образом, внедрение предлагаемого способа и устройства динамического обнаружения аварийного электрического разряда обеспечивает предупреждение пожара при неисправности в электрической сети, повышает степень защиты людей, жилых, производственных и др. объектов от поражающего действия пожаров.

1. Способ динамического обнаружения аварийного электрического разряда, характеризующийся тем, что зарегистрированный сигнал i(t) тока нагрузки контролируемой сети подается на два канала, в каждом из которых проходит три ступени обработки, при этом: в первом канале на первой ступени оценивают отклонения зарегистрированного сигнала тока от периодической функции, выделяют регулярную компоненту, являющуюся детерминированной частью исходного сигнала, путем усреднения исходного сигнала по малому промежутку времени - более, чем в десять раз меньшим периода анализа Т, и берут ее среднеквадратичное значение; на второй ступени для повышения достоверности обнаружения аварийного электрического разряда выделяют высокочастотные составляющие, исключая медленно меняющиеся компоненты сигнала за несколько периодов анализа T; на третьей ступени сигнал фильтруют для исключения влияния отдельных импульсов большой амплитуды и учитывают историю предыдущих его значений за длительный временной промежуток со снижением вклада каждого значения в результат в зависимости от его давности; во втором канале на первой ступени выделяют иррегулярную компоненту, являющуюся стохастической частью исходного сигнала, путем вычитания регулярной компоненты из зарегистрированного сигнала i(t) и берут ее среднеквадратичное значение; на второй ступени выделяют высокочастотные составляющие, исключая медленно меняющиеся отклонения сигнала за несколько периодов анализа; на третьей степени сигнал фильтруют для исключения влияния отдельных импульсов большой амплитуды и учитывают историю предыдущих его значений за длительный временной промежуток со снижением вклада каждого значения в результат в зависимости от его давности, затем полученные на выходах первого и второго каналов уровни сигнала сравнивают с заданными пороговыми значениями и в случае их превышения формируют команду тревоги, приводящую к обесточиванию контролируемой сети.

2. Способ динамического обнаружения аварийного электрического разряда по п.1, при котором на первой ступени для определения отклонения зарегистрированного сигнала тока от периодической функции из значений сигнала за текущий период анализа вычитают значения за предыдущий период анализа и рассчитывают среднеквадратичное значение x1(t), являющееся оценкой апериодичности сигнала тока, по формуле:
x 1 ( t ) = 1 2 τ T t T t ( ρ τ ρ + τ ( i ( θ ) i ( θ T ) d θ ) ) 2 d ρ ,
где i(t) - зарегистрированный сигнал тока;
Т - период анализа - фиксированный временной промежуток для переменного тока и постоянного тока, определяемый временем срабатывания защитных устройств: автоматического выключателя или устройства защитного отключения, установленных совместно и обеспечивающих дополнительную защиту электроустановки;
t - момент поступления зарегистрированного сигнала в каналы для обработки;
τ - радиус малой окрестности t;
ρ - моменты времени, лежащие на отрезке [t-T; t], по которым происходит усреднение;
θ - момент преобразования сигнала.

3. Способ динамического обнаружения аварийного электрического разряда по п.1, при котором для выделения иррегулярной компоненты на первой ступени из значений зарегистрированного сигнала тока вычитают значения регулярной компоненты, затем вычисляют среднеквадратичное значение x2(t), по формуле:
x 2 ( t ) = 1 T t T t ( i ( ρ ) 1 2 τ ρ τ ρ + τ i ( θ ) d θ ) 2 d ρ

4. В способе динамического обнаружения аварийного электрического разряда по п.1 на второй ступени в каждом из каналов для повышения достоверности определения аварийного электрического разряда выделяют высокочастотные составляющие, исключая медленно меняющиеся компоненты сигналов за несколько периодов анализа, и берут их абсолютные значения, рассчитывая по формуле:
y k ( t ) = | x k ( t ) 1 r T t T t x k ( ρ ) d ρ | ; k∈{1,2},
где r - число периодов анализа, по которым происходит усреднение;
k=1 - для первого канала, k=2 - для второго канала.

5. В способе динамического обнаружения аварийного электрического разряда по п.1 на третьей ступени сигналы, полученные на выходах второй ступени в каждом из каналов, фильтруют, применяя амплитудные фильтры, и суммируют с отфильтрованными с помощью фильтров низких частот сигналами, полученными за предыдущие периоды анализа, по формуле:
{ z k ( t ) = 0 t z k ( θ ) exp ( a k ( θ t ) ) d θ + 2 e b k y k 2 ( t ) A exp [ b k ( y k ( t ) A ) 2 ] , t 0 z ( t ) = 0, t < 0
, k∈{1,2},
где A = 1 τ t τ t y k ( θ ) d θ ;
ak - параметр успокоения, характеризует степень влияния предыдущих значений на текущее;
bk - параметр подавления, характеризует степень влияния единичных импульсов большой амплитуды;
k=1 - для первого канала, k=2 - для второго канала.

6. Устройство динамического обнаружения аварийного электрического разряда, содержащее датчик тока нагрузки контролируемой сети с подключенным к выходу устройством защиты входа, сигнал с которого подают на широкополосный усилитель, с выхода которого он поступает на аналого-цифровой преобразователь, с использованием которого производят дискретное по времени считывание зарегистрированного сигнала i(t) тока нагрузки контролируемой сети, аналого-цифровой преобразователь подключен к функциональному модулю - цифровому логическому устройству, с помощью которого получают М отсчетов im за промежуток времени Tj, далее из полученного набора отсчетов поэлементно вычитают набор отсчетов, полученный за предыдущий промежуток времени Tj-1:
i m ,1 = { i m i m M , m M + 1 i m , m M ,
где im - m-ый элемент набора отчетов, полученного из дискретизированного сигнала тока нагрузки, считанного за временной промежуток Tj;
М - количество отсчетов, получаемых за промежуток времени Tj;
полученные наборы отсчетов усредняют, применяя оператор усреднения
i m ,2 = 1 m max { m S ,1 } + 1 j = max { m S ,1 } m i j ,2 ,
где S - фиксированное количество отсчетов, попадающих в радиус малой окрестности τ;
и вычисляют норму полученного результата по формуле:
x n ,1 = 1 M + 1 j = m M m | i j ,2 | 2 ;
для выделения высокочастотных составляющих к исходному набору отсчетов im применяют оператор усреднения согласно формуле:
i m ,3 = 1 m max { m S ,1 } + 1 j = max { m S ,1 } m i j ,
для повышения достоверности оценки исключают медленно меняющиеся составляющие последовательности отсчетов нескольких периодов анализа: из исходного набора отсчетов im поэлементно вычитают im,3, после чего вычисляют норму полученного набора чисел:
x n ,2 = 1 M + 1 j = m M m | i j i j ,3 | 2 ;
далее из полученных значений xn,1, xn,2 вычитают средние арифметические значения наборов отсчетов xm,k, полученных за последние r промежутков времени Tj, и берут их абсолютные величины:
y n , k = { | x n , k 1 r + 1 m = n r n x m , k | , n r | x n , k | , n < r , k∈{1,2};
затем, применяя к каждой из последовательностей значений yn,1, yn,2 преобразование, эквивалентное двухступенчатой схеме фильтрации, состоящей из нелинейного фильтра подавления изолированных импульсов и линейного фильтра накопления:
z n , k = { m = n p n 1 z m , k exp ( a k ( m n + 1 ) ) + 2 e b k y n , k 2 B exp [ b k ( y n , k B ) 2 ] , n max { p , q } y n , k , n < max { p , q }
k∈{1,2};
где B = 1 q m = n q n 1 y m , k ;
получают значения zn,1 и zn,2 и сравнивают их с заданными пороговыми значениями α и β, т.е. проверяют выполнение условия:
(zn,1>α)&(zn,2>β),
в случае выполнения этого условия формируют сигнал для отключения электроустановки, который с выхода блока управления и анализа подают на индикатор, выход которого подключен к реле, приводящее в действие исполнительный механизм, воздействующий на контактную группу, с помощью которого осуществляют обесточивание контролируемой сети.

7. Устройство динамического обнаружения аварийного электрического разряда по п.6 конструктивно и функционально может быть объединено с устройством защитного отключения.

8. Устройство динамического обнаружения аварийного электрического разряда по п.6 конструктивно и функционально может быть объединено с автоматическим выключателем защиты от перегрузок и сверхтоков.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнической промышленности, в частности к электрическим схемам, и может быть использовано в составе схемы включения и аварийной блокировки металлорежущих станков, в том числе зубообрабатывающих станков с числовым программным управлением (ЧПУ).

Изобретение относится к электротехнике и, в частности, к устройствам контроля изоляции и защитного отключения шахтных электрических сетей. Технический результат заключается в повышении надежности устройства защитного отключения.

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в повышении надежности.

Изобретение относится к электронной технике СВЧ. Достигаемый технический результат - расширение рабочей полосы частот и снижение прямых потерь СВЧ при сохранении допустимой входной мощности.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат заключается в обеспечении дифференциально-фазной высокочастотной защиты линии электропередачи напряжением 110-220 кВ с двухсторонним питанием в сочетании с дальним резервированием релейных защит и коммутационных аппаратов подстанций, подключенных к ответвлениям от указанной линии.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение точности и надежности срабатывания защиты.

Изобретение относится к области электротехники, и в частности к устройствам релейной защиты и противоаварийной автоматики энергетических сетей с возможностью автоматизированного управления.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам релейной защиты и противоаварийной автоматики энергетических сетей с возможностью автоматизированного управления.

Изобретение может быть использовано для релейной защиты линий электропередачи распределительных сетей напряжением 6-35 кВ. Технический результат заключается в повышении надежности работы устройства при неисправности цепей напряжения нулевой последовательности или при отсутствии в распределительном пункте или на трансформаторной подстанции трансформаторов напряжения, с помощью которых возможна организация цепей напряжения нулевой последовательности. Для этого заявленное устройство содержит орган направления мощности, состоящий из согласующих преобразователей тока и напряжения трансформаторного типа, двух частотных фильтров, двух фильтров аварийных составляющих, схемы сравнения знаков тока и напряжения, двух одновибраторов, двух элементов запрета, и пусковой орган, состоящий из фильтра выделения промышленной частоты, элемента запрета, реле напряжения, а также элемент И, элемент времени и два выходных реле, и введены элемент запрета, фильтр выделения промышленной частоты, два пороговых органа, два элемента времени и два выходных реле. 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для защиты электрической сети энергоснабжения. Технический результат - повышение надежности и избирательности решений о рабочих состояниях параллельных линий многофазной электрической сети энергоснабжения. При защите параллельных линий электрической сети энергоснабжения первый защитный прибор (13а) соединен с первой линией (11а) сети энергоснабжения для регистрации измеренных значений, характеризующих рабочее состояние первой линии (11а). Первый защитный прибор (13а) через коммуникационное соединение (15) соединен с расположенным по соседству вторым защитным прибором (13b). Для того чтобы повысить надежность и избирательность при контроле параллельных линий, предложен способ, при котором второй защитный прибор (13b) соединен с проходящей параллельно первой линии (11а) второй линией (11b) сети энергоснабжения. Оба защитных прибора (13а, 13b) обмениваются измеренными значениями, зарегистрированными ими относительно соответствующей им линии (11а, 11b), и/или выведенными из этих измеренных значений сигналами. Каждый защитный прибор (13а, 13b) выполнен с возможностью выполнения защитной функции для своей соответствующей линии (11а, 11b) при выполнении главного алгоритма (25) защит. Каждый защитный прибор для выполнения своего главного алгоритма (25) защиты привлекает зарегистрированные на собственной линии (11а) измеренные значения, а также принятые от другого защитного прибора (13b) измеренные значения и/или сигналы. 3 н.п. и 20 з.п. ф-лы, 11 ил.

Использование: в области электротехники. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Устройство содержит входные и выходные шины и коммутационные элементы, которые выполнены в виде группы первичных, по числу каналов генерирования электроэнергии, обеспечивающие подключение их к шине питания согласно заданным условиям, и в виде группы вторичных по числу нагрузок, обеспечивающие их присоединение к шине питания в соответствии с информацией о порядке подключения, реализуемым во введенном устройстве управления, которое связано с помощью мультиплексной информационной шины со всеми коммутационными элементами, при этом коммутационный элемент на базе полупроводникового электронного ключа содержит датчики тока и напряжения, датчики параметров внешней среды, подключенные к микроконтроллеру, взаимодействующему через информационную мультиплексную шину с устройством управления, что позволяет выполнять диагностику и коммутацию каналов генерирования и потребления электроэнергии в соответствии с информацией о контрольных значениях токов, напряжений и параметров (например, температуры электронного ключа) внешней среды, хранящейся в памяти микроконтроллера. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к технике релейной защиты, и может быть использовано для защиты электродвигателей. Технический результат - повышение чувствительности к токам двухфазных коротких замыканий. Способ защиты электродвигателей от коротких замыканий заключается в том, что измеряют токи в каждой фазе со стороны выводов выключателя электродвигателя и его нулевых выводов, сравнивают по величине токи между каждыми двумя фазами как со стороны выводов выключателя, так и со стороны нулевых выводов электродвигателя, и если со стороны выводов выключателя ток в одной из фаз меньше токов в двух других фазах по абсолютной величине в n раз, где n>1, а со стороны нулевых выводов ток в этой же фазе больше токов в двух других в m раз, где m>1, то подают сигнал на отключение выключателя электродвигателя. 3 ил.

Использование: в области электротехники. Технический результат - уменьшение энергопотребления. Схема энергоснабжения, соединенная сетевой линией с положительным потенциалом и GND-потенциалом блока питания, содержит катушку, подключенную первым выводом к положительному потенциалу, и вторым выводом - к GND-потенциалу, полупроводниковый переключатель, включенный между катушкой и GND-потенциалом, полупроводниковый переключатель, включенный между положительным потенциалом и катушкой, диод, включенный между вторым выводом катушки и положительным потенциалом в прямом направлении, и диод, включенный между GND-потенциалом и первым выводом катушки в прямом направлении. Аккумулятор, заряжаемый энергией сетевого блока питания по меньшей мере в одной фазе технологического процесса, имеет возможность зарядки накопленной в катушке энергией по меньшей мере в одной из фаз технологического процесса с последующим снабжением данной рекуперированной энергией катушки. Микроконтроллер активирует полупроводниковые переключатели в зависимости от параметров отслеженного детектирующей схемой сигнала, при достижении током на катушке порогового значения выключает полупроводниковые переключатели, что приводит к протеканию тока по рекуперирующему контуру, а при снижении тока до минимально допустимого, включает их, что приводит к использованию катушкой рекуперированной энергии. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано для защиты приемников электрической энергии от аварийных значений напряжений в электрических сетях. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости устройства к сетевым импульсным помехам и гибкости его функционирования, сокращении времени и упрощении процедуры задания верхнего и нижнего порогов срабатывания устройства. Для этого заявленное устройство по напряжению содержит электрически связанные выпрямитель напряжения сети, делитель напряжения, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, электронный цифровой коммутатор, узел индикации, узел коммутации. В качестве выпрямителя напряжения сети используется двухполупериодный выпрямитель напряжения электрической сети, в качестве аналого-цифрового преобразователя используется аналого-цифровой преобразователь, встроенный в микропроцессор. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к схемам защиты трехфазных электрических линий, машин и приборов, в частности к схемам защиты, реагирующим на разность токов. Оно предназначено для защиты синхронных генераторов компенсаторов, а также синхронных и асинхронных двигателей. В устройство дополнительно введены второй четырехфазный мостовой выпрямитель, выходные зажимы которого являются вторыми выходными зажимами устройства, и три третьих дифференцирующих индукционных преобразователя тока, причем начала вторых обмоток тока подключены к общему нулевому зажиму защищаемой электрической машины, а концы этих обмоток тока соединены с концами соответствующих фазных обмоток этой машины, начала которых подключены к концам соответствующих третьих обмоток тока, начала которых непосредственно подключены к концам соответствующих по фазе токопроводящих жил линии для присоединения защищаемой машины к ее выключателю, при этом входные зажимы второго выпрямителя подключены по одному к общему нулевому зажиму устройства и началам третьих катушек всех групп, концы которых подключены к упомянутым соединительным узлам соответствующей фазы устройства. Технический результат: защита от внутренних коротких замыканий на двух участках зоны защиты: первый участок - сама электрическая машина, второй участок - выключатель, подключающий ее к электроэнергетической системе, и линия для присоединения защищаемой машины к этому выключателю, а также получение информации о том, на каком из двух участках зоны защиты произошло внутреннее короткое замыкание, одновременно с моментом срабатывания устройства продольной дифференциальной токовой защиты электрической машины. 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться для преобразования постоянного тока в переменный. Достигаемый технический результат - повышение надежности. Реверсивный вентильный преобразователь содержит два разнонаправленных источника постоянного тока, объединенных одними выводами, предназначенными для подключения к нагрузке, снабжен устройством защитного отключения (УЗО), первый контактный вывод в положении первого прохода подключен к второму выводу первого источника, а первый контактный вывод в положении второго прохода УЗО предназначен для подключения ко второму выводу нагрузки, при этом катушечные выводы УЗО объединены, а средняя точка УЗО, образованная соединением контакта и обмотки, соединена со вторым выводом нагрузки. 1 ил.

Использование: в области электротехники и электроэнергетики. Технический результат - повышение точности компенсации емкостных токов при однофазных замыканиях на землю и расширение диапазона изменения параметров устройства. Устройство содержит три обмотки, каждая из которых размещена на отдельном стержне из магнитного материала, соединенные по схеме «звезда» или «зигзаг», входы которых соединены каждый с соответствующим своим фазным проводником электрической сети, а нейтральная точка соединена со входом четвертой обмотки с переменной индуктивностью, размещенной на четвертом стержне из магнитного материала с воздушными зазорами. Выход четвертой обмотки соединен с землей, все четыре стержня соединены ярмами с одной и с другой стороны. Ярма, соединяющие стержни первых трех обмоток состыкованы в виде двух симметричных трехлучевых звезд под углом 120 градусов относительно друг друга, и четвертый стержень соединяет места стыковки ярм. Параллельно четвертой катушке подключено переменное активно-реактивное (индуктивное или емкостное) сопротивление. Четвертая катушка выполнена с отводами, а переменное активно-реактивное сопротивление через коммутационный аппарат подключается параллельно части витков четвертой катушки. На четвертом стержне размещена дополнительная пятая катушка и к выводам этой катушки параллельно с ней включено второе переменное активно-реактивное сопротивление. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Устройство для защиты конденсаторной батареи с заземленной нейтралью от внутренних повреждений содержит микропроцессорное устройство, обрабатывающее цифровые значения токов небаланса, токов, измеренных на вводе в батарею конденсаторов, напряжений, измеренных на шинах подстанции. Микропроцессор осуществляет расчет действующих значений ортогональных составляющих фазных токов и напряжений, расчет тока компенсации и расчет тока нулевой последовательности. Сравнивая токи с учетом заданной характеристики торможения, микропроцессор формирует признак срабатывания защиты. Включение и отключение признака срабатывания производится с учетом заданного коэффициента возврата. Также микропроцессор формирует по отдельному алгоритму признак неисправности вторичных контрольных цепей напряжения и блокирует включение признака срабатывания при наличии положительного признака неисправности вторичных контрольных цепей напряжения. Микропроцессор выявляет режимы, в которых возможно перегорание предохранителей секций, осуществляет расчет относительного значения тока небаланса, приращения относительного тока небаланса, суммарного тока небаланса по диагоналям с конденсаторами. Сравнивая значение суммарного тока небаланса с уставкой, микропроцессор формирует сигнал о наличии конденсаторов с перегоревшими секциями. 5 ил., 2 табл.
Наверх