Волоконно-оптическое устройство дуговой защиты с определением местоположения электрической дуги

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для защиты от электрической дуги короткого замыкания в электрооборудовании, в частности в комплектных распределительных устройствах (КРУ) 0,4-40 кВ. Техническим результат - упрощение конструкции устройства дуговой защиты за счет сокращения числа световодов, контролирующих светоизолированные отсеки КРУ. Технический результат достигается тем, что волоконно-оптическое устройство дуговой защиты с определением местоположения электрической дуги, содержащее волоконные световоды, каждый из которых одним концом подключен через источник излучения к соответствующему выходу микроконтроллера, а другим концом через фотоэлектронный преобразователь - к соответствующему входу микроконтроллера, все световоды проходят через одни и те же светоизолированные отсеки, каждый световод разбит вдоль своей длины на чередующиеся участки, пропускающие или непропускающие свет через его боковую поверхность таким образом, что в одном отсеке каждый световод имеет только пропускающий или только непропускающий участок, а пропускающие или непропускающие участки разных световодов в одном отсеке образуют двоичный код, соответствующий номеру отсека, при этом число световодов N для контроля Q отсеков выбирается из условия:N≥log₂(Q+1). 2 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для защиты от электрической дуги короткого замыкания в электрооборудовании, в частности в комплектных распределительных устройствах (КРУ) 0,4-40 кВ.

Устройство дуговой защиты должно контролировать несколько светоизолированных отсеков шкафов КРУ на факт возникновения дуги, определять номер отсека, где возникла электрическая дуга, и в соответствии с этим номером выдавать информацию в систему релейной защиты и автоматики для своевременного отключения аварийного отсека от цепи высоковольтного питания. Также устройство должно иметь функцию самоконтроля и высокое быстродействие, не иметь гальванической связи с высоковольтными цепями защищаемого КРУ, не реагировать на электромагнитные помехи, допускать многократность срабатывания.

Известно устройство дуговой защиты [1], содержащее волоконный световод, один конец которого подсоединен через источник излучения к выходу микроконтроллера, а второй через фотоэлектронный преобразователь - к входу микроконтроллера, причем световод имеет прозрачную оболочку боковой поверхности. Световод прокладывается в местах наиболее эффективной регистрации возможных дуговых разрядов внутри светоизолированных отсеков шкафов КРУ. Волоконный световод через боковую поверхность воспринимает оптическое излучение дуги и передает его на фотоэлектронный преобразователь, который преобразует его в аналогичный электрический сигнал. Этот сигнал поступает в микроконтроллер. При превышении амплитудой сигнала заданного уровня микроконтроллер выдает сигнал в систему релейной защиты и автоматики информацию о возникновении дуги в контролируемых отсеках КРУ.

Для целей самоконтроля (проверки целостности световода и работоспособности фотоэлектронного преобразователя) периодически через заданный интервал времени микроконтроллер выдает на источник излучения сигнал, по которому источник излучения просвечивает волоконный световод. На фотоэлектронном преобразователе просвечивающее излучение преобразуется в электрический аналог, амплитуда которого сравнивается с заданным уровнем в микроконтроллере. При превышении этого уровня устройство считается исправным, в противном случае устройство считается неисправным, и в релейную систему защиты и автоматики микроконтроллер передает информацию об отказе.

Использование волоконного световода позволяет одним устройством контролировать несколько светоизолированных отсеков шкафов КРУ. За счет периодического просвечивания световода устройство реализует функцию самоконтроля. Применение оптического метода регистрации дает возможность обеспечить высокое быстродействие. Так как в качестве чувствительного элемента используется волоконный световод, изготовленный из диэлектрических материалов, то на него не влияют электромагнитные помехи, и он позволяет обеспечить гальваническую развязку электронной части устройства дуговой защиты от высоковольтных цепей отсеков КРУ, через которые он проложен. Световод можно располагать на значительном расстоянии от места возникновения дуги, что позволяет исключить его разрушение. Это обеспечивает возможность многократного срабатывания устройства без замены его составных частей.

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности определения аварийного отсека КРУ, в котором возникла электрическая дуга.

Наиболее близким к заявляемому (прототипом) является устройство дуговой защиты [2], содержащее волоконные световоды, один конец каждого из которых подсоединен через свой источник излучения к выходу микроконтроллера, а второй через свой фотоэлектронный преобразователь - к соответствующему входу микроконтроллера, причем каждый световод имеет разрыв, делящий его на два колена. В месте разрыва оба колена оптически подключены к широкоапертурной линзе. Линза устанавливается в светоизолированном отсеке шкафа КРУ таким образом, чтобы на нее попадал свет от электрической дуги в случае ее возникновения. Этот свет по одному из колен световода попадает в фотоэлектронный преобразователь, где преобразуется в электрический аналог, амплитуда которого сравнивается с заданным уровнем в микроконтроллере. При превышении порогового уровня микроконтроллер формирует сигнал о возникновении дуги в контролируемых отсеках КРУ для системы релейной защиты и автоматики с указанием номера отсека, где произошла дуга.

Самоконтроль устройства осуществляется периодически через заданный интервал времени. Микроконтроллер выдает на источник излучения сигнал, по которому источник излучения посылает оптический сигнал в одно из колен световода. Этот сигнал доходит до места разрыва световода, где отражается от линзы и по другому колену поступает на фотоэлектронный преобразователь, где преобразуется в электрический аналог, амплитуда которого сравнивается с заданным уровнем в микроконтроллере. При превышении этого уровня устройство считается исправным, в противном случае в устройство считается неисправным, и в релейную систему защиты и автоматики микроконтроллер передает информацию об отказе.

Недостатком устройства является использование большого количества световодов из-за необходимости протягивать собственный световод в каждый контролируемый отсек КРУ.

Техническим результатом является упрощение конструкции устройства дуговой защиты за счет сокращения числа световодов, контролирующих светоизолированные отсеки КРУ.

Технический результат достигается тем, что волоконно-оптическое устройство дуговой защиты с определением местоположения электрической дуги, содержащее волоконные световоды, каждый из которых одним концом подключен через источник излучения к соответствующему выходу микроконтроллера, а другим концом через фотоэлектронный преобразователь - к соответствующему входу микроконтроллера, все световоды проходят через одни и те же светоизолированные отсеки, каждый световод разбит вдоль своей длины на чередующиеся участки, пропускающие или непропускающие свет через его боковую поверхность таким образом, что в одном отсеке каждый световод имеет только пропускающий или только непропускающий участок, а пропускающие или непропускающие участки разных световодов в одном отсеке образуют двоичный код, соответствующий номеру отсека, при этом число световодов N для контроля Q отсеков выбирается из условия: N≥log₂(Q+1).

На Фиг.1 приведено функциональная схема устройства дуговой защиты.

Принятые обозначения:

1₁, …, 1_N - волоконные световоды с открытыми и закрытыми участками;

2₁, …, 2_N - источники излучения;

3₁, …, 3_N - фотоэлектронные преобразователи;

4 - микроконтроллер.

На Фиг.2 приведен пример расположения открытых и закрытых участков для трех световодов 1₁, 1₂, 1₃ (N=3), контролирующих семь отсеков, Q=7.

Устройство дуговой защиты состоит из волоконных световодов 1₁, …, 1_N, с чередующимися участками, пропускающими и непропускающими свет через боковую поверхность, каждый участок соответствует своему светоизолированному отсеку КРУ, как показано на Фиг.2. Пропускающие и непропускающие участки образуют двоичный код, в котором единице «1» соответствует открытый участок световода, а нулю «0» - закрытый. Каждый световод 1₁, …, 1_N одним концом подключен к источнику излучения 2₁, …, 2_N, a другим концом подключен к фотоэлектронному преобразователю 3₁, …, 3_N. Входы источников излучения 2₁, …, 2_N подключены, каждый, к своему выходу микроконтроллера 4. Выходы фотоэлектронных преобразователей 3₁, …, 3_N подключены, каждый, к своему входу микроконтроллера 4.

Волоконные световоды 1₁, …, 1_N прокладывается через Q светонепроницаемых отсеков шкафов КРУ таким образом, чтобы свет от возможной дуги мог попасть на их боковую поверхность.

Число световодов N выбирается равным числу разрядов двоичного кода, который образуют эти световоды, таким образом, чтобы минимальное значение этого кода равнялось единице, а максимальное значение было бы не меньше числа контролируемых отсеков Q. Это условие можно записать в виде формулы: $$N\ge {\log }_2\left(Q+1\right).\left(1\right)$$

Например, для того чтобы обеспечить защиту Q=7 отсеков КРУ, необходимо использовать в соответствии с формулой (1) N=3 световодов. Чередующиеся участки боковой поверхности световодов, пропускающие и непропускающие свет, могут иметь конфигурацию, как показано на Фиг.2. Пусть пропускающий участок соответствует логической 1, а непропускающий - логическому 0. Тогда если дуга произойдет в 1 отсеке, двоичный код с выходов световодов будет 001, что равно номеру отсека 1, если дуга произойдет в 2 отсеке, то - 010, что соответствует номеру отсека 2, если дуга произойдет в 3 отсеке, то -011, что соответствует номеру отсека 3, если дуга произойдет в 4 отсеке, то - 100, что соответствует номеру отсека 4, если дуга произойдет в 5 отсеке, то - 101, что соответствует номеру отсека 5, если дуга произойдет в 6 отсеке, то - 110, что соответствует номеру отсека 6, если дуга произойдет в 7 отсеке, то - 111, что соответствует номеру отсека 7.

Устройство работает следующим образом.

В отсутствие электрической дуги периодически с заданным интервалом времени микроконтроллер 4 формирует на своих выходах сигналы, которые поступают на входы источников излучения 2₁, …, 2_N. Эти источники излучения формируют на своих выходах оптические сигналы, которые через соответствующие им световоды поступают на вход фотоэлектронных преобразователей 3₁, …, 3_N, где преобразуются в электрические аналоги. Эти аналоги поступают на соответствующие входы микроконтроллера 4, где сравниваются с заданным уровнем. Если уровень сигналов превышен, то микроконтроллер выдает в систему релейной защиты и автоматики информацию об исправности устройства. Если амплитуда сигнала ниже порогового уровня, то микроконтроллер выдает в систему релейной защиты и автоматики информацию об неисправности устройства.

При возникновении электрической дуги в одном из контролируемых отсеков шкафов КРУ свет от дуги попадает на участки световодов 1₁, …, 1_N. В тех световодах, участки которых открыты для света, формируется оптический сигнал, поступающий по тому же самому световоду на соответствующий ему фотоэлектронный преобразователь. В остальных световодах с закрытыми участками оптический сигнал не образуется. Фотоэлектронные преобразователи 3₁, …, 3_N преобразуют оптические сигналы в электрические аналоги, которые поступают на микроконтроллер 4, где производится их сравнение с заданным уровнем. При превышении уровня микроконтроллер 4 формирует информационный сигнал о возникновении дуги с указанием отсека, где дуга произошла, и выдает его в систему релейной защиты и автоматики для отключения аварийных высоковольтных цепей.

В качестве волоконных световодов 1₁, …, 1_N можно использовать полимерное оптическое волокно с защитной оболочкой из прозрачного поливинилхлорида. Закрытые участки могут быть изготовлены из черных поливинилхлоридных трубок, надетых на световод.

В качестве источника излучения 2₁, …, 2_N можно использовать светодиоды L10762, фирмы «HAMAMATSU».

В качестве фотоэлектронных преобразователей 3₁, …, 3_N можно использовать фотодиоды S1223 фирмы «HAMAMATSU».

В качестве микропроцессорного блока 4 можно использовать микроконтроллер ADUC812 фирмы «ANALOG DEVICE».

Максимальное число отсеков Q_max в шкафах КРУ, которые могут контролироваться N световодами заявляемого устройства, может быть найдено по формуле: Q=2^N-l.

Для контроля 31 отсеков шкафов КРУ (обычное число отсеков в одной секции шкафов КРУ на подстанции) в прототипе необходимо использовать 31 световодов, а в заявляемом устройстве всего 5 световодов, что в 6 раз меньше.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет существенно сократить число световодов, необходимых для контроля шкафов КРУ, и тем самым упростить конструкцию устройства дуговой защиты.

Источники информации

1. Ян Кульчинский. АББ представляет модульную дуговую защиту REA // Новости электротехники, №4, 2005.

2. Григорьев В.А., Милохин В.Е., Палей Э.Л. Волоконно-оптическая дуговая защита ячеек КРУ 6-10 кВ // Энергетик. - 2002. - №2. - С.23-24 (прототип).

Волоконно-оптическое устройство дуговой защиты с определением местоположения электрической дуги, содержащее волоконные световоды, каждый из которых одним концом подключен через источник излучения к соответствующему выходу микроконтроллера, а другим концом через фотоэлектронный преобразователь - к соответствующему входу микроконтроллера, информационный выход микроконтроллера подключен к входу системы релейной защиты и автоматики, выполненной с возможностью отключения отсека, в котором возникла электрическая дуга, отличающееся тем, что все световоды проходят через одни и те же светоизолированные отсеки, каждый световод разбит вдоль своей длины на чередующиеся участки, пропускающие или непропускающие свет через его боковую поверхность таким образом, что в одном отсеке каждый световод имеет только пропускающий или только непропускающий участок, а пропускающие или непропускающие участки разных световодов в одном отсеке образуют двоичный код, соответствующий номеру отсека, при этом число световодов N для контроля Q отсеков выбирается из условия:N≥log₂(Q+1).