Датчик электрической дуги

Полезная модель относится к области электроэнергетики, а именно к датчикам электрической дуги, входящим в состав устройств дуговой защиты высоковольтных переключателей и комплектных распределительных устройств (КРУ) от дуговых замыканий.
Датчик электрической дуги предназначен для обнаружения факта возникновения электрической дуги и выработки оперативного выходного сигнала на размыкание контролируемой датчиком токоведущей силовой цепи, на которой возникла электрическая дуга.
Известны датчики электрической дуги, реагирующие на возрастание давления воздуха внутри шкафа КРУ в момент возникновения дуги, например датчик, описанный в SU 1631655. Возрастание давления в указанном датчике приводит к механическому перемещению специальной заслонки, замыкающей контакты датчика, что обуславливает выработку его выходного сигнала, по которому происходит отключение контролируемой силовой цепи.
Известны датчики электрической дуги, реагирующие на резкое возрастание тока в контролируемой высоковольтной цепи в момент возникновения дуги, например датчик, описанный в RU 2513032. С помощью указанного датчика измеряются токи в фазах кабеля ячейки КРУ, которые сравниваются с первой эталонной величиной. Если эти токи хотя бы в одной из фаз больше первой эталонной величины, датчик вырабатывает выходной сигнал, управляющий отключением выключателя контролируемого кабеля. Дополнительно измеряются токи нулевой последовательности вблизи выводов выключателя и вблизи кабельной воронки со стороны кабеля и вычисляется разность между ними, которая сравнивается со второй эталонной величиной. Если эта разность больше второй эталонной величины, датчик также вырабатывает выходной сигнал на отключение выключателя кабеля.
Известен целый ряд оптических датчиков электрической дуги, которые реагируют на оптическое излучение, создаваемое электрической дугой.
Так, например, известен датчик, описанный в RU 2379811.
Указанный датчик содержит чувствительный элемент, выполненный в виде световода со светопрозрачной оболочкой, расположенного в контролируемом шкафу КРУ, выход которого через фотоэлектронный преобразователь и пороговое устройство соединен с исполнительным органом, вырабатывающим при срабатывании чувствительного элемента сигнал, подаваемый в систему релейной защиты, по которому происходит отключение высоковольтного выключателя силовой цепи, к которой подключен контролируемый шкаф КРУ.
Недостатком рассмотренных датчиков, реагирующих только на один фактор, которым сопровождается возникновение электрической дуги, является возможность их ложного срабатывания от посторонних источников, индуцирующих сигнал той же природы, что и сигнал, контролируемый датчиком.
Большей надежностью контроля обладают датчики, реагирующие не на один, а на два фактора электрической дуги различной физической природы.
Так, известен датчик электрической дуги, описанный в RU 2419941, реагирующий на два фактора, которыми сопровождается возникновение дуги, - на световую вспышку, индуцирующую оптическое излучение, и на аварийное возрастание тока в контролируемой токопроводящей шине при возникновении дугового короткого замыкания. Указанный датчик выбран в качестве ближайшего аналога.
Рассматриваемый датчик содержит первый детектор - детектор оптического излучения, в качестве которого использован волоконный световод со светопроницаемой оболочкой, располагаемый в шкафу КРУ. Выход световода подключен к оптическому входу оптического затвора Фарадея, оптический выход которого подключен к оптическому входу фотоприемника. Оптический затвор Фарадея является нормально разомкнутым, то есть световой сигнал через него не проходит в отсутствие аварийного возрастания тока в контролируемой шине. При этом оптический затвор Фарадея магнитосвязан с контролируемой шиной и открывается при возрастании магнитного поля вокруг нее, обусловленного появлением тока дугового короткого замыкания. Таким образом, оптический затвор Фарадея выполняет роль второго детектора, реагирующего на аварийное возрастание тока. Фотоприемник служит в качестве исполнительного органа и вырабатывает выходной электрический сигнал при условии одновременного появления двух указанных факторов электрической дуги. Указанный сигнал является выходным сигналом датчика, управляющим отключением контролируемой датчиком силовой цепи. Он поступает в устройство релейной дуговой защиты на обмотку выключателя, который размыкает цепь, в которой возникла дуга.
Однако в данном устройстве также существует вероятность ложного срабатывания, вызванного появлением постороннего источника света и токового броска, возникающего во внешних присоединениях (например, при ударе молнии).
Проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении полезной модели, является повышение надежности контроля возникновения электрической дуги.
Сущность полезной модели заключается в том, что в датчике электрической дуги, содержащем первый и второй детекторы, предназначенные для обнаружения различных по физической природе сигналов, индуцируемых при возникновении электрической дуги, а также связанный с первым и вторым детекторами исполнительный орган, вырабатывающий на основе выходных сигналов первого и второго детекторов выходной сигнал, обеспечивающий размыкание контролируемой датчиком токоведущей цепи, в качестве первого детектора использован детектор оптического излучения, индуцируемого при возникновении электрической дуги, согласно полезной модели дополнительно имеется третий детектор, связанный с исполнительным органом, в качестве второго детектора использован детектор радиочастотного электромагнитного излучения, индуцируемого при возникновении электрической дуги, в качестве третьего детектора использован детектор акустического излучения, индуцируемого при возникновении электрической дуги, при этом датчик выполнен с обеспечением выработки исполнительным органом выходного сигнала при наличии выходных сигналов от трех детекторов.
Принципиальным отличием заявляемого устройства является наличие в нем трех каналов детектирования, благодаря которым датчик реагирует на появление трех факторов различной физической природы, которыми сопровождается возникновение электрической дуги, причем каждый из трех факторов представляет собой индуцируемое электрической дугой излучение - оптическое излучение, электромагнитное излучение РЧ-диапазона и акустическое излучение, в частности, УЗ-диапазона частот.
Использование трех каналов детектирования минимизирует вероятность ложного срабатывания датчика, что обуславливает повышение надежности контроля возникновения дуги.
Выбор в качестве факторов, характеризующих факт возникновения электрической дуги, электромагнитного РЧ-излучения и акустического излучения, основан на проведенных авторами практических исследованиях. При этом, как показали исследования, использование в датчике оптического, радиочастотного и акустического детекторов обеспечивает его высокую чувствительность и быстродействие, что также обуславливает надежность его работы.
Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации устройства, является повышение надежности контроля возникновения электрической дуги.
На чертеже представлен общий вид заявляемого устройства.
Датчик содержит первый, второй и третий каналы детектирования, при этом первый канал детектирования включает последовательно соединенные первый детектор 1 оптического излучения, узел 2 усиления и обработки сигнала, вырабатываемого детектором 1, и узел 3 временной задержки, второй канал детектирования включает последовательно соединенные второй детектор 4 радиочастотного излучения, узел 5 усиления и обработки сигнала, вырабатываемого детектором 4, и узел 6 временной задержки, третий канал детектирования включает последовательно соединенные третий детектор 7 акустического излучения, узел 8 усиления и обработки сигнала, вырабатываемого детектором 7, и узел 9 временной задержки.
В качестве первого детектора 1 использован, в частности, фотоприемник, в качестве второго детектора 4 использован приемник радиочастотного излучения, в частности, выполненный в виде катушки индуктивности, в качестве третьего детектора 7 использован, в частности, микрофон с максимумом чувствительности в ультразвуковой области частот.
Выходы первого, второго и третьего каналов детектирования (узлов временной задержки 3,6,9) подключены к входу схемы совпадения 10.
Датчик также содержит исполнительный орган 11, последовательно соединенный со схемой совпадения 10.
Выходной сигнал исполнительного органа 11 является выходным сигналом датчика и предназначен для управления размыканием контролируемой им токоведущей цепи.
В качестве исполнительного органа 11 использован, в частности, тиристор. Выходной сигнал тиристора 11, в частности, обеспечивает подачу напряжения на обмотку высоковольтного реле, входящего в состав внешнего по отношению к датчику устройства 12 релейной дуговой защиты и отключающего защищаемую датчиком силовую цепь.
Узлы 3, 6 и 9 временной задержки служат для гарантированного приема всех трех видов излучения, имеющих несколько отличающихся друг от друга скоростей распространения, а также для того, чтобы успел сработать релейный механизм 12 отключения токоведущей цепи.
Устройство работает следующим образом.
Датчик размещают вблизи защищаемого высоковольтного оборудования, в частности устанавливают в шкафу распределительного устройства.
Возникновение электрической дуги в высоковольтной токоведущей сети (в кабеле) сопровождается появлением световой вспышки, индуцирующей оптическое излучение, а также появлением электромагнитного поля, индуцирующего электромагнитное излучение, в том числе в радиочастотном диапазоне частот, и появлением акустического поля, индуцирующего акустическое излучение, в том числе в УЗ-диапазоне частот.
При появлении каждого из трех указанных видов излучений срабатывают детекторы 1, 4 и 7, выходные сигналы которых усиливаются в узлах соответственно 2,5 и 8 и преобразуются по амплитуде и длительности соответственно в узлах 3,6 и 9, а затем поступают на вход схемы совпадения 10.
Выходной сигнал схемы совпадения 10, который вырабатывается только в случае поступления на его вход одновременно трех сигналов, формируемых тремя описанными выше каналами детектирования, поступает на вход исполнительного органа 11. Исполнительный орган 11 вырабатывает выходной сигнал, управляющий отключением контролируемой датчиком цепи, в которой возникла дуга. В частности, выходной сигнал от исполнительного органа 11 подается на обмотку реле устройства 12, с помощью которого осуществляется размыкание указанной цепи.