СОВМЕЩЕННЫЙ ДАТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ
COMBINED ELECTRIC ARC SENSOR

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в системах релейной дуговой защиты комплектного распределительного устройства (КРУ) для обнаружения факта возникновения электрической дуги.
В настоящее время получили распространение оптические дуговые защиты (ОДЗ), которые реагируют на световую вспышку электрической дуги. К этим устройствам предъявляются следующие основные требования по надежности:
- ОДЗ должна срабатывать при возникновении электрической дуги внутри контролируемых шкафов КРУ;
- ОДЗ не должна срабатывать от световых вспышек внутри шкафов КРУ, не связанных с возникновением электрической дуги;
- дуговая защита не должна срабатывать при возникновении коротких замыканий (КЗ), включая дуговые КЗ, вне контролируемых шкафов КРУ.
Известно, что основными факторами электрической дуги являются световая вспышка и аварийное возрастание электрического тока. Однако световая вспышка может быть связана не только с возникновением электрической дуги на токопроводящих шинах внутри шкафа КРУ, но и с проведением сварочных работ внутри шкафа при отсутствии светоизоляции его отсеков, например открытых дверцах последнего. Также аварийное возрастание тока может быть вызвано КЗ, внешним по отношению к контролируемым шкафам КРУ. Поэтому в последнее время рекомендуется дополнять ОДЗ устройствами блокировки по току, чтобы их срабатывание было обусловлено одновременным появлением обоих факторов электрической дуги. Это осуществляется последовательным соединением релейного выхода ОДЗ с релейным выходом максимальной токовой защиты (МТЗ). При этом ток на катушку отключения высоковольтного выключателя в случае возникновения дуги подается при одновременном замыкании контактов реле ОДЗ и реле МТЗ. Недостатком такого построения является снижение быстродействия дуговой защиты, так как МТЗ, реагирующая не только на дуговые замыкания, но и внешние КЗ, как правило имеет временную задержку срабатывания для обеспечения селективности релейной защиты в целом.
Известен шкаф КРУ [1], в котором для обеспечения дуговой защиты последовательно с фототиристорами в цепь катушки отключения привода высоковольтного выключателя включается магнитоуправляемый контакт, размещенный рядом с токоведущей шиной, который контролирует величину напряженности магнитного поля вокруг токопроводящей шины и замыкает цепь катушки отключения только при одновременном срабатывании хотя бы одного фототиристора и при аварийном возрастании тока шины.
Данное устройство реагирует на два фактора электрической дуги - аварийное возрастание электрического тока и световую вспышку.
Недостатком этого устройства является возможность его ложного срабатывания из-за внешнего КЗ. При возникновении внешнего КЗ происходит аварийное нарастание электрического тока, что приведет к срабатыванию магнитоуправляемого контакта. Также внешнее КЗ приводит к электромагнитным наводкам, в том числе по цепям оперативного питания, которые могут вызвать срабатывание фототиристора.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является реле электрической дуги [2], включающее в свой состав датчик, состоящий из волоконного световода со светопроницаемой оболочкой светопроводящей сердцевины, конец которого подключен к фотоприемнику. Данное устройство предназначено для обнаружения факта возникновения электрической дуги в нескольких шкафах КРУ с помощью одного датчика. Волоконный световод прокладывается во всех отсеках контролируемых шкафов КРУ, где может возникнуть электрическая дуга. При ее возникновении свет от нее падает на боковую поверхность световода, проходит через светопроводящую оболочку и захватывается сердцевиной. Затем по этому же самому световоду захваченный свет транслируется на его конец, к которому подключен фотоприемник, где захваченный свет преобразуется в электрический сигнал и с выхода датчика этот сигнал передается в релейную дуговую защиту для отключения цепей, через которые питается электрическая дуга, тем самым производя ее гашение.
Недостатком прототипа является низкое отношение сигнал/помеха по отношению к световым воздействиям искусственного и естественного происхождения.
Оптический сигнал Р, который образуется на конце световода, подключенного к фотоприемнику, можно записать в виде
s
co
где s, L - координата вдоль световода и его длина; α - коэффициент экстинкции оптической мощности; k - доля коэффициента экстинкции, идущая на рассеяние; NA - числовая апертура световода; n - коэффициент преломления сердцевины; Е - плотность потока облучающего излучения; S - площадь поперечного сечения сердцевины световода.
При облучении небольшого участка световода 1, как это имеет место в случае возникновения электрической дуги в отсеке шкафа КРУ, формула (1) трансформируется к виду
дуг
дуг
дуг
дуг
где s, Δs - положение электрической дуги вдоль световода и длина облученного участка, E- освещенность, создаваемая дугой в месте расположения световода; Р - оптическая мощность сигнала на конце световода от дуги. Минимальное значение сигнала, очевидно, будет при s=L:
При облучении световода по всей длине, как это имеет место от источников освещения, что является помехой, формула (1) запишется в виде
пом
пом
где Е- освещенность, создаваемая помехой; Р - оптическая мощность сигнала на конце световода от помехи.
пор
дуг
Оптическая дуговая защита должна сработать при превышении порогового уровня Р регистрируемой оптической мощностью Р
дуг min
пор
Р>Р
пом
пор
и не срабатывать, если оптическая мощность помехи Рне превышает порогового уровня Р
пом
пор
Р<Р.
Отношение сигнал/помеха SNR можно определить как
Очевидно, что чем больше отношение сигнал/помеха, тем более будет выше помехоустойчивость датчика.
дуг
пом
Современные ОДЗ рассчитаны на срабатывание, когда освещенность, создаваемая электрической дугой, равна Е=10000 лк. Освещенность, создаваемая внутри шкафа КРУ для профилактических работ, равна Е=200 лк. Длина световода, проложенная внутри КРУ, должна быть не менее L=25 м. Участок световода, проложенный в отсеке шкафа КРУ, равен Δs=1 м. В качестве световода используется полимерное оптическое волокно с коэффициентом экстинкции α=0.046 1/м. Тогда отношение сигнал/помеха будет равно SNR=1, что должно приводить к частым ложным срабатываниям датчика.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является повышение отношения сигнал/помеха по отношению к световым воздействиям искусственного и естественного происхождения.
Технический результат достигается тем, что совмещенный датчик электрической дуги, содержащий волоконный световод со светопроницаемой оболочкой, фотоприемник, дополнительно содержит оптический затвор Фарадея, конец волоконного световода подключен через оптический затвор Фарадея к оптическому входу фотоприемника, электрический выход которого является выходом датчика, причем оптический затвор Фарадея является нормально закрытым.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что для обнаружения факта возникновения электрической дуги предлагается использовать совмещенный датчик, одновременно реагирующий на два фактора дуги - световую вспышку и возрастание электрического тока, причем определение возрастания электрического тока предлагается осуществлять бесконтактным оптическим способом.
Функциональная схема предлагаемого датчика приведена на чертеже Фиг.1.
На Фиг.2 приведен вариант исполнения оптического затвора Фарадея.
Датчик состоит из волоконного световода 1 со светопроницаемой оболочкой, конец которого подключен к оптическому входу оптического затвора Фарадея 2, оптический выход затвора 2 подключен к оптическому входу фотоприемника 3. Электрический выход фотоприемника 3 является выходом датчика и подключается к релейной дуговой защите. Оптический затвор Фарадея 2 является нормально разомкнутым, т.е. в отсутствие аварийного возрастания электрического тока свет через затвор 3 не проходит.
Световод 1 прокладывается в отсеках шкафов КРУ, где возможно возникновение электрической дуги таким образом, чтобы свет от нее попадал на светопроницаемую оболочку световода 1. Оптический затвор Фарадея 2 надевается на токопроводную шину таким образом, чтобы быть с ней магнитосвязанным.
Датчик работает следующим образом. При отсутствии дуги в световоде 1 отсутствует оптический сигнал. Ток, протекающий через контролируемую оптическим затвором 2 шину, не превышает номинального значения, и оптический затвор 2 заперт. На оптическом входе фотоприемника 3 отсутствует оптический сигнал, и на его выходе отсутствует выходной электрический сигнал. Сигнал на выходе датчика отсутствует. Возникновение электрической дуги сопровождается мощной световой вспышкой, свет от которой падает на боковую поверхность световода 1 и индуцирует в его светопроводящей сердцевине оптический сигнал, распространяющийся по этому световоду к концу. Также возникновение электрической дуги сопровождается аварийным возрастанием тока в 5-10 раз, превышающим номинальное значение в контролируемой токопроводящей шине, это приводит к возрастанию магнитного поля вокруг токопроводящей шины, с которой магнитосвязан оптический затвор Фарадея 2, что приводит к его открытию, и оптический сигнал с конца световода 1, проходя через затвор 2, попадает в оптический вход фотоприемника 3, где, при превышении оптическим сигналом заданного уровня, формируется выходной электрический сигнал, который с выхода фотоприемника 3 поступает в дуговую релейную защиту.
В качестве световода 1 можно использовать, например, полимерное оптическое волокно из полиметилметакрилата (ПММА) ООО «ИЦ ПОВ», в оболочке из белой силиконовой резины, светопроницаемой для излучения дуги. Данный световод изготовлен из диэлектрических материалов и не подвержен влиянию электромагнитных помех, что позволит исключить ложные срабатывания, вызванные этими помехами.
В качестве фотоприемника 3 можно использовать цифровой фотоприемник из серии HFBR-25X6 фирмы «Avago».
Оптический затвор Фарадея 2 может быть реализован по схеме, приведенной на Фиг.2. Оптический затвор 2 состоит из входного поляризатора 4, световода 5, изготовленного из магнитооптического материала, например из свинцового стекла, и выходного анализатора 6. Угол поляризации между поляризатором 4 и анализатором 6 должен быть равен 90°. Световод 5 должен охватывать токопроводящую шину и образовывать замкнутый контур. Связь между током I, протекающим по контролируемой токопроводящей шине, и коэффициентом пропускания k оптического затвора определяется по формуле
2
k=ν·sin(VI)+w,
где ν - потери оптической мощности в поляризаторе 4, световоде 5 и анализаторе 6; V - постоянная Верде магнитооптического материала, из которого сделан световод; w - пропускание световода 5 в отсутствие электрического тока.
фп
Оптический сигнал Р, приходящий на фотоприемник 3, будет равен
а отношение сигнал/помеха на оптическом входе фотоприемника 3 будет равно
Таким образом, отношение сигнал/помеха на фотоприемнике 3 по сравнению с прототипом повысится на величину, равную
.
-5
Свинцовое стекло имеет постоянную Верде, равную V=1.46·10 рад/А. Отношение ν/w может составлять не менее 100. При токе электрической дуги I=10 кА коэффициент K увеличивается более чем в три раза.
Таким образом, предлагаемый совмещенный датчик электрической дуги позволяет значительно увеличить отношение сигнал/помеха.
Источники информации
2
1. Шкаф комплектного распределительного устройства. Авторское свидетельство СССР на изобретение №650143, 23.11.1976, МКИ Н02В 13/00.
4
2. An Arc Relay. Патент WO 88/08217, 20.11.1987, МКИ Н02Н 7/26, Н02В 1/18.