РАСПРЕДЕЛЕННЫЙ ДАТЧИК ОТКРЫТОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ
OPEN ELECTRIC ARC DISTRIBUTIVE SENSOR

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в системах релейной защиты комплектных распределительных устройств (КРУ) для обнаружения факта возникновения, местоположения и мощности электрической дуги в отсеках сборных шин ячеек секции КРУ.
В современных системах дуговой защиты к настоящему времени не решена задача по определению местоположения и мощности электрической дуги одним датчиком, охватывающим все отсеки сборных шин секции КРУ, состоящей из более чем 30-40 ячеек. Установка нескольких датчиков также не решает задачи, так как отсеки сборных шин разных ячеек одной секции не светоизолированы друг от друга.
Известно устройство дуговой защиты [1], содержащее в своем составе волоконно-оптический датчик, состоящий из протяженного волоконного световода со светопроницаемой оболочкой, противоположные концы которого оптически подключены к соответствующим фотоэлектронным преобразователям. Волоконный световод прокладывается внутри отсеков ячеек КРУ в местах вероятного возникновения дуги. Первые выходы фотоэлектронных преобразователей подключены к соответствующим входам блока логарифмирования отношения токов.
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 оптические входы фотоэлектронных преобразователей, где преобразуются в аналогичные им по форме импульса электрические сигналы, которые описываются формулами
1
2
0
где I, I - токи с выходов первого и второго фотоэлектронных преобразователей; k - коэффициент преобразования оптических сигналов в электрические токи в фотоэлектрических преобразователях; Р - оптический сигнал, индуцированный светом электрической дуги в светопроводящей сердцевине световода; α - коэффициент экстинкции оптической мощности в световоде; s - позиция электрической дуги вдоль световода; L - длина световода.
1
2
log
Сигналы I, I поступают на вход блока логарифмирования отношения токов, где преобразуются в электрический сигнал U по следующей формуле:
где β - коэффициент преобразования блока логарифмирования отношения электрических токов.
Таким образом, на выходе датчика генерируется сигнал, линейно зависящий от местоположения дуги s вдоль световода. Определив из (3) позицию s
и зная расположение световода внутри отсеков КРУ, можно определить отсек, где произошла дуга.
Датчик за счет линейной протяженности световода позволяет охватить отсеки сборных шин нескольких ячеек КРУ.
При использовании такого датчика в отсеках сборных шин ячеек КРУ его недостатком является небольшое количество контролируемых отсеков из-за неполного использования всей длины световода вследствие того, что фотоприемная часть датчика находится в одном месте и примерно половина световода должна быть светоизолирована. Действительно, для того чтобы можно было определить положение s по формуле (4), необходимо, чтобы выполнялись формулы (1), (2), которые работают только тогда, когда световод облучен только в одном месте, чего нельзя достичь, если закольцевать световод без световой изоляции его половины.
Количество Q контролируемых отсеков секции КРУ можно оценить по формуле
где Δs - длина участка световода, приходящаяся на один отсек. Очевидно, что корректного определения отсека должно выполняться неравенство
max
где |Δs| - максимальная погрешность определения позиции дуги.
max
Погрешность |Δs| определяется по формуле
log
max
где |U| - погрешность логарифмирования.
Если погрешность логарифмирования определяется только погрешностью фотодетектирования, то справедливо выражение:
1
2
где ε, ε - относительные погрешности фотодетектирования первого и второго фотоэлектронных преобразователей соответственно. Отсюда
Относительная погрешность фотодетектирования определяется как
n
где ΔP - эквивалентный шум фотоэлектронного преобразователя; Р - оптический сигнал на входе фотоэлектронного преобразователя.
При аддитивном характере шумов первого и второго фотоэлектронных преобразователей формула (10) запишется в виде:
Тогда количество контролируемых отсеков Q будет равно
0
n
При α=600 дБ/км, Δs=l м; P=1 мкВт; ΔP=1 нВт число контролируемых отсеков будет не более 20.
Также недостатком датчика является отсутствие информации о мощности электрической дуги.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является волоконно-оптический датчик открытой электрической дуги [2], содержащий волоконный световод со светопроницаемой оболочкой, каждый из двух противоположных концов которого оптически подключен к входу своего фотоэлектронного преобразователя, выход первого фотоэлектронного преобразователя подключен через первый 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 второй блок логарифмирования электрических сигналов к второму входу блока вычитания двух электрических сигналов и к первому входу блока суммирования двух электрических сигналов. Выходы блоков суммирования и вычитания являются одновременно и выходами датчика.
Датчик работает следующим образом. Так же, как и в предыдущем устройстве, при возникновении дуги на выходах фотоэлектронных преобразователей образуются сигналы, описываемые формулами (1), (2). Эти сигналы поступают на соответствующие им первый и второй логарифматоры отношения электрических сигналов, где преобразуются по формулам:
0
где I - ток смещения логарифматоров.
m
На выходе блока вычитания двух электрических сигналов образуется сигнал U
m
где γ - коэффициент преобразования блока вычитания двух электрических сигналов.
p
На выходе блока суммирования двух электрических сигналов образуется сигнал U
p
где γ - коэффициент преобразования блока суммирования двух электрических сигналов.
0
0
Таким образом, на выходах датчика образуются два сигнала, один из которых линейно зависит от позиции дуги, а другой от логарифма индуцированного в сердцевине световода оптического сигнала P. Так как Р - монотонно возрастающая функция от мощности дуги, то второй сигнал является косвенной оценкой мощности электрической дуги.
Недостатком прототипа как и в предыдущем устройстве является небольшое количество контролируемых ячеек КРУ из-за необходимости закольцовывания световода и светоизоляции его половины.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является увеличение количества контролируемых одним датчиком ячеек КРУ.
Технический результат достигается тем, что распределенный датчик открытой электрической дуги, содержащий волоконный световод со светопроницаемой оболочкой, два фотоэлектронных преобразователя, два блока логарифмирования электрических сигналов, блок вычитания двух электрических сигналов, блок суммирования двух электрических сигналов, выход первого фотоэлектронного преобразователя подключен через соответствующий ему блок логарифмирования электрических сигналов к первым входам блока вычитания двух электрических сигналов и блока суммирования двух электрических сигналов, выход второго фотоэлектронного преобразователя подключен через соответствующий ему блок логарифмирования электрических сигналов к вторым входам блока вычитания двух электрических сигналов и блока суммирования двух электрических сигналов, выходы блоков вычитания и суммирования двух электрических сигналов являются выходами датчика, дополнительно содержит волоконный световод с светонепроницаемой оболочкой, последовательно соединенный с волоконным световодом со светопроницаемой оболочкой через оптический усилитель, один конец волоконного световода со светопроницаемой оболочкой подключен к оптическому входу первого фотоэлектронного преобразователя, другой конец волоконного световода со светопроницаемой оболочкой подключен к оптическому входу оптического усилителя, один конец волоконного световода с светонепроницаемой оболочкой подключен к оптическому выходу оптического усилителя, другой конец волоконного световода с светонепроницаемой оболочкой подключен к оптическому входу второго фотоэлектронного преобразователя, а коэффициент усиления оптического усилителя G равен
1
2
1
2
где α, α - коэффициент экстинкции оптической мощности в волоконных световодах со светопроницаемой и светонепроницаемой оболочками соответственно; L, L - длина волоконного световода со светопроницаемой и светонепроницаемой оболочками, соответственно.
Функциональная схема предлагаемого датчика приведена на фиг.1.
На фиг.2 приведен вариант исполнения оптического усилителя.
Датчик состоит из оптического усилителя 1, к входу которого оптически подключен одним из концов световод 2 с светопроницаемой оболочкой, а к выходу - световод 3 с светонепроницаемой оболочкой. Другим концом световод 2 оптически подключен к фотоэлектронному преобразователю 4, а световод 3 - к фотоэлектронному преобразователю 5. Выход фотоэлектронного преобразователя 4 подключен через соответствующий ему блок логарифмирования электрических сигналов 6 к первому входу блока вычитания двух электрических сигналов 8 и к первому входу блока суммирования двух электрических сигналов 9. Выход фотоэлектронного преобразователя 5 подключен через соответствующий ему блок логарифмирования электрических сигналов 7 к второму входу блока вычитания двух электрических сигналов 8 и к второму входу блока суммирования двух электрических сигналов 9. Выходы блоков вычитания и суммирования двух электрических сигналов являются выходами датчика.
Световод 2 прокладывается в зоне КРУ, где возможно возникновение электрической дуги таким образом, чтобы свет от нее попадал на светопроницаемую оболочку световода 2.
Датчик работает следующим образом. Возникновение электрической дуги сопровождается мощной световой вспышкой, свет от которой падает на боковую поверхность световода 2 и индуцирует в его светопроводящей сердцевине оптический сигнал, распространяющейся по этому световоду к его противоположным концам.
1
Оптический сигнал, пришедший на первый конец световода 2, преобразуется на фотоэлектронном преобразователе 4 в электрический сигнал тока I по формуле
1
0
где k - коэффициент преобразования оптического сигнала в электрический ток в фотоэлектронных преобразователях 4,5; α - коэффициент экстинкции оптической мощности в световоде 2; P - оптический сигнал, индуцированный светом электрической дуги в светопроводящей сердцевине световода 2; s - длина световода 2 от места возникновения электрической дуги до его первого конца вдоль световода 2.
Оптический сигнал, пришедший на второй конец световода 1, поступает на оптический вход оптического усилителя 1, где производится его усиление в соответствии с формулой
1
где G - коэффициент усиления оптического усилителя 1; L - длина световода 2.
1
Оптический сигнал P поступает по волоконному световоду 3 с светонепроницаемой оболочкой на оптический вход фотоэлектронного преобразователя 5, где производится его преобразование в соответствии с формулой
2
2
где α - коэффициент экстинкции оптической мощности в световоде 3; L - длина световода 3. Если коэффициент усиления G выбрать равным
то формула (20) упростится до вида
log1
log2
Сигналы тока с фотоэлектронных преобразователей 4,5 поступают на соответствующие логарифматоры электрического тока 6, 7, где преобразуются в электрические сигналы U, U в соответствии с формулами
0
где β - коэффициент преобразования блока логарифмирования электрического тока; I - ток смещения логарифматора. Эти сигналы поступают на соответствующие входы блока вычитания двух электрических сигналов и блока суммирования двух электрических сигналов.
m
На выходе блока вычитания двух электрических сигналов образуется сигнал U
m
где γ - коэффициент преобразования блока вычитания двух электрических сигналов.
p
На выходе блока суммирования двух электрических сигналов образуется сигнал U
р
где γ - коэффициент преобразования блока суммирования двух электрических сигналов.
0
0
Таким образом, на выходах датчика образуются два сигнала, один из которых пропорционален позиции дуги s, а другой - логарифму индуцированного в сердцевине световода оптического сигнала P. Так как Р пропорционален освещенности, создаваемой излучением электрической дуги и соответственно пропорциональный ее мощности, то второй сигнал линейно зависит от логарифма мощности электрической дуги.
В заявляемом устройстве в качестве оптического усилителя 1 может быть использована схема, приведенная на фиг.2, состоящая из аналогово фотоприемника 10 HFBR-2526 фирмы HEWLETT PACKARD, операционного усилителя 11 ОРА AnalogDevice и оптического излучателя 12 HFBR-1528 фирмы HEWLETT PACKARD.
В качестве световода 2 можно использовать, например, полимерное оптическое волокно «ИЦ ПОВ» в оболочке из белой силиконовой резины, светопроницаемой для излучения дуги.
В качестве световода 3 можно использовать, например, полимерное оптическое волокно диаметром 1 мм ООО «ИЦ ПОВ» в оболочке из черной силиконовой резины, светонепроницаемой для излучения дуги.
В качестве фотоэлектронных преобразователей 4, 5 могут быть использованы фотодетекторы, изготовленные на базе фотодиодов аналогово фотоприемника 10 HFBR-2526 фирмы HEWLETT PACKARD.
В качестве блоков логарифмирования 6, 7 электрических сигналов может быть использована микросхема логарифмирования отношения токов LOG 100 фирмы AnalogDevice.
В качестве блоков суммирования и вычитания двух электрических сигналов 8, 9 могут быть использованы схемы, построенные на базе операционного усилителя ОРА348.
Количество Q контролируемых отсеков секции КРУ можно оценить по формуле
где Δs - длина участка световода, приходящаяся на один отсек. Так же, как и в прототипе, должно выполняться неравенство (6) для корректного определения отсека.
max
Погрешность |Δs| определяется по формуле
где  - погрешность логарифмирования.
Если погрешность логарифмирования определяется только погрешностью фотодетектирования, то справедливо выражение
1
2
где ε, ε - относительные погрешности фотодетектирования первого и второго фотоэлектронных преобразователей соответственно. Отсюда
Относительная погрешность фотодетектирования определяется по формуле (10). При тех же условиях, что и прототипе формула (10) запишется в виде
Тогда количество контролируемых отсеков Q будет равно
0
n
При α=600 дБ/км, Δs=1 м; P=1 мкВт; ΔP=1 нВт число контролируемых отсеков будет 40, что в два раза больше, чем в прототипе.
ЛИТЕРАТУРА
6
1. Устройство для отключения ячейки комплектного распределительного устройства. Патент РФ на изобретение №2120167, 03.04.1997, МКИ H02H 7/26.
7
2. Волоконно-оптический датчик открытой электрической дуги, Патент РФ на изобретение №2237332, 07.10.2002, МКИ H02H 7/26.