УСТРОЙСТВО ДУГОВОЙ ЗАЩИТЫ
ARC PROTECTION DEVICE

Предлагаемое устройство относится к системам релейной защиты и автоматики (РЗА) комплектных распределительных устройств (КРУ) 6-10 кВ и предназначено для обнаружения факта возникновения электрической дуги внутри шкафа КРУ и выдачи оперативного сигнала на отключение токоведущих цепей, на которых возникла дуга.
Устройство дуговой защиты должно определять момент возникновения дуги внутри отсеков, разделенных светонепроницаемыми перегородками, одного или нескольких близко расположенных шкафов КРУ и подавать в этом случае сигнал на отключение силовых цепей, к которым этот шкаф или шкафы подключены. Устройство должно по возможности допускать многократное срабатывание и иметь высокую электромагнитную совместимость.
Для повышения электромагнитной совместимости в различных областях техники, особенно в системах связи, наблюдается переход от электрических линий связи и датчиков к волоконно-оптическим устройствам. В системах связи наибольшее распространение получили линии передачи информации, построенные на основе кварцевых оптических волокон, так как они обладают низкими потерями сигнала. Недостатками таких волокон являются малый диаметр и апертура, что затрудняет их согласование с приемо-передающими модулями. В настоящее время в качестве линий передачи информации применяют также оптические волокна из полиметилметакрилата, которые имеют больший диаметр и апертуру по сравнению с кварцевыми волокнами. Недостатком этих волокон являются высокие потери передачи оптического сигнала, что делает возможным их применение только в линиях связи небольшой длины.
В линиях связи ввод излучения оптического сигнала производится через торец волокна. Однако хорошо известно явление ввода излучения в оптическое волокно через боковую поверхность через рассеяние, которое применяется в том числе и в устройствах дуговой защиты. Рассеяние также является причиной потерь при передаче оптического сигнала по волокну. Поэтому выбор оптического волокна или световода для ввода излучения через боковую поверхность представляет собой непростую задачу.
Известно устройство для ограничения времени горения электрической дуги [1] в шкафу КРУ, содержащее датчик в виде многожильного световода-жгута из пластмассы, покрытого легкоплавким светозадерживающим экраном, к выходу которого подключен фотоприемник, соединенный последовательно с исполнительным органом. Датчик устройства прокладывается вблизи токоведущих частей внутри шкафа КРУ в зоне вероятного возникновения электрической дуги. При нормальном режиме работы КРУ на фотоприемнике отсутствует оптический сигнал, так как даже при попадании в шкаф света от внешних источников типа ламп освещения, включаемых при техническом обслуживании, попадание света внутрь световода предотвращается светозадерживающими экранами. При возникновении электрической дуги между токоведущими частями внутри шкафа КРУ световод перегорает или надгорает изоляционный слой светозащитного экрана и свет от дуги попадает внутрь светопроводящей жилы световода, по которому транслируется на фотоприемник, где преобразуется в электрический сигнал. Этот сигнал поступает в исполнительный орган, который формирует сигнал отключения цепей шкафа КРУ. Данное устройство позволяет охватывать несколько отсеков шкафов КРУ за счет прокладки световода в этих отсеках. Применение диэлектрического световода в качестве датчика (пластмассовый жгут) позволяет обеспечить невосприимчивость устройства к электромагнитным помехам и отсутствие эмиссии таких помех. Недостатком данного устройства является однократность его применения вследствие порчи датчика - перегорания световода или пережога изоляционного слоя светозащитного экрана электрической дугой.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является устройство дуговой защиты [2], содержащее чувствительный элемент, являющийся световодом, который через фотоэлектронный преобразователь подсоединен ко входу порогового устройства, а выход порогового устройства подсоединен к исполнительному органу. В качестве чувствительного элемента используется волоконно-оптический жгут с оболочкой, прозрачной для светового излучения электрической дуги, изготовленный из кварцевых оптических волокон. Устройство работает следующим образом. Возникновение электрической дуги сопровождается появлением мощной световой вспышки, которая освещает боковую поверхность световода, расположенного внутри шкафа КРУ, и индуцирует в нем оптический импульсный сигнал. Этот сигнал транслируется по тому же самому световоду к фотоэлектронному преобразователю, где преобразуется в электрический аналог. С выхода фотоэлектронного преобразователя сигнал поступает на вход порогового устройства, где его амплитуда сравнивается с заданным уровнем. При превышении этого уровня на выходе порогового устройства формируется электрический сигнал, который вызывает срабатывание исполнительного органа, который формирует сигнал отключения цепей шкафа КРУ.
Основным недостатком прототипа является малый радиус контролируемой зоны из-за низкой чувствительности кварцевых волокон к внешнему облучающему излучению, что делает необходимым приближать световод к токоведущим частям КРУ, где они могут быть повреждены электрической дугой.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является увеличение радиуса контролируемой зоны за счет применения световода с большей чувствительностью к внешнему облучающему излучению.
Технический результат достигается тем, что в устройстве дуговой защиты, содержащем чувствительный элемент, являющийся световодом с оболочкой, прозрачной для светового излучения электрической дуги, который через фотоэлектронный преобразователь подсоединен к входу порогового устройства, а выход порогового устройства подсоединен к исполнительному органу, в качестве чувствительного элемента используется одиночное полимерное оптическое волокно из полиметилметакрилата (ПММА).
Блок-схема устройства представлена на чертеже.
Устройство содержит чувствительный элемент в виде световода 1, который своим торцом подсоединен к оптическому входу фотоэлектронного преобразователя 2. Электрический выход фотоэлектронного преобразователя 2 подключен к входу порогового устройства 3. Выход порогового устройства 3 подключен к входу исполнительного органа 4.
Световод 1 выполнен из полимерного оптического волокна с сердцевиной полиметилметакрилата (ПММА). Для защиты от теплового воздействия электрической дуги на полимерное оптическое волокно надета защитная оболочка из силиконовой светопроницаемой резины.
Световод 1 прокладывается внутри отсеков шкафа или шкафов КРУ, где вероятно возникновение электрической дуги, в местах, где свет возможной дуги беспрепятственно может попасть на боковую поверхность световода 1, и на расстоянии, где тепловое воздействие дуги на световод 1 будет минимально. Фотоэлектронный преобразователь 2, пороговое устройство 3 и исполнительный орган 4 располагаются в релейном отсеке или вне шкафа КРУ.
Устройство работает следующим образом.
До возникновения электрической дуги на входе фотоэлектронного преобразователя 2 отсутствует оптический сигнал со световода 1, при этом сигналы на выходах порогового устройства находятся в состоянии, соответствующем отсутствию электрической дуги.
Возникновение и горение электрической дуги сопровождается интенсивным испусканием света, который падает на боковую поверхность световода 1 и, пройдя через его светопроницаемую оболочку, захватывается светопроводящей сердцевиной. По этой сердцевине свет от дуги попадает на фотоэлектронный преобразователь 2, где преобразуется в электрический аналог. Амплитуда электрического аналога сравнивается с пороговым уровнем срабатывания порогового устройство 3. При превышении этого уровня пороговое устройство 3 срабатывает и выдает на своем выходе сигнал, который поступает на исполнительный орган 4. Исполнительный орган 4 по этому сигналу отключает высоковольтный выключатель силовой цепи контролируемых шкафов КРУ. Снятие напряжения с этих цепей прекращает горение электрической дуги.
Покажем, что за счет более высокой чувствительности световод, выполненный из ПММА, имеет больший радиус контролируемой зоны, чем световод в виде волоконно-оптического жгута из кварцевых оптических волокон в прототипе.
Величину оптического сигнала Р, приходящего на фотоэлектронный преобразователь 2, можно рассчитать по формуле:
сo
s
0
f
где d - диаметр световода 1; NA, n - числовая апертура и коэффициент преломления световода 1; α - коэффициент рассеяния в световоде 1; s, Δs - местоположение и длина облученного участка вдоль световода 1; Е - освещенность, создаваемая на боковой поверхности световода 1 электрической дугой. В этой формуле предполагается, что захват света сердцевиной световода 1 происходит вследствие рассеяния. Отсюда чувствительность S световода 1 запишется в виде:
0
0
Чувствительность световода 1 зависит от расстояния s. Очевидно, она будет минимальной при s=L, где L - длина световода 1
Освещенность, создаваемая электрической дугой, может быть оценена по формуле:
с
где R - расстояние от электрической дуги до световода; W - световой поток световой вспышки электрической дуги. Радиус зоны контроля R можно определить как максимальное значение R, при котором устройство сработает. Его величина может быть записана в виде
min
где Р - минимальное значение оптической мощности, приходящей на фотоэлектронный преобразователь 2 с световода 1, при котором устройство сработает.
Будем полагать, что длина световодов одинакова и равна L=25 м. Также будем полагать, что оптико-геометрический параметр V, равный
также одинаков для обоих световодов.
min
При одинаковых величинах световых потоков W и минимальных значениях оптической мощности Р отношение радиусов контролируемой зоны двух световодов будет равно
где индекс РММА относится к предлагаемому выполнению световода, а индекс Si - к выполнению световода в прототипе.
Si
PMMA
При коэффициентах α=10 дБ/км, α=100 дБ/км [3] увеличение радиуса контролируемой зоны по отношению к прототипу составит 2,5 раза.
При конкретной реализации устройства, например, в качестве световода можно использовать полимерное оптическое волокно ПММА фирмы ЛОК СЕТ с защитной оболочкой из силиконовой резины.
В качестве фотоэлектронного преобразователя можно использовать фотодиод ФД263.
В качестве порогового устройства 3 можно использовать одновибратор, построенный на микросхеме 564АГ1.
В качестве исполнительного органа 4 можно использовать реле РП21.
Источники информации
1. Устройство для ограничения времени горения электрической дуги в электроустановках. Авторское свидетельство СССР № 1735951, кл. Н02В 13/00, 1987.
2. Устройство дуговой защиты. Свидетельство на полезную модель № 5893, кл. Н02Н 7/26, 1996 (прототип).
3. Дж. Гауэр. «Оптические системы связи». М.: «Радио и связь», 1989 г., с.90.