Микропроцессорное устройство релейной защиты от дуговых замыканий

Из уровня техники известно микропроцессорное устройство релейной защиты от дуговых замыканий (см. [1] патент на полезную модель РФ № 49386, МПК H02H 3/00, опубл. 10.11.2005), содержащее пять регистров, дешифратор, блок элементов и, два элемента НЕ, блок формирования команд, n-входных узлов, коммутатор, два шинных формирователя, узел блокировки и m-реле c m-резисторами.
Недостатком данного аналога является использование двух типов внешних вспомогательных устройств для регистрации дуговых замыканий, отсутствие диагностики целостности как самих волоконно-оптических (ВОД) и фототиристорных датчиков (ФТД), так и линий, соединяющих их с микропроцессорным блоком. Также следует отметить, что обработку сигналов от ВОД и ФТД производят разные микропроцессоры, что снижает надежность за счет увеличения количество компонентов схемы.
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели, принятым за прототип, является микропроцессорное устройство релейной защиты и автоматики (МУРЗ) (см. [2] патент на изобретение РФ № 2645750, МПК H02H 7/00, опубл. 28.02.2018), содержащее корпус, в котором установлены объединенные общей шиной данных: процессорный модуль, содержащий один или более процессоров, осуществляющий основную вычислительную обработку, и модуль часов реального времени; блок памяти, содержащий ПЗУ и ОЗУ; интерфейсы связи, выполненные с возможностью связи с внешними вычислительными устройствами; модули релейной защитной автоматики (РЗА), соединенные с процессорным модулем и включающие в себя измерительные модули, состоящие из модуля аналоговых входов и модуля дискретных входов, модуля реле, представлявшего собой модуль дискретных выходов, и совмещенный модуль дискретных входов/выходов; блок питания, выполненный с возможностью сохранения работоспособности устройства при потере оперативного питания; причем модуль аналоговых входов содержит АЦП, предназначенный для преобразования поступающих аналоговых сигналов, содержит гальванически развязанные входные каналы и служит для измерения токов и напряжений по трем фазам и нулевой последовательности; лицевую панель, подключаемую посредством USB интерфейса связи к процессорному модулю, причем лицевая панель содержит микроконтроллер, интерфейсы связи с внешними вычислительными устройствами, дисплей, светодиоды, клавиатуру и лицевая панель выполнена съемной с возможностью удаленного управления МУРЗ.
Недостатками прототипа являются отсутствие внешних вспомогательных устройств для регистрации дуговых замыканий, а также наличие подключаемой по интерфейсу USB лицевой панели и клавиатуры, снижающих надежность и удобство при эксплуатации.
Сущность полезной модели
Задачей заявленной полезной модели является функция релейной защиты электроустановок напряжением 6-35 кВ.
Техническим результатом является расширение функциональных возможностей устройства, за счет расширения функционального состава, уменьшающего количество внешних связей устройства, например, с внешним устройством регистрации дуговых замыканий.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет микропроцессорного устройства релейной защиты от дуговых замыканий, содержащего корпус, в котором установлены объединенные общей шиной данных: блок индикации (БИ); блок микропроцессорный содержащий по меньше мере один процессор, осуществляющий вычислительную обработку (БМ); блок дискретных входов и выходов (БДВВ); блок трансформаторов (БТ); блок питания (БП); при этом в корпусе выполнено четыре канала подключенные к микроконтроллеру, каналы являются самодиагностируемыми входами с возможностью подключения к ним оптических датчиков дугового замыкания, при этом каждый из самодиагностируемых входов содержит разъем для приемного элемента и разъем для излучающего элемента.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 приведена структурная схема микропроцессорного устройства.
На фиг.2 изображено микропроцессорное устройство с двух сторон.
На фигурах обозначены следующие позиции:
поз. 1 – блок питания; поз. 2 – блок трансформаторов; поз. 3 – блок микропроцессорный; поз. 4 – блок дискретных входов и выходов; поз. 5 – блок индикации; поз. 6 – корпус; поз. 7 – приемный элемент; поз. 8 – излучающий элемент; поз. 9 и 11 – контактные группы блока дискретных входов и выходов; поз. 10 – контактная группа блока трансформаторов.
Осуществление полезной модели
Технический результат достигается тем, что в микропроцессорном устройстве, являющимся устройством релейной защиты и автоматики реализованы четыре канала, являющиеся самодиагностируемыми входами для подключения оптических датчиков дугового замыкания. Датчики предназначены для установки в местах возможного возникновения дуговых замыканий, на объектах энергетики, такими местами являются устройства, содержащие в себе коммутационные элементы – высоковольтные ячейки, являющиеся одним из элементов комплектного распределительного устройства (КРУ). Высоковольтные ячейки конструктивно разделены на отсеки: отсек ввода/вывода (кабельный), отсек выкатного элемента (выключателя), отсек сборных шин. Дуговые замыкания в зависимости от аварийного режима могут возникнуть в каждом из перечисленных отсеков. Увеличенное количество входов (4 входа) для подключения оптических датчиков обеспечивает возможность установки датчика в каждый отсек высоковольтной ячейки, тем самым осуществлять контроль и защиту всей ячейки.
Микропроцессорное устройство релейной защиты от дуговых замыканий содержит корпус (поз. 6), в котором установлены объединенные общей шиной данных: блок индикации (БИ) (поз. 5); блок микропроцессорный (поз. 3), содержащий по меньшей мере один микроконтроллер, осуществляющий вычислительную обработку (БМ); блок дискретных входов и выходов (БДВВ) (поз. 4); блок трансформаторов (БТ) (поз. 2); блок питания (БП) (поз. 1). При этом в корпусе (поз. 6) выполнено четыре канала, являющиеся самодиагностируемыми входами с возможностью подключения к ним оптических датчиков дугового замыкания (на фигурах не показаны), при этом каждый из самодиагностируемых входов содержит разъем для приемного элемента (поз. 7) и разъем для излучающего элемента (поз. 8).
Блок питания (поз. 1) преобразует напряжение оперативного питания в напряжение необходимое для питания энергозависимых блоков: БМ (поз. 3), БДВВ (поз. 4), БИ (поз. 5). Блок трансформаторов (поз. 2) является энергонезависимым и преобразует подводимые к нему синусоидальные сигналы переменного тока в напряжение переменного тока и передает его в микропроцессорный блок (поз. 3). Блок дискретных входов и выходов (поз. 4) сравнивает уровни подводимых к нему сигналов напряжения переменного или постоянного тока с заданным уровнем и преобразует в дискретные логические сигналы, передавая эти значения в БМ (поз. 3). БДВВ (поз. 4) также получает логические сигналы «ноль» и «единица» от БМ (поз. 3) и выключает или включает миниатюрные электромеханические реле, имеющиеся в данном блоке, обеспечивая коммутацию внешних цепей, подводимых к контактной группе (поз. 9). БМ (поз. 3), получая напряжения переменного тока от БТ (поз. 2), обрабатывает их при помощи АЦП, и при помощи математических и логических операций, производимых микроконтроллером (входящим в состав БМ), посылает логические сигналы в БДВВ (поз. 4) для включения или отключения реле. БМ (поз. 3) получает оптические сигналы на приемные элементы (поз. 7) преобразует их в логические сигналы «ноль» и «единица» и проводя логические операции с учетом сигналов от БТ (поз. 2) и БДВВ (поз. 4), передает логические сигналы в БДВВ для включения или отключения реле и в БИ (поз. 5) для отображения на жидкокристаллическом дисплее или светодиодах. БМ (поз. 3) при помощи излучающих элементов (поз. 8) передает в оптоволоконные датчики (на фигурах не показаны) тестовые импульсы и принимает их на приемном элементе (поз. 7), тем самым осуществляя контроль целостности оптоволоконных датчиков.
Устройство работает следующим образом.
Полезная модель реагирует на искровые разряды и срабатывает до появления столба электрической дуги, или, в крайнем случае, на начальной стадии момента возникновения дуги. В результате чего сводится к минимуму, или исключается повреждение оборудования, а также обеспечивается безопасность обслуживающего персонала. Полезная модель выполняет следующие функции: защита от возникновения электрической дуги, посредством ее распознавания, и выдачи сигнала управления; внутреннее самодиагностирование целостности датчиков дуги и микросхемы; защита от ложных срабатываний при возникновении импульсных электромагнитных помех большой мощности, а также от посторонних источников света, таких как фонарик, лампы накаливания, солнечный свет. Приемный элемент выбран таким образом, что спектр его максимальной чувствительности не совпадает со спектрами максимальных излучений посторонних источников света. Таким образом излучения посторонних источников света не создают достаточные для срабатывания уровни напряжения в приемном элементе. Приемный элемент (поз. 7) представляет собой фотодиод, преобразующий оптический сигнал в электрический. Передающий (излучающий) элемент (поз. 8) представляет собой светодиод, преобразующий тестовые электрические импульсы от микроконтроллера в оптические.
К устройству подключается до четырех датчиков дуги – по числу возможных замкнутых объемов ячейки комплектного распределительного устройства (КРУ), комплектного распределительного устройства наружной установки (КРУН) или камеры сборные одностороннего обслуживания (КСО). КРУ состоит из отсеков, разделенных металлическими перегородками, необходимых для безопасного выполнения работ внутри КРУ и для ограничения повреждения оборудования при дуговых внутренних замыканиях. КРУ может содержать от трёх до четырёх отсеков. Для большей надежности возможна установка нескольких датчиков дуги в одном отсеке. Защита от дуговых замыканий предназначена для отключения защищаемого присоединения при дуговом замыкании в отсеке ввода/вывода (кабельном) и формирования шинки ЗДЗ при дуговых замыканиях в отсеке выключателя. К шинке ЗДЗ подключены контакты всех устройств дуговой защиты расположенных в других ячейках КРУ и предназначенных для обмена логическими сигналами между устройствами дуговой зашиты, релейной защиты и их селективной работы. Действие ЗДЗ на отключение осуществляется только при дуговых замыканиях в отсеке ввода/вывода (кабельном), так как в этом случае отключение выключателя может предотвратить дальнейшее распространение аварийного режима без отключения всей секции шин. Для исключения неправильной работы ЗДЗ при ложных срабатываниях датчиков ЗДЗ, действие на отключение может контролироваться пусковыми органами максимально токовой защиты и пусковыми органами напряжения. При ложных срабатываниях датчиков защиты от дуговых замыканий может контролироваться пусковыми органами, что позволяет контролировать исправность датчика защиты от дуговых замыканий.
Устройство содержит четыре самодиагностируемых входа для подключения оптических датчиков дугового замыкания. Ввод, назначение и чувствительность входов определяется уставками. Действие каждого канала определяется индивидуальной уставкой, имеющей 4 положение:
Отключено – отключено, действие на включатель или секцию исключено;
На выключатель – на выключатель, срабатывание датчика формирует сигнал, действующий на отключение собственного выключателя;
На секцию – на секцию, срабатывание датчика формирует сигнал, действующий на отключение секции;
На выключатель и секцию – на выключатель и секцию, срабатывание датчика формирует сигналы на отключение выключателя и секции.
Функция защиты от дуговых замыканий в устройстве может работать как от внешних регистраторов дуговых замыканий, так и от собственных.
Оптический датчик дуги представляет собой светочувствительный элемент, выполненный из полимерного оптоволокна, покрытого оболочкой. Оптоволокно соединяется при помощи коннекторов с оптоволоконным кабелем связи, который при помощи самодиагностируемых входов подключен к микропроцессорному устройству.
В представленном устройстве реализован оперативный контроль работоспособности оптоэлектронных каналов за счет тестирования устройства. Оперативный контроль работоспособности оптоэлектронных каналов осуществляется системой тестирования устройства. Устройство 1 раз в 40 секунд в рабочем режиме и 10 раз в секунду в режиме тестирования формирует и фиксирует прохождение оптоэлектронного сигнала. Во время прохождения тестового импульса исключаются ложные срабатывания устройства. Оптоэлектронный сигнал формируется контрольными светодиодами устройства. Исправный датчик должен пропустить импульс до приемного фотодиода. В случае если значение приемного импульса окажется меньше порогового значения, выдается сигнал о неисправности.
Защита от дуговых замыканий в устройстве может использоваться при наличии внешних устройств дуговой защиты, в данном случае сигналы от датчиков, установленных в отсеке ввода/вывода (кабельном), подаются на дискретные входы. Сработанное состояние датчиков в отсеке отображается загоранием светодиодов на лицевой панели устройства.
Принцип работы: Оптоволокно, оптоволоконного датчика фиксируют яркую световую вспышку от электрической дуги своей боковой поверхностью. Далее этот сигнал передается по оптоволоконному кабелю связи на фотоэлектронный преобразователь-фотодиод, который преобразует оптический сигнал в электрический. Сигнал усиливается и поступает на микроконтроллер. Амплитуда сигнала сравнивается с пороговым уровнем срабатывания устройства. При превышении этого уровня устройство срабатывает и формирует при помощи электромеханических реле сигнал на отключение, который поступает на выключатель, установленный в ячейке или вышестоящие выключатели. Выключатель по этому сигналу производит соответствующие воздействия отключение подачи электроэнергии на поврежденную ячейку или секцию подстанции для предотвращения дальнейшего распространения электрической дуги.
Заявленное микропроцессорное устройство представляет собой одно устройство, реализованное в одном корпусе.
За счет заявленных существенных признаков полезной модели, расширяются функциональные возможности устройства, за счет расширения функционального состава, уменьшающего количество внешних связей устройства, например, с внешним устройством регистрации дуговых замыканий. Тем самым упрощается и увеличивается надежность схемы. Возможность подключения датчиков типа волоконно-оптических датчиков с диагностикой целостности оптического волокна увеличивает надежность и обеспечивает гальваническую развязку. Наличие измерительных токовых цепей позволяет выполнить дополнительный контроль дуговых замыканий по величине тока.