Устройство дуговой защиты

Заявляемое техническое решение относится к области электротехники, а именно к электротехническому оборудованию релейной защиты и автоматики высоковольтных электрических подстанций, и предназначено для защиты шкафов комплектных распределительных устройств (КРУ) электрических подстанций 0,4-35 кВ при возникновении коротких замыканий, сопровождаемых открытой электрической дугой, путем формирования сигналов управления на отключение высоковольтных выключателей.
Известно, например, микропроцессорное устройство релейной защиты от дуговых замыканий (RU 194840 U1, 25.12.2019, [1]), содержащий корпус, в котором установлены объединенные общей шиной данных: блок индикации (БИ), блок микропроцессорный содержащий, по меньшей 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.
Также известно волоконно-оптическое устройство дуговой защиты комплектных распределительных устройств электрических подстанций 0,4-35 кВ (RU 49387 U1, 10.11.2005, [2]), содержащее оптоэлектронный блок и волоконно-оптические датчики, радиально подключенные к блоку. При этом в блоки фотоприемных устройств оптоэлектронного блока введены светодиодные излучатели. Волоконно-оптический кабель датчиков выполнен двухволоконным, один конец волоконно-оптического кабеля соединен с объективом, содержащим отражательный элемент, другой - раздвоенный, оконцован коннекторами и подключен к фотоприемному устройству и светодиодному излучателю.
Указанный аналог [2] является по совокупности существенных признаков наиболее близким аналогом того же назначения к заявляемому техническому решению. Поэтому он принят в качестве прототипа.
Решаемыми техническими проблемами являются:
необходимость постоянного контроля целостности кабеля волоконно-оптических датчиков и работоспособности фотоприемного устройства;
необходимость повышения помехоустойчивости;
обеспечение возможности произвольно задавать алгоритм работы выходных реле.
У аналога [1] и прототипа [2] возможно отключение электрической системы в том случае, если устройство ошибочно распознает раскаленный газ как электрическую дугу. Кроме того, у прототипа [2] низкая помехоустойчивость при регистрации дугового разряда и отсутствует возможность произвольно задавать алгоритм работы выходных реле, как зависимость от комбинаций срабатываний датчиков и дискретных входов.
Техническим результатом заявленного технического решения является повышение надежности устройства.
Технический результат достигается тем, что устройство дуговой защиты содержит блок детектирования света и тестирования, микроконтроллер, блок управления, блок дискретных выходов, блок дискретных входов и волоконно-оптические датчики, при этом волоконно-оптические датчики радиально подключены к блоку детектирования света и тестирования, при этом блок детектирования света и тестирования содержит светодиодные излучатели и фотоприемные устройства, которые выполнены таким образом, что тестирующий оптический импульс от светодиодного излучателя распространяется по входному оптическому волокну кабеля датчика до отражательного элемента объектива волоконно-оптического датчика, отражается от отражательного элемента и возвращается по выходному оптическому волокну кабеля датчика к фотоприемному устройству, при этом
микроконтроллер встроен в блок детектирования света и тестирования и содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровой фильтр верхних частот для подавления низкочастотных составляющих фонового освещения и сравнения с опорным напряжением;
блок детектирования света и тестирования, блок управления, блок дискретных выходов и блок дискретных входов электрически соединены между собой цифровой последовательной шиной CAN;
каждое реле блока дискретных выходов выполнено с возможностью срабатывания как результат логической функции, описываемой с помощью функция булевой алгебры И, ИЛИ, а также функции инверсии, при этом в качестве переменных функций используются сигналы срабатывания волоконно-оптических датчиков и дискретных входов, которые поступают к блоку дискретных выходов посредством шины CAN.
Вышеуказанная сущность является совокупностью существенных признаков заявленного технического решения, обеспечивающих достижение заявленного технического результата.
Авторами заявленного технического решения изготовлен опытный образец этого решения, испытания которого подтвердили достижение технического результата.
На чертеже показана структурная схема устройства.
Перечень ссылочных обозначений:
1 - блок детектирования света и тестирования; 2 - блок управления; 3 - блок дискретных выходов; 4 - блок дискретных входов; 5 - блок питания; 6 - волоконно-оптические датчики; 7 - первичное питание (~(90-264)В и =(120-350)В); 8 - вторичное питание; 9 - выходные реле; 10 - сигналы от максимальной токовой защиты; 11 - отражательный элемент; 12 - оптические коннекторы; 13 - светодиодный излучатель; 14 - фотоприемное устройство; 15 - волоконно-оптический кабель; 16 - объектив датчика; 17 - тестирующие оптические импульсы; 18 - входное волокно кабеля датчика; 19 - выходное волокно кабеля датчика.
Устройство дуговой защиты содержит блок детектирования света и тестирования (1), блок управления (2), блок дискретных выходов (3), блок дискретных входов (4), блок питания (5) и волоконно-оптические датчики (6).
Каждый волоконно-оптический датчик (6) содержит объектив (16), собирающий световой поток от дуги, вызванной коротким замыканием. Объектив (16) соединен с входным оптическим волокном кабеля датчика (18) и выходным оптическим волокном кабеля датчика (19).
Блок детектирования света и тестирования (1) содержит светодиодные излучатели (13), фотоприемные устройства (14) и микроконтроллер, осуществляющий мониторинг состояния волоконно-оптического кабеля (15).
Микроконтроллер встроен в блок детектирования света и тестирования (1) и содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровой фильтр верхних частот для подавления низкочастотных составляющих фонового освещения и сравнения с опорным напряжением.
Микроконтроллер подает на вход светодиодного излучателя (13) электрические тестирующие импульсы. Светодиодный излучатель (13) преобразует электрические тестирующие импульсы от микроконтроллера в оптические тестирующие импульсы, распространяющиеся по входному оптическому волокну кабеля датчика (18) до отражательного элемента (11) объектива (16). Оптические тестирующие импульсы, отраженные от отражательного элемента (11) объектива (16), распространяются по выходному оптическому волокну кабеля датчика (19) до фотоприемного устройства (14).
Фотоприемные устройства (14) предназначены для преобразования принятого светового сигнала в электрический и усиления его. Выход электрического сигнала фото приемного устройства (14) соединен с АЦП, где преобразуется в цифровую форму в виде потока отчетов. Выход цифрового сигнала АЦП соединен с фильтром верхних частот, выходные отчеты которого, соответствующие временному интервалу появления отраженного импульса, анализируются микроконтроллером.
Блок детектирования света и тестирования (1), блок управления (2), блок дискретных выходов (3) и блок дискретных входов (4) электрически соединены между собой цифровой последовательной шиной CAN.
Сообщения с информацией о номере сработавшего датчика при регистрации электрической дуги блока детектирования света и тестирования (1) передаются блоку дискретных выходов (3) и блоку управления (2) посредством последовательной шины CAN.
Блок дискретных входов (4) предназначен для преобразования электрических сигналов наличия тока короткого замыкания в сообщения последовательной шины CAN. Эти сообщения передаются блоку дискретных выходов (3) и блоку управления (2) посредством последовательной шины CAN.
Блок дискретных выходов (3) предназначен для анализа поступающих по последовательной шине CAN сообщений и срабатывания выходных реле (9). Сообщения с номером сработавшего реле (9) передаются блоку управления (2) посредством последовательной шины CAN.
Блок управления (2), на основании информации из сообщений, поступающих по последовательной шине CAN, формирует индикацию текущего состояния устройства, а именно: наличие неисправности (обрыве) кабеля датчика, срабатывании датчика, срабатывании выходных реле. Информация о номере сработавшего датчика и номерах сработавших выходных реле (9) записывается в энергонезависимую память блок управления.
Реализация заявляемого технического решения не ограничивается приведенным выше примером.
Описание работы.
1. С целью осуществления функции контроля целостности кабеля волоконно-оптических датчиков и работоспособности фото приемного устройства (14) микроконтроллер блока детектирования света и тестирования (1) формирует электрический сигнал в форме импульса (тестирующий импульс), который поступает на вход светодиодного излучателя (13) и преобразуется в оптический импульсный сигнал.
Упомянутый оптический сигнал распространяется по входному оптическому волокну кабеля датчика (18), доходит до поверхности отражательного элемента (11) объектива датчика (16), отражается от нее в выходное оптическое волокно кабеля датчика (19), с выхода которого попадает на вход фото приемного устройства (14).
В фотоприемном устройстве (14) оптический сигнал преобразуется в электрический сигнал, усиливается и подается на вход встроенного в микроконтроллер АЦП, который выполняет преобразование электрического сигнала в цифровой.
Группа отсчетов цифрового сигнала, соответствующая временному интервалу появления, отраженного от отражательного элемента (11) тестирующего импульса, поступает на вход фильтра верхних частот. Значение отсчетов сигнала с выхода фильтра верхних частот сравнивается с опорным значением.
Если значения отсчетов превышают опорное значения, то микроконтроллер блока детектирования света и тестирования (1) принимает решение о том, что кабель волоконно-оптических датчиков (6) не поврежден и фото приемное устройство (14) работоспособно.
2. С целью повышения помехоустойчивости при регистрации дугового разряда объектив датчика (16) собирает световой поток в зоне наблюдения. Собранный световой поток передается по выходному оптическому волокну кабеля датчика (19) к входу фотоприемного устройства (14).
В фотоприемном устройстве (14) оптический сигнал преобразуется в электрический сигнал, усиливается и подается на вход встроенного в микроконтроллер АЦП.
АЦП выполняет преобразование электрического сигнала в цифровой.
Отсчеты цифрового сигнала, за исключением тех, которые соответствуют временному интервалу появления, отраженного от отражательного элемента (11) тестирующего импульса, поступает на вход фильтра верхних частот.
В отличие от прототипа [2] фильтр верхних частот позволяет избавиться от влияния на датчики постоянного фонового освещения, а также включения/выключения осветительных приборов (лампы накаливания, газоразрядные лампы, фонарики и т.д.).
Значение отсчетов сигнала с выхода фильтра верхних частот сравнивается с опорным значением. И если значения отсчетов превышают опорное значения, то микроконтроллер блока детектирования света (1) и тестирования принимает решение о наличии дугового разряда.
Микроконтроллер передает сообщение по CAN шине, содержащее номер сработавшего датчика (6), блоку дискретных выходов и блоку управления.
3. В отличие от аналога [1] и прототипа [2] устройство выполнено с возможностью произвольно задавать алгоритм работы выходных реле (9) блока дискретных выходов (3), как зависимость от комбинаций срабатываний датчиков и дискретных входов (программируемая логика). Данная особенность позволяет сформировать для каждого реле блока дискретных выходов (3) алгоритм работы (срабатывания) как результат логической функции, описываемой с помощью функции булевой алгебры И, ИЛИ, а также функции инверсии.
В качестве переменных функции используются сигналы срабатывания датчиков (6) и дискретных входов, которые поступают к блоку дискретных выходов (3) посредством сообщений CAN шины.
Алгоритм работы описывается в виде функциональной схемы, создаваемой в специализированом редакторе (программе) на ПК. Полученная схема трансформируется в машинные коды, которые записываются в память блока дискретных выходов (3). Запись данных с ПК в устройство производится через интерфейс USB, порт которого в устройстве расположен в блоке управления (2).
Блок дискретных выходов (3) получает сообщения CAN шины от блока детектирования света и тестирования (1) с номерами сработавших датчиков и от блока дискретных входов (4) с номерами сработавших дискретных входов.
Каждое сообщение содержит информацию, помимо номера сработавшего элемента, о начале или прекращении срабатывания элемента.
На примере срабатывания датчика (6): после принятия микроконтроллером блока детектирования света и тестирования (1) решения о срабатывании датчика (6), он отправляет посредством CAN шины сообщение о начале срабатывания датчика (6) с указанием его номера. Через некоторый, заранее заданный промежуток времени, микроконтроллер отправляет сообщение о прекращении срабатывания датчика (6), при условии, что датчик (6) не продолжает регистрировать дуговой разряд.
При поступлении в блок дискретных выходов (3) такого сообщения микроконтроллер блока дискретных выходов (3) запускает подпрограмму расчета состояния выходных реле (9), используя данные функциональной схемы, записанной в его память.
Если условия срабатывания конкретного реле совпали и результат расчета логической функции работы данного реле оказался положительным, то происходит срабатывание данного реле.
Заявляемое техническое решение реализовано с использованием промышленно выпускаемых устройств и материалов, может быть на любом электротехническом предприятии и найдет широкое применение для защиты от дуговых замыканий.