УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ПРИ ДУГОВОМ ПРОБОЕ

Полезная модель относится к области электротехники и электроники, а именно, к устройствам защиты при дуговом пробое в электрических сетях, и может быть использована в быту и на производстве для защиты электрических цепей при дуговом пробое.
Устройство защиты при дуговом пробое (УЗДП) предназначено для снижения нежелательных эффектов, возникающих при искрении (дуговом пробое) в контролируемой, или защищаемой, цепи путем разъединения питающей сети и защищаемой цепи. Требования к УЗДП определены ГОСТ IEC 62606-2016 «Устройства защиты бытового и аналогичного назначения при дуговом пробое. Общие требования», либо иными техническими требованиями, предъявляемыми к УЗДП в электрических сетях и электроустановках.
Электрические сети обычно защищаются модульными автоматическими выключателями и устройствами защитного отключения (УЗО). Однако данные устройства не способны вовремя определять периодически возникающие искрения и дуговые пробои и, таким образом, не обеспечивают полную защиту от возможного возгорания и пожара. Случайно возникающие искрения не всегда приводят к серьезным последствиям, но электрические дуги могут очень быстро привести к сильному локальному повышению температуры.
Из патента РФ RU2660285 (опубликован 05.10.2017; МПК G01R31/08, G01R15/14, H02H7/26) известно устройство защиты от искрения (УЗИс), которое содержит блок питания, по меньшей мере один блок считывания напряжения, по меньшей мере один датчик тока, блок выделения высокочастотных сигналов тока, блок выделения среднечастотных сигналов тока, микроконтроллер и орган отключения. Микроконтроллер взаимодействует с указанными блоками для измерения и анализа сигналов тока в высокочастотной области и среднечастотной области, а также сигналов напряжения в среднечастотной области и низкочастотной области, на основании чего определяет событие единичного искрового разряда, накапливает информацию о единичных искровых разрядах, сохраняет ее в виде параметра искрения и вырабатывает сигнал отключения по достижении параметром искрения заданного значения. Орган отключения предназначен для отключения защищаемой цепи от сети по сигналу отключения.
Известное УЗИс обеспечивает повышение точности определения события искрения, снижение количества ложных срабатываний, увеличение зоны обслуживания, количества подключенных электроприборов, протяженности и разветвленности защищаемой цепи. Однако оно также характеризуется отсутствием функции самотестирования, что повышает вероятность неверного определения события искрения или вообще невозможность такого определения, например, по причине неисправности датчика тока.
Также известно УЗДП семейства SIEMENS 5SM6 (см. по ссылке https://assets.new.siemens.com/siemens/assets/api/uuid:8591ea1d52328862b34a9b9925defa4062aa3f2a/version:1527519761/afd-5sm6-ru.pdf, опубл. 2012 г.), которое выбрано в качестве ближайшего аналога настоящей полезной модели.
Как и описанное выше УЗИс, УЗДП семейства SIEMENS 5SM6 позволяет посредством модуля управления определять событие искрения в защищаемой цепи и формировать сигнал расцепителю (органу отключения) на разъединение питающей сети и защищаемой цепи. Кроме того, в ближайшем аналоге реализована функция самотестирования, схема которой из описания SIEMENS 5SM6 приведена на фиг. 1. Самотестирование автоматически запускается через установленные промежутки времени с целью проверки работоспособности микропроцессора и алгоритмов определения. Программное обеспечение микроконтроллера генерирует синтетические высокочастотные и токовые сигналы – сигналы самотестирования, которые подобны сигналам дугового пробоя, и эти сигналы самотестирования поступают в цепь обнаружения системы после датчика тока и высокочастотного датчика, а затем оцениваются аналоговой цепью и микроконтроллером. Далее микроконтроллер генерирует команду отключения, причем во время самотестирования сигнал отключения для реле расцепления отключается на короткое время, чтобы избежать практического отключения устройства. После успешного завершения проверки путь отключения снова вводится в действие. Отрицательный результат проверки приведет к немедленному отключению устройства. Самотестирование будет отложено, если существуют начальные признаки реального дугового пробоя или повышенное потребление тока в соответствующей распределительной цепи выше среднего уровня.
Как следует из описания и схемы самотестирования ближайшего аналога, устройство генерирует сигналы самотестирования, только лишь имитирующие дуговой пробой при самотестировании, и подает их в цепь параллельно сигналам датчика тока и высокочастотного датчика. В этом случае неисправность любого датчика (например, при обрыве цепи, неправильной полярности, неадекватном сердечнике трансформатора и др.) не будет обнаружена при самотестировании, а значит, станет невозможным и точное и однозначное обнаружение дугового пробоя, что является существенным недостатком ближайшего аналога.
Задачей настоящей полезной модели является устранение вышеуказанного недостатка известных устройств и создание такого УЗДП, в котором функция самотестирования предусматривает подачу реальных, а не моделируемых, тестирующих импульсов непосредственно в защищаемую цепь, что, как следствие, обеспечивает проверку датчиков устройства и практически всех цепей прохождения сигналов и принятия решений о наличии события искрения (пробоя) в защищаемой цепи без прерывания работы устройства.
Техническим результатом является повышение надежности работы УЗДП с функцией самотестирования за счет расширения его функциональных возможностей, обеспечивающих проверку работы устройства и его компонентов и возможность подстройки срабатывания устройства по порогу тока искрения путем оценки отклика на калиброванный по амплитуде скачок тока, производимый в конкретной цепи, защищаемой данным УЗДП.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается в предлагаемом устройстве защиты при дуговом пробое, включающем блок считывания напряжения, датчик тока, блок выделения высокочастотных сигналов тока, блок выделения среднечастотных сигналов тока, микроконтроллер, блок питания, орган отключения и блок самотестирования. При этом блок самотестирования включен со стороны защищаемой цепи с возможностью подачи сигнала самотестирования в защищаемую цепь для их регистрации датчиком тока.
В отличие от ближайшего аналога, в котором сигнал самотестирования подается параллельно датчику тока и высокочастотному датчику, в заявленном УЗДП сигнал самотестирования подается в защищаемую линию и детектируется датчиком тока, что позволяет проверить работу практически всех цепей прохождения сигналов и принятия решений в устройстве, а также проводить начальную и периодическую автоматическую подстройку по порогу тока искрения под реальные параметры защищаемой цепи в данной инсталляции устройства.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается также в частных вариантах исполнения УЗДП согласно данной полезной модели.
Так, в предпочтительном варианте исполнения УЗДП блок самотестирования содержит управляемый ключ и высокоточный резистор. При этом микроконтроллер может быть выполнен с возможностью генерирования управляющего импульса с амплитудой, достаточной для перевода управляемого ключа в полностью открытое состояние.
Кроме того, блок считывания напряжения может быть выполнен с возможностью считывания низкочастотного напряжения и среднечастотного напряжения.
Далее полезная модель более подробно поясняется со ссылками на фигуры, где:
на фиг. 1 приведена схема внутренней функции самотестирования ближайшего аналога согласно технологическому руководству на УЗДП семейства SIEMENS 5SM6;
на фиг. 2 приведена упрощенная блок-схема варианта исполнения заявленного УЗДП;
на фиг. 3 приведена схема варианта исполнения блока самотестирования для использования в заявленном УЗДП;
на фиг. 4 приведен пример формы измеренных сигналов тока от сигнала самотестирования.
В целом, не считая наличия блока самотестирования и реализации соответствующей функции самотестирования, заявленное УЗДП может быть реализовано на базе (или аналогично) УЗИс, описанного в патенте РФ RU2660285. По этой причине далее будет приведено краткое описание аналогичных компонентов заявленного УЗДП и указанного известного УЗИс и их функционирования, а более подробные данные можно найти в указанном патенте.
Заявленное УЗДП 1 содержит блок 2 считывания напряжения, датчик 3 тока, блок 4 выделения высокочастотных сигналов тока, блок 5 выделения среднечастотных сигналов тока, микроконтроллер 6, блок 7 питания, орган 8 отключения и блок 11 самотестирования (фиг. 2).
УЗДП 1 включается в линию между вводным щитом 9 или другим источником питания, или сетью, и электроустановками 10 защищаемой цепи.
Блок 2 считывания напряжения может включать в себя датчик низкочастотного напряжения и датчик среднечастотного напряжения. Датчик низкочастотного напряжения совместно с микроконтроллером 6 используется для регистрации и последующего анализа текущего значения сетевого напряжения с достаточно большой частотой выборки, в частности, 10–40 кГц. Датчик среднечастотного напряжения совместно с микроконтроллером 6 используется для регистрации и последующего анализа импульсов напряжения в среднечастотной области примерно от 1 до 50 кГц. Блок 2 считывания напряжения может иметь любое известное исполнение и в простейшем случае представляет собой делитель напряжения для измерения в низкочастотной области и дифференцирующую цепь для измерения в среднечастотной области. Специалисту будет понятно, что блок 2 считывания напряжения может иметь и другую подходящую конструкцию, определяемую, в том числе, алгоритмом установления события искрения в защищаемой цепи.
Датчик 3 тока предназначен для получения сигналов тока, из которых далее, посредством блока 4 выделения высокочастотных сигналов тока, блока 5 выделения среднечастотных сигналов тока и микроконтроллера 6, выделяются и анализируются соответственно среднечастотные сигналы тока (измерение тока в области примерно от 0,1 до 20 кГц) и высокочастотные сигналы тока (измерение тока в области примерно от 1 до 10 МГц). Датчик 3 тока может иметь любое известное исполнение и в простейшем случае представляет собой трансформатор тока. Специалисту будет понятно, что датчик 3 тока может иметь и другую подходящую конструкцию, определяемую, в том числе, алгоритмом установления события искрения в защищаемой цепи.
Микроконтроллер 6 предназначен для обработки сигналов, поступающих от блока 2 считывания напряжения, блока 4 выделения высокочастотных сигналов тока и блока 5 выделения среднечастотных сигналов тока, определения события возникновения искрения в защищаемой линии и выработки управляющего сигнала для органа 8 отключения. Кроме того, микроконтроллер 6 формирует управляющий импульс для активации блока 11 самотестирования, о чем будет подробно сказано ниже.
Блок 7 питания обеспечивает питание микроконтроллера 6 и, если необходимо, органа 8 отключения.
Орган 8 отключения при поступлении управляющего сигнала от микроконтроллера 6 разрывает цепь питания электроустановок 10, т.е. отключает защищаемую цепь от сети. Разрыв цепи в зависимости от конструктивного исполнения устройства может производиться не только в пути L тока фазы (как для примера показано на фиг. 2), но и в пути N тока нейтрали.
Работа УЗДП 1 в обычном режиме защиты цепи, не включающем режим самотестирования, в целом соответствует работе УЗИс, известного из патента РФ RU2660285. Поэтому далее приведено краткое описание работы УЗДП 1 в обычном режиме.
Микроконтроллер 6 анализирует сигналы, поступающие от блока 2 считывания напряжения, и сигналы, поступающие от датчика 3 тока через блок 4 выделения высокочастотных сигналов тока и блок 5 выделения среднечастотных сигналов. Принятие решения о наличии в защищаемой цепи искрения производится в два этапа.
На первом этапе микроконтроллер 6 определяет наличие и производит оценку параметров единичного искрового разряда (ЕИР) в текущем полупериоде сетевого напряжения путем анализа и сопоставления сигнала от датчика низкочастотного напряжения для определения текущего напряжения сети, сигнала от датчика 2 тока в высокочастотной области, сигнала от датчика 2 тока в среднечастотной области и сигнала от датчика среднечастотного напряжения. После получения и анализа указанных сигналов микроконтроллер 6 определяет, есть ли ЕИР, и в случае положительного ответа далее, на втором этапе работы, последовательность подтвержденных ЕИР анализируется с целью определения искрения. При подтверждении искрения микроконтроллер 6 вырабатывает сигнал для органа 8 отключения на отключение защищаемой цепи от сети.
По сигналу от датчика низкочастотного напряжения определяется фаза перехода сетевого напряжения через ноль. Затем определяются временные промежутки, в которых будут производиться последующие измерения. Эти временные промежутки соответствуют участку роста модуля сетевого напряжения, поскольку на участках спада модуля сетевого напряжения повторяющийся пробой крайне маловероятен.
После подтверждения ЕИР в защищаемой цепи в данном полупериоде УЗДП 1 переходит ко второму этапу анализа. На втором этапе осуществляется переход от идентификации ЕИР к идентификации собственно искрения. Этот этап может быть реализован различными способами, например, известными из патента РФ RU2660285 и упомянутых в нем других источников информации.
В итоге, при подтверждении события искрения микроконтроллер 6 вырабатывает управляющий сигнал для органа 8 отключения, и орган 8 отключения производит отключение защищаемой цепи электроустановок 10 от сети.
Как было сказано выше, УЗДП 1 согласно настоящей полезной модели содержит блок 11 самотестирования, включенный со стороны защищаемой цепи, т.е. на выходе УЗДП 1, и выполненный с возможностью подачи сигнала самотестирования непосредственно в защищаемую цепь. Сигнал самотестирования детектируется датчиком 3 тока, как и любое событие, происходящее в защищаемой цепи, и далее обрабатывается микроконтроллером 6. Это позволяет проверить работу практически всех цепей прохождения сигналов и принятия решений в УЗДП 1.
Пример реализации блока 11 самотестирования приведен на фиг. 3 в виде принципиальной схемы.
В выбранном для самотестирования полупериоде сетевого напряжения при достижении этим напряжением определенного значения U0 (например, 200 В), измеряемого датчиком низкочастотного напряжения, на вход (отмечено как «Вход» на фиг. 3) ключевого элемента Q, например, на базе полевого транзистора IPN95R1K2P7, подается импульс с выхода микроконтроллера 6 длительностью около 100 мкс и амплитудой, достаточной для перевода ключевого элемента Q в полностью открытое состояние. Нагрузкой ключевого элемента Q является резистор R, размещенный между стоком транзистора и, через разъем Р, выходной фазной линией УЗДП 1 в точке после датчика 3 тока. В результате на выходе УЗДП 1 происходит скачок тока между фазовым и нейтральным проводом с амплитудой I = U0 / R, аналогичный скачку тока в защищаемой цепи. Формы сигналов тока от сигнала самотестирования на выходах блока 5 выделения среднечастотных сигналов тока (верхняя кривая 1) и блока 4 выделения высокочастотных сигналов тока (нижняя кривая 2) показаны на фиг. 4, где по горизонтальной оси отложено время, по вертикальной – величина тока.
Поскольку импульсы тока при самотестировании генерируются на выходе УЗДП 1 посредством управляемого ключа Q и высокоточного резистора R при известном текущем напряжении U0 сети, амплитуда данных импульсов задается с достаточно высокой точностью. Это позволяет использовать отклик датчиков УЗДП 1 при самотестировании для его автоматической подстройки по порогу тока искрения под реальные параметры защищаемой цепи в данной инсталляции УЗДП 1.
Таким образом, настоящая полезная модель обеспечивает новые функциональные возможности УЗДП, такие как подача реальных, а не моделируемых, тестирующих импульсов непосредственно в защищаемую цепь, что обеспечивает проверку датчиков устройства и практически всех цепей прохождения сигналов и принятия решений о наличии события искрения (пробоя) в защищаемой цепи без прерывания работы УЗДП.