ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ОТКРЫТОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ ДУГОВОЙ ЗАЩИТЫ КОМПЛЕКТНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к системам защиты электрооборудования, предназначенным для использования в энергетическом оборудовании. При возникновении открытой электрической дуги короткого замыкания датчик подает сигнал на аварийное отключение электроустановок, в том числе шкафов комплектных распределительных устройств внутренней и наружной установки (КРУ (Н)), комплектных трансформаторных подстанций, комплектных токопроводов. Датчик повышает локализационную способность защитных устройств.
Появление электрической дуги в отсеке КРУ (Н) вызывает в нем увеличение освещенности, что может быть использовано для построения защиты.
При разработке систем аварийной защиты от воздействия открытой электрической дуги электрораспределительного оборудования, в частности КРУ, решают разные задачи. Необходимо отключить отдельную ячейку КРУ при возникновении в этой ячейке электрической дуги, не отключая КРУ в целом. Либо надо отключить КРУ, если дуга возникла одновременно в двух и более ячейках. Устройство для отключения КРУ должно охватывать все его ячейки, иметь высокое быстродействие и не реагировать на электромагнитные помехи.
Известны устройства, содержащие фотодатчик, соединенный с электронным блоком электрическим кабелем. Фотореле "Молния-2" (Современные средства релейной защиты и противоаварийной автоматики. Каталог спецэкспозиции. - М.: Союзтехэнерго, 1989, С.15) используется для подачи сигнала на аварийное отключение КРУ. Устройство срабатывает при непосредственном попадании вспышки света от электрической дуги на фотодатчик, в качестве которого использован фоторезистор. Поэтому для отключения КРУ в целом, состоящего из нескольких ячеек, необходимо устанавливать свой фотодатчик в каждой ячейке и соединять их электрическим кабелем.
В этом случае отключение отдельной ячейки КРУ возможно, только если электронный блок содержит отдельные исполнительные реле и каналы обработки на каждый датчик. Недостатками также являются помехи и низкая надежность, вызванная уязвимостью электронного блока в случае контакта с датчиком дуги высокого напряжения.
Общим недостатком указанного решения и других подобных решений является их низкая помехоустойчивость, обусловленная воздействием электромагнитных помех на линии связи, что приводит к необходимости отстройки от помех путем введения временных задержек, частотной фильтрации или увеличения уровней срабатывания реагирующих органов. Для уменьшения длины линий связи такие устройства необходимо устанавливать в каждом шкафу КРУ (Н), что требует значительных затрат в связи с широким распространением КРУ в энергосистемах и на промышленных предприятиях.
Известно устройство дуговой защиты УДЗ-1 (Никитаев О.В., Селиванин А.У. Применение дуговых защит в комплексных распределительных устройствах сельскохозяйственных подстанций. Эксплуатация устройств сельскохозяйственного электроснабжения. Сборник научных трудов. - М., 1989, С.44), содержащее выполненный из пластмассового волокна световод, фотоприемник, компаратор и исполнительный орган. Световод прокладывается в местах вероятного возникновения электрической дуги и соединяется с фотоприемником, подключенным к неинвертирующему входу компаратора, нагрузкой которого является исполнительный орган, отключающий КРУ.
Работает устройство следующим образом. При возникновении электрической дуги у световода подгорает или перегорает изоляционный слой. По светопроводящему каналу свет попадает на фотоприемник, где преобразуется в электрический аналог, который сравнивается на компараторе с заданным уровнем напряжения, превышение которого свидетельствует о появлении электрической дуги. В этом случае сигнал с компаратора вызывает срабатывание исполнительного органа, который отключает КРУ в целом. Данное устройство позволяет охватить несколько ячеек за счет прокладки световода в этих ячейках.
Недостатком является расчет на повреждение боковой стенки изоляции световода, а также невозможность отключения отдельной ячейки КРУ, в которой возникла электрическая дуга. В случае возникновения электрической дуги в одной ячейке отключается КРУ в целом. Это обусловлено тем, что длина световода достаточно велика и не позволяет заранее предсказать или точно определить место образования дуги. Датчик же позволяет фиксировать только момент возникновения электрической дуги. Из его единственного выходного сигнала невозможно выделить две независимые величины, необходимые для расчета: мощность дуги W и ее местоположение s.
Известно также выбранное в качестве прототипа устройство, раскрытое в патенте Российской федерации №2187871. (МПК Н02Н 7/22, опубл. 20.08.2002 г.). Оно содержит внутренний фотодатчик и светопроводный кабель, заканчивающийся выносным диффузным рассеивателем, позволяющим расширить диаграмму направленности практически до круговой и существенно снизить чувствительность к загрязнениям. Фотодатчики могут быть реализованы на основе фотодиодов, фоторезисторов, фототранзисторов, оптоволоконных датчиков освещенности. Подобный рассеиватель должен иметь стабильные во времени и повторяемые от экземпляра к экземпляру оптические характеристики, а также выдерживать без ухудшения свойств механические удары и т.д.
Недостатком устройства является высокая стоимость, обусловленная необходимостью изготовления оптических деталей из дорогостоящих материалов с высокими требованиями к качеству материала, геометрическим размерам, текстуре и чистоте поверхностей, а также жесткими требованиями к качеству сборки.
В основу настоящей полезной модели положена задача снижения стоимости изделия при сохранении требуемых потребительских качеств путем упрощения конструкции и снижения жесткости технологических допусков, а также применения доступных материалов.
Технический результат состоит в обеспечении надежности и безопасности систем аварийной защиты электрораспределительного оборудования, в частности КРУ, от воздействия открытой электрической дуги, уменьшении затрат времени для монтажа и подключения системы, сокращении затрат на ее обслуживание и эксплуатацию, а также в обеспечении высокого быстродействия и помехоустойчивости датчика.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в волоконно-оптическом датчике открытой электрической дуги дуговой защиты комплектных распределительных устройств, содержащем фотоэлектрический датчик соединенный со световодом, второй конец световода оборудован диффузным рассеивателем, в соответствии с полезной моделью, рассеиватель содержит цилиндрический наконечник, хотя бы часть которого выполнена из материала, характеризующегося объемным диффузным рассеянием.
Конструктивно наконечник можно выполнить цилиндрическим из листа, свернутого, по меньшей мере, в однослойный полый цилиндр, внутренний размер которого соответствует наружному размеру световода. Слоев может быть и больше одного. Цилиндр может иметь любое поперечное сечение. Он может быть круглым, овальным и даже граненым. Оптимально повторить форму наружной поверхности световода.
Цилиндрическая часть наконечника может быть выполнена и из трубки. Трубка может быть любой, но лучше и удобнее, если использована ее тонкостенная разновидность.
Наконечник также можно выполнить составным. В этом случае удобнее, если его внутренняя часть свернута из листа в полый цилиндр, а наружная часть наконечника выполнена из трубки.
В качестве материала для наконечника, характеризующегося объемным диффузным рассеянием, предложено использовать фторопласт, который может быть матовым.
Удобно, что рассеиватель снабжен элементами механического крепления наконечника.
Практично, что наконечник оборудован средством для подключения источника контрольного света.
На чертежах изображены различные варианты использования световода волоконно-оптического датчика открытой электрической дуги с наконечником диффузного рассеивателя в виде цилиндрической трубки. На фиг.1 показан наиболее часто используемый открытый конец световода с надетым на него наконечником в виде трубки. На фиг.2 показан конец световода с надетым на него наконечником в виде трубки, к которой подведен и подключен отрезок световода, соединенного с источником контрольного света.
Волоконно-оптический датчик открытой электрической дуги дуговой защиты комплектных распределительных устройств содержит фотоэлектрический датчик (на чертеже не показан), с которым соединен конец световода 1. Второй конец световода 1 оборудован диффузным рассеивателем 2. Рассеиватель 2 световода 1 содержит цилиндрический наконечник, хотя бы часть которого выполнена из материала, характеризующегося объемным диффузным рассеянием.
Датчик может быть снабжен элементами 3 механического крепления наконечника к деталям различных узлов комплектных распределительных устройств. Назначение этих элементов - сохранить место расположения и ориентацию наконечника в пространстве относительно деталей и узлов комплектных распределительных устройств в режиме их обычной эксплуатации и предотвратить механическое разрушение и уничтожение наконечника в аварийном режиме при возникновении в непосредственной близости от него не только открытой электрической дуги, но и других разрушительных воздействий. Форма и конструкция элементов крепления принципиального значения не имеют, поэтому они на чертеже не показаны.
Наконечник рассеивателя 2 предпочтительно изготавливать из фторопласта. Этот материал характеризуется объемным диффузным рассеянием. Фторопласт способен придать датчику сферическую диаграмму направленности, что позволяет качественно принять сигнал с любого направления. Хорошие результаты получены даже с прозрачным фторопластом, в том числе, с окрашенным. Однако лучшие результаты получены, когда применили матовый фторопласт, особенно матовый во всем объеме, а не только на поверхности.
Конструктивно рассеиватель 2 может быть выполнен из листа. Заготовку подходящего размера удобно намотать на световод 1 возле его торца и закрепить там любым удобным способом. Другими словами, необходимо свернуть заготовку в полый цилиндр, внутренний размер которого соответствует наружному размеру световода. Но гораздо практичнее применить готовую трубку подходящего размера. Независимо от того, использована готовая трубка, или она свернута из листовой заготовки, предпочтительно использовать тонкостенную трубку.
Преимущества использования предложенного решения заключаются в следующем. Исключена необходимость применять для приема сигнала фотоэлементы. Использование элементов с оптическим качеством приемных окон значительно ухудшает работу датчика в силу того, что оптические элементы для улучшения условий работы должны быть юстированы. В случае возникновения дуги в оборудованном датчиком шкафу КРУ (Н) фотоэлемент, который не направлен на дугу или на ее ближайшую периферию, при некоторых обстоятельствах может ее просто не «увидеть». Установка большого количества разнонаправленных элементов потребует дублировать и сети, и вычислительные (анализирующие) мощности. Такое дублирование серьезно удорожает систему.
Предложенное решение основано на том, что вспышка дуги представляет собой яркий световой сигнал, который световод способен передать непосредственно в фотоэлектрический датчик для обработки. Установленный на торце световода 1 рассеиватель 2 позволяет обнаружить, принять и затем передать в световод 1 сигнал с любого направления, а не только тот, который пришел по нормали к торцу световода 1. Нет необходимости юстировать датчик. Снижаются требования к монтажу: не имеет значения, плотно ли посажен наконечник рассеивателя 2 на световод 1, склеены они каким-либо видом клея, герметизированы или, наоборот, световод 1 просто вставлен в наконечник рассеивателя 2. Наконечник можно установить в любом удобном месте внутри шкафа и надежно закрепить его. Для этого и предусмотрены элементы механического крепления. Количество элементов механического крепления световода в шкафу и в других местах существенного значения не имеет.
Волоконно-оптический датчик требует периодического обслуживания и проверок. Для этих целей предусмотрена возможность подключить к датчику источник контрольного света. Таким источником может быть фонарь, дуговая лампа, лазерный источник. Установленный в шкафу среди другого оборудования датчик со своими световодами и наконечниками оказывается трудно доступен даже для проверок. Поэтому предусмотрено, что контрольный свет вводят в датчик по такому же световоду. Кончик световода, соедненного с источником, вставляют в наконечник рассеивателя 2, включают свет и производят необходимые манипуляции. При необходимости этот световод тоже можно закрепить на наконечнике элементами механического крепления.
Стабильность оптических характеристик наконечника во времени обеспечивается высокой стабильностью материала, из которого он изготовлен, поскольку рассеяние света происходит в его толще. Практические исследования показали, что результат не зависит от формы наконечника. Поэтому как наиболее технологичный выбран вариант с использованием трубки, выпускаемой серийно.
Повторяемость результатов от экземпляра к экземпляру обеспечивается гомогенностью материала, не требующего тщательной дозировки компонентов при литье, а также высокой однородностью свойств материала в партиях поставки.
Механическая прочность обеспечивается эластичностью самого материала.
Устройство работает со вспышками света, поэтому оно характеризуется высоким быстродействием и не реагирует на электромагнитные помехи.
Стоимость изделия снижена за счет исключения необходимости использования дорогостоящих комплектующих при его изготовлении и отказа от выполнения котировочных и других работ, требующих при его эксплуатации присутствия высококвалифицированного персонала.
Несмотря на упрощение конструкции и снижение жесткости технологических допусков, а также благодаря применению доступных материалов сохранены требуемые потребительские качества волоконно-оптического датчика открытой электрической дуги дуговой защиты комплектных распределительных устройств.