ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДУГОВОГО ЗАМЫКАНИЯ
OPTICAL ELECTRIC ARC CLOSURE SENSOR

Изобретение относится к устройствам релейной защиты и контроля, в частности - к конструкции оптического датчика электрической дуги, и может найти применение при проектировании и производстве указанных устройств.
Известен оптический датчик электрической дуги (Середа Н.Н., Харитонов В.В. Применение фототиристоров для защиты сетей при дуговых коротких замыканиях // Материалы семинара «Новые комплектные электротехнические устройства». - М.: Московский Дом науч.-техн. пропаганды, 1990. - С. 53-57.) [1], представляющий собой фототиристор, который размещается в контролируемом отсеке электрооборудования и подключается своими выводами к электронной схеме. В исходном состоянии, когда активная поверхности фототиристора не облучается световым потоком, электрическое сопротивление между его выводами велико. При возникновении электрической дуги происходит оптическое облучение активной поверхности фототиристора, в результате чего скачкообразно изменяется проводимость фототиристора. Она увеличивается на несколько порядков, и внутреннее сопротивление между выводами фототиристора резко уменьшается. Это скачкообразное уменьшение сопротивления между выводами фототиристора воспринимает электронная схема, к которой присоединены выводы тиристора, и электронная схема формирует управляющий сигнал на исполнительный элемент для отключения напряжения на контролируемом электрооборудовании. Известное устройство [1] отличается простотой реализации, однако ему свойственны недостатки - ошибочные срабатывания из-за электрических помех в соединительных проводниках, и, кроме того, низковольтные проводники размещаются близко к высоковольтным проводникам.
Указанных недостатков лишено известное устройство ПД-01м (Устройства защиты от дуговых замыканий ПД-01м, ПД-02/02м. // URL: https://rzasvstems.ru/teh-boibIioteka, время доступа - 28.08.2019 г., 11:22 мск) [2], оптический датчик которого выполнен на основе применения фотодиода, размещенного рядом с электронной схемой, световой поток к которому доставляется посредством отрезка оптического волокна, размещаемого в отсеке контролируемого электрооборудования, например в виде нескольких кольцевых витков, свободных от защитной светонепроницаемой оболочки. Один из торцов оптического волокна проецируется на активную область фотодиода, другой заглушается. В исходном состоянии фотодиод не облучается, электронная схема находится в исходном состоянии. При возникновении электрического дугового замыкания возникает оптическое излучение, которое через боковую поверхность оптического волокна проникает в него и за счет многократных внутренних отражений передается на фотодиод. Электронная схема определяет изменение электрического состояния фотодиода и при превышении некоторого заданного порога изменения состояния светодиода формирует управляющий сигнал на исполнительный элемент, в результате чего отключается напряжение на контролируемом электрооборудовании. Устройство [2] свободно от недостатков устройства [1], однако и ему присущ недостаток - отсутствует контроль целостности и исправности оптического датчика.
Указанного недостатка лишено известное устройство АРС40 (АРС40-АРК 01(02). Устройство защиты от дуговых замыканий. // URL: https://rzasvstems.ru/teh-boiblioteka, время доступа - 28.08.2019 г., 11:23 мск) [3] оптического датчика электрической дуги, который так же содержит фотодиод, отрезок оптического кабеля, освобожденный от светонепроницаемой защитной оболочки, свернутый в кольцо и размещенный в контролируемом отсеке электрооборудования, один торец которого проецируется на активную поверхности фотодиода, а второй торец проецируется на активную поверхности светодиода. Наличие в устройстве [3] светодиода позволяет формировать тестовый импульс оптического облучения фотодиода, контролируя не только наличие и исправность оптического волокна, но и исправности элементов электронной схемы, воспринимающих оптический сигнал. Данное устройство успешно решает вопрос контроля оптического тракта датчика, однако оно имеет пониженную чувствительность из-за восприятия оптического излучения электрического дугового замыкания боковой поверхностью.
Известна конструкция оптического датчика AFBR-S10PS010Z фирмы Broadcom(//VRL:http://catalog.gaw.ru/index.php?page=component_detail&id=81612, время доступа - 22.10.2019 г., 11:23 мск) [4], наиболее близкая по технической сути к заявляемому техническому решению и принятая за прототип, в которой применены два одинаковых по длине отрезка оптического волокна в светонепроницаемой защитной оболочке, при этом одни торцы отрезков проецируются на активные поверхности фото- и светодиода соответственно, другие же торцы отрезков размещены рядом в одной плоскости и введены в цилиндрический тонкостенный пластмассовый корпус с выпуклым сферическим дном так, что продольные оси отрезков параллельны оси цилиндрического корпуса. Корпус выполнен из пластмассы, непрозрачной в видимом оптическом диапазоне, закреплен на основании и обращен выпуклым сферическим дном внутрь контролируемого отсека электрооборудования, при этом в корпусе размещен прозрачный элемент в виде многогранной пирамиды, вершина которой направлена в сторону сферического дна.
Техническое решение [4] обладает существенным преимуществом перед аналогами благодаря тому, что оптическое излучение воспринимается торцом отрезка оптического волокна. Такое введение оптического излучения от электрической дуги в тело оптического волокна является для волокна естественным, именно на такой ввод формируются основные параметры оптоволокна при его разработке и производстве. Торцевой ввод обеспечивает наибольшую эффективность в передачи энергии светового излучения первым отрезком оптического волокна на активную поверхность фотодиода, что позволяет существенно повысить чувствительность оптического датчика. Введение торцов обоих отрезков оптического волокна в полый корпус со сферическим выпуклым наружу дном позволяет за счет отражения от внутренней сферической поверхности дна корпуса получить достаточно мощный тестовый оптический сигнал, формируемый светодиодом, активная поверхность которого взаимодействует с соответствующим торцом второго отрезка оптического волокна.
Недостатком известного технического решения [4], принятого за прототип, является то, что оно имеет сложную конструкцию, содержащую достаточно точно геометрически изготовленную пирамиду с плоскими гранями. Наличие дополнительного оптического элемента снижает световой поток, попадающий в итоге на торец оптического волокна.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением - упрощении конструкции.
Технический результат, достигаемый заявляемым решением - увеличение световой энергии, вводимой в оптическое волокно.
Технический результат достигается за счет того, что сферическое дно корпуса выполнено в виде плоско-выпуклой линзы, при этом внутренняя поверхность корпуса выполнена оптически диффузной, материал корпуса оптически прозрачен в видимом диапазоне светового излучения, а стенки корпуса могут иметь толщину, соизмеримую с его внешним диаметром.
На фиг. 1 а, б, в изображен предлагаемый оптический датчик электрической дуги с различным вариантом исполнения внутренней полости корпуса, где обозначено: 1 - корпус; 2 - внутренняя полость корпуса с оптически диффузной поверхностью; 3 - плоско-выпуклая линза, 4 - один отрезок оптического волокна, например активный; 5 - другой отрезок оптического волокна, например контрольный.
Корпус 1 (см. фиг. 1) выполнен их пластмассы, оптически прозрачной в видимом диапазоне оптического спектра. В корпусе 1 имеется коаксиальная внутренняя полость 2, поверхность которой выполнена оптически диффузионной, например - с повышенной шероховатостью, которая приводит к рассеянию падающего на нее оптического потока их контрольного отрезка 5 оптического волокна. Дно полости 2 может иметь разный профиль сечения, примеры которого представлены на эпюрах а, б, в на фиг. 1. Вид профиля дна полости 2 выбирается исходя из обеспечения наилучшего прохождения контрольного оптического сигнала путем засветки дна или отражения от него и попадания таким образом тестового излучения на торец активного отрезка 4 оптического волокна. Дно корпуса 1 выполнено в виде плоско-выпуклой линзы 3, оптический фокус которой находится внутри объема полости 2. Практически диаметр корпуса 1 имеет значение около 10 мм, диаметр светопроводящей жилы оптического волокна равен 1 мм. Принимающий и излучающий торцы отрезков 4 и 5 оптического волокна соответственно установлены так, чтобы они находились в одной горизонтальной плоскости и в фокусе плоско-выпуклой линзы 3.
Работает предлагаемое устройство следующим образом.
Не показанные торцы отрезков 4 и 5 оптического волокна введены во взаимодействие с активными поверхностями фотодиода и светодиода (условно не показано). В исходном состоянии осуществляется периодический контроль состояния оптического тракта датчика. Тестирование исправности оптического канала осуществляется короткими импульсами оптического излучения, формируемыми светодиодом под управлением электронной схемы (условно не показано). Тестовый импульс от светодиода проходит через отрезок 5 оптического волокна и освещает диффузное дно полости 2. Возникшее отраженное оптическое свечение воспринимается активным отрезком 4 оптического волокна и передается на активную поверхность фотодиода, изменяя его электрические параметры. Электронная схема контролирует ожидаемое получение фотодиодом тестового импульса и принимает решение об исправности либо о неисправности оптического тракта датчика.
При возникновении электрической дуги оптическое излучение дуги освещает плоско-выпуклую линзу 3, которая собирает излучение в область полости 2, которая близка к положению фокуса плоско-выпуклой линзы 3. В этой же области полости 2 расположен торец активного отрезка 4 оптического волокна. Фокусировка оптического излучения приводит к существенному увеличению энергии оптического излучения, попадающему на торец активного отрезка 4 оптического волокна. Передаваемое по активному отрезку 4 оптического волокна сконцентрированное оптическое излучение попадает на активную поверхность фотодиода, изменяя его электрическое состояние. Электронная схема по изменению электрического состояния фотодиода определяет факт возникновения электрической дуги и формирует воздействие на исполнительный механизм отключения электрооборудования.
Предлагаемое устройство промышленно реализуемо, так как технология изготовления пластмассового корпуса из оптически прозрачного материала применяется во многих промышленных отраслях и является обычной, рядовой технологией. Формирование дисперсной поверхности полости 2 также не представляет трудностей, ее можно получить, например, обычной механической обработкой полости 2 как с образованием стружки, так и без образования. Остальные элементы предлагаемого оптического датчика выпускаются промышленностью в значительных объемах.
Предлагаемое устройство за счет наличия в его конструкции плосковыпуклой линзы, диаметр которой на порядок превышает диаметр оптического волокна, позволяет собрать и сформировать на торце активного отрезка оптического волокна существенно большую оптическую энергию от электрической дуги, нежели известные технические решения. Это позволяет повысить чувствительность оптического датчика электрической дуги.