ДЕТЕКТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ И СВЯЗАННЫЙ С НИМ СПОСОБ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ НЕЖЕЛАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДУГ
ELECTRIC ARC DETECTOR AND METHOD FOR DETECTION OF UNDESIRED ELECTRIC ARCS PERTAINING THERETO

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится главным образом к детектированию электрических дуг, а более конкретно к установлению различия между нормальными и нежелательными электрическими дугами.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Образование электрической дуги, т.е. электрический разряд, может произойти во многих электрических полях. Некоторые образования электрической дуги могут быть обыкновенной частью работы устройства, хотя некоторые образования электрической дуги являются нежелательными и могут даже быть опасными.
В качестве первого примера в силовых трансформаторах переключатели ответвлений под нагрузкой (ПОПН) используются для изменения подключений ответвлений трансформаторных обмоток, пока трансформатор находится под напряжением. Возникает образование некоторой электрической дуги, и желательно удерживать такое образование электрической дуги внутри вакуумной камеры, вместо того чтобы допустить образование электрической дуги в масле трансформатора. Образование электрической дуги в масле может привести к износу контактов и снижению качества масла. Поэтому желательно иметь возможность устанавливать различие между нормальным образованием электрической дуги внутри вакуумной камеры и нежелательным образованием электрической дуги снаружи вакуумной камеры. Исключение образования электрической дуги в масле позволяет использовать менее дорогой материал контактов и увеличить время между заменами масла, таким образом допуская более долгие интервалы между эксплуатационным обслуживанием.
В качестве второго примера как нормальное, так и нежелательное образование электрической дуги могут произойти в электрических двигателях, и желательно устанавливать различие между этими двумя образованиями электрической дуги.
Следовательно, существует необходимость в определении и установлении различия между нормальными электрическими дугами и нежелательными электрическими дугами.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является обеспечение детектора электрической дуги и способа детектирования и установления различия между нормальными электрическими дугами и нежелательными электрическими дугами.
Согласно изобретению предложен детектор электрической дуги для детектирования нежелательных электрических дуг. Детектор электрической дуги содержит антенну для приема электромагнитного сигнала, отображающего электрическую дугу, и дискриминатор для анализа сигнала от антенны, причем дискриминатор содержит спектроанализатор, выполненный с возможностью детектирования, отображает ли сигнал нормальную электрическую дугу или нежелательную электрическую дугу. Дискриминатор выполнен с возможностью детектирования, отображает ли сигнал нормальную электрическую дугу или нежелательную электрическую дугу посредством сравнения уровней сигнала на частотах спектра сигнала соответствующего, по меньшей мере, одному частичному опорному спектру, и определения электрической дуги в качестве нормальной электрической дугой, если отклонение от опорного спектра меньше, чем пороговое отклонение.
Спектроанализатор допускает для цели установления различия между нормальной и нежелательной электрическими дугами использование только сигнала от антенны. Более того, используя спектроанализатор, установление различия является независимым от времени, обеспечивая детектирование нежелательной электрической дуги в любой момент. Посредством использования порогового отклонения небольшие обычные отклонения от идеального сигнала интерпретируются также корректно. Пороговая величина может быть отрегулирована, как потребуется. Только посредством сравнения уровней сигналов на частотах, соответствующих одному или более частичным опорным спектрам, достигается более верное и надежное определение, особенно когда диапазоны частот для частичных опорных спектров выбирают там, где разница между нормальной и нежелательной электрической дугой определена как относительно большая.
Электрическая дуга может относиться к работе электрического устройства. Другими словами, любое электрическое устройство, где существуют нормальная и нежелательная электрические дуги, будет иметь преимущество от использования настоящего изобретения, например электрические машины, такие как трансформаторы, электродвигатели, прерыватели цепи и т.д.
Электрическая дуга может относиться к работе переключателя ответвлений под нагрузкой силового трансформатора, и нормальная дуга может быть дугой внутри вакуумной камеры переключателя ответвлений под нагрузкой, а нежелательная дуга может быть дугой снаружи вакуумной камеры. В переключателях ответвлений под нагрузкой силовых трансформаторов существуют и нормальные электрические дуги, и нежелательные электрические дуги, поэтому настоящее изобретение обеспечивает технический эффект.
Детектор электрической дуги может дополнительно содержать полосовой фильтр, выполненный с возможностью приема входного сигнала от антенны и обеспечения выходного сигнала к дискриминатору.
Детектор электрической дуги может дополнительно содержать смеситель, выполненный с возможностью приема входного сигнала от полосового фильтра, причем смеситель дополнительно соединен для приема входного сигнала от генератора, и фильтр нижних частот, выполненный с возможностью приема входного сигнала от смесителя и обеспечения выходного сигнала к дискриминатору.
Это делает возможным осуществление дополнительной обработки, выполняемой на низких частотах.
Детектор электрической дуги может дополнительно содержать: детектор огибающей, выполненный с возможностью приема входного сигнала от фильтра низких частот и обеспечения выходного сигнала к дискриминатору.
Второй аспект настоящего изобретения является способом детектирования нежелательных электрических дуг. Способ содержит этапы, на которых получают электромагнитный сигнал, отображающий электрическую дугу, используя антенну и обеспечивая сигнал к дискриминатору, и устанавливают различие в дискриминаторе между нормальной электрической дугой и нежелательной электрической дугой, используя сигнал от антенны. Этап установления различия содержит этапы, на которых используют спектроанализатор для установления различия между нормальной электрической дугой, и нежелательной электрической дугой и сравнивают уровни сигналов на частотах спектра сигнала, соответствующего, по меньшей мере, одному частичному опорному спектру, определяют электрическую дугу в качестве нормальной, если отклонение от опорного спектра меньшее, чем пороговое отклонение.
На этапе установления различия может устанавливаться различие между нормальной электрической дугой внутри вакуумной камеры переключателя ответвлений под нагрузкой для силового трансформатора и нежелательной электрической дугой снаружи вакуумной камеры.
На этапе определения отклонение может быть определено, используя вычисление среднеквадратичного значения.
Следует отметить, что любой признак первого аспекта может быть применен для второго аспекта и наоборот.
В целом, все термины, использованные в формуле изобретения, должны интерпретироваться согласно их обычных значений в области техники, если только не явно определено иное. Все ссылки к элементу, устройству, компоненту, средству, этапу должны быть интерпретированы открыто, как относящиеся, по меньшей мере, к одной единице элемента, устройства, компонента, средства, этапа и т.д., если только явно не указано иное. Этапы любого способа, раскрытого в материалах настоящей заявки, не должны быть осуществлены в точном раскрытом порядке, если только явно не указано иное.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг.1 изображает схему переключателя 102 ответвлений под нагрузкой трансформатора;
фиг.2 изображает схему детектора 231 электрической дуги, который может, например, быть использован с переключателем ответвлений под нагрузкой по фиг.1; и
фиг.3 изображает блок-схему последовательности операций способа детектирования нежелательных электрических дуг.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Настоящее изобретение теперь будет описано более полно ниже со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых показаны конкретные варианты осуществления изобретения. Это изобретение, однако, может быть воплощено во множестве разных форм и не должно быть истолковано как ограниченное вариантами осуществления, приведенными в материалах настоящей заявки; вернее, эти варианты осуществления предоставлены в качестве примера, так что это раскрытие будет полным и законченным и будет полностью передавать объем изобретения для специалистов в данной области техники. Одинаковые ссылочные номера указывают идентичные элементы по всему описанию.
На фиг.1 показана схема переключателя 102 ответвлений под нагрузкой трансформатора. Переключатель ответвлений под нагрузкой (ПОПН) используется для изменения соединения ответвлений обмоток трансформатора, когда трансформатор подключен к сети. Сначала будут объяснены компоненты ПОПН 102 с последующим сценарием их использования. Как показано на фиг.1, предусмотрено несколько соединений 107a-d ответвлений для соответствия различным напряжениям. Некоторые из этих соединений 107a-b ответвлений расположены на одной стороне и некоторые из этих соединений 107c-d ответвлений расположены на другой стороне. Существует два селектора 115a-b ответвлений на каждой стороне. Левый селектор 115a ответвлений соединен с соединением 107a ответвления и правый селектор 115b ответвлений здесь соединен с соединением 107c ответвления.
Зажим 103 используется для подключения нагрузки. Зажим соединен с двумя вакуумными переключателями 111a и 111b. Левый вакуумный выключатель 111a соединен с первым переключателем 109а селектора. Правый вакуумный переключатель 111b соединен с сопротивлением 105. Следует отметить, что сопротивление 105 может быть простым резистором или реакторным сопротивлением. Сопротивление 105 дополнительно соединено со вторым переключателем 109b селектора. Как можно увидеть, оба переключателя 109a-b селектора могут соединяться либо с левым селектором 115a ответвлений, либо с правым селектором 115b ответвлений.
В ситуации, показанной на фиг.1, оба переключателя селектора соединены с левым селектором 115a ответвлений. Хотя оба вакуумных переключателя 111a-b замкнуты, зажим 103 фактически соединен с левым селектором 115a ответвлений, который соединен с соединением 107a ответвления.
Теперь будет описан пример того, как зажим 103 снабжается новым напряжением без прерывания источника питания. Другими словами, нагрузка может быть соединена с зажимом 103 в ходе всей этой процедуры.
Первоначально селектор 115b ответвлений соединен с соединением ответвления, соответствующим желаемому новому напряжению. В этом примере под желаемым соединением ответвления подразумевается соединение 107c ответвления. Если требуется, селектор 115b ответвлений, который в текущий момент не находится под нагрузкой, осуществляет любое необходимое переключение для соединения с желаемым соединением ответвления (что здесь не требуется).
Затем левый вакуумный выключатель 111a размыкается, тем самым первый переключатель 109a ответвлений может переключиться так, что он соединится с правым переключателем 115b ответвлений. Первый переключатель 109a ответвлений находится вне нагрузки в ходе переключения, поскольку левый вакуумный переключатель 111a разомкнут.
Левый вакуумный переключатель 111a затем замыкается, соединяя зажим 103 через первый переключатель 109a ответвлений с правым переключателем 115b ответвлений. Сопротивление 105 исключает короткое замыкание между соединениями 107a и 107c ответвлений.
Правый вакуумный переключатель 111b затем размыкается, тем самым второй переключатель 109b ответвлений может переключиться так, что он соединится с правым селектором 115b ответвлений. Второй селектор 109b ответвлений находится вне нагрузки в ходе переключения, поскольку правый вакуумный переключатель 111b разомкнут.
В заключение, правый вакуумный переключатель 111b замыкается, тем самым зажим 103 соединяется с правым селектором 115b ответвлений и соединением 107c ответвления. Из-за сопротивления 105 почти весь ток будет протекать через левый вакуумный переключатель 111a и первый переключатель 109a ответвлений.
Таким образом, было проиллюстрировано, как зажим 103 теперь соединен с новым соединением ответвления, в то время как трансформатор все время находится в состоянии, обеспечивающем его подключение к сети. Хотя все размыкания и замыкания переключателей под нагрузкой осуществляются, используя вакуумные переключатели 111a-b, электрические дуги в масле не должны возникать в условиях обычной эксплуатации. Электрические дуги должны возникать в вакуумных переключателях 111a-b, но переключатели разработаны так, что они устойчивы к большому числу электрических дуг.
Этот способ работает таким же образом для соединения любых соединений 107a-b ответвления на левой стороне, с одной разницей в том, что переключатели селектора переключают в другом направлении.
Должно быть замечено, что число соединений ответвлений, показанных на фиг.1, выбрано только для иллюстративных целей; может быть предоставлено любое число подходящих соединений ответвлений.
На фиг.2 показана схема детектора 231 электрической дуги, который может, например, быть использован с переключателем 102 ответвлений под нагрузкой на фиг.1.
Детектор 231 электрической дуги содержит антенну 232, которая детектирует электромагнитный сигнал 230 от электрической дуги. Электромагнитный сигнал 230 является, например, излучением, которое может быть детектировано, даже если электрическая дуга образовалась внутри вакуумной камеры и вынуждена пройти сквозь стенки вакуумной камеры и любое окружающее масло. Также сигнал излучения от электрической дуги в масле может быть детектирован подобным образом. Следовательно, антенне 232 не требуется находиться в прямом контакте с источником электрической дуги. Сигнал от антенны 232 проходит сквозь коаксиальный кабель 234 к полосовому фильтру 236. Полосовой фильтр усиливает полосу частот, на которой сигнал электрической дуги более значителен. После усиления усилителем 238 сигнал смешивается в смесителе 240 с сигналом от генератора 242 для уменьшения частоты сигнала. Фильтр низких частот 244 дополнительно уменьшает ширину полосы. После другого усиления усилителем 246 детектор 249 огибающей необязательно создает огибающую сигнала, предоставленного от усилителя 246. В заключение, дискриминатор 248 устанавливает различие между нормальной электрической дугой внутри или нежелательной электрической дугой в любом месте снаружи вакуумной камеры 111a-b (фиг.1).
Дискриминатор 248 содержит спектроанализатор для установления различия между электрическими дугами внутри вакуумной камеры и электрическими дугами снаружи вакуумной камеры. Присутствие электрической дуги может, например, быть установлено посредством детектирования сигнала, по меньшей мере, конкретной амплитуды и/или сигнала, по меньшей мере, конкретной длительности.
Дискриминатор 248 работает посредством сравнения спектра сигнала, принятого от антенны, с опорным спектром. Дискриминатор определяет электрическую дугу как электрическую дугу, находящуюся внутри вакуумной камеры, если отклонение от опорного спектра меньше, чем пороговое отклонение. Альтернативно, может быть детектирована нежелательная электрическая дуга, если опорный спектр отображает нежелательную электрическую дугу. Другими словами, сигнал не должен быть таким же точно, как опорный сигнал для определения совпадения. Отклонение может быть детектировано, например, используя среднеквадратичное отклонение, но может быть использован любой другой подходящий механизм для определения отклонения. Опорный спектр может состоять из одного или более подспектров или частичных опорных спектров, выбранных при частотах, где было обнаружено, что разница между нормальной и нежелательной электрической дугой является достаточно большой. Каждый из этих частичных опорных спектров имеет наименьшую и наибольшую частоту, образующие полосу, и опорный уровень сигнала (или эквивалент) между наименьшей и наибольшей частотой.
Опорный спектр хранится в памяти 250, такой как оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, RAM), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, ROM), флэш-память, магнитная память, оптическая память или любой комбинации этих типов памяти. Сравнение дискриминатора 248 осуществляется посредством использования контроллера, который может быть любым доступным для коммерческого приобретения центральным процессором (ЦП, CPU), цифровым сигнальным процессором (ЦСП, DSP) или любым другим электронно программируемым логическим устройством.
Необязательно дискриминатор может дополнительно включать в себя один или более из предыдущих компонентов 236, 238, 240, 242, 244, 246, 249 для более простого исполнения.
Опорный спектр, хранящийся в памяти 250, может быть спектром, отображающим электрическую дугу внутри вакуумной камеры, тем самым, совпадение будет указывать, что этот сигнал отображает электрическую дугу внутри вакуумной камеры. Альтернативно или дополнительно, опорный спектр, хранящийся в памяти 250, может быть спектром, отображающим электрическую дугу снаружи вакуумной камеры, тем самым совпадение будет указывать, что сигнал отображает электрическую дугу снаружи вакуумной камеры.
Необязательно вместо предварительно сохраненного опорного спектра несколько предыдущих спектров сохраняются в памяти 250 в качестве адаптивного опорного спектра. Когда анализируется новый сигнал электрической дуги, он может быть сравнен, как описано выше, с опорным спектром, но затем опорный спектр вычисляется как среднее из последних сохраненных спектров, т.е. как адаптивный опорный спектр. Среднее вычисляется для каждой частоты или полосы частот спектра. Нежелательная электрическая дуга будет тогда отличаться и отклоняться от адаптивного опорного спектра. Если существует несколько нежелательных электрических дуг с подобным спектром, это будет со временем сдвигать адаптивный спектр с такой степенью, что новые нежелательные электрические дуги будут так близко к адаптивному опорному спектру, что они не будут рассматриваться как нежелательные. Здесь, однако, при допущении, что количество спектров для нормальных электрических дуг является достаточно большим, несколько нежелательных электрических дуг уже были детектированы, тем самым, может быть сгенерирована аварийная или тревожная ситуация.
Использование адаптивных опорных спектров предусматривает динамическую адаптивную регулировку, если существуют длительные тенденции, когда спектр нормальной электрической дуги меняется со временем.
Необязательно может быть учтено количество электрических дуг в серии электрических дуг. Серия электрических дуг - это количество электрических дуг, связанных с одним полным переключением от одного соединения ответвления к другому. Если число отклоняется от предварительно сохраненного значения, это может указывать присутствие нежелательной электрической дуги.
Используя спектроанализатор, дискриминатор может таким образом устанавливать различие между нормальной электрической дугой внутри вакуумной камеры переключателя ответвлений под нагрузкой и нежелательной электрической дугой снаружи вакуумной камеры. Выходной сигнал этого анализа предоставляется на зажим 252.
Помимо варианта осуществления детектирования и установления различия между нормальными и нежелательными электрическими дугами переключателя ответвлений под нагрузкой, как описано выше, варианты осуществления изобретения могут быть использованы для других применений. Например, варианты осуществления изобретения могут быть использованы для детектирования и установления различия между нормальным и нежелательным образованием электрических дуг электродвигателей, прерывателей цепи или других электрических устройств с нормальным и нежелательным образованием электрических дуг.
Фиг.3 изображает блок-схему последовательности операций, иллюстрирующую способ детектирования электрических дуг переключателя ответвлений под нагрузкой.
На начальном этапе 360 приема электромагнитного сигнала электромагнитный сигнал, отображающий электрическую дугу, принимают с антенны.
На этапе 362 сравнения спектра сигнала с опорным спектром сигнал электрической дуги сравнивают с опорным спектром. Опорный спектр может быть непрерывным спектром, или он может быть одним или большим количеством подспектров, где каждый подспектр представляет часть частоты сигнала. Например, может существовать одна или более конкретных характеристик частотных участков, которые анализируются, тогда как другие частоты игнорируются и не сравниваются. Это допускает более верное и надежное установление различия между нормальной и нежелательной электрической дугой. Опорные спектры выбираются так, чтобы быть на частотах, на которых разница между нормальной и нежелательной электрической дугой является относительно большой. Сравнение между принятым сигналом и опорным спектром может, например, быть осуществлено, используя вычисление среднеквадратичного значения.
На этапе 364 условия между нормальной или нежелательной электрической дугой определяют, отображает ли сигнал, отображающий электрическую дугу, нормальную, допустимую электрическую дугу, или он отображает нежелательную электрическую дугу.
Если опорный спектр на предыдущем этапе 362 отображает нормальную электрическую дугу, то отклонение, меньшее чем пороговое отклонение от него, указывает, что сигнал отображает нормальную электрическую дугу. В противном случае, сигнал определяется как указывающий нежелательную электрическую дугу.
И наоборот, если опорный спектр на предыдущем этапе 362 отображает нежелательную электрическую дугу, то отклонение, меньшее чем пороговое отклонение от него, указывает, что сигнал отображает нежелательную электрическую дугу. В противном случае, сигнал определяется как указывающий нежелательную электрическую дугу.
Если сигнал определяется как сигнал нормальной электрической дуги, процесс продолжается этапом 366 нормальной электрической дуги. В противном случае, процесс продолжается этапом 368 нежелательной электрической дуги.
На этапе 366 нормальной электрической дуги может быть сгенерирован сигнал, указывающий, что детектированная электрическая дуга является нормальной электрической дугой. Необязательно для нормальной электрической дуги не генерируется никакого сигнала.
На этапе 368 нежелательной электрической дуги может быть сгенерирован сигнал, указывающий, что детектированная электрическая дуга является нежелательной электрической дугой. Другие устройства могут реагировать на этот сигнал, например, предоставляя предупреждение оператору, или в аварийной ситуации, отключая электрическое питание от машины, производящей нежелательную электрическую дугу.
Изобретение главным образом было описано выше со ссылкой на некоторые варианты осуществления. Однако, как легко понятно специалисту в данной области техники, другие варианты осуществления, отличные от тех, которые были раскрыты выше, равным образом возможны в пределах объема изобретения, как определено прилагаемой формулой изобретения.