СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДУГОВОГО ЗАМЫКАНИЯ
METHOD OF DETECTING ELECTRIC ARC FAULT

Изобретение относится к электротехнике, а именно - к способам обнаружения электрического дугового замыкания и может найти применение при разработке и реализации устройств защиты от дуговых замыканий.
Возникновение дугового замыкания на энергетическом распределительном оборудовании часто может сопровождаться значительным материальным ущербом от потери оборудования, а также угрозой здоровью и жизни обслуживающего персонала. Существенным требованием к устройствам дуговой защиты является помехоустойчивость и толерантность к освещению их оптических датчиков различными переносными и стационарными периодически включаемыми источниками оптического излучения. Поиск новых технических решений направлен на удовлетворение существующих, порой противоречивых, требований к устройствам оптической дуговой защиты.
Известен способ обнаружения электрического дугового замыкания, реализуемый в устройстве [1 - Устройство дуговой защиты Свидетельство на полезную модель №5893, 26.09.1996 г.], по которому воспринимают световой поток от электрической дуги посредством боковой поверхности волоконно-оптического жгута в светопроницаемой оболочке, предварительно оптически присоединяют торец жгута к входу фотоэлектронного преобразователя, контролируют пороговым устройством значение скачка сигнала на выходе фотоэлектрического преобразователя и при превышении заранее заданного уровня сигнала формируют командное воздействие на исполнительный орган, отключающий ток в контролируемом распределительном устройстве. Данный способ отличается относительной простотой, возможностью контроля возникновения дугового замыкания в нескольких отсеках распределительного устройства. Однако способ по патенту [1] обладает низкой помехоустойчивостью при внешних оптических воздействиях.
Известен так же способ обнаружения дугового замыкания, реализованный в устройствах [2 - РС40-АРК 01(02) УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ОТ ДУГОВЫХ ЗАМЫКАНИЙ. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ И ИНСТРУКЦИЯ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ЕАБР.656112.013ТО - URL: https://rzasystems.ru/teh-biblioteka/, время доступа - 11:45 19.02.2021 г.], являющимся наиболее близким по технической сути к заявляемому способу и принятым за прототип. Известный способ [2] состоит в том, что в качестве оптического датчика дуги используют распределенное оптоволокно с прозрачной оболочкой, посредством которого передают оптическое излучение на процессор через термокомпенсированный фотоприемный узел, посредством процессора анализируют в течение 3 секунд наличие внешнего сигнала разрешения и при его наличии формируют процессором управляющий сигнал на включение сигнального реле и включение светодиод красного цвета, в результате чего происходит отключение токовых шин контролируемого отсека электрического оборудования. Если в течение 3 секунд не обнаруживают активный уровень внешнего сигнала разрешения, то считают срабатывание оптического датчика случайным и управляющее воздействие на сигнальное реле не формируют и токовые шины отсека не отключаются.
Известный способ [2] обладает повышенной помехоустойчивостью от случайных оптических засветок оптоволоконного датчика по сравнению с известным способом [1]. Однако известно [3, 4], что процесс протекания дугового замыкания состоит из ряда возникающих, гаснущих и вновь возникающих процессов, а помехозащищенность оптического канала по способу [2] формируется только временной задержкой для подтверждения в течение задержки внешним сигналом факта наличия замыкания, например - сигналом с устройства максимально-токовой защиты.
Возникновение дуги часто происходит при значении амплитуды напряжения близкого к максимальному значению, гашение дуги происходит, в основном, при переходе тока через ноль. Это дает возможность предложить способ обнаружения дугового замыкания, основанного на том факте, что дуговое замыкание - это некоторая последовательность коротких по времени отдельных дуговых замыканий, которые следуют друг за другом. В то же время внешние обстоятельства могут сложиться таким образом, что между токоведущими частями электрооборудования возможно возникновение разового замыкания, которое сопровождается оптическим излучением, но в процессе замыкания условия его повторения были изменены так, что повторное замыкание произойти не может, т.е. замыкание самоустранилось. Кроме того, внешнее воздействие на светочувствительные датчики носит случайный характер в том смысле, что вероятность корреляции с процессом дугового замыкания на некотором заданном отрезке времени весьма маловероятно. К таким случайным воздействиям относятся облучение оптического датчика лампой накаливания или электрическим фонарем при обслуживании.
Технической задачей предлагаемого способа является повышение помехозащищенности.
Поставленная задача достигается тем, что в течение заданного интервала времени проводят подсчет числа последовательно возникающих дуговых замыканий, затем сравнивают полученное значение с заданным пороговым значением, и если подсчитанное количество дуговых замыканий превышает заданное пороговое значение, то принимают решение об обнаружении дугового замыкания и формируют управляющее воздействие.
Описание предлагаемого способа проиллюстрировано на примере работы реализующего его устройства, которое представлено на фиг. 1. Устройство содержит оптический тракт в виде световода 1 и фотодиода 2, усилитель напряжения 3, аналоговый компаратор 4, D-триггер 5, микропроцессор 6, тестовый светодиод 7, электромагнитное реле 8, светодиоды 9 индикации, кнопку 10. Световод 1 может представлять собой одинарное оптоволокно без изоляции, боковая поверхность которого выполняет функцию оптического датчика, при этом один торец оптоволокна оптически взаимодействует с фотодиодом 2, другой - со светодиодом 7. Световод 1 может быть так же в виде двойного оптоволокна с изоляцией по всей длине, а в качестве датчика оптического излучения используется точечный датчик в виде оптически прозрачной собирающей линзы (условно не показано), взаимодействующей с торцами сдвоенного световода в виде двух отрезков оптоволокна, одни торцы которого введен в тело линзы в зону оптического фокуса линзы, другие торцы которого входят в устройство и оптически взаимодействуют один с фотодиодом 2, другой со светодиодом 7 тестирования. В первом случае оптическое волокно прокладывается в зоне предполагаемого возникновения дугового замыкания, во втором - собирающая линза размещается в контролируемом отсеке электрооборудования и в ее тело в зону оптического фокуса линзы входят одни торцы сдвоенного отрезка оптического волокна, другие торцы которого входят в устройство и оптически взаимодействуют один с фотодиодом 2, другой со светодиодом 7 тестирования. Фотодиод 2 подключен к входу усилителя 3, выход которого соединен с одним входом аналогового компаратора 4, на второй вход которого подается постоянное напряжение с заданным пороговым значением. Выход аналогового компаратора 4 соединен с тактовым входом D-триггера 5, на его информационный вход подано напряжение с уровнем логической единицы, а прямой выход соединен co своим входом микропроцессора 6. Вход сброса состояния D-триггера 5 соединен со своим выходом микропроцессора 6. Светодиод 7 тестирования подключен к своему выходу микропроцессора 6. Электромагнитное реле 8 и, например, три светодиода 9 индикации, соединены со своими выходами микропроцессора 6, а кнопка 10, например, с нормально разомкнутыми контактами, соединена со своим входом микропроцессора 6.
В качестве упомянутых компонентов устройства могут быть применены широко выпускаемые электронной промышленностью компоненты и материалы без особо оговариваемых для предлагаемого способа свойств и характеристик и используемых по назначению.
Функционирует устройство по предлагаемому способу следующим образом. При отсутствии дугового замыкания нет сопровождающего его оптического излучения, нет соответствующего воздействия оптического излучения на оптические элементы устройства. Допустим, что произошло дуговое замыкание. При дуговом замыкании возникающее оптическое излучение через оптический тракт 1 поступает на вход фотодиода 2, в результате чего на выходе усилителя 3 появляется усиленный по амплитуде выходной сигнал. Сигнал с выхода усилителя 3 поступает на вход аналогового компаратора 4 и если его уровень превышает заданное пороговое значение, то на выходе аналогового компаратора 4 появляется активный уровень напряжения, допустим высокий. Это приводит к записи в D-триггер 5 логической единицы, которая с его прямого выхода поступит на соответствующий вход микропроцессора 6. Микропроцессор 6 периодически, через заданное программой время и в течение установленного времени осуществляет считывание и сохранение в оперативной памяти значение состояния прямого выхода D-триггера 5 и последующий сброс состояния D-триггера 5 путем импульсного воздействия на вход сброса. Алгоритм микропроцессора 6 обеспечивает подсчет числа сохраненных за заранее установленное время состояний прямого выхода D-триггера 5 с уровнем логической единицы. Если по окончании заранее установленного времени подсчета число состояний выхода D-триггера 5 с уровнем логической единицы окажется больше заранее заданного контрольного значения, то принимают решение о возникновении дугового замыкания. В этом случае посредством микропроцессора 6 включают электромагнитное реле 8 и светодиод 9, соответствующий факту обнаружения дугового замыкания. Дальнейшие действия микропроцессора 6 по чтению состояния прямого выхода D-триггера 5, его сброса, подсчета его активных состояний прямого выхода и контроля превышения подсчитанных активных состояний прекращается алгоритмом до момента активизации кнопки сброса 10, после чего алгоритм вновь начинает выполнять вышеописанные действия.
Предлагаемый способ обнаружения дугового замыкания позволяет, изменяя период периодического контроля наличия дуги, длительность времени контроля наличия дуги и значения контрольного числа подсчитанных дуговых замыканий, реализовать различные алгоритмы отстройки от внешних оптических мешающих факторов.
Источники информации
1. Устройство дуговой защиты - Свидетельство на полезную модель №5893,26.09.1996 г.
/
2. РС40-АРК 01(02) УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ОТ ДУГОВЫХ ЗАМЫКАНИЙ. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ И ИНСТРУКЦИЯ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ЕАБР.656112.01 ЗТО - URL: https://rzasystems.ru/teh-biblioteka, время доступа - 11:45 19.02.2021 г.
3. Дударев Л.Е., Волошек И.В. Оценка эффективности защиты трансформаторов напряжения от токовых перегрузок // Электрические станции. - 1986. - №11. - С. 65-69.
4. Дударев Л.Е. Особенности дуговых замыканий фазы на землю в сетях с нейтралью, заземленной через резистор / Л Е. Дударев, И.В. Волошек // Промышленная энергетика. - 1998. - №6. - С. 23-29.