ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ
FIBRE-OPTIC ELECTRIC ARC SENSOR

Изобретение относится к области применения полимерного оптического волокна (ПОВ) торцевого или бокового свечения в электротехнике, в частности, к системе защиты шкафов комплектных распределительных устройств (КРУ) и другого
электротехнического оборудования от воздействия электрической дуги.
Полимерное оптическое волокно обладает высокой степенью защищенности от электромагнитного излучения, устойчивостью к многократным изгибам, большим диаметром, что значительно упрощает монтаж и техническое обслуживание изделия, позволяет использовать ПОВ в различных областях электротехники, в частности, в датчиках электрической дуги.
В настоящее время по защите электротехнических устройств достаточно много информации. Например, получен патент (1) на устройство для отключения комплектных распределительных устройств, где датчик дуги состоит из световода в светопроницаемой защитной оболочке, концы оптического волокна подключены к фотоэлектронным преобразователям, активной частью устройства служит полимерное оптическое волокно в прозрачной оболочке, причем ПОВ обладает числовой апертурой NA=0,48, что увеличивает возможности ПОВ по сравнению кварцевыми световодами при захвате излучения дуги. Недостатком изобретения является отсутствие контроля целостности ПОВ в процессе эксплуатации.
Близок к настоящему изобретению патент (2), волоконно-оптический датчик открытой электрической дуги дуговой защиты комплектных распределительных устройств (КРУ) 10 кВ наружной и внутренней установок, который снабжен рассеивателем в виде цилиндра обладающего объемным диффузным рассеянием, например, матовый фторопласт.
Известен патент РФ(3), волоконно-оптическое устройство дуговой защиты комплектных распределительных устройств электрических подстанций 0,4-3 5кВ, содержащий оптоэлектронный блок, волоконно-оптические датчики, радиально подключенные к блоку, блоки фотоприемных устройств, светодиодные излучатели, причем волоконно-оптический кабель датчиков выполнен двухволоконным, один конец волоконно-оптического кабеля соединен с объективом, содержащим отражательный элемент, другой - раздвоенный, подключен к фотоприемному устройству и светодиодному излучателю. Заявляемое техническое решение разработано и промышленно выпускается ЗАО "ПРОЭЛ", Санкт-Петербург.
Обществом с ограниченной ответственностью "НИИЭФА-ЭНЕРГО" (Санкт-Петербург) выпускает устройство содержащее оптоэлектронный блок и набор датчиков, каждый из которых содержит кабель из семи оптических волокон с активной торцевой частью, помещенных в защитную оболочку, излучение дуги передается по кабелю на вход фотоприемного устройства, которое отключает КРУ при коротком замыкании. Недостатком изделия является отсутствие контроля за целостностью ПОВ в кабеле.
В качестве прототипа взят патент РФ(4), оптический датчик электрического дугового замыкания, где целью изобретения является увеличение световой энергии, вводимой в оптическое волокно. Технический результат достигается за счет того, что сферическое дно корпуса выполнено в виде плоско-выпуклой линзы, при возникновении электрической дуги оптическое излучение попадает на плоско-выпуклую линзу, затем на торец активного отрезка оптического волокна и фотодиод, по сигналу которого происходит отключение электрооборудования. С цель повышения чувствительности датчика диаметр линзы на порядок превышает диаметр оптического волокна, что позволяет собрать на торце активного отрезка оптического волокна значительную часть энергии электрической дуги. Однако, включение линзы в устройство датчика дуги увеличивает стоимость и несколько усложняет сборку изделия.
Задачей предлагаемого изобретения является создание волоконно-оптического датчика электрической дуги, обеспечивающего высокую надежность, широкий угол обзора, контроль целостности ПОВ.
Этот технический результат в волоконно-оптическом датчике электрической дуги достигается тем, что волоконно-оптический компонент состоит из отрезка активного полимерного оптического волокна, кабеля с двумя оптическими волокнами с помощью которых активный отрезок ПОВ соединяется с фотоприемником и излучателем тестового сигнала блока регистрации. Отрезок активного полимерного оптического волокна имеет на своей вершине участок, свободный от отражающей оболочки и переплетен в виде узла, при этом отрезок активного полимерного оптического волокна закрывается колпачком, изготовленным из полимерного материала, обладающего объемным диффузным рассеянием.
Для увеличения чувствительности активный компонент может состоять из нескольких полимерных оптических волокон, переплетенных в виде узла.
В следующем варианте захват излучения дуги обеспечивается за счет того, что отрезок активного полимерного оптического волокна размещают в приемной головке датчика так, что ПОВ образует петлю, при этом радиус изгиба волокна в петле равен или меньше критического радиуса изгиба ПОВ. За счет нарушения критического радиуса изгиба оптоволокна излучение от дуги попадает на светопроводящую жилу ПОВ, далее по каналу двухволоконного ПОВ кабеля излучение попадает на фотоприемник блока регистрации дуги, происходит отключение соответствующей ячейки КРУ.
Если блок регистрации дуги находится на значительном удалении от ячейки КРУ, то для передачи светового сигнала на большие расстояния используется двухволоконный кабель на основе кварцевого оптического волокна.
Кроме того, для увеличения чувствительности и угла обзора датчика активное волокно, выступающее из приемной головки, может быть переплетено один, два раза, что способствует увеличению площади активного части ПОВ, переплетение в три и более раз приводит к излишнему увеличению световых потерь. Для увеличения площади светочувствительной поверхности активная часть ПОВ может быть изготовлена в виде петли из нескольких ПОВ.
Таким образом, активный отрезок ПОВ, расположенный в приемной головке датчика дуговой защиты, может быть изготовлен в следующих вариантах:
1. Одного волокна в виде петли с участком, свободным от отражающей оболочки с колпачком из полимера, обладающего объемным диффузным рассеянием.
2. Петли из нескольких переплетенных и завязанных в узел волокон.
3. Одного волокна в виде петли, радиус которой равен или меньше критического радиуса изгиба волокна.
Кроме захвата излучения дуги и его передачи на фотоприемник блока регистрации для отключения соответствующей ячейки КРУ, в данном типе датчика обеспечивается контроль целостности ПОВ кабеля либо кабеля на основе кварцевого оптического волокна. Световой сигнал периодически поступает от излучателя, проходит через замкнутый активный участок ПОВ и по второму каналу дуплексного кабеля направляется на фотоприемник блока регистрации.
Изобретение иллюстрируют следующие чертежи:
На фиг.1 изображены: приемная головка 1 с размещенным в ней активным ПОВ 2, активное ПОВ образует петлю и имеет на своей вершине участок, свободный от отражающей оболочки. Петля закрыта колпачком из полимера, обладающего объемным диффузным рассеянием 3. Активное ПОВ соединяется с двухжильным (дуплексным) кабелем 4 с двумя оптическими волокнами, на другом конце кабеля расположен двухволоконный разъем 5, который соединяется с фотоприемником 6 и излучателем тестового сигнала 7 блока регистрации 8.
На фиг.2 изображены: приемная головка 1 с размещенной в ней петлей, состоящей из нескольких переплетенных или завязанных в узел активных ПОВ 2. Петля закрыта колпачком из полимера, обладающего объемным диффузным рассеянием 3. Активное ПОВ соединяется с двухжильным (дуплексным) кабелем 4 с двумя оптическими волокнами, на другом конце кабеля расположен двухволоконный разъем 5, который соединяется с фотоприемником 6 и излучателем тестового сигнала 7 блока регистрации 8.
На фиг.3 изображены: приемная головка 1 с размещенным в ней активным ПОВ 2, активное ПОВ образует петлю, при этом радиус изгиба волокна в петле равен или меньше критического радиуса изгиба ПОВ. Петля закрыта колпачком из полимера, обладающего объемным диффузным рассеянием 3. Активное ПОВ соединяется с двухжильным (дуплексным) кабелем 4 с двумя оптическими волокнами, на другом конце кабеля расположен двухволоконный разъем 5, который соединяется с фотоприемником 6 и излучателем тестового сигнала 7 блока регистрации 8.
Тестирование датчиков производится на специальном отладочном стенде, излучение из оптических выводов датчика попадает на фотоприемник, который преобразует оптический сигнал в электрический, исходя из величины электрического сигнала, который прямо пропорционален мощности излучения на оптическом выводе датчика, оценивается работоспособность датчика и угол захвата излучения.
Источники информации принятые во внимание при экспертизе.
1. Патент РФ на изобретение №2096887, 04.08.1993, опубликован
2. Патент БЛ 7112, 25.03.2010, опубликован 30.04.2011.
3. Патент РФ на изобретение №49387 U1,05.25.20, опубликован 11.10.2005.
4. Патент РФ на изобретение №2733051 С1, 31.102019, опубликован 29.09.2020.