УСТРОЙСТВО МНОГОКАНАЛЬНОЙ ДУГОВОЙ ЗАЩИТЫ КОМПЛЕКТНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Предлагаемое устройство относится к электротехнике и может быть использовано для защиты комплектных распределительных устройств корпусной конструкции внутренней и наружной установки (КРУ (Н)) от коротких замыканий (КЗ), сопровождаемых электрической дугой.
Появление электрической дуги в отсеке КРУ (Н) вызывает увеличение освещенности в нем, что может быть использовано для построения защиты. Известны технические решения аналогичного назначения по А.С. СССР №997175, 1043776, 1111224, патенту ФРГ №1126011, патенту Франции №2087348, по патенту РФ №2024149. При этом оптические датчики устройств защиты размещаются в различных отсеках шкафов КРУ и связываются с реагирующими органами при помощи линий связи. Общим недостатком указанных решений является их низкая помехоустойчивость, обусловленная воздействием электромагнитных помех на линии связи, что приводит к необходимости отстройки от них 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 в связи с широким распространением КРУ в энергосистемах и на промышленных предприятиях, требует значительных затрат.
Наиболее близким по технической сущности решением (прототипом) является устройство централизованной дуговой защиты комплектных распределительных устройств по патенту РФ №2187871, содержащее n (по количеству защищаемых ячеек) фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), центральное управляющее устройство, m (по количеству коммутационных аппаратов), выходные органы и пусковой орган. Оптико-электрические преобразователи, центральное управляющее устройство (ЦУУ) и выходные органы соединены между собой линией связи. Пусковой орган 4 подключен к одному из входов ЦУУ. Оптико-электрические преобразователи состоят из k - оптических датчиков (по числу
защищаемых отсеков ячейки), мультиплексора (МПС), первого устройства обработки информации (УОИ1) и первого приемопередатчика (ПП1). Центральное управляющее устройство содержит второй приемопередатчик (ПП2), второе устройство обработки информации (УОИ2), элемент индикации (ЭИ) и элемент сигнализации (ЭС) - 13. Вход второго приемопередатчика подключен к линии связи, а выход - к первому входу второго устройства обработки информации. Выходные органы состоят из третьего приемопередатчика, третьего устройства обработки информации и выходного элемента. Вход третьего приемопередатчика подключен к линии связи, выход - к входу третьего устройства обработки информации. Выход третьего устройства обработки информации соединен с выходным элементом.
В отличие от описанных выше решений в нем реализована возможность централизации защиты с выбором (селекцией) поврежденной ячейки и формированием сигнала на отключение поврежденного или питающего присоединений. Однако при отключении внешних повреждений, возможно появление электромагнитной помехи в линиях связи оптических датчиков или линиях связи, соединяющих Оптико-электрические преобразователи, ЦУУ и выходные органы, может произойти неверное (ошибочное) отключение одной или нескольких ячеек, т.к. информация о состоянии пускового органа непосредственно поступает только в ЦУУ, а от него через линии связи (подверженные влиянию помех) в перечисленные блоки. В устройстве предусмотрен функциональный контроль, однако выявляется неисправное состояние оптических датчиков, соответствующее состоянию срабатывания устройства защиты и не выявляется неисправность типа «отказ».
Целью полезной модели является повышение надежности и расширение функциональных возможностей. Это достигается тем, что в устройство многоканальной дуговой защиты комплектных распределительных устройств, содержащее оптико-электрические преобразователи по числу ячеек комплектных распределительных устройств, состоящие из оптических датчиков по числу защищаемых отсеков ячейки, соединенных со входами первого мультиплексора, выход которого последовательно соединен с первым устройством обработки информации
и первым приемопередатчиком, а второй выход первого устройства обработки информации подключен к входу управления первого мультиплексора, второй приемопередатчик, второе устройство обработки информации, элемент сигнализации, соединенные последовательно и элемент индикации, присоединенный ко второму выходу второго устройства обработки информации образуют центральное управляющее устройство, третий приемопередатчик, третье устройство обработки информации, выходной элемент соединенные последовательно образуют выходные органы по числу коммутационных аппаратов комплектного распределительного устройства, линия связи, к которой подключены первые приемопередатчики оптико-электрических преобразователей, второй приемопередатчик центрального управляющего устройства и третьи приемопередатчики выходных органов, выход пускового органа подключен ко второму входу второго устройства обработки информации, дополнительно введены источник тестового сигнала и второй мультиплексор, выходы которых соединены, а входы последнего подключены ко входам первого мультиплексора, вход управления второго мультиплексора подключен к третьему выходу первого устройства обработки информации, а выход пускового органа соединен со вторым входом третьего устройства обработки информации выходных органов.
На фиг.1 показана структурная схема предлагаемого устройства. Устройство содержит n (по количеству защищаемых ячеек) оптико-электрических преобразователей (ОЭП) - 1, центральное управляющее устройство (ЦУУ) - 2, m (по количеству коммутационных аппаратов) выходных органов (ВО) - 3 и пусковой орган (ПО) - 4. Оптико-электрические преобразователи, центральное управляющее устройство и выходные органы соединены между собой линией связи (ЛС) - 5. Пусковой орган 4 подключен к одному из входов ЦУУ 2 и одному из входов выходных органов 3.
Оптико-электрические преобразователи 1 состоят из оптических датчиков ОД1, ОД2...OДК - 6 (где k - число защищаемых отсеков ячейки), первого 7 и второго 8 мультиплексоров (МПС), первого устройства обработки информации (УОИ1) - 9, источника тестового сигнала 10 и первого приемопередатчика (ПП1)
- 11. Оптические датчики 6 могут быть реализованы на основе фотодиодов, фоторезисторов, фототранзисторов, оптоволоконных датчиков освещенности. Выходы оптических датчиков подключены к входам первого мультиплексора 7, выход которого соединен с входом первого устройства обработки информации 9. Переключение входов мультиплексора осуществляется под воздействием управляющих сигналов от первого устройства обработки информации 9 оптико-электрического преобразователя. Управляющие входы мультиплексора 7 соединены со вторым выходом первого устройства обработки информации 9. Первое устройство обработки информации 9 может быть реализовано, например, как показано на стр.218 в книге «Основы промышленной электроники. В.Г.Герасимов, О.М.Князьков, А.Е.Краснопольский, В.В.Сухоруков; Под ред. В.Г.Герасимова. - М.: Высш. шк. 1986. - 386 с.» или на основе PIC-контроллера, включающего в себя арифметико-логическое устройство, устройство управления, оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство, порты ввода-вывода, компаратор, аналогово-цифровой преобразователь, таймеры. (Микроконтроллеры. Выпуск 1 - М. Додэка, 1998). Выход устройства обработки информации 9 соединен с приемопередатчиком 11, который передает и принимает информацию, и выполнен, например, на основе схемы, приведенной на рис.8.7 на стр.29 книги «Проектирование импульсных и цифровых устройств радиотехнических систем. Гришин Ю.Б, Казаринов Ю.М., Катиков В.М. и др., Под ред. Ю.М.Казаринова. - М.: Высшая школа., 1985. - 319 с.». Оптико-электрические преобразователи 1 размещаются в защищаемых ячейках КРУ, а оптические датчики ОД1, ОД2...OДk - в их различных отсеках. Выход первого приемопередатчика 11 подключен к линии связи 5. Линия связи 5 может быть проводная и беспроводная, а также оптоволоконной. Параллельно входам первого мультиплексора 7 соединены входы второго мультиплексора 8, управляющий вход которого соединен с третьим выходом первого устройства обработки информации 9. К выходу второго мультиплексора 8 подключен источник источник тестового сигнала 10.
Центральное управляющее устройство 2 содержит второй приемопередатчик (ПП2) - 12, второе устройство обработки информации (УОИ2) - 13, элемент
индикации (ЭИ) - 14 и элемент сигнализации (ЭС) - 15. Вход второго приемопередатчика 12 подключен к линии связи 5, а выход - к первому входу второго устройства обработки информации 13. Ко второму входу второго устройства обработки информации 13 подключен выход пускового органа 4. Пусковой орган 4 может быть реализован на реле тока или реле напряжения, контролирующих ток или напряжение защищаемого объекта. Первый выход второго устройства обработки информации 13 подключен к элементу индикации 14, второй его выход подключен к элементу сигнализации 15. ЦУУ 2 располагается, например, в релейном отсеке вводной ячейки КРУ и управляет работой всего устройства централизованной дуговой защиты комплектных распределительных устройств.
Выходные органы 3 состоят из третьего приемопередатчика (ПП3) - 14, третьего устройства обработки информации (УОИ3) - 15 и выходного элемента (ВЭ) - 16, который может быть реализован на электромеханическом или электронном (твердотельном) реле, тиристоре, транзисторе. Вход третьего приемопередатчика подключен к линии связи 5, выход - к входу третьего устройства обработки информации 15. Выход третьего устройства обработки информации 15 соединен с выходным элементом 16. Устройства обработки информации 11, 15 и приемопередатчики 10, 14 реализуются также как описано выше.
На фиг.2 показана поясняющая схема защиты одной секции шин. Выходные органы 3 воздействуют по командам ЦУУ 2 на выключатели соответствующих присоединений Q3, Q4, Q5-19, секционный выключатель Q6-20, вводной выключатель Q2-21 и выключатель Q1-22 стороны высшего напряжения силового трансформатора (Т) - 23, к которому подключена секция шин низшего напряжения (НН) - 24. Питание трансформатора 23 осуществляется от шин высшего напряжения (ВН) - 25. Пусковой орган 4 присоединен к трансформаторам тока (ТА) - 26 вводного присоединения и (или) трансформатору напряжения (TV) - 27 секции шин низшего напряжения 24 (показано пунктиром).
В исходном состоянии (при отсутствии дугового КЗ) центральное управляющее устройство 2 последовательно опрашивает все оптико-электрические преобразователи 1, подключенные к линии связи 5. Оптические датчики
(ОД1...OДК) 6 фотоэлектрических преобразователей (ОЭП1...OЭПn) 1 преобразуют световой поток падающего на них излучения в электрический сигнал, пропорциональный освещенности в месте установки оптических датчиков. Первые устройства обработки информации 9 фотоэлектрических преобразователей 1 при помощи первого мультиплексора 7 последовательно подключают выходы оптических датчиков 6 к своим входам и преобразуют полученный сигнал в дискретный код, включающий в себя информацию о номере оптико-электрического преобразователя и состоянии его оптических датчиков 6 (освещены они излучением от дугового КЗ или нет), и передают их посредством первых приемопередатчиков 11 по запросам центрального управляющего устройства 2. Пусковой орган 4 находится в несработанном состоянии. Второе устройство обработки информации 13 центрального управляющего устройства 2 после анализа полученной информации от оптико-электрических преобразователей 1 и пускового органа 4 формирует сигнал на элемент индикации 12 о нормальном режиме и через второй приемопередатчик 12 выдает на линию связи 5 для передачи выходным органам 3 кодированные сигналы, соответствующие нормальному режиму работы защищаемого объекта. Информация на элемент сигнализации 15 не выдается. Третьи устройства обработки информации 17 выходных органов 3, получив по линии связи 5 через третьи приемопередатчики 16 от центрального управляющего устройства 2 информацию о состоянии защищаемого объекта и от пускового органа 4, вырабатывают управляющие воздействия на выходные элементы 18 выходных органов 3. В данном случае формируется сигнал о несрабатывании выходных органов 3. Первое устройство обработки информации 9, получив информацию о несработанном состоянии пускового органа 4 через первый приемопередатчик 11 обеспечивает последовательную подачу тестового сигнала от соответствующего источника 10 через второй мультиплексор 8 на входы оптических датчиков 6. Информация о состоянии всех оптических датчиков передается в центральное управляющее устройство 2. В случае неисправности тестируемого оптического датчика 6 второе устройство обработки информации 13 формирует сигналы на элемент индикации 14 и элемент сигнализации 15.
При внутреннем КЗ, сопровождаемом электрической дугой, срабатывает пусковой орган 4, оптические датчики 6 соответствующей ячейки освещаются излучением столба дуги КЗ. Первое устройство обработки информации 9 соответствующего оптико-электрического преобразователя 1 на основе анализа (обработки) сигналов, переданных от оптических датчиков 6 через первый мультиплексор 7 формирует сигнал о состоянии оптических датчиков 6. При этом тестирование оптических датчиков 6 через второй мультиплексор 8 прекращается. На запрос центрального управляющего устройства 2 сработавший оптико-электрический преобразователь 1 формирует код, соответствующий повреждению в защищаемой зоне. Центральное управляющее устройство 2, опрашивая оптико-электрический преобразователь 1, в ячейке которого произошло дуговое КЗ, получает кодированное сообщение о номере оптико-электрического преобразователя и наличии электрической дуги, проверяет состояние пускового органа 4 и формирует кодированный сигнал (состоящий из номера выходного органа и команды для него) для соответствующего выходного органа 3, подключенного к цепям управления выключателем 19 поврежденной ячейки и через выдержку времени - сигнал для выходных органов 3, подключенных к коммутационным аппаратам питающих присоединений (выключателя 21 ячейки ввода и секционного выключателя 20). Сигнал отключения в выходном органе 2 может быть при этом сформирован только при получении третьим устройством обработки информации 17 разрешающего сигнала от пускового органа 4. В случае отказов коммутационных аппаратов шин низшего напряжения, центральное управляющее устройство 2 формирует кодированный сигнал для выходного органа коммутационного аппарата (выключателя 22) стороны высшего напряжения. При этом второе устройство обработки информации 13 считывает и пересылает кодированные сигналы через второй приемопередатчик 12 центрального управляющего устройства 2. Информация (данные) о состоянии оптико-электрического преобразователя 1, сформировавшего кодированный сигнал о дуговом КЗ выводится вторым устройством обработки информации 13 на элемент индикации 14. В случае дугового КЗ одновременно в двух или более ячейках, что возможно при развитии аварии, центральное
управляющее устройство 2 формирует сигналы для выходных органов 3, подключенных к цепям отключения выключателей 20, 21 и 22 питающих присоединений без выдержки времени.
При внешней световой помехе в отсеке ячейки КРУ (Н) оптико-электрические преобразователи 1 на запрос центрального управляющего устройства 2 формируют сигнал об освещенности в отсеке, однако это не приводит к ложному действию, так как отсутствуют условия для срабатывания пускового органа 4, и центральное управляющее устройство 2 не формирует для выходных органов 3 команд на отключение. При этом также отсутствует разрешающий сигнал на втором входе третьих устройств обработки информации 17 от пускового органа 4, что обеспечивает надежность работы устройства в данных условиях.
При внешней электромагнитной помехе, воздействующей на линию связи 5 центральное управляющее устройство 2 сравнивает полученный сигналы с областью допустимых значений сигналов и принимает решение о достоверности переданного сообщения или посылает дополнительный запрос оптико-электрическим преобразователям 1 на подтверждение полученных данных. Наличие повторного подтверждения срабатывания пускового органа 4 на входе третьего устройства обработки информации 17 обеспечивает надежное удержание устройства защиты дажек при сбоях в работе центрального управляющего устройства 2.
Постоянное взаимодействие центрального управляющего устройства 2 с оптико-электрическими преобразователями 1 и выходными органами 3 путем обмена сигналами позволяет осуществлять функциональный контроль исправности устройства. При этом второе устройство обработки информации 13 центрального управляющего устройства 2 формирует сигналы для элемента индикации 14, соответствующие различным режимам работы устройства, а в случае повреждения оптико-электрических преобразователей 1, выходных органов 3 или линии связи 5 формирует сигнал на срабатывание элемента сигнализации 15 и блокирует работу выходных органов 3.
Таким образом, предлагаемая схема позволяет повысить надежность функционирования защиты за счет последовательного опроса состояния
оптико-электрических преобразователей и активного воздействия на оптические преобразователи с помощью тестовых сигналов, повысить помехоустойчивость за счет кодирования информации и сравнения полученной информации с областью допустимых значений, многократной проверки достоверности информации оптических преобразователей и выходных органов, обеспечить функции ближнего резервирования защиты и функции системы резервирования отказа выключателя за счет формирования сигналов отключения, как на выключатель защищаемого присоединения, так и на выключатели питающих присоединений.
В настоящее время устройства, реализующие предлагаемую схему внедрены в эксплуатацию и опыт эксплуатации подтверждает его работоспособность и положительные качества.