Устройство для ограничения времени горения электрической дуги в электроустановках

 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в энергетическом оборудовании для повышения локализационной способности электроустановок, в том числе шкафов комплектных распределительных устройств, комплектных трансформаторных подстанций, комплектных токопроводов при возникновении в них открытой электрической дуги. Технический результат - расширение функциональных возможностей устройства за счет осуществления постоянного контроля исправности устройства при его эксплуатации. Технический результат достигается за счет того, что устройство содержит чувствительный элемент в виде диэлектрического легкоплавкого световода со светопроницаемой оболочкой, на одном торце которого расположено торцевое зеркало, светоделитель, источник оптического излучения, фотодетектор, электронный решающий блок, исполнительный орган и сигнализатор неисправности. Вторым торцом световод оптически связан через светоделитель с входом источника оптического излучения и входом фотодетектора, выход последнего подключен к входу электронного решающего блока, выходы которого подключены соответственно к исполнительному органу и сигнализатору неисправности. 7 ил.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в энергетическом оборудовании для повышения локализационной способности электроустановок, в том числе шкафов комплектных распределительных устройств (КРУ), комплектных трансформаторных подстанций (КТП), комплектных токопроводов при возникновении в них открытой электрической дуги.

Устройство должно срабатывать от светового и(или) теплового воздействия электрической дуги и сигнализировать о собственной неисправности.

Известно устройство для ограничения времени горения дуги в электроустановках [1] , содержащее чувствительный элемент в виде диэлектрического легкоплавкого световода, вход которого оптически связан с выходом источника модулированного оптического излучения, а выход направлен на оптический вход фотодетектора, электрический выход последнего соединен с входом исполнительного органа. Чувствительный элемент прокладывается вблизи токоведущих частей, в местах вероятного возникновения открытой электрической дуги. В нормальном режиме свет от источника модулированного оптического излучения через чувствительный элемент поступает на фотодетектор, где преобразуется в электрический сигнал, который поступает на вход исполнительного органа. При наличии этого сигнала на входе исполнительный орган держит электроустановку во включенном состоянии. При возникновении открытой электрической дуги чувствительный элемент перегорает или теряет светопроводящие свойства, в связи с чем пропадает сигнал на входе и на электрическом выходе фотодетектора, и соответственно пропадает сигнал на входе исполнительного органа) который отключает электроустановку, что приводит к прекращению горения открытой дуги.

Недостатком данного устройства является возможность ложного срабатывания с отключением контролируемой электроустановки вследствие его неисправности, например выхода из строя фотодетектора или источника модулированного оптического излучения. Так как при воздействии дуги световод перегорает, то требуется его замена, что также является недостатком данного устройства.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для ограничения времени горения дуги в электроустановках [2], содержащее чувствительный элемент в виде диэлектрического световода, покрытого легкоплавким светозадерживающим экраном, к выходу которого подключен фотодетектор, соединенный последовательно с исполнительным органом. Чувствительный элемент прокладывается вблизи токоведущих частей, в местах вероятного возникновения открытой электрической дуги. При возникновении электрической дуги у чувствительного элемента подгорает или перегорает светозадерживающий экран и через это повреждение свет от электрической дуги попадает в светопроводящий канал чувствительного элемента. По светопроводящему каналу свет попадает на фотодетектор, где преобразуется в электрический аналог, который вызывает срабатывание исполнительного органа, отключающего электроустановку, что приводит к прекращению горения открытой дуги. Данное устройство срабатывает от теплового и светового воздействия электрической дуги. После воздействия дуги необходима замена световода.

Недостатком прототипа является отсутствие постоянного контроля его исправности, что приводит к понижению надежности функционирования устройства.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является расширение функциональных возможностей устройства за счет осуществления постоянного контроля исправности устройства при его эксплуатации.

Технический результат достигается тем, что устройство для ограничения времени горения электрической дуги в электроустановках, содержащее чувствительный элемент в виде диэлектрического легкоплавкого световода, фотодетектор и исполнительный орган, дополнительно содержит источник оптического излучения, торцевое зеркало, светоделитель, электронный решающий блок и сигнализатор неисправности, световод выполнен со светопроницаемой оболочкой, на одном торце световода расположено торцевое зеркало, а вторым торцом световод оптически связан через светоделитель с выходом источника оптического излучения и входом фотодетектора, выход последнего подключен к входу электронного решающего блока, первый и второй выходы которого подключены соответственно к исполнительному органу и к сигнализатору неисправности.

На фиг.1 представлена схема устройства. На фиг.2 представлена форма сигнала на выходе фотоприемника при возникновении электрической дуги. На фиг.3 представлен пример выполнения электронного решающего блока. На фиг. 4, 5, 6, 7 представлены эпюры сигналов, поясняющие работу электронного решающего блока.

Устройство содержит световод 1, на одном торце которого закреплено торцевое зеркало 2, а вторым торцом световод 1 через светоделитель 3 оптически связан с выходом источника оптического излучения 4 и входом фотодетектора 5, выход последнего подключен к входу электронного решающего блока 6, выходы которого подключены к исполнительному органу 7 и сигнализатору неисправности 8. Световод со светопроницаемой оболочкой прокладывается вдоль токоведущих частей в местах возможного возникновения открытой электрической дуги.

Устройство работает следующим образом.

В нормальном режиме свет от источника оптического излучения 4 проходит через светоделитель 3 по световоду 1 к торцевому зеркалу 2, отражается от него и по тому же самому световоду возвращается к светоделителю 3, который направляет его в сторону фотодетектора 5. На фотодетекторе 5 свет преобразуется в электрический аналог, который поступает на вход электронного решающего блока 6. Если уровень сигнала на входе электронного решающего блока 6 находится в пределах нормы, то на выходах блока 6 будут присутствовать сигналы, соответствующие отсутствию дуги и отсутствию неисправности устройства. По этим сигналам исполнительный орган 7 держит контролируемую электроустановку во включенном состоянии, а сигнализатор неисправности показывает состояние "Исправно".

Если уровень сигнала на входе блока 6 ниже нормы, например при обрыве световода 1, на выходе электронного решающего блока 6, соответствующем сигнализатору неисправности 8, появляется сигнал неисправности, по которому срабатывает сигнализатор неисправности 8 и показывает состояние "Неисправно". В зависимости от выполнения электронного решающего блока 6, также от него может подаваться сигнал наличия электрической дуги, хотя она и отсутствует, на выход, соответствующий исполнительному органу 7, для того, чтобы отключить контролируемую электроустановку, если это необходимо по регламенту работ.

Аналогично, если уровень сигнала на входе блока 6 выше нормы, например при неисправности фотодетектора 5 или внешней засветке, не связанной с возникновением электрической дуги, на выходе электронного решающего блока 6, соответствующем сигнализатору неисправности 8, появляется сигнал неисправности, по которому срабатывает сигнализатор неисправности 8 и показывает состояние "Неисправно". В зависимости от исполнения электронного решающего блока 6, также от него может подаваться сигнал наличия электрической дуги, хотя она и отсутствует, на выход, соответствующий исполнительному органу 7, для того, чтобы отключить контролируемую электроустановку, если это необходимо по регламенту работ.

При возникновении открытой электрической дуги на токоведущих частях в местах прокладки световода 1, свет от электрической дуги, падающий на боковую поверхность световода, проходит через светопроницаемую оболочку и захватывается световодом, по которому распространяется к фотодетектору 5. При увеличении теплового воздействия дуги на световод 1, последний перегорает или теряет свои светопроводящие свойства, что приводит к уменьшению или пропаданию сигнала от источника оптического излучения 4, распространяющегося вдоль световода 1, отраженного от торцевого зеркала 2, вернувшегося по тому же световоду 1 и поступающего через светоделитель 3 на фотодетектор 5. Поэтому в результате воздействия дуги на световод 1 на выходе фотодетектора 5 получается сигнал, форма которого приведена на фиг. 2. Электронный решающий блок 6 анализирует форму сигнала, поступающего на его вход с выхода фотодетектора 5, и, если она соответствует форме приведенной на фиг. 2, на его выходе, соответствующем исполнительному органу 7, формируется сигнал наличия электрической дуги, по которому исполнительный орган 7 отключает контролируемую электроустановку. Также может формироваться сигнал наличия неисправности на выходе электронного решающего блока 6, соответствующего сигнализатору неисправности 8, хотя неисправность отсутствует. По этому сигналу сигнализатор неисправности срабатывает и переходит в состояние "Неисправно", если это необходимо по регламенту работ. Срабатывание исполнительного органа 7 приводит к отключению контролируемой электроустановки. Если причина возникновения дуги в неисправности самой электроустановки, то ее отключение приведет к прекращению горения дуги.

Использование световода 1 со светопроницаемой оболочкой позволяет организовать работу так, чтобы устройство срабатывало уже от светового воздействия дуги, тогда тепловое воздействие дуги не успеет разрушить световод и его не надо будет менять.

Мощность светового сигнала на входе фотодетектора 5 от источника оптического излучения 4 P₀ можно найти по формуле: P₀ = P₁-(α₁+α_z+2·α_L+α_d) где P₁ - световая мощность источника излучения 4, дБм; α₁ - коэффициент потерь при вводе излучения в световод 1 от источника излучения 4 с учетом потерь в светоделителе 5, дБ; α_z - коэффициент потерь на торцевом зеркале 2, дБ; α_L - коэффициент потерь в световоде 1, дБ; α_d - коэффициент потерь в светоделителе 5, дБ.

Мощность светового сигнала на входе фотодетектора 5 от электрической дуги P можно оценить по порядку величины по следующей формуле, выведенной методом размерностей: где D - диаметр световода 1, м; R - расстояние от электрической дуги до световода 1, м;
L_e - длина облученного светом дуги участка световода 1, м;
A - апертура световода 1;
α_r - коэффициент рассеяния света в световоде 1, 1/м;
a - доля электрической анергии дуги, преобразуемой в излучение;
W - электрическая мощность дуги ВТ;
α_L - коэффициент потерь в световоде 1, дБ;
α_d - коэффициент потерь в светоделителе 5, дБ. Значение мощности P определяется в дБм.

Для оценки мощностей P₀ и P были взяты следующие значения параметров: P₁ = -1 дБм; α₁ = 5 дБ; α_z = 0.5 дБ; α_L = 7 дБ; α_d = 3 дБ; D = 10^-3 м; R = 1 м; A = 0,1; α_r = 10^-2 1/м; a = 0,1; W = 10⁵ Вт; После подстановки их в формулы (1) и (2) были получены значения P₀ = -24 дБм и P = -40 дБм. В полосе частот от 0 до 10 кГц такие сигналы уверенно детектируются фотодиодами ФД263 [3].

Для примера выполнения электронного решающего блока 6 рассматривается следующая логика работы устройства, рассчитанная на случай, когда источником возникновения дуги является контролируемая электроустановка. Предполагается, что возникновение дуги приведет к повышению уровня сигнала на входе электронного решающего блока 6, после отключения контролируемой электроустановки и, следовательно, прекращения дуги, уровень сигнала должен либо придти к норме, если световод 1 не был поврежден дугой, либо быть меньше нормы, если световод 1 был поврежден. Понижение уровня сигнала на входе электронного решающего блока 6 без предварительного повышения однозначно свидетельствует о неисправности устройства. Повышение уровня сигнала и не снижение его после отключения контролируемой электроустановки также однозначно свидетельствует о неисправности устройства. Таким образом электронный решающий блок 6 при повышении уровня сигнала на своем входе должен подавать сигнал на исполнительный орган 7 для отключения контролируемого оборудования. Если после этого уровень сигнала на входе блока 6 останется выше нормы после заданного промежутка времени или опустится ниже нормы, то также должен быть подан сигнал на сигнализатор неисправности 8. При понижении уровня сигнала на входе блока 6 без его предварительного повышения электронный решающий блок 6 должен подавать сигнал только на сигнализатор неисправности 8.

В этом случае схема электронного решающего блока 6 может быть такой, как изображено на фиг.3.

Электронный решающий блок состоит из двух амплитудных пороговых элементов 9 и 10, временного порогового элемента 11 и логического элемента "ИЛИ" 12. В данной схеме "Вход" соответствует входу электронного решающего блока 6, "Выход 1" соответствует выходу электронного решающего блока 6, соединенному с исполнительным органом 7, "Выход 2" соответствует выходу электронного решающего блока 6, соединенному с сигнализатором неисправности 8. В дальнейшем описании предполагается) что сигналам отсутствия дуги и исправности устройства соответствуют лог."0" на "Выходе 1" и "Выходе 2", а сигналам наличия дуги и неисправности устройства соответствуют лог."1" на "Выходе 1" и "Выходе 2".

При уровне сигнала на входе электронного решающего блока 6, соответствующем норме, на выходах амплитудных пороговых элементов 9, 10 устанавливаются лог. "0", которые передаются на "Выход 1" и через временной пороговый элемент 11 на первый вход логического элемента "ИЛИ" 12 и второй вход логического элемента "ИЛИ" 12. В соответствии с логикой работы этого элемента, на его выходе устанавливается лог. "0", который передается на "Выход 2".

Если уровень сигнала на входе электронного решающего блока 6 превысит норму как показано на фиг.4а, на выходе амплитудного порогового элемента 9 устанавливается лог. "1" (фиг.4б), на выходе амплитудного порогового элемента 10 сохраняется лог. "0"(фиг.4в). Лог. "1" с амплитудного порогового элемента 9 передается на "Выход 1" и на вход временного порогового элемента 11. В указанном случае длительность этого сигнала превышает временной пороговый уровень t_зад, после которого на выходе временного порогового элемента 11 устанавливается лог."1"(фиг.4г). Лог."0" от амплитудного порогового элемента 10 и лог. "1" временного порогового элемента 11 поступают на вход логического элемента "ИЛИ". В соответствии с логикой работы этого элемента, на его выходе устанавливается лог."1" (фиг.4д), которая передается на "Выход 2". В этом случае срабатывает исполнительный орган 7 и срабатывает сигнализатор неисправности 8.

Если уровень сигнала на входе электронного решающего блока 6 превысит норму (как показано на фиг.5а) на выходе амплитудного порогового элемента 9 устанавливается лог. "1" (фиг.5б), на выходе амплитудного порогового элемента 10 сохраняется лог. "0"(фиг.5в). Лог. "1" с амплитудного порогового элемента 9 передается на "Выход 1" и на вход временного порогового элемента 11. В указанном случае длительность этого сигнала не превышает временной пороговый уровень t_зад, поэтому на выходе временного порогового элемента 11 сохранится лог. "0"(фиг.5г). Лог. "0" от амплитудного порогового элемента 10 и лог. "0" временного порогового элемента 11 поступают на вход логического элемента "ИЛИ". В соответствии с логикой работы этого элемента; на его выходе сохраняется лог. "0"(фиг.5д), который передается на "Выход 2". В этом случае срабатывают только исполнительный орган 7.

Если уровень сигнала на входе электронного решающего блока 6 упадет ниже нормы как показано на фиг.6а, на выходе амплитудного порогового элемента 9 сохранится лог. "0" (фиг.6б), на выходе амплитудного порогового элемента 10 установится лог. "1" (фиг.6в). Лог. "0" с амплитудного порогового элемента 9 передается на "Выход 1" и на вход временного порогового элемента 11, на выходе которого сохранится лог. "0" (фиг.6г). Лог. "1" от амплитудного порогового элемента 10 и лог. "0" временного порогового элемента 11 поступают на вход логического элемента "ИЛИ". В соответствии с логикой работы этого элемента, на его выходе устанавливается лог."1" (фиг.6д), которая передается на "Выход 2". В этом случае срабатывает только сигнализатор неисправности 8.

В случае появления на входе электронного решающего блока 8 сигнала, изображенного на фиг.2, блок работает по следующему алгоритму. В начальный момент при уровне сигнала на входе электронного решающего блока 6 выше нормы (фиг. 7а), на выходе амплитудного порогового элемента 9 устанавливается лог. "1" (фиг. 7б). В указанном случае длительность этого сигнала не превышает временной пороговый уровень t_зад, поэтому на выходе временного порогового элемента 11 сохранится лог. "0" (фиг.7г). Лог. "1" с выхода амплитудного порогового элемента 9 транслируется на "Выход 1" и по этому сигналу производится отключение контролируемой электроустановки, что приводит к прекращению горения электрической дуги. После прекращения горения дуги происходит уменьшение входного сигнала до уровня ниже нормы (фиг.7а), на выходе амплитудного порогового элемента 9 устанавливается лог."0" (фиг.7б), на выходе амплитудного порогового элемента 10 устанавливается лог. "1" (фиг.7в), которая транслируется на "Выход 2" через логический элемент ИЛИ 12 (фиг.7д). В этом случае срабатывает исполнительный орган 7 и срабатывает сигнализатор неисправности 8.

При конкретной реализации устройства, например, в качестве световода 1 можно использовать нерегулярный оптический жгут, выпускаемый АО "Лыткаринский завод оптического стекла" с нанесенным алюминиевым покрытием на торце в качестве торцевого зеркала 2.

В качестве светоделителя 3 можно использовать однонаправленный соединитель из [4].

В качестве источника излучения 4 можно использовать светодиод ИЛПН-304.

В качестве фотодетектора 5 можно использовать фотодиод ФД263.

Выполнение электронного решающего блока 6 зависит от логики работы устройства, которая выбирается заказчиком, блок может быть построен на микросхемах серии К155.

В качестве исполнительного органа 7 можно использовать реле РЭН-33.

В качестве сигнализатора неисправности 8 можно использовать индикаторный светодиод ЗЛ341Г.

Таким образом, техническим результатом от использования заявляемого устройства для ограничения времени горения электрической дуги в электроустановках в сравнении с прототипом является возможность постоянного контроля исправности устройства при его эксплуатации, что повышает надежность функционирования устройства и расширяет его функциональные возможности.

Источники информации
1. Устройство для ограничения времени горения электрической дуги в электроустановках. Авторское свидетельство СССР N 1372438, кл. H 02 B 13/00, 1986.

2. Устройство для ограничения времени горения электрической дуги в электроустановках. Авторское свидетельство СССР N 1735951, кл. H 02 B 13/00, 1987.(Прототип).

3. Справочник по волоконно-оптическим линиям связи, под ред. С.В. Свечникова и Л.М. Андрущенко. К.: Тэкника, 1988, с.136.

4. Суэмацу Я. и др. Основы оптоэлектроники. М.: Мир, 1988, с. 134.

Формула изобретения

Устройство для ограничения времени горения электрической дуги в электроустановках, содержащее чувствительный элемент в виде диэлектрического легкоплавкого световода, фотодетектор и исполнительный орган, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит источник оптического излучения, торцевое зеркало, светоделитель, электронный решающий блок и сигнализатор неисправности, световод выполнен со светопроницаемой оболочкой, на одном торце световода расположено торцевое зеркало, а вторым торцом световод оптически связан через светоделитель с выходом источника оптического излучения и входом фотодектора, выход последнего подключен к входу электронного решающего блока, первый и второй выходы которого подключены соответственно к исполнительному органу и к сигнализатору неисправности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7