Устройство адаптивной дуговой защиты электрооборудования корпусной конструкции
Устройство предназначено для защиты комплектных распределительных устройств корпусной конструкции от коротких замыканий, сопровождаемых электрической дугой. Сущность устройства - контроль уровня сигнала пропорционального световому потоку, генерируемому электрической дугой короткого замыкания измерительным органом с помощью оптико-электрического датчика (фотодатчика), соединенного с измерительной частью устройства электрической линией связи (ЭЛС). Отличительной особенностью устройства является контроль состояния фотодатчика, ЭЛС, входного преобразователя как в нормальном режиме, так и во время КЗ, а также введение защиты в действие на время достаточное для ликвидации внутреннего повреждения. Это позволяет повысить надежность и быстродействие и упростить устройство при высокой его помехозащищенности.
Заявляемое устройство (полезная модель) относится к области электротехники и предназначено для релейной защиты электрооборудования корпусной конструкции - комплектных распределительных устройств внутренней (КРУ) и наружной (КРУН) установок от коротких замыканий (КЗ), сопровождаемых открытой электрической дугой внутри отсеков КРУ.
Известны устройства для защиты распределительных устройств корпусной конструкции от электрической дуги КЗ, содержащие рабочие и тормозные фотодатчики, схему сравнения, пороговый элемент (пат. ФРГ №1126011, пат. Франции №2087348, А.С. СССР №851544, №1415320, №1111224, №997175, №1545287, №1453518, Патент РФ 2162271).
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является устройство для защиты КРУ от дуговых коротких замыканий по Патенту РФ 2162271, содержащее рабочий и тормозной фотодатчики, первый и второй контрольные кабели, первый и второй источники напряжения, частотно-зависимый элемент, первый пороговый элемент, интегратор, второй пороговый элемент.
В данном устройстве обеспечивается контроль освещенности рабочего и тормозного фотодатчиков. Срабатывание устройства достигается только при превышении рабочим сигналом тормозного сигнала. Наличие в устройстве частотно-зависимого элемента, образующего совместно с рабочим фотодатчиком, контрольным кабелем частотный фильтр, коэффициент передачи которого определяется состоянием рабочего фотодатчика, позволяет эффективно отстроиться от электромагнитных помех, наводимых в контрольном кабеле и получить при этом достаточно высокое быстродействие.
Однако, несмотря на положительные качества, отмеченные выше, данному техническому решению присущи следующие недостатки: отсутствие контроля состояния фотодатчика, контрольных кабелей и измерительной части, что безусловно снижает надежность защиты, а наличие тормозного канала,
предназначенного для повышения отстройки от световых и электромагнитных помех, усложняет как само устройство защиты, так и его монтаж и наладку на подстанции (наличие дополнительного контрольного кабеля, прокладываемого в защищаемых высоковольтных отсеках КРУ для подключения тормозного датчика).
Цель полезной модели - повышение надежности, быстродействия и упрощение.
Указанная цель достигается тем, что в устройстве адаптивной дуговой защиты электрооборудования корпусной конструкции, содержащее фотодатчик, первый вывод которого соединен последовательно первым проводом двухпроводного контрольного кабеля с первым выводом источника переменного напряжения, первый и второй пороговые элементы, первый выходной орган, второй вывод фотодатчика соединен вторым проводом двухпроводного контрольного кабеля с первым входом входного преобразователя, второй вход которого соединен со вторым выводом баластного блока, а его первый вывод соединен со вторым выводом источника напряжения, выход входного преобразователя соединен со входом блока селекции сигналов, первый выход которого соединен со входом первого порогового элемента, а второй его выход соединен со входом второго порогового элемента, выход которого соединен со входом второго элемента задержки на возврат, а выход последнего соединен со вторым входом логического элемента И и входом второго выходного органа, выход первого порогового органа соединен со входом первого элемента задержки на возврат, выход которого соединен с первым входом логического элемента И, а его выход соединен со входом первого выходного органа, выход пускового органа подключен ко входу элемента ограничения длительности, а выход последнего подключен к третьему входу логического элемента И.
Сущность устройства поясняется чертежами на фиг.1 и фиг.2. На фиг.1 приведена схема устройства, которое состоит из фотодатчика (фотодиода) (ФД) 1, двухпроводного контрольного кабеля (КК) 2, состоящего из первого и второго провода, источника напряжения (ИН) 3, баластного блока (ББ) 4, входного преобразователя (ВП) 5, блока селекции сигналов (БСС) 6, первого и второго пороговых элементов (ПЭ1 и ПЭ2) 7 и 8 соответственно, первого и второго
элементов задержки на возврат (ЭЗВ1 и ЭЗВ2) 9 и 10, логического элемента И 11, первого и второго выходных органов (ВО1 и ВО2) 12 и 13, пускового органа (ПО) 14, элемента ограничения длительности (ЭОД) 15.
На фиг.2 приведены временные диаграммы, поясняющие работу устройства в нормальном режиме (фиг.2, а) и в аварийном режиме при коротком замыкании, сопровождающемся появлением электрической дуги в зоне установки фотодатчика (фиг.2, б).
Фотодатчик 1 устанавливается в высоковольтных отсеках ячеек КРУ. Контрольный кабель 2 обеспечивает функции электрической линии связи и должен быть свит с шагом 2-3 см, а также может быть помещен в экран, что существенным образом уменьшает влияние электромагнитных помех, возникающих в результате протекания токов от нескольких сот ампер до десятков кА в цепях переменного тока при КЗ, а также в цепях оперативного постоянного тока, например, при коммутациях выключателей или замыканиях полюса аккумуляторной батареи на землю.
Из-за того, что указанные мероприятия не позволяет полностью исключить влияние электромагнитных помех на работу устройства, в нем предусмотрен фильтрующий элемент, состоящий из фотодатчика 1, контрольного кабеля 2, баластного блока 4 и входного преобразователя 5. Примером реализации фильтрующего элемента может служить схема включения операционного усилителя с многопетлевой обратной связью (Темкина Р.В. Измерительные органы релейной защиты на интегральных микросхемах. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 240 с., см. С.88, рис.4, 9). При этом фотодатчик 1, контрольный кабель 2, баластный блок 4 выполняют функции элемента Y1 на рис.4.9, указанного источника. Баластный блок 4 может быть выполнен в виде линейного или нелинейного резистора, а также совокупности линейных резисторов соединенных параллельно, в цепи одного из которых включен, например, выпрямительный диод. Это позволяет раздельно регулировать коэффициент передачи сигнала по положительной и отрицательной полярности. Источник напряжения 3 может быть реализован как источник синусоидального напряжения или как источник переменного напряжения заданной частоты и формы сигнала.
Коэффициент передачи напряжения входного преобразователя 5, к которому последовательно подключены: фотодатчик (фотодиод) 1, контрольный кабель 2, баластный блок 4, зависит как от состояния фото датчика, так и выполнения баластного блока 4, т.к. его сопротивления при протекании тока в положительном и отрицательном направлениях могут быть различными. При неосвещенном фотодатчике коэффициент передачи положительной полуволны напряжений минимален, а при освещенном фотодатчике максимален. Коэффициент передачи положительной полуволны напряжения определяется освещенностью фотодатчика и тем самым регулируется чувствительность устройства защиты. Коэффициент передачи по отрицательной полуволне напряжения в основном определяется значением сопротивления баластного блока 4. Различные сопротивления баластного блока 4 в разных направлениях позволяют регулировать коэффициент передачи входного преобразователя 5.
Блок селекции сигналов 6 предназначен для выделения признаков сигналов, характеризующих нормальный и аварийный режимы электроустановки и устройства. Блок селекции сигналов 6 может представлять, например однополупериодные выпрямители, выделяющие положительные и отрицательные полуволны напряжения с выхода входного преобразователя 5 (см. например, Устройства дистанционной и токовой защит типов ШДЭ 2801, ШДЭ2802 / А.Н.Бирг, Г.С.Нудельман, Э.К.Федоров и др. - М.: Энергоатомиздат, 1988, - 144 с., С.41-45, рис.21 и 22, пусковой орган блокировки дистанционной защиты при качаниях). Блок селекции 6 имеет два выхода, к которым подключены соответственно пороговые элементы 7 и 8, контролирующие сигналы в аварийном режиме электроустановки, т.е. при КЗ через электрическую дугу и в нормальном и аварийном режиме. БСС 6 может также быть реализован в виде частотных фильтров, например, полосового фильтра или фильтра высших частот, выделяющего сигнал, контролируемый пороговым элементом 7 и фильтра низких частот, выделяющего сигнал, контролируемый пороговым элементом 8. Блок селекции сигналов 6 также может быть реализован в виде интегратора, на первом выходе которого формируются положительный сигнал, на втором - отрицательный сигнал.
Первый пороговый элемент 7 обеспечивает контроль сигнала пропорционального освещенности внутри контролируемых отсеков КРУ, обусловленной появлением столба электрической дуги. Второй пороговый элемент 8 обеспечивает контроль сигнала, обусловленного протеканием тока через фотодиод 1 в прямом направлении. Наличие этого тока характеризует целостность входной цепи устройства защиты (фотодатчика 1, контрольного кабеля 2, баластного блока 4, исправность источника напряжения 3 и входного преобразователя 5).
Элементы задержки на возврат 9 и 10 обеспечивают устойчивую работу устройства защиты при импульсном характере выходных сигналов пороговых элементов 7 и 8, путем продления их существования на время 10...30 мс.
Логический элемент И 11 формирует входной сигнал для выходного органа 12 только в случае срабатывания первого порогового элемента 7 и исправности входной цепи (при срабатывании второго порогового элемента 8). Срабатывание второго выходного органа 13 при длительном отсутствии выходного сигнала элемента задержки на возврат 10 свидетельствует о неисправности входной цепи устройства защиты. Первый выходной орган имеет ограниченную длительность формирования выходного сигнала, что исключает неправильные действия в случае неисправности элементов измерительной части предлагаемого устройства защиты. Максимальное время формирования выходного сигнала выходным органом 12 обусловлено предельным временем ликвидации внутренних коротких замыканий в КРУ. При этом в устройстве имеется канал контроля другого признака короткого замыкания, например, уровней тока или напряжения (см. например, Нагай В.И. Классификация способов и анализ информационных признаков для выявления дуговых коротких замыканий в электроустановках корпусной конструкции. - Изв. вузов Сев. - Кавк. регион. Технические науки. 2001, №2. С.50-54 или Нагай В.И. Релейная защита ответвительных подстанций электрических сетей. - Энергоатомиздат, 2002. - 312 с.), состоящего из последовательно включенных пускового органа (ПО) 14 и элемента ограничения длительности сигнала (ЭОД) 15. Выход ЭОД 15 подключен к третьему входу логической схемы И 11. Время существования выходного сигнала ЭОД 15 не превышает длительности
отключения внешнего КЗ и времени ступени селективности, что позволяет надежно отключать внешние короткие замыкания, переходящие во внутренние КЗ при неуспешном отключении высоковольтного выключателя. При этом также удается исключить излишние отключения при внешних КЗ и наличии мощной электромагнитной помехи. Наличие трех каналов, контролирующих уровень светового потока (освещенности), тока (напряжения) и исправность цепей фотодатчика позволяет обеспечить надежную работу устройства в любых режимах. Длительное существование одного из признаков и отсутствие при этом другого воспринимается защитой как неисправность (см. например. Устройства дистанционной и токовой защит типов ШДЭ 2801, ШДЭ2802 / А.Н.Бирг, Г.С.Нудельман, Э.К.Федоров и др. - М.: Энергоатомиздат, 1988, - 144 с.).
В нормальном режиме устройство находится в следующем состоянии: фотодатчик 1 неосвещен, ток через него протекает практически только при отрицательной полярности напряжения источника 3. Входной преобразователь 5 преобразует напряжение, например, путем масштабирования, фильтрации и т.д. Выходное напряжение входного преобразователя 5 поступает на вход блока селекции сигналов 6, которое подвергается вторичной обработке, например, разделяется по полуволнам с помощью однополупериодных выпрямителей (положительные и отрицательные полуволны) или выделяются различные гармонические составляющие. В последнем случае основная гармоническая составляющая и высшие гармонические составляющие выделяются на первом выходе БСС 6, постоянная составляющая выделяется на его втором выходе. Уровень сигнала на первом выходе БСС 6 незначителен из-за малого коэффициента передачи положительных полуволн напряжения входным преобразователем 5 (сопротивление фотодиода в обратном направлении для положительного напряжения источника 3 велико) и поэтому недостаточен для срабатывания первого порогового элемента 7, на выходе которого имеется сигнал логический нуль. Уровень сигнала на втором выходе наоборот велик, т.к. фотодиод 1 для отрицательной полярности напряжения источника 3 включен в прямом направлении, что приводит к срабатыванию второго порогового элемента ПЭ2 8 и к появлению на его выходе логического сигнала единица. Это вызывает
формирование на выходе элемента задержки на возврат 10 логического сигнала единица, длительность которого продлевается на 10...30 мс. С приходом следующего импульса действие ЭЗВ2 10 продлевается снова на упомянутое время. Сработанное состояние элемента задержки на возврат 10 не позволяет сформировать выходной сигнал выходному органу 13, на выходе которого имеется логический сигнал нуль. Элемент задержки на возврат 9, пусковой орган 14, элемент, ограничения длительности 15, логический элемент И 11 и первый выходной орган 12 находится в несработанном состоянии и на их выходах сформирован сигнал логический нуль.
Описанное состояние устройства иллюстрируется рисунком на фиг.2, а, выходные напряжения на котором обозначены номерами соответствующих элементов. На данном рисунке состояния элементов соответствуют включению источника 3, т.е. нулевым начальным условиям (элементы задержки на возврат находились в нулевом состоянии). В стационарном состоянии на выходе элемента задержки на возврат 10 имеется сигнал высокого уровня, т.е. логическая единица. Сигналы остальных элементов соответствуют диаграммам на фиг.2, а.
При внутреннем коротком замыкании, сопровождаемом электрической дугой, многократно увеличивается освещенность в ячейке КРУ и световой поток, падающий на фотодатчик 1 (фиг.2, б). В результате этого повышается проводимость фотодатчика 1 и уровень сигнала положительных полуволн на выходе входного преобразователя 5 и БСС 6 (первый выход) возрастает и становится достаточным для преодоления уровня срабатывания 
, первого порогового элемента 7. На выходе порогового элемента 7 и элемента задержки на возврат 9 формируется сигнал логическая единица, которая поступает на первый вход логической схемы И 11. На втором входе И 11, при наличии отрицательных полуволн на втором выходе БСС 6, сработавшем втором пороговом элементе 8 и втором ЭЗВ2 10, что свидетельствует об исправности фотодатчика 1, двухпроводного контрольного кабеля 2, баластного блока 4 и входного преобразователя 5, также формируется логическая единица. На выходах порогового органа 14 и элемента ограничения длительности сигнала 15 формируется сигнал логическая единица, что
обеспечивает появление разрешающего сигнала на третьем входе логического элемента И 11, а на его выходе также появляется сигнал логическая единица. Это обеспечивает срабатывание выходного органа 12, воздействующего на отключение КРУ и ликвидации аварии. На выходе второго выходного органа, также как и при отсутствии КЗ, сформирован выходной сигнал логический нуль.
При наличии кратковременных помех, возникающих в цепях датчиков, контрольном кабеле устройство не срабатывает, что обусловлено наличием комплекса фильтрующих элементов во входном преобразователе 5, блоке селекции сигнала 6, также отсутствие срабатывания пускового органа 14. Соответствующий выбор напряжения срабатывания первого порогового элемента 7 и постоянных времени выходного органа 12 позволяют обеспечить срабатывание устройства только при определенной длительности сигнала положительной полярности на выходе БСС 6, что обеспечивает помехоустойчивость устройства и надежность работы даже при наличии мощных электромагнитных помех в условиях внешнего КЗ, когда возможно срабатывание пускового органа 14.
При обрыве контрольного кабеля или одного из элементов входной цепи на втором выходе блока селекции сигналов 6 отсутствуют сигналы достаточные для срабатывания второго порогового элемента 8, что вызывает его возврат в исходное состояние и как следствие второго элемента задержки на возврат 10 и следовательно срабатывание второго выходного органа 13, свидетельствующего таким образом о неисправности указанных элементов. Срабатывание второго выходного органа 13 происходит при отсутствии сигнала на выходе второго элемента задержки на возврат 10.
Быстродействие устройства защиты определяется следующими факторами: скоростью нарастания уровня светового потока в защищаемом отсеке, частотой сигнала источника напряжения 3, задержками времени, вносимыми входным преобразователем 5 и блоком селекции сигнала 6 из-за наличия в них инерционных элементов. Существенное снижение времени срабатывания устройства может быть достигнуто путем увеличения частоты напряжения источника напряжения 3 при этом снижается инерционность частотных фильтров во входном преобразователе 5 и блоке селекции сигнала 6.
Упрощение устройства и повышение его надежности достигается как применением однотипных элементов (ПЭ1 и ПЭ2, ЭЗВ1 и ЭЗВ2, ВО1 и ВО2), так и введением в его состав устройства контроля фотодатчика, соединительных проводов, источника переменного напряжения, баластного блока, входного преобразователя, пускового органа и элемента ограничения длительности сигнала. Наличие перечисленных элементов во взаимосвязи между собой позволяет своевременно выявить неисправность устройства, уменьшить число его проверок и увеличить межпроверочный интервал. Адаптация устройства к условиям эксплуатации заключается в изменении коэффициентов передачи входного преобразователя в зависимости от состояния фотодатчика, в формировании выходных сигналов при исправном состоянии входных цепей и блокирование устройства при их неисправности.
В настоящее время устройство по предлагаемой схеме внедрено в эксплуатацию и проведены натурные испытания, подтвердившие его работоспособность и положительные качества.
Устройство адаптивной дуговой защиты электрооборудования корпусной конструкции, содержащее фотодатчик, первый вывод которого соединен последовательно первым проводом двухпроводного контрольного кабеля с первым выводом источника переменного напряжения, первый и второй пороговые элементы, первый выходной орган, отличающееся тем, что второй вывод фотодатчика соединен вторым проводом двухпроводного контрольного кабеля с первым входом входного преобразователя, второй вход которого соединен со вторым выводом баластного блока, а его первый вывод соединен со вторым выводом источника напряжения, выход входного преобразователя соединен со входом блока селекции сигналов, первый выход которого соединен со входом первого порогового элемента, а второй его выход соединен со входом второго порогового элемента, выход которого соединен со входом второго элемента задержки на возврат, а выход последнего соединен со вторым входом логического элемента И и входом второго выходного органа, выход первого порогового органа соединен со входом первого элемента задержки на возврат, выход которого соединен с первым входом логического элемента И, а его выход соединен со входом первого выходного органа, выход пускового органа подключен ко входу элемента ограничения длительности, а выход последнего подключен к третьему входу логического элемента И.
