Волоконно-оптичний датчик відкритої електричної дуги дугового захисту комплектних розподільних улаштувань

Реферат: Волоконно-оптичний датчик відкритої електричної дуги дугового захисту комплектних розподільчих улаштувань містить фотоелектричний датчик, з'єднаний зі світловодом, другий кінець якого обладнаний дифузним розсіювачем, що містить циліндричний наконечник, хоча б частина якого виконана з матеріалу, що характеризується об'ємним дифузним розсіюванням. UA 78424 U (12) UA 78424 U UA 78424 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до електротехніки, зокрема до систем захисту електрообладнання, призначена для використання в енергетичному обладнанні. При виникненні відкритої електричної дуги короткого замикання датчик подає сигнал на аварійне відключення електроустановок, у тому числі шаф комплектних розподільчих пристроїв внутрішньої і зовнішньої установки (КРУ (Н)), комплектних трансформаторних підстанцій, комплектних струмопроводів. Датчик підвищує локалізаційну здатність захисних улаштувань. Поява електричної дуги у відсіку КРУ (Н) викликає в ньому збільшення освітленості, що може бути використано для побудови захисту. При розробці систем аварійного захисту від впливу відкритої електричної дуги електророзподільного обладнання, зокрема КРУ, вирішують різні завдання. Необхідно відключити окремий осередок КРУ при виникненні в цьому осередку електричної дуги, не відключаючи КРУ в цілому. Або треба відключити КРУ, якщо дуга виникла одночасно в двох і більше осередках. Пристрій для відключення КРУ повинен охоплювати всі його осередки, мати високу швидкодію і не реагувати на електромагнітні перешкоди. Відомі пристрої, що містять фотодатчик, з'єднаний з електронним блоком електричним кабелем. Фотореле "Блискавка-2" (1) використовується для подачі сигналу на аварійне відключення КРУ. Пристрій спрацьовує при безпосередньому потраплянні спалаху світла від електричної дуги на фотодатчик, за який використаний фоторезистор. Тому для відключення КРУ в цілому, що складається з декількох осередків, необхідно встановлювати свій фотодатчик в кожному осередку і з'єднувати їх електричним кабелем. В цьому випадку відключення окремого осередку КРУ можливо, тільки якщо електронний блок містить окремі виконавчі реле і канали обробки на кожен датчик. Недоліками також є перешкоди і низька надійність, викликана вразливістю електронного блока в разі контакту з датчиком дуги високої напруги. Загальним недоліком зазначеного рішення та інших подібних рішень є їх низька завадостійкість, обумовлена впливом електромагнітних завад на лінії зв'язку, що призводить до необхідності відбудови від перешкод шляхом введення тимчасових затримок, частотної фільтрації або збільшення рівнів спрацьовування реагуючих органів. Для зменшення довжини ліній зв'язку такі пристрої необхідно встановлювати в кожній шафі КРУ (Н), що вимагає значних витрат у зв'язку з широким розповсюдженням КРУ в енергосистемах і на промислових підприємствах. Відомо пристрій дугового захисту УДЗ-1 (2), що містить виконаний з пластмасового волокна світловод, фотоприймач, компаратор і виконавчий орган. Світловод прокладається в місцях ймовірного виникнення електричної дуги і з'єднується з фотоприймачем, підключеним до неінвертуючого входу компаратора, навантаженням якого є виконавчий орган, що відключає КРУ. Працює пристрій наступним чином. При виникненні електричної дуги у світловода підгорає або перегорає ізоляційний шар. За світлопровідним каналом світло потрапляє на фотоприймач, де перетворюється в електричний аналог, який порівнюється на компараторі із заданим рівнем напруги, перевищення якого свідчить про появу електричної дуги. У цьому випадку сигнал з компаратора викликає спрацьовування виконавчого органа, який відключає КРУ в цілому. Цей пристрій дозволяє охопити кілька осередків за рахунок прокладки світловода в цих осередках. Недоліком є розрахунок на пошкодження бокової стінки ізоляції світловода, а також неможливість відключення окремого осередку КРУ, в якому виникла електрична дуга. У разі виникнення електричної дуги в одному осередку відключається КРУ в цілому. Це обумовлено тим, що довжина світловода досить велика і не дозволяє заздалегідь передбачити або точно визначити місце освітлювання дуги. Датчик же дозволяє фіксувати тільки момент виникнення електричної дуги. З його єдиного вихідного сигналу неможливо виділити дві незалежні величини, необхідні для розрахунку: потужність дуги W і її місце розташування s. Відомо також вибраний як найближчий аналог пристрій (3), що містять внутрішній фотодатчик і світлопровідний кабель, що закінчується виносним дифузним розсіювачем, що дозволяє розширити діаграму спрямованості практично до кругової й істотно знизити чутливість до забруднень. Фотодатчики можуть бути реалізовані на основі фотодіодів, фоторезисторів, фототранзисторів, оптоволоконних датчиків освітленості. Подібний розсіювач повинен мати стабільні в часі і повторювані від екземпляра до екземпляра оптичні характеристики, а також витримувати без погіршення властивостей механічні удари і т.д. Недоліком пристрою є висока вартість, обумовлена необхідністю виготовлення оптичних деталей з дорогих матеріалів з високими вимогами до якості матеріалу, геометричних розмірів, текстури і чистоти поверхонь, а також жорсткими вимогами до якості зборки. 1 UA 78424 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 В основу цієї корисної моделі поставлена задача зниження вартості виробу при збереженні необхідних споживчих якостей шляхом спрощення конструкції і зниження жорсткості технологічних допусків, а також застосування доступних матеріалів. Поставлена задача вирішується тим, що в волоконно-оптичному датчику відкритої електричної дуги дугового захисту комплектних розподільчих улаштувань, що містить фотоелектричний датчик з'єднаний зі світловодом, другий кінець світловода обладнаний дифузним розсіювачем. Розсіювач містить циліндричний наконечник, хоча б частина якого виконана з матеріалу, що характеризується об'ємним дифузним розсіюванням. Конструктивно наконечник можна виконати циліндричним, з листа, згорнутого щонайменше в одношаровий порожнистий циліндр, внутрішній розмір якого відповідає зовнішньому розміру світловода. Шарів може бути й більше одного. Циліндр може мати будь-який поперечний переріз. Він може бути круглим, овальним і навіть гранованим. Оптимально повторити форму зовнішньої поверхні світловода. Циліндрична частина наконечника може бути виконана і з трубки. Трубка може бути будьякою, але краще і зручніше, якщо використаний її тонкостінний різновид. Наконечник також можна виконати складовим. В цьому випадку зручніше, якщо його внутрішня частина згорнута з листа в порожнистий циліндр, а зовнішня частина наконечника виконана з трубки. Як матеріал для наконечника, що характеризується об'ємним дифузним розсіюванням, запропоновано використовувати фторопласт, який може бути матовим. Зручно, що розсіювач забезпечений елементами механічного кріплення наконечника. Практично, що наконечник обладнаний засобом для підключення джерела контрольного світла. Технічний результат полягає в забезпеченні надійності і безпеки систем аварійного захисту електророзподільного обладнання, зокрема КРУ, від впливу відкритої електричної дуги, зменшенні витрат часу для монтажу і підключення системи, скорочення витрат на її обслуговування і експлуатацію, а також у забезпеченні високої швидкодії і завадостійкості датчика. На кресленнях зображені різні варіанти використання світловода волоконно-оптичного датчика відкритої електричної дуги з наконечником дифузного розсіювача у вигляді циліндричної трубки. На фіг. 1 показаний найбільш часто використовуваний відкритий кінець світловода з надітим на нього наконечником у вигляді трубки. На фіг. 2 показаний кінець світловода з надітим на нього наконечником у вигляді трубки, до якої підведений і підключений відрізок світловода, поєднаного з джерелом контрольного світла. Суть корисної моделі полягає в наступному. Волоконно-оптичний датчик відкритої електричної дуги дугового захисту комплектних розподільчих улаштувань містить фотоелектричний датчик (на кресленні не показаний), з яким з'єднаний кінець світловода 1. Другий кінець світловода 1 обладнаний дифузним розсіювачем 2. Розсіювач 2 світловода 1 містить циліндричний наконечник, хоча б частина якого виконана з матеріалу, що характеризується об'ємним дифузним розсіюванням. Датчик може бути забезпечений елементами 3 механічного кріплення наконечника до деталей різних вузлів комплектних розподільчих улаштувань. Призначення цих елементів зберегти місце розташування і орієнтацію наконечника в просторі щодо деталей і вузлів комплектних розподільчих улаштувань в режимі їх звичайної експлуатації і запобігти механічному руйнуванню і знищенню наконечника в аварійному режимі при виникненні в безпосередній близькості від нього не тільки відкритої електричної дуги, а й інших руйнівних впливів. Форма і конструкція елементів кріплення принципового значення не мають, тому вони на кресленні не показані. Наконечник розсіювача 2 краще виготовляти з фторопласту. Цей матеріал характеризується об'ємним дифузним розсіюванням. Фторопласт здатний додати датчику сферичну діаграму спрямованості, що дозволяє якісно прийняти сигнал з будь-якого напрямку. Хороші результати отримано навіть з прозорим фторопластом, в тому числі, з пофарбованим. Однак найкращі результати отримані, коли застосували матовий фторопласт, особливо матовий в усьому обсязі, а не тільки на поверхні. Конструктивно розсіювач 2 може бути виконаний з листа. Заготовку відповідного розміру зручно намотати на світловод 1 біля його торця і закріпити там будь-яким зручним способом. Іншими словами, необхідно згорнути заготовку в порожнистий циліндр, внутрішній розмір якого відповідає зовнішньому розміру світловода. Але набагато практичніше застосувати готову трубку відповідного розміру. Незалежно від того, використана готова трубка, або вона згорнута з листової заготовки, краще використовувати тонкостінну трубку. 2 UA 78424 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Переваги використання запропонованого рішення полягають в наступному. Виключена необхідність застосовувати для прийому сигналу фотоелементи. Використання елементів з оптичною якістю приймальних вікон значно погіршує роботу датчика в силу того, що оптичні елементи для поліпшення умов роботи повинні бути юстировані. У разі виникнення дуги в обладнаній датчиком шафі КРУ (Н) фотоелемент, який не спрямований на дугу або на її найближчу периферію, при деяких обставинах може її просто не "побачити". Установка великої кількості різноспрямованих елементів потребує дублювати і мережі, і обчислювальні (аналізують) потужності. Таке дублювання серйозно здорожує систему. Запропоноване рішення засноване на тому, що спалах дуги являє собою яскравий світловий сигнал, який світловод здатний передати безпосередньо в фотоелектричний датчик для обробки. Встановлений на торці світловода 1 розсіювач 2 дозволяє виявити, прийняти і потім передати в світловод 1 сигнал з будь-якого напрямку, а не тільки той, який прийшов по нормалі до торця світловода 1. Немає необхідності юстирувати датчик. Знижуються вимоги до монтажу: не має значення, чи щільно посаджений наконечник розсіювача 2 на світловод 1, склеєні вони будь-яким видом клею, герметизовані або, навпаки, світловод 1 просто вставлений в наконечник розсіювача 2. Наконечник можна встановити в будь-якому зручному місці всередині шафи і надійно закріпити його. Для цього і передбачені елементи механічного кріплення. Кількість елементів механічного кріплення світловода в шафі і в інших місцях істотного значення не має. Волоконно-оптичний датчик вимагає періодичного обслуговування і перевірок. Для цих цілей передбачено можливість підключити до датчика джерело контрольного світла. Таким джерелом може бути ліхтар, дугова лампа, лазерне джерело. Встановлений у шафі серед іншого обладнання датчик зі своїми світловодами і наконечниками виявляється важко доступний навіть для перевірок. Тому передбачено, що контрольне світло вводять в датчик за таким же світловодом. Кінчик світловода, з'єднаного з джерелом, вставляють в наконечник розсіювача 2, включають світло і роблять необхідні маніпуляції. При необхідності цей світловод теж можна закріпити на наконечнику елементами механічного кріплення. Стабільність оптичних характеристик наконечника в часі забезпечується високою стабільністю матеріалу, з якого він виготовлений, оскільки розсіювання світла відбувається в його товщі. Практичні дослідження показали, що результат не залежить від форми наконечника. Тому як найбільш технологічний вибраний варіант з використанням трубки, що випускається серійно. Повторюваність результатів від екземпляра до екземпляра забезпечується гомогенністю матеріалу, що не вимагає ретельного дозування компонентів при литті, а також високою однорідністю властивостей матеріалу в партіях поставки. Механічна міцність забезпечується еластичністю самого матеріалу. Пристрій працює зі спалахами світла, тому він характеризується високою швидкодією і не реагує на електромагнітні перешкоди. Вартість виробу знижена за рахунок виключення необхідності використання дорогих комплектуючих при його виготовленні і відмови від виконання юстированих та інших робіт, що вимагають при його експлуатації присутності висококваліфікованого персоналу. Незважаючи на спрощення конструкції і зниження жорсткості технологічних допусків, а також завдяки застосуванню доступних матеріалів, збережені необхідні споживчі якості волоконнооптичного датчика відкритої електричної дуги дугового захисту комплектних розподільчих улаштувань. Джерела інформації: 1. Сучасні засоби релейного захисту та протиаварійної автоматики. Каталог спецекспозиції. - М.: Союзтехенерго, 1989. - С. 15. 2. Нікітан О.В., Селіванін А.У. Застосування дугових захистів в комплексних розподільчих пристроях сільськогосподарських підстанцій. Експлуатація пристроїв сільськогосподарського електропостачання. Збірник наукових праць. - М.: 1989. - С. 44. 3. Патент РФ на винахід № 2187871. МПК 7 Н02Н 7/22. Опубліковано 20.08.2002 найближчий аналог. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Волоконно-оптичний датчик відкритої електричної дуги дугового захисту комплектних розподільчих улаштувань, що містить фотоелектричний датчик, з'єднаний зі світловодом, другий кінець якого обладнаний дифузним розсіювачем, який відрізняється тим, що розсіювач 3 UA 78424 U 5 10 15 20 містить циліндричний наконечник, хоча б частина якого виконана з матеріалу, що характеризується об'ємним дифузним розсіюванням. 2. Волоконно-оптичний датчик за п. 1, який відрізняється тим, що наконечник виконаний циліндричним з листа, згорнутого щонайменше в одношаровий порожнистий циліндр, внутрішній розмір якого відповідає зовнішньому розміру світловода. 3. Волоконно-оптичний датчик за п. 1, який відрізняється тим, що циліндрична частина наконечника виконана з трубки. 4. Волоконно-оптичний датчик за п. 2, який відрізняється тим, що наконечник виконаний складовим, внутрішня його частина згорнута в порожнистий циліндр з листа, а зовнішня частина наконечника виконана з трубки. 5. Волоконно-оптичний датчик за п. 1, який відрізняється тим, що як матеріал для наконечника, що характеризується об'ємним дифузним розсіюванням, використаний фторопласт. 6. Волоконно-оптичний датчик за п. 1, який відрізняється тим, що як матеріал для наконечника, що характеризується об'ємним дифузним розсіюванням, використаний матовий фторопласт. 7. Волоконно-оптичний датчик за п. 3, який відрізняється тим, що трубка виконана тонкостінною. 8. Волоконно-оптичний датчик за п. 1, який відрізняється тим, що розсіювач забезпечений елементами механічного кріплення наконечника. 9. Волоконно-оптичний датчик за п. 8, який відрізняється тим, що наконечник обладнаний засобом для підключення джерела контрольного світла. 4 UA 78424 U Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5