RU2024148C1

RU2024148C1 - Arc-protection device for factory-assembled switchgear

Info

Publication number: RU2024148C1
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Нагай; Сергей Владимирович Сарры
Original assignee: Владимир Иванович Нагай; Сергей Владимирович Сарры
Priority date: 1992-03-09
Filing date: 1992-03-09
Publication date: 1994-11-30

Abstract

FIELD: electrical engineering; short-circuit protection of indoor and outdoor switchgears. SUBSTANCE: groups of photosensors of switchgear cubicles are connected into balanced circuit, and use of measuring element responsive to voltages of different polarity provide reliable protection of switchgear. EFFECT: enhanced reliability of protection. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для релейной защиты ячеек комплектных распределительных устройств внутренней (КРУ) и наружной установки от коротких замыканий (КЗ), сопровождаемых открытой электрической дугой и возникающих внутри объема КРУ (Н). The invention relates to electrical engineering and is intended for relay protection of the cells of complete switchgears of the internal (switchgear) and outdoor installation against short circuits (short circuit), accompanied by an open electric arc and occurring inside the volume of the switchgear (N).

Известны устройства для защиты распределительных щитов от электрической дуги КЗ, содержащие рабочие и тормозные фотодатчики, схему сравнения, пороговый элемент (патент ФРГ N 1126011, патент Франции N 2087348, а.с. СССР N 851594, а.с.СССР N 1415320). Known devices for protecting switchboards from a short-circuit arc, containing working and brake photosensors, a comparison circuit, a threshold element (FRG patent N 1126011, French patent N 2087348, AS USSR N 851594, AS SSSR N 1415320).

Недостатком указанных устройство является возможный отказ при неустойчивом характере горения дуги, а также загрубление устройства тормозным сигналом вследствие того, что тормозной фотодатчик располагается в зоне отраженного света, а также при интенсивных внешних световых помехах. Кроме того, данные устройства предназначены для защиты одиночных ячеек. The disadvantage of these devices is a possible failure with an unstable nature of arc burning, as well as coarsening of the device by a brake signal due to the fact that the brake photo sensor is located in the reflected light zone, as well as during intense external light interference. In addition, these devices are designed to protect single cells.

Для повышения чувствительности и надежности в устройствах по а.с.СССР N 1111224, N 997175 введены дополнительные элементы, обеспечивающие контроль напряжения и вспомогательных составляющих в сигнале фотодатчиков. Но эти устройства более сложны в эксплуатации и в производстве,
С целью снижения аппаратурных затрат, а также для повышения чувствительности и надежности в устройстве по а.с.СССР N 1043776 предложено взаимное включение датчиков освещенности и температуры парных ячеек. Это дает возможность снизить число ложных срабатываний, но увеличивает поток отказов защиты, так как каналы включены по схеме логического элемента И. Кроме того, устройство имеет значительную инерционность из-за использования в качестве датчиков температуры терморезистороа. Диапазон измерения температур достаточно велик, особенно для КРУН, что затрудняет построение чувствительной защиты.To increase the sensitivity and reliability in devices according to ASSSSR N 1111224, N 997175, additional elements are introduced that provide control of voltage and auxiliary components in the photosensor signal. But these devices are more difficult to operate and in production,
In order to reduce hardware costs, as well as to increase sensitivity and reliability in the device according to ASSSSR N 1043776, the mutual inclusion of light and temperature sensors of paired cells is proposed. This makes it possible to reduce the number of false alarms, but increases the flow of protection failures, since the channels are connected according to the logic of the I circuit. In addition, the device has significant inertia due to the use of a thermistor as temperature sensors. The temperature measurement range is large enough, especially for KRUN, which complicates the construction of sensitive protection.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для дифференциальной дуговой защиты ячеек комплектного распределительного устройства по а.с. СССР N 1545287, содержащее фотодатчики, резистивный делитель напряжения, компараторы, образующие первые схемы сравнения, логические схемы И, элементы задержки, логическую схему ИЛИ. В устройстве осуществляется одновременный контроль состояния фотодатчиков защищаемой ячейки, связанной с двумя другими (соседними), а также контроль частотного спектра выходного сигнала фотодатчика. Это позволяет выполнить отключение повреждения даже при выходе из строя одного фотодатчика, однако предполагает большое число фотодатчиков (в каждой ячейке устанавливаются два фотодатчика), а также число связей, равное числу защищаемых ячеек. Введение канала частотной фильтрации также усложняет устройство. Однако наряду с положительными качествами, присущими устройствам, имеются и недостатки, заключающиеся в сложности (на данном этапе развития техники и состояния электроэнергетики), что имеет существенное значение при массовом внедрении устройство для защит КРУ (Н), необходимости высокой квалификации обслуживающего персонала. The closest in technical essence is a device for differential arc protection of the cells of a complete switchgear as.with. USSR N 1545287, containing photosensors, a resistive voltage divider, comparators forming the first comparison circuits, AND logic circuits, delay elements, OR logic circuit. The device simultaneously monitors the state of the photosensors of the protected cell associated with two other (neighboring) cells, as well as controls the frequency spectrum of the output signal of the photosensor. This allows you to disable damage even if one photosensor fails, however, it assumes a large number of photosensors (two photosensors are installed in each cell), as well as the number of connections equal to the number of protected cells. The introduction of a frequency filtering channel also complicates the device. However, along with the positive qualities inherent in the devices, there are also disadvantages in complexity (at this stage of the development of technology and the state of the electric power industry), which is essential for the mass introduction of a device for protection of switchgear (H), the need for highly qualified staff.

Цель изобретения - упрощение, повышение надежности, селективности, термостабильности. The purpose of the invention is to simplify, improve reliability, selectivity, thermal stability.

Цель достигается тем, что в устройстве дуговой защиты комплектного распредустройства, содержащем фотодатчики, измерительный орган и выходной орган, соединенные последовательно фотодатчики четных и соответственно нечетных ячеек включены параллельно и последовательно с резисторами, а точки соединения резисторов с фотодатчиками соединены с первым и вторым входами измерительного органа, состоящего из формирователя прямоугольных импульсов, соединенного с интегрирующим элементом, который соединен с пороговым элементом, выход которого соединен с входом выходного элемента, состоящего из выходного элемента четных и нечетных ячеек. The goal is achieved in that in an arc protection device of a complete switchgear containing photosensors, a measuring organ and an output organ connected in series to photosensors of even and respectively odd cells are connected in parallel and in series with resistors, and the connection points of resistors with photosensors are connected to the first and second inputs of the measuring organ consisting of a rectangular pulse shaper connected to an integrating element, which is connected to a threshold element, the output of which is It is connected to the input of the output element, consisting of the output element of even and odd cells.

Все элементы заявляемого устpойства использованы по своему прямому назначению и известны в практике релейной защиты, но совокупность этих элементов в их связи отличает предлагаемое устройство от аналогичных устройств и позволяет получить положительные качества, не присущие устройству-прототипу. All elements of the claimed device are used for their intended purpose and are known in the practice of relay protection, but the combination of these elements in their connection distinguishes the proposed device from similar devices and allows you to get positive qualities that are not inherent in the prototype device.

На чертеже изображено предлагаемое устройство. The drawing shows the proposed device.

Устройство предназначено для n-ячеек. В данном случае его работа поясняется на примере реализации функции защиты для четырех ячеек КРУ. The device is designed for n-cells. In this case, his work is illustrated by the example of the implementation of the protection function for four switchgear cells.

Устройство состоит из фотодатчиков 1-4, размещаемых в отсеках ячеек КРУ, резисторов 5, 6, измерительного органа 7, состоящего из формирователя 8 прямоугольных импульсов, интегрирующего элемента 9, порогового элемента 10, выходного элемента 11, состоящего из первого 12 и второго 13 выходного элементов. Фотодатчики 1, 2 расположены в четных ячейках, а 3, 4 - в нечетных ячейках. Формирователь прямоугольных импульсов (ФПИ) 8 имеет два порога срабатывания (для отрицательной и положительной полярности напряжений). Он может быть реализован по схеме ФПИ с зоной нечувствительности (см. Лысенко Е, В. Функциональные элементы релейных устройств на интегральных микросхемах. М.: Энергоатомиздат, 1990, с.44-45, рис.2.20). The device consists of photosensors 1-4 located in the switchgear compartments, resistors 5, 6, measuring body 7, consisting of a square-wave pulse shaper 8, an integrating element 9, a threshold element 10, an output element 11, consisting of the first 12 and second 13 output elements. Photosensors 1, 2 are located in even cells, and 3, 4 - in odd cells. The rectangular pulse shaper (FPI) 8 has two thresholds (for negative and positive voltage polarity). It can be implemented according to the FPI scheme with a deadband (see Lysenko E, B. Functional elements of relay devices on integrated circuits. M: Energoatomizdat, 1990, p. 44-45, Fig. 2.20).

Пороговый элемент 10 может быть также реализован по схеме ФПИ с зоной нечувствительности. Выходной элемент 12 осуществляет отключение четных ячеек, а пороговый элемент 13 - нечетных ячеек. The threshold element 10 can also be implemented according to the FPI scheme with a deadband. The output element 12 turns off even cells, and the threshold element 13 - odd cells.

Особенностью схемы устройства является разделение всех фотодатчиков на две группы и их соединение, как показано на чертеже, а также реализация измерительного органа, реагирующего на отрицательную и положительную полярность контролируемого сигнала. A feature of the device circuit is the separation of all photosensors into two groups and their connection, as shown in the drawing, as well as the implementation of a measuring body that responds to the negative and positive polarity of the monitored signal.

В исходном состоянии потенциалы резисторов 5 и 6 примерно равны и вследствие этого на выходе ФПИ 8 присутствует нулевое напряжение. Такое же напряжение на выходе интегрирующего элемента 9 и порогового элемента 10. Выходные элементы 12 и 13 находятся в несработанном состоянии. In the initial state, the potentials of the resistors 5 and 6 are approximately equal and as a result of this, zero voltage is present at the output of the FPI 8. The same voltage at the output of the integrating element 9 and the threshold element 10. The output elements 12 and 13 are in an unused state.

Рассмотрим работу устройства в различных режимах. Consider the operation of the device in various modes.

При возникновении короткого замыкания, сопровождаемого открытой электрической дугой внутри, например в четной ячейке, где установлен фотодатчик 2, повышается потенциал резистора 5, что приводит к появлению положительного напряжения между входами ФПИ 8 и его срабатыванию. На выходе ФПИ 8 появляется положительное напряжение, вследствие чего на выходе интегрирующего напряжения нарастает положительное напряжение, по достижении некоторого уровня которого срабатывает пороговый элемент 10. Это вызывает срабатывание выходного элемента 12 и в результате этого происходит отключение группы четных ячеек. When a short circuit occurs, accompanied by an open electric arc inside, for example, in the even cell where the photosensor 2 is installed, the potential of the resistor 5 rises, which leads to the appearance of a positive voltage between the inputs of the FPI 8 and its operation. At the output of FPI 8, a positive voltage appears, as a result of which a positive voltage rises at the output of the integrating voltage, when a certain level of threshold element 10 is triggered. This triggers output element 12 and, as a result, the group of even cells is turned off.

При возникновении КЗ внутри нечетных ячеек устройство работает аналогично, за исключением того, что полярности напряжений между входами ФПИ, на его выходе, на выходе интегрирующего элемента 9 и порогового элемента 10 появляются отрицательные напряжения. В этом случае происходит срабатывание выходного элемента 13 и отключатся нечетные ячейки. When a fault occurs inside the odd cells, the device works similarly, except that the voltage polarity between the inputs of the FPI, negative voltages appear at the output of the integrating element 9 and the threshold element 10. In this case, the output element 13 is triggered and the odd cells are turned off.

При возникновении помех, обусловленных электромагнитными процессами из-за протекания токов КЗ, а также при коммутациях в цепях постоянного оперативного тока, например при включении и отключении выключателей, отстройка от них обеспечивается включением фотодатчиков по разностной схеме (схеме сбалансированного моста), а также наличием в схеме интегрирующего элемента 9, который замедляет появление сигнала, достаточного для срабатывания порогового элемента 10 через 2-3 мс после срабатывания ФПИ 8. In the event of interference caused by electromagnetic processes due to the flow of short-circuit currents, as well as during switching in direct current circuits, for example, when turning on and off the circuit breakers, detuning from them is ensured by turning on the photosensors according to a difference circuit (balanced bridge circuit), as well as the circuit of the integrating element 9, which slows down the appearance of a signal sufficient to trigger the threshold element 10 after 2-3 ms after the operation of the FPI 8.

При изменении температуры окружающей среды изменяются параметры фотодатчиков (в данном случае фотодиоды). Однако это не приводит к существенному изменению напряжения между входами ФПИ 8. Это обусловлено включением фотодатчиков 1-4 по разностной схеме и изменением параметров датчиков в одну сторону. Так, например, при изменении температуры от 0 до 80^оС потенциал на одном резисторе составляет сотни милливольт, а разность напряжений между входами ФПИ в этом случае не превышает единиц милливольт. Напряжение срабатывания ФПИ выбирается больше уровня возможного небаланса, обусловленного неидентичностью фотодатчиков, изменением температурного режима. Опыт эксплуатации устройства показывает, что чувствительность устройства увеличивается на порядок и даже на два порядка. Чувствительность устройства ограничивается только необходимостью отстройки от различного рода световых помех, возникающих, например, при внешнем осмотре токоведущих частей с внесением в отсек ячейки внешнего источника света. Однако, как показывает опыт эксплуатации разработанных авторами аналогичных устройств, чувствительность устройств в этом случае к дуговым КЗ достаточна.When the ambient temperature changes, the parameters of the photosensors (in this case, the photodiodes) change. However, this does not lead to a significant change in the voltage between the inputs of the FPI 8. This is due to the inclusion of photosensors 1-4 in the difference scheme and a change in the parameters of the sensors in one direction. For example, when the temperature changes from 0 ° to 80 ^{° C} at a potential resistor of hundreds millivolts, and the voltage difference between the inputs of the DRF in this case does not exceed millivolt units. The operating voltage of the FPI is selected more than the level of possible unbalance due to the non-identity of the photosensors, a change in temperature. The operating experience of the device shows that the sensitivity of the device increases by an order of magnitude and even two orders of magnitude. The sensitivity of the device is limited only by the need to detune from various kinds of light noise arising, for example, during external inspection of live parts with the introduction of an external light source into the cell compartment. However, as the operating experience of similar devices developed by the authors shows, the sensitivity of the devices in this case to arc faults is sufficient.

Таким образом, предлагаемое устройство более просто в реализации и эксплуатации, позволяет выполнить защиту группы ячеек (секции), т.е. относится к централизованным устройствам. При этом за счет избирательности обеспечивается отключение только группы присоединений с поврежденным присоединением и в этом случае не теряется питание всех потребителей, что имеет место при воздействии защиты на вводной выключатель КРУ. Наибольшей селективностью обладает индивидуальная защита, устанавливаемая на каждом присоединении, но предлагаемое устройство защиты при резервировании потребителя от других присоединений выгодно отличается от упомянутой индивидуальной защиты меньшими аппаратурными затратами, отстроенностью от различного рода помех, в том числе и при изменении температуры. При наличии автоматического повторного включения и резервирования потребителей предлагаемое устройство оказывается вполне конкурентоспособным предлагаемым устройством. Кроме того, отключение группы ячеек уменьшает размер повреждения из-за достаточно высокой вероятности перехода дуги в смежные ячейки. Такое построение экономически целесообразно, так как стоимость защиты, ее установка, эксплуатация более выгодны, чем защиты на индивидуальных реле. Thus, the proposed device is easier to implement and operate, allows you to protect a group of cells (sections), i.e. applies to centralized devices. In this case, due to selectivity, only a group of connections with a damaged connection is disconnected, and in this case, the power of all consumers is not lost, which occurs when the protection acts on the input switchgear of the switchgear. The individual protection installed at each connection has the highest selectivity, but the proposed protection device when reserving the consumer from other connections favorably differs from the said individual protection by lower hardware costs, isolation from various kinds of interference, including when the temperature changes. In the presence of automatic re-inclusion and reservation of consumers, the proposed device is quite competitive with the proposed device. In addition, disabling a group of cells reduces the size of the damage due to the rather high probability of the transition of the arc into adjacent cells. Such a construction is economically feasible, since the cost of protection, its installation, and operation are more advantageous than the protection on individual relays.

Включение датчиков по схеме сбалансированного моста, наличие в схеме интегpиpующего элемента повышают надежность устройства, его помехоустойчивость, повышает надежность работы КРУ за счет локализации повреждения объемом одной ячейки. The inclusion of sensors according to the balanced bridge scheme, the presence of an integrating element in the circuit increases the reliability of the device, its noise immunity, and increases the reliability of the switchgear due to the localization of damage to the volume of one cell.

Предлагаемая схема включения фотодатчиков защищаемых ячеек повышает термостабильность устройства, что в конечном итоге сказывается на чувствительности защиты. The proposed scheme for the inclusion of photosensors of protected cells increases the thermal stability of the device, which ultimately affects the sensitivity of protection.

Claims

ARC PROTECTION DEVICE FOR COMPLETE DISTRIBUTION, containing photosensors, measuring organ and output organ connected in series, characterized in that the photosensors of even and accordingly odd cells are connected in parallel with each other and sequentially with their newly introduced resistors, and the connection points of the resistors with photosensors are connected respectively to the first and the second inputs of the measuring body, consisting of a rectangular pulse shaper connected to an integrating element, which connected to a threshold element, the output of which is the output of the measuring organ, and the output element is made of even and odd cells, the inputs of which are the input of the output organ, parallel connected at the input of the output elements, while the free conclusions of the photosensors and resistors are designed to connect to the corresponding inputs of the power source .