RU2162271C2

RU2162271C2 - Metalclad switchgear arc protection device

Info

Publication number: RU2162271C2
Application number: RU98116146A
Authority: RU
Inventors: В.И. Нагай; С.В. Сарры; А.С. Рыбников; А.П. Кучеренко; Л.А. Мисникова
Original assignee: Нагай Владимир Иванович; Сарры Сергей Владимирович; Рыбников Алексей Святославович; Кучеренко Анатолий Павлович; Мисникова Любовь Абдулаевна
Priority date: 1998-08-20
Filing date: 1998-08-20
Publication date: 2001-01-20

Abstract

FIELD: switchgear protection against short circuits accompanied by arcing. SUBSTANCE: device has measuring element that functions to check signal level proportional to light flux generated by electric arc caused by short circuit; measuring element has frequency-dependent component in its input section which forms, together with operating photosensor and control cable, low-frequency or band filter whose transmission gain depends on photosensor condition. EFFECT: improved response to short circuits enabling reliable elimination of various electromagnetic interferences. 1 dwg

Description

Предлагаемое устройство относится к области электротехники и предназначено для релейной защиты ячеек комплектных распределительных устройств внутренней (КРУ) и наружной (КРУН) установок от коротких замыканий (КЗ), сопровождаемых открытой электрической дугой и возникающих внутри отсеков КРУ(Н). The proposed device relates to the field of electrical engineering and is intended for the relay protection of the cells of complete switchgears of the indoor (switchgear) and outdoor (KRUN) installations from short circuits (short circuit), accompanied by an open electric arc and occurring inside the switchgear compartments (N).

Известны устройства для защиты распределительных устройств корпусной конструкции от электрической дуги КЗ, содержащие рабочие и тормозные фотодатчики, схему сравнения, пороговый элемент (пат. ФРГ N 1126011, пат. Франции N 2087348, А. С. СССР N 851544, N 1415320, N 1111224, N 997175, N 1545287, N 1453518, N 1582270, N 1628129). Known devices for protecting switchgear enclosures from an electric arc KZ, containing working and brake photosensors, a comparison circuit, a threshold element (US Pat. Germany N 1126011, US Pat. France N 2087348, A. S. USSR N 851544, N 1415320, N 1111224 N 997175, N 1545287, N 1453518, N 1582270, N 1628129).

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является устройство для защиты ячеек комплектных распределительных устройств от дуговых коротких замыканий по А.С. СССР N 1584029 A1, H 02 H 7/22 от 07.08.90 г., содержащее рабочий и тормозной фотодатчики, последний из которых подключен ко входу заградительного фильтра, а его выход подключен ко второму входу схемы сравнения, первый вход которой соединен с выходом рабочего фотодатчика, выходной орган, вход которого соединен с выходом схемы сравнения. В устройстве обеспечивается контроль освещенности рабочего и тормозного фотодатчиков. Наличие заградительного фильтра в схеме устройства позволяет обеспечить избирательное торможение при возникновении световых помех. Однако уменьшение тормозного сигнала при возникновении электромагнитных помех требует увеличения порога срабатывания по каналу рабочего фотодатчика для исключения ложных срабатываний, что приводит к снижению чувствительности. При наличии на подстанциях длинных контрольных кабелей, соединяющих фотодатчики с измерительной частью релейной защиты, и на подстанциях с мощными электромагнитными помехами или возможными кратковременными изменениями напряжения источника оперативного тока, возникающими, например, при подключении сильноточной нагрузки или при замыкании полюса на землю, применение элементов задержки и заграждающего фильтра не позволяет иметь достаточную помехоустойчивость при требуемом времени срабатывании. Когда питание устройств дуговой защиты осуществляется от источника постоянного оперативного тока, между источником и устройством может существовать гальваническая связь, что повышает требования к помехоустойчивости устройств дуговой защиты. The closest in technical essence (prototype) is a device for protecting the cells of complete switchgears from arc short circuits according to A.S. USSR N 1584029 A1, H 02 H 7/22 from 08/07/90, containing working and brake photosensors, the last of which is connected to the input of the barrage filter, and its output is connected to the second input of the comparison circuit, the first input of which is connected to the output of the working photosensor, output organ, the input of which is connected to the output of the comparison circuit. The device provides control of the illumination of the working and brake photosensors. The presence of a barrier filter in the device circuit allows for selective braking in the event of light interference. However, a decrease in the brake signal in the event of electromagnetic interference requires an increase in the response threshold on the channel of the working photosensor to eliminate false alarms, which leads to a decrease in sensitivity. If there are long control cables at the substations that connect the photosensors to the measuring part of the relay protection, and at substations with powerful electromagnetic interference or possible short-term changes in the voltage of the operating current source that occur, for example, when a high-current load is connected or when the pole is shorted to ground, the use of delay elements and the blocking filter does not allow sufficient noise immunity at the required response time. When the arc protection devices are powered from a constant current source, there may be galvanic coupling between the source and the device, which increases the noise immunity requirements of arc protection devices.

Цель изобретения - повышение помехоустойчивости, чувствительности и надежности. The purpose of the invention is to increase noise immunity, sensitivity and reliability.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве дуговой защиты комплектных распределительных устройств, содержащем рабочий фотодатчик, частотно-зависимый элемент, тормозной фотодатчик и первый пороговый элемент, выход которого соединен последовательно с интегратором и вторым пороговым элементом, первый источник напряжения, рабочий фотодатчик и частотно-зависимый элемент, коэффициент передачи которого минимален при неосвещенном рабочем фотодатчике и максимален при освещенном рабочем фотодатчике, соединены последовательно первым контрольным кабелем, второй источник напряжения, тормозной фотодатчик и второй вход первого порогового элемента соединены последовательно вторым контрольным кабелем, выход частотно-зависимого элемента подключен к первому входу первого порогового элемента. This goal is achieved by the fact that in the arc protection device of complete switchgears containing a working photosensor, a frequency-dependent element, a brake photosensor and a first threshold element, the output of which is connected in series with an integrator and a second threshold element, a first voltage source, a working photosensor and a frequency the dependent element, the transmission coefficient of which is minimal when the working photosensor is unlit and maximum when the working photosensor is lit, are connected in series by the first ontrolnym cable, the second voltage source, the brake photosensor and a second input of the first threshold element connected in series a second control cable, the output of frequency-dependent element connected to the first input of the first threshold element.

Сущность устройства поясняется чертежом. Устройство состоит из рабочего 1 и тормозного 2 фотодатчиков, первого 3 и второго 4 контрольных кабелей, первого 5 и второго 6 источников напряжения, частотно-зависимого элемента 7, первого порогового элемента 8, интегратора 9, второго порогового элемента 10. The essence of the device is illustrated in the drawing. The device consists of a working 1 and brake 2 photosensors, the first 3 and second 4 control cables, the first 5 and second 6 voltage sources, the frequency-dependent element 7, the first threshold element 8, the integrator 9, the second threshold element 10.

При этом фотодатчики 1 и 2 размещаются в отсеках ячеек КРУ, т.е. в отсеках установки высоковольтного оборудования и, при необходимости установки фотодатчиков в нескольких отсеках, возможно подключение рабочих или тормозных фотодатчиков параллельно между собой. Рабочий фотодатчик 1 соединен последовательно посредством первого контрольного кабеля 3 с первым источником напряжения 5 и с частотно-зависимым элементом 7, тормозной фотодатчик 2 соединен последовательно вторым контрольным кабелем 4 со вторым источником напряжения 6 и вторым входом первого порогового элемента 8. Контрольный кабель, имеющий два провода, должен быть свит с шагом 2-3 см, что существенным образом уменьшает влияние электромагнитных помех, возникающих в результате протекания значительных токов в цепях переменного тока при КЗ, а также в цепях оперативного постоянного тока, например, при коммутациях выключателей или замыканиях полюса аккумуляторной батареи на землю. Измерительная часть устройства защиты, состоящая из первого 5 и второго 6 источников напряжения, частотно-зависимого элемента 7, первого порогового элемента 8, интегратора 9, второго порогового элемента 10, размещается в отсеке низковольтной аппаратуры и соединяется с фотодатчиками, как указывалось выше, с помощью контрольных кабелей. In this case, photosensors 1 and 2 are located in the switchgear compartments, i.e. in the compartments of the installation of high-voltage equipment and, if necessary, the installation of photo sensors in several compartments, it is possible to connect working or brake photosensors in parallel with each other. The working photosensor 1 is connected in series through the first control cable 3 to the first voltage source 5 and to the frequency-dependent element 7, the brake photosensor 2 is connected in series to the second control cable 4 with the second voltage source 6 and the second input of the first threshold element 8. A control cable having two wires should be twisted with a step of 2-3 cm, which significantly reduces the influence of electromagnetic interference arising from the flow of significant currents in alternating current circuits during short-circuit, and also in operational direct current circuits, for example, when switching switches or shorting the battery pole to earth. The measuring part of the protection device, consisting of the first 5 and second 6 voltage sources, the frequency-dependent element 7, the first threshold element 8, the integrator 9, the second threshold element 10, is located in the compartment of the low-voltage equipment and connected to the photosensors, as indicated above, using control cables.

Так как такое выполнение контрольного кабеля не позволяет полностью исключить влияние электромагнитных помех, в устройстве предусмотрен частотно-зависимый элемент 7, коэффициент передачи которого зависит от состояния рабочего фотодатчика. Частотно-зависимый элемент 7 может быть реализован по схемам однокаскадных или многокаскадных фильтров низкой частоты или полосовых фильтров (Нестеренко Б. К. Интегральные операционные усилители: Справочное пособие по применению. - М.: Энергоатомиздат, 1982. - 128 с., С. 53-65) или по схемам на основе операционных усилителей с многопетлевой обратной связью (Ванин В.К., Павлов Г.М. Релейная защита на элементах вычислительной техники. - Л.: Энергоатомиздат, 1991, 336 с., С. 20-21, или Кустов О. В. , Лундин В. З. Операционные усилители в линейных цепях. - М.: Связь, 1978. - 144 с. , С. 94-95, или Темкина Р.В. Измерительные органы релейной защиты на интегральных микросхемах. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 240 с., С. 88-97). Тип частотного фильтра и соответственно фильтра низкой частоты или полосового фильтра взаимосвязан с типом первого источника напряжения 5, который может быть реализован как источник постоянного напряжения или как источник переменного напряжения заданной частоты и формы сигнала. Включение последовательно с частотно-зависимым элементом 7 рабочего фотодатчика 1 и первого контрольного кабеля 3, имеющих в основном активное сопротивление, не изменяет его типа, а позволяет только изменять его амплитудно-частотную характеристику, т.е. изменять его коэффициент передачи в зависимости от состояния рабочего фотодатчика. При неосвещенном рабочем фотодатчике коэффициент передачи частотно-зависимого элемента минимален, при освещенном рабочем фотодатчике - максимален. Since this embodiment of the control cable does not completely eliminate the influence of electromagnetic interference, the device has a frequency-dependent element 7, the transmission coefficient of which depends on the state of the working photosensor. Frequency-dependent element 7 can be implemented according to the schemes of single-stage or multi-stage low-pass filters or band-pass filters (Nesterenko B.K. Integrated operational amplifiers: Reference manual for use. - M .: Energoatomizdat, 1982. - 128 p., P. 53 -65) or according to schemes based on operational amplifiers with multi-loop feedback (Vanin V.K., Pavlov G.M. Relay protection on elements of computer technology. - L .: Energoatomizdat, 1991, 336 pp., 20-21 , or Kustov O. V., Lundin V. Z. Operational amplifiers in linear circuits. - M.: Communication, 1978. - 144 pp., Pp. 94-95, or Temkina R.V. Measuring bodies of relay protection on integrated circuits. - M.: Energoatomizdat, 1985. - 240 pp., 88-97). The type of frequency filter and, accordingly, the low-pass filter or band-pass filter is interconnected with the type of the first voltage source 5, which can be implemented as a constant voltage source or as an alternating voltage source of a given frequency and waveform. Turning on in series with the frequency-dependent element 7 of the working photosensor 1 and the first control cable 3, which have mainly active resistance, does not change its type, but only allows you to change its amplitude-frequency characteristic, i.e. change its transfer coefficient depending on the state of the working photosensor. With an unlit working photosensor, the transmission coefficient of the frequency-dependent element is minimal, with an illuminated working photosensor it is maximum.

Наличие тормозного фотодатчика 2 позволяет повысить чувствительность устройства защиты, так как это дает возможность не отстраиваться от световых помех, обусловленных включением ламп, устанавливаемых на тележке выключателя, или внешними источниками света при открытии смотровых люков ячеек КРУ. The presence of a brake photosensor 2 makes it possible to increase the sensitivity of the protection device, since this makes it possible not to be tuned off from light interference caused by the inclusion of lamps mounted on the circuit-breaker trolley or by external light sources when opening inspection hatches of switchgear cells.

Коэффициент передачи частотно-зависимого элемента 7 определяется освещенностью рабочего фотодатчика 1 и тем самым регулируется чувствительность устройства защиты. Включение в схему интегратора 9 и второго порогового элемента 10 позволяет осуществить срабатывание устройства только при наличии сигнала определенного уровня и определенной длительности. В исходном состоянии фотодатчики 1 и 2 находятся в темновом режиме и выходной сигнал частотно-зависимого элемента 7 близок к нулю, напряжение второго входа порогового элемента 8 также близко к нулю. Напряжение на выходе первого порогового элемента 8, интегратора 9, второго порогового элемента 10 равны нулю. The transmission coefficient of the frequency-dependent element 7 is determined by the illumination of the working photosensor 1 and thereby regulates the sensitivity of the protection device. The inclusion of an integrator 9 and a second threshold element 10 in the circuit allows the device to operate only if there is a signal of a certain level and a certain duration. In the initial state, the photosensors 1 and 2 are in the dark mode and the output signal of the frequency-dependent element 7 is close to zero, the voltage of the second input of the threshold element 8 is also close to zero. The voltage at the output of the first threshold element 8, the integrator 9, the second threshold element 10 are equal to zero.

При КЗ, сопровождаемом электрической дугой, изменяется освещенность в ячейке КРУ и световой поток, падающий на рабочий фотодатчик 1, превышает световой поток, поступающий на тормозной фотодатчик 2. Это происходит из-за соответствующей ориентации фотодатчиков в пространстве ячейки КРУ. Рабочий фотодатчик ориентирован в сторону наиболее вероятного места КЗ, а тормозной фотодатчик ориентирован в сторону наиболее вероятной световой помехи, например, в сторону смотровых люков. With a short circuit accompanied by an electric arc, the illumination in the switchgear cell changes and the light flux incident on the working photosensor 1 exceeds the light flux arriving at the brake photocell 2. This is due to the corresponding orientation of the photosensors in the space of the switchgear cell. The working photosensor is oriented towards the most probable fault location, and the brake photosensor is oriented towards the most probable light disturbance, for example, towards inspection hatches.

В результате этого повышается проводимость рабочего фотодатчика 1, увеличивается коэффициент передачи частотно-зависимого элемента 7, что приводит к появлению напряжения на первом входе первого порогового элемента 8, достаточного для его срабатывания. Напряжение на втором входе первого порогового элемента имеет меньший уровень, чем на первом, из-за соответствующей ориентации фотодатчиков. Это вызывает нарастание выходного напряжения на интеграторе 9. При длительности КЗ, более определенного времени, например, 3-10 мс, напряжение на выходе интегратора 9 превышает уровень срабатывания второго порогового элемента 10, который обеспечивает сигнал отключения. As a result of this, the conductivity of the working photosensor 1 increases, the transmission coefficient of the frequency-dependent element 7 increases, which leads to the appearance of a voltage at the first input of the first threshold element 8, sufficient for its operation. The voltage at the second input of the first threshold element has a lower level than at the first, due to the corresponding orientation of the photosensors. This causes an increase in the output voltage at the integrator 9. When the short circuit duration is more than a certain time, for example, 3-10 ms, the voltage at the output of the integrator 9 exceeds the response level of the second threshold element 10, which provides a trip signal.

При возникновении кратковременных помех, возникающих в цепях фотодатчиков, первом контрольном кабеле устройство не срабатывает, что обусловлено наличием частотно-зависимого элемента 7 и интегратора 9. Соответствующий выбор постоянной времени интегратора 9 и напряжения срабатывания второго порогового элемента 10 позволяют обеспечить срабатывание устройства только при определенной длительности КЗ, что гарантирует высокую помехоустойчивость устройства и надежность его работы. Отстройка от помех, возникающих, в частности, при коммутациях в цепях оперативного тока, обеспечивается за счет того, что коэффициент передачи частотно-зависимого элемента 7 при неосвещенном рабочем фотодатчике 1 минимален и уровень сигнала на первом входе первого порогового элемента 8 недостаточен для его срабатывания. Такое же примерно напряжение, как в первом контрольном кабеле 3, наводится и на втором контрольном кабеле 4, и это приводит к появлению дополнительного тормозного сигнала на втором входе первого порогового элемента 8 несмотря на темновой режим тормозного фотодатчика 2. Особенно это проявляется при защите шинных мостов, так как в этом случае контрольные кабели имеют значительную длину. When short-term interference occurs in the photosensor circuits, the device does not work on the first control cable, due to the presence of a frequency-dependent element 7 and integrator 9. The corresponding choice of the integrator time constant 9 and the response voltage of the second threshold element 10 allows the device to be activated only for a certain duration Short circuit, which guarantees high noise immunity of the device and the reliability of its operation. Detuning from interference arising, in particular, when switching in the operating current circuits, is ensured due to the fact that the transmission coefficient of the frequency-dependent element 7 with an unlit working photosensor 1 is minimal and the signal level at the first input of the first threshold element 8 is insufficient for its operation. The same voltage, as in the first control cable 3, is induced on the second control cable 4, and this leads to the appearance of an additional brake signal at the second input of the first threshold element 8 despite the dark mode of the brake photo sensor 2. This is especially evident when protecting bus bridges since in this case the control cables have a considerable length.

В настоящее время устройство по предлагаемой схеме внедрено в эксплуатацию, а также проведены натурные испытания, подтвердившие его работоспособность и положительные качества. Currently, the device according to the proposed scheme has been put into operation, and full-scale tests have been carried out, confirming its performance and positive qualities.

Claims

An arc protection device of complete switchgears, comprising a working photosensor, a frequency-dependent element, a brake photosensor and a first threshold element, the output of which is connected in series with an integrator and a second threshold element, characterized in that the first voltage source, a working photosensor and a frequency-dependent element, the transmission coefficient of which is minimal when the working sensor is unlit and maximum when the working photosensor is lit, are connected in series with the first control cable, the second voltage source, the brake photosensor and the second input of the first threshold element are connected in series with the second control cable, the output of the frequency-dependent element is connected to the first input of the first threshold element.