RU2419941C1 - Combined electric arc sensor - Google Patents
Combined electric arc sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2419941C1 RU2419941C1 RU2010123334/07A RU2010123334A RU2419941C1 RU 2419941 C1 RU2419941 C1 RU 2419941C1 RU 2010123334/07 A RU2010123334/07 A RU 2010123334/07A RU 2010123334 A RU2010123334 A RU 2010123334A RU 2419941 C1 RU2419941 C1 RU 2419941C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fiber
- electric arc
- optical
- arc
- light
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в системах релейной дуговой защиты комплектного распределительного устройства (КРУ) для обнаружения факта возникновения электрической дуги.The invention relates to electrical engineering and is intended for use in relay arc protection systems of a complete switchgear (KRU) to detect the occurrence of an electric arc.
В настоящее время получили распространение оптические дуговые защиты (ОДЗ), которые реагируют на световую вспышку электрической дуги. К этим устройствам предъявляются следующие основные требования по надежности:Currently, optical arc shields (DLDs), which respond to a light flash of an electric arc, are widely used. These devices have the following basic requirements for reliability:
- ОДЗ должна срабатывать при возникновении электрической дуги внутри контролируемых шкафов КРУ;- ODZ should be triggered when an electric arc occurs inside the controlled switchgear cabinets;
- ОДЗ не должна срабатывать от световых вспышек внутри шкафов КРУ, не связанных с возникновением электрической дуги;- ODZ should not be triggered by light flashes inside switchgear cabinets that are not related to the occurrence of an electric arc;
- дуговая защита не должна срабатывать при возникновении коротких замыканий (КЗ), включая дуговые КЗ, вне контролируемых шкафов КРУ.- arc protection should not be triggered when short circuits (short-circuit) occur, including short-circuit arcs, outside the controlled switchgear cabinets.
Известно, что основными факторами электрической дуги являются световая вспышка и аварийное возрастание электрического тока. Однако световая вспышка может быть связана не только с возникновением электрической дуги на токопроводящих шинах внутри шкафа КРУ, но и с проведением сварочных работ внутри шкафа при отсутствии светоизоляции его отсеков, например открытых дверцах последнего. Также аварийное возрастание тока может быть вызвано КЗ, внешним по отношению к контролируемым шкафам КРУ. Поэтому в последнее время рекомендуется дополнять ОДЗ устройствами блокировки по току, чтобы их срабатывание было обусловлено одновременным появлением обоих факторов электрической дуги. Это осуществляется последовательным соединением релейного выхода ОДЗ с релейным выходом максимальной токовой защиты (МТЗ). При этом ток на катушку отключения высоковольтного выключателя в случае возникновения дуги подается при одновременном замыкании контактов реле ОДЗ и реле МТЗ. Недостатком такого построения является снижение быстродействия дуговой защиты, так как МТЗ, реагирующая не только на дуговые замыкания, но и внешние КЗ, как правило имеет временную задержку срабатывания для обеспечения селективности релейной защиты в целом.It is known that the main factors of an electric arc are a light flash and an abnormal increase in electric current. However, a light flash can be associated not only with the appearance of an electric arc on the busbars inside the switchgear cabinet, but also with welding work inside the cabinet in the absence of light insulation of its compartments, for example, the open doors of the latter. Also, an emergency increase in current can be caused by a fault external to the controlled switchgear cabinets. Therefore, it has recently been recommended to supplement DLD with current blocking devices so that their operation is due to the simultaneous appearance of both factors of the electric arc. This is accomplished by the serial connection of the relay output ODZ with the relay output of the maximum current protection (MTZ). In this case, the current to the trip coil of the high-voltage circuit breaker in the event of an arc is supplied while closing the contacts of the relay ODZ and relay MTZ. The disadvantage of this construction is the decrease in the speed of arc protection, since the MTZ, which reacts not only to arc faults, but also external short-circuit, as a rule, has a time delay to ensure selectivity of relay protection as a whole.
Известен шкаф КРУ [1], в котором для обеспечения дуговой защиты последовательно с фототиристорами в цепь катушки отключения привода высоковольтного выключателя включается магнитоуправляемый контакт, размещенный рядом с токоведущей шиной, который контролирует величину напряженности магнитного поля вокруг токопроводящей шины и замыкает цепь катушки отключения только при одновременном срабатывании хотя бы одного фототиристора и при аварийном возрастании тока шины.A switchgear cabinet is known [1], in which, in order to provide arc protection, a magnetically controlled contact is placed in series with the photo-thyristors in the circuit of the trip coil of the drive of the high-voltage circuit breaker, which is located next to the current-carrying bus, which controls the magnitude of the magnetic field around the busbar and closes the circuit of the trip coil only at the same time triggering of at least one photothyristor and with an emergency increase in bus current.
Данное устройство реагирует на два фактора электрической дуги - аварийное возрастание электрического тока и световую вспышку.This device responds to two factors of an electric arc - an emergency increase in electric current and a light flash.
Недостатком этого устройства является возможность его ложного срабатывания из-за внешнего КЗ. При возникновении внешнего КЗ происходит аварийное нарастание электрического тока, что приведет к срабатыванию магнитоуправляемого контакта. Также внешнее КЗ приводит к электромагнитным наводкам, в том числе по цепям оперативного питания, которые могут вызвать срабатывание фототиристора.The disadvantage of this device is the possibility of its false operation due to external short circuit. When an external short circuit occurs, an abrupt increase in electric current occurs, which will lead to the operation of a magnetically controlled contact. Also, an external short circuit leads to electromagnetic interference, including along the operational supply circuits, which can cause the photo-thyristor to trip.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является реле электрической дуги [2], включающее в свой состав датчик, состоящий из волоконного световода со светопроницаемой оболочкой светопроводящей сердцевины, конец которого подключен к фотоприемнику. Данное устройство предназначено для обнаружения факта возникновения электрической дуги в нескольких шкафах КРУ с помощью одного датчика. Волоконный световод прокладывается во всех отсеках контролируемых шкафов КРУ, где может возникнуть электрическая дуга. При ее возникновении свет от нее падает на боковую поверхность световода, проходит через светопроводящую оболочку и захватывается сердцевиной. Затем по этому же самому световоду захваченный свет транслируется на его конец, к которому подключен фотоприемник, где захваченный свет преобразуется в электрический сигнал и с выхода датчика этот сигнал передается в релейную дуговую защиту для отключения цепей, через которые питается электрическая дуга, тем самым производя ее гашение.The closest technical solution to the proposed one is an electric arc relay [2], which includes a sensor consisting of a fiber waveguide with a translucent sheath of a light-conducting core, the end of which is connected to a photodetector. This device is designed to detect the occurrence of an electric arc in several switchgear cabinets using a single sensor. A fiber optic cable is laid in all compartments of controlled switchgear cabinets, where an electric arc can occur. When it occurs, light from it falls on the side surface of the fiber, passes through the light guide sheath and is captured by the core. Then, through the same fiber, the captured light is transmitted to its end, to which a photodetector is connected, where the captured light is converted into an electric signal and from the sensor output this signal is transmitted to the relay arc protection to disconnect the circuits through which the electric arc is fed, thereby producing it cancellation.
Недостатком прототипа является низкое отношение сигнал/помеха по отношению к световым воздействиям искусственного и естественного происхождения.The disadvantage of the prototype is the low signal / noise ratio in relation to the light effects of artificial and natural origin.
Оптический сигнал Р, который образуется на конце световода, подключенного к фотоприемнику, можно записать в видеThe optical signal P, which is formed at the end of the fiber connected to the photodetector, can be written as
где s, L - координата вдоль световода и его длина; α - коэффициент экстинкции оптической мощности; ks - доля коэффициента экстинкции, идущая на рассеяние; NA - числовая апертура световода; nco - коэффициент преломления сердцевины; Е - плотность потока облучающего излучения; S - площадь поперечного сечения сердцевины световода.where s, L is the coordinate along the fiber and its length; α is the extinction coefficient of optical power; k s is the fraction of the extinction coefficient going to scattering; NA is the numerical aperture of the fiber; n co is the refractive index of the core; E is the flux density of the irradiating radiation; S is the cross-sectional area of the core of the fiber.
При облучении небольшого участка световода 1, как это имеет место в случае возникновения электрической дуги в отсеке шкафа КРУ, формула (1) трансформируется к видуWhen irradiating a small section of the
где sдуг, Δs - положение электрической дуги вдоль световода и длина облученного участка, Eдуг - освещенность, создаваемая дугой в месте расположения световода; Рдуг - оптическая мощность сигнала на конце световода от дуги. Минимальное значение сигнала, очевидно, будет при sдуг=L:where s arcs , Δs is the position of the electric arc along the fiber and the length of the irradiated section, E arcs is the illumination created by the arc at the location of the fiber; P arc - the optical power of the signal at the end of the fiber from the arc. The minimum signal value, obviously, will be at s arcs = L:
При облучении световода по всей длине, как это имеет место от источников освещения, что является помехой, формула (1) запишется в видеWhen the fiber is irradiated along its entire length, as is the case from light sources, which is an obstacle, formula (1) is written in the form
где Епом - освещенность, создаваемая помехой; Рпом - оптическая мощность сигнала на конце световода от помехи.where E pom - illumination created by interference; R pom is the optical power of the signal at the end of the fiber from interference.
Оптическая дуговая защита должна сработать при превышении порогового уровня Рпор регистрируемой оптической мощностью Рдуг The optical arc protection should work if the threshold level P then is exceeded by the recorded optical power P arcs
Рдуг min>Рпор P arc min > P then
и не срабатывать, если оптическая мощность помехи Рпом не превышает порогового уровня Рпор and do not work if the optical interference power P pom does not exceed the threshold level P pore
Рпом<Рпор.P p <P pore .
Отношение сигнал/помеха SNR можно определить какSNR can be defined as
Очевидно, что чем больше отношение сигнал/помеха, тем более будет выше помехоустойчивость датчика.Obviously, the greater the signal-to-noise ratio, the more the sensor noise immunity will be higher.
Современные ОДЗ рассчитаны на срабатывание, когда освещенность, создаваемая электрической дугой, равна Едуг=10000 лк. Освещенность, создаваемая внутри шкафа КРУ для профилактических работ, равна Епом=200 лк. Длина световода, проложенная внутри КРУ, должна быть не менее L=25 м. Участок световода, проложенный в отсеке шкафа КРУ, равен Δs=1 м. В качестве световода используется полимерное оптическое волокно с коэффициентом экстинкции α=0.046 1/м. Тогда отношение сигнал/помеха будет равно SNR=1, что должно приводить к частым ложным срабатываниям датчика.Modern DLD are designed to operate when the illumination created by the electric arc is equal to E arcs = 10,000 lux. The illumination created inside the switchgear cabinet for maintenance work is equal to E pom = 200 lux. The length of the fiber laid inside the switchgear must be at least L = 25 m. The fiber section laid in the compartment of the switchgear cabinet is Δs = 1 m. A polymer optical fiber with an extinction coefficient α = 0.046 1 / m is used as a fiber. Then the signal-to-noise ratio will be equal to SNR = 1, which should lead to frequent false alarms of the sensor.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является повышение отношения сигнал/помеха по отношению к световым воздействиям искусственного и естественного происхождения.The technical result provided by the claimed invention is to increase the signal-to-noise ratio with respect to light effects of artificial and natural origin.
Технический результат достигается тем, что совмещенный датчик электрической дуги, содержащий волоконный световод со светопроницаемой оболочкой, фотоприемник, дополнительно содержит оптический затвор Фарадея, конец волоконного световода подключен через оптический затвор Фарадея к оптическому входу фотоприемника, электрический выход которого является выходом датчика, причем оптический затвор Фарадея является нормально закрытым.The technical result is achieved in that a combined electric arc sensor containing a fiber light guide with a light-transmitting sheath, the photodetector further comprises a Faraday optical shutter, the end of the fiber light guide is connected through the Faraday optical shutter to the optical input of the photodetector, the electrical output of which is the output of the sensor, the Faraday optical shutter is normally closed.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что для обнаружения факта возникновения электрической дуги предлагается использовать совмещенный датчик, одновременно реагирующий на два фактора дуги - световую вспышку и возрастание электрического тока, причем определение возрастания электрического тока предлагается осуществлять бесконтактным оптическим способом.The essence of the invention consists in the fact that to detect the occurrence of an electric arc, it is proposed to use a combined sensor that simultaneously responds to two arc factors - a light flash and an increase in electric current, and it is proposed to determine the increase in electric current by a non-contact optical method.
Функциональная схема предлагаемого датчика приведена на чертеже Фиг.1.Functional diagram of the proposed sensor is shown in the drawing of Figure 1.
На Фиг.2 приведен вариант исполнения оптического затвора Фарадея.Figure 2 shows an embodiment of the optical shutter Faraday.
Датчик состоит из волоконного световода 1 со светопроницаемой оболочкой, конец которого подключен к оптическому входу оптического затвора Фарадея 2, оптический выход затвора 2 подключен к оптическому входу фотоприемника 3. Электрический выход фотоприемника 3 является выходом датчика и подключается к релейной дуговой защите. Оптический затвор Фарадея 2 является нормально разомкнутым, т.е. в отсутствие аварийного возрастания электрического тока свет через затвор 3 не проходит.The sensor consists of a
Световод 1 прокладывается в отсеках шкафов КРУ, где возможно возникновение электрической дуги таким образом, чтобы свет от нее попадал на светопроницаемую оболочку световода 1. Оптический затвор Фарадея 2 надевается на токопроводную шину таким образом, чтобы быть с ней магнитосвязанным.The
Датчик работает следующим образом. При отсутствии дуги в световоде 1 отсутствует оптический сигнал. Ток, протекающий через контролируемую оптическим затвором 2 шину, не превышает номинального значения, и оптический затвор 2 заперт. На оптическом входе фотоприемника 3 отсутствует оптический сигнал, и на его выходе отсутствует выходной электрический сигнал. Сигнал на выходе датчика отсутствует. Возникновение электрической дуги сопровождается мощной световой вспышкой, свет от которой падает на боковую поверхность световода 1 и индуцирует в его светопроводящей сердцевине оптический сигнал, распространяющийся по этому световоду к концу. Также возникновение электрической дуги сопровождается аварийным возрастанием тока в 5-10 раз, превышающим номинальное значение в контролируемой токопроводящей шине, это приводит к возрастанию магнитного поля вокруг токопроводящей шины, с которой магнитосвязан оптический затвор Фарадея 2, что приводит к его открытию, и оптический сигнал с конца световода 1, проходя через затвор 2, попадает в оптический вход фотоприемника 3, где, при превышении оптическим сигналом заданного уровня, формируется выходной электрический сигнал, который с выхода фотоприемника 3 поступает в дуговую релейную защиту.The sensor operates as follows. In the absence of an arc in the
В качестве световода 1 можно использовать, например, полимерное оптическое волокно из полиметилметакрилата (ПММА) ООО «ИЦ ПОВ», в оболочке из белой силиконовой резины, светопроницаемой для излучения дуги. Данный световод изготовлен из диэлектрических материалов и не подвержен влиянию электромагнитных помех, что позволит исключить ложные срабатывания, вызванные этими помехами.As the
В качестве фотоприемника 3 можно использовать цифровой фотоприемник из серии HFBR-25X6 фирмы «Avago».As the
Оптический затвор Фарадея 2 может быть реализован по схеме, приведенной на Фиг.2. Оптический затвор 2 состоит из входного поляризатора 4, световода 5, изготовленного из магнитооптического материала, например из свинцового стекла, и выходного анализатора 6. Угол поляризации между поляризатором 4 и анализатором 6 должен быть равен 90°. Световод 5 должен охватывать токопроводящую шину и образовывать замкнутый контур. Связь между током I, протекающим по контролируемой токопроводящей шине, и коэффициентом пропускания k оптического затвора определяется по формулеThe optical shutter Faraday 2 can be implemented according to the scheme shown in figure 2. The
k=ν·sin2(VI)+w,k = ν sin 2 (VI) + w,
где ν - потери оптической мощности в поляризаторе 4, световоде 5 и анализаторе 6; V - постоянная Верде магнитооптического материала, из которого сделан световод; w - пропускание световода 5 в отсутствие электрического тока.where ν is the loss of optical power in the polarizer 4, the optical fiber 5 and the analyzer 6; V is the Verdet constant of the magneto-optical material of which the fiber is made; w - transmission fiber 5 in the absence of electric current.
Оптический сигнал Рфп, приходящий на фотоприемник 3, будет равенThe optical signal P fp arriving at the
а отношение сигнал/помеха на оптическом входе фотоприемника 3 будет равноand the signal-to-noise ratio at the optical input of the
Таким образом, отношение сигнал/помеха на фотоприемнике 3 по сравнению с прототипом повысится на величину, равнуюThus, the signal-to-noise ratio on the
. .
Свинцовое стекло имеет постоянную Верде, равную V=1.46·10-5 рад/А. Отношение ν/w может составлять не менее 100. При токе электрической дуги I=10 кА коэффициент K увеличивается более чем в три раза.Lead glass has a Verdet constant equal to V = 1.46 · 10 -5 rad / A. The ratio ν / w can be at least 100. With an electric arc current of I = 10 kA, the coefficient K increases more than three times.
Таким образом, предлагаемый совмещенный датчик электрической дуги позволяет значительно увеличить отношение сигнал/помеха.Thus, the proposed combined sensor of the electric arc can significantly increase the signal-to-noise ratio.
Источники информацииInformation sources
1. Шкаф комплектного распределительного устройства. Авторское свидетельство СССР на изобретение №650143, 23.11.1976, МКИ2 Н02В 13/00.1. Cabinet of complete switchgear. USSR author's certificate for invention No. 650143, 11/23/1976, MKI 2 Н02В 13/00.
2. An Arc Relay. Патент WO 88/08217, 20.11.1987, МКИ4 Н02Н 7/26, Н02В 1/18.2. An Arc Relay. Patent WO 88/08217, 11.20.1987, MKI 4 Н02Н 7/26,
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010123334/07A RU2419941C1 (en) | 2010-06-08 | 2010-06-08 | Combined electric arc sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010123334/07A RU2419941C1 (en) | 2010-06-08 | 2010-06-08 | Combined electric arc sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2419941C1 true RU2419941C1 (en) | 2011-05-27 |
Family
ID=44734987
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010123334/07A RU2419941C1 (en) | 2010-06-08 | 2010-06-08 | Combined electric arc sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2419941C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU172284U1 (en) * | 2017-02-03 | 2017-07-04 | Закрытое Акционерное Общество "Меандр" | Arc Sensor |
RU2631056C1 (en) * | 2016-12-30 | 2017-09-18 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Combined fiber-optic three-phase sensor of open electric arc |
RU177138U1 (en) * | 2017-07-28 | 2018-02-12 | Закрытое Акционерное Общество "Меандр" | Arc Sensor |
RU177139U1 (en) * | 2017-07-28 | 2018-02-12 | Закрытое Акционерное Общество "Меандр" | Arc Sensor |
-
2010
- 2010-06-08 RU RU2010123334/07A patent/RU2419941C1/en active
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2631056C1 (en) * | 2016-12-30 | 2017-09-18 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Combined fiber-optic three-phase sensor of open electric arc |
RU172284U1 (en) * | 2017-02-03 | 2017-07-04 | Закрытое Акционерное Общество "Меандр" | Arc Sensor |
RU177138U1 (en) * | 2017-07-28 | 2018-02-12 | Закрытое Акционерное Общество "Меандр" | Arc Sensor |
RU177139U1 (en) * | 2017-07-28 | 2018-02-12 | Закрытое Акционерное Общество "Меандр" | Arc Sensor |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2419941C1 (en) | Combined electric arc sensor | |
EP2270944B1 (en) | Arc flash detector | |
US5546266A (en) | Circuit interrupter with cause for trip indication | |
US4881028A (en) | Fault detector | |
CN101682183B (en) | Power switch for preventing accidental arcs | |
KR101663195B1 (en) | Device for the safe switching of a photovoltaic system | |
Parikh et al. | A novel approach for arc-flash detection and mitigation: At the speed of light and sound | |
KR20100129349A (en) | Arc sensor and arc protector using the same | |
RU2379811C1 (en) | Arc protection device | |
Hughes et al. | High-current qualification testing of an arc-flash detection system | |
RU2539963C1 (en) | Fibre-optical arc blowout device with identification of electric arc location | |
DE59304340D1 (en) | Device for detecting arcing faults, in particular for detecting busbar arrangements in low-voltage switchgear | |
CN209169946U (en) | It is a kind of can fast arc extinction electric arc protection equipment | |
RU2631056C1 (en) | Combined fiber-optic three-phase sensor of open electric arc | |
US9429312B2 (en) | Component for electric power system and method of determining whether a power circuit in an electric power system is open or closed | |
Rocha et al. | Arc-flash protection for low-and medium-voltage panels | |
KR101631992B1 (en) | Arc flash detection system using prism | |
RU220793U1 (en) | SPECTRAL ARC PROTECTION DEVICE | |
RU177139U1 (en) | Arc Sensor | |
CN105811368A (en) | Self-adaptive zero line broken protection device and system | |
RU2767600C1 (en) | Method of detecting electric arc fault | |
JP6664824B2 (en) | Signal output device for panel | |
RU2294042C2 (en) | Arc protection pickup with enhanced noise immunity | |
RU2446534C1 (en) | Device for short-circuit protection in exposed switchgear deadband | |
RU1797153C (en) | Device for limitation of time of burning of electric arc in electric installation |