WO2021211019A1 - Arc-fault protection device - Google Patents

Arc-fault protection device Download PDF

Info

Publication number
WO2021211019A1
WO2021211019A1 PCT/RU2021/050082 RU2021050082W WO2021211019A1 WO 2021211019 A1 WO2021211019 A1 WO 2021211019A1 RU 2021050082 W RU2021050082 W RU 2021050082W WO 2021211019 A1 WO2021211019 A1 WO 2021211019A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
unit
self
microcontroller
frequency
voltage
Prior art date
Application number
PCT/RU2021/050082
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Александр Сергеевич МКРТУМОВ
Алексей Николаевич НЕМЦОВ
Федор Николаевич НЕМЦОВ
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Эколайт" (ООО "Эколайт")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Эколайт" (ООО "Эколайт") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Эколайт" (ООО "Эколайт")
Priority to CN202190000409.7U priority Critical patent/CN218783576U/en
Publication of WO2021211019A1 publication Critical patent/WO2021211019A1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/50Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/26Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured

Definitions

  • the utility model relates to the field of electrical engineering and electronics, namely, to protection devices for arc breakdown in electrical networks, and can be used in everyday life and at work to protect electrical circuits during arc breakdown.
  • Arc fault protection device is designed to reduce the undesirable effects arising from arcing (arc breakdown) in the controlled or protected circuit by disconnecting the supply network and the protected circuit.
  • Requirements for SPDD are defined by GOST IEC 62606-2016 “Protection devices for household and similar purposes in case of arc breakdown. General Requirements ", or other technical requirements for UZDP in electrical networks and electrical installations.
  • an arcing protection device which contains a power supply unit, at least one voltage reading unit, at least one sensor current, a block for extracting high-frequency current signals, a block for extracting medium-frequency current signals, a microcontroller and a shutdown organ.
  • the microcontroller interacts with these units to measure and analyze current signals in the high-frequency and mid-frequency regions, as well as voltage signals in the mid-frequency and low-frequency regions, on the basis of which it determines the event of a single spark discharge, accumulates information about single spark discharges, saves it as an arcing parameter and generates a shutdown signal when the arcing parameter reaches the specified value.
  • the shutdown device is designed to disconnect the protected circuit from the network by a shutdown signal.
  • the known AFDD provides an increase in the accuracy of determining the sparking event, a decrease in the number of false alarms, an increase in the service area, the number of connected electrical appliances, the length and branching of the protected circuit.
  • it is also characterized by the absence of a self-test function, which increases the likelihood of incorrect detection of an arcing event, or even the impossibility of such a determination, for example, due to a malfunction of the current sensor.
  • the SPDD of the SIEMENS 5SM6 family allows, by means of the control module, to determine the sparking event in the protected circuit and generate a signal to the release (tripping device) to disconnect the supply network and the protected circuit.
  • the closest analogue implements a self-test function, the diagram of which from the description of SIEMENS 5SM6 is shown in Fig. 1.
  • Self-test is automatically started at set intervals in order to check the operability of the microprocessor and detection algorithms.
  • the microcontroller software generates synthetic high-frequency and current signals - self-test signals that are similar to arcing signals, and these self-test signals are fed into the system detection circuit after the current sensor and high frequency sensor, and then evaluated by the analog circuit and the microcontroller.
  • the microcontroller generates a trip command, and during the self-test, the trip signal for the trip relay is disconnected for a short time to avoid a practical trip of the device.
  • the trip path is re-enabled.
  • a negative test result will result in an immediate shutdown of the device.
  • the self-test will be delayed if there are initial indications of a real arcing fault or an increased above average current consumption in the associated distribution circuit.
  • the device generates self-test signals that only simulate an arc breakdown during self-testing, and feeds them into the circuit in parallel with the signals of the current sensor and the high-frequency sensor.
  • the objective of this utility model is to eliminate the above disadvantage of known devices and create such a SPL11, in which the self-test function provides for the supply of real, rather than simulated, test pulses directly to the protected circuit, which, as a result, ensures the verification of the sensors of the device and almost all signal transmission circuits and making decisions on the presence of an sparking (breakdown) event in the protected circuit without interrupting the operation of the device.
  • the technical result is to increase the reliability of the operation of the UZD11 with a self-test function by expanding its functionality, which ensures the verification of the operation of the device and its components and the possibility of adjusting the operation of the device according to the spark current threshold by evaluating the response to an amplitude-calibrated current surge produced in a specific circuit protected by the data UZD11.
  • the proposed arc breakdown protection device which includes a voltage reading unit, a current sensor, a high-frequency current signal extraction unit, a medium-frequency current signal extraction unit, a microcontroller, a power supply unit, a shutdown organ and a self-test unit.
  • the self-test unit is included from the side of the protected circuit with the possibility of supplying a self-test signal to the protected circuit for their registration by the current sensor.
  • the self-test signal is fed to the protected line and is detected by the current sensor, which makes it possible to check the operation of almost all signal flow and decision-making circuits in the device, as well as to carry out initial and periodic automatic adjustment of the sparking current threshold to the real parameters of the protected circuit in the given installation of the device.
  • the self-test unit contains a controllable switch and a high-precision resistor.
  • the microcontroller can be configured to generate a control pulse with an amplitude sufficient to transfer the controlled key to a fully open state.
  • the voltage sensing unit can be configured to read the low frequency voltage and the mid frequency voltage.
  • FIG. 1 shows a diagram of the internal self-testing function of the closest analogue according to the technological manual for the SPDD of the SIEMENS 5SM6 family
  • FIG. 2 shows a simplified block diagram of an embodiment of the claimed
  • UZDP in fig. 3 shows a diagram of an embodiment of a self-testing unit for use in the declared AFDD; in fig. 4 shows an example of the waveform of the measured current signals from the self-test signal.
  • the declared ultrasonic detector can be implemented on the basis (or similarly) of the ultrasound device described in the RF patent RU2660285. For this reason, a brief description of similar components of the claimed AFDD and the specified known AFDD and their functioning will be given below, and more detailed data can be found in the specified patent.
  • the claimed UZDP 1 contains a voltage reading unit 2, a current sensor 3, a unit 4 for selecting high-frequency current signals, a unit 5 for separating medium-frequency current signals, a microcontroller 6, a power supply unit 7, a shutdown organ 8 and a self-test unit 11 (Fig. 2).
  • the voltage sensing unit 2 may include a low frequency voltage sensor and a mid frequency voltage sensor.
  • the low-frequency voltage sensor together with the microcontroller 6 is used for recording and subsequent analysis of the current value of the mains voltage with a sufficiently high sampling frequency, in particular, 10-40 kHz.
  • the mid-frequency voltage sensor together with the microcontroller 6 is used for recording and subsequent analysis of voltage pulses in the mid-frequency region from about 1 to 50 kHz.
  • the voltage sensing unit 2 can have any known design and, in the simplest case, is a voltage divider for measuring in the low-frequency region and a differentiating circuit for measuring in the mid-frequency region. The specialist will understand that the voltage sensing unit 2 can have another suitable design, which is determined, inter alia, by the algorithm for establishing an arcing event in the protected circuit.
  • the current sensor 3 is designed to receive current signals, of which, further, by means of block 4 for extracting high-frequency current signals, block 5 for extracting mid-frequency current signals and microcontroller 6, mid-frequency current signals are separated and analyzed, respectively (current measurement in the region from about 0.1 to 20 kHz) and high-frequency current signals (current measurement in the region of about 1 to 10 MHz).
  • the current sensor 3 can have any known design and in the simplest case is a current transformer. The specialist will understand that the current sensor 3 can have another suitable design, which is determined, inter alia, by the algorithm for establishing an arcing event in the protected circuit.
  • the microcontroller 6 is designed to process signals coming from the voltage reading unit 2, the unit 4 for extracting high-frequency current signals and the unit 5 for extracting medium-frequency current signals, determining the event of arcing in the protected line and generating a control signal for the shutdown organ 8. In addition, the microcontroller 6 generates a control pulse to activate the self-test unit 11, which will be described in detail below.
  • the power supply unit 7 provides power to the microcontroller 6 and, if necessary, the shutdown organ 8.
  • the shutdown organ 8 when a control signal is received from the microcontroller 6, breaks the power supply circuit of the electrical installations 10, i.e. disconnects the protected circuit from the network.
  • An open circuit depending on the design of the device, can produced not only in the path L of the phase current (as shown for an example in Fig. 2), but also in the path N of the neutral current.
  • the operation of the UZD11 1 in the normal circuit protection mode which does not include the self-test mode, generally corresponds to the operation of the ultrasound device known from the RF patent RU2660285. Therefore, the following is a brief description of the operation of the AFDP 1 in normal mode.
  • the microcontroller 6 analyzes the signals coming from the voltage readout unit 2 and the signals coming from the current sensor 3 through the unit 4 for extracting high-frequency current signals and unit 5 for extracting medium-frequency signals. The decision on the presence of sparking in the protected circuit is made in two stages.
  • the microcontroller 6 determines the presence and evaluates the parameters of a single spark discharge (EIR) in the current half-cycle of the mains voltage by analyzing and comparing the signal from the low-frequency voltage sensor to determine the current network voltage, the signal from the current sensor 2 in the high-frequency region, the signal from the sensor 2 current in the mid-frequency region and the signal from the mid-frequency voltage sensor. After receiving and analyzing these signals, the microcontroller 6 determines whether there is an EIR, and in the case of a positive answer, further, at the second stage of operation, the sequence of the confirmed EIR is analyzed in order to determine the sparking. When the sparking is confirmed, the microcontroller 6 generates a signal for the shutdown organ 8 to disconnect the protected circuit from the network.
  • EIR single spark discharge
  • the signal from the low-frequency voltage sensor determines the phase of the mains voltage zero crossing. Then the time intervals in which the subsequent measurements will be made are determined. These time intervals correspond to the growth section of the mains voltage module, since repeated breakdown is extremely unlikely in the regions of the mains voltage module decay.
  • the SPLD 1 After confirming the EIR in the protected circuit in this half-period, the SPLD 1 proceeds to the second stage of the analysis. At the second stage, the transition from the identification of the EIR to the identification of the actual sparking is carried out.
  • This stage can be implemented in various ways, for example, those known from the RF patent RET2660285 and other sources of information mentioned therein.
  • UZD11 1 according to the present utility model contains a self-test unit 11, included from the side of the protected circuit, i.e. at the output of the UZD11 1, and made with the possibility of supplying a self-test signal directly to the protected circuit.
  • the self-test signal is detected by the current sensor 3, like any event occurring in the protected circuit, and then processed by the microcontroller 6. This allows you to check the operation of almost all signal flow and decision-making circuits in the UZD11 1.
  • FIG. 3 An example of the implementation of the self-testing unit 11 is shown in FIG. 3 in the form of a schematic diagram.
  • a pulse is supplied from the output of microcontroller 6 with a duration of about 100 ⁇ s and an amplitude sufficient to transfer the key element Q to a fully open state.
  • the load of the key element Q is a resistor R, placed between the drain of the transistor and, through connector P, the output phase line of the SPLD 1 at a point after the current sensor 3.
  • the present utility model provides new functionalities of the SPLD, such as the supply of real, rather than simulated, test pulses directly to the protected circuit, which ensures the verification of the sensors. devices and practically all circuits for passing signals and making decisions about the presence of an sparking (breakdown) event in the protected circuit without interrupting the operation of the UZD11.

Abstract

The utility model relates to arc-fault protection devices. An arc-fault protection device (1) comprises a voltage reading unit (2), a current sensor (3), a unit (4) for extracting high-frequency current signals, a unit (5) for extracting medium-frequency current signals, a microcontroller (6), a power supply unit (7), a disconnection member (8) and a self-testing unit (11). The self-testing unit (11) is connected at the protected circuit side so as to be able to supply a self-testing signal to the protected circuit for recording thereof by the current sensor (3). The technical result consists in increasing the reliability of operation of an arc-fault protection device (1) by extending the functional capabilities thereof, which allow the operation of the device and of the components thereof to be checked without the operation of the device being interrupted, and make it possible to use real test pulses to adjust the response of the device to an arcing current threshold.

Description

УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ПРИ ДУГОВОМ ПРОБОЕ ARC BREAKTHROUGH PROTECTION DEVICE
Полезная модель относится к области электротехники и электроники, а именно, к устройствам защиты при дуговом пробое в электрических сетях, и может быть использована в быту и на производстве для защиты электрических цепей при дуговом пробое. The utility model relates to the field of electrical engineering and electronics, namely, to protection devices for arc breakdown in electrical networks, and can be used in everyday life and at work to protect electrical circuits during arc breakdown.
Устройство защиты при дуговом пробое (УЗДП) предназначено для снижения нежелательных эффектов, возникающих при искрении (дуговом пробое) в контролируемой, или защищаемой, цепи путем разъединения питающей сети и защищаемой цепи. Требования к УЗДП определены ГОСТ IEC 62606-2016 «Устройства защиты бытового и аналогичного назначения при дуговом пробое. Общие требования», либо иными техническими требованиями, предъявляемыми к УЗДП в электрических сетях и электроустановках. Arc fault protection device (ARC) is designed to reduce the undesirable effects arising from arcing (arc breakdown) in the controlled or protected circuit by disconnecting the supply network and the protected circuit. Requirements for SPDD are defined by GOST IEC 62606-2016 “Protection devices for household and similar purposes in case of arc breakdown. General Requirements ", or other technical requirements for UZDP in electrical networks and electrical installations.
Электрические сети обычно защищаются модульными автоматическими выключателями и устройствами защитного отключения (УЗО). Однако данные устройства не способны вовремя определять периодически возникающие искрения и дуговые пробои и, таким образом, не обеспечивают полную защиту от возможного возгорания и пожара. Случайно возникающие искрения не всегда приводят к серьезным последствиям, но электрические дуги могут очень быстро привести к сильному локальному повышению температуры. Electrical networks are usually protected by modular circuit breakers and residual current devices (RCDs). However, these devices are not able to detect intermittent arcing and arcing faults in time and, thus, do not provide complete protection against possible ignition and fire. Accidentally occurring sparks are not always serious, but electric arcs can very quickly lead to large localized temperature rises.
Из патента РФ RU2660285 (опубликован 05.10.2017; МПК G01R31/08, G01R15/14, Н02Н7/26) известно устройство защиты от искрения (УЗИс), которое содержит блок питания, по меньшей мере один блок считывания напряжения, по меньшей мере один датчик тока, блок выделения высокочастотных сигналов тока, блок выделения среднечастотных сигналов тока, микроконтроллер и орган отключения. Микроконтроллер взаимодействует с указанными блоками для измерения и анализа сигналов тока в высокочастотной области и среднечастотной области, а также сигналов напряжения в среднечастотной области и низкочастотной области, на основании чего определяет событие единичного искрового разряда, накапливает информацию о единичных искровых разрядах, сохраняет ее в виде параметра искрения и вырабатывает сигнал отключения по достижении параметром искрения заданного значения. Орган отключения предназначен для отключения защищаемой цепи от сети по сигналу отключения. From the RF patent RU2660285 (published on 10/05/2017; IPC G01R31 / 08, G01R15 / 14, Н02Н7 / 26) an arcing protection device (AFDD) is known, which contains a power supply unit, at least one voltage reading unit, at least one sensor current, a block for extracting high-frequency current signals, a block for extracting medium-frequency current signals, a microcontroller and a shutdown organ. The microcontroller interacts with these units to measure and analyze current signals in the high-frequency and mid-frequency regions, as well as voltage signals in the mid-frequency and low-frequency regions, on the basis of which it determines the event of a single spark discharge, accumulates information about single spark discharges, saves it as an arcing parameter and generates a shutdown signal when the arcing parameter reaches the specified value. The shutdown device is designed to disconnect the protected circuit from the network by a shutdown signal.
Известное УЗИс обеспечивает повышение точности определения события искрения, снижение количества ложных срабатываний, увеличение зоны обслуживания, количества подключенных электроприборов, протяженности и разветвленности защищаемой цепи. Однако оно также характеризуется отсутствием функции самотестирования, что повышает вероятность неверного определения события искрения или вообще невозможность такого определения, например, по причине неисправности датчика тока. The known AFDD provides an increase in the accuracy of determining the sparking event, a decrease in the number of false alarms, an increase in the service area, the number of connected electrical appliances, the length and branching of the protected circuit. However, it is also characterized by the absence of a self-test function, which increases the likelihood of incorrect detection of an arcing event, or even the impossibility of such a determination, for example, due to a malfunction of the current sensor.
Также известно УЗДП семейства SIEMENS 5SM6 (см. по ссылке https://assets.new.siemens.eom/siemens/assets/api/uuid:8591eald52328862b34a9b9925defa4062 aa3f2a/version:1527519761/afd-5sm6-ru.pdC опубл. 2012 г.), которое выбрано в качестве ближайшего аналога настоящей полезной модели. Also known is the AFDP of the SIEMENS 5SM6 family (see the link https: //assets.new.siemens.eom/siemens/assets/api/uuid: 8591eald52328862b34a9b9925defa4062 aa3f2a / version: 1527519761 / afd-5sm6-ru.pd 2012 C ), which was chosen as the closest analogue of this utility model.
Как и описанное выше УЗИс, УЗДП семейства SIEMENS 5SM6 позволяет посредством модуля управления определять событие искрения в защищаемой цепи и формировать сигнал расцепителю (органу отключения) на разъединение питающей сети и защищаемой цепи. Кроме того, в ближайшем аналоге реализована функция самотестирования, схема которой из описания SIEMENS 5SM6 приведена на фиг. 1. Самотестирование автоматически запускается через установленные промежутки времени с целью проверки работоспособности микропроцессора и алгоритмов определения. Программное обеспечение микроконтроллера генерирует синтетические высокочастотные и токовые сигналы - сигналы самотестирования, которые подобны сигналам дугового пробоя, и эти сигналы самотестирования поступают в цепь обнаружения системы после датчика тока и высокочастотного датчика, а затем оцениваются аналоговой цепью и микроконтроллером. Далее микроконтроллер генерирует команду отключения, причем во время самотестирования сигнал отключения для реле расцепления отключается на короткое время, чтобы избежать практического отключения устройства. После успешного завершения проверки путь отключения снова вводится в действие. Отрицательный результат проверки приведет к немедленному отключению устройства. Самотестирование будет отложено, если существуют начальные признаки реального дугового пробоя или повышенное потребление тока в соответствующей распределительной цепи выше среднего уровня. Как следует из описания и схемы самотестирования ближайшего аналога, устройство генерирует сигналы самотестирования, только лишь имитирующие дуговой пробой при самотестировании, и подает их в цепь параллельно сигналам датчика тока и высокочастотного датчика. В этом случае неисправность любого датчика (например, при обрыве цепи, неправильной полярности, неадекватном сердечнике трансформатора и др.) не будет обнаружена при самотестировании, а значит, станет невозможным и точное и однозначное обнаружение дугового пробоя, что является существенным недостатком ближайшего аналога. Like the AFDD described above, the SPDD of the SIEMENS 5SM6 family allows, by means of the control module, to determine the sparking event in the protected circuit and generate a signal to the release (tripping device) to disconnect the supply network and the protected circuit. In addition, the closest analogue implements a self-test function, the diagram of which from the description of SIEMENS 5SM6 is shown in Fig. 1. Self-test is automatically started at set intervals in order to check the operability of the microprocessor and detection algorithms. The microcontroller software generates synthetic high-frequency and current signals - self-test signals that are similar to arcing signals, and these self-test signals are fed into the system detection circuit after the current sensor and high frequency sensor, and then evaluated by the analog circuit and the microcontroller. Next, the microcontroller generates a trip command, and during the self-test, the trip signal for the trip relay is disconnected for a short time to avoid a practical trip of the device. After successful completion of the test, the trip path is re-enabled. A negative test result will result in an immediate shutdown of the device. The self-test will be delayed if there are initial indications of a real arcing fault or an increased above average current consumption in the associated distribution circuit. As follows from the description and the self-test circuit of the closest analogue, the device generates self-test signals that only simulate an arc breakdown during self-testing, and feeds them into the circuit in parallel with the signals of the current sensor and the high-frequency sensor. In this case, a malfunction of any sensor (for example, in the event of an open circuit, incorrect polarity, inadequate transformer core, etc.) will not be detected during self-testing, which means that accurate and unambiguous detection of an arc breakdown will become impossible, which is a significant drawback of the closest analogue.
Задачей настоящей полезной модели является устранение вышеуказанного недостатка известных устройств и создание такого УЗД11, в котором функция самотестирования предусматривает подачу реальных, а не моделируемых, тестирующих импульсов непосредственно в защищаемую цепь, что, как следствие, обеспечивает проверку датчиков устройства и практически всех цепей прохождения сигналов и принятия решений о наличии события искрения (пробоя) в защищаемой цепи без прерывания работы устройства. The objective of this utility model is to eliminate the above disadvantage of known devices and create such a SPL11, in which the self-test function provides for the supply of real, rather than simulated, test pulses directly to the protected circuit, which, as a result, ensures the verification of the sensors of the device and almost all signal transmission circuits and making decisions on the presence of an sparking (breakdown) event in the protected circuit without interrupting the operation of the device.
Техническим результатом является повышение надежности работы УЗД11 с функцией самотестирования за счет расширения его функциональных возможностей, обеспечивающих проверку работы устройства и его компонентов и возможность подстройки срабатывания устройства по порогу тока искрения путем оценки отклика на калиброванный по амплитуде скачок тока, производимый в конкретной цепи, защищаемой данным УЗД11. The technical result is to increase the reliability of the operation of the UZD11 with a self-test function by expanding its functionality, which ensures the verification of the operation of the device and its components and the possibility of adjusting the operation of the device according to the spark current threshold by evaluating the response to an amplitude-calibrated current surge produced in a specific circuit protected by the data UZD11.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается в предлагаемом устройстве защиты при дуговом пробое, включающем блок считывания напряжения, датчик тока, блок выделения высокочастотных сигналов тока, блок выделения среднечастотных сигналов тока, микроконтроллер, блок питания, орган отключения и блок самотестирования. При этом блок самотестирования включен со стороны защищаемой цепи с возможностью подачи сигнала самотестирования в защищаемую цепь для их регистрации датчиком тока. The problem is solved, and the claimed technical result is achieved in the proposed arc breakdown protection device, which includes a voltage reading unit, a current sensor, a high-frequency current signal extraction unit, a medium-frequency current signal extraction unit, a microcontroller, a power supply unit, a shutdown organ and a self-test unit. In this case, the self-test unit is included from the side of the protected circuit with the possibility of supplying a self-test signal to the protected circuit for their registration by the current sensor.
В отличие от ближайшего аналога, в котором сигнал самотестирования подается параллельно датчику тока и высокочастотному датчику, в заявленном УЗДП сигнал самотестирования подается в защищаемую линию и детектируется датчиком тока, что позволяет проверить работу практически всех цепей прохождения сигналов и принятия решений в устройстве, а также проводить начальную и периодическую автоматическую подстройку по порогу тока искрения под реальные параметры защищаемой цепи в данной инсталляции устройства. In contrast to the closest analogue, in which the self-test signal is fed in parallel to the current sensor and the high-frequency sensor, in the declared SPLD, the self-test signal is fed to the protected line and is detected by the current sensor, which makes it possible to check the operation of almost all signal flow and decision-making circuits in the device, as well as to carry out initial and periodic automatic adjustment of the sparking current threshold to the real parameters of the protected circuit in the given installation of the device.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается также в частных вариантах исполнения УЗД11 согласно данной полезной модели. The task is being solved, and the claimed technical result is also achieved in private versions of the UZD11 according to this utility model.
Так, в предпочтительном варианте исполнения УЗД11 блок самотестирования содержит управляемый ключ и высокоточный резистор. При этом микроконтроллер может быть выполнен с возможностью генерирования управляющего импульса с амплитудой, достаточной для перевода управляемого ключа в полностью открытое состояние. So, in the preferred embodiment of the UZD11, the self-test unit contains a controllable switch and a high-precision resistor. In this case, the microcontroller can be configured to generate a control pulse with an amplitude sufficient to transfer the controlled key to a fully open state.
Кроме того, блок считывания напряжения может быть выполнен с возможностью считывания низкочастотного напряжения и среднечастотного напряжения. In addition, the voltage sensing unit can be configured to read the low frequency voltage and the mid frequency voltage.
Далее полезная модель более подробно поясняется со ссылками на фигуры, где: на фиг. 1 приведена схема внутренней функции самотестирования ближайшего аналога согласно технологическому руководству на УЗДП семейства SIEMENS 5SM6; на фиг. 2 приведена упрощенная блок-схема варианта исполнения заявленногоNext, the utility model is explained in more detail with reference to the figures, where: FIG. 1 shows a diagram of the internal self-testing function of the closest analogue according to the technological manual for the SPDD of the SIEMENS 5SM6 family; in fig. 2 shows a simplified block diagram of an embodiment of the claimed
УЗДП; на фиг. 3 приведена схема варианта исполнения блока самотестирования для использования в заявленном УЗДП; на фиг. 4 приведен пример формы измеренных сигналов тока от сигнала самотестирования. UZDP; in fig. 3 shows a diagram of an embodiment of a self-testing unit for use in the declared AFDD; in fig. 4 shows an example of the waveform of the measured current signals from the self-test signal.
В целом, не считая наличия блока самотестирования и реализации соответствующей функции самотестирования, заявленное УЗДП может быть реализовано на базе (или аналогично) УЗИс, описанного в патенте РФ RU2660285. По этой причине далее будет приведено краткое описание аналогичных компонентов заявленного УЗДП и указанного известного УЗИс и их функционирования, а более подробные данные можно найти в указанном патенте. In general, apart from the presence of a self-testing unit and the implementation of the corresponding self-testing function, the declared ultrasonic detector can be implemented on the basis (or similarly) of the ultrasound device described in the RF patent RU2660285. For this reason, a brief description of similar components of the claimed AFDD and the specified known AFDD and their functioning will be given below, and more detailed data can be found in the specified patent.
Заявленное УЗДП 1 содержит блок 2 считывания напряжения, датчик 3 тока, блок 4 выделения высокочастотных сигналов тока, блок 5 выделения среднечастотных сигналов тока, микроконтроллер 6, блок 7 питания, орган 8 отключения и блок 11 самотестирования (фиг. 2). The claimed UZDP 1 contains a voltage reading unit 2, a current sensor 3, a unit 4 for selecting high-frequency current signals, a unit 5 for separating medium-frequency current signals, a microcontroller 6, a power supply unit 7, a shutdown organ 8 and a self-test unit 11 (Fig. 2).
УЗДП 1 включается в линию между вводным щитом 9 или другим источником питания, или сетью, и электроустановками 10 защищаемой цепи. Блок 2 считывания напряжения может включать в себя датчик низкочастотного напряжения и датчик среднечастотного напряжения. Датчик низкочастотного напряжения совместно с микроконтроллером 6 используется для регистрации и последующего анализа текущего значения сетевого напряжения с достаточно большой частотой выборки, в частности, 10-40 кГц. Датчик среднечастотного напряжения совместно с микроконтроллером 6 используется для регистрации и последующего анализа импульсов напряжения в среднечастотной области примерно от 1 до 50 кГц. Блок 2 считывания напряжения может иметь любое известное исполнение и в простейшем случае представляет собой делитель напряжения для измерения в низкочастотной области и дифференцирующую цепь для измерения в среднечастотной области. Специалисту будет понятно, что блок 2 считывания напряжения может иметь и другую подходящую конструкцию, определяемую, в том числе, алгоритмом установления события искрения в защищаемой цепи. UZDP 1 is included in the line between the lead-in shield 9 or another power source, or network, and electrical installations 10 of the protected circuit. The voltage sensing unit 2 may include a low frequency voltage sensor and a mid frequency voltage sensor. The low-frequency voltage sensor together with the microcontroller 6 is used for recording and subsequent analysis of the current value of the mains voltage with a sufficiently high sampling frequency, in particular, 10-40 kHz. The mid-frequency voltage sensor together with the microcontroller 6 is used for recording and subsequent analysis of voltage pulses in the mid-frequency region from about 1 to 50 kHz. The voltage sensing unit 2 can have any known design and, in the simplest case, is a voltage divider for measuring in the low-frequency region and a differentiating circuit for measuring in the mid-frequency region. The specialist will understand that the voltage sensing unit 2 can have another suitable design, which is determined, inter alia, by the algorithm for establishing an arcing event in the protected circuit.
Датчик 3 тока предназначен для получения сигналов тока, из которых далее, посредством блока 4 выделения высокочастотных сигналов тока, блока 5 выделения среднечастотных сигналов тока и микроконтроллера 6, выделяются и анализируются соответственно среднечастотные сигналы тока (измерение тока в области примерно от 0, 1 до 20 кГц) и высокочастотные сигналы тока (измерение тока в области примерно от 1 до 10 МГц). Датчик 3 тока может иметь любое известное исполнение и в простейшем случае представляет собой трансформатор тока. Специалисту будет понятно, что датчик 3 тока может иметь и другую подходящую конструкцию, определяемую, в том числе, алгоритмом установления события искрения в защищаемой цепи. The current sensor 3 is designed to receive current signals, of which, further, by means of block 4 for extracting high-frequency current signals, block 5 for extracting mid-frequency current signals and microcontroller 6, mid-frequency current signals are separated and analyzed, respectively (current measurement in the region from about 0.1 to 20 kHz) and high-frequency current signals (current measurement in the region of about 1 to 10 MHz). The current sensor 3 can have any known design and in the simplest case is a current transformer. The specialist will understand that the current sensor 3 can have another suitable design, which is determined, inter alia, by the algorithm for establishing an arcing event in the protected circuit.
Микроконтроллер 6 предназначен для обработки сигналов, поступающих от блока 2 считывания напряжения, блока 4 выделения высокочастотных сигналов тока и блока 5 выделения среднечастотных сигналов тока, определения события возникновения искрения в защищаемой линии и выработки управляющего сигнала для органа 8 отключения. Кроме того, микроконтроллер 6 формирует управляющий импульс для активации блока 11 самотестирования, о чем будет подробно сказано ниже. The microcontroller 6 is designed to process signals coming from the voltage reading unit 2, the unit 4 for extracting high-frequency current signals and the unit 5 for extracting medium-frequency current signals, determining the event of arcing in the protected line and generating a control signal for the shutdown organ 8. In addition, the microcontroller 6 generates a control pulse to activate the self-test unit 11, which will be described in detail below.
Блок 7 питания обеспечивает питание микроконтроллера 6 и, если необходимо, органа 8 отключения. The power supply unit 7 provides power to the microcontroller 6 and, if necessary, the shutdown organ 8.
Орган 8 отключения при поступлении управляющего сигнала от микроконтроллера 6 разрывает цепь питания электроустановок 10, т.е. отключает защищаемую цепь от сети. Разрыв цепи в зависимости от конструктивного исполнения устройства может производиться не только в пути L тока фазы (как для примера показано на фиг. 2), но и в пути N тока нейтрали. The shutdown organ 8, when a control signal is received from the microcontroller 6, breaks the power supply circuit of the electrical installations 10, i.e. disconnects the protected circuit from the network. An open circuit, depending on the design of the device, can produced not only in the path L of the phase current (as shown for an example in Fig. 2), but also in the path N of the neutral current.
Работа УЗД11 1 в обычном режиме защиты цепи, не включающем режим самотестирования, в целом соответствует работе УЗИс, известного из патента РФ RU2660285. Поэтому далее приведено краткое описание работы УЗДП 1 в обычном режиме. The operation of the UZD11 1 in the normal circuit protection mode, which does not include the self-test mode, generally corresponds to the operation of the ultrasound device known from the RF patent RU2660285. Therefore, the following is a brief description of the operation of the AFDP 1 in normal mode.
Микроконтроллер 6 анализирует сигналы, поступающие от блока 2 считывания напряжения, и сигналы, поступающие от датчика 3 тока через блок 4 выделения высокочастотных сигналов тока и блок 5 выделения среднечастотных сигналов. Принятие решения о наличии в защищаемой цепи искрения производится в два этапа. The microcontroller 6 analyzes the signals coming from the voltage readout unit 2 and the signals coming from the current sensor 3 through the unit 4 for extracting high-frequency current signals and unit 5 for extracting medium-frequency signals. The decision on the presence of sparking in the protected circuit is made in two stages.
На первом этапе микроконтроллер 6 определяет наличие и производит оценку параметров единичного искрового разряда (ЕИР) в текущем полупериоде сетевого напряжения путем анализа и сопоставления сигнала от датчика низкочастотного напряжения для определения текущего напряжения сети, сигнала от датчика 2 тока в высокочастотной области, сигнала от датчика 2 тока в среднечастотной области и сигнала от датчика среднечастотного напряжения. После получения и анализа указанных сигналов микроконтроллер 6 определяет, есть ли ЕИР, и в случае положительного ответа далее, на втором этапе работы, последовательность подтвержденных ЕИР анализируется с целью определения искрения. При подтверждении искрения микроконтроллер 6 вырабатывает сигнал для органа 8 отключения на отключение защищаемой цепи от сети. At the first stage, the microcontroller 6 determines the presence and evaluates the parameters of a single spark discharge (EIR) in the current half-cycle of the mains voltage by analyzing and comparing the signal from the low-frequency voltage sensor to determine the current network voltage, the signal from the current sensor 2 in the high-frequency region, the signal from the sensor 2 current in the mid-frequency region and the signal from the mid-frequency voltage sensor. After receiving and analyzing these signals, the microcontroller 6 determines whether there is an EIR, and in the case of a positive answer, further, at the second stage of operation, the sequence of the confirmed EIR is analyzed in order to determine the sparking. When the sparking is confirmed, the microcontroller 6 generates a signal for the shutdown organ 8 to disconnect the protected circuit from the network.
По сигналу от датчика низкочастотного напряжения определяется фаза перехода сетевого напряжения через ноль. Затем определяются временные промежутки, в которых будут производиться последующие измерения. Эти временные промежутки соответствуют участку роста модуля сетевого напряжения, поскольку на участках спада модуля сетевого напряжения повторяющийся пробой крайне маловероятен. The signal from the low-frequency voltage sensor determines the phase of the mains voltage zero crossing. Then the time intervals in which the subsequent measurements will be made are determined. These time intervals correspond to the growth section of the mains voltage module, since repeated breakdown is extremely unlikely in the regions of the mains voltage module decay.
После подтверждения ЕИР в защищаемой цепи в данном полупериоде УЗДП 1 переходит ко второму этапу анализа. На втором этапе осуществляется переход от идентификации ЕИР к идентификации собственно искрения. Этот этап может быть реализован различными способами, например, известными из патента РФ RET2660285 и упомянутых в нем других источников информации. After confirming the EIR in the protected circuit in this half-period, the SPLD 1 proceeds to the second stage of the analysis. At the second stage, the transition from the identification of the EIR to the identification of the actual sparking is carried out. This stage can be implemented in various ways, for example, those known from the RF patent RET2660285 and other sources of information mentioned therein.
В итоге, при подтверждении события искрения микроконтроллер 6 вырабатывает управляющий сигнал для органа 8 отключения, и орган 8 отключения производит отключение защищаемой цепи электроустановок 10 от сети. Как было сказано выше, УЗД11 1 согласно настоящей полезной модели содержит блок 11 самотестирования, включенный со стороны защищаемой цепи, т.е. на выходе УЗД11 1, и выполненный с возможностью подачи сигнала самотестирования непосредственно в защищаемую цепь. Сигнал самотестирования детектируется датчиком 3 тока как и любое событие, происходящее в защищаемой цепи, и далее обрабатывается микроконтроллером 6. Это позволяет проверить работу практически всех цепей прохождения сигналов и принятия решений в УЗД11 1. As a result, when the sparking event is confirmed, the microcontroller 6 generates a control signal for the shutdown organ 8, and the shutdown organ 8 disconnects the protected circuit of electrical installations 10 from the network. As mentioned above, UZD11 1 according to the present utility model contains a self-test unit 11, included from the side of the protected circuit, i.e. at the output of the UZD11 1, and made with the possibility of supplying a self-test signal directly to the protected circuit. The self-test signal is detected by the current sensor 3, like any event occurring in the protected circuit, and then processed by the microcontroller 6. This allows you to check the operation of almost all signal flow and decision-making circuits in the UZD11 1.
Пример реализации блока 11 самотестирования приведен на фиг. 3 в виде принципиальной схемы. An example of the implementation of the self-testing unit 11 is shown in FIG. 3 in the form of a schematic diagram.
В выбранном для самотестирования полупериоде сетевого напряжения при достижении этим напряжением определенного значения U0 (например, 200 В), измеряемого датчиком низкочастотного напряжения, на вход (отмечено как «Вход» на фиг. 3) ключевого элемента Q, например, на базе полевого транзистора IPN95R1K2P7, подается импульс с выхода микроконтроллера 6 длительностью около 100 мкс и амплитудой, достаточной для перевода ключевого элемента Q в полностью открытое состояние. Нагрузкой ключевого элемента Q является резистор R, размещенный между стоком транзистора и, через разъем Р, выходной фазной линией УЗДП 1 в точке после датчика 3 тока. В результате на выходе УЗДП 1 происходит скачок тока между фазовым и нейтральным проводом с амплитудой I = U0 / R, аналогичный скачку тока в защищаемой цепи. Формы сигналов тока от сигнала самотестирования на выходах блока 5 выделения среднечастотных сигналов тока (верхняя кривая 1) и блока 4 выделения высокочастотных сигналов тока (нижняя кривая 2) показаны на фиг. 4, где по горизонтальной оси отложено время, по вертикальной - величина тока. In the selected for self-testing half-period of the mains voltage when this voltage reaches a certain value U0 (for example, 200 V), measured by the low-frequency voltage sensor, to the input (marked as "Input" in Fig. 3) of the key element Q, for example, based on the field-effect transistor IPN95R1K2P7 , a pulse is supplied from the output of microcontroller 6 with a duration of about 100 μs and an amplitude sufficient to transfer the key element Q to a fully open state. The load of the key element Q is a resistor R, placed between the drain of the transistor and, through connector P, the output phase line of the SPLD 1 at a point after the current sensor 3. As a result, a current jump occurs between the phase and neutral wires with an amplitude I = U0 / R at the output of the UZDP 1, similar to the current jump in the protected circuit. The waveforms of the current signals from the self-test signal at the outputs of the block 5 for separating medium-frequency current signals (upper curve 1) and block 4 for separating high-frequency current signals (lower curve 2) are shown in FIG. 4, where time is plotted along the horizontal axis, and the current value is plotted along the vertical axis.
Поскольку импульсы тока при самотестировании генерируются на выходе УЗДП 1 посредством управляемого ключа Q и высокоточного резистора R при известном текущем напряжении U0 сети, амплитуда данных импульсов задается с достаточно высокой точностью. Это позволяет использовать отклик датчиков УЗДП 1 при самотестировании для его автоматической подстройки по порогу тока искрения под реальные параметры защищаемой цепи в данной инсталляции УЗДП 1. Since current pulses during self-testing are generated at the output of the SPLD 1 by means of a controlled key Q and a high-precision resistor R at a known current voltage U0 of the network, the amplitude of these pulses is set with a sufficiently high accuracy. This makes it possible to use the response of the SPD 1 sensors during self-testing for its automatic adjustment by the spark current threshold to the real parameters of the protected circuit in this SPD 1 installation.
Таким образом, настоящая полезная модель обеспечивает новые функциональные возможности УЗДП, такие как подача реальных, а не моделируемых, тестирующих импульсов непосредственно в защищаемую цепь, что обеспечивает проверку датчиков устройства и практически всех цепей прохождения сигналов и принятия решений о наличии события искрения (пробоя) в защищаемой цепи без прерывания работы УЗД11. Thus, the present utility model provides new functionalities of the SPLD, such as the supply of real, rather than simulated, test pulses directly to the protected circuit, which ensures the verification of the sensors. devices and practically all circuits for passing signals and making decisions about the presence of an sparking (breakdown) event in the protected circuit without interrupting the operation of the UZD11.

Claims

ФОРМУЛА FORMULA
1. Устройство (1) защиты при дуговом пробое, содержащее: блок (2) считывания напряжения, датчик (3) тока, блок (4) выделения высокочастотных сигналов тока, блок (5) выделения среднечастотных сигналов тока, микроконтроллер (6), блок (7) питания, орган (8) отключения и блок (11) самотестирования, при этом блок (2) считывания напряжения соединен с микроконтроллером (6) для регистрации и последующего анализа текущего значения сетевого напряжения, датчик (3) тока соединен с блоком (4) выделения высокочастотных сигналов тока и блоком (5) выделения среднечастотных сигналов тока, которые соединены с микроконтроллером (6), для регистрации и анализа соответственно высокочастотных и среднечастотных сигналов тока, микроконтроллер (6) соединен с органом (8) отключения для отключения защищаемой цепь от сети, и микроконтроллер (6) соединен с блоком (11) самотестирования для подачи сигнала самотестирования, отличающееся тем, что блок (11) самотестирования включен со стороны защищаемой цепи с возможностью подачи сигнала самотестирования в защищаемую цепь для их регистрации датчиком (3) тока. 1. A device (1) protection in case of arc breakdown, comprising: a voltage reading unit (2), a current sensor (3), a unit (4) for separating high-frequency current signals, a unit (5) for separating medium-frequency current signals, a microcontroller (6), a unit (7) power supply, a shutdown organ (8) and a self-test unit (11), while the voltage reading unit (2) is connected to the microcontroller (6) for recording and subsequent analysis of the current value of the mains voltage, the current sensor (3) is connected to the unit ( 4) the selection of high-frequency current signals and the block (5) for the selection of medium-frequency current signals, which are connected to the microcontroller (6), for recording and analyzing, respectively, high-frequency and medium-frequency current signals, the microcontroller (6) is connected to the shutdown organ (8) to disconnect the protected circuit from the network, and the microcontroller (6) is connected to the self-test unit (11) to provide a self-test signal, characterized in that the self-test unit (11) is switched on from the side of the protected circuit with the possibility by giving a self-test signal to the protected circuit for their registration by the current sensor (3).
2. Устройство (1) по и. 1, в котором блок (11) самотестирования содержит управляемый ключ (Q) и высокоточный резистор (R). 2. Device (1) on and. 1, in which the self-test unit (11) contains a controllable switch (Q) and a high-precision resistor (R).
3. Устройство (1) по и. 2, в котором микроконтроллер (6) выполнен с возможностью генерирования управляющего импульса с амплитудой, достаточной для перевода управляемого ключа (Q) в полностью открытое состояние. 3. Device (1) on and. 2, in which the microcontroller (6) is configured to generate a control pulse with an amplitude sufficient to transfer the controlled key (Q) to a fully open state.
4. Устройство (1) по и. 1, в котором блок (2) считывания напряжения выполнен с возможностью считывания низкочастотного напряжения и среднечастотного напряжения. 4. Device (1) on and. 1, in which the voltage sensing unit (2) is configured to read the low frequency voltage and the mid frequency voltage.
PCT/RU2021/050082 2020-04-17 2021-03-29 Arc-fault protection device WO2021211019A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202190000409.7U CN218783576U (en) 2020-04-17 2021-03-29 Arc fault protection device

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020113685 2020-04-17
RU2020113685 2020-04-17

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021211019A1 true WO2021211019A1 (en) 2021-10-21

Family

ID=78084418

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2021/050082 WO2021211019A1 (en) 2020-04-17 2021-03-29 Arc-fault protection device

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN218783576U (en)
WO (1) WO2021211019A1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104849579A (en) * 2015-04-14 2015-08-19 中广核核电运营有限公司 System and method for testing sensitive elements of over-current protection and voltage monitoring device
RU2660285C1 (en) * 2017-10-05 2018-07-05 Александр Сергеевич Мкртумов Device for protection against sparkage and the method of its work
US20180299499A1 (en) * 2015-10-07 2018-10-18 Jenoptik Advanced Systems Gmbh Fault current protection device for monitoring an electric load for a vehicle, and method for carrying out a self-test of a fault current sensor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104849579A (en) * 2015-04-14 2015-08-19 中广核核电运营有限公司 System and method for testing sensitive elements of over-current protection and voltage monitoring device
US20180299499A1 (en) * 2015-10-07 2018-10-18 Jenoptik Advanced Systems Gmbh Fault current protection device for monitoring an electric load for a vehicle, and method for carrying out a self-test of a fault current sensor
RU2660285C1 (en) * 2017-10-05 2018-07-05 Александр Сергеевич Мкртумов Device for protection against sparkage and the method of its work

Also Published As

Publication number Publication date
CN218783576U (en) 2023-03-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11831139B2 (en) Processor-based circuit interrupting devices
US7872464B2 (en) Hand held arc fault testing system
CN103415972B (en) For detecting the mthods, systems and devices of parallel arc fault
KR100299015B1 (en) Ground fault and sputtering arc trip device of self-test circuit breaker
US20200303917A1 (en) Methods And Devices For Selective Insulation Monitoring In Ungrounded Isolé Terre (IT) Power Supply Systems
CN106415286B (en) System and method for impulse ground fault detection and localization
US7141960B2 (en) Method and device system for testing electrical components
US11101641B2 (en) Fault protection devices and related reclosing methods
KR101250716B1 (en) Detection apparatus and method for superconducting coil quench
KR20120036804A (en) Method and system for transient and intermittent earth fault detection and direction determination in a three phase median voltage electric power distribution system
CN103548226A (en) Method and system for detecting an arc fault in a power circuit
CA2695866A1 (en) Circuit interrupter including test circuit
US11061078B2 (en) Differential protection test method, differential protection device and electrical unit including such a device
CN109085455A (en) A kind of determination method for distribution line high resistance earthing fault
WO2021041940A1 (en) Method for validating voltage measurements in a digital-electricity transmission system
US10290455B2 (en) Self testing GFCI
EP3499252A1 (en) Single-phase-to-ground fault detection method and device based on electric field induction, and storage medium
RU199233U1 (en) ARC BREAKDOWN PROTECTION DEVICE
WO2021211019A1 (en) Arc-fault protection device
CN109116131B (en) Test device, method for testing protection unit and protection unit
KR101464246B1 (en) Arc detection breaker using ZCT
EP2681572A1 (en) Method for adaptation of ground fault detection
JP2020038068A (en) Insulation monitoring device and insulation monitoring system
KR101019462B1 (en) Method for determining by detecting inpulse originated from arc
CN114156831A (en) Photoelectric combined instantaneous fault discrimination method

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21787575

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21787575

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1