Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 7112
(13) U
(46) 2011.04.30
(51) МПК (2009)
H 02H 7/26
(54) ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ОТКРЫТОЙ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ ДУГОВОЙ ЗАЩИТЫ КОМПЛЕКТНЫХ
РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
(21) Номер заявки: u 20100315
(22) 2010.03.25
(71) Заявитель: Общество с ограничен-
ной ответственностью "Синтез-
электро" (BY)
(72) Автор: Чубрик Николай Аркадьевич
(BY)
(73) Патентообладатель: Общество с огра-
ниченной ответственностью "Синтез-
электро" (BY)
(57)
1. Волоконно-оптический датчик открытой электрической дуги дуговой защиты
комплектных распределительных устройств, содержащий фотоэлектрический датчик,
соединенный со световодом, второй конец которого оборудован рассеивателем, отли-
чающийся тем, что рассеиватель выполнен в виде трубки.
2. Волоконно-оптический датчик открытой электрической дуги дуговой защиты ком-
плектных распределительных устройств по п. 1, отличающийся тем, что трубка выпол-
нена из фторопласта.
3. Волоконно-оптический датчик открытой электрической дуги дуговой защиты ком-
плектных распределительных устройств по п. 1, отличающийся тем, что трубка выпол-
нена из матового фторопласта.
4. Волоконно-оптический датчик открытой электрической дуги дуговой защиты ком-
плектных распределительных устройств по п. 1, отличающийся тем, что трубка выпол-
нена тонкостенной.
5. Волоконно-оптический датчик открытой электрической дуги дуговой защиты ком-
плектных распределительных устройств по п. 1, отличающийся тем, что трубка снабжена
элементами механического крепления.
(56)
1. Современные средства релейной защиты и противоаварийной автоматики. Каталог
спецэкспозиции. - М.: Союзтехэнерго, 1989. - С. 15.
2. Никитаев О.В., Селиванин А.У. Применение дуговых защит в комплексных распре-
делительных устройствах сельскохозяйственных подстанций. Эксплуатация устройств
сельскохозяйственного электроснабжения: Сб. научн. трудов. - М., 1989. - С. 44.
3. Патент РФ на изобретение 2187871, МПК 7
H 02H 7/22, 2002 (прототип).
BY7112U2011.04.30

2. BY 7112 U 2011.04.30
2
Полезная модель относится к электротехнике, в частности к системам защиты элек-
трооборудования. Предназначена для использования в энергетическом оборудовании:
при возникновении открытой электрической дуги короткого замыкания подает сигнал на
аварийное отключение электроустановок, в том числе шкафов комплектных распредели-
тельных устройств внутренней и наружной установки (КРУ (Н)), комплектных транс-
форматорных подстанций, комплектных токопроводов. Повышает локализационную
способность защитных устройств.
Появление электрической дуги в отсеке КРУ (Н) вызывает в нем увеличение освещен-
ности, что может быть использовано для построения защиты.
При разработке систем аварийной защиты электрораспределительного оборудования,
в частности КРУ, от воздействия открытой электрической дуги решают различные задачи.
Необходимо отключить отдельную ячейку КРУ при возникновении в этой ячейке элек-
трической дуги без отключения КРУ в целом. Либо надо отключить все КРУ, если дуга
возникла одновременно в двух и более ячейках. Устройство для отключения КРУ должно
охватывать все его ячейки, иметь высокое быстродействие и не реагировать на электро-
магнитные помехи.
Известны устройства, содержащие фотодатчик, соединенный с электронным блоком
электрическим кабелем. Фотореле "Молния-2" [1] используется для подачи сигнала на
аварийное отключение КРУ. Устройство срабатывает при непосредственном попадании
вспышки света от электрической дуги на фотодатчик, в качестве которого использован
фоторезистор. Поэтому для отключения КРУ в целом, состоящего из нескольких ячеек, в
каждой ячейке необходимо устанавливать свой фотодатчик и соединять их электрическим
кабелем.
В этом случае отключение отдельной ячейки КРУ возможно, только если электронный
блок содержит отдельные исполнительные реле и каналы обработки на каждый датчик.
Недостатками также являются помехи и низкая надежность, вызванная уязвимостью элек-
тронного блока в случае контакта с датчиком дуги высокого напряжения.
Общим недостатком указанного решения и других подобных решений является их
низкая помехоустойчивость, обусловленная воздействием электромагнитных помех на
линии связи, что приводит к необходимости отстройки от помех путем введения времен-
ных задержек, частотной фильтрации или увеличения уровней срабатывания реагирую-
щих органов. Для уменьшения длины линий связи такие устройства необходимо
устанавливать в каждом шкафу КРУ (Н), что в связи с широким распространением КРУ в
энергосистемах и на промышленных предприятиях требует значительных затрат.
Известно также устройство дуговой защиты УДЗ-1 [2], содержащее световод, выпол-
ненный из пластмассового волокна, фотоприемник, компаратор и исполнительный орган.
Световод прокладывается в местах вероятного возникновения электрической дуги и со-
единяется с фотоприемником, подключенным к неинвертирующему входу компаратора,
нагрузкой которого является исполнительный орган, отключающий КРУ.
Работает устройство следующим образом. При возникновении электрической дуги у
световода подгорает или перегорает изоляционный слой. По светопроводящему каналу
свет попадает на фотоприемник, где преобразуется в электрический аналог, который
сравнивается на компараторе с заданным уровнем напряжения, превышение которого
свидетельствует о появлении электрической дуги. В этом случае сигнал с компаратора вы-
зывает срабатывание исполнительного органа, который отключает КРУ в целом. Данное
устройство позволяет охватить несколько ячеек за счет прокладки световода в этих ячей-
ках.
Недостатками являются расчет на повреждение боковой стенки изоляции световода, а
также невозможность отключения отдельной ячейки КРУ, в которой возникла электриче-
ская дуга. В случае возникновения электрической дуги в одной ячейке отключается КРУ в
целом. Это обусловлено тем, что длина световода достаточно велика и не позволяет зара-

3. BY 7112 U 2011.04.30
3
нее предсказать или точно определить место образования дуги. Датчик же позволяет фик-
сировать только момент возникновения электрической дуги, а из его единственного вы-
ходного сигнала Р невозможно выделить две независимые величины, необходимые для
расчета: мощность дуги W и ее местоположение s.
Известно также выбранное в качестве прототипа устройство [3], содержащие внутрен-
ний фотодатчик и светопроводный кабель, заканчивающийся выносным диффузным рас-
сеивателем, позволяющим расширить диаграмму направленности практически до
круговой и существенно снизить чувствительность к загрязнениям. Фотодатчики могут
быть реализованы на основе фотодиодов, фоторезисторов, фототранзисторов, оптоволо-
конных датчиков освещенности. Подобный рассеиватель должен иметь стабильные во
времени и повторяемые от экземпляра к экземпляру оптические характеристики, а также
выдерживать без ухудшения свойств механические удары и т.д.
Недостатком устройства является высокая стоимость, обусловленная необходимостью
изготовления оптических деталей из дорогостоящих материалов с высокими требования-
ми к качеству материала, геометрическим размерам, текстуре и чистоте поверхностей, а
также жесткими требованиями к качеству сборки.
В основу настоящей полезной модели положена задача снижения стоимости изделия
при сохранении требуемых потребительских качеств путем упрощения конструкции и
снижения жесткости технологических допусков, а также применения доступных матери-
алов.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в волоконно-оптическом датчике
открытой электрической дуги дуговой защиты комплектных распределительных
устройств, содержащем фотоэлектрический датчик, соединенный со световодом, второй
конец которого оборудован рассеивателем, в качестве диффузного рассеивателя для све-
товода использован наконечник в виде цилиндрической трубки. Наконечник снабжен эле-
ментами механического крепления. Трубка выполнена из фторопласта. Трубка выбрана
тонкостенной. Лучшие результаты получили, когда был применен матовый фторопласт.
Технический результат состоит в обеспечении надежности и безопасности систем ава-
рийной защиты электрораспределительного оборудования, в частности КРУ, от воздей-
ствия открытой электрической дуги, уменьшении временных затрат для монтажа и
подключения системы, а также высокого быстродействия и помехоустойчивости.
На чертеже изображен световод волоконно-оптического датчика открытой электриче-
ской дуги с наконечником диффузного рассеивателя в виде цилиндрической трубки.
Сущность полезной модели состоит в следующем.
Волоконно-оптический датчик открытой электрической дуги дуговой защиты ком-
плектных распределительных устройств содержит фотоэлектрический датчик (на чертеже
не показан), соединенный со световодом 1, второй конец которого оборудован рассеива-
телем 2, в качестве диффузного рассеивателя 2 для световода 1 использован наконечник в
виде цилиндрической трубки. Наконечник может быть снабжен элементами механическо-
го крепления. Их форма и конструкция принципиального значения не имеют, поэтому они
на чертеже не показаны. Трубка выполнена из фторопласта. Трубка выбрана тонкостен-
ной. Лучшие результаты получили, когда был применен матовый фторопласт.
Преимущества использования предложенного решения заключаются в следующем.
Так, нет необходимости в применении фотоэлемента для приема сигнала. Дуга дает
вспышку (яркий сигнал) такой силы, что световод способен передать сигнал непосред-
ственно. Рассеиватель 2, установленный на торце световода 1, позволяет заметить (и пе-
редать дальше по световоду 1) сигнал с любого направления, а не только тот, который
пришел по нормали к торцу световода 1. Снижаются все требования по монтажу. Не име-
ет значения, плотно ли посажена трубка рассеивателя 2 на световод 1, склеены они каким-
либо видом клея, герметизированы или наоборот, световод 1 просто вставлен в трубку
рассеивателя 2. Нет необходимости юстировать датчик. Трубку можно устанавливать в

4. BY 7112 U 2011.04.30
4
любом удобном месте внутри шкафа. Для этого и предусмотрены элементы механическо-
го крепления.
Стабильность оптических характеристик наконечника во времени обеспечивается вы-
сокой стабильностью материала, из которого он изготовлен, поскольку рассеяние света
происходит в его толще. Практические исследования показали, что результат не зависит
от формы наконечника. Поэтому как наиболее технологичный выбран вариант с исполь-
зованием трубки, выпускаемой серийно.
Повторяемость результатов от экземпляра к экземпляру обеспечивается гомогенно-
стью материала, не требующего тщательной дозировки компонентов при литье, а также
высокой однородностью свойств материала в партиях поставки. Механическая прочность
обеспечивается эластичностью самого материала.
Требования к качеству сборки трубки и световода существенно снижаются благодаря
однородности свойств материала трубки по всей ее длине. Достаточно выбрать тонко-
стенную трубку, внутренний диаметр которой соответствует наружному диаметру свето-
вода, и соединить их. Допустимо использование герметиков или клея для фиксации
трубки на световоде. Но практика показала отсутствие в этом сколь-нибудь серьезной
необходимости.
Снижение стоимости обеспечивается низкой ценой самой трубки, отсутствием опера-
ций механической обработки и оптической юстировки, а также отсутствием жестких тре-
бований к элементам механического крепления.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.