RU2660285C1 - Device for protection against sparkage and the method of its work - Google Patents
Device for protection against sparkage and the method of its work Download PDFInfo
- Publication number
- RU2660285C1 RU2660285C1 RU2017135565A RU2017135565A RU2660285C1 RU 2660285 C1 RU2660285 C1 RU 2660285C1 RU 2017135565 A RU2017135565 A RU 2017135565A RU 2017135565 A RU2017135565 A RU 2017135565A RU 2660285 C1 RU2660285 C1 RU 2660285C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- voltage
- current
- frequency
- mid
- signals
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 29
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims description 12
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims 2
- 238000010616 electrical installation Methods 0.000 abstract description 8
- 238000000605 extraction Methods 0.000 abstract description 8
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 5
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 17
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 16
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 description 7
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 5
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 5
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 description 2
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 1
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/08—Locating faults in cables, transmission lines, or networks
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
- G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
- H02H7/00—Emergency 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
- H02H7/26—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Testing Relating To Insulation (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к области пожарной безопасности и электроэнергетики, а именно, к способам и устройствам обнаружения и защиты от искрения в электрических сетях и электроустановках, удовлетворяющим, в частности, требованиям на устройства защиты при дуговом пробое (далее также УЗДП) по стандарту IEC 62606:2013. General requirements for arc fault detection devices, а также стандарту ГОСТ IEC 62606-2016 «Устройства защиты бытового и аналогичного назначения при дуговом пробое. Общие требования», либо иным техническим требованиям, предъявляемым к устройствам защиты от искрения в электрических сетях и электроустановках.The present invention relates to the field of fire safety and electric power, and in particular, to methods and devices for detecting and protecting against sparking in electric networks and electrical installations, satisfying, in particular, the requirements for protection devices in case of arc breakdown (hereinafter also UZDP) according to IEC 62606: 2013. General requirements for arc fault detection devices, as well as the standard GOST IEC 62606-2016 “Protection devices for household and similar purposes in case of arc breakdown. General requirements ”, or other technical requirements for protection against sparking in electrical networks and electrical installations.
Устройство защиты от искрения (УЗИс) представляет собой устройство, включающее блок обнаружения искрения (также искрового пробоя, искрового разряда) и блок разрывания цепи (также орган отключения, расцепитель). УЗИс предназначено для работы в сложной электромагнитной обстановке и должно удовлетворять во многом противоречивым требованиям по чувствительности, помехоустойчивости и отсутствию ложных срабатываний от штатной работы оборудования. Поэтому для успешной работы УЗИс желателен сбор по возможности разносторонней информации о процессах, протекающих в защищаемой цепи.The spark protection device (SPD) is a device that includes a spark detection unit (also spark breakdown, spark discharge) and a circuit breaking unit (also a trip unit, release). Ultrasonic scanning devices are designed to operate in a complex electromagnetic environment and must satisfy in many respects the conflicting requirements for sensitivity, noise immunity and the absence of false alarms from the normal operation of the equipment. Therefore, for the successful operation of an ultrasound scan, it is desirable to collect as versatile information as possible about the processes taking place in the protected circuit.
Так, в заявке на патент США US 20160187409 описывается УЗИс, регистрирующее и анализирующее импульсы тока в области низких частот, импульсы напряжения в области низких частот, а также интенсивность высокочастотных компонент тока. Инициация процесса анализа осуществляется по импульсу тока в области низких частот, превосходящему по амплитуде заранее установленный порог. На последнем этапе анализа в нескольких полосах частот проверяется уровень высокочастотных колебаний тока, порожденных широкополосными флуктуациями, присущими протеканию дугового разряда. Являясь характерным признаком дугового пробоя, эти флуктуации в то же время достаточно слабы, что порождает определенные проблемы для создания УЗИс с большими значениями номинального тока. Большие значения номинального тока соответствуют в среднем более широкой зоне обслуживания, охватывающей большее число подключенных электроприборов, и большую протяженность и разветвленность защищаемой цепи, что может вести к значительному ослаблению передачи высокочастотных компонент тока от места возникновения искрения до УЗИс. В результате, сигналы, выделяемые частотными фильтрами из указанных флуктуаций, могут ослабляться до уровня фоновых помех, существующих в данное время в защищаемой цепи. Так, в УЗИс 5SM6 фирмы Siemens (см., например, ссылку в сети Интернет https://support.industry.siemens.com/cs/document/109744645/brochure) для обнаружения искрения используются описанные выше флуктуации. При высоком уровне фоновых помех указанное УЗИс просто переходит в режим ограниченной способности функционирования, о чем сообщает пользователю соответствующей индикацией.So, in the application for US patent US 20160187409 describes an ultrasound detector that records and analyzes current pulses in the low frequency region, voltage pulses in the low frequency region, as well as the intensity of high-frequency current components. The analysis process is initiated by the current pulse in the low-frequency region, which exceeds the predetermined threshold in amplitude. At the last stage of the analysis, the level of high-frequency current oscillations generated by the broadband fluctuations inherent in the flow of an arc discharge is checked in several frequency bands. Being a characteristic sign of an arc breakdown, these fluctuations are at the same time rather weak, which causes certain problems for creating an ultrasound scan with large values of the rated current. Larger values of the rated current correspond, on average, to a wider service area, covering a larger number of connected electrical appliances, and a greater length and branching of the protected circuit, which can lead to a significant weakening of the transmission of high-frequency current components from the place of occurrence of sparking to the ultrasonic protection device. As a result, the signals emitted by the frequency filters from these fluctuations can be attenuated to the level of background noise that currently exists in the protected circuit. So, in a 5SM6 ultrasonography device manufactured by Siemens (see, for example, the Internet link https://support.industry.siemens.com/cs/document/109744645/brochure), the fluctuations described above are used to detect sparking. With a high level of background noise, the specified ultrasound transducer simply goes into a mode of limited ability to function, which is reported to the user by an appropriate indication.
Таким образом, при больших зонах обслуживания распознавание широкополосных флуктуаций тока, применяемое в вышеуказанных и других известных УЗИс, может быть затруднено из-за малой амплитуды анализируемых сигналов.Thus, for large service areas, the recognition of wideband current fluctuations used in the above and other known ultrasound devices can be difficult due to the small amplitude of the analyzed signals.
Существенно большей амплитудой при прочих равных условиях обладают импульсы тока, выделяемые высокочастотными фильтрами в момент наступления дугового пробоя. Распознавание искрения с помощью этих импульсов известно, например, из патента США US 5280404 или патента РФ RU 2528137.All other things being equal, the current pulses emitted by high-frequency filters at the time of the onset of arc breakdown have a significantly larger amplitude. The recognition of sparks using these pulses is known, for example, from US patent US 5280404 or RF patent RU 2528137.
УЗИс и способ регистрации искрения согласно патенту RU 2528137 могут быть приняты в качестве ближайших аналогов объектов настоящего изобретения.Ultrasonic scanning devices and the method of registering sparks according to patent RU 2528137 can be adopted as the closest analogues of the objects of the present invention.
Решения, основанные на данном принципе, включающие ближайший аналог, будут реагировать и срабатывать также и при маломощных высокочастотных событиях, являющихся штатными событиями, например, при поджиге блоков люминесцентных ламп с электромагнитной пускорегулирующей аппаратурой.Solutions based on this principle, including the closest analogue, will respond and work also with low-power high-frequency events, which are regular events, for example, when firing blocks of fluorescent lamps with electromagnetic ballasts.
Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных ограничений и недостатков известных устройств защиты от искрения и способов их работы.The objective of the present invention is to eliminate the above limitations and disadvantages of the known spark protection devices and methods of their operation.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности определения события искрения, снижение количества ложных срабатываний устройства защиты от искрения, увеличение зоны обслуживания, охватывающей большее число подключенных электроприборов, и протяженности и разветвленности защищаемой цепи.The technical result of the present invention is to increase the accuracy of determining a sparking event, to reduce the number of false positives of a spark protection device, to increase a service area covering a larger number of connected electrical appliances, and to extend and branch a protected circuit.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается в предлагаемом способе работы устройства защиты от искрения, при котором измеряют сигналы напряжения и тока в защищаемой цепи в каждом полупериоде напряжения, на основании измеренных отклонений напряжения и тока определяют наличие единичного искрового разряда в каждом полупериоде напряжения, накапливают информацию о единичных искровых разрядах в течение заданного промежутка времени и сохраняют ее в виде параметра искрения. По достижении параметром искрения заданного значения регистрируют искрение и вырабатывают сигнал на отключение защищаемой цепи от сети. При этом измерение напряжения и тока включает измерение тока в высокочастотной области, измерение тока в среднечастотной области, измерение напряжения в низкочастотной области и измерение напряжения в среднечастотной области.The problem is solved, and the claimed technical result is achieved in the proposed method of operation of the spark protection device, in which the voltage and current signals in the protected circuit are measured in each half-period of voltage, based on the measured deviations of voltage and current, the presence of a single spark discharge in each half-period of voltage is determined, accumulate information about individual spark discharges over a given period of time and save it as a spark parameter. When the spark parameter reaches the set value, the spark is recorded and a signal is generated to disconnect the protected circuit from the network. In this case, the voltage and current measurement includes measuring the current in the high-frequency region, measuring the current in the mid-frequency region, measuring the voltage in the low-frequency region, and measuring the voltage in the medium-frequency region.
Введение в известные из уровня техники способы работы УЗИс измерений тока в среднечастотной области и напряжения в среднечастотной области не просто увеличивает число критериев определения наличия искрения в защищаемой цепи, но дает возможность осуществлять контроль за возникновением искрения при условиях, когда сигналы от искрения хорошо выделяются на фоне помех и сигналов от штатно работающего оборудования не только в защищаемой цепи, но и в смежных с ней цепях электрической сети. Это позволяет существенно снизить количество ложных срабатываний устройства защиты от искрения. Как следствие, по сравнению с известными способами работы УЗИс заявляемый способ обеспечивает расширение зоны обслуживания, охватывающей большее число подключенных электроприборов, и увеличивает протяженность и разветвленность защищаемой цепи.The introduction into the known methods of operation of ultrasonic testing of current measurements in the mid-frequency region and voltage in the mid-frequency region not only increases the number of criteria for determining the presence of sparking in a protected circuit, but makes it possible to control the occurrence of sparking under conditions when the signals from sparking are well distinguished against the background interferences and signals from the standard equipment not only in the protected circuit, but also in the circuits of the electric network adjacent to it. This can significantly reduce the number of false positives of the spark protection device. As a result, in comparison with the known methods of operation of an ultrasonic scan device, the inventive method provides an extension of the service area, covering a greater number of connected electrical appliances, and increases the length and branching of the protected circuit.
В предпочтительном варианте исполнения изобретения измерение тока в среднечастотной области, измерение напряжения в среднечастотной области и измерение напряжения в низкочастотной области выполняют только при условии превышения значения измеряемого тока в высокочастотной области заранее заданного значения. При этом предпочтительно, если измерение тока в высокочастотной области выполняют в области от 1 до 10 МГц на участке роста модуля сетевого напряжения. Это позволяет уменьшить количество «лишней» информации, обрабатываемой устройством защиты от искрения, и, следовательно, снизить требования к объему и скорости обработки информации в устройстве.In a preferred embodiment of the invention, a current measurement in the mid-frequency region, a voltage measurement in the mid-frequency region and a voltage measurement in the low-frequency region are performed only if the measured current exceeds the predetermined value in the high-frequency region. Moreover, it is preferable if the current measurement in the high-frequency region is performed in the region from 1 to 10 MHz in the growth section of the network voltage module. This allows you to reduce the amount of "excess" information processed by the anti-sparking device, and, therefore, reduce the requirements for the volume and speed of information processing in the device.
В процессе определения единичного искрового разряда могут определять ток искрения по измерениям напряжения в низкочастотной области и измерениям тока в среднечастотной области. При несоответствии тока искрения заранее заданным значениям измерения в отношении текущего события прекращаются, что также позволяет уменьшить количество излишней информации, обрабатываемой устройством защиты от искрения, а кроме того, исключить ложные срабатывания устройства защиты от искрения.In the process of determining a single spark discharge, the spark current can be determined from voltage measurements in the low-frequency region and current measurements in the mid-frequency region. If the spark current does not match the predetermined measurement values with respect to the current event, they stop, which also reduces the amount of redundant information processed by the spark protection device, and in addition, eliminates false triggering of the spark protection device.
Одновременно с определением тока искрения предпочтительно определять полярность сигналов напряжения в среднечастотной области по измерениям напряжения в среднечастотной области, и по полярности сигналов напряжения в среднечастотной области и полярности сигналов тока в среднечастотной области подтверждать наличие единичного искрового разряда именно в защищаемой цепи. Это позволяет с высокой точностью выделить сигнал от искрения на фоне помех в защищаемой цепи и смежных цепях.Simultaneously with the determination of the spark current, it is preferable to determine the polarity of the voltage signals in the mid-frequency region by measuring the voltage in the mid-frequency region, and by the polarity of the voltage signals in the mid-frequency region and the polarity of the current signals in the mid-frequency region, confirm the presence of a single spark discharge in the protected circuit. This allows you to accurately select the signal from sparking against the background of interference in the protected circuit and adjacent circuits.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается также в предлагаемом устройстве защиты от искрения, включающем блок питания, по меньшей мере один датчик тока, по меньшей мере один блок считывания напряжения, блок выделения высокочастотных сигналов тока, блок выделения среднечастотных сигналов тока, микроконтроллер и орган отключения. Микроконтроллер выполнен с возможностью взаимодействия с указанными блоками выделения высокочастотных и среднечастотных сигналов тока для осуществления измерения соответственно тока в высокочастотной области и тока в среднечастотной области, взаимодействия с блоком считывания напряжения для осуществления измерения напряжения в низкочастотной области и среднечастотной области, определения события единичного искрового разряда, накопления информации о единичных искровых разрядах в течение заданного времени и сохранения ее в виде параметра искрения, и выработки сигнала отключения по достижении параметром искрения заданного значения.The problem is solved, and the claimed technical result is also achieved in the proposed device for protection against sparking, including a power supply unit, at least one current sensor, at least one voltage sensing unit, a high-frequency current signal extraction unit, a mid-frequency current signal extraction unit, a microcontroller and shutdown authority. The microcontroller is configured to interact with the indicated units for extracting high-frequency and mid-frequency current signals to measure current in the high-frequency region and current in the mid-frequency region, interact with the voltage sensing unit to measure voltage in the low-frequency region and mid-frequency region, to determine the event of a single spark discharge, accumulation of information about individual spark discharges for a given time and saving it in the form Parameters of arcing, and generate a trip signal upon reaching a predetermined value parameter arcing.
Заявленное устройство защиты от искрения является вариантом исполнения такого устройства, реализующего заявленный способ работы устройства защиты от искрения, и все преимущества заявленного способа реализуются в заявленном устройстве.The claimed anti-sparking device is an embodiment of such a device that implements the claimed method of operation of the anti-sparking device, and all the advantages of the claimed method are implemented in the claimed device.
Далее некоторые возможные варианты исполнения изобретения, которыми, однако, настоящее изобретение не ограничивается, подробно раскрыты со ссылками на фигуры.Further, some possible embodiments of the invention, which, however, the present invention is not limited to, are disclosed in detail with reference to the figures.
На фиг. 1 приведен вариант устройства защиты от искрения и его включения в защищаемую цепь.In FIG. 1 shows a variant of the device for protection against sparking and its inclusion in the protected circuit.
На фиг. 2 приведена общая блок-схема работы устройства защиты от искрения согласно заявляемому способу.In FIG. 2 shows a general block diagram of the operation of a spark protection device according to the claimed method.
На фиг. 3 приведена блок-схема высокочастотной инициации (ВЧ-инициации) измерений.In FIG. Figure 3 shows a block diagram of high-frequency initiation (RF initiation) measurements.
На фиг. 4 приведена типичная гистограмма распределения значений напряжения при дуговом пробое.In FIG. Figure 4 shows a typical histogram of the distribution of voltage values during an arc breakdown.
На фиг. 5 показаны типичные помехи от блока питания портативного компьютера и светодиодной лампы.In FIG. Figure 5 shows typical interference from a laptop power supply and an LED lamp.
На фиг. 6 приведен график модуляции порога распознавания высокочастотного сигнала напряжения.In FIG. Figure 6 shows a graph of modulation of the recognition threshold of a high-frequency voltage signal.
На фиг. 7 приведена блок-схема определения единичного искрового разряда после ВЧ-инициации.In FIG. 7 is a block diagram for determining a single spark discharge after RF initiation.
На фиг. 8 приведены осциллограммы скачка тока при пробое.In FIG. Figure 8 shows the waveforms of the current jump during breakdown.
На фиг. 9 приведен пример сигнала контура контроля мощности.In FIG. Figure 9 shows an example of a power control loop signal.
На фиг. 10 приведен пример сигнала датчика среднечастотного напряжения.In FIG. 10 is an example of a mid-frequency voltage sensor signal.
На фиг. 11 представлена условная схема регистрации возмущений датчиками устройства защиты от искрения.In FIG. 11 is a schematic diagram of registration of disturbances by sensors of a spark protection device.
На фиг. 12 приведена таблица полярностей среднечастотных сигналов тока и сигналов датчика среднечастотного напряжения при коммутациях нагрузок.In FIG. 12 is a table of polarities of the mid-frequency current signals and the signals of the mid-frequency voltage sensor during switching loads.
На фиг. 1 приведен вариант реализации устройства (1) защиты от искрения, или УЗИс (1), согласно настоящему изобретению и его включения в защищаемую цепь.In FIG. 1 shows an embodiment of a spark protection device (1), or an ultrasonic protection device (1), according to the present invention and its inclusion in a protected circuit.
УЗИс (1) включает блок (2) считывания напряжения, датчик (3) тока, блок (4) выделения высокочастотных сигналов тока, блок (5) выделения среднечастотных сигналов тока, микроконтроллер (6), блок (7) питания, а также орган (8) отключения.The ultrasonic scan device (1) includes a voltage sensing unit (2), a current sensor (3), a high-frequency current signal extraction unit (4), a mid-frequency current signal extraction unit (5), a microcontroller (6), a power supply unit (7), and an organ (8) shutdowns.
Указанные элементы УЗИс (1), за исключением органа (8) отключения, формируют блок обнаружения искрения.The indicated elements of the ultrasonic scanning device (1), with the exception of the shutdown organ (8), form a spark detection unit.
УЗИс (1) включается в линию между вводным щитом (9) или другим источником питания, или сетью, и электроустановками (10) защищаемой цепи.The ultrasonic protection device (1) is connected to the line between the input shield (9) or another power source, or network, and the electrical installations (10) of the protected circuit.
Блок (2) считывания напряжения включает в себя два датчика напряжения: 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, предпочтительно 20-30 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, предпочтительно от 5 до 50 кГц.The voltage sensing unit (2) includes two voltage sensors: 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, preferably 20-30 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, preferably from 5 to 50 kHz.
В общем случае датчик низкочастотного напряжения и датчик среднечастотного напряжения могут являться отдельными друг от друга устройствами. Количество датчиков низкочастотного напряжения и датчиков среднечастотного напряжения, а также количество блоков (2) считывания напряжения может варьироваться в зависимости от решаемой задачи и определяться, например, количеством защищаемых фаз и/или цепей.In general, the low-frequency voltage sensor and the mid-frequency voltage sensor may be separate devices. The number of low-frequency voltage sensors and mid-frequency voltage sensors, as well as the number of voltage reading units (2) can vary depending on the problem being solved and is determined, for example, by the number of protected phases and / or circuits.
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.The voltage sensing unit (2) can be of 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.
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, предпочтительно - от 0,3 до 15 кГц) и высокочастотные сигналы тока (измерение тока в области примерно от 1 до 10 МГц).The current sensor (3) is designed to receive current signals, from which further, by means of a unit (4) for extracting high-frequency current signals, a unit (5) for selecting mid-frequency current signals and a microcontroller (6), medium-frequency current signals are extracted and analyzed accordingly (current measurement in ranges from about 0.1 to 20 kHz, preferably from 0.3 to 15 kHz) and high-frequency current signals (current measurement in the range from about 1 to 10 MHz).
Может использоваться несколько датчиков (3) тока в зависимости от решаемой задачи. Например, могут использоваться два датчика (3) тока, один из которых работает совместно или объединен с блоком (4) выделения высокочастотных сигналов тока, а второй работает совместно или объединен с блоком (5) выделения среднечастотных сигналов тока.Several current sensors (3) can be used depending on the task being solved. For example, two current sensors (3) can be used, one of which works in conjunction with or combined with a unit (4) for extracting high-frequency current signals, and the second one works in conjunction with or is combined with a unit (5) for extracting mid-frequency current signals.
Датчик (3) тока может иметь любое известное исполнение и в простейшем случае представляет собой трансформатор тока.The current sensor (3) can be of any known design and, in the simplest case, is a current transformer.
Микроконтроллер (6) предназначен для обработки сигналов, поступающих от блока (2) считывания напряжения, датчика (3) тока, 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.The microcontroller (6) is designed to process signals from the voltage sensing unit (2), current sensor (3), high-frequency current signals block (4) and mid-frequency current signals block (5), to determine the occurrence of sparking in the protected line and generating a control signal for the shutdown organ (8).
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. 1), но и в пути N тока нейтрали.The shutdown body (8) upon receipt of a control signal from the microcontroller (6) breaks the power supply circuit of electrical installations (10), i.e. disconnects the protected circuit from the network. An open circuit depending on the design of the device can be made not only in the path L of the phase current (as an example shown in Fig. 1), but also in the path N of the neutral current.
Устройство (1) защиты от искрения работает следующим образом.The device (1) protection against sparking works as follows.
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 с параметрами, требующими по критериям ГОСТ IEC 62606-2016 или другого положения отключения электроустановок (10) от питающей линии, производится в два этапа, схематично представленных на блок-схеме на фиг. 2.The microcontroller (6) analyzes the signals coming from the voltage reading unit (2) and the signals coming from the current sensor (3) through the high-frequency current signal extracting unit (4) and the mid-frequency signal extracting unit (5). The decision on the presence of sparking in the protected circuit with parameters requiring, according to the criteria of GOST IEC 62606-2016 or another position for disconnecting electrical installations (10) from the supply line, is carried out in two stages, schematically shown in the block diagram in FIG. 2.
На первом этапе микроконтроллер (6) определяет наличие и производит оценку параметров единичного искрового разряда (ЕИР) в текущем полупериоде сетевого напряжения путем анализа и сопоставления следующих сигналов:At the first stage, the microcontroller (6) determines the presence and evaluates the parameters of a single spark discharge (EIR) in the current half-period of the mains voltage by analyzing and comparing the following signals:
1) сигнала от датчика низкочастотного напряжения (на фиг. 2 этот сигнал отмечен как НЧ-V) для определения текущего напряжения сети;1) a signal from a low-frequency voltage sensor (in Fig. 2 this signal is marked as LF-V) to determine the current network voltage;
2) сигнала от датчика (2) тока в области частот примерно от 1 до 10 МГц, т.е. в высокочастотной области (на фиг. 2 этот сигнал отмечен как ВЧ-I);2) the signal from the current sensor (2) in the frequency range from about 1 to 10 MHz, i.e. in the high-frequency region (in Fig. 2, this signal is marked as HF-I);
3) сигнала от датчика (2) тока в области частот примерно от 0,1 до 20 кГц, предпочтительно от 0,3 до 15 кГц, т.е. в среднечастотной области (на фиг. 2 этот сигнал отмечен как СЧ-I);3) a signal from a current sensor (2) in the frequency range from about 0.1 to 20 kHz, preferably from 0.3 to 15 kHz, i.e. in the mid-frequency region (in Fig. 2, this signal is marked as MF-I);
4) сигнала от датчика среднечастотного напряжения (на фиг. 2 этот сигнал отмечен как СЧ-V) на частоте примерно от 1 до 50 кГц, предпочтительно от 5 до 50 кГц.4) the signal from the mid-frequency voltage sensor (in Fig. 2 this signal is marked as MF-V) at a frequency of from about 1 to 50 kHz, preferably from 5 to 50 kHz.
После получения и анализа указанных сигналов микроконтроллер (6) определяет, есть ли единичный искровой разряд (ЕИР), и в случае положительного ответа далее, на втором этапе работы УЗИс, 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.After receiving and analyzing these signals, the microcontroller (6) determines whether there is a single spark discharge (SIR), and if the answer is positive, then, at the second stage of the operation of the ultrasonic scanning device, the sequence of confirmed SIRs is analyzed to determine the sparking. Upon confirmation of sparking, the microcontroller (6) generates a signal for the shutdown organ (8) to disconnect the protected circuit from the network.
Ниже каждый из этапов описан более подробно, начиная с первого этапа.Each of the steps is described in more detail below, starting from the first step.
По сигналу от датчика низкочастотного напряжения, т.е. сигналу НЧ-V, определяется фаза перехода сетевого напряжения через ноль.By the signal from the low-frequency voltage sensor, i.e. the LF-V signal, the phase of the transition of the mains voltage through zero is determined.
Затем определяются временные промежутки, в которых будут производиться последующие измерения. Эти временные промежутки соответствуют участку роста модуля сетевого напряжения, т.е. лежат в угловых секторах синусоиды напряжения 0-90° и 180-270° после перехода сетевого напряжения через ноль. На участках спада модуля сетевого напряжения повторяющийся пробой крайне маловероятен, и поэтому измерять случайные или регулярные помехи разного рода на этих участках нецелесообразно.Then determine the time intervals in which subsequent measurements will be made. These time intervals correspond to the growth section of the mains voltage module, i.e. lie in the angular sectors of the sinusoid voltage 0-90 ° and 180-270 ° after the transition of the mains voltage through zero. Repeated breakdown is extremely unlikely in the areas where the line voltage module falls off, and therefore it is not practical to measure random or regular interference of various kinds in these areas.
Далее сигнал тока от датчика (2) тока посредством блока (4) выделения высокочастотных сигналов подвергается частотной фильтрации, устраняющей частотные компоненты в диапазоне примерно до 1 МГц, формируя сигнал ВЧ-I, а затем - амплитудной дискриминации, например, с помощью компаратора (на фигурах не показан), который может входить в состав микроконтроллера (6) или быть выполнен в виде самостоятельного блока.Further, the current signal from the current sensor (2) by means of the high-frequency signal extraction unit (4) is subjected to frequency filtering, eliminating the frequency components in the range of up to about 1 MHz, forming an RF-I signal, and then amplitude discrimination, for example, using a comparator (on figures not shown), which may be part of the microcontroller (6) or be made in the form of an independent unit.
Целью такой частотной фильтрации является первичное отделение сигналов от искрения, обладающих большой интенсивностью высокочастотных компонент, от сигналов помех, создаваемых большинством электроприборов. Превышение сигналом тока, полученным после указанной частотной фильтрации, т.е. сигналом ВЧ-I, заранее установленного значения Io инициирует процедуру дальнейших измерений (в частности, измерений сигналов СЧ-I, СЧ-V, НЧ-V), которая в рамках настоящей заявки для удобства называется высокочастотной инициацией, или ВЧ-инициацией. При этом, как было сказано выше, ВЧ-инициация допускается только на участке роста модуля сетевого напряжения.The purpose of this frequency filtering is the primary separation of signals from sparking, which have a high intensity of high-frequency components, from interference signals generated by most electrical appliances. The excess of the current signal obtained after the specified frequency filtering, i.e. signal RF-I, a predetermined value of Io initiates the procedure for further measurements (in particular, measurements of signals MF-I, MF-V, LF-V), which in the framework of this application for convenience is called high-frequency initiation, or RF initiation. In this case, as was said above, RF initiation is allowed only in the growth section of the mains voltage module.
Схематично ВЧ-инициация представлена на блок-схеме на фиг. 3.Schematically, RF initiation is shown in the block diagram of FIG. 3.
Порог амплитудной дискриминации высокочастотных сигналов, определяемый указанным заранее установленным значением Io, задается исходя из компромисса между обнаружением сигналов от искрения и устойчивостью УЗИс (1) к сигналам помех от штатно работающих электроустановок (10). Однако амплитуды сигналов от искрения и сигналов помех зависят от текущего значения напряжения и, таким образом, от фазы текущего значения напряжения относительно перехода сетевого напряжения через ноль. Амплитуда сигналов тока от искрения в высокочастотной и среднечастотной областях при прочих равных условиях прямо пропорциональна напряжению, при котором в данном полупериоде сети происходит дуговой пробой.The amplitude discrimination threshold of high-frequency signals, determined by the specified pre-set value of Io, is set based on a compromise between the detection of signals from sparking and the resistance of ultrasonic scanning devices (1) to interference signals from normally operating electrical installations (10). However, the amplitudes of the signals from sparking and interference signals depend on the current voltage value and, thus, on the phase of the current voltage value relative to the transition of the mains voltage through zero. The amplitude of the current signals from sparking in the high-frequency and mid-frequency regions, ceteris paribus, is directly proportional to the voltage at which an arc breakdown occurs in a given half-period of the network.
Для примера на фиг. 4 приведена типичная гистограмма распределения значений напряжения дугового пробоя с действующим значением тока дуги около 7 А при использовании в качестве искрового промежутка тестового генератора дуги, выполненного по п. 9.9.2.7 стандарта IEC 62606:2013. Здесь по оси абсцисс отложены диапазоны напряжения в вольтах, а по оси ординат - число отсчетов. Из фиг. 2 видно, что примерно половина пробоев происходит при напряжениях меньше 100 В, причем поведение этого распределения зависит от труднопредсказуемых факторов. Низковольтные пробои могут составить сильно преобладающую долю, имея в то же время малую амплитуду сигналов, затрудняющую их распознавание. В то же время, в области значений напряжения менее 100 В резко падает и уровень большинства помех. Для примера, на фиг. 5 показано фазирование помех на выходе датчика (3) тока от ряда типовых источников относительно напряжения сети, в частности от блока питания на холостом ходу (фиг. 5а) и под нагрузкой (фиг. 5b), а также от светодиодной лампы (фиг. 5с).For the example of FIG. Figure 4 shows a typical histogram of the distribution of the values of the arc breakdown voltage with an effective value of the arc current of about 7 A when using a test generator of the arc as a spark gap, performed according to clause 9.9.2.7 of IEC 62606: 2013. Here, the abscissa axis represents voltage ranges in volts, and the ordinate axis represents the number of samples. From FIG. Figure 2 shows that about half of the breakdowns occurs at voltages less than 100 V, and the behavior of this distribution depends on hard-to-predict factors. Low-voltage breakdowns can make up a very predominant fraction, while at the same time having a small amplitude of the signals, which makes their recognition difficult. At the same time, in the range of voltage values less than 100 V, the level of most interference also drops sharply. For example, in FIG. Figure 5 shows the phasing of interference at the output of the current sensor (3) from a number of typical sources relative to the mains voltage, in particular from the power supply unit idling (Fig. 5a) and under load (Fig. 5b), as well as from the LED lamp (Fig. 5c) )
По этой причине для оптимизации соотношения сигналов от искрения с сигналами помех в каждом полупериоде сети целесообразно проводить модуляцию уровня дискриминации высокочастотного сигнала тока (т.е. порога ВЧ-инициации) с обеспечением его пропорциональности сетевому напряжению в области значений сетевого напряжения от 30 В и выше. При меньших значениях сетевого напряжения этот уровень сохраняется постоянным во избежание чрезмерного роста чувствительности УЗИс (1) к помехам. Характер модуляции в положительном полупериоде сети иллюстрируется фиг. 6, на которой представлена кривая вводимой модуляции порога Uпор распознавания высокочастотного сигнала тока (ВЧ-I). Данная модуляция может осуществляться, например, синхронной с сетевым напряжением модуляцией потенциала опорного напряжения компаратора, дискриминирующего высокочастотный сигнал на выходе блока (4) выделения высокочастотных сигналов, пропорциональный импульсу тока датчика (3) тока.For this reason, in order to optimize the ratio of sparking signals to interference signals in each half-period of the network, it is advisable to modulate the discrimination level of the high-frequency current signal (i.e., the RF initiation threshold) to ensure its proportionality to the mains voltage in the range of mains voltages from 30 V and higher . At lower values of the mains voltage, this level is kept constant in order to avoid an excessive increase in the sensitivity of the ultrasonic protection device (1) to interference. The modulation pattern in the positive half-cycle of the network is illustrated in FIG. 6, which shows the curve of the introduced modulation of the threshold U threshold for the recognition of a high-frequency current signal (HF-I). This modulation can be performed, for example, by modulating the potential of the reference voltage of a comparator synchronized with the mains voltage, which discriminates the high-frequency signal at the output of the high-frequency signal extraction unit (4), proportional to the current pulse of the current sensor (3).
Итак, ВЧ-инициация инициирует измерение сигналов СЧ-I, СЧ-V, НЧ-V для определения и подтверждения наличия ЕИР, что схематично показано на блок-схеме на фиг. 7.So, the HF initiation initiates the measurement of the MF-I, MF-V, and LF-V signals to determine and confirm the presence of an EIR, which is shown schematically in the block diagram in FIG. 7.
Целью проводимой после ВЧ-инициации обработки сигналов датчика (3) тока в среднечастотной области (сигнал СЧ-I на фиг. 7) и сигналов датчика низкочастотного напряжения (сигнал НЧ-V на фиг. 7) является оценка значения тока дуги, определяемого проводимостью искрящего участка защищаемой цепи. Амплитуда высокочастотных сигналов тока ВЧ-I не позволяет достоверно определить ток дуги, поскольку она очень сильно зависит от априори неизвестной конфигурации цепи. В то же время, например, стандарт МЭК 62606:2013 четко определяет нижний предел чувствительности УЗДП к току искрения, а именно 2,5 А для напряжения сети 230 В, поскольку проведенные исследования показывают малую вероятность возгорания при меньших значениях тока искрения. Однако реакция на слаботочные возмущения, производимые рядом электроустановок (10), привела бы к неоправданным срабатываниям УЗИс (1), и поэтому в алгоритм распознавания искрения вводится дискриминация по проводимости замыкаемого в данный момент на сеть участка цепи.The goal of the processing of the signals of the current sensor (3) in the mid-frequency region (the MF-I signal in Fig. 7) and the signals of the low-frequency voltage sensor (LF-V signal in Fig. 7), carried out after the RF initiation, is to evaluate the value of the arc current determined by the spark conductivity section of the protected circuit. The amplitude of the high-frequency signals of the RF-I current does not allow to reliably determine the arc current, since it very much depends on an a priori unknown circuit configuration. At the same time, for example, the standard IEC 62606: 2013 clearly defines the lower limit of sensitivity of the ultrasonic protection device to the spark current, namely 2.5 A for a mains voltage of 230 V, since the studies show a small probability of fire at lower values of the spark current. However, the reaction to low-current perturbations produced by a number of electrical installations (10) would lead to unjustified trips of the ultrasonic detectors (1), and therefore, discrimination in the spark recognition algorithm introduces discrimination in the conductivity of the circuit section that is currently being closed onto the network.
Данная задача решается следующим образом. Параллельно с обработкой информации от датчика (3) тока в высокочастотной области УЗИс (1) выполняет обработку сигналов тока на существенно более низких частотах посредством контура, реализованного с использованием блока (5) выделения среднечастотных сигналов тока. Указанный контур далее для удобства называется контуром контроля мощности (ККМ), а выходной сигнал ККМ - сигналом ККМ. Использование ККМ в УЗИс (1) обусловлено тем, что по истечении времени переходных процессов, определяемых реактивными параметрами цепи, скачок среднечастотного сигнала тока СЧ-I относительно его величины перед происшедшим явлением стабилизируется по уровню и равняется частному от деления текущего напряжения сети на активное сопротивление искрящего участка. На фиг. 8 показаны примеры осциллограммы тока при пробое при одном и том же текущем напряжении сети на нагрузку с различным сопротивлением в цепи с реактивными составляющими импеданса 540 Ом (фиг. 8а), 147 Ом (фиг. 8b) и 104 Ом (фиг. 8с), где верхняя кривая показывает скачок среднечастотного сигнала тока СЧ-I, а нижняя кривая - сигнал ВЧ-инициации. При этом четко проявляется прямая пропорциональность скачка среднечастотного сигнала тока (на его стабилизированном участке) проводимости искрящего участка цепи.This problem is solved as follows. In parallel with the processing of information from the current sensor (3) in the high-frequency region, the ultrasonic wave detector (1) performs the processing of current signals at substantially lower frequencies by means of a circuit implemented using a block (5) for extracting mid-frequency current signals. The indicated circuit is hereinafter referred to as a power control circuit (KKM) for convenience, and the output of the KKM is called the KKM signal. The use of KKM in ultrasonic scanning devices (1) is due to the fact that after the time of transients determined by the reactive parameters of the circuit, the jump in the mid-frequency signal of the SCh-I current relative to its magnitude before the occurring phenomenon stabilizes in level and equals the quotient of dividing the current network voltage by the sparking active resistance plot. In FIG. Figure 8 shows examples of a current waveform during breakdown at the same current mains voltage to a load with different resistance in a circuit with reactive impedance components of 540 Ohms (Fig. 8a), 147 Ohms (Fig. 8b) and 104 Ohms (Fig. 8c), where the upper curve shows the jump in the mid-frequency signal of the midrange-I current, and the lower curve shows the RF initiation signal. In this case, the direct proportionality of the jump in the mid-frequency current signal (in its stabilized section) of the conductivity of the sparking section of the circuit is clearly manifested.
Отсюда вытекает возможность определить проводимость искрящего участка делением величины скачка среднечастотного сигнала тока СЧ-I на текущее значение напряжения сети НЧ-V, которое с достаточно большой частотой, в частности, 10-40 кГц, более предпочтительно 20-30 кГц, непрерывно считывается микроконтроллером (6) с блока (2) считывания напряжения. Для выбора области частот анализа сигналов ККМ, временного интервала и алгоритма этого анализа должны быть учтены следующие требования:This implies the ability to determine the conductivity of the sparking section by dividing the jump value of the mid-frequency signal of the midrange-I current by the current value of the LF-V network voltage, which with a sufficiently high frequency, in particular 10-40 kHz, more preferably 20-30 kHz, is continuously read by the microcontroller ( 6) from the voltage sensing unit (2). To select the frequency range of the analysis of KKM signals, the time interval and the algorithm of this analysis, the following requirements must be taken into account:
1) сигналы ККМ формируются в блоке (5) выделения среднечастотных сигналов тока частотной фильтрацией сигнала от того же датчика (3) тока, с которого поступают высокочастотные сигналы тока, или от дополнительного датчика тока любого рода;1) CCM signals are generated in the block (5) for extracting the mid-frequency current signals by frequency filtering the signal from the same current sensor (3) from which high-frequency current signals are received, or from an additional current sensor of any kind;
2) процесс анализа сигналов ККМ вызывается только ВЧ-инициацией;2) the process of analysis of KKM signals is called only by RF initiation;
3) область частот анализа сигналов ККМ должна быть достаточно низкой (соответственно, время анализа должно быть достаточно большим), чтобы амплитуда сигналов ККМ не зависела от реактивных составляющих защищаемой цепи и определялась только активной составляющей импеданса искрящего участка;3) the frequency range of the analysis of KKM signals should be low enough (respectively, the analysis time should be large enough) so that the amplitude of the KKM signals does not depend on the reactive components of the protected circuit and is determined only by the active component of the impedance of the sparking section;
4) время анализа должно быть достаточно малым по сравнению с полупериодом сетевого напряжения (соответственно, полоса частот анализа должна быть достаточно большой), чтобы анализ сигнала ККМ после возможных слаботочных высокочастотных импульсов не занимал много времени, поскольку в противном случае может блокироваться реакция УЗИс (1) на другие события в данном полупериоде.4) the analysis time should be sufficiently small compared to the half-period of the mains voltage (accordingly, the analysis frequency band should be large enough) so that the analysis of the KKM signal after possible low-current high-frequency pulses does not take much time, since otherwise the ultrasound reaction can be blocked (1 ) to other events in this half-period.
Противоречивость указанных выше требования 4 к времени анализа и требования 3 к области частот анализа сигналов ККМ привела к необходимости проведения дополнительных экспериментальных исследований. В результате была определена оптимальная полоса частот сигналов ККМ: она лежит в области примерно от 0,1 до 20 кГц, наиболее предпочтительно от 0,3 до 15 кГц, а временной интервал анализа отклика на единичное высокочастотное возмущение составляет от 5 до 50-100 мкс после возмущения.The inconsistency of the
Цепью формирования сигнала ККМ может служить, например, колебательный контур в блоке (5) выделения среднечастотных сигналов тока. Альтернативно, вся необходимая частотная фильтрация может выполняться микроконтроллером (6). Возможны и другие варианты реализации ККМ.The KKM signal generating circuit can be, for example, an oscillatory circuit in the block (5) for extracting mid-frequency current signals. Alternatively, all necessary frequency filtering may be performed by a microcontroller (6). Other options for the implementation of KKM are possible.
Для примера рассмотрим случай, когда цепью формирования сигнала ККМ служит указанный выше колебательный контур с резонансной частотой 10 кГц и добротностью несколько менее 0,5. Сигнал ККМ на конденсаторе такого контура имеет вид, показанный на фиг. 9, а количественной характеристикой скачка тока, практически нечувствительной к величине и расположению реактивных элементов защищаемой цепи, является среднее от этого импульса на интервале от 5 до примерно 70 мкс от ВЧ-инициации.As an example, we consider the case when the KKM signal formation circuit is the aforementioned oscillatory circuit with a resonant frequency of 10 kHz and a Q factor of slightly less than 0.5. The KKM signal on the capacitor of such a circuit has the form shown in FIG. 9, and the quantitative characteristic of the current jump, which is practically insensitive to the magnitude and location of the reactive elements of the protected circuit, is the average of this pulse in the interval from 5 to about 70 μs from the RF initiation.
Деление величины вычисленного по сигналу ККМ скачка тока на текущее значение сетевого напряжения на момент высокочастотного возмущения позволяет определить значение активной составляющей проводимости участка возможного искрения. По полученной величине проводимости определяют ток потребления участка возможного искрения, и определенный таким образом ток потребления сравнивают с пороговым значением Iпор, установленным с некоторым запасом ниже технических требований к УЗИс (1) (для стандарта IEC 62606:2013 это значение составляет 2,5A при напряжении сети 230B). При величине скачка тока дуги Iдуги, соответствующего пробою на сопротивление, превышающее пороговое значение Iпор, т.е. при условии Iдуги<Iпор, событие игнорируется, и микроконтроллер (6) возвращается в состояние готовности к анализу следующих событий в данном полупериоде сети (см. фиг. 7).Dividing the value of the current jump calculated by the KKM signal by the current value of the mains voltage at the time of the high-frequency disturbance allows us to determine the value of the active component of the conductivity of the possible sparking section. Using the obtained value of conductivity, the current consumption of the possible sparking section is determined, and the consumption current determined in this way is compared with a threshold value Ipor set with a certain margin below the technical requirements for SPDs (1) (for IEC 62606: 2013, this value is 2.5A at voltage network 230B). When the magnitude of the arc current jump I arc, corresponding to a breakdown in resistance exceeding the threshold value I pore, i.e. provided that Iarc <Ipoor, the event is ignored, and the microcontroller (6) returns to the state of readiness for analysis of the following events in a given half-period of the network (see Fig. 7).
После ВЧ-инициации и одновременно с описанным выше анализом сигнала ККМ проводится обработка сигналов СЧ-V датчика среднечастотного напряжения (см. фиг. 7). При формировании сигнала импульса напряжения, например, двукратным дифференцированием сетевого напряжения на клеммах УЗИс (1) с постоянной времени обоих дифференцирующих звеньев порядка 40 мкс, сигнал импульса напряжения при любой конфигурации цепи имеет четко выраженную полярность в интервале времени от 5 до 15 мкс от момента ВЧ-инициации. Для примера, на фиг. 10а и 10b показаны сигналы СЧ-V датчика среднечастотного напряжения при одинаковых скачках тока в двух различных точках протяженной и разветвленной сети. Как видно, указанные сигналы имеют одинаковую полярность, однозначно определяемую в указанном интервале времени.After RF initiation and simultaneously with the above-described analysis of the KKM signal, the processing of the MF-V signals of the mid-frequency voltage sensor is carried out (see Fig. 7). When generating a voltage pulse signal, for example, by doubly differentiating the mains voltage at the USIs terminals (1) with a time constant of both differentiating links of the order of 40 μs, the voltage pulse signal with any circuit configuration has a clearly defined polarity in the time interval from 5 to 15 μs from the RF moment -initiation. For example, in FIG. 10a and 10b show the MF-V signals of the mid-frequency voltage sensor at the same current jumps at two different points of an extended and branched network. As can be seen, these signals have the same polarity, uniquely determined in the specified time interval.
Целью обработки сигнала СЧ-V датчика среднечастотного напряжения является определение его полярности для подтверждения дислокации источника искрения и знака возмущения внутри защищаемой цепи. Это необходимо во избежание влияния процессов, происходящих в цепях других фаз или той же фазы вне защищаемой цепи. Интенсивность наводки высокочастотных сигналов извне бывает достаточно высока, чтобы вызвать ВЧ-инициацию, что особенно опасно вблизи перехода фазы защищаемой цепи через ноль, поскольку порог ВЧ-инициации в это время низок, а коэффициент пересчета сигнала ККМ в проводимость участка дуги велик, в то время как процессы в цепях смежных фаз в этот момент могут протекать при максимальных значениях напряжения и по этой же причине иметь большую интенсивность.The purpose of signal processing the midrange-V mid-frequency voltage sensor is to determine its polarity to confirm the dislocation of the spark source and the perturbation sign inside the protected circuit. This is necessary to avoid the influence of processes occurring in chains of other phases or of the same phase outside the protected circuit. The frequency of high-frequency signals from the outside is high enough to cause RF initiation, which is especially dangerous near the phase transition of the protected circuit through zero, since the threshold of RF initiation at this time is low, and the coefficient of conversion of the KKM signal to the conductivity of the arc section is large, while how processes in chains of adjacent phases at this moment can proceed at maximum voltage values and for the same reason have a higher intensity.
Решить эту проблему позволяет сопоставление полярностей сигналов ККМ, т.е. среднечастотных сигналов тока СЧ-I, и сигналов СЧ-V датчика среднечастотного напряжения.This problem can be solved by comparing the polarities of the CMC signals, i.e. mid-frequency signals of the mid-frequency current, and mid-frequency signals of the mid-frequency voltage sensor.
Рассмотрим диаграмму полярностей среднечастотных сигналов тока СЧ-I и сигналов СЧ-V датчика среднечастотного напряжения при замыкании и размыкании нагрузок в защищаемой цепи и смежных цепях. Условная схема регистрации возмущений может быть схематически представлена в виде, приведенном на фиг. 11. Здесь V и i - соответственно датчики напряжения и тока УЗИс; Z - коммутируемая нагрузка в защищаемой цепи; Z1 - нагрузка в смежной цепи, подключенной к той же фазе L1, что и защищаемая цепь; Z2 - нагрузка в другой фазе L2, имеющей в момент возмущения одинаковую полярность с фазой L1; Z3 - нагрузка в третьей фазе L3, имеющей в момент возмущения полярность, противоположную полярности фазы L1; ZN - импеданс нейтрали N. Среднечастотные компоненты коммутационных процессов, включая дуговые пробои, влияют на датчики напряжения V и тока i кондуктивным путем вследствие ненулевого импеданса ZN цепи между локальной точкой соединения проводов нейтрали нагрузок N и точкой исходной генерации напряжения нейтрали N0. Коммутация нагрузок Z1, Z2, Z3 создает скачок потенциала в точке N относительно N0 и, таким образом, относительно потенциалов фаз, вызывая скачки напряжения и тока соответственно в датчиках напряжения V и тока i.Consider the polarities diagram of the mid-frequency current signals MF-I and MF-V signals of the mid-frequency voltage sensor when the loads are closed and opened in the protected circuit and adjacent circuits. The conditional scheme for recording disturbances can be schematically represented in the form shown in FIG. 11. Here V and i are, respectively, the voltage and current sensors of the ultrasonic testing device; Z - switched load in the protected circuit; Z1 - load in an adjacent circuit connected to the same phase L1 as the protected circuit; Z2 - load in another phase L2, which at the time of disturbance has the same polarity with phase L1; Z3 is the load in the third phase L3, which at the time of perturbation has a polarity opposite to the polarity of phase L1; Z N is the neutral impedance of N. The mid-frequency components of the switching processes, including arc breakdowns, influence the voltage and current sensors i in the conducted way due to the non-zero impedance Z N of the circuit between the local point of connection of the neutral wires of loads N and the point of initial generation of neutral voltage N 0 . Switching the loads Z1, Z2, Z3 creates a potential jump at point N relative to N 0 and, thus, relative to the phase potentials, causing voltage and current surges in the voltage sensors V and current i, respectively.
В соответствии со схемой согласно фиг. 11, на фиг. 12 представлена таблица полярностей импульсов среднечастотных сигналов тока СЧ-I (или сигналов ККМ) и сигналов СЧ-V датчика среднечастотного напряжения при замыкании и размыкании нагрузок в защищаемой и смежных цепях в положительном полупериоде сети. Полярность сигнала импульсов среднечастотных сигналов тока для определенности принята положительной при росте тока в защищаемой цепи; в отрицательном полупериоде все полярности просто поменяют знак.In accordance with the circuit of FIG. 11, in FIG. 12 is a table of the polarity pulses of the mid-frequency current signals MF-I (or KKM signals) and the MF-V signals of the mid-frequency voltage sensor when the loads are closed and opened in the protected and adjacent circuits in the positive half-period of the network. The polarity of the pulse signal of the mid-frequency current signals for definiteness is assumed to be positive with increasing current in the protected circuit; in the negative half-cycle, all polarities will simply change sign.
Как видно из фиг. 12, замыканию нагрузки Z, происходящему, в частности, при дуговом пробое в защищаемой цепи, соответствует сочетание полярностей среднечастотных сигналов тока и сигналов датчика среднечастотного напряжения, не повторяющееся ни при каких других коммутациях. Поэтому после ВЧ-инициации одновременно с анализом отклика ККМ сигнал датчика среднечастотного напряжения направляется на подтверждение его наличия и его полярности. В простейшем варианте это может быть осуществлено отдельным компаратором или, альтернативно, микроконтроллером (6). При отсутствии этого подтверждения в ближайшие 5-15 мкс анализ сигнала ККМ прекращается, и микроконтроллер (6) возвращается в состояние готовности к анализу следующих событий.As can be seen from FIG. 12, the load closure Z, which occurs, in particular, during an arcing breakdown in the protected circuit, corresponds to a combination of the polarities of the mid-frequency current signals and the signals of the mid-frequency voltage sensor, which is not repeated at any other switching conditions. Therefore, after RF initiation, simultaneously with the analysis of the KKM response, the signal of the mid-frequency voltage sensor is sent to confirm its presence and its polarity. In the simplest version, this can be done by a separate comparator or, alternatively, by a microcontroller (6). In the absence of this confirmation, in the next 5-15 μs, the analysis of the CMC signal stops, and the microcontroller (6) returns to the state of readiness for analysis of the following events.
При соблюдении всех вышеизложенных критериев наличие единичного искрового разряда (ЕИР) в защищаемой цепи в данном полупериоде считается подтвержденным (см. фиг. 7), и УЗИс (1) переходит ко второму этапу анализа.If all the above criteria are met, the presence of a single spark discharge (EIR) in the protected circuit in this half-period is considered confirmed (see Fig. 7), and the ultrasonic scanning device (1) proceeds to the second stage of analysis.
На втором этапе осуществляется переход от идентификации ЕИР к идентификации собственно искрения. Этот этап может быть реализован различными способами, например, известными из перечисленных выше патентных документов. Ниже приводится еще один вариант определения события искрения по подтвержденным ЕИР, который, наряду с известными, может быть использован при реализации настоящего изобретения.At the second stage, a transition is made from identifying the EIR to identifying the actual sparking. This step can be implemented in various ways, for example, known from the above patent documents. The following is another option for determining the sparking event from confirmed EIR, which, along with the well-known, can be used in the implementation of the present invention.
При зачете микроконтроллером (6) единичного искрового разряда в данном полупериоде, в цифровой накопитель, являющийся, например, составной частью микроконтроллера (6), вкладывается определенное количество баллов. При наличии в цифровом накопителе ненулевой суммы баллов из нее каждый полупериод вычитается заранее установленная сумма баллов. Величины вкладов и вычетов баллов подбираются так, чтобы при достаточной частоте следования полупериодов с ЕИР общая сумма баллов достигла установленного предела, при котором микроконтроллер (6) дает органу (8) отключения команду на отключение защищаемой цепи. Здесь под достаточной частотой следования полупериодов с ЕИР подразумеваются частота в сочетании с количеством искровых замыканий нагрузки в защищаемой цепи, которые крайне маловероятны в режимах реальной эксплуатации не искрящей цепи. При этом сумма вклада в цифровой накопитель может быть сделана зависящей от вычисленного в данном полупериоде сети значения тока искрения, например, возрастая с его увеличением, для сокращения времени срабатывания устройства при больших токах искрения.When a microcontroller (6) sets off a single spark discharge in a given half-period, a certain number of points are invested in a digital storage device, which, for example, is an integral part of the microcontroller (6). If there is a non-zero amount of points in the digital storage device, a predetermined amount of points is subtracted from it every half period. The values of contributions and deductions of points are selected so that, with a sufficient frequency of following half-periods with the EIR, the total amount of points reaches the established limit at which the microcontroller (6) gives the shutdown body (8) a command to disconnect the protected circuit. Here, by the sufficient repetition rate of half-cycles with the EIR, the frequency is meant in combination with the number of spark load closures in the protected circuit, which are extremely unlikely in the modes of real operation of the non-sparking circuit. In this case, the amount of contribution to the digital storage device can be made dependent on the value of the spark current calculated in a given half-cycle of the network, for example, increasing with its increase to reduce the response time of the device at high spark currents.
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.Upon confirmation of the sparking event, the microcontroller (6) generates a control signal for the shutdown organ (8), and the shutdown organ (8) disconnects the protected electrical circuit (10) from the network.
Таким образом, настоящее изобретение позволяет намного более точно и однозначно фиксировать событие искрения в защищаемой цепи, существенно снижая количество ложных срабатываний. Как следствие, расширяется зона контроля за возможным искрением в защищаемой сети, увеличивается число подключенных к защищаемой цепи электроприборов, а также повышается протяженность и разветвленность защищаемой цепи.Thus, the present invention allows a much more accurate and unambiguous fixation of the sparking event in the protected circuit, significantly reducing the number of false positives. As a result, the control zone for possible sparking in the protected network is expanded, the number of electrical appliances connected to the protected circuit is increased, and the length and branching of the protected circuit are increased.
Claims (34)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017135565A RU2660285C1 (en) | 2017-10-05 | 2017-10-05 | Device for protection against sparkage and the method of its work |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017135565A RU2660285C1 (en) | 2017-10-05 | 2017-10-05 | Device for protection against sparkage and the method of its work |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2660285C1 true RU2660285C1 (en) | 2018-07-05 |
Family
ID=62815380
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017135565A RU2660285C1 (en) | 2017-10-05 | 2017-10-05 | Device for protection against sparkage and the method of its work |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2660285C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU199233U1 (en) * | 2020-04-17 | 2020-08-24 | Общество с ограниченной ответственностью "Эколайт" (ООО "Эколайт") | ARC BREAKDOWN PROTECTION DEVICE |
| WO2021211019A1 (en) * | 2020-04-17 | 2021-10-21 | Общество с ограниченной ответственностью "Эколайт" (ООО "Эколайт") | Arc-fault protection device |
| RU2819085C2 (en) * | 2019-12-16 | 2024-05-13 | Шнейдер Электрик Эндюстри Сас | Arc fault detection devices and associated arc fault protection units |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU920934A1 (en) * | 1979-10-15 | 1982-04-15 | Ростовский институт инженеров железнодорожного транспорта | Device for monitoring and protecting electric dc circuits of passanger's cars from arc and spark damages |
| SU1096376A1 (en) * | 1981-10-28 | 1984-06-07 | Научно-производственное объединение по созданию и выпуску средств автоматизации горных машин "Автоматгормаш" | Method of ensuring spark-proof operation of a.c. power supply circuits |
| US5280404A (en) * | 1992-05-15 | 1994-01-18 | Bio-Rad Laboratories, Inc. | Arc detection system |
| RU2528137C2 (en) * | 2012-08-17 | 2014-09-10 | Общество с ограниченной отетственностью "ЭКОЛАЙТ" | Method for automated warning of fire caused by arcing in power grids or electrical installations and apparatus therefor |
| US20160187409A1 (en) * | 2014-12-29 | 2016-06-30 | Eaton Corporation | Arc fault detection system and method and circuit interrupter employing same |
-
2017
- 2017-10-05 RU RU2017135565A patent/RU2660285C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU920934A1 (en) * | 1979-10-15 | 1982-04-15 | Ростовский институт инженеров железнодорожного транспорта | Device for monitoring and protecting electric dc circuits of passanger's cars from arc and spark damages |
| SU1096376A1 (en) * | 1981-10-28 | 1984-06-07 | Научно-производственное объединение по созданию и выпуску средств автоматизации горных машин "Автоматгормаш" | Method of ensuring spark-proof operation of a.c. power supply circuits |
| US5280404A (en) * | 1992-05-15 | 1994-01-18 | Bio-Rad Laboratories, Inc. | Arc detection system |
| RU2528137C2 (en) * | 2012-08-17 | 2014-09-10 | Общество с ограниченной отетственностью "ЭКОЛАЙТ" | Method for automated warning of fire caused by arcing in power grids or electrical installations and apparatus therefor |
| US20160187409A1 (en) * | 2014-12-29 | 2016-06-30 | Eaton Corporation | Arc fault detection system and method and circuit interrupter employing same |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2819085C2 (en) * | 2019-12-16 | 2024-05-13 | Шнейдер Электрик Эндюстри Сас | Arc fault detection devices and associated arc fault protection units |
| RU199233U1 (en) * | 2020-04-17 | 2020-08-24 | Общество с ограниченной ответственностью "Эколайт" (ООО "Эколайт") | ARC BREAKDOWN PROTECTION DEVICE |
| WO2021211019A1 (en) * | 2020-04-17 | 2021-10-21 | Общество с ограниченной ответственностью "Эколайт" (ООО "Эколайт") | Arc-fault protection device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9535104B2 (en) | Method and system for detecting an arc fault in a power circuit using frequency response | |
| US9025287B2 (en) | Arc fault detection equipment and method using low frequency harmonic current analysis | |
| AU2011264414B2 (en) | Method for detection of leakage or fault currents from equipment in an electrical power system | |
| US20190079132A1 (en) | Method and Apparatus for Arc Fault Detection in Electrical Systems | |
| KR101307016B1 (en) | Methods of detecting arc faults characterized by consecutive periods of arcing | |
| JP2014531022A (en) | Method and apparatus for detecting arcs in DC circuits | |
| KR100216639B1 (en) | Ground fault detecting apparatus and method | |
| Styvaktakis | Automating power quality analysis | |
| WO2013038210A1 (en) | Apparatus and method for remote monitoring of partial discharge in electrical apparatus | |
| RU2660285C1 (en) | Device for protection against sparkage and the method of its work | |
| RU2550140C1 (en) | Earth fault protection | |
| CN102539997A (en) | Method and device for detecting arc faults in an alternating current network | |
| KR102368180B1 (en) | Arc detection method and apparatus using variation of magnitude by frequency | |
| US11942774B2 (en) | Arc fault detector | |
| AU2016201446A1 (en) | Method and apparatus for recognizing an electric arc | |
| WO2019070147A1 (en) | Arc protection device and operating method thereof | |
| RU2097893C1 (en) | Single-phase selective ground fault protective gear for ac power mains and its operation | |
| CN112067955A (en) | Three-phase synchronous partial discharge detection method | |
| KR20220006917A (en) | Elcb(earth leakage circuit breaker) and control method for the elcb | |
| Naseri et al. | An effective arc fault detection approach for smart grid solar farms using Rogowski coil sensor | |
| RU199233U1 (en) | ARC BREAKDOWN PROTECTION DEVICE | |
| US11784503B2 (en) | Passive arc detection and mitigation in wireless power transfer system | |
| US20220011365A1 (en) | Method and arrangement for performing a shutdown test on an inverter | |
| WO2021211019A1 (en) | Arc-fault protection device | |
| JP2020101489A (en) | Partial discharge detector and partial discharge detection method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QZ41 | Official registration of changes to a registered agreement (patent) |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20180222 Effective date: 20181012 |