Дуговая защита вакуумного выключателя

• 1 Последствия дуговых замыканий
• 2 Дуговая защита шин
• 3 ЗДЗ клапанного типа
• 4 ЗДЗ с мембранным выключателем
• 5 ЗДЗ фототиристорного типа
• 6 ЗДЗ волоконно-оптического типа
  • 6.1 Построение оптико-электрических дуговых защит
  • 6.2 Построение оптико — электрических дуговых защит (ОЭДЗ)
• 7 Распределённо-независимая ЗДЗ
• 8 Требования нормативных документов
• 9 См. также
• 10 Ссылки

Значительную опасность для комплектных распределительных устройств (КРУ) напряжением 6-10 кВ представляют внутренние короткие замыкания (КЗ), сопровождаемые электрической дугой (ЭД). Температура электрической дуги может достигать значений порядка 7000 … 12000 °C за время менее одного периода промышленной частоты.

Электрическая дуга воздействует на элементы конструкции КРУ, вызывая повреждения различной степени тяжести, а в случае отсутствия адекватных и своевременных мер по её ликвидации неминуемо приводит к их разрушению. Опыты, проведенные в научно-исследовательском центре испытаний высоковольтной аппаратуры (НИЦ ВВА), показывают, что открытая электрическая дуга в изолированных отсеках КРУ приводит к повреждению изоляции (как правило, это проходные изоляторы). Степень ущерба зависит от типа изоляционного материала, величины тока КЗ и времени его протекания.

Процессы при замыкании

Зависят от образующейся величины электротока и времени его действия. Большие значения токов характеризуются сильным перегревом. Степень урона зависит также от состояния самого оборудования: качества изоляции, коэффициента изношенности.

• Перенапряжение вызывает короткие замыкания.
• Дуга сокращает срок службы ОПН, т.к. защита срабатывает на протяжении всего времени существования дуги, оборудование подвергается перегреву.
• Внутренние КЗ КРУ 6-10 кВ, образованные электрической дугой, представляют большую опасность, вызывая нагрев оборудования до значений в 1200 градусов.
• Процесс характеризуется постоянным присутствием импульсных перенапряжений. Поэтому практически всегда сопровождается выгоранием кабельных линий и расплавлением металлических элементов электрооборудования.
• При отсутствии современных устройств защиты в камерах КРУ последствия дуги могут быть высокой степени тяжести: от повреждения изоляции до полного разрушения электрооборудования.

• 1 Последствия дуговых замыканий
• 2 Дуговая защита шин
  • 2.1 Построение оптико-электрических дуговых защит
  • 2.2 Построение оптико – электрических дуговых защит (ОЭДЗ)
• 3 Требования нормативных документов
• 4 См. также
• 5 Ссылки

Последствия дуговых замыканий [ править ]

Значительную опасность для комплектных распределительных устройств (КРУ) напряжением 6–10 кВ представляют внутренние короткие замыкания (КЗ), сопровождаемые электрической дугой (ЭД). Температура электрической дуги может достигать значений порядка 7 000 … 12 000°C за время менее одного периода промышленной частоты.

Электрическая дуга воздействует на элементы конструкции КРУ, вызывая повреждения различной степени тяжести, а в случае отсутствия адекватных и своевременных мер по ее ликвидации неминуемо приводит к их разрушению. Опыты, проведенные в научно-исследовательском центре испытаний высоковольтной аппаратуры (НИЦ ВВА), показывают, что открытая электрическая дуга в изолированных отсеках КРУ приводит к повреждению изоляции (как правило, это проходные изоляторы). Степень ущерба зависит от типа изоляционного материала, величины тока КЗ и времени его протекания.

Дуговая защита шин [ править ]

Дуговая защита шин (ДуЗШ) или защита от дуговых замыканий (ЗДЗ) применяется для защиты сборных шин и элементов ошиновки распределительных устройств 6-10 кВ, размещенных в закрытых отсеках (КРУ или КРУН). Работа защиты основана, в основном, на физическом принципе. Может реагировать на два фактора: вспышка света в отсеках распредустройства и на механическое воздействие дуги. В связи с этим может применяться только в КРУ, где все токоведущие части размещены в закрытых отсеках.

Построение оптико-электрических дуговых защит [ править ]

Оптико-электрические дуговые защиты по типу используемых датчиков можно разделить на две группы: с полупроводниковыми фотодатчиками и с волоконно-оптическими датчиками. Тип датчика определяет не только алгоритмы обработки информации, но и исполнение защит, которые можно классифицировать как индивидуальные и централизованные.

Централизованная защита, как правило, предназначены для защиты секции или группы ячеек и не обеспечивают селективного выявления зоны повреждения. Оптические датчики, например полупроводниковые фотоприборы, соединяются параллельно, а ВОД включается в виде петли.

Индивидуальное исполнение защиты позволяет выполнить воздействие на выключатель поврежденной ячейки, обеспечить селективность действия защиты и выявить поврежденную зону.

Построение оптико – электрических дуговых защит (ОЭДЗ) [ править ]

Дуговая защита КРУ должна строиться с учетом его конструктивных особенностей и типов коммутационных аппаратов. Для этого необходимо выделить как особые элементы распредустройства, к которым относятся ячейки вводного выключателя, ячейка секционного выключателя, особые зоны (отсеки) ячеек КРУ: отсек шинного моста, отсеки высоковольтных выключателей, трансформатора напряжения и т.д. Такое деление КРУ на зоны позволит наиболее оптимально выполнять воздействия на коммутационные аппараты с минимизацией объемов повреждений.

При КЗ в особых элементах требуется отключение секции без выдержки времени, а при КЗ в особых зонах, например, в отсеках измерительных трансформаторов тока, кабельной разделки и проходных изоляторов возможно отключение только поврежденной ячейки, например, при использовании вакуумных выключателей.

Горение дуги в ячейке вводного выключателя требует воздействия на отключение не только секционного выключателя, но и выключателя со стороны высшего напряжения силового трансформатора. Повреждение же секционного выключателя требует отключения вводных выключателей. С учетом вышеизложенного защита должна обеспечивать селективное выявление дуговых коротких замыканий в ячейках и их отсеках.

Существует также и другой подход в построении дуговой защиты КРУ, согласно которому любое КЗ в КРУ должно отключаться вводным выключателем, что приводит к «погашению» секции. Такой подход упрощает реализацию защиты и допускает объединение датчиков, например, позволяет выполнять оптико-электрический датчик единым, что имеет место при использовании ВОЛС, соединенной в «петлю». При реализации защиты по первому варианту возможно объединение ОЭДЗ и устройств, воздействующих на одни и те же выключатели.

Требования нормативных документов [ править ]

Необходимо отметить, что требования и методы испытаний дугостойкости элементов оборудования КРУ, требования к быстродействию и типу дуговой защиты, сегодня не регламентированы. В существующих директивных (Приказы РАО «ЕЭС России» от 01.07.98 N 120 «О мерах по повышению взрывопожаробезопасности энергетических объектов» и от 29.03.2001 N 142 «О первоочередных мерах по повышению надежности работы РАО «ЕЭС России») и нормативных («Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей», 15-я редакция, п. 5.4.19) документах существуют лишь требования о необходимости наличия быстродействующей защиты от дуговых коротких замыканий внутри шкафов КРУ.

Устройства дуговой защиты

Устройства дуговой защиты для электроэнергетики

В институте разработаны и изготавливаются устройства дуговой защиты (УДЗ) на основе распределенного волоконно-оптического датчика. При возникновении электрической дуги в шкафах комплектных распределительных устройств 0,4-35 кВ выдается электрический сигнал в цепи автоматики и релейной защиты на отключение шкафа. Максимальная длина датчика, охватывающего один или группу шкафов, составляет 25 м, количество одновременно контролируемых отсеков — до 24. УДЗ отличаются высоким быстродействием, безопасностью в эксплуатации, простотой монтажа, практически не требуют технического обслуживания. Устройства дуговой защиты успешно используются на нескольких десятках объектов электроэнергетики и атомной энергетики.

Устройство дуговой защиты ФВИП.423133.004

Устройство дуговой защиты ФВИП.423133.004 (УДЗ) с волоконно-оптическим датчиком предназначено для определения факта возникновения дуги в шкафах комплектных распределительных устройств КРУ (КРУН), КСО 0,4…35 кВ и выдачи сигнала в цепи автоматики и релейной защиты на отключение секции.

УДЗ состоит из блока питания и сигнализации и одного (или двух) датчиков длиной 25 м. Одноканальное устройство обеспечивает контроль 10-12 шкафов КРУ (КРУН), двухканальное — 20-24 шкафов одной секции. УДЗ универсально и может устанавливаться в ячейках КРУ (КРУН), КСО любых типов без каких-либо доработок. Время срабатывания УДЗ — не более 26 мс.

Отличительной особенностью УДЗ является использование в нем распределенного в пространстве датчика освещенности, т.е. датчика, регистрирующего свет любым участком боковой поверхности по всей его длине. Оно срабатывает от дуги при токе 0,5 кА и более в момент ее возникновения внутри шкафа КРУ (КРУН), КСО при длине освещаемого участка датчика не менее 0,3 м. Датчик изготовлен из диэлектрических материалов, что обеспечивает гальваническую развязку высоковольтных цепей от низковольтных, повышает безопасность эксплуатации и исключает возможность передачи коммутационных (или иного происхождения) электромагнитных помех от высоковольтных цепей в цепи РЗА.

Электронный блок предназначен для преобразования оптического сигнала с волоконного световода в электрический аналог и формирования дискретных сигналов типа «сухой контакт» (замыкание/размыкание контактов электромеханического реле РП21), который подается в релейную защиту для отключения цепей питания секции, в которой возникла дуга. Для дистанционного контроля подачи питания на электронный блок предусмотрен выход контроля питания типа «сухой контакт». На внешней панели электронного блока имеются индикаторы возникновения дуги и включения питания.

Для обеспечения блокировки срабатывания устройства по току контакты выходного реле допускают последовательное включение контактов (размыкающих или замыкающих) реле максимального тока типа РТ40. Для увеличения коммутируемого тока или увеличения числа выходных контактов допускается коммутация катушки промежуточного реле типа РП23.

Для проверки работоспособности устройства можно использовать фотовспышку с ведущим числом не менее 24 и длительностью импульса 0,5 — 1 мс.

УДЗ отличаются высоким быстродействием, безопасностью в эксплуатации, простотой монтажа, практически не требуют техобслуживания. За время эксплуатации произошло несколько случаев возникновения электрической дуги. Во всех случаях устройство сработало штатно, т.е. выдало сигнал на снятие высокого напряжения с аварийных цепей, что позволило своевременно погасить электрическую дугу без видимых повреждений защищаемого электрооборудования.

Устройство успешно прошло испытания в НИЦ ВВА, фирме «ОРГРЭС» и принято Межведомственной комиссией с участием представителей РАО ЕЭС и «РОСЭНЕРГОАТОМ».

Технические характеристики ФВИП.423133.004

Устройство дуговой защиты ФВИП-С

Микропроцессорное устройство дуговой защиты ФВИП-С предназначено для фиксации факта возникновения короткого замыкания с открытой дугой внутри шкафов комплектных распределительных устройств напряжением от 0,4 до 35,0 кВ и выдачи сигналов управления в цепи релейной защиты и автоматики. Прототипом ФВИП-С является устройство ФВИП.423133.004, разработанное и выпускаемое ФГУП «ВНИИА».
Промышленная эксплуатация в течение 12 лет более чем 1250 устройств ФВИП.423133.004 подтвердила высокую надёжность разрабатываемых и выпускаемых ФГУП «ВНИИА» устройств дуговой защиты и используемых в них волоконно-оптических датчиков светового излучения дуги (ВОД).
ФВИП-С устанавливается в каждом шкафу секции КРУ. Устройство состоит из компактного (145х123х60 мм) электронного блока питания и сигнализации и трёх ВОД, что позволяет контролировать все 3 отсека одного шкафа КРУ: сборных шин, выкатного элемента и кабельной разводки.

Устройство ФВИП-С обеспечивает:

• Селективность отключения выключателей отходящих линий;
• Формирование сигналов управления:
  • 1-го уровня — выключателями отходящих линий;
  • 2-го уровня — вышестоящими выключателями (ввода и секционным);
• Формирование сигнала УРОВ (сигнал 2-го уровня с регулируемой в широком диапазоне задержкой);
• Формирование сигналов Запрет АПВ и Запрет АВР;
• Возможность совместной работы с сигналами МТЗ 1 и МТЗ 2 от выключателей двух уровней, что обеспечивает защиту от ложных срабатываний;
• Возможность установки режимов работы устройства и регулируемых параметров в широком диапазоне по требованию потребителей;
• Постоянный автоматический контроль исправности ВОД с индикацией неисправного ВОД;
• Индикацию аварийного отсека шкафа КРУ;
• Индикацию наличия напряжения питания устройства;
• Индикацию режима совместной работы с сигналами МТЗ 1 и МТЗ 2;
• Формирование для внешних цепей контроля информационных сигналов ДУГА, ОТКАЗ (неисправность ВОД) и ПИТАНИЕ.

Устройство сохраняет работоспособность в течение 1 с после исчезновения питания. При длительном отключении питания устройство сохраняет в энергонезависимой памяти информацию о режиме работы, состоянии индикаторов ДУГА, ОТКАЗ, МТЗ и обеспечивает восстановление их состояния после включения питания. ФВИП-С требует минимум затрат при быстром и простом монтаже устройства без внесения существенных изменений в конструкцию шкафа КРУ.

Условия эксплуатации

* При необходимости установки КРУ в помещениях с температурой окружающего воздуха ниже плюс 5 0 С предусматривается установка автоматических антиконденсатных нагревательных элементов, обеспечивающих нормальную работу комплектующего оборудования.

** Возможность установки КРУ на высоте свыше 1000 м над уровнем моря определяется производителем для конкретных условий эксплуатации.

Предупреждение

Техническая информация служит для ознакомления с принципами устройства КРУ, ее основными параметрами и характеристиками, конструкцией, комплектацией, габаритными и присоединительными размерами и правилами оформления заказа.

ООО «БЭМП» проводит постоянную работу над улучшением эксплуатационных и потребительских качеств выпускаемой продукции, в связи с чем, в некоторых образцах КРУ могут быть обнаружены отличия от сведений, указанных в настоящей технической информации.

ОСНОВНОЕ ПРИМЕНЯЕМОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Конструкция КРУ допускает большое количество комбинаций устанавливаемого оборудования по типу и техническим параметрам. Конкретный состав изделий определяется опросным листом заказа.

ЗДЗ волоконно-оптического типа

Как и ЗДЗ фототиристорного типа, данный тип ЗДЗ реагирует на световую вспышку от электрической дуги. В качестве датчика, реагирующего на световую вспышку от электрической дуги используется волоконно-оптический датчик (ВОД).ВОД размещаются по одному в каждом отсеке ячейки КРУ:

• в отсеке ввода;
• в отсеке выкатного элемента;
• в кабельном отсеке.

При дуговом КЗ каждый ВОД фиксирует световую вспышку от электрической дуги и формирует сигнал «Срабатывание», которые передается по ВОЛС на МП терминал ЗДЗ. В свою очередь МП терминал ЗДЗ на основании сигналов «Срабатывания» от ВОД формирует команды на отключение соответствующих выключателей с целью ликвидации дугового КЗ.

Для предотвращения неправильной работы ЗДЗ предусматривается токовый контроль — сигнал на отключение выдается МП терминалом ЗДЗ только при наличии 2-х факторов:

• сигнала «Срабатывание» от ВОД;
• сигнала «Пуск МТЗ» от терминала защиты (терминала защиты ввода КРУ или терминала защиты стороны ВН трансформатора).

При наличии только сигнала «Срабатывание» от ВОД без сигнала «Пуск МТЗ» отключение выключателей от ЗДЗ не происходит и МП терминал ЗДЗ выдает сигнал «Неисправность ВОД».

Построение оптико-электрических дуговых защит

Оптико-электрические дуговые защиты по типу используемых датчиков можно разделить на две группы: с полупроводниковыми фотодатчиками и с волоконно-оптическими датчиками. Тип датчика определяет не только алгоритмы обработки информации, но и исполнение защит, которые можно классифицировать как индивидуальные и централизованные.

Централизованная защита, как правило, предназначены для защиты секции или группы ячеек и не обеспечивают селективного выявления зоны повреждения. Оптические датчики, например полупроводниковые фотоприборы, соединяются параллельно, а ВОД включается в виде петли.

Индивидуальное исполнение защиты позволяет выполнить воздействие на выключатель поврежденной ячейки, обеспечить селективность действия защиты и выявить поврежденную зону.

Построение оптико — электрических дуговых защит (ОЭДЗ)

Дуговая защита КРУ должна строиться с учетом его конструктивных особенностей и типов коммутационных аппаратов. Для этого необходимо выделить как особые элементы распредустройства, к которым относятся ячейки вводного выключателя, ячейка секционного выключателя, особые зоны (отсеки) ячеек КРУ: отсек шинного моста, отсеки высоковольтных выключателей, трансформатора напряжения и т. д. Такое деление КРУ на зоны позволит наиболее оптимально выполнять воздействия на коммутационные аппараты с минимизацией объёмов повреждений.

При КЗ в особых элементах требуется отключение секции без выдержки времени, а при КЗ в особых зонах, например, в отсеках измерительных трансформаторов тока, кабельной разделки и проходных изоляторов возможно отключение только поврежденной ячейки, например, при использовании вакуумных выключателей.

Горение дуги в ячейке вводного выключателя требует воздействия на отключение не только секционного выключателя, но и выключателя со стороны высшего напряжения силового трансформатора. Повреждение же секционного выключателя требует отключения вводных выключателей. С учетом вышеизложенного защита должна обеспечивать селективное выявление дуговых коротких замыканий в ячейках и их отсеках.

Существует также и другой подход в построении дуговой защиты КРУ, согласно которому любое КЗ в КРУ должно отключаться вводным выключателем, что приводит к «погашению» секции. Такой подход упрощает реализацию защиты и допускает объединение датчиков, например, позволяет выполнять оптико-электрический датчик единым, что имеет место при использовании ВОЛС, соединенной в «петлю». При реализации защиты по первому варианту возможно объединение ОЭДЗ и устройств, воздействующих на одни и те же выключатели.

Линейный волоконно-оптический датчик компании Avago Technologies*

Совершенствование систем ЗДЗ постоянно продолжается, ведутся работы по созданию новых оптических датчиков. Одна из последних разработок в этой сфере – линейный ВОД на основе компонентов компании Avago Technologies (рис. 4).

Рис. 4. Линейный ВОД компании Avago

Основным компонентом системы является пластиковое оптическое волокно (POF) с прозрачной огнестойкой оболочкой AFBR-TUS500Z. Большая числовая апертура волокна (NA = 0,48) способствует захвату значительной части света, попадающего на его поверхность.

Оптоэлектронное преобразование излучения дуги и проверка целостности волокна осуществляются при помощи аналогового оптического трансивера (приемопередатчика) AFBR-S10TR001Z. Передающая часть трансивера содержит светодиод (LED), служащий для передачи тестового сигнала (Heartbeat-сигнала в терминологии Avago). Heartbeat-сигнал проходит по оптическому волокну и попадает на фотоприемник. Длина волны излучения LED (650 нм) соответствует минимуму затухания POF. Передатчик не имеет встроенного драйвера, что позволяет разработчику самостоятельно задавать параметры Heartbeat-сигнала.

Приемная часть трансивера представляет собой микросхему, состоящую из PIN-фотодиода и трансимпедансного усилителя (TIA). Спектральная чувствительность фотодиода полностью перекрываетспектр излучения электрической дуги, гарантируя безошибочную работу (рис. 5а). Микросхема формирует аналоговый электрический сигнал, линейно зависящий от мощности оптического излучения вплоть до -10 дБм (рис. 5б). При мощности выше -10 дБм происходит насыщение фотоприемника. Однако поскольку для обнаружения электрической дуги значение имеет лишь амплитуда сигнала, а не его форма, рассматриваемый датчик безошибочно работает и при уровнях оптической мощности выше -10 дБм. Время нарастания выходного сигнала составляет 40 нс.

Рис. 5. Характеристики фотоприемника: а) спектральная характеристика фотодиода; б) зависимость амплитуды выходного сигнала от мощности оптического излучения

Отрезок собирающего волокна соединяется с трансивером при помощи POF-кабеля с непрозрачной огнестойкой оболочкой. Все компоненты системы соединяются коннекторами и соединительными розетками линейки Versatile Link («универсальное соединение»). Компоненты Versatile Link давно пользуются популярностью у разработчиков промышленных линий связи на основе POF, прежде всего благодаря привлекательной стоимости, высокой надежности и простоте монтажа.

Для тестирования возможностей набора компонентов Avago для создания датчика дуги выпускается отладочный набор AFBR-S10EB001Z.

Линейный ВОД на основе компонентов компании Avago отлично подходит для создания новых систем ЗДЗ, поскольку отличается высоким быстродействием, простотой работы, надежностью и невысокой стоимостью компонентов. Компонентам Avago для датчика электрической дуги посвящен отдельный раздел нашего сайта.