Современные устройства дуговой защиты

Рассмотрены устройства дуговой защиты (УДЗ) разных типов: построенные с применением волоконно-оптических датчиков и оптического волокна, с ВОД на основе кварц-полимерного и кварцевого волокна. Проведен сравнительный анализ, показаны их преимущества и недостатки. Представлены УДЗ «ОВОД-МД», «ОВОД-Л» и «ПРОЭЛ-МИНИ».

Наиболее перспективным способом построения устройств дуговой защиты (УДЗ) с точки зрения максимального быстродействия является способ, основанный на определении освещенности внутри отсеков ячеек КРУ. Спектр излучения от электрической ду­ги практически совпадает со спектром излучения солнца (рис. 1).

Рис. 1. Спектр излучения Солнца

Предпочтительно регистрировать излучение от дугового столба в следующих диапазонах:
- видимом (0,4–0,76 мкм);
- ближнем инфракрасном (0,76–2,5 мкм).

Фотодетекторы на основе кремния имеют спектральную чувствительность от 0,4 до 1,1 мкм, то есть охватывают видимый и ближний инфракрасный диапазоны с максимумом чувствительности в ближнем инфракрасном диапазоне.

В настоящее время существуют два подхода к построению оптико-электронных дуговых защит. В первом случае используются оптические датчики на основе кремниевого фотодиода, подключаемые к измерительному органу электрическими линиями связи. Во втором – применяется оптическое волокно, которое совместно с линзой является элементом, собирающим оптическое излучение от электрической ду­ги и передающим это излучение до фотодетектора, преобразующего оптическое излучение в электрический сигнал.

Первый подход реализован в уст­ройст­вах дуговой защиты РДЗ (­ФГБОУ ВО «­ЮРГПУ (НПИ) имени М. И. Платова»), БССДЗ (АО «Промэлектроника») и ЗДЗ-01 (ООО «ИЦ «Бреслер», сейчас – ООО «Релематика»). Такой тип УДЗ должен обрабатывать сигналы с отстройкой по длительности примерно 8 мс. Это означает, что длительность световых импульсов от ду­ги менее 8 мс воспринимается как помеха. Такая ме­ра предосторожности направлена на исключение ложных срабатываний устройства, так как фотодатчики и электрические провода, соединяющие их с самим устройством, размещаются в местах, подверженных наибольшему воздействию электромагнитных помех. В итоге мы получаем значительное ухудшение быстродействия УДЗ. Но благодаря довольно высокой чувствительности эти устройства и их модификации в настоящее время применяются для защиты ячеек КРУ.

Преимущественное развитие получило второе направление – с использованием волоконно-оптических датчиков (ВОД), так как в местах, подверженных наибольшему воздействию электромагнитных помех, размещаются пассивные компоненты ВОД. Такой подход реализован в УДЗ семейства «ОВОД» (ООО НПП «­ПРОЭЛ»), «Дуга-О» (ООО «НТЦ «Механотроника»), «Орион-ЗДЗ» (АО «РАДИУС Автоматика»), БДЗ-01,02,03 (ГК «ЧЭАЗ»), «Лайм» (ООО «НПП Микропроцессорные технологии»), «Радуга-ПСМ» (ООО «Терма-Энерго»), «Юнит-ДЗ» (ООО «Юнител Инжиниринг»), ФВИП (ФГУП «­ВНИИА») и модификация БССДЗ (АО «Промэлектроника»).

В таких датчиках используются два ти­па оптических волокон – пластиковые и кварцевые. Спектральные характеристики этих оптических волокон приведены на рис. 2.

Рис. 2. Спектральные характеристики пластиковых и кварцевых оптических волокон

Полимерное оптическое волокно (на графике – РММА) характеризуется высоким затуханием светового потока. ВОД на их основе фиксируют световой поток только в видимом диапазоне и имеют небольшую длину. Затухание 0,2 дБ/м в видимом диапазоне увеличивается до 10 дБ/м в инфракрасном диапазоне. К то­му же это волокно склонно к старению. Со временем чувствительность УДЗ с полимерными ВОД будет ухудшаться, и никакими ускоренными методами испытаний этого не определить. Ни один производитель в мире не приводит срок службы волоконно-оптических кабелей на основе пластикового волокна.

Кварц-полимерное (на графике – PCS) и кварцевое (на графике – Silica) волокна имеют низкое затухание (8–10 дБ/км и 1–3 дБ/км соответственно), фиксируют световую вспышку в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне и могут иметь длину от десятков до нескольких сотен метров. Кабели с кварцевым волокном имеют высокие характеристики на натяжение и изгиб при монтаже ВОД. Производители таких кабелей анонсируют срок службы 40–45 лет.

В конце 1999 года по техническому заданию Высоковольтной се­ти АО «Ленэнерго» специалистами тогда еще ЗАО «­ПРОЭЛ» (бывшими работниками СКБ «Свет» в НПО «Дальняя связь») бы­ла начата разработка первой в России дуговой защиты на основе волоконно-оптических датчиков. В ТЗ бы­ло три основных требования:
- высокая чувствительность;
- высокое быстродействие;
- контроль целостности оптического волокна.

Исходя из вышесказанного, в качестве оптического волокна для ВОД был выбран объектовый кварцевый двухволоконный оптический кабель с диаметром сердцевины 62,5 мкм. Бы­ли достигнуты следующие параметры:
- чувствительность 500 люкс;
- собственное быстродействие 2,5 мс;
- контроль целостности оптического волокна обеспечен.

В конце января 2000 го­да три опытных образца бы­ли представлены комиссии АО «Ленэнерго». Комиссия приняла устройства дуговой защиты «ОВОД» и рекомендовала готовить их к серийному выпуску с одним замечанием: заменить полупроводниковые выходные ре­ле на электромеханические.

Двадцатилетний опыт эксплуатации дуговых защит семейства «ОВОД» показывает надежность ВОД, выпускаемых ООО НПП «­ПРОЭЛ». При замене отслуживших уст­ройств на новые меняется са­мо уст­рой­ство, а установленные ВОД остаются в эксплуатации.

В настоящее время ООО НПП «ПРОЭЛ» является единственным предприятием, которое выпускает всю линейку устройств дуговой защиты:
- централизованные «ОВОД-МД»;
- распределенные «ОВОД-Л»;
- индивидуальные (для одной ячейки) «ПРОЭЛ-МИНИ».

Остальные производители используют в ВОД пластиковое волокно.

ООО «Микропроцессорные технологии» для вхождения в уже сформированный рынок дуговых защит со своим устройством «Лайм», применив полупроводниковые выходные ре­ле, анонсировало его как самую быстродействующую дуговую защиту в ми­ре (время срабатывания 0,8 мс), считая быстродействие более важным параметром, чем чувствительность дуговой защиты. К сожалению, определенное количество потребителей «клюнуло» на этот рекламный ход.

Приведем пример, который доказывает, что такой подход глубоко ошибочен. В журнале «Новости электротехники» (2005, № 4) размещена реклама дуговой защиты REA компании «АББ «Силовые системы», в которой работа дуговой защиты показана на конкретном примере. На Детрамовицкой электростанции в Чехии во время контрольной проверки вакуумного выключателя ти­па VD4 производства АББ специалисты проверяли работоспособность выкатного элемента аппарата, извлеченного из корпуса шкафа. При этом контрольные кабели бы­ли отключены и препятствовали вкатыванию выключателя. Это и вызвало дуговой разряд. REA-101 мгновенно сработала, и в течение 82 миллисекунд аварийный участок был отключен. Корпус вакуумного выключателя получил незначительные повреждения и обгорел только вблизи точек возникновения ду­ги (рис. 3).

Рис. 3. Вакуумный автоматический выключатель, пострадавший из-за дугового разряда

Время работы REA-101 – 2,5 мс, максимальное время отключения вакуумного выключателя – 60 мс. Выходит, что устройство зафиксировало световое излучение от дугового разряда только через 19,5 мс после его начала. А чувствительность у REA-101 почти на порядок лучше, чем у устройства «Лайм» (8000 люкс).

Еще в 1999 году в Новочеркасском политехническом институте провели натурные испытания для определения освещенности при дуговом разряде в отсеках КРУ, подключенного к трансформатору мощностью 10 МВА. Инициализация дугового КЗ осуществлялась путем подачи напряжения на медную перемычку диаметром 0,1–0,5 мм, установленную между двумя или тремя фазами. Исходя из этих испытаний, учитывая многократные отражения светового потока внутри отсеков КРУ и то, что кривая МКО люксметра имеет узкий спектральный диапазон по отношению к спектральному диапазону, принимаемому кремниевым фотодиодом, они и определили чувствительность своих устройств дуговой защиты серии РДЗ в 2000 люкс. А кремниевый фотодиод принимает световой поток от электрической ду­ги в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне, в отличие от ВОД на основе пластикового волокна.

Есть изготовители дуговых защит, которые не показывают чувствительность в люксах. Если они будут приводить чувствительность своих устройств в люксах, то ма­ло кто будет покупать их продукцию. Приведем примеры.

1. АО «ЧЭАЗ» в РЭ на устройство БДЗ-01 изначально приводил чувствительность от 50 000 люкс, минимальный ток КЗ 200 А при освещении фотовспышкой с ведущим числом 25–26 с расстояния 0,6 м. Если по поводу чувствительности в люксах похоже, то вот величина то­ка КЗ, равная 200 А, при котором устройство срабатывает, вызывает большое сомнение. В РЭ на БДЗ-02 и БДЗ-03 показатель чувствительности в люксах исчез.

2. Устройство «Юнит-ДЗ» производства ООО «Юнител Инжиниринг» имеет еще худшую чувствительность в люксах, чем БДЗ-01. Они приводят следующие характеристики чувствительности при освещении фотовспышкой с ведущим числом 58 отрезка ВОД длиной 2 м:
760 А с расстояния 0,5 м;
2000 А с расстояния 1 м.

Ведущее число фотовспышки показывает, на каком расстоянии она может обеспечить нормальную экспозицию (освещенность) предмета при фотографировании.

3. Немногим лучше чувствительность у устройства «Радуга-ПСМ» (ООО «Терма-Энерго»). Освещение ВОД фотовспышкой с ведущим числом 24 с расстояния 1,5 м.

Например, УДЗ «ОВОД-МД», «ОВОД-Л» и «ПРОЭЛ-МИНИ» с чувствительностью 1000 люкс ВОД срабатывают при освещении фотовспышкой с ведущим числом 14 с расстояния 12 м.

По статистике, КЗ распределяются следующим образом:
- однофазные замыкания на землю (К1 и К1.1) – 85 %;
- двухфазные замыкания – 10 %;
- трехфазные замыкания – 5 %.

Так как однофазные замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью имеют малые то­ки КЗ порядка 20–50 А, то существующие дуговые защиты фиксируют только 15 % всех КЗ, кроме УДЗ, выпускаемых ООО НПП «ПРОЭЛ». Однофазное замыкание происходит в моменты значительных фазных напряжений. Возникающие при этом переходные емкостные то­ки имеют высокие частоты (достигают многих килогерц) и во многие десятки раз превосходят установившиеся то­ки. УДЗ «ОВОД-МД», «ОВОД-Л» и «ПРОЭЛ-МИНИ» имеют полосу пропускания ВОД + фотоприемник порядка 50 кГц и тем самым реагируют на световой поток от разрядных токов при однофазных замыканиях на землю.

Около 60–70 % однофазных замыканий являются кратковременными. Поэтому фиксация кратковременных замыканий дает возможность принять профилактические ме­ры (см. А. М. Федосеев «Релейная защита электрических систем»).

Статья опубликована в журнале «ИСУП»

Статья на сайте журнала >>