ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
УСТРОЙСТВ ДУГОВОЙ ЗАЩИТЫ
Учебное пособие по курсу семинара:
«Монтаж, пуско-наладочные работы и эксплуатация УДЗ «ОВОД-МД»
ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ РАЗРЯД
Электрическая дуга образуется при протекании электрического тока от одного электрода к другому через канал ионизированного газа.
Короткое замыкание (КЗ), сопровождаемое электрической дугой, - это
наихудшая из аварийных ситуаций, имеющих место в КРУ электрических подстанций, прежде всего, по своим разрушающим последствиям.
Для инициирования дугового разряда необходимо резко увеличить степень
ионизации газового канала между электродами. Этого можно достигнуть за счет
пробоя вследствие высокой напряженности электрического поля (образование
электронных лавин и каналов повышенной электропроводности с последующим
разогревом газового ствола) или же нагревом газового промежутка до температур
порядка 3000 ºС, когда ионизация газа становится столь высокой, что он превращается в проводник. В этом случае сопротивление образующейся дуги падает до
величин 0.1 Ом и ниже. Такой разогрев может произойти, если проводники замкнуты между собой тонкой проволокой, которая мгновенно сгорает вследствие
протекания через нее тока и вызывает резкое повышение температуры до упомянутых ранее температур.
Температура горения дуги определяется мощностью системы, т. е. током КЗ,
напряжением, условиями теплоотвода ( т. е. конструкцией КРУ) и может достигать 10000 – 20000 ºС.
Каковы основные причины возникновения дугового разряда в КРУ?
Обычно их классифицируют в виде 3-х основных групп:
1) человеческий фактор (неправильная эксплуатация электроустановок);
2) причины технического характера (неисправности оборудования);
3) прочие внешние факторы.
К первой группе можно отнести следующее:
1) проведение работ не в той ячейке (ошибочное);
2) завышение пробивного напряжения у разрядников 6-10 кВ, установленных
на данной секции;
3) отсутствие заземления рабочей области при проведении работ;
2
4) отсутствие проверки наличия напряжения в рабочей зоне при проведении
работ;
5) присутствие в ячейках инструмента, оставленного по забывчивости после
проведения работ.
Ко второй группе относятся:
1) дефекты, неисправности или некорректная работа оборудования;
2) деградация изоляции и износ оборудования;
3) перенапряжение;
4) перегрев;
5) плохое соединение проводов или шин;
6) неправильная установка оборудования.
К третьей группе относятся:
1) появление внутри КРУ (КРУН) животных и птиц (крысы, кошки, собаки,
птицы);
2) влага, грязь и пыль в области контактов и шин, загрязнение и увлажнение
поверхности малоребристых изоляторов или изоляторов, ранее обожженных дугой;
3) коррозия.
Суммарная мощность и энергия дугового КЗ зависит от мощности КЗ, количества дуг в системе и от видов замыкания: однофазное на землю, двухфазное или
трехфазное. Эта мощность может достигать многих десятков МВт.
Как расходуется такая огромная мощность?
1. Около 90% переходит в тепло, вызывая резкий разогрев воздуха, материалов конструкций и электродов (шин и т. д.), их плавление и испарение;
2. Порядка 3% расходуется на создание избыточного давления;
3. 7% приходится на излучение дуги.
Огромная тепловая энергия вызывает горение оборудования, шин. Если не
остановить дуговой разряд своевременно, то гореть начинает и само строение
подстанции.
3
Тепло и горючие газы вырываются наружу из оборудования и, помимо ущерба материальным объектам, могут травмировать персонал. Горючие газы могут
вызвать возгорание одежды. К тому же эти газы могут быть токсичными, т. к. в их
состав входят СО и пары меди и алюминия.
Можно построить усредненную зависимость энергии, выделяемой дугой, в
зависимости от времени ее горения (рис.1).
Рис. 1.
Из рисунка следует, что суммарная временная задержка, т. е. время от начала
горения дуги до размыкания контактов выключателя, не должна превышать
100 мс.
Следует отметить также, что длительное горение дуги вызывает значительное расширение воздуха. Происходит резкое увеличение избыточного давления
(более 1.2 атм), приводящее к разрушению конструкции КРУ.
Световое излучение и акустическое воздействие
Энергетическая освещенность, получаемая от дуги, может достигать
10 Вт/см2 на расстоянии примерно 1.5 м. Для сравнения, энергетическая освещенность на поверхности Земли в солнечный день составляет 0,1 Вт/cм2.
4
Столь яркое излучение дуги может вызвать временную слепоту. Если сюда
добавить мощное звуковое сопровождение дугового разряда, то
появляется
большая вероятность наступления шокового состояния, которое может вызвать
тяжкие последствия (травмы и даже летальный исход).
Очевидно, что нужно совершенствовать конструкцию оборудования, соблюдать технику безопасности, но, если все-таки возникает дуговой разряд, то единственным способом предотвращения его последствий является своевременное
обесточивание соответствующей цепи (срабатывание выключателя).
Из вышесказанного со всей очевидностью вытекает необходимость применения быстродействующей дуговой защиты. В «Правилах технической эксплуатации электрических станций и сетей РФ» (последняя редакция от 19.06.03, утвержденная приказом Минэнерго за №229) п. 5.4.19 гласит: «Комплектные распределительные устройства 6-10 кВ должны иметь быстродействующую защиту от дуговых коротких замыканий внутри шкафов КРУ».
Почему защита должна быть быстродействующей, видно из следующей классификации возникающих повреждений оборудования и ущерба от дуговых КЗ,
как функции времени горения дуги. Отметим, что под временем горения дуги понимают суммарное время, необходимое для детектирования дуги и срабатывания
выключателя:
- 35 мс: отсутствуют какие-либо повреждения оборудования и травмы персонала; оборудование, как правило, можно вводить в эксплуатацию после проверки
сопротивления изоляции;
- 100 мс: небольшой ущерб; требуется, например, чистка контактов выключателя, возможен небольшой ремонт перед последующим вводом в эксплуатацию;
- 500 мс: большой ущерб для оборудования и травматические последствия
для персонала, оборудование частично заменяется;
- 1000 мс: последствия дугового разряда могут быть не предсказуемыми.
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ДУГОВЫХ ЗАЩИТ
Можно выделить две основные группы способов распознания дуговых КЗ:
1- основанные на контроле параметров и характеристик электрической цепи
с дуговым КЗ;
5
2- основанные на характеристиках собственно дуги и сопутствующих ей явлениях: температуре, давлении, степени ионизации газов, оптическом излучении.
В первую группу можно отнести простые максимальные токовые защиты,
существенными недостатками которых являются: невысокая селективность и недостаточно высокое быстродействие, вызванное необходимостью согласования с
защитами смежных элементов. В эту же группу входят защиты логического типа:
токовые дифференциальные защиты и логические защиты шин секций, в зону
действия которых входят сборные шины и выключатели. Главный недостаток
такого рода защит – мертвая зона в отсеке кабельной сборки и измерительных
трансформаторов тока.
Ко второй группе относится большинство современных защит:
- клапанная (работающая на основе повышения давления в результате развития дугового разряда); отличается плохим быстродействием и низкой надежностью;
- защита антенного типа на основе повышения степени ионизации газов в канале дугового разряда (те же недостатки, что и у первой);
- третий вид защит основан на регистрации оптического излучения от дугового столба и называется оптическими или оптоэлектронными дуговыми защитами; реализуется на основе фотодетекторов: фототиристорах, фототранзисторах,
фоторезисторах, фотодиодах и с использованием волоконно-оптических датчиков.
В защитах с волоконно-оптическими датчиками для регистрации излучения
от дуги также используются фотодетекторы, - тем не менее, этот вариант исполнения защиты следует выделить в отдельный подвид.
ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ УДЗ
Основной характеристикой оптоэлектронных защит является пороговое значение освещенности в точке съема информации, т. е. в зоне появления дугового
разряда. Освещенность – это поток излучения, идущий от источника и падающий
на единицу площади освещаемой поверхности. Пороговое значение освещенности, регистрируемое устройством, называется чувствительностью. В УДЗ семей6
ства «ОВОД» в целях повышения помехозащищенности значению чувствительности соответствует соотношение сигнал/шум порядка 40 дБ.
Дуговой столб – это низкотемпературная плазма: смесь атомов, ионов, молекул, а также продуктов синтеза, имеющего место в плазме. Спектральный диапазон излучения достаточно широк: от ультрафиолета (доли мкм) до дальнего ИК
(единицы мкм). Вид спектра излучения дуги зависит от ряда составляющих: материала электродов, степени загрязнения, температуры плазмы. Спектр дуги
можно представить в виде суперпозиции непрерывного и линейчатого спектров.
Из выше сказанного следует, что, говоря о чувствительности УДЗ, нужно оговаривать спектральное окно пропускания фотодетектора, которое будет меняться в
зависимости от типа фотодетектора.
Любой фотоприемник излучения можно описать функцией преобразования
(токовой чувствительностью):
R = f() = [A/Вт],
где [A/Вт]- размерность в системе СИ.
Спектральная зависимость токовой чувствительности для фотодиодов из различных полупроводниковых материалов представлена на рис.2.
Одним из главных па-
А/Вт
раметров излучения является
поток излучения, который
определяется энергией излучения, переносимой в единицу времени. Добавление соответствующих нижних индексов в обозначении потока
излучения (Ф) позволяет
определять
Рис.2
7
этот параметр или как энергетический, или как световой поток. В данном контексте «световой» означает размерность в световых или, как их более правильно
называют, фотометрических единицах.
Энергетический световой поток измеряется в ваттах, световой поток в люменах:
Фе = [Вт];
Ф = [лм].
В 19 веке Международная Комиссия по Освещенности ввела понятие относительной спектральной эффективности V , известной под названием «функции
видности» стандартного наблюдателя» или «кривой МКО» (рис. 3).
Эта функция является усредненным спектром пропускания человеческого
глаза. Таким образом, излучение любого источника, выраженное в световых единицах, получается путем пропускания энергетического потока излучения источ∞
ника через фильтр V:
Ф = 680 [лм/Вт]
Ф
(dФе/d)Vd,
0
где dФе/d - спектральная плотность энергетического потока излучения источника света. Собственно так и работают люксметры - приборы для измерения
светового потока.
8
Световые единицы легко преобразовать в энергетические с помощью световой эффективности - отношения светового потока к энергетическому:
= Ф/Фе
Для зеленого цвета ( = 550 нм) = 680 лм/Вт, для красного ( = 655 нм)
= 60 лм/Вт. Наибольшая чувствительность у человеческого глаза к зеленому цвету.
Если бы спектр дугового разряда начинался от ближнего инфракрасного
диапазона, то использование фотометрического подхода при определении чувствительности УДЗ было бы не корректно. Однако широкий спектр дугового разряда, практически равномерный в видимом диапазоне (если не принимать во
внимание узкие линии излучения различных примесных центров), позволяет рассматривать фотометрический вариант, как практически безальтернативный при
определении чувствительности УДЗ.
Таким образом, чувствительность УДЗ, являющаяся по сути световой освещенностью в точке съема информации, измеряется в люксах (лк), где
1 лк = 1 лм / м2.
В случае применения световых единиц при измерении чувствительности УДЗ
отпадает необходимость оговаривать тип применяемого фотоприемника.
Существует достаточно большое количество источников света, которые могут выступать в качестве меры, т. е. задающего устройства с известным световым
потоком излучения в люменах. Так вакуумная лампа накаливания мощностью
60 Вт создает, как точечный источник света, и излучает в полном телесном угле
4 стерадиан поток 700 – 760 лм. Тогда на расстоянии r = 1 м освещенность от
лампы составит величину 760/4r2 60 лк, на расстоянии 0,5 м порядка 240 лк.
Освещенность от дуги на расстоянии 7 м при токах КЗ 20-30 кА достигает
9000 лк, тогда на расстоянии 0,5 м она составит величину порядка 1,8 Млк!!
Следует подчеркнуть, что это значение получено при измерении с помощью
люксметра, - прибора для измерения постоянных величин (измеряет от нулевых
частот путем усреднения за большой отрезок времени). Излучение дугового разряда представляет собой последовательность коротких импульсов (длительностью в пределах мс) со случайной амплитудой. Скважность этой последователь9
ности достаточно большая, поэтому средний поток излучения отличается от светового потока в импульсе, по крайней мере, на порядок в меньшую сторону.
Таким образом, если фотоприемник УДЗ имеет широкую полосу частот и
эта полоса начинается не с нулевых частот, то чувствительность УДЗ можно понижать до величин в несколько тысяч лк. Это случай УДЗ с волоконно- оптическими датчиками. Помехозащищенность таких устройств возрастает тогда в еще
большей степени. Традиционные оптоэлектронные УДЗ на основе фотодиодных
датчиков, находящихся в непосредственной близости от потенциального места
образования дуги, имеют узкую полосу, начинающуюся практически от нулевых
частот. Это вызвано борьбой с наводками из-за наличия проводящей связи между
датчиком и блоком обработки информации. В результате понижается чувствительность УДЗ к высокочастотной компоненте сигнала (т. е. снижается вероятность «штатного» срабатывания) и возрастает чувствительность ко внешней засветке (отсюда наличие всякого рода «тормозных» датчиков).
УДЗ семейства «ОВОД» отличаются высоким значением чувствительности: от 500 до 1000 лк в полосе частот 50 Гц – 70 кГц.
10
