Быстродействующие дуговые защиты в закрытых распределительных устройствах 6(10)кВ

Закрытые распределительные устройства (ЗРУ), массово применяемые в городских сетях напряжением 6-10 кВ, как правило, оснащены комплектными распределительными устройствами внутренней установки (КРУ) или камерами сборными одностороннего обслуживания (КСО). И если в КРУ, в качестве средства дуговой защиты, устанавливались концевые выключатели на клапанах сброса давления, то большинство КСО не защищались от дугового короткого замыкания.

Это определялось особенностями конструкции КСО – отсутствием сегрегации отсеков и клапанов сброса давления, а также применением в качестве основного коммутационного аппарата выключателя нагрузки, не способного отключать ток короткого замыкания.

Применение в КСО вакуумных выключателей и появление устройств защиты, оборудованных светочувствительными [1-3] датчиками (например, оптоволоконными, фототранзисторными, фотодиодными, фоторезисторными, фототиристорными и пр.), реагирующими на спектр излучения открытой дуги, открыло новые возможности для реализации дуговой защиты КСО и повышения быстродействия дуговой защиты КРУ.

Насколько критичным является время существования дугового короткого замыкания? По данным одного из производителей дуговых защит (VAMP Ltd) основными факторами, влияющими на степень повреждения оборудования и травмирования персонала, являются:

• время горения дуги;
• тип дугового замыкания (однофазное или межфазное);
• конструкция распределительного устройства;
• наличие индивидуальных средств защиты персонала.

При этом время горения дуги позиционируется как основной критерий для оценки вероятности повреждения оборудования и травмирования персонала (рис.1.).

Открытые дуговые замыкания длительностью до 100 мс, в 90% случаев не представляют опасности для оборудования и персонала. При времени горения дуги более 100 мс, но менее 600 мс, в 100% случае приводят к повреждению оборудования и травмам персонала. Дуговые короткие замыкания, длящиеся более 600 мс, характеризуются обширными повреждениями оборудования и тяжелыми травмами персонала.

Данная зависимость определяется количеством тепла, выделяемом при горении дуги с течением времени. Температура газа в канале дугового разряда может достигать 10000°C. Металлы, попавшие в зону горения дуги, испаряются, а изоляция сгорает, в некоторых случаях с выделением токсичных газов. На рисунке 2 представлен график зависимости энергии дуги от времени с отметками времени воспламенения основных составляющих распределительного устройства.

Воспламенение кремнийорганической изоляции опорных и проходных изоляторов происходит ориентировочно через 120 мс после возникновения дугового замыкания. Через 180 мс возможно воспламенение меди, из которой выполнены токоведущие части главной цепи. Через 250 мс воспламеняются стальные конструктивные элементы распределительного устройства, находящиеся в зоне действия дуги.

Время, за которое происходит отключение замыкания, в общем случае, можно рассчитать по следующей формуле:

Тоткл. = Тз + Тв, где:

Тз - время срабатывания устройства защиты;
Тв - собственное времени отключения выключателя.

При этом современные дуговые защиты без контроля по току обеспечивают время срабатывания от 7 мс до 15 мс. В случае, если в алгоритме устройства защиты используется контроль тока, время срабатывания увеличивается до 30 мс. С учётом того, что времена отключения современных вакуумных выключателей составляют от 50 до 90 мс, полное время отключения дугового замыкания может составить 110 мс, что может повлечь негативные последствия для оборудования и персонала.

Существенно улучшить ситуацию способно применение быстродействующих дуговых защит, совместно с новейшей разработкой компании «Таврида Электрик» — вакуумным выключателем BB/TEL-10-31,5/2000_Q (рис.3.) и блоком управления СМ_1501_01(4) (рис.4.).

Собственное время включения данного аппарата составляет не более 22 мс, а полное время отключения совместно с блоком управления СМ_1501_01(4) - не более 18 мс. Основные технические характеристики выключателя BB_TEL-10-31,5_2000_Q приведены в таблице 1.

Наименование параметра	Значение параметра
Номинальное напряжение, кВ	10
Наибольшее рабочее напряжение, кВ	12
Номинальный ток, А	2000
Номинальный ток отключения, кА	31,5
Ток термической стойкости (3 с), кА	31,5
Ток термической стойкости, 3с, кА	12,5
Ресурс по коммутационной стойкости, не менее - при номинальном токе отключения, «O» - при номинальном токе отключения, «ВO» - при номинальном токе, «BO»	50 25 30 000
Механический ресурс, циклов «ВО»1	30 000
Собственное время отключения при использовании CM_1501_01(4) не более, мс	8
Полное время отключения при использовании CM_1501_01(4) не более, мс	18
Собственное время включения при использовании CM_1501_01(4) не более, мс	22
Разновременность замыкания и размыкания контактов не более, мс	3
Стойкость к внешним механическим воздействующим факторам по ГОСТ 17516.1	М6
Номинальное напряжение оперативного питания при использовании CM_1501_01(4), В	=110/220;~100/127/220
Электрическое сопротивление главной цепи полюса при номинальном токе не более, мкОм	22
Масса коммутационного модуля не более, кг - с межполюсным расстоянием 150 мм - с межполюсным расстоянием 200 мм - с межполюсным расстоянием 210 мм - с межполюсным расстоянием 250 мм - с межполюсным расстоянием 275 мм	49 50 50 51 51
Срок службы, лет	30

¹ При номинальном токе 800 А.

Блок управления СМ_1501_01(4) (рис.4.) входит в состав нового поколения блоков управления вакуумными выключателями, обеспечивающих повышенное быстродействие операций включения и отключения выключателя, а также высокий уровень устойчивости к воздействию внешних электромагнитных помех. Время распознавания команды управления для данного блока составляет всего 4 мс. Более подробные технические характеристики блока управления CM_1501_01 (4) указаны в таблице 2.

Наименование параметра	Значение параметра
Оперативное питание
Номинальное напряжение оперативного питания, В	=110/220; ~100/127/220
Диапазон напряжений оперативного питания (~/=), В	85-265
Время подготовки к включению, с, не более - после подачи оперативного питания - после предыдущей операции включения	15 10
Максимальная потребляемая мощность, ВА, не более - в режиме заряда емкостей - в установившемся режиме	25 8
Продолжительность работы после пропадания оперативного питания, с, не менее	601
Параметры цикла ВО
Выполняемый цикл АПВ	О-0,1с-ВО-10с-ВО-10с-ВО…2
Мин. цикл В-О главных контактов ВВ, мс, не более	65
Максимальное количество циклов В-О в час, не более	100
Выходы сигнализации
Номинальное напряжение переключения, В	240
Номинальный ток (~), А	16
Мощность переключения (~), ВА	4000
Входы управления
Время распознавания сигнала3, мс, не более	4
Напряжение/ток при замыкании контактов, В/А, не менее	30/0,1
Ток при замкнутых контактах, мА, не менее	5
Разновременность замыкания и размыкания контактов не более, мс	3
Масса и габаритные размеры
Габаритные размеры, мм	190х165х45
Масса, кг, не более	1,5

¹ При разомкнутых «сухих» контактах (СК) «CLOSE» (ВКЛ.) и «TRIP» (ОТКЛ.).
² Допустимое количество циклов В-О с интервалом 10 с не может превышать десяти подряд. Среднее количество циклов не должно превышать 100 в час. Повторная серия десяти циклов В-О с интервалом 10 с может быть проведена только через 260 с.
³ Для управления по СК рекомендуется использовать электронные реле (например, электронные реле с IGBT-ключами), у которых отсутствует дребезг при переключении. Тип используемого электронного реле требует согласования со специалистами компании «Таврида Электрик».

Применение сверхбыстрых блока управления и выключателя позволяет «выиграть» у дуги около 40 мс, а при применении современных защит от дугового замыкания, дает возможность отключения открытого дугового замыкания в распределительном устройстве за рекордно малое время – равное одному периоду сети, частотой 50 Гц.

Максимальное расчетное время отключения составляет:

Тоткл = 7 + 18 = 25 мс

Данное время отключения дугового короткого замыкания соответствует потребностям 72% опрошенных специалистов энергетических систем [2], занятых в эксплуатации электроэнергетического оборудования. Таким образом, для снижения риска травмирования персонала и минимизации ущерба оборудования при дуговых коротких замыканиях в подлежащих реконструкции или вновь проектируемых ЗРУ, предприятие «Таврида Электрик» предлагает оснащать их современной дуговой защитой с применением быстродействующих вакуумных выключателей BB_TEL-10-31,5_2000_Q и блоков управления CM_1501_01 (4).

Литература

1. Нагай В.И. Выбор и техническая реализация быстродействующих защит КРУ от дуговых коротких замыканий// Электро. – 2002.– № 1. – С. 35-39.
2. Нагай В.И. Быстродействующие дуговые защиты КРУ: современное состояние и пути совершенствования. – Новости Электротехники, №5(23), 2003. С. 48-52.
3. Григорьев В.А., Милохин В.Е., Палей Э.Л. Волоконно-оптическая дуговая защита ячеек КРУ 6-10 кВ// Энергетик. – 2002. – №2. – С.23-24.

Опубликовано: «Электрические сети и системы» № 5, 2011 г.