Моделирование срабатывания УЗДП в электрических сетях 0,4 кВ

Page 1
background image

Page 2
background image

124

по

ж

а

р

н

а

я

 бе

зоп

а

с

н

ос

т

ь

Моделирование срабатывания 
УЗДП в электрических сетях 0,4 кВ

УДК 614.841.415

Королев

 

И

.

В

.,

к.т.н., доцент кафедры 

ИЭиОТ ФГБОУ ВО 

«НИУ «МЭИ»

Валуев

 

П

.

В

.,

магистр кафедры ИЭиОТ 

ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»

Бурдюков

 

Д

.

А

.,

заместитель 

заведующего кафедрой 

ИЭиОТ ФГБОУ ВО 

«НИУ «МЭИ»

Ключевые

 

слова

электрический пожар, 

дуговой пробой, 

УЗДП, электрическая 

безопасность 

Применение

 

устройств

 

защиты

 

от

 

дуговых

 

пробоев

 (

УЗДП

направлено

 

на

 

повышение

 

электробезопасности

 

цепей

 

до

 0,4 

кВ

 (

дуговой

 

пробой

с

 

целью

 

снижения

 

числа

 

пожаров

вызванных

 

электротехническими

 

неисправностями

В

 

работе

 

предложен

 

метод

 

испытаний

 

на

 

эффективность

 

срабатывания

 

таких

 

устройств

 

на

 

дуговые

 

пробои

 

под

 

конкретные

 

условия

 

сети

 

и

 

даны

 

указания

 

по

 

его

 

реализации

 

с

 

целью

 

возможности

 

подборки

 

наиболее

 

оптимального

 

оборудования

.

Д

уговой  пробой  способен 

возникнуть  в  случае  по-

вреждения  изоляции  то-

коведущих  частей  либо

 

же  при  неплотном  их 

соприкосновении  друг  с  другом. 

Данные  проблемы  способны  по-

явиться  по  вине  некачественного 

монтажа  элементов  проводки  на 

этапе  строительства  постройки 

или в процессе ремонта электро-

проводки.  Также  изоляция  может 

быть  повреждена  вследствие 

высокой  влажности  в  помеще-

нии,  длительного  воздействия 

УФ  излучения  или  по  вине  меха-

нического  повреждения,  когда 

изоляционный  материал  провода 

покрывается  разрезами,  в  кото-

рых  происходят  дуговые  разря-

ды. Данные аварийные состояния 

стандартные средства защиты об-

наружить, как правило, не смогут. 

Например,  автоматический  вы-

ключатель при последовательном 

дуговом  пробое  не  сможет  этого 

сделать  по  причине  образования 

большого  переходного  сопротив-

ления  (БПС)  в  месте  неплотного 

контакта,  где  и  происходит  горе-

ние дуги. В данном контуре из-за 

резкого  увеличения  его  сопро-

тивления  по  вине  БПС  значения 

тока несколько упадут даже ниже 

номинального, что приведет к не-

достаточной кратности тока в этой 

цепи,  и  для  автоматического  вы-

ключателя  данный  режим  будет 

восприниматься как нормальный, 

поэтому  отключения  не  произой-

дет.  Устройство  защитного  от-

ключения  (УЗО)  не  сработает  по 

причине  того,  что  ток  утечки  при 

дуговых  процессах,  как  прави-

ло,  крайне  мал  и  не  соизмерим 

с уставкой УЗО.

По описанным выше причинам 

был  изобретен  совершенно  но-

вый класс защитных устройств — 

устройства  защиты  от  дуговых 

пробоев  в  цепях  класса  0,4  кВ, 

которые  способны  отключать  за-

щищаемый  участок  цепи,  в  кото-

ром происходят дуговые разряды. 

Оно имеет аббревиатуру «УЗДП» 

(устройство  защиты  от  дугово-

го  пробоя)  и  представляет  собой 

микропроцессорный  модульный 

релейный аппарат, предназначен-

ный для постоянного мониторинга 

участка электрической цепи клас-

са до 0,4 кВ, расположенного по-

сле  данного  устройства,  с  целью 

своевременного 

обнаружения 

дуговых  разрядов  в  данной  за-

щищаемой области и отключения 

ее  от  источника  питания.  УЗДП 

в  русскоязычной  терминологии 

может также иметь аббревиатуры 

УЗДЗ,  УОДП,  УОДЗ,  в  западной 

же терминологии унифицировано 

как AFCI (США) или AFDD (Евро-

па).  Однако  стоит  отметить,  что 

аббревиатура «УЗДП» на данный 

момент  является  единственно 

верной  с  момента  выхода  в  РФ 

нормативного  документа  IEC-

62606-2016. 

ОБЛАСТЬ

 

ПРИМЕНЕНИЯ

 

УЗДП

Обзор и анализ зарубежного опы-

та по разработке нормативно-пра-

вовой базы и технических решений 

для обнаружения дугового пробоя, 

а  также  повышения  эффективно-

сти защиты электрических сетей от 

пожаров был проведен в [1].

Устройство  является  не  ана-

логовым,  а  микропроцессорным, 

что  обусловлено  рядом  техноло-


Page 3
background image

125

гических  моментов,  которые  не-

обходимы  в  реализации  и  лежат 

в базовом алгоритме определения 

дугового  пробоя  в  защищаемом 

участке  цепи.  Связано  это  с  тем, 

что  распознать  дуговой  процесс 

с высокой точностью можно лишь 

путем  достоверной  и  надежной 

сверки  текущих  одномоментных 

широкополосных паттернов шумо-

вой  характеристики  дуги 

RSSI

(

t

)

1

величин  напряжения 

U

(

t

)  и  тока 

I

(

t

)  с  аналогичными  эталонными 

паттернами всех этих величин, со-

ответствующих явлению процесса 

дугового  разряда  в  идентичных 

частотах. Проводить такой непре-

рывный сложный анализ под силу 

лишь  микропроцессору.  Помимо 

эффективного  должного  срабаты-

вания  устройство  также  должно 

быть отстроено от сигналов, ими-

тирующих  дугу,  что  еще  сильнее 

усложняет алгоритм.

Вследствие  этого,  УЗДП  с  мо-

мента даты его создания (с конца 

90-х  годов  прошлого  века)  до  сих 

пор  не  имеет  идеально  оптими-

зированного  алгоритма  под  все 

случаи  ввиду  сложности  приро-

ды  дугового  процесса.  Вызвано 

это  тем,  что  данные  устройства 

своим  алгоритмом  не  могут  охва-

тить  все  вариации  электрических 

сетей.  Каждый  участок  сети  об-

ладает  своими  параметрами,  не-

которые  из  которых  будут  иметь 

значимость  в  формуле  алгоритма 

микропроцессора,  и  из-за  этого 

процесс,  реально  происходящий 

в  сети,  может  быть  им  неверно 

воспринят, что способно привести 

даже  к  полной  неработоспособ-

ности  УЗДП.  К  таковым  параме-

трам  можно  отнести  отношение 

активной  мощности  к  реактивной, 

отношение  индуктивного  сопро-

тивления  к  емкостному,  ампли-

туды  гармонических  колебаний, 

различия  в  показателях  качества 

электроэнергии,  обусловленные 

требованиями  соответствующих 

нормативных  документов  в  каж-

дом государстве. 

Таким образом, в идеале УЗДП 

устройства  должны  иметь  в  себе 

возможность  корректировки  сво-

их  эталонных  паттернов  под  ре-

алии  определенных  энергосетей, 

так  как  характер  нагрузки, 

cos

параметры  качества  энергосетей 

в каждой цепи разнятся, а значит 

дуговые процессы могут протекать 

иначе  и  не  соответствовать  уста-

новленному фирмой-производите-

лем УЗДП шаблону.

Еще  один  важный  момент, 

из-за  которого  возникает  несо-

вершенство  работы  алгоритма 

УЗДП, в том, что, при закладыва-

нии  в  процессор  эталонных  пат-

тернов отстройки от ложных сра-

батываний, их снятие происходит 

на  определенных  конкретных 

приборах  (определенная  дрель, 

определенный диммер и т.д.), но 

в мире существует огромное раз-

нообразие таких устройств с раз-

ным  соотношением  емкостного 

и  индуктивного  сопротивлений 

X

C

/

X

L

, что, естественно, может ге-

нерировать сигналы, чьи паттер-

ны уже не будут коррелироваться 

с  паттерном,  заложенным  ранее 

в УЗДП с целью несрабатывания 

на  работу  таких  устройств  в  за-

щищаемой области. 

СУТЬ

 

МОДЕЛИРОВАНИЯ

Для  решения  данной  проблемы 

потребитель может проводить ряд 

испытаний  под  конкретно  наши 

параметры  сети,  чтобы  понимать 

действительно  ли  в  нашей  теку-

щей  энергосистеме  может  иметь 

место случай, когда УЗДП не будет 

срабатывать  должным  образом. 

В  настоящее  время  существует 

определенный  стандарт  по  испы-

таниям  УЗДП  —  IEC  62606-2016, 

в котором описаны требования по 

его  срабатыванию,  а  также  даны 

инструкции  по  испытаниям.  Осо-

бую ценность в нем представляет 

глава 9, в которой можно найти ме-

тодологию по испытаниям УЗДП на 

необходимость  срабатывания  при 

последовательном  дуговом  про-

бое (наиболее вероятный пробой), 

а также на параллельный и на не-

срабатывание  на  перекрестные 

помехи.  Помимо  этого,  в  данном 

документе  даны  нормативные 

значения  времени  срабатывания 

в зависимости от тока дуги и номи-

нального напряжения сети. 

Согласно стандарту IEC-62606-

2016, УЗДП должно устранить ду-

говой  пробой  в  течение  времени, 

указанного в таблицах 1 или 2, при 

определенном  уровне  тока  дуги. 

УЗДП  испытывают  до  его  номи-

нального тока. 

Если  испытательный  ток,  ко-

торому  подвергают  УЗДП,  не  со-

ответствует  значениям  таблиц  1 

или  2,  тогда  допустимое  время 

отключения  определяют  методом 

линейной  интерполяции  между 

значениями  времени  отключения 

выше  и  ниже  фактического  испы-

тательного тока.

МОДЕЛИРОВАНИЕ

 

ИСПЫТАТЕЛЬНОЙ

 

УСТАНОВКИ

Стоит отметить, что согласно дан-

ному стандарту [2] возможно про-

ведение  испытаний  при  наличии 

дугового разряда как в воздушной 

среде  (воздушный  дуговой  про-

бой  —  аналог  плохого  контакта 

проводников),  так  и  путем  прове-

дения дугового разряда теплового 

характера  (специальное  предва-

1

 RSSI(t) — 

полная

 

мощность

 

принимаемого

 

логическим

 

модулем

 

процессора

 

сигнала

Измеряется

 

по

 

логарифмичес

 

кой

 

шкале

 

в

 

дБм

Служит

 

параметром

 

оценки

 

энергии

 

и

 

дает

 

представления

 

о

 

характере

 

затухания

/

усиления

 

сигнала

что

 

помогает

 

идентифицировать

 

в

 

цепи

 

наличие

 

или

 

отсутствие

 

дугового

 

процесса

.

Табл. 1. Предельные значения времени отключения

для УЗДП на 

U

n

 = 230 В [2]

Испытательный ток дуги, А 

(действительное значение)

2,5

5,0

10,0

16,0

32,0

63,0

Максимальное время

отключения, с

1,00

0,50

0,25

0,15

0,12

0,12

Табл. 2. Предельные значения времени отключения

для УЗДП на 

U

n

 = 120 В [2]

Испытательный ток дуги, А 

(действительное значение)

5,0

10,0

16,0

32,0

63,0

63,0

Максимальное время

отключения, с

1,00

0,40

0,28

0,14

0,14

0,12

 6 (57) 2019


Page 4
background image

126

рительное повреждение подготов-

ленных  кабелей  высоковольтны-

ми  импульсами  и  дальнейшее  их 

включение в цепь 220 В, что в ито-

ге  приводит  к  ее  тепловому  дуго-

вому  пробою  и  возгоранию  при 

включении в цепь таких проводов). 

Моделирование  в  данном  случае 

происходит  именно  воздушного 

дугового пробоя, так как тепловой 

пробой  проводов  сложен  в  подго-

товке, и они являются расходным 

материалом. Таким образом, име-

ем  дуговой  пробой  посредством 

подготовки  и  включения  в  сеть 

220  В  специального  дугового  ге-

нератора, который был подключен 

в испытательную схему.

Изготовление  дугового  гене-

ратора  —  самая  сложная  часть 

подготовки к испытаниям. Момент, 

требующий  внимания,  —  это  до-

стижение  плавности  сближения 

электродов  так,  чтобы  оно  было 

реализовано  лишь  поступатель-

ным  движением  без  их  прокручи-

вания, иначе в таком случае под-

ключенные  к  электродам  провода 

будут наматываться на сами элек-

троды.

Дуговой  генератор  рекомен-

дуется  проектировать  согласно 

стандарту  IEC-62606-2016,  так 

как в данном случае будут проте-

кать  наиболее  близкие  к  реаль-

ным дуговые процессы, имеющие 

место  быть  в  бытовых  услови-

ях,  а  также  сама  испытательная 

установка  будет  иметь  высокий 

запас  надежности  и  прочности. 

Строение  генератора  показано 

на рисунке 1.

Все  элементы,  кроме  электро-

дов, должны быть изоляционными. 

Например,  фторопласт  как  один 

из  лучших  диэлектриков,  одна-

ко  во  фрезеровочных  работах  он 

не  очень  удобен,  поэтому  можно 

выбрать  диэлектрик  с  несколько 

худшими  изоляционными  свой-

ствами — ПВХ. Он также облада-

ет  очень  высокими  показателями, 

однако гораздо более удобен в об-

ращении. По контуру вся несущая 

конструкция  дугового  генератора 

должна  быть  закрыта  оргстеклом 

в целях безопасности. 

Подвижным  электродом  прио-

ритетнее сделать медный, так как 

в сравнении с графитом он более 

прочен, и это повысит надежность 

всей системы, хотя и является не-

большим отступлением от требо-

ваний  стандарта  IEC-62606-2016. 

Вдобавок  его  также  проще  выта-

чивать с заострением, чем графит. 

Графит  также  бывает  различных 

свойств:  хорошо  подойдут  элек-

тротехнический и строитель-

ный (тигельный), так как они 

являются самыми плотными 

и обладают наилучшими по-

казателями  проводимости. 

На  рисунке  2  показана  ра-

бота  дугового  генератора 

при  последовательном  про-

бое  воздушного  промежут-

ка.  Однако  стоит  учитывать 

тот факт, что электроэрозия 

меди  проходит  интенсивнее 

при  воздействии  на  нее  ду-

гового  разряда,  что  может 

привести  к  необходимости 

чаще  затачивать  и  очищать 

медный  заостренный  электрод 

в  сравнении  с  заостренным  гра-

фитовым. 

Дуговой  генератор  является 

ключевым  звеном  всей  испыта-

тельной  цепи  и  включается  в  нее 

согласно  принципиальной  схемы 

рисунка  3,  где  S1  —  главный  ав-

томатический выключатель (вклю-

чает/отключает питание на УЗДП); 

S2  —  вторичный  автоматический 

выключатель,  шунтирующий  ис-

кровой  промежуток  (ИП),  необхо-

димый  для  безопасной  предвари-

тельной  регулировки  мощности 

нагрузки  перед  включением  ее 

непосредственно на искровой про-

межуток; УЗДП — любой опытный 

образец  класса  устройств  защи-

ты от дуговых пробоев; ИП — ис-

кровой  промежуток  или  дуговой 

Рис

. 1. 

Схема

 

дугового

 

генератора

приведенная

 

в

 IEC-62606-2016 [2]

Рис

. 2. 

Опытный

 

дуговой

 

генератор

 

в

 

действии

Рис

. 3. 

Принципиальная

 

схема

 

лабораторного

 (

испытательного

стенда

ПОЖАРНАЯ 

БЕЗОПАСНОСТЬ


Page 5
background image

127

генератор,  в  котором  происходит 

физическое  моделирование  ду-

гового пробоя; Нагрузка — любая 

нагрузка, включенная после УЗДП 

и ИП, которая согласована по но-

минальным  параметрам  с  сетью 

и  с  номинальными  параметрами 

S1, S2 и УЗДП. 

АЛГОРИТМ

 

ПРОВЕДЕНИЯ

 

ИСПЫТАНИЙ

Во  всех  случаях  питание  220  В 

изначально  подается  на  нагрузку 

через  участок  цепи,  коммутируе-

мый  выключателем  S2,  для  шун-

тирования искрового промежутка. 

Необходимо  это  для  предвари-

тельного  задания  в  цепи  устано-

вившихся значений по току путем 

регулирования мощности подклю-

ченной нагрузки (от min к max), по-

сле чего S2 размыкается, и через 

искровой промежуток при плавном 

сближении электродов загорается 

дуга  с  заранее  заданными  пара-

метрами  по  току.  С  помощью  ос-

циллографа получаем данные по 

испытаниям  (рисунок  4),  которые 

также  можно  сохранить  в  тексто-

вом  файле  со  всеми  значениями 

тока  и  напряжения  в  определен-

ное  значение  времени.  Питание 

подается  через  разделительный 

трансформатор  для  обеспечения 

безопасной работы.

Естественно,  важно  и  нужно 

тестировать  различный  характер 

нагрузки  (различные  отношения 

емкостного  сопротивления  к  ин-

дуктивному 

X

C

/

X

L

)  при  различных 

токах для получения большего ко-

личества данных.

Испытания при одних и тех же 

параметрах  сети  повторяют  триж-

ды,  постепенно  доходя  до  значе-

ний номинального тока УЗДП.

Если  не  использовать  дорого-

стоящее  оборудование  (такое  как 

анализатор  спектра,  способный 

выдавать  распределение  плотно-

Рис

. 4. 

Осциллограмма

 

дугового

 

процесса

вызванного

 

дуговым

 

генератором

стей  энергии,  заключен-

ной  во  всех  частотных 

составляющих  перемен-

ного  тока  в  цепи  220  В), 

которое могло бы макси-

мально  детально  давать 

понимание  того,  почему 

устройство  в  каждом 

конкретном  случае  сра-

батывает или нет (значи-

тельные  пики  значений 

тока  в  определенных 

частотах  при  дуговом 

пробое), то мы можем воспользо-

ваться более простым принципом, 

а  именно,  замерять  колебания 

тока при дуговом разряде на 50 Гц 

электронным осциллографом. Так 

мы  сможем  наблюдать  ступень-

ки  определенной  формы  каждый 

раз в момент перехода тока через 

ноль ввиду отсутствия напряжения 

на  электродах  при  потухании  ду-

гового  разряда,  когда  оно  также, 

в  свою  очередь,  совершает  пере-

ход  через  ноль.  Данный  подход 

позволит узнать время срабатыва-

ния  УЗДП  модуля  и  сравнить  его 

с нормативами, указанными в IEC-

62606-2016,  так  как  по  характеру 

осциллограмм  можно  наблюдать 

число  полупериодов  токовой  со-

ставляющей  в  момент  дугового 

процесса,  и  легко  посчитать  этот 

интервал  в  масштабе  ко  времени 

до момента, когда данный процесс 

превратится  в  затухающий  после 

срабатывания устройства. 

Соответственно,  по  осцилло-

грамме,  представленной  выше, 

можно,  подключая  различные  на-

грузки,  видеть  присущие  дуге  из-

менения  тока/напряжения,  реги-

стрировать  время  срабатывания 

УЗДП,  сравнивать  это  с  нормати-

вами IEC-62606-2016, указанными 

в таблицах 1 и 2 и, таким образом, 

лучше  понимать,  какие  модели 

УЗДП в каких условиях эффектив-

нее срабатывают.

ВЫВОДЫ

Данный  испытательный  стенд 

является  основой  для  проведе-

ния  лабораторных  испытаний. 

Он  позволяет  проконтролировать 

факт  обязательного  срабатыва-

ния  УЗДП  за  определенное  нор-

мативное  время  и  предоставить 

информацию  об  эффективности 

срабатывания различных моделей 

УЗДП.

Однако для проведения более 

детального  анализа  и  выявления 

некоторых  дополнительных  за-

кономерностей  данная  установка 

дополняется  анализатором  спек-

тра  для  анализа  спектральных 

энергетических 

характеристик 

и  дуговых  паттернов  в  широ-

ком  диапазоне  частот.  Анализа-

тор  спектра  оценивает  характер 

изменения  дуговых  паттернов 

в  зависимости  от  различий  в  па-

раметрах  сети  и  подключается 

к датчикам искрения, встроенным 

в цепь стенда.

Однако  и  без  осциллографов 

и  анализаторов  спектра,  посред-

ством даже обычного физического 

моделирования, по крайней мере, 

в  условиях  воздушного  пробоя, 

можно убедиться в эффективности 

срабатывания  любого  устройства 

УЗДП от любой компании-произво-

дителя  с  целью  подбора  под  кон-

кретно  свои  условия  наилучшего 

образца.  

ЛИТЕРАТУРА 
1.  Королев  И.В.,  Кондратьева  О.Е.,  Валуев  П.В.,  Лок-

тионов  О.А.  Анализ  целесообразности  применения 

устройств обнаружения дугового пробоя для комплекс-

ной защиты от пожаров, вызванных неисправностями 

электрооборудования // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача 

и распределение, 2018, № 2(47). С. 128–131.

2.  ГОСТ  IEC  62606-2016.  Устройства  защиты  бытово-

го  и  аналогичного  назначения  при  дуговом  пробое. 

Общие  требования.  URL:  http://docs.cntd.ru/do cu-

ment/1200145501.

REFERENCES
1.  Korolev I.V., Kondratieva O.E., Valuev P.V., Loktionov O.A. 

Study of applicability of arc detectors for integrated protec-

tion against fi res caused by electrical equipment faults // 

ELEKTROENERGIYA. Peredacha i raspredeleniye 

[ELEC-

TRIC  POWER.  Transmission  and  Distribution],  2018, 

no. 2(47), pp. 128-131.

2.  State  Standard  IEC  62606-2016.  Protection  devices  for 

household  and  similar  use  in  arc-over  conditions.  Gen-

eral  requirements.  Available  at:  http://docs.cntd.ru/docu-

ment/1200145501. (In Russian)

 6 (57) 2019


Читать онлайн

Применение устройств защиты от дуговых пробоев (УЗДП) направлено на повышение электробезопасности цепей до 0,4 кВ (дуговой пробой) с целью снижения числа пожаров, вызванных электротехническими неисправностями. В работе предложен метод испытаний на эффективность срабатывания таких устройств на дуговые пробои под конкретные условия сети и даны указания по его реализации с целью возможности подборки наиболее оптимального оборудования.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» № 1(70), январь-февраль 2022

Энергетический надзор во имя системной надежности и безопасности

Интервью Пожарная безопасность Охрана труда / Производственный травматизм
Интервью с заместителем Руководителя Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору Фроловым Д.И.
«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» № 3(66), май-июнь 2021

Максимальная защита работников с помощью самых современных средств

Пожарная безопасность Охрана труда / Производственный травматизм События / Выставки / Конференции
Обзор четвертой Международной конференции по охране труда и промышленной безопасности «Клуб экспертов»
«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»