Моделирование срабатывания УЗДП в электрических сетях 0,4 кВ

Page 1

Page 2

124

по

бе

зоп

ос

Моделирование срабатывания
УЗДП в электрических сетях 0,4 кВ

УДК 614.841.415

Королев

к.т.н., доцент кафедры

ИЭиОТ ФГБОУ ВО

«НИУ «МЭИ»

Валуев

магистр кафедры ИЭиОТ

ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»

Бурдюков

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

)

целью

снижения

числа

пожаров

вызванных

электротехническими

неисправностями

работе

предложен

метод

испытаний

на

эффективность

срабатывания

таких

устройств

на

дуговые

пробои

под

конкретные

условия

сети

даны

указания

по

его

реализации

целью

возможности

подборки

наиболее

оптимального

оборудования

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

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

(

)

величин напряжения

(

) и тока

(

) 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

, 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-

RSSI(t) —

полная

мощность

принимаемого

логическим

модулем

процессора

сигнала

Измеряется

по

логарифмичес

кой

шкале

дБм

Служит

параметром

оценки

энергии

дает

представления

характере

затухания

усиления

сигнала

что

помогает

идентифицировать

цепи

наличие

или

отсутствие

дугового

процесса

Табл. 1. Предельные значения времени отключения

для УЗДП на

= 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

Табл. 2. Предельные значения времени отключения

для УЗДП на

= 120 В [2]

Испытательный ток дуги, А

(действительное значение)

5,0

10,0

16,0

32,0

63,0

Максимальное время

отключения, с

1,00

0,40

0,28

0,14

0,12

№

6 (57) 2019

Page 4

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

IEC-62606-2016 [2]

Рис

. 2.

Опытный

дуговой

генератор

действии

Рис

. 3.

Принципиальная

схема

лабораторного

(

испытательного

)

стенда

ПОЖАРНАЯ

БЕЗОПАСНОСТЬ

Page 5

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

) 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

Оригинал статьи: Моделирование срабатывания УЗДП в электрических сетях 0,4 кВ

Ключевые слова: электрический пожар, дуговой пробой, УЗДП, электрическая безопасность

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.