SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Устройство дуговой защиты микропроцессорное

В статье рассмотрено устройство дуговой защиты микропроцессорное «ОВОД-МД», построенное с применением волоконно-оптических датчиков. Описаны его технические характеристики и эксплуатационные возможности.

ООО НПП «ПРОЭЛ», г. Санкт-Петербург

Проэл.gif

Одним из важнейших и обязательных компонентов любой системы релейной защиты и автоматики электрических подстанций является устройство дуговой защиты (УДЗ). Оно предотвращает одну из самых худших и тяжелых по своим последствиям аварийных ситуаций, возникающих в комплектных распределительных устройствах (КРУ) подстанций – короткое замыкание (КЗ). Подобные аварийные ситуации могут не только причинить существенный материальный ущерб, но и привести к тяжелым последствиям для людей – травматизму и даже гибели обслуживающего персонала. Причин у электродуговых коротких замыканий множество, но среди основных можно выделить несколько. Первая и одна из самых массовых – человеческий фактор: ошибки персонала, просчет в проектировании и т. д. Вторая – плохое качество электрических соединений (контактов), которое во многом является следствием попадания влаги, грязи, пыли и т. д. И третья из наиболее часто встречающихся причин короткого замыкания – проникновение внутрь КРУ животных и птиц. 

Всё это вызывает дуговой разряд, до 90 % которого переходит в тепло, вызывая моментальное возгорание оборудования. Классифицировать ущерб в результате дугового короткого замыкания можно по времени горения дуги. С этой точки зрения КЗ разделяют на четыре основных вида: 
- до 35 мс – по статистике, почти гарантированное отсутствие какого-либо повреждения;
- до 100 мс – небольшой ущерб, в результате требуется проведение профилактических работ (чистка контактов выключателей и т.д.);
- до 500 мс – значительный ущерб, в том числе травматизм и гибель людей. После такой аварии для ввода объекта в эксплуатацию требуется частичная замена оборудования;
- 1000 мс и более – последствия предсказать невозможно. 

Такая статистика показывает, что на КРУ электрических подстанций требуются гарантированно надежные средства от коротких замыканий, которые позволяли бы предотвращать аварийные ситуации. То есть необходимо специализированное цифровое устройство дуговой защиты (УДЗ). 

Данное обстоятельство способствует развитию микропроцессорных УДЗ, основанных на оптоэлектронном принципе построения, среди основных преимуществ которых – высокое быстродействие и селективность отключения, а также, благодаря реагированию на ближний инфракрасный диапазон электрической дуги, сохранение работоспособности при загрязнениях в виде пыли и сажи на волоконно-оптических датчиках (ВОД). Применение УДЗ данного типа в современном производстве позволяет надежно защищать шкафы КРУ и КРУН электрических подстанций 0,4–35 кВ от электродуговых замыканий. Также отметим, что, по статистике аварий, почти в 100 % случаев КЗ происходят в низковольтных секциях и мощность дугового разряда может достигать нескольких мегаватт, поэтому обоснованность применения оптоэлектронных устройств дуговой защиты диктуется не только экономической целесообразностью, но и жесткими требованиями безопасности. 

Как и в любой отрасли, на рынке устройств дуговой защиты есть свои лидеры. Сегодня в статье будут описаны и указаны основные технические и эксплуатационные возможности устройства дуговой защиты микропроцессорного «ОВОД-МД» производства ООО НПП «ПРОЭЛ» (рис. 1). Устройство выпускается в двух модификациях: первая обеспечивает выдачу команд на отключение двух ступеней силовых электрических цепей, вторая – на отключение трех ступеней.

Ris_1.jpg

Рис. 1. Устройство дуговой защиты микропроцессорное «ОВОД-МД»: оптоэлектронный блок и волоконно-оптические датчики с кабелем


Основные технические характеристики и эксплуатационные возможности УДЗ семейства «ОВОД»

Принципиально устройство «ОВОД-МД» работает следующим образом: волоконно-оптические датчики (рис. 2), установленные в различных ячейках секции КРУ, фиксируют вспышку света от дугового разряда и передают ее по волоконно-оптическому кабелю к блоку детектирования света и тестирования (БДСТ). Световой поток от электрической дуги принимается в ближнем инфракрасном диапазоне, что позволяет сохранять работоспособность при осаждении на объектив ВОД пыли и сажи. В БДСТ световой сигнал от электрической дуги, зарегистрированный с помощью объектива ВОД и переданный в БДСТ по оптическому кабелю, преобразуется в электрический. Затем сигнал усиливается и сравнивается с опорным напряжением. Опорное напряжение выбрано таким образом, чтобы устройство сработало при мощности светового потока, вызываемого электрической дугой с током короткого замыкания приблизительно 200 А. Данные о регистрации электрической дуги передаются по шине цифровой связи CAN блокам дискретных выходов (БДВых) и дискретных входов (БДВх). 

Ris_2.jpg

Рис. 2. Устройство волоконно-оптического датчика

Для подтверждения наличия тока КЗ в алгоритм работы устройства могут быть введены сигналы от шести дискретных входов, расположенных в блоке БДВх. К этим входам из схем РЗА КРУ подключаются сигналы от максимальной токовой защиты (без выдержки времени) или защиты минимального напряжения (ЗМН). 

Каждый блок детектирования света и тестирования периодически тестирует каждый ВОД на предмет целостности объектива и оптического кабеля, а также исправности электронной схемы.

Подтверждение (блокирование) действия устройства на отключение сигналами максимальной токовой защиты (МТЗ) или защиты минимального напряжения (ЗМН) может быть снято изменением настройки в пункте меню «Контроль по току». При этом сигналы от дискретных входов внутри устройства принимают активное состояние независимо от наличия или отсутствия сигналов на дискретных входах.

В БДВх дополнительно расположены семь выходных реле, два из которых предназначены для формирования дискретных сигналов «Неисправность» и «Срабатывание», а остальные пять могут выполнять функции формирования дискретных сигналов отключения или запрета действия схем автоматического повтора включения (АПВ) и автоматического включения резерва (АВР).

БДВых содержит 6, 14 или 20 выходных реле для формирования дискретных сигналов отключения или запрета действия схем автоматического повтора включения (АПВ) и автоматического включения резерва (АВР).

Блок управления «ОВОД-МД» предназначен для индикации текущего состояния устройства и управления с помощью клавиатуры режимами его работы. Для этого пульт индикации и управления оснащен двухстрочным дисплеем, позволяющем отображать 40 символов, и клавиатурой из 6 кнопок. Информация о состоянии устройства формируется двумя источниками: светодиодами оперативного контроля (отображается информация, уведомляющая о срабатывании устройства, его неисправности, состоянии контроля по току, наличии выведенных ВОД) и дисплеем (полная информация о состоянии устройства, его блоков и зарегистрированных событиях, доступ к которой осуществляется через меню). Доступ к осциллограммам, сохраненным в памяти устройства, осуществляется с помощью ПК, подключенного к порту USB блока управления. Управление индикацией, сброс индикации и выходных сигналов, ввод или вывод датчиков, перевод в режим тестирования, а также задание настроек и параметров осуществляется через пункты меню.

В случае отказа выключателя для отключения вышестоящего выключателя в устройстве имеется функция устройства резервирования при отказе выключателя. Критерием действия его схемы является длительность сигнала от МТЗ или ЗМН. Измерение длительности задержки начинается с момента поступления сигнала от МТЗ или ЗМН и только при наличии зафиксированного датчиками светового потока от электрической дуги. Установка длительности задержки в или выключение данной функции осуществляется через меню блока управления.

Устройства «ОВОД-МД» обеспечивают автоматическую проверку работоспособности оптоэлектронного тракта: один раз в 15 секунд световой импульс от светодиода, находящегося в блоке детектирования света и тестирования, поступает в оптическое волокно кабеля ВОД, отражается от объектива и по второму волокну кабеля ВОД приходит на вход фотодетектора упомянутого блока.

Тестирование работоспособности оптоэлектронного тракта с помощью импульсных оптических сигналов можно проводить и в ручном режиме проверки. Порог срабатывания устройства одинаков для тестового сигнала и для сигнала от дугового разряда, следовательно, нет необходимости имитировать световой поток с помощью вспышки. Все можно сделать с пульта управления устройством.

Одной из интересных особенностей устройств «ОВОД-М» и «ОВОД-МД» является отсутствие необходимости имитировать дуговой разряд с помощью вспышки, тем самым отключая потребителей от электропитания. Эта функция может быть регулярно востребована в соответствии с «Правилами технического обслуживания устройств релейной защиты и электроавтоматики электрических сетей 0,4–35 кВ» (РД 153-34.3-35.613-00), которые рекомендуют не реже одного раза в год проводить опробования работы устройств РЗА на необслуживаемых подстанциях. Плюс неоспоримым достоинством является значительное ускорение процесса проведения пусконаладочных работ и в конечном итоге – снижение затрат на эксплуатацию устройств дуговой защиты.

Устройство «ОВОД-МД» оснащено пультом индикации и управления в виде двухстрочного дисплея, позволяющего отображать 40 знаков, а также клавиатурой из шести кнопок (в устройстве «ОВОД-М» – двухразрядный семисегментный индикатор и кнопки). Кроме того, устройство обеспечивает интуитивный пользовательский интерфейс и предоставляет больший объем информации, в том числе «часы реального времени» и журнал событий.

УДЗ семейства «ОВОД-МД» обеспечивают:
- формирование 25 сигналов отключения от 44 групп датчиков и наличие 6 дискретных входов от максимальной токовой защиты (МТЗ) или защиты минимального напряжения (ЗМН);
- формирование по заданию заказчика или проектной организации гибкой логики работы устройства с возможным проведением ее коррекции на объектах заказчика;
- наличие возможности формировать дополнительные сигналы «Запрет АПВ» или «Запрет АВР»;
- формирование задержки до 999 мс при выдаче команд на отключение;
- формирование сигнала резервного отключения вышестоящего выключателя при отказе выключателя более низкой ступени по длительности сигнала от МТЗ;
- при пропадании питающего напряжения сохранение в памяти устройства информации о текущем состоянии и последующее приведение устройства в исходное состояние после подачи питающего напряжения;
- сохранение работоспособности в течение не менее 2 секунд с момента пропадания оперативного тока;
- ввод/вывод из действия любого количества волоконно-оптических датчиков;
- наличие связи по стандартным последовательным каналам RS-485 с АСУ по протоколу Modbus RTU, что позволяет дистанционно вести управление и контроль состояния устройства (скорость обмена – от 4800 до 38400 бит/с);
- автоматическую фиксацию временнóй диаграммы всех активированных дискретных сигналов при срабатывании: датчиков, входов МТЗ и выходов отключения;
- формирование дискретных сигналов неисправности устройства, пропадания оперативного тока, а также формирование общего сигнала о его срабатывании;
- индикацию текущего состояния устройства;
- одновременную защиту двух секций;
- защиту от ложных срабатываний при освещении ВОД лампой мощностью 60 Вт с расстояния не ближе 10 см, а также при выходе из строя электрических компонентов в цепи формирования сигналов отключения;
- сохранение работоспособности при появлении сажи и пыли на объективе датчика;
- минимум затрат при быстром и простом монтаже устройства без изменений конструкции ячеек КРУ, так как практически круговая диаграмма направленности ВОД не требует точной ориентации датчиков при установке;
- цифровую и светодиодную индикацию рабочих состояний (неисправность, срабатывание и т. д.).

Физика развития дугового разряда зависит от многих параметров: тока короткого замыкания, длины перекрытия дугового разряда, окружающей влажности, степени загрязнения оборудования токоведущих частей и т. д. Многое зависит от конструкции самих ячеек КРУ. Делать какие-либо прогнозы по передвижению электрической дуги с верхних контактов выключателя на нижние, или наоборот, невозможно. 

Конструктивно ячейки КРУ с воздушной изоляцией между отсеками в местах соединения контактов выключателя с токоведущими частями провоцируют вероятность регистрации вспышки от дугового разряда сразу несколькими датчиками. Современные ячейки с полностью изолированными отсеками и соединением токоведущих частей через проходные изоляторы позволяют датчикам точно определять место возникновения электрической дуги. Здесь практически отсутствует вероятность срабатывания сразу двух датчиков, но и в этом случае невозможно определить, где произошло дуговое КЗ, на верхних или нижних контактах выключателя.

Устройства семейства «ОВОД-МД» предоставляют широкие возможности в формировании логики работы по защите КРУ от дуговых КЗ. Например, в упомянутом случае можно ввести задержку команды на отключение. Так, при возникновении электрической дуги в отсеке выключателя ввода можно сформировать команду на его отключение и с задержкой − команду на отключение вышестоящего выключателя.


Особенности монтажа УДЗ «ОВОД-МД»

В комплект поставки устройства входят волоконно-оптические датчики с заранее определенными длинами оптических кабелей, которые зависят от места установки шкафа УДЗ. Место планируется заказчиком или проектной организацией. Для определения длин оптических кабелей ВОД предприятию-изготовителю предоставляется план подстанции с размерами и указанными на нем местом установки шкафа устройства и трассами прокладки оптического кабеля.

Шкаф УДЗ может быть расположен в любом удобном месте: релейном отсеке одной из ячеек, на боковой стенке крайней ячейки или на стене помещения КРУ. Кабели ВОД от шкафа устройства к ячейкам прокладываются по существующим кабельным каналам, кабельным лоткам или дополнительно проложенным в удобном месте кабельным коробам. По пути прокладки необходимое количество ВОД ответвляется к каждой ячейке.

При прокладке оптического кабеля допустимое усилие натяжения составляет не более 200 н (20 кг), а радиус изгиба − не менее 10 мм. Радиус изгиба оптического кабеля в рабочем состоянии должен быть не менее 15 мм. Волоконно-оптические датчики устанавливаются в ячейках с помощью угольников и пластиковых стяжек. При прокладке оптических кабелей ВОД внутри высоковольтных отсеков защита с помощью гофрированных труб не обязательна.

Устройства «ОВОД-МД» − серийно выпускаемая продукция ООО НПП «ПРОЭЛ». Они имеют сертификаты соответствия в системе обязательной сертификации ГОСТ Р. Данные УДЗ эксплуатируются в России предприятиями энергетического комплекса, нефтяной и газовой отрасли, поставляются в Республику Беларусь, Украину и Казахстан.

Б. В. Михайлов, генеральный директор,
ООО НПП «ПРОЭЛ», г. Санкт-Петербург,
тел.: +7 (812) 331‑5033,
e‑mail: info@proel.spb.ru,
сайт: proel.spb.ru