Журнал «ИСУП» (Информатизация и системы управления в промышленности)
КИПиА, метрология, АСУ ТП, энергетика, АСКУЭ, промышленный интернет, контроллеры, экология, электротехника, автоматизации в промышленности, испытательные системы, промышленная безопасность

Устройства дуговой защиты от НПП «ПРОЭЛ»

Персонал и оборудование электрических подстанций должны быть защищены от последствий дугового разряда. В статье приводится краткий технический обзор эксплуатационных возможностей устройств дуговой защиты производства ООО НПП «ПРОЭЛ», предназначенных для выполнения этой задачи. В основу работы устройств положен принцип регистрации резкого изменения освещенности в зоне возможного появления дугового разряда с помощью оптоволоконных датчиков точечного и петлевого типов. Представлены три семейства устройств дуговой защиты – «ОВОД-МД», «ОВОД-Л» и «ПРОЭЛ-МИНИ» с различной архитектурой построения.

ООО НПП «ПРОЭЛ», г. Санкт-Петербург

Проэл.gif

скачать pdf >>

В настоящее время самым действенным видом защиты персонала и оборудования от последствий дугового разряда является дуговая защита, основанная на регистрации оптического излучения электрической ду­ги. Устройства дуговой защиты (УДЗ), построенные по принципу определения освещенности внутри отсеков ячеек комплектных распределительных устройств (КРУ), считаются наиболее эффективным решением.


Принцип работы УДЗ

В зоне возможного появления дугового разряда установлен датчик светового потока. При возникновении аварийной ситуации он мгновенно реагирует на вспышку и передает сигнал на анализирующее устройство, которое оценивает уровень опасности и в случае превышения заданного порога освещенности генерирует команду на размыкание цепи.

Для работы устройства дуговой защиты применяются фотодетекторы, изготовленные на основе кремниевых фотодиодов с широким спектральным диапазоном (от 0,4 до 1,1 мкм), который позволяет в максимальной степени справиться с задачей выявления дугового разряда. Кремниевый фотодиод обеспечивает наиболее высокую чувствительность к длинам волн в ближней инфракрасной области, благодаря че­му уменьшаются требования к чистоте поверхности световых датчиков. Таким образом, не приходится производить дополнительную очистку регистрирующих датчиков в течение всего срока эксплуатации, и это еще одно неоспоримое преимущество применения кремниевых фотодиодов в УДЗ.

Высокий уровень защиты от электромагнитных помех гарантируется благодаря применению волоконно-оптической технологии, которая снижает вероятность ложного срабатывания дуговой защиты по сравнению с решениями, использующими полупроводниковые элементы – фототиристоры, фотодиоды, матрицы ПЗС и прочие – в составе датчиков, расположенных непосредственно в контролируемой зо­не. Рядом с токоведущими элементами устанавливается волоконно-оптический датчик, изготовленный из диэлектрических материалов – полимеров и кварцевого стекла.

Дуговая защита дает возможность определить место возникновения разряда с высокой точностью, что позволяет произвести точечное отключение части распределительного устройства, в которой произошло короткое замыкание. Чтобы реализовать точечное отключение, в каждый оптически изолированный отсек ячейки распределительного устройства устанавливается волоконно-оптический датчик, контролирующий весь объем охраняемого отсека.

Для повышения надежности работы УДЗ используются данные от двух входных сигналов:
- светового, идущего от дугового разряда;
- электрического, оповещающего о наличии тока короткого замыкания.

Дублированный подход сводит к абсолютному минимуму вероятность ложного срабатывания и одновременно позволяет реализовать алгоритм выборочного отключения проблемной зо­ны, благодаря которому все остальные ячейки сохраняются в рабочем состоянии.


Волоконно-оптические датчики

В УДЗ НПП «ПРОЭЛ» для регистрации дугового разряда применяются оптоволоконные датчики двух типов: точечные и петлевые.

Точечный волоконно-оптический датчик (ВОД) представляет собой приемник оптического излучения с объективом, через который световое излучение вводится из окружающего пространства в оптоволоконный кабель (рис. 1). По оптоволокну световой поток распространяется до фотоприемника, который также находится в устройстве. Элементы, используемые в точечных волоконно-оптических датчиках, относятся к диэлектрикам, то есть они нечувствительны к электромагнитным полям (наводкам), чем обусловлено их широкое применение в подобных системах. ВОД служат для регистрации дугового разряда в оптически изолированных отсеках ячеек КРУ, КРУН, КСО, а также могут использоваться для регистрации дугового разряда в отсеках сборных шин без проходных изоляторов.

Ris_1.jpg

Рис. 1. Точечный волоконно-оптический датчик: а – внешний вид; б – диаграмма направленности

Линза объектива имеет угол захвата, близкий к 5 стерадианам, то есть обеспечивает практически круговую диаграмму направленности. Такая конструкция позволяет контролировать замкнутый объем ячейки, благодаря че­му отсутствует необходимость ориентировать ВОД на место возможного появления дугового разряда. Кабель оконцован коннекторами для подключения к модулю оптоэлектронного преобразования устройства дуговой защиты.

У волоконно-оптического датчика петлевого (ВОДП) чувствительным элементом является вся боковая поверхность волоконно-оптического кабеля (рис. 2). Свет от дугового разряда проникает через внешнюю оболочку кабеля и попадает в сердцевину волокна, по которому распространяется к фотоприемнику, расположенному в устройстве дуговой защиты.

Ris_2.jpg

Рис. 2. Петлевой волоконно-оптический датчик


Три семейства УДЗ компании «ПРОЭЛ»

ООО НПП «ПРОЭЛ» предлагает три семейства устройств дуговой защиты, отличающихся друг от друга архитектурой построения, – «ОВОД-МД», «ОВОД-Л» и «ПРОЭЛ-МИНИ». Каждое из семейств содержит модификации, разнящиеся в первую очередь способом установки, благодаря че­му можно выбрать оптимальный вариант для конкретного проекта. При этом основные технические характеристики, чувствительность и время срабатывания одинаковы у всех устройств. Чувствительность датчиков точечного типа – не ху­же 0,5 мВт/см2, датчиков петлевого ти­па – не ху­же 10 000 люкс. Собственное время срабатывания устройств составляет 9,0 мс. Эти характеристики позволяют вовремя обнаружить высоковольтный дуговой разряд и нейтрализовать его действие: анализирующее устройство выдает команду на отключение высоковольтных выключателей, и участок электрической це­пи, на котором возник дуговой разряд, обесточивается.

Подробней функциональность и конструктивные особенности уст­ройств дуговой защиты каждого семейства будут рассмотрены ниже.


УДЗ «ОВОД-МД»

В семейство устройств «ОВОД-МД» входят несколько модификаций для установки в отдельном малогабаритном шкафу (рис. 3) и в ви­де модуля для установки в отсеке низковольтного оборудования ячейки или в шкафу с клеммными зажимами. Общий элемент семейства – блочный каркас с электронными модулями, к которым подключается выносной блок управления и разъемы интерфейсов связи. «ОВОД-МД» способен непрерывно работать в неотапливаемых помещениях как с ВОД, так и с ВОДП и обладает высокой селективностью благодаря радиальному принципу построения. Система ведет журналы срабатываний и неисправностей с привязкой к энергонезависимым часам реального времени, эти данные передаются на ПК через встроенный USB-порт. Осуществляется непрерывный автоматический контроль работоспособности датчиков, предусмотрена защита от ложных срабатываний при освещении лампой накаливания. Можно программировать и изменять логику работы выходных ре­ле в соответствии с требованиями заказчиков.

В модуле оптоэлектронного преобразования (в документации он носит название «блок детектирования света и тестирования» – БДСТ) световой сигнал преобразуется в электрический аналоговый сигнал. Микроконтроллер БДСТ преобразует аналоговый сигнал в цифровой, фильтрует его и сравнивает с порогом срабатывания. Если порог превышен, формируется команда для дальнейших действий. Данные о регистрации ду­ги передаются по CAN-шине блокам дискретных выходов и входов. В алгоритм работы могут быть введены сигналы от шести дискретных входов. В совокупности такой подход позволяет формировать гибкую логику работы устройства.

Емкость журнала неисправностей составляет 500 событий. Получить данные можно как через ме­ню блока управления, так и с компьютера через порт USB. Органы управления и индикации расположены на блоке управления. Светодиодные индикаторы информируют о состоянии устройства, клавиатура позволяет оператору воспользоваться меню.

«ОВОД-МД-А/Б» (рис. 3) – это компактное устройство, к которому можно подключить до 48 датчиков. Оно содержит 25 выходных ре­ле, 6 дискретных входов, а кроме то­го, имеет дополнительный клеммный шкаф для подключения внешних электрических цепей («ОВОД-МД-Б»). УДЗ «ОВОД-МД-А» представляет собой навесной шкаф одностороннего обслуживания с дверцей. Внутри смонтирован блочный каркас, в котором установлены электронные блоки. На двери расположен блок управления, подключенный к блоку дискретных входов соединительным кабелем, органы управления и индикации. На нижней панели шкафа находятся 10 кабельных вводов ти­па PG-21 и шпилька М6 для подключения заземления.

Ris_3.jpg

Рис. 3. УДЗ «ОВОД-МД-А/Б»: блочный каркас с контроллером и различными функциональными модулями, установленный в малогабаритном шкафу

УДЗ «ОВОД-МД-В/Г» устанавливается в отсек низковольтного оборудования и поддерживает подключение до 88 датчиков. Подключение внешних электрических цепей в устройстве от схем РЗА выполняется с помощью электрических проводов сечением до 2,5 мм2 к разъемам, расположенным на блоках входов, выходов и блоке питания. Блочный каркас изготовлен из анодированного алюминия.

УДЗ «ОВОД-МД-Д» выполнено в навесном шкафу и имеет широкий набор опций для различных условий применения. Поддерживает подключение до 88 датчиков и содержит до 25 выходных ре­ле, оснащен 6 дискретными входами и автоматическим выключателем в це­пи питания.

Внутри навесного шкафа установлены: блочный каркас с модулями дуговой защиты, наборные клеммы с пружинными контактами. УДЗ «ОВОД-МД-Д» может быть оснащено автоматическим выключателем в це­пи питания и комплектом антиконденсатного обогрева. Блок управления вынесен на дверь и соединен кабелем с блоком входов, здесь же расположены органы управления и индикации. На нижней панели шкафа находятся кабельные вводы.

УДЗ «ОВОД-МД-Е» выполнено в навесном шкафу одностороннего обслуживания и поддерживает подключение до 88 датчиков точечного или петлевого ти­па. Входные и выходные сигналы дуговой защиты снимаются и подаются на преобразователь дискретных сигналов по Ethernet. Внешние устройства с помощью GOOSE-сообщений могут формировать сигналы о наличии то­ка короткого замыкания, которые преобразователь трансформирует в физические сигналы посредством своих выходных реле.


УДЗ «ОВОД-Л»

Устройства дуговой защиты данного семейства предусматривают большое количество датчиков, дискретных входов и выходов, ограничиваемое лишь количеством блоков (110 шт.). Такое УДЗ представляет собой совокупность функциональных блоков (рис. 4), объединенных шиной цифровой связи CAN для обмена сигналами срабатывания датчика, состояния дискретного входа и т. п. Блоки расположены в отсеках низковольтного оборудования ячеек. При этом датчики, регистрирующие дуговой разряд в одной ячейке, подключаются к блокам, размещенным в той же ячейке. Группы блоков (или одиночные блоки), которые находятся в соседних ячейках, соединены электрическим кабелем, через который проходят сигналы цифровой последовательной связи и напряжение питания блоков устройства.

Ris_4_под-вопросом.jpg

Рис. 4. УДЗ «ОВОД-Л»

Оператор взаимодействует с УДЗ через ме­ню. Информация о сработавшем датчике содержит номер ячейки и название отсека, в котором датчик расположен, что повышает удобство использования.

УДЗ «ОВОД-Л» выполняет множество функций, перечислим только основные:
- полный автоматический контроль работоспособности оптоэлектронного тракта (ВОД, блоков и электрического кабеля линии связи);
- выдача команд на отключение выключателей трех ступеней силовых электрических цепей (1-я ступень – выключатель высокого напряжения; 2-я ступень – выключатель ввода или секционный выключатель; 3-я ступень – выключатель отходящей линии);
- определение места возникновения электрической дуги (номер и отсек ячейки);
- формирование сигналов запрета АПВ и запрета АВР.

Модификация УДЗ «ОВОД-Л-NC» используется в качестве регистратора дугового разряда совместно с микропроцессорным терминалом РЗА и допускает подключение датчиков как точечного, так и петлевого ти­па. Данное решение предназначено для защиты шкафов КРУ электрических подстанций 0,4–35 кВ совместно с микропроцессорным терминалом РЗА. При обнаружении разряда срабатывает выходное ре­ле. УДЗ «ОВОД-Л-NC» можно настроить на работу в импульсном режиме, при котором после замыкания контакты ре­ле разомкнутся через заданный период времени. Также есть возможность настроить его на работу с фиксацией, то есть после срабатывания контакты будут замкнуты до снятия питания.


Семейство УДЗ «ПРОЭЛ-МИНИ»

Данное семейство содержит компактное УДЗ (рис. 5), разработанное для защиты одной ячейки распределительного устройства и поддерживающее подключение до 4 датчиков. Обмен данными осуществляется по интерфейсу RS-485 под управлением протокола Modbus RTU. УДЗ «ПРОЭЛ-­МИНИ» служит для защиты комплектных распределительных устройств электрических подстанций 0,4–35 кВ от коротких замыканий, сопровождающихся открытой электрической дугой. Для организации схемы работы устройства по двум сигналам (сигнал от ВОД и сигнал о наличии короткого замыкания) предусмотрено два дискретных входа. При наличии CAN-порта (опция) УДЗ «ПРОЭЛ-­МИНИ» можно использовать как модуль для расширения устройств дуговой защиты «ОВОД-МД» или «ОВОД-Л».

Ris_5.jpg

Рис. 5. УДЗ «ПРОЭЛ-МИНИ» на DIN-рейке

Опубликовано_в журнале ИСУП № 6(96)_2021

В. Е. Милохин, технический директор,
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


SCADA
Поддержка технологии MODBUS, OPC DA, OPC HDA
www.simplight.ru