Отдел продаж: +7 495 174 55 50Тех поддержка: 8 800 555 25 11
Дуговые короткие замыкания в низковольтных распределительных устройствах (РУ-0,4 кВ) относятся к наиболее разрушительным авариям: помимо электрических воздействий они формируют термодинамический удар — быстрый рост температуры и давления в замкнутых объёмах.
В статье предложена инженерная методика, позволяющая быстро и однозначно определить необходимость дуговой защиты для подстанций 0,4 кВ в зависимости от мощности силового трансформатора. Методика включает расчёт токов КЗ на шинах 0,4 кВ, аналитическую оценку роста температуры и давления в отсеках (объёмы вводного отсека – 1 м³ и шинного отсека – 6 м³) в интервале 5–300 мс, учёт наличия клапанов сброса давления с использованием барического коэффициента, вывод формулы требуемого быстродействия ликвидации дуги и экономическое обоснование применения универсального устройства дуговой защиты «ЛАЙМ-2.0».
Электрическая дуга - это устойчивый плазменный канал между токоведущими частями. В условиях РУ-0,4 кВ дуга возникает при повреждении изоляции, ослаблении контактных соединений, попадании посторонних предметов, ошибках при обслуживании и т.п.
Опасность дуги обусловлена не только тепловым воздействием на проводники и изоляцию, но и быстрым нагревом воздуха и продуктов испарения металла, что приводит к росту давления и механическим разрушениям [1, 2].
Экспериментальные данные и практические испытания внутренних дуг в оболочках распределительных устройств показывают, что критические последствия могут наступать за десятки миллисекунд, тогда как типовое время отключения вводных автоматов с селективными задержками часто составляет сотни миллисекунд [2, 3].
Температура плазмы дуги в электроустановках обычно оценивается в диапазоне 6000-20 000 °C. Для инженерной оценки можно показать порядок величины энергии через мощность дуги и характерные параметры этого явления. Мощность дуги определяется по формуле
,
где Pд - мощность дуги, Вт;
Uд - напряжение дуги, В;
IКЗ - ток дуги при коротком замыкании, А.
Для РУ-0,4 кВ часто принимают Uд ≈ 250…350 В (в предлагаемой методике Uд ≈ 300 В) [1]. При токе IКЗ = 30 кА получаем мощность дуги Pд ≈ 9 МВт. При выполнении расчётов исходя из закона Стефана-Больцмана и с учётом излучательной способности плазмы дуги при такой высокой мощности, выделяемой в небольшом объёме, плотность теплового потока может достигать 100÷1000 МВт/м²:
где q - плотность теплового потока, Вт/м²;
σ - постоянная Стефана-Больцмана;
T - температура, K.
При плотности теплового потока 100÷1000 МВт/м² определяется температура плазмы порядка 10 000-15 000 °C, что согласуется с экспериментальными данными по дуговым разрядам [1, 4].
Важно: для расчёта последствий дугового замыкания в электротехническом шкафу интересует не температура плазмы как таковая, а то, насколько быстро энергия дуги преобразуется в рост температуры и давления воздуха в отсеках.
Для первичного обоснования дуговой защиты достаточно оценить ожидаемый ток КЗ на шинах 0,4 кВ от питаемого силового трансформатора. Для трёхфазного КЗ на стороне НН трансформатора используют выражение [5]:
где IКЗ - ток короткого замыкания на шинах, А;
Sтр - номинальная мощность трансформатора, ВА;
U - линейное напряжение, В (для шин 0,4 кВ принимается линейное напряжение 400 В);
UКЗ - напряжение короткого замыкания трансформатора.
Для распределительных трансформаторов UКЗ обычно находится в диапазоне 4…6 % от номинального напряжения, что соответствует данным производителей и справочным материалам по расчёту КЗ [5]. В расчётах далее принимается UКЗ = 0,05.
Анализ данных из таблицы 1 показывает, что уже уже при Sтр ≥ 630 кВА токи КЗ на шинах 0,4 кВ переходят в диапазон десятков килоампер, а значит, энергия дуги при задержках отключения порядка 0,1–0,3 с становится разрушительной [2].
Таблица 1 - Расчётные токи КЗ на шинах 0,4 кВ при Uкз = 0,05
Мощность трансформатора, кВА
Ток КЗ, кА
250
7
400
11
630
18
1000
29
1600
46
2500
72
Энергия, выделяемая дугой за время t, определяется как произведение мощности дуги на время. Для практической оценки вводится коэффициент η, отражающий долю энергии, идущую на нагрев воздуха в отсеке. Тогда [1]
где Q - тепловая энергия, переданная воздуху, Дж;
η - коэффициент тепловыделения в воздух (в предлагаемой методике принимается η = 0,35);
Uд - принято 300 В;
t - длительность дуги, с.
Даже если часть энергии, выделяемая дугой, уходит на нагрев, испарение металла и излучение, с точки зрения безопасности достаточно оценивать «опасную» долю, нагревающую воздух - именно она прямо влияет на рост температуры и давления в электротехническом шкафу и может привести к разлёту дверей или панелей и травмированию персонала [2, 3].
Рост температуры воздуха в отсеке электротехнического шкафа определяется на основании закона сохранения энергии:
где T(t) - температура воздуха, °C;
T0 - начальная температура воздуха в отсеке (принято 20 °C);
ρ - плотность воздуха (принято 1,2 кг/м³);
V - объём отсека, м³;
Св - теплоёмкость воздуха (принято 1000 Дж/кг·К).
Вывод: температура растёт линейно со временем и током дуги, и обратно пропорциональна объёму отсека. Поэтому наиболее опасный с точки зрения быстрого перегрева - малый объём отсека.
Для оценки давления используется уравнение состояния идеального газа. При постоянном объёме отношение давлений пропорционально отношению абсолютных температур, с поправкой на барический коэффициент:
где P(t) - абсолютное давление в момент времени t в отсеке, атм (абс.);
P0 - начальное атмосферное давление (1 атм);
T(t) - абсолютная температура воздуха в момент времени t, K;
T0 - начальная абсолютная температура, K;
kb - барический коэффициент, учитывающий наличие клапанов сброса давления.
Барический коэффициент вводится потому, что часть электротехнических шкафов оснащают клапанами/мембранами сброса давления. Однако их эффективность ограничена инерцией срабатывания (время открытия - десятки миллисекунд), а также тем, что основная часть энергии может быть передана воздуху до полного открытия, и направление плазменной струи не всегда совпадает с зоной клапанов [2]. Для отсеков с клапанами сброса давления в инженерной практике принято использовать коэффициент kb = 0,75. Данный показатель означает, что благодаря работе клапанов пиковое давление снижается на 25 % в сравнении с герметичным отсеком, где kb =1,0.
То есть наличие клапанов в электротехническом шкафу приводит к снижению расчётного давления не более чем на 25 %. Такой подход обоснован тем, что при расчетах не предполагается «идеальная» работа клапанов и учитывается время задержки при их срабатывании.
В методике используются два простых и практичных критерия безопасности:
температура воздуха в отсеке электротехнического шкафа не должна превышать 120 °C;
абсолютное давление в отсеке электротехнического шкафа не должно превышать 2 атм (то есть избыточного давления, равного 1 атм). Критерий давления соответствует уровню, при котором возможны разрушения оболочки электротехнического шкафа и выброс продуктов дуги [2, 3].
где Tб - безопасная температура в отсеке электротехнического шкафа;
Pб - безопасное абсолютное давление в отсеке электротехнического шкафа.
С учётом критерия безопасности по температуре T(t)=Tб получаем допустимое время существования дуги по температуре tT, с:
.
Из критерия безопасности по давлению P(t)=Pб получаем допустимое время существования дуги по давлению, tP, с:
где T0 - начальная температура;
P0 = 1 атм.
Требуемое время ликвидации дугового замыкания (допустимое время существования дуги) выбирается как минимальное из двух ограничений:
Для практического применения методики приняты типовые объёмы отсеков электротехнического шкафа: вводной отсек V=1 м³ и шинный отсек V=6 м³. Расчёт выполнен в диапазоне времени 5-300 мс для характерного тока КЗ IКЗ≈29 кА (трансформатор 1000 кВА при UКЗ = 0,05). На рисунках 1-2 представлены графики с темпом нарастания температуры воздуха в водном отсеке объемом V=1 м³ и шинном отсеке объемом V= 6 м³.
Рисунок 1 - Температура воздуха во вводном отсеке электротехнического шкафа (V=1 м³)
Рисунок 2 - Температура воздуха в шинном отсеке электротехнического шкафа (V=6 м³)
На рисунках 3-4 приведены графики с темпом нарастания давления воздуха в водном отсеке объемом V=1 м³ и шинном отсеке объемом V= 6 м³ при условии наличия клапана kb =0.75 или его отсутствия kb =1.
Рисунок 3 - Давление во вводном отсеке электротехнического шкафа (V=1 м³) при kb =0.75 и kb =1
Рисунок 4 - Давление в шинном отсеке электротехнического шкафа (V=6 м³) при kb =0.75 и kb =1
Анализ данных, представленных на рисунках 1-4 показывает, что вводной отсек электротехнического шкафа имеет существенно меньший объём и по этой причине в нём происходит наиболее быстрый рост температуры и давления в случае возникновения электрической дуги. Данный вывод подтверждается практическим опытом эксплуатации электроустановок: именно вводные отсеки, содержащие автоматические выключатели и контакты ввода, являются критическими с точки зрения возможных последствий дугового замыкания.
Шинный отсек электротехнического шкафа обладает значительно большим объёмом, что теоретически позволяет увеличить допустимое время существования дуги без достижения критических параметров. Однако при больших токах короткого замыкания даже в этом отсеке наблюдается быстрое нарастание температуры и давления воздуха, что требует тщательного учёта при проектировании систем дуговой защиты и расчёте времени срабатывания защитных устройств.
Для инженерной оценки требований к быстродействию дуговой защиты на стадии проектирования удобно свести аналитическую зависимость времени существования дуги к простой пропорции tд ∝ V/IКЗ. Для принятых значений параметров η, Uд, ρ, Св, а также с учётом критериев безопасности по температуре (Tб = 120 °C) и давлению (Pб = 2 атм (абс.)), получим приближённую формулу для допустимого времени существования дуги, мс:
где V – объем защищаемого отсека, м3;
Графическая иллюстрация зависимости требуемого времени ликвидации электрической дуги от тока короткого замыкания (рисунки 4-5) для вводного (V=1 м³) и шинного (V=6 м³) отсеков электротехнического шкафа наглядно демонстрирует влияние объема защищаемого пространства на динамику термодинамических процессов при дуговом замыкании.
Рисунок 5 - Требуемое время ликвидации дуги в зависимости от тока КЗ (вводной отсек, V=1 м³)
Рисунок 6 - Требуемое время ликвидации дуги в зависимости от тока КЗ (шинный отсек, V=6 м³)
В РУ-0,4 кВ широко применяются селективные схемы: отходящие автоматы/предохранители должны отключать повреждение на линии быстрее вводного автомата, чтобы не обесточивать всю секцию шин. Поэтому вводной автомат часто имеет временную задержку токовой защиты (150-300 мс, а в ряде схем - до 500 мс). Это корректно с точки зрения селективности, но плохо с точки зрения дуговой безопасности: дуга за это время успевает выделить энергию, достаточную для разрушения оборудования [3].
Следовательно, возникает «конфликт целей»: селективность требует задержки, а дуговая безопасность требует мгновенного отключения. Применение дуговой защиты обеспечивает сверхбыстрое отключение именно при возникновении дуги, не ухудшая селективность токовых защит.
Для практической реализации эффективной системы дуговой защиты рекомендуется комбинированная схема контроля: точечные датчики света целесообразно размещать в вводном отсеке электротехнического шкаф, где вероятность возникновения дуги и тяжесть ее последствий максимальны, а петлевой оптоволоконный датчик обеспечивает мониторинг протяженных участков с потенциальным риском дуги: шинного отсека, шинного моста и смежных критических зон. Такой подход обеспечивает полное покрытие защищаемых площадей при минимальной стоимости оборудования и монтажа.
Возможность комбинирования точечных и петлевых датчиков является практическим преимуществом универсального устройства дуговой защиты «ЛАЙМ-2.0» для РУ-0,4 кВ, где геометрия отсеков неоднородна.
Экономическое обоснование является одним из ключевых факторов при принятии решения заказчиком о необходимости внедрения системы дуговой защиты.
Дуговая авария в РУ‑0,4 кВ приводит к серьёзным последствиям: разрушению секции низковольтного комплектного устройства (НКУ) или главного распределительного щита, повреждению автоматических выключателей и кабельных линий, а также к необходимости дорогостоящих восстановительных работ. Ориентировочная стоимость оборудования и проведения работ при таких авариях представлена в таблице 2.
Таблица 2 – Оценка стоимости восстановления оборудования (условный пример)
Статья затрат
Стоимость, руб
Восстановление/замена шкафа НКУ
1 050 000
Замена автоматов/аппаратов
280 000
Кабели, материалы, монтаж
210 000
ПНР и ввод в эксплуатацию
140 000
Согласно таблице 2 стоимость восстановления оборудования (ремонта):
Дополнительно учитываются потери от простоя оборудования. Для промышленного потребителя простой оборудования даже 1–2 суток зачастую оказывается существеннее затрат на прямой ремонт. В методике используется консервативная оценка простоя 1 000 000 руб (конкретное значение зависит от отрасли и может быть выше).
Общий ущерб оценивается выражением:
Стоимость системы дуговой защиты «ЛАЙМ-2.0» с тремя датчиками составляет 30 000 руб.
Тогда коэффициент предотвращённого ущерба:
Экономический эффект от внедрения системы дуговой защиты «ЛАЙМ-2.0» достигает 90-кратной окупаемости. Это делает внедрение системы экономически оправданным даже при низкой вероятности возникновения дуговой аварии: предотвращение всего одной серьёзной дуговой аварии за весь период эксплуатации обеспечивает многократную окупаемость без учёта полной стоимости владения.
Для практики проектирования удобно сформулировать критерии применения дуговой защиты. Дуговая защита рекомендуется/обязательна, если выполняется хотя бы одно из условий:
Мощность питаемого трансформатора не менее 630 кВА. При таком значении и стандартном напряжении короткого замыкания 5 % ожидаемый ток короткого замыкания составит не менее 18 кА. Начиная с этой мощности токи КЗ и энергия дуги при селективных задержках вводных защит переходят в область, где последствия дуги становятся разрушительными за десятки миллисекунд. Если вводной автомат имеет задержку по времени для обеспечения селективности, установка дуговой защиты становится практически неизбежной.
Время, за которое выключатель реагирует на короткое замыкание и начинает процесс отключения должно быть больше времени, которое допустимо для существования дуги в цепи. Это критически важно для предотвращения повреждений оборудования и обеспечения безопасности системы.
Наличие постоянного персонала в зоне потенциальной аварии.
Высокие требования к надёжности электроснабжения.
1) Для подстанций 6/0,4 и 10/0,4 кВ токи короткого замыкания на шинах 0,4 кВ достигают десятков килоампер (например, ~29 кА для 1000 кВА при Ukз=0.05).
2) Температура плазмы дуги достигает порядка 10 000–15 000 °C, при этом критически важен быстрый перенос энергии в воздух отсека, приводящий к росту температуры и давления [1, 4].
3) Графические зависимости показывают, что для отсеков электротехнического шкафа с выключателями объемом около 1 м3 (например, вводной отсек) допустимое время существования дуги составляет десятки миллисекунд, что существенно меньше типовых задержек срабатывания вводных автоматических выключателей, что обуславливает необходимость установки дуговой защиты.
4) Дуговая защита позволяет устранить конфликт между селективностью (задержки вводного аппарата) и безопасностью (требование сверхбыстрого отключения дуги) за счет ее способности оперативно обнаруживать дугу и мгновенно отключать повреждённый участок, не дожидаясь срабатывания стандартных защитных устройств с задержками.
5) Определена универсальная формула определения требования к быстродействию дуговой защиты для РУ-0,4 кВ:
6) В результате проведения экономического обоснования применения универсального устройства дуговой защиты «ЛАЙМ-2.0» (при стоимости системы дуговой защиты «ЛАЙМ-2.0» с тремя датчиками равной 30 000 руб.) рассчитан коэффициент предотвращённого ущерба порядка 89, что делает внедрение дуговой защиты экономически целесообразным.
7) Разработанная инженерная методика и предложенное устройство дуговой защиты «ЛАЙМ-2.0» представляют собой эффективное и экономически обоснованное решение для повышения безопасности и надёжности подстанций 0,4 кВ.
1. IEEE 1584-2018. Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations. – URL: https://standards.ieee.org/ieee/1584/5802/.
2. ГОСТ IEC/TR 61641-2022. Низковольтное комплектное распределительное устройство. Руководство по проведению испытаний на воздействие электрической дуги в месте внутреннего короткого замыкания. – М.: Изд-во стандартов, 2022. –24 с.
3. NFPA 70E. Standard for Electrical Safety in the Workplace by National Fire Protection Association. – URL: https://archive.org/stream/gov.law.nfpa.70E.2015/gov.law.nfpa.70E.2015_djvu.txt.
4. Lee R.H. The Other Electrical Hazard: Electric Arc Blast Burns // IEEE Transactions on Industry Applications. May 1982. Vol. IA-186. Iss. 3. Р. 246 – 251.
5. Беляев А.В. Выбор аппаратуры, защит и кабелей в сетях 0,4кВ. – Л.: Энергоатомиздат,1988. – 172с.
ПИРОГОВ М.Г., генеральный директор
ООО НПП «Микропроцессорные технологии»
г. Новосибирск,
Почта: mt@i-mt.net
Сайт компании: https://i-mt.net/
Возврат к списку
