Замыкания, сопровождающиеся открытой электрической дугой, вызывают значительные повреждения оборудования, приводят к длительным технологическим нарушениям и угрожают жизни персонала.
За последние 25 лет защиты от дуговых замыканий (ЗДЗ) постоянно совершенствовались и сегодня применяются в большом количестве. Современные технические решения направлены на минимизацию времени ликвидации горения дуги и обеспечение персонал объекта достоверными данными о месте ее возникновения.
Давайте проследим как эволюционировали основные подходы к организации ЗДЗ в последние десятилетия.
Первое поколение – клапанные датчики
Первое поколение дуговой защиты — это клапанная защита.
Её принцип прост: при горении дуги очень много энергии выделяется в виде тепла. А нагретый воздух вызывает рост давления в отсеках ячеек комплектного распределительного устройства (КРУ), в котором предусматриваются клапаны сброса давления. К клапанам подключаются концевые выключатели, объединяемые в шинки и действующие на отключение питающих присоединений.
Недостатки клапанной дуговой защиты:
- низкая чувствительность (ток> 3-5 кА);
- большое время срабатывания (Tздз > 40 мс);
- реакция защиты уже после того, как авария развилась до тяжелых последствий.
Указанные минусы обусловлены физическим принципом, лежащим в основе клапанной защиты в которой энергия несколько раз переходит из одного вида в другой:
- горящая дуга резко нагревает воздух вокруг;
- затем нагретый воздух совершает адиабатическое расширение передающее механическое усилие клапанам, к которым подключены концевые выключатели;
- срабатывание клапана;
- срабатывание концевого выключателя, подающего напряжение на катушку отключения выключателя;
- отключение выключателя, ликвидация горения дуги.
Итого, полное время ликвидации горения дуги складывается из времени распространения ударной волны (порядка 3-15 мс/м), времени срабатывания клапана и концевого выключателя (40 мс), времени отключения выключателя 20-100 мс .
Полное время ликвидации горения дуги с клапанной защитой составляет порядка 70 — 150 мс.
Клапанная защита эквивалентна по своему быстродействию логической защите шин, реализуемой в составе современных цифровых устройств релейной защиты, например в АЛТЕЙ.
Несмотря на то, что клапаны аварийного сброса давления обязательно устанавливаются на каждую ячейку, такая ЗДЗ устарела и в настоящее время не рассматривается профессиональным сообществом как эффективное техническое решение.
Дальнейшим развитием ЗДЗ, реагирующей на изменение давления, стала защита с использованием пневматических мембранных выключателей (реле) – мембранная дуговая защита.
Дуговая защита с мембранными реле – это эволюция клапанной защиты, направленная на повышение чувствительности и быстродействия. В ячейках КРУ иностранного производства данный принцип нашел широкое применение, однако в отечественной технике заслуженно не пользуется популярностью.
Специальное чувствительное реле с мембраной реагирует на резкое изменение давления, подводимое к нему по системе труб и вентилей. Быстродействие мембранной защиты складывается из времени распространения ударной волны (порядка 3-15 мс/м), времени работы мембранного реле (10 мс), времени отключения выключателя 20-60 мс и составляет 40 – 80 мс.
Принципиальным недостатком мембранных защит, ограничивающим их применение, является низкая чувствительность к току дугового замыкания (2-3 кА), сильная зависимость такого реле от конструкции и герметичности отсеков КРУ. Мембранные ЗДЗ улучшили показатели клапанной ЗДЗ, но принципиально не исключили недостатки защиты, реагирующей на давление.
Для защиты шинных мостов, открытых ячеек КСО и других подобных элементов распределительного устройства данный вид защит принципиально не может быть использован. Данное ограничение способствовало дальнейшему эволюционному развитию ЗДЗ.
Второе поколение – оптоэлектронные датчики
Учитывая недостатки пускового органа, реагирующего на давление, инженерная мысль осуществила переход к новому физическому признаку, однозначно идентифицирующему факт горения дуги – реакции на изменение освещенности в защищаемой зоне. Эволюция прошла от пускового органа, реагирующего на давление, к пусковому органу, реагирующему на свет. Да будет Свет!
В то время, когда инженеры осознали преимущества использования света, наиболее доступными светочувствительными элементами были фототиристоры и фототранзисторы. Эти компоненты реагируют на свет электрической дуги, появляющийся при ионизации газа. Новый физический принцип позволил строить решения, не зависящие от времени распространения ударной волны, в сотни раз повысил чувствительность защиты к току дугового замыкания и расширил область применения ЗДЗ на ячейки типа КСО, шинные мосты.
Быстродействие защит с оптоэлектронными датчиками складывается из времени:
- срабатывание датчика (пренебрежимо мало);
- срабатывания внешнего устройства пуска по току (15-25 мс);
- времени работы промежуточного реле отключения выключателя (15-20 мс);
- времени отключения выключателя (20-100 мс).
Итого время ликвидации горения дуги, с учетом того, что пуск по току и срабатывание датчика выполняются параллельно, у защит второго поколения составляет 50 – 145 мс.
Фототиристорные и фототранзисторные датчики стали встраивать в существующие вторичные схемы защиты, по аналогии с «электромеханическими» реле. Усложнение схем привело к ошибкам при наладке, эксплуатации. Ситуация усугубилась несовершенством элементной базы того времени и сложностью контроля исправности фотоэлементов, ложной работой фотоэлементов из-за токов утечки, низкой помехоустойчивостью и реакцией на засветку от внешних источников света.
Решения на этом принципе вызвали негативную реакцию персонала, отвечающего за нормальную работу ответственных электроустановок, что толкнуло инженерное сообщество к дальнейшему совершенствованию аппаратного исполнения ЗДЗ.
Третье поколение – волоконно-оптические регистраторы
Творческий подход разработчиков при поиске новых принципов организации ЗДЗ дал свет ряду смелых технических идей:
- улавливание изменения напряженности электромагнитного поля объекта;
- реакция на запах и др.
Тем не менее, более прагматичные технические решения нашли воплощение в устройствах ЗДЗ следующего поколения:
- распределенная защита с применением регистраторов дуговых замыканий ячеек (первым устройством такого типа был регистратор дугового замыкания типа ДУГА-О, разработанный Ячкулой Николаем Ивановичем);
- централизованная защита всех ячеек распределительного устройства одним регистратором (ОВОД-МД).
Общим принципом обоих направлений явились отказ от внешних фототиристорных и фототранзисторных элементов и использование волоконно-оптических датчиков, обеспечивающих передачу света от дугового замыкания в регистратор.
Произошла эволюция ЗДЗ. Место отдельных датчиков заняли регистраторы, обеспечивающие подключение всех датчиков защищаемой ячейки или распределительного устройства, обработку сигналов и формирование выходных воздействий. Такие защиты получили название волоконно-оптических.
Волоконно-оптические защиты устранили недостатки фототиристорных и фототранзисторных защит:
- решена проблема с электромагнитной совместимостью;
- исключены ложные срабатывания из-за токов утечки при параллельном соединении фотоприемников;
- минимизировано количество отказов защиты за счет самодиагностики оптического тракта и датчика.
Кроме того, регистраторы позволили организовать сигнализацию поврежденного элемента, облегчающую поиск места возникновения дуги персоналом, выполняющим расследование и ликвидацию последствий замыкания.
Быстродействие волоконно-оптических защит складывается из времени:
- срабатывание регистратора (7-25 мс);
- срабатывания внешнего устройства пуска по току (15-25 мс);
- времени работы промежуточного реле отключения выключателя (15-20 мс);
- времени отключения выключателя (20-100 мс).
Итого время ликвидации горения дуги, с учетом того, что пуск по току и срабатывание регистратора выполняются параллельно, у защит третьего поколения составляет 50 – 145 мс.
Некоторые проектировщики ошибочно предусматривают действие регистратора на отключения выключателя только через дискретный вход цифрового терминала РЗА. Это вызывает дополнительное замедление защиты на время срабатывания дискретного входа (15-30 мс). В результате чего более совершенные решения ЗДЗ третьего поколения по быстродействию оказываются сопоставимы с клапанными защитами.
В течение нескольких лет после появления третьего поколения ЗДЗ разными компаниями были выпущены регистраторы дуговых замыканий, устанавливаемые в ячейки КРУ и КСО: ОРИОН-ДЗ, ОВОД-Л, ЗДЗ-01, БССДЗ и ЮНИТ-ДЗ. В этих решениях были учтены пожелания службы эксплуатации в части контроля целостности волоконно-оптического тракта и более удобной конструкции крепления датчиков.
Регистратор дуговых замыканий Лайм был разработан позднее, и в 2016 году поступил в массовое производство. Инженеры компании «Микропроцессорные технологии» обобщили опыт эксплуатации вышеуказанных решений и создали еще более совершенный продукт:
- конструкция волоконно-оптического датчика предусматривает съемный коннектор для подключения оптического волокна после монтажа датчика;
- конструктивный изгиб датчика с углом 90 градусов за счет технологии OPTOFLEX обеспечивает простой монтаж датчика в ячейке. При этом угол обзора датчика составляет более 200 градусов;
- гибкое и неломкое оптическое волокно обеспечивает простой монтаж и выдерживает перепады температур до -40 °С;
- выходные электромеханические реле заменены на твердотельные, что в совокупности с мощным и быстрым контроллером позволило обеспечить быстродействие Лайм с учетом времени выходного реле менее 1 мс;
- значительно увеличена емкость блока питания, обеспечивающая длительную автономность устройства после исчезновения напряжения питания. В дополнении к этому время старта менее 40 мс сделало Лайм наиболее подходящим решением для подстанций с переменным оперативным током.
Следует отметить, что с момента выпуска централизованной волоконно-оптической дуговой защиты типа ОВОД-МД ни один из производителей не пошел по этому пути развития своих решений. Это решение удобно в части сигнализации, журналирования и централизованного подхода к логике защиты. В то же время, оно обладает рядом принципиальных недостатков, выявленных в процессе эксплуатации:
- трудоемкость монтажа большого количества длинных оптических линий вдоль ячеек к отдельно стоящему шкафу с защитой;
- монтаж системы возможен только после установки всех ячеек распределительного устройства непосредственно на объекте эксплуатации (в отличии от монтажа на заводе-производителе ячеек при применении распределенных регистраторов);
- сложность и трудоемкость замены вышедшей из строя волоконно-оптической линии на действующей подстанции;
- необходимость установки отдельного шкафа на подстанции.
В связи с указанными особенностями в настоящее время наибольшее распространение получили именно распределенные регистраторы дуговых замыканий.
Четвертое поколение – распределенно-централизованная ЗДЗ
Применение распределенных регистраторов дуговой защиты на объектах генерации и в сложных конфигурациях первичных схем вызвало существенное усложнение схем вторичной коммутации.
Логичным выходом из сложившейся ситуации стало появлению контроллеров (блоков), собирающих информацию с регистраторов ячеек, реализующих логику работы ЗДЗ объекта и обеспечивающих формирование команд селективного отключения присоединений. Дополнительно, такие контроллеры осуществляют независимый от устройств РЗА пуск по току, подробное журналирование и сигнализацию, осциллограффирование.
Сформировалось новое поколение распределенно-централизованной ЗДЗ.
Быстродействие таких систем складывается из времен:
- срабатывания оптического регистратора ячейки КРУ или КСО, замыкание его выходного реле (7-25 мс);
- срабатывания дискретного входа центрального блока ЗДЗ (15-30 мс);
- срабатывания пуска по току блока ЗДЗ (15-25 мс, параллельно приему сигнала от регистратора);
- работы логики центрального блока ЗДЗ (5-10 мс);
- замыкания выходного реле центрального блока ЗДЗ (7-10 мс);
- срабатывание промежуточного реле отключения выключателя (15-20 мс);
- отключения выключателя (20-100 мс).
Итого, в решениях с дополнительным центральным контроллером время ликвидации горения электрической дуги составляет 69 – 195 мс, что сопоставимо по быстродействию с обычной логической защитой шин и клапанной защитой.
Упрощение схем ЗДЗ и увеличение функциональности с одной стороны обернулось существенным замедлением защиты с другой стороны. Распределенно-централизованная ЗДЗ позволила достаточно просто решать сложные задачи. Но о быстродействии комплекса никто серьезно не задумывался.
Решения с центральным блоком дали проектным и эксплуатирующим организациям определенные преимущества перед централизованным принципом, реализованном в ОВОД-МД:
- пуск по току питающих присоединений стал независимым от РЗА, дуговая защита выделена эксплуатацией в отдельную систему;
- оптические линии связи между ячейками заменены на медные проводные шинки, решена задача по быстрому устранению неисправностей без замены длинных оптических линий;
- возможность сборки и тестирования системы на заводе-производителе ячеек, снижение трудоемкости при монтаже на объекте.
Решения с центральным блоком сохранили преимущества распределенных систем третьего поколения, обеспечили более гибкие возможности для применения, повысили наблюдаемость. Тем не менее, это направление развития является тупиковым из-за принципиальных недостатков:
- полное время ликвидации горения дуги 69 – 195 мс;
- высокая стоимость решения (на 30-50% более стоимости решения на распределенных регистраторах).
Необходимо отметить успешные попытки иностранных релестроителей создать решения с центральным блоком, устраняющие недостатки в быстродействии за счет отказа от связи с регистраторами через дискретные входы-выходы и переходом на цифровую шину. Это исключило замедление и обеспечило самодиагностику ответственных цепей. Тем не менее данные технические решения также не получили массового распространения в России и сопредельных государствах по следующим причинам:
- высокая стоимость;
- высокие требования к квалификации проектных и наладочных организаций, обслуживающего персонала.
Усложнения архитектуры ЗДЗ не привело к массовому переходу на четвертое поколение дуговых защит из-за сложности, высокой стоимости и отсутствия выигрыша в быстродействии.
Пятое поколение – распределено-независимая ЗДЗ
Обобщая большой объем обратной связи от служб эксплуатации РЗА о том, какой должна быть дуговая защита следующего поколения, инженеры компании НПП «Микропроцессорные технологии» сформировали тезисы:
- защита должна обеспечить выявление дуги, обработку логики, пуск по току и подачу напряжения на электромагнит отключения выключателя за время менее 1 миллисекунды. Иными словами, её быстродействие должно быть настолько высоким, что при оценке потенциального ущерба и проектировании решений в расчет принималось бы только собственное время отключения выключателя;
- защита должна исключать недостатки, выявленные при эксплуатации решений предыдущих поколений;
- необходимо обеспечить высокую наблюдаемость и интеграцию в современные системы мониторинга и АСУ;
- обеспечить простоту применения на объектах со сложной первичной схемой и на объектах генерации, адаптивность;
- стоимость нового решения должна быть сопоставима с наиболее распространенными в настоящий момент регистраторами третьего поколения.
Спустя год работы мы создали устройство Лайм-Плюс и добились невероятного быстродействия.
Лайм-Плюс – это первое полноценное цифровое устройство защиты от дуговых замыканий, устанавливаемое в каждую защищаемую ячейку КРУ или КСО. Устройство содержит в себе преимущества устройств третьего и четвертого поколений, при этом лишено их недостатков.
Лайм-Плюс обеспечивает и имеет на борту:
- измерение фазных токов и тока нулевой последовательности, благодаря чему повышается быстродействие, надежность и независимость системы ЗДЗ от РЗА;
- мощное твердотельное быстродействующее реле прямого действия на электромагнит выключателя, обеспечивающее коммутацию токов до 15 А и исключающее потерю времени на промежуточном реле отключения;
- мощнейший двухъядерный микроконтроллер STM32H7x5, обеспечивающий возможность принять решение об отключении 10 раз за одну миллисекунду, что в 50-100 раз быстрее чем цифровые терминалы РЗА;
- осцилограффирование аварийных процессов и журналирование, обеспечивающие полную прозрачность в расследовании аварий по сравнению с обычными регистраторами;
- гибкую логику для реализации эксклюзивных задач и конкуренции продукта на международной арене;
- два порта связи RS-485, работающих параллельно и с независимыми настройками, поддерживающий как протокол Modbus RTU так и ГОСТ Р МЭК 60870-5-101-2006.
Отдельной задачей, настоящим вызовом, который успешно решен инженерами компании НПП «Микропроцессорные технологии» является отказ от традиционной, медленной цифровой обработки сигналов токов на основе преобразования Фурье в пользу значительно более быстрых алгоритмов. Преобразования Фурье дает стабильную работу в терминалах релейной защиты, но его минусом является получение достоверного действующего значения сигнала за время 20 мс, равное периоду промышленной частоты. Для дуговой защиты это очень медленно.
На этапе патентования находится новый принцип реализации быстрого токового пускового органа, разработанный инженерами нашей компании. Принцип действия пускового органа основан на оценке скорости приращения мгновенных значений измеряемых токов и заслуживает рассмотрения в отдельной статье. Дополнительно к данному пусковому органу, конечно, задействован классический пуск по току.
Лабораторные испытания с реакцией на настоящую электрическую дугу подтвердили быстродействие Лайм-Плюс на уровне 0.6 мс (фиксация вспышки света, пуск по току, логика ЗДЗ, срабатывание выходного реле).
Несмотря на стабильное, многократное подтверждение быстродействия 0.6 мс мы решили оставить небольшой запас и указать полное время срабатывания решения 0.8 мс.
Время 0.8 мс включает в себя, с учетом необходимых повторений для обеспечения достоверного результата:
- выявление вспышки света;
- выявление увеличение тока при замыкании;
- обработку логической схемы;
- срабатывание мощного выходного реле прямого действия на электромагнит отключения выключателя.
Подобный подход, эволюция простых регистраторов дуговых замыканий в сторону создания функциональных и так же распределенных регистраторов сегодня виден и среди западных производителей. Например, ARC GUARD SYSTEM TVOC-2 или AQ-110. Пуск по току в таких устройствах совмещается с регистратором дуговых замыканий, а также на борт устанавливаются мощное твердотельное быстродействующее реле, цифровой осциллограф, коммуникационные интерфейсы.
Лайм-Плюс дополнен волоконно-оптическим петлевым датчиком ТЕКИЛА, позволяющим защищать несколько отсеков/ячеек одним регистратором (например, ячейку вводного выключателя и соседнюю ячейку с трансформатором напряжения). Комбинация Лайм-Плюс-ТЕКИЛА позволяет в ряде первичных схем сократить число применяемых регистраторов и обеспечить стоимость решения на уровне обычных регистраторов третьего поколения. Лайм-Плюс-ТЕКИЛА — удачный выбор!
Для повсеместного применения важны не только выдающиеся технические характеристики, но и доступная рыночная стоимость. Инженерам нашей компании удалось этого достигнуть. Стоит отметить, что это было самой сложной задачей в ходе реализации проекта.
Приложив много личных усилий в создание Лайм-Плюс, авторы статьи мечтают о том, что разработанный подход оправдает себя в широком применении в ближайшие годы, инициирует дальнейшую эволюцию существующих решений и вдохновит инженеров других компаний.
Михаил Пирогов
Технический директор
Евгений Илюхин
Руководитель отдела прикладных исследований и разработок
Николай Сиренко
ведущий инженер-разработчик