CC BY
0
Научная статья
УДК 621.315:614.841.415 DOI: 10.17217/2079-0333-2024-70-18-27
ВНЕДРЕНИЕ СПОСОБА ПРОВЕРКИ АППАРАТОВ ЗАЩИТЫ ОТ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ДУГОВОГО ПРОБОЯ И ИСКРОВЫХ ПРОМЕЖУТКОВ НА СРАБАТЫВАНИЕ
Тюрин А.Н.1' 2, Ерашова Ю.Н.3
1 АО «Татэлектромонтаж», г. Казань, ул. Адоратского, 50А.
2 Ассоциация «Росэлектромонтаж», г. Москва, пер. Электрический, 3/10.
3 Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, ул. Красносельская, 51.
Авторами проведен детальный анализ пробоев в виде электрической дуги и изучен принцип работы устройства защиты от дугового пробоя и искровых промежутков (УЗДП). Задачей исследований является обоснование требований к УЗДП и создание способа для их проверки на срабатывание при возникновении параллельной дуги. Способ проверки УЗДП может состоять из имитации дугового пробоя и наблюдения за реакцией устройства. Были проведены испытания аппаратов защиты от опасного искрения в условиях, близких к реальности. Проведенные эксперименты на условие срабатывания УЗДП могут включать в себя создание контролируемой ситуации дугового пробоя, наблюдение за работой устройства и анализ полученных данных. Только после успешного прохождения испытаний можно утверждать, что УЗДП соответствует требованиям.
Ключевые слова: искровой разряд, предотвращение пожаров, средства обеспечения безопасности, устройства защиты от дугового пробоя, электрическая дуга.
Original article
IMPLEMENTATION OF A METHOD FOR CHECKING PROTECTION DEVICES AGAINST PARALLEL ARC BREAKDOWN AND SPARK GAPS FOR OPERATION
Tyurin A.N.1' 2, Erashova Yu.N.3
1 JSC "Tatelektromontazh", Kazan, Adoratsky Str. 50A.
2 "Roselectromontazh" Association, Moscow, Electricheskij lane. 3/10.
3 Kazan State Power Engineering University, Kazan, Krasnoselskaya Str. 51.
The work carried out a detailed analysis of breakdowns in the form of an electric arc. The operating principle of the arc flash and spark gap protection device (AFDD) was studied. The objective of the research is to substantiate the requirements for an AFDD and create a method for testing them for operation when a parallel arc occurs. A method for testing an AFDD may consist of simulating an arc flashover and observing the device response. Tests of protection devices against dangerous sparks were carried out under conditions close to reality. Conducted experiments on the triggering conditions of the AFDD may include creating a controlled arc flash situation, observing the operation of the device and analyzing the data obtained. Only after successfully passing the tests can it be stated that the AFDD meets the requirements.
Key words: spark discharge, fire prevention, safety equipment, arc flash protection devices, electric arc.
ВВЕДЕНИЕ
По данным сборника статистики пожаров и их последствий [Пожары ..., 2023], второе место по числу пожаров занимают случаи, связанные с нарушением правил устройства и использования электрооборудования на протяжении нескольких последних лет.
Появление дуговых пробоев в основной своей массе наблюдается в местах соединения проводников: в распределительных коробках, в клеммниках, а также в силовых розетках.
Возникновение дуговых пробоев обусловлено несколькими причинами:
- повреждение жилы кабеля, связанное с механическим воздействием;
- несоблюдение радиуса изгиба при прокладке;
- подвижность кабеля из-за отсутствия его фиксации;
- чрезмерная фиксация, вызванная пережатием жилы.
Наибольший риск возникновения пожара при установке электрических контактных соединений наблюдается в случаях перегрузки по току, короткого замыкания (КЗ) и плохого контакта (больших переходных сопротивлений).
Перегрузка по току является опасным состоянием, которое сопровождается повышением тока до значений больших, чем номинальное. Явление электрического тока всегда сопровождается нагревом проводника. Температура нагрева зависит от того, насколько ток перегрузки превышает номинальное значение тока электротехнического устройства. Следствием перегрева элемента может быть потеря формы или разрушение.
Относительно короткого замыкания можно с уверенностью сказать, что это крайне опасное состояние, приводящее
к аварии в электрических сетях, которое нередко сопровождается возникновением пожара. Электрические процессы в режиме короткого замыкания протекают стремительно, сопровождаются значительным повышением температуры элементов электроустановки, что приводит к их плавлению от электрической дуги. Температура плазмы электрической дуги может достигать нескольких тысяч градусов. Под действием этой температуры металл плавится, и его раскаленные частицы разлетаются на значительные расстояния. Велика вероятность того, что такие частицы попадут на легко воспламеняемые конструкции и приведут к пожару. Его источником также может быть сама электрическая дуга.
Режим больших переходных сопротивлений характеризуется разогревом некачественного контакта при длительном протекании электрического тока и в последующем приводит к увеличению сопротивления контакта и еще большему нагреву. При длительном тепловом воздействии наблюдается потеря защитных свойств изоляцией с последующей карбонизацией. Образующиеся микроразряды через карбонизированную изоляцию приводят со временем к возникновению дуги короткого замыкания.
Дуговые пробои, которые не устраняются своевременно, приводят к местному перегреву кабельных линий и электрооборудования с последующим возгоранием и образованием пожара.
Можно выделить следующие виды дуговых процессов (рис. 1):
- пробой при последовательной дуге;
- пробой при параллельной дуге между фазой и нейтралью;
- пробой при параллельной дуге между фазой и землей.
Последовательный дуговой пробой Параллельный дуговой пробой Параллельный дуговой пробой
Рис. 1. Виды дуговых пробоев Fig. 1. Types of arc breakdowns
на землю
Учитывая вышесказанное, в подразделениях пожарной охраны не обойтись без внедрения новейшей техники и технологий. К тому же это является неотъемлемой частью государственной политики в области пожарной безопасности в Российской Федерации [Основы ..., 2018].
К новой технике можно отнести устройство защиты при дуговых пробоях (УЗДП), которое позволяет избежать пожаров из-за искрения и электрической дуги. Это устройство способно обнаружить опасное искрение и отключить поврежденный участок цепи [Королев и др., 2018]. Данный аппарат представлен в виде микропроцессорного модульного устройства, предназначенного для защиты участка цепи до 0,4 кВ. В Европе вышеуказанный аппарат изготавливается в соответствии с международным стандартом IEC 62606. В России с 1 июля 2018 г. введен ГОСТ, идентичный международному стандарту IEC 62606. В данном документе определено само название аппарата - УЗДП [Soluyanov et al., 2023].
В 2023 г. Ассоциацией «Росэлектро-монтаж» разработаны обязательные требования по применению УЗДП в виде Изменений № 6 к Федеральному своду правил СП 256.1325800.2016 «Электроустановки жилых и общественных зданий. Правила проектирования и монтажа» (СП) (утверждены Приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства
Российской Федерации от 28.12.2023 г. № 1005/пр.). На основании Изменений № 6 к СП для защиты распределительных сетей УЗДП следует применять в определенных группах жилых и общественных зданий.
На этапе разработки вышеуказанных Изменений в Ассоциацию «Росэлектро-монтаж» поступили обращения от изготовителей УЗДП по созданию испытательных стендов для проверки на работоспособность аппаратов при различных видах дуговых процессов, поскольку ранее такое оборудование в испытательных лабораториях отсутствовало.
Принцип работы УЗДП описан в патенте [Патент ... № 199233 РФ] с целью снижения нежелательных эффектов, возникающих при искрении (дуговом пробое) в контролируемой, или защищаемой, цепи путем разъединения питающей сети и защищаемой цепи. На рисунке 2 приведена упрощенная блок-схема варианта исполнения УЗДП [Патент ... № 199233 РФ].
В случае последовательного дугового пробоя основным критерием работоспособности аппаратов является зависимость значения времени отключения от действительного значения тока дуги. Для реализации задач определения работоспособности УЗДП по выявлению последовательных дуговых пробоев был разработан испытательный стенд, описанный в патенте [Патент ... № 2739576 РФ].
Рис. 2. Упрощенная блок-схема варианта исполнения УЗДП Fig. 2. Simplified block diagram of an AFDD design option
При параллельных дуговых пробоях критерием срабатывания УЗДП является количество полуволн при действительном значении испытательного тока дуги. Описание разработанного стенда по определению работоспособности УЗДП, по определению параллельных дуговых пробоев на землю представлено в статье [Тюрин и др., 2024]. Установлено, что аппараты различных производителей УЗДП способны выявлять параллельный дуговой пробой на землю, а значит повысить пожаробезопас-ность распределительных электрических сетей низкого напряжения.
Международный стандарт 1ЕС 62606 устанавливает необходимые процедуры испытаний для разных типов УЗДП с учетом всех трех возможных видов дуговых пробоев. После проведения необходимых испытаний аппараты считаются исправными и поступают в продажу.
В соответствии с п. 1.8.1 [Правила ..., 2002] электроустановки напряжения до 500 кВ перед использованием подвергаются приемо-сдаточным испытаниям. Боль-
шое количество публикаций по теме применения и модернизации аппаратов УЗДП подтверждает актуальность темы, освещенной в статье.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Для проведения подобных испытаний необходимо использовать специализированное оборудование, симулирующее аварийные ситуации. В настоящее время на рынке появилась масса аппаратов УЗДП, которые не соответствуют заявленным характеристикам. Поэтому испытательное оборудование должно полноценно воспроизвести аварийный режим для достоверного заключения о работоспособности аппаратов УЗДП.
Наши исследования направлены на улучшение уже имеющихся методов и способов испытания УЗДП на эффективность срабатывания. Проверка работоспособности УЗДП в условиях реальной эксплуатации на действующих объектах позволяет собрать информацию для производителей
аппаратов по некорректным срабатываниям. Отслеживать обязательное срабатывание УЗДП за определенное время можно только во время лабораторных испытаний. Задача данного испытания проверить работу устройства защиты от параллельных дуг и искрообразования, улучшить надежность электрических сетей и установок, а также обеспечить их более высокий уровень пожарной безопасности.
Для проверки устройств защиты от последовательной дуги и искрообразования разработано и применяется на практике специальное испытательное оборудование. Данный метод относится к технике в области измерений и профилактики пожаров, вызванных неисправностями в электрических сетях.
Существует метод проверки устройств, предотвращающих пробой в виде дуги и опасные искрения, который основан на генерации дуги с помощью источника электрической дуги. Ток через дугу зависит от параметров нагрузки. Одновременно с генерацией дуги включается счетчик времени, тогда исправное устройство под воздействием дуги автоматически отключает поврежденный участок, и горение дуги прекращается, а счетчик времени запоминает время срабатывания [Патент ... № 2739576 РФ]. Искрение, переходящее в пробой в виде дуги, создает специальный генератор дуги [Королев и др., 2019].
Существующий метод не имеет возможности проводить диагностику устройств защиты при возникновении параллельной дуги.
Последовательный и параллельный дуговые пробои различны по своей структуре и имеют отличительные особенности.
Экспериментально подтверждается, что последовательный дуговой пробой протекает при номинальном токе потребителя и сопровождается снижением величи-
ны тока дуги по отношению к номинальному току порядка 10% из-за большого переходного сопротивления на участке. Так, при номинальном токе 2,8 А при возникновении последовательного дугового пробоя ток дуги составил 2,5 А, когда нагрузка чисто активная и представляет собой нагревательный прибор - радиатор отопления. На рисунке 3 представлена осциллограмма тока последовательной дуги.
л,
V V V V V у
Рис. 3. Осциллограмма тока дуги 2,5 А при последовательном дуговом пробое
Fig. 3. Oscillogram of a 2.5 A arc current during a sequential arc breakdown
При параллельном дуговом пробое значение тока дуги выше тока, протекающего в электрических цепях при нормальной их работе. Ток параллельной дуги может увеличиваться до значения тока короткого замыкания. Однако стандартными устройствами защиты от сверхтоков параллельный дуговой пробой не всегда может быть обнаружен из-за недостаточной величины тока для срабатывания защиты и малого переходного сопротивления.
Представляется способ, который позволит безопасно проверять устройства защиты от пробоев в виде дуги всех типов, отечественных и зарубежных производителей, при возникновении параллельного дугового пробоя. Реализуется предложенный способ с помощью блок-схемы, пред-
ставленной на рисунке 4. Блок-схема состоит из следующих элементов: 1 - устройство, предназначенное для автоматического выключения при возникновении короткого замыкания или перегрузки по току; 2 - проверяемое устройство защиты; 3 - образец кабеля с параллельными проводниками; 4 - испытательный выключатель; 5 - счетчик времени; 6 - устройство для изменения значения и характера нагрузки; 7 - прибор для измерения электрического тока.
Рис. 4. Блок-схема реализации способа проверки аппаратов защиты от параллельного дугового пробоя
Fig. 4. Block diagram of the implementation of a method for testing protection devices against parallel arc breakdown
Способ проверки устройств защиты от параллельной дуги и искрообразования работает следующим образом. Автоматический выключатель 1 подает напряжение от источника питания на ввод устройства защиты 2. Испытательный выключатель 4 запускается для создания дугового пробоя в поврежденном образце кабеля с параллельными проводниками 3, одновременно запуская измеритель времени 5. С помощью блока регулируемых нагрузок 6 можно выставлять различные параметры цепи, при этом будет меняться величина тока дуги. Контроль протекающего тока осуществляется при помощи измерителя электрического тока 7. Исправное устройство под воздействием параллельной дуги ав-
томатически отключает поврежденную цепь, и горение дуги прекращается, а счетчик времени запоминает время срабатывания. В том случае когда устройство не отработало должным образом, цепь будет разомкнута вручную.
Данный способ был использован при изготовлении испытательного стенда для проверки серийных образцов УЗДП на реальных параллельных дуговых пробоях.
Параллельный дуговой пробой является предшественником короткого замыкания и в отличие от последовательного дугового пробоя сопровождается большими токами, протекающими на наблюдаемом образце кабеля (рис. 5).
Рис. 5. Параллельный дуговой пробой на образце кабеля
Fig. 5. Parallel arc fault on a cable sample
В дальнейшем параллельный дуговой пробой сопровождается не только большими токами, но и большим выделением тепла и переходит в металлическое короткое замыкание, что и наблюдалось в наших экспериментах по проверке заявленных характеристик на предоставленных образцах аппаратов УЗДП различных производителей. При этом отслеживается выгорание помимо изоляционного слоя еще и токопроводящей жилы образца кабеля (рис. 6).
Рис. 6. Образец кабеля после завершения параллельного дугового пробоя и осциллограмма тока дуги при параллельном дуговом пробое
Fig. 6. Sample cable after completion of parallel arc fault and oscillogram of arc current during parallel arc breakdown
Осциллограмма тока, снятая при вышеописанном эксперименте, при параллельном дуговом пробое выглядит несколько иначе, чем при последовательном дуговом пробое и представлена на рисунке 6. На осциллограмме параллельного дугового пробоя наблюдаются симметрия, близкая к осевой, и более широкие «плечи» при прохождении тока через нулевое значение по сравнению с последовательным дуговым пробоем.
В ходе апробации разработанного и впоследствии изготовленного устройства установлено, что данный испытательный стенд позволяет обеспечить безопасную проверку по заявленным характеристикам всех аппаратов УЗДП различных производителей.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Представленный выше подход к проверке на работоспособность аппаратов УЗДП обеспечивает надежную защиту от параллельных пробоев в виде дуги и опасного искрообразования, так как позволяет оперативно выявить и устранить неисправности в работе устройства защиты. Анализ результатов, полученных в ходе испытаний, показал, что параллельный дуговой процесс может выявить и нейтрализовать за определенное время только уст-
ройство защиты от дуговых пробоев. Этот уникальный способ позволяет улучшить уровень безопасности при эксплуатации электрических сетей до 0,4 кВ и уменьшить риск возникновения пожаров из-за несоблюдения правил устройства и применения электрооборудования.
Предложенный способ позволяет наглядно контролировать и сопоставлять с нормативной документацией основные параметры УЗДП и выяснить, какие модели устройств защиты в каких условиях проявляют себя лучше. Изобретение было запатентовано [Патент ... № 2777027 РФ].
Проведение специальных испытаний позволяет разработать требования, необходимые при планировании места установки УЗДП в щитах и определении их количества. Кроме этого, появляется возможность определить максимальную мощность и максимальную удаленность с учетом параметров нагрузки защищаемой цепи. Получение большего количества данных требует проведения экспериментов с большим количеством нагрузок при различных испытательных токах. Полученные осциллограммы тока и напряжения при реализации данного способа могут рассматриваться для анализа переходных токов и напряжений. Кроме того, полученные осциллограммы можно использовать для определения начального момента вре-
мени возникновения искрения и момента прекращения горения дуги. Это позволит понять, почему устройство защиты в каждой отдельной ситуации срабатывает или нет [Наумов, 2020].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведен анализ видов и причин возникновения дуговых пробоев. В работе были изучены ключевые принципы работы и условия эксплуатации устройства защиты от электрической дуги. Разработан способ проверки работоспособности УЗДП, который был испытан в конкретных цепях по заданным параметрам. По результатам испытаний алгоритм работы некоторых УЗДП был скорректирован. Проведенная работа позволяет сделать вывод об эффективности выбранных моделей УЗДП в различных условиях эксплуатации.
ЛИТЕРАТУРА
Королев И.В., Валуев П.В., Бурдюков Д.А. 2019. Моделирование срабатывания УЗДП в электрических сетях 0,4 кВ. Электроэнергия. Передача и распределение. № 6(57). С. 124-127. Королев И.В., Кондратьев О.Е., Валуев П.В., Локтионов О.А. 2018. Анализ целесообразности применения устройств обнаружения дугового пробоя для комплексной защиты от пожаров, вызванных неисправностями электрооборудования. Электроэнергия. Передача и распределение. № 2 (47). С. 128-131. Наумов А.А. 2020. Обеспечение требуемого качества электрической энергии. Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. № 22 (1). С. 85-92. Основы государственной политики Российской Федерации в области пожарной безопасности на период до 2030 года.
Утверждены Указом Президента Российской Федерации от 01.01.2018 № 2.
Патент на изобретение № 2739576 РФ. Способ проверки аппаратов защиты от дугового пробоя и искровых промежутков. Казанский государственный энергетический университет (Тюрин А.Н., Солуянов Ю.И., Шмуклер М.И. и др.).
Патент на изобретение № 2777027. Способ проверки аппаратов защиты от параллельного дугового пробоя и искровых промежутков при повреждении кабеля. Казанский государственный энергетический университет (Тюрин А.Н., Со-луянов Ю.И., Ившин И.В. и др.).
Патент на полезную модель № 199233 РФ. Устройство защиты при дуговом пробое (Мкртумов А.С., Немцов А.Н., Немцов Ф.Н.).
Тюрин А.Н., Солуянов Ю.И., Ахметшин А.Р. 2024. Проверка на работоспособность при замыкании на землю аппаратов защиты от параллельного дугового пробоя и искровых промежутков. Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. № 26 (4). С. 41-54.
Правила устройства электроустановок. 7-е издание. 2002.
Пожары и пожарная безопасность в 2022 г. 2023. Статистический сборник. Москва: ВНИИПО МЧС РФ.
Soluyanov Y., Tyurin A., Akhmetshin A. 2023. Test of arc fault detection devices for operation from spark gaps and arc fault in an electric circuit of 0.4 kV. 2023 International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon). Magnitogorsk, Russian Federation. P. 374-378.
REFERENCES
Korolev I.V., Valuev P.V., Burdyukov D.A. 2019. Modeling the implementation of AFDD in electrical networks with value
of 0.4 kV. Elektroenergiya. Peredacha i raspredelenie (Electricity. Transfer and Transfer). № 6(57). P. 124-127 (in Russian).
Korolev I.V., Kondratyev O.E., Valuev P.V. et al. 2018. Analysis of the effectiveness of using an arc fault detection device for comprehensive protection against fires caused by faulty electrical equipment parts. Elektroenergiya. Peredacha i raspredelenie (Electricity. Transfer and Transfer). № 2(47). P. 128-131 (in Russian).
Naumov A.A. 2020. Ensuring the required quality of electrical energy. News of higher educational institutions. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Problemy energetiki. (Energy Problems). № 22(1). P. 85-92 (in Russian).
Fundamentals of the state policy of the Russian Federation in the field of fire safety for the period until 2030. Approved by Decree of the President of the Russian Federation dated January 1, 2018. № 2 (in Russian).
Patent for invention № 2739576 RF. Method for testing arc flashover and spark gap protection devices. Kazan State Energy University (Tyurin A.N., Soluyanov Yu.I., Shmukler M.I. et al.) (in Russian).
Patent for invention № 2777027. Method for testing protection devices against parallel arc breakdown and spark gaps in case of cable damage. Kazan State Energy University (Tyurin A.N., Soluyanov Yu.I., Ivshin I.V. et al.) (in Russian).
Utility model patent № 199233 RF. Arc fault protection device (Mkrtumov A.S., Nemtsov A.N., Nemtsov F.N.) (in Russian).
Tyurin A.N., Soluyanov Yu.I., Akhmetshin A.R. 2024. Testing the functionality of protection devices against parallel arc breakdown and spark gaps during a ground fault. News of higher educational institutions. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Problemy energetiki (Energy Problems). № 26(4). P. 41-54 (in Russian).
Rules for electrical installations. 7th edition. 2002 (in Russian).
Fires and fire safety in 2022. 2023. Statistical collection. Moscow: VNIIPO EMERCOM of the Russian Federation (in Russian).
Soluyanov Y., Tyurin A., Akhmetshin A. 2023. Test of arc fault detection devices for operation from spark gaps and arc fault in an electric circuit of 0.4 kV. 2023 International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon). Magnitogorsk, Russian Federation. P. 374-378.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Тюрин Александр Николаевич - АО «Татэлектромонтаж»; 420132, Россия, Казань; кандидат технических наук, главный технолог; Ассоциация «Росэлектромонтаж»; 126557, Россия, Москва; главный специалист; [email protected]. SPIN-код: 3040-8819, Author ID: 1147705; Scopus ID: 58738873200.
Tyurin Alexander Nikolaevich - JSC "Tatelektromontazh"; 420132, Russia, Kazan; Candidate of Technical Sciences, Chief Technologist; "Roselectromontazh" Association; 126557, Moscow; Chief Specialist; [email protected]. SPIN-code: 3040-8819, Author ID: 1147705; Scopus ID: 58738873200.
Ерашова Юлия Николаевна - Казанский государственный энергетический университет; 420066, Россия, Казань; старший преподаватель кафедры «Теоретические основы электротехники»; [email protected]. SPIN-код: 8172-9020, Author ID: 688887.
Erashova Yulia Nikolaevna - Kazan State Power Engineering University; 420066, Russia, Kazan; Senior Lecturer of the Department "Theoretical Foundations of Electrical Engineering"; [email protected]. SPIN-code: 8172-9020, Author ID: 688887.
Статья поступила в редакцию 30.05.2024; одобрена после рецензирования 17.10.2024; статья принята к публикации 13.12.2024.
The article was submitted 30.05.2024; approved after reviewing 17.10.2024; accepted for publication 13.12.2024.
Для цитирования: Тюрин А.Н., Ерашова Ю.Н. 2024. Внедрение способа проверки аппаратов защиты от параллельного дугового пробоя и искровых промежутков на срабатывание. Вестник Камчатского государственного технического университета. Вып. 70. С. 18-27. https://doi.org/10.17217/2079-0333-2024-70-18-27.
For citation: Tyurin A.N., Erashova Yu.N. 2024. Implementation of a method for checking protection devices against parallel arc breakdown and spark gaps for operation. Vestnik Kamchatskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta (Bulletin of Kamchatka State Technical University). Iss. 70. P. 18-27 (in Russian). https://doi.org/10.17217/2079-0333-2024-70-18-27.
