Особенности устройства оптоволоконной дуговой защиты «ОВОД-МД»

    В настоящее время наиболее
часто применяющиеся ячейки имеют в своем составе выключатели с коммутационной
способностью 20 и даже 31,5 кА .При возникновении дугового перекрытия с такими
токами происходит прожигание металла стенок ячеек и перенос повреждения в соседние
ячейки. Увеличение термической стойкости за счет утолщения стенок приводит к
повышению цены, веса и осложняет монтаж ячеек. (повышение же термической стойкости
в 1,5 раза потребует увеличения толщины железа в 2 раза) Некоторые исследователи
предполагают, что при интенсивном горении дуги и выделении большого количества
водорода в камерах образуется гремучая смесь (Н2+О2), которая может привести к
взрыву в соседних, неповрежденных ячейках. Кроме того, при относительной герметичности



современных ячеек и отсутствии разгрузочных клапанов внутреннее избыточное давление
при КЗ не только разрушает аппараты, но и значительно деформирует корпус ячейки
(происходит ее вздутие), что в итоге приводит к механическому разрушению ячейки
и ее элементов.


    Учитывая все выше сказанное, в п. 5.4.19 новой,
15-й редакции Правил технической эксплуатации электрических станций и сетей
РФ введено обязательное требование по установке в КРУ быстродействующей дуговой
защиты. Осталось только решить какой именно защиты.
Существует два основных вида способов распознавания дуговых КЗ :
– К первому виду относятся способы, основанные на контроле параметров и характеристик
электрической цепи с входящей в нее электрической дугой. Эти способы позволяют использовать
традиционные для релейной защиты характеристики – токи и напряжения.

– Второй вид включает в себя способы, основанные на контроле физических характеристик дугового
разряда, а также характеристик окружающей среды, изменение которых вызвано наличием дугового разряда.
Сюда следует отнести электромагнитное излучение, температуру, давление, электрическую проводимость
окружающей среды (степени ионизации газов), оптические свойства среды. Эти способы позволяют
увеличить степень распознаваемости дуговых КЗ в КРУ. Учитывая особенности конструкции КРУ, можно
сделать вывод, что влияние эксплуатационных режимов на функционирование защит, реализующих способы
контроля этого вида, будет минимально.

    Достаточно простое техническое решение заложено в принципе
построения максимальной токовой защиты (МТЗ). К числу положительных
качеств МТЗ, относящейся к защитам первого вида, следует отнести простоту, высокую надежность и низкую
стоимость. Недостатками являются относительная низкая селективность и недостаточно высокое быстродействие,
вызванное необходимостью согласования с защитами смежных элементов.

    Требованию абсолютной селективности отвечают токовые
дифференциальные защиты и «логические защиты шин» (ЛЗШ) секций (на основе разрешающей МТЗ ввода и
блокирующих МТЗ отходящих присоединений), в зону действия которых входят сборные шины и выключатели.



Однако дифференциальные защиты имеют «мертвую зону», в которую входят отсеки измерительных
трансформаторов тока (ТТ) и кабельной разделки. Последние относятся к числу наиболее вероятных
мест возникновения дугового разряда.
    Защиту от избыточного давления во всех ячейках КРУ выполняют клапаны, которые в совокупности с концевыми
выключателями выполняют также и функцию дуговой защиты второго вида. Использование традиционного клапана в ячейке значительно ухудшает ее надежность.
Клапанная дуговая защита как механическое устройство реагирует на следствие дугового разряда – достижение определенного давления газов, достаточного
для срабатывания защиты. Главные недостатки клапанной защиты: низкие чувствительность, надежность и быстродействие.

    Широко применяемая в ячейках фототиристорная дуговая защита также обладает серьезными недостатками: ограниченным
обзором пространства, присутствием в зоне возможной дуги электронных компонентов (фототиристоров), сложностью организации контроля исправности фототиристоров,
возможностью ложной работы из-за токов утечки при параллельном соединении n - ого числа фототиристоров, при попадании прямого солнечного света или света от
ламп освещения отсеков КРУ.

    Устройства дуговой защиты (УДЗ) на основе волоконно-оптических
датчиков (ВОД) позволяют формировать широкую полосу пропускания
электронного тракта, а также исключать влияние низкочастотного изменения
освещенности. В отличие от фототиристорной защиты в УДЗ на основе ВОД в зоне
дуги находится только пассивный приемник оптического излучения – объектив или
линза ВОД, соединенная с электронным блоком устройства оптическим кабелем.

    В УДЗ «ОВОД-М» («ОВОД-МД») широкая частотная полоса
пропускания (порядка 70 кГц) и высокая чувствительность дают возможность
регистрировать не только дуговые, но и искровые разряды, длительность которых от
нескольких до сотен микросекунд, а яркость свечения на три порядка превышает
яркость дугового разряда. Эта особенность позволяет УДЗ максимально быстро
отключать поврежденный участок от питающего напряжения (в течение 7 - 9 мс при
работе без блокировки максимальной токовой защиты), в том числе и при однофазном
замыкании на землю.

    На ПС 34 Второго высоковольтного района Ленэнерго УДЗ
«ОВОД-М» были установлены в КРУН. Впоследствии выяснилось, что при проведении работ
в ячейках ярким солнечным днем срабатывали датчики. Однако секция не отключалась,
так как сигнал от МТЗ отсутствовал, но в устройстве была предусмотрена индикация
срабатывания ВОД, фиксируемая в диспетчерской. Мощность светового потока от солнца
в безоблачный день эквивалентна мощности светового потока от дугового разряда с
током КЗ порядка 20 кА. При открывании дверцы ячейки со скоростью примерно 0,5 м/с
время изменения светового потока на линзе ВОД диаметром 10 мм составляет примерно



20 мс (50 Гц). В изношенной кабельной сети подстанции часто происходили КЗ на
отходящих линиях, подтверждаемых работой МТЗ. Вероятность того, что два события
(работа МТЗ при КЗ на отходящей линии и срабатывание ВОД от прямого солнечного
света) произойдут одновременно, мала, тем не менее, заказчик потребовал исправить
данный, по его мнению, недостаток. Для решения этой задачи нижняя частота полосы
пропускания электронного тракта УДЗ была поднята с 50 до 200 Гц. Это позволило
исключить срабатывание УДЗ при попадании в отсеки КРУ прямого солнечного света,
но ни коим образом не отразилось на чувствительности УДЗ «ОВОД-М» к излучению
дугового разряда.

    Важное преимущество УДЗ на основе ВОД состоит в том, что световое излучение
от дуги фиксируется в ближнем инфракрасном диапазоне. Пыль и сажа не служат
препятствием для светового излучения в этом диапазоне при высокой чувствительности
фотоприемного тракта. В этом случае нет необходимости регулярно протирать
датчики.

Основные технические характеристики и эксплуатационные возможности УДЗ семейства «ОВОД».

    Устройства «ОВОД-М» и «ОВОД-МД», как устройства радиального типа, позволяют
быстро определять место повреждения, тем самым повышая надежность электроснабжения
потребителей. Эти устройства выпускаются в двух модификациях: первая обеспечивает
выдачу команд на отключение двух ступеней силовых электрических цепей, вторая – на
отключение трех ступеней.


    Волоконно-оптические датчики, установленные в различных ячейках секции КРУ,
фиксируют вспышку света от дугового разряда и передают ее по волоконно-оптическому
кабелю к блокам детектирования света и тестирования (БДСТ). В зоне действия дуги
находится только объектив ВОД, а само УДЗ устанавливается в релейном отсеке КРУ
или любом другом месте релейного зала.

    В блоках БДСТ световой сигнал от электрической дуги,
зарегистрированный посредством объектива ВОД и переданный в БДСТ по оптическому
кабелю, преобразуется в электрический сигнал. Последний усиливается и сравнивается
с опорным напряжением, которое определяет порог срабатывания устройства.
    Блок дискретных входов (БДВх) принимает сигналы от МТЗ
без выдержки времени или от пускового органа защиты минимального напряжения (ЗМН)
первой ступени. Кроме того, БДВх формирует сигналы индикации срабатывания и
неисправности УДЗ. В этих блоках предусмотрена гальваническая изоляция электронной
схемы УДЗ от цепи оперативного тока.
    Блок дискретных выходов (БДВых) формирует выходные сигналы
УДЗ типа «сухие» контакты реле: отключение выключателей, запрет АПВ и АВР. Данный
блок имеет сорок входов «Срабатывание» от сорока (максимальное число) ВОД. Последние
делятся на группы в зависимости от установки в шкафах: ввода напряжения питания,



отходящих линий и шинных мостов, секционного выключателя. Выходные сигналы
«Отключение» разрешаются или блокируются соответственно наличием или отсутствием
сигналов МТЗ или ЗМН. Это «штатный» режим работы устройства. Вместе с тем возможно
формирование сигналов «Отключение» без наличия сигналов МТЗ или ЗМН.
    Алгоритм работы УДЗ формируется в блоке микроконтроллера
(БМК). В зависимости от места возникновения электрической дуги логическая схема
выдает сигнал на отключение соответствующего выключателя. При этом блокируется
действие АПВ соответствующего выключателя и формируется сигнал запрета АВР. Блок
микроконтроллера управляет работой всего устройства в целом.
    По сигналу БДСТ, свидетельствующему о том, что какой-либо
из ВОД зарегистрировал появление электрической дуги, микроконтроллер прерывает
программу тестирования устройства и запускает программу определения номера ВОД,
зафиксировавшего электрическую дугу, и активизации соответствующего выхода
срабатывания импульсным сигналом с заранее заданной длительностью .
Вспомогательные сигналы (запрет АПВ и АВР, неисправность и индикация срабатывания)
выдаются с постоянным уровнем и поступают на входы и выходы.
    Информация о текущем состоянии УДЗ выводится на
индикаторные устройства (на передней панели) и записывается в энергонезависимую
память для ее сохранения в случае снятия оперативного тока. При последующей подаче
оперативного тока УДЗ возвращается в исходное состояние, соответствующее
информации, записанной в памяти.
    УДЗ семейства «ОВОД» обеспечивают автоматическую
проверку работоспособности с периодичностью 1 раз в 15 с световой импульс от
светодиода, находящегося в БДСТ, 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.
    В «Правилах технического обслуживания устройств
релейной защиты и электроавтоматики электрических сетей 0,4 – 35 кВ»
(РД 153-34.3-35.613-00) рекомендуется не реже 1 раза в год на необслуживаемых
подстанциях проводить опробования работы устройств РЗА. В случае применения
устройств семейства «ОВОД» при опробовании нет необходимости имитировать дуговой
разряд с помощью вспышки, отключая таким образом потребителей от электропитания.
Такая эксплуатационная возможность устройства не только ускоряет процесс проведения
пуско-наладочных работ, но и обеспечивает снижение затрат на эксплуатацию
УДЗ.
    Устройство «ОВОД-МД» оснащено пультом индикации и
управления в виде двухстрочного дисплея, позволяющего отображать 40 знаков, а также
клавиатурой из шести кнопок . Кроме того, устройство обеспечивает интуитивный
пользовательский интерфейс и предоставляет больший объем информации, в том числе
«часы реального времени» и «журнал событий».

Технические характеристики УДЗ семейства «ОВОД» :

• максимальное число ВОД - 40 (максимальное число обслуживаемых ячеек может быть более 20);


• максимальная длина оптического кабеля ВОД - 500м ;


• рабочий диапазон температур -40 - +55 оС;


• Время срабатывания, мс:
  
  без блокировки …………………………………9
  
  при блокировании МТЗ или ЗМН (без выдержки времени) ……….9 + ТМТЗ;
  
  


• Выходы запрета АВР и АПВ, индикация отключения, неисправность и
  отсутствие оперативного тока:
  
  тип выхода- «сухой» контакт реле ;


• масса, кг (не более) 15 ;


• габаритные размеры, мм (не более) 475×400×250 ;

Устройства дуговой защиты семейства «ОВОД» обеспечивают :

• формирование 20 сигналов отключения от 40 групп датчиков
  и наличие 6 дискретных входов от МТЗ или ЗМН ;


• гибкую логику работы устройства (по заданию заказчика или проектной организации)
  с возможным проведением ее коррекции на объектах заказчика ;


• наличие пяти дополнительных сигналов «Запрет АПВ» или «Запрет АВР» ;


• задержку до 500 мс при выдаче пяти команд на отключение ;


• формирование сигнала резервного отключения вышестоящего выключателя при отказе выключателя
  более низкой ступени по длительности сигнала от МТЗ ;


• сохранение в памяти устройства (при пропадании питающего напряжения) информации
  о текущем состоянии ;


• сохранение работоспособности в течение не менее 2 с с момента пропадания
  оперативного тока ;


• ввод/вывод из действия любого числа ВОД ;


• автоматическую фиксацию временной диаграммы всех активированных дискретных
  сигналов при срабатывании датчиков, входов МТЗ и выходов отключения ;


• формирование дискретных сигналов неисправности устройства, пропадания оперативного
  тока и общего сигнала о его срабатывании ;


• защиту от ложных срабатываний без блокировки МТЗ при освещении ВОД лампой мощностью
  60 Вт с расстояния не ближе 15 см, а так же при выходе из строя электрических
  компонентов в цепи формирования сигналов отключения ;


• сохранение работоспособности при появлении сажи и пыли на объективе ВОД ;


• минимум затрат при быстром и простом монтаже устройства без изменений конструкции ячеек КРУ, т.к. практически круговая диаграмма направленности
  ВОД не требует точной ориентации датчиков при установке ;


• цифровую и светодиодную индикацию рабочих состояний ;

    Устройства семейства «ОВОД» предоставляют широкие возможности в формировании



логики работы по защите КРУ от дуговых КЗ.
Особенности монтажа УДЗ «ОВОД-М» и «ОВОД-МД» :

• В комплект поставки устройства входят ВОД с заранее определенными длинами
  оптических кабелей, которые зависят от места установки шкафа УДЗ .


• Место установки УДЗ планируется заказчиком или проектной организацией. 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 оптических кабелей ВОД внутри высоковольтных отсеков защита с помощью гофрированных
  труб не обязательна.