УСТРОЙСТВО ГАШЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ

Полезная модель относится к электротехнике и предназначено для защиты от электрической дуги короткого замыкания в электрооборудовании, в частности, в комплектных распределительных устройствах (КРУ) 0,4-40 кВ.
В настоящее время еще не решена проблема предотвращения дуговых коротких замыканий внутри шкафов КРУ, являющихся наиболее тяжелой аварийной ситуацией среди тех, которые могут возникать на распределительных и трансформаторных подстанциях. Единственным средством борьбы с внутренними дуговыми замыканиями является быстрое отключение высоковольтного питания токоведущих элементов, на которых прошло замыкание внутри шкафа КРУ, пока дуга не успела произвести больших разрушений. Такие отключения осуществляются вышестоящими выключателями по сигналам от устройств дуговой защиты, контролирующим внутренние объемы шкафов КРУ. Недостатком такого решения является большое время от момента возникновения дуги до снятия напряжения с аварийного подключения из-за большого времени срабатывания устройства дуговой защиты и еще большего времени работы на отключение выключателя.
В настоящее время наиболее перспективным средством по ограничению времени горения электрической дуги является устройство создания искусственного металлического короткого замыкания, так называемые убийцы дуги (arc killer) [1], содержащее датчик электрической дуги (световой или давления), подключенный через электронную схему к электромагниту, удерживающего взведенную пружину, к которой прикреплен шунт. При возникновении электрической дуги датчик воздействует через электронную схему на электромагнит, который освобождает пружину, в результате чего происходит короткое замыкание через шунт фаз цепи, где возникла электрическая дуга. Происходит понижение напряжения на столбе электрической дуги практически до нуля, и тем самым прекращается ее горение.
Недостатком устройства является низкое быстродействие из-за использования пружинного привода для осуществления искусственного короткого замыкания.
Известно комплектное распределительное устройство высокого напряжения [2], в котором процесс перевода дугового короткого замыкания в искусственное металлическое короткое замыкание осуществляется автоматикой от релейных устройств дуговой защиты. В устройстве предложено вынести короткозамыкатель из зоны горения дуги и присоединить его к силовому выводу понижающего трансформатора. Предложено также снабдить короткозамыкатель, выполненный, например, на базе вакуумного выключателя, дополнительным выключателем, включенным последовательно короткозамыкателю. Этот выключатель производит отключение места искусственного металлического короткого замыкания для производства автоматического повторного включения и АВР отключившейся секции.
Недостатком устройства является большое время гашения электрической дуги из-за большого времени срабатывания релейной дуговой защиты (~10 мс) и большого времени включения вакуумного выключателя (~100 мс), осуществляющего металлическое короткое замыкание. Фактически, время срабатывания короткозамыкателя равно времени отключения аварийной цепи, осуществляемого вышестоящим выключателем, применяемом в настоящее время, т.е. время гашения дуги будет тем же самым.
Наиболее близким к заявляемому является система защиты от дуговых пробоев ARCON [3], состоящая из центрального блока, к первому входу которого подключен датчик тока, ко второму входу подключен оптический датчик электрической дуги, первый выход подключен к выключателю защищаемой электрической цепи, а второй выход к короткозамыкателю с пиротехническим приводом. Короткозамыкатель подключен к защищаемой цепи. Датчик тока измеряет ток перед выключателем защищаемой цепи.
При возникновении электрической дуги искусственное металлическое короткое замыкание создается короткозамыкателем с пиротехническим приводом за время порядка ~10 мс, что значительно быстрее позволяет погасить дугу, чем в предыдущем устройстве. После срабатывания короткозамыкателя через заданный промежуток времени проводится отключение защищаемой цепи посредством размыкания ее выключателя. Для последующего включения защищаемой цепи необходимо заменить короткозамыкатель и замкнуть контакты выключателя защищаемой цепи.
Недостатком данного устройства является большое время прерывания подачи электроэнергии в защищаемую цепь, так как ее повторное включение возможно только после замены сработавшего короткозамыкателя с пиротехническим приводом.
Техническим результатом является уменьшение времени прерывания подачи электроэнергии в защищаемую цепь за счет повторного включения защищаемой цепи при оперативном отключении короткозамыкателя после гашения электрической дуги.
Технический результат достигается тем, что устройство гашения электрической дуги, содержащее центральный блок, к первому входу которого подключен выход датчика тока, ко второму входу подключен выход датчика электрической дуги, первый выход центрального блока подключен к входу выключателя защищаемой электрической цепи, второй выход центрального блока подключен к входу короткозамыкателя с пиротехническим приводом, дополнительно содержит элегазовый выключатель, вход которого подключен к третьему выходу центрального блока, а короткозамыкатель с пиротехническим приводом подключен к защищаемой цепи через элегазовый выключатель.
На чертеже приведена схема устройства.
Принятые обозначения:
1 - центральный блок;
2 - датчик тока;
3 - датчик электрической дуги;
4 - выключатель защищаемой цепи;
5 - короткозамыкатель с пиротехническим приводом;
6 - элегазовый выключатель;
7 - защищаемая цепь.
Устройство состоит из центрального блока 1, входы «Вх.1» и «Вх.2» которого подключены соответственно к выходам датчика тока 2 и датчика электрической дуги 3 соответственно. Выходы «Вых.1», «Вых.2» и «Вх.3» подключены к входам управления выключателя защищаемой цепи 4, короткозамыкателя с пиротехническим приводом 5 и размыкателя 6. Силовая цепь короткозамыкателя 4 последовательно с силовой цепью элегазового выключателя 6 подключены к защищаемой цепи 7. Датчик тока 2 контролирует ток в защищаемой цепи 7 после элегазового выключателя 6. Датчик электрической дуги 3 проходит вдоль защищаемой цепи 7. Элегазовый выключатель 6 здесь используется в качестве размыкателя.
Устройство работает следующим образом.
В отсутствие электрической дуги выключатель защищаемой цепи 4 замкнут и ток от источника электроэнергии поступает в защищаемую цепь 7. Короткозамыкатель с пиротехническим приводом 5 разомкнут и ток через него не проходит. Также ток не проходит через последовательно соединенный с ним элегазовый выключатель 6. Сигналы с датчика тока 2 и датчика электрической дуги 3, поступающие в центральный блок 1, показывают отсутствие электрической дуги.
При первом возникновении электрической дуги на защищаемой цепи 7 датчик тока 2 формирует сигнал о превышении порогового уровня тока в защищаемой цепи 7, датчик электрической дуги 3 формирует сигнал о возникновении дуги. Эти сигналы поступают на «Вх.1» и «Вх.2» центрального блока 1, по которым на «Вых.2» формируется сигнал, поступающий на вход управления короткозамыкателя 5. По этому сигналу срабатывает пиротехнический привод короткозамыкателя 5 и происходит металлическое короткое замыкания фаз защищаемой цепи 7. Напряжение между фазами цепи 7 становится равным нулю, что приводит к прекращению горения электрической дуги. Ток через защищаемую цепь 7 перестает течь, что фиксируется датчиком тока 2. Эта информация поступает на «Вх.1» и центральный блок 1, который выдает с «Вх.3» сигнал на вход управления элегазового выключателя 6. Элегазовый выключатель 6 отключает короткозамыкатель 5 от защищаемой цепи 7. Ток от источника электроэнергии вновь поступает в защищаемую цепь 7, осуществляя таким образом ее оперативное подключение. После первого возникновения дуги в центральном блоке 1 фиксируется в памяти данное событие.
При повторном возникновении электрической дуги на защищаемой цепи 7, также как и при первом возникновении дуги, датчик тока 2 формирует сигнал о превышении порогового уровня тока в защищаемой цепи 7, датчик электрической дуги 3 формирует сигнал о возникновении дуги. Эти сигналы поступают на «Вх.1» и «Вх.2» центрального блока 1. Блок 1 на «Вых.3» формирует сигнал, поступающий на вход управления размыкателя 6, по которому размыкатель 6 соединяет короткозамыкатель 5 с защищаемой цепью 7, что, как и в первом случае, приводит к гашению электрической дуги. Затем блок 1 на «Вых.1» формирует сигнал, поступающий на вход управления выключателя 4, который отключает защищаемую цепь 7 от источника электроэнергии, что приводит к прекращению подачи тока в цепь размыкателя 6 и короткозамыкателя 5. Для восстановления подачи тока в защищаемую цепь 7 необходимо провести работы по устранению неисправностей, вызванных дугой, заменить короткозамыкатель с пиротехническим приводом 5 на новый, включить размыкатель 6 и выключатель 5.
Применение короткозамыкателя с пиротехническим приводом 5, например на основе сильноточного быстродействующего замыкателя ЗВ-15/100, имеющем время срабатывания ~1 мкс, позволяет практически мгновенно погасить электрическую дугу. Ее энерговыделение за это время ничтожно мало и поэтому не способно нарушить целостность оборудования, а тем более его разрушить. При столь коротком времени воздействии дуги вполне возможно повторное подключение защищаемой цепи к электропитанию после разрушения столба дуги за счет искусственного металлического короткого замыкания.
Применение элегазового выключателя в качестве размыкателя за счет более плавного переходного процесса в нем при размыкании позволяет избежать перенапряжений, возникающих при отключении реактивных нагрузок. В качестве элегазового выключателя можно использовать выключатели LF фирмы ABB.
Центральный блок 1 может быть построен на основе микроконвертора из серии ADUC фирмы AnalogDeveces.
В качестве датчика тока 2 можно использовать трансформаторы тока или пояс Роговского.
В качестве датчика электрической дуги 3 можно использовать устройство дуговой защиты ФВИП.423133.004.
В качестве выключателя 4 можно использовать выпускаемые в настоящее время высоковольтные выключатели для распределительных устройств.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет по сравнению с прототипом осуществить повторное включение защищаемой цепи сразу после гашения дуги за счет отключения короткозамыкателя.
Источники информации
1. Daniel Piccoz, Christophe Preve, Fabrice Buffa, Patrice Grosjean «The "arc killer": the internal fault suppressor», 20th International Conference on Electricity Distribution, Prague, 8-11 June 2009, paper 0177.
6
2. Комплектное распределительное устройство высокого напряжения. Заявка на изобретение №94007739, 04.03.1994, МКИ Н02В 13/025.
3. ARCON: Arc-Fault Protection System, Manual, replaces 02/09 AWB46-1246GB, EATON. ftp://ftp.moeller.net/DOCUMENTATION/AWB_MANUALS/MN01405001Z_EN.pdf