Zabezpieczenie przed łukiem elektrycznym (ANSI 50AF / AFD) — optyczna detekcja łuku w rozdzielnicach

Przewodnik o łuku elektrycznym opisuje, jak zgodnie z IEEE 1584 oblicza się energię incydentalną i jakie środki ochrony indywidualnej z niej wynikają. Jest to ocena pasywna: zakładając, że zwarcie łukowe może wystąpić, ile energii się wtedy uwolni i jakie środki ochrony są potrzebne, aby to przeżyć? Ten artykuł opisuje aktywną funkcję zabezpieczenia, która nie określa środków ochrony, lecz drastycznie skraca rzeczywisty czas trwania — a więc i energię — zwarcia łukowego: przekaźnik zabezpieczenia łukowego (ang. arc-flash relay), często oznaczany jako ANSI 50AF lub, w nowszej dokumentacji, AFD (Arc Flash Detector).

Dlaczego zwykły przekaźnik nadprądowy jest za wolny

Konwencjonalne zabezpieczenie nadprądowe (ANSI 50/51) wykrywa zwarcie łukowe wyłącznie na podstawie prądu i często musi utrzymywać zwłokę czasową dla zachowania selektywności względem zabezpieczeń niższego szczebla. Jednak przy zwarciu łukowym decydujący jest nie tylko prąd, lecz przede wszystkim czas: wzór na energię incydentalną według IEEE 1584 jest wprost proporcjonalny do czasu trwania łuku. Każde dodatkowe dziesiątki milisekund czasu wyłączenia przekładają się bezpośrednio na proporcjonalnie wyższą energię w miejscu zwarcia — a więc na proporcjonalnie surowsze wymagania dotyczące środków ochrony lub, powyżej pewnej granicy, na niemożliwe do zaakceptowania ryzyko.

Zasada działania: światło plus prąd, nie samo światło

Przekaźnik zabezpieczenia łukowego wykrywa wewnętrzne zwarcie łukowe za pomocą czujników optycznych, które rejestrują nagły, bardzo intensywny błysk światła łuku (w widmie widzialnym i bliskiej podczerwieni), w połączeniu z nadzorem prądowym: dopiero gdy jednocześnie zmierzony zostanie błysk światła i przekroczenie ustawionego progu prądu, przekaźnik uznaje, że rzeczywiście trwa zwarcie łukowe, i wysyła polecenie wyłączenia do nadrzędnego wyłącznika.

• Czujniki punktowe: indywidualne czujniki światła dla każdej komory rozdzielnicy (komora szyn, komora kablowa, komora wyłącznika). Zapewniają najlepszą selektywność strefową: przekaźnik może dokładnie wskazać, w której komorze powstał łuk, porównywalnie do selektywności strefowej zabezpieczenia różnicowego szyn zbiorczych (87B), choć opiera się na zupełnie innej zasadzie (porównanie prądów, a nie detekcja światła).
• Pętla światłowodowa: ciągła pętla światłowodowa wzdłuż szyn lub przez kilka komór, wykrywająca światło na całej swojej długości. Prostsza w montażu niż kilka czujników punktowych, ale z mniej precyzyjnym przypisaniem do strefy — pętla zgłasza, że gdzieś na jej trasie wykryto światło, niekoniecznie w której dokładnie komorze.

Powód, dla którego nadzór prądowy jest niezbędny: czysto optyczna detekcja reagowałaby również na błyski spawania, błyski fleszy aparatu czy bezpośrednie światło słoneczne padające przypadkowo na czujnik, powodując nieuzasadnione wyłączenia. Połączenie światło ⋀ prąd zapobiega tym fałszywym zadziałaniom, zachowując przy tym niezwykle krótki czas wyłączenia przy rzeczywistym zwarciu łukowym.

Czas wyłączenia: kilka milisekund zamiast okresów

Podczas gdy zwykłe zabezpieczenie nadprądowe często potrzebuje dziesiątek do setek milisekund (w tym ewentualną zwłokę czasową dla selektywności), decyzja o zadziałaniu przekaźnika zabezpieczenia łukowego zajmuje zazwyczaj nie więcej niż około 2–2,5 ms, licząc od początku błysku światła do polecenia wyłączenia. Całkowity czas wyłączenia instalacji zależy nadal od własnego czasu otwarcia samego wyłącznika — ale element przekaźnikowy łańcucha, który w zwykłym zabezpieczeniu nadprądowym jest często najdłuższym krokiem, zostaje przy tym praktycznie wyeliminowany.

Uwaga: oznaczenie "50AF" jest w praktyce szeroko stosowane, ale pierwotnie jest nieformalne — połączeniem numeru ANSI 50 (natychmiastowe zabezpieczenie nadprądowe) z przyrostkiem "AF" (arc flash), a nie pierwotnie oficjalnie zarejestrowanym numerem funkcji według ANSI/IEEE C37.2. Nowsze wydania IEEE C37.2 wprowadziły już formalne oznaczenie funkcji AFD (Arc Flash Detector); w praktyce oba oznaczenia funkcjonują równolegle.

Selektywność strefowa a jedno, całościowe wyłączenie

Podobnie jak w zabezpieczeniu różnicowym, pożądane jest, aby przekaźnik zabezpieczenia łukowego wyłączał tylko tę komorę lub strefę, w której rzeczywiście powstało zwarcie, a nie całą instalację. Przy czujnikach punktowych dla każdej komory, w połączeniu z logicznym przypisaniem każdego czujnika do najbliższego wyłącznika, taką selektywność można osiągnąć. Pętla światłowodowa bez dalszego podziału sama w sobie nie daje takiej precyzji: przy niepewności co do dokładnego miejsca zwarcia projektanci często wybierają szersze, świadomie bezpieczne wyłączenie kilku wyłączników jednocześnie.

Znaczenie praktyczne

Przy nowym budownictwie lub modernizacji rozdzielnic średniego napięcia o wysokim dostępnym prądzie zwarciowym przekaźnik zabezpieczenia łukowego jest jednym z najbardziej opłacalnych środków obniżenia energii incydentalnej — a więc i kategorii środków ochrony oraz ryzyka resztkowego dla personelu — często z większym efektem niż samo skrócenie zwłoki czasowej podrzędnego zabezpieczenia nadprądowego. Czujniki optyczne, podobnie jak każdy inny element zabezpieczenia, muszą być okresowo testowane funkcjonalnie, zazwyczaj za pomocą skalibrowanego źródła światła testowego symulującego znany błysk.

Częste błędy

1. Uznawanie przekaźnika zabezpieczenia łukowego za to samo co obliczenie IEEE 1584 czy etykieta środków ochrony — obliczenie określa potrzebną ochronę przy założeniu wystąpienia zwarcia; przekaźnik skraca rzeczywisty czas trwania (a więc energię) tego zwarcia.
2. Stosowanie detekcji optycznej bez nadzoru prądowego, ryzykując nieuzasadnione wyłączenia od błysków spawania, błysków fleszy aparatu czy bezpośredniego światła słonecznego na czujniku.
3. Umieszczanie czujników punktowych tak, że powstają luki w pokryciu między stożkami detekcji sąsiednich czujników, przez co zwarcie łukowe w miejscu pośrednim pozostaje niewykryte — lub zostaje wykryte dopiero przez wolne zabezpieczenie nadprądowe rezerwowe.
4. Brak okresowego testowania funkcjonalnego czujników optycznych, przez co uszkodzony czujnik ujawnia się dopiero przy rzeczywistym zwarciu łukowym — właśnie wtedy, gdy szybka detekcja jest najbardziej potrzebna.

Powiązane

• Łuk elektryczny — energia incydentalna i środki ochrony
• Zabezpieczenie od niesprawności wyłącznika (50BF)
• Zabezpieczenie różnicowe szyn zbiorczych (87B)
• Selektywna blokada strefowa wyłączników (ZSI)