Защита от дугового замыкания (ANSI 50AF / AFD) — оптическая детекция дуги в РУ

Гид по дуговой вспышке описывает, как по IEEE 1584 рассчитывается падающая энергия и какие СИЗ из неё следуют. Это пассивная оценка: при условии, что дуговое замыкание может произойти, сколько энергии выделится и какие СИЗ нужны, чтобы это пережить? Эта статья описывает активную функцию защиты, которая не определяет СИЗ, а резко сокращает реальную длительность — а значит и энергию — дугового замыкания: реле дуговой защиты (англ. arc-flash relay), которое часто обозначают как ANSI 50AF или, в более новой документации, AFD (Arc Flash Detector).

Почему обычное токовое реле слишком медленное

Обычная токовая защита (ANSI 50/51) обнаруживает дуговое замыкание исключительно по току, и часто должна выдерживать выдержку времени ради селективности с нижестоящими защитами. При дуговом замыкании, однако, решающим фактором является не только ток, но прежде всего время: формула падающей энергии по IEEE 1584 прямо пропорциональна длительности дуги. Каждые лишние десятки миллисекунд времени отключения напрямую превращаются в пропорционально более высокую энергию в месте повреждения — а значит, в более тяжёлое требование к СИЗ или, за определённой границей, в неприемлемый риск.

Принцип действия: свет плюс ток, а не только свет

Реле дуговой защиты обнаруживает внутреннее дуговое замыкание с помощью оптических датчиков, которые улавливают внезапную, чрезвычайно интенсивную световую вспышку дуги (в видимом и ближнем инфракрасном спектре), в сочетании с токовой блокировкой: только когда одновременно измерены и световая вспышка, и превышение тока над установленной уставкой, реле заключает, что действительно происходит дуговое замыкание, и выдаёт команду отключения на вышестоящий выключатель.

• Точечные датчики: индивидуальные датчики света для каждого отсека распредустройства (отсек шин, кабельный отсек, отсек выключателя). Они дают лучшую зональную селективность: реле может точно указать, в каком отсеке возникла дуга — задача, сравнимая с зональной избирательностью дифференциальной защиты шин (87B), хотя основана на совершенно другом принципе (сравнение токов, а не детекция света).
• Волоконно-оптическая петля: непрерывная оптоволоконная петля вдоль шин или через несколько отсеков, обнаруживающая свет по всей своей длине. Проще в монтаже, чем несколько точечных датчиков, но с менее точной привязкой к зоне — петля сообщает, что где-то по её трассе обнаружен свет, но не обязательно, в каком именно отсеке.

Причина, по которой токовая блокировка незаменима: чисто оптическая детекция реагировала бы и на вспышки сварки, вспышки фотокамеры или прямой солнечный свет, случайно попавший на датчик, вызывая необоснованные отключения. Сочетание свет ⋀ ток предотвращает эти ложные срабатывания, сохраняя при этом крайне короткое время отключения при реальном дуговом замыкании.

Время отключения: несколько миллисекунд вместо периодов

Там, где обычной токовой защите зачастую нужны десятки-сотни миллисекунд (включая возможную выдержку времени для селективности), решение реле дуговой защиты о срабатывании обычно занимает не более примерно 2–2,5 мс, отсчитывая от начала световой вспышки до команды отключения. Полное время отключения установки по-прежнему зависит от собственного времени размыкания выключателя — но релейная часть цепочки, часто самая длинная в обычной токовой схеме, при этом практически устраняется.

Внимание: обозначение "50AF" широко используется на практике, но изначально является неофициальным — сочетанием номера ANSI 50 (мгновенная токовая защита) с суффиксом "AF" (arc flash), а не изначально официально зарегистрированным функциональным номером ANSI/IEEE C37.2. Более новые редакции IEEE C37.2 уже ввели формальное функциональное обозначение AFD (Arc Flash Detector); на практике оба обозначения используются параллельно.

Зональная селективность против единого, общего отключения

Как и в дифференциальной защите, желательно, чтобы реле дуговой защиты отключало только тот отсек или зону, где действительно возникло повреждение, а не всю установку целиком. С точечными датчиками на каждый отсек, в сочетании с логической привязкой каждого датчика к ближайшему выключателю, такая селективность достижима. Волоконно-оптическая петля без дальнейшего деления сама по себе такой точности не даёт: при неопределённости точного места повреждения проектировщики часто выбирают более широкое, заведомо безопасное отключение сразу нескольких выключателей.

Практическая значимость

При новом строительстве или модернизации распредустройств среднего напряжения с высоким доступным током КЗ реле дуговой защиты — одна из наиболее экономически эффективных мер для снижения падающей энергии, а значит и категории СИЗ, и остаточного риска для персонала, часто с бóльшим эффектом, чем одно только сокращение выдержки времени нижестоящей токовой защиты. Оптические датчики, как и любой другой элемент защиты, должны периодически функционально проверяться, обычно с помощью калиброванного испытательного источника света, имитирующего известную вспышку.

Частые ошибки

1. Считать, что реле дуговой защиты — то же самое, что расчёт по IEEE 1584 или маркировка СИЗ — расчёт определяет требуемую защиту при условии повреждения; реле сокращает фактическую длительность (а значит и энергию) этого повреждения.
2. Применять оптическую детекцию без токовой блокировки, рискуя необоснованными отключениями от вспышек сварки, вспышек камеры или прямого солнечного света на датчике.
3. Размещать точечные датчики так, что образуются зоны без покрытия между конусами обнаружения соседних датчиков, из-за чего дуговое замыкание в промежуточном месте остаётся необнаруженным — или обнаруживается только медленной резервной токовой защитой.
4. Не проводить периодическую функциональную проверку оптических датчиков, из-за чего неисправный датчик обнаруживается только при реальном дуговом замыкании — именно тогда, когда быстрая детекция нужнее всего.

Связанные материалы

• Дуговая вспышка — падающая энергия и СИЗ
• Защита от отказа выключателя (50BF)
• Дифференциальная защита шин (87B)
• Зонально-селективная блокировка выключателей (ZSI)