Захист від дугового замикання (ANSI 50AF / AFD) — оптичне виявлення дуги в РП

Гід про дугову спалах описує, як за IEEE 1584 розраховується падаюча енергія та які засоби захисту з неї випливають. Це пасивна оцінка: за умови, що дугове замикання може статися, скільки енергії вивільниться і які засоби захисту потрібні, щоб це пережити? Ця стаття описує активну функцію захисту, яка не визначає засоби захисту, а різко скорочує реальну тривалість — а отже й енергію — дугового замикання: реле дугового захисту (англ. arc-flash relay), яке часто позначають як ANSI 50AF або, у новішій документації, AFD (Arc Flash Detector).

Чому звичайне струмове реле надто повільне

Звичайний струмовий захист (ANSI 50/51) виявляє дугове замикання виключно за струмом, і часто мусить витримувати витримку часу заради селективності з нижчестоящими захистами. Проте при дуговому замиканні вирішальним чинником є не лише струм, а передусім час: формула падаючої енергії за IEEE 1584 прямо пропорційна тривалості дуги. Кожні зайві десятки мілісекунд часу вимкнення напряму перетворюються на пропорційно вищу енергію в місці пошкодження — а отже, на важчу вимогу до засобів захисту або, за певною межею, на неприйнятний ризик.

Принцип дії: світло плюс струм, а не лише світло

Реле дугового захисту виявляє внутрішнє дугове замикання за допомогою оптичних датчиків, які вловлюють раптовий, надзвичайно інтенсивний світловий спалах дуги (у видимому й ближньому інфрачервоному спектрі), у поєднанні зі струмовим блокуванням: лише коли одночасно виміряно і світловий спалах, і перевищення струму над заданою уставкою, реле робить висновок, що дійсно відбувається дугове замикання, і видає команду вимкнення на вищестоящий вимикач.

• Точкові датчики: окремі датчики світла для кожного відсіку розподільчого пристрою (відсік шин, кабельний відсік, відсік вимикача). Вони дають найкращу зональну селективність: реле може точно вказати, у якому відсіку виникла дуга — завдання, порівнянне із зональною вибірковістю диференційного захисту шин (87B), хоча ґрунтується на зовсім іншому принципі (порівняння струмів, а не виявлення світла).
• Волоконно-оптична петля: безперервна оптоволоконна петля вздовж шин або через кілька відсіків, що виявляє світло по всій своїй довжині. Простіша в монтажі, ніж кілька точкових датчиків, але з менш точною прив'язкою до зони — петля повідомляє, що десь на її трасі виявлено світло, але не обов'язково в якому саме відсіку.

Причина, з якої струмове блокування є незамінним: суто оптичне виявлення реагувало б і на спалахи зварювання, спалахи фотокамери чи пряме сонячне світло, що випадково потрапило на датчик, спричиняючи необґрунтовані вимкнення. Поєднання світло ⋀ струм запобігає цим хибним спрацюванням, зберігаючи при цьому вкрай короткий час вимкнення при реальному дуговому замиканні.

Час вимкнення: кілька мілісекунд замість періодів

Там, де звичайному струмовому захисту часто потрібні десятки-сотні мілісекунд (включно з можливою витримкою часу для селективності), рішення реле дугового захисту про спрацювання зазвичай займає не більше приблизно 2–2,5 мс, рахуючи від початку світлового спалаху до команди вимкнення. Повний час вимкнення установки все ще залежить від власного часу розмикання вимикача — але релейна частина ланцюга, яка часто є найдовшим кроком у звичайній струмовій схемі, при цьому практично усувається.

Увага: позначення "50AF" широко використовується на практиці, але спочатку є неофіційним — поєднанням номера ANSI 50 (миттєвий струмовий захист) із суфіксом "AF" (arc flash), а не спочатку офіційно зареєстрованим функціональним номером ANSI/IEEE C37.2. Новіші редакції IEEE C37.2 вже запровадили формальне функціональне позначення AFD (Arc Flash Detector); на практиці обидва позначення використовуються паралельно.

Зональна селективність проти єдиного, загального вимкнення

Як і в диференційному захисті, бажано, щоб реле дугового захисту вимикало лише той відсік або зону, де дійсно виникло пошкодження, а не всю установку цілком. Із точковими датчиками на кожен відсік, у поєднанні з логічною прив'язкою кожного датчика до найближчого вимикача, така селективність досяжна. Волоконно-оптична петля без подальшого поділу сама по собі такої точності не дає: за невизначеності точного місця пошкодження проектувальники часто обирають ширше, свідомо безпечне вимкнення одразу кількох вимикачів.

Практична значущість

При новому будівництві або модернізації розподільчих пристроїв середньої напруги з високим доступним струмом КЗ реле дугового захисту — один із найбільш економічно ефективних заходів для зниження падаючої енергії, а отже й категорії засобів захисту, і залишкового ризику для персоналу, часто з більшим ефектом, ніж лише скорочення витримки часу нижчестоящого струмового захисту. Оптичні датчики, як і будь-який інший елемент захисту, мають періодично перевірятися функціонально, зазвичай за допомогою каліброваного випробувального джерела світла, що імітує відомий спалах.

Часті помилки

1. Вважати, що реле дугового захисту — те саме, що розрахунок за IEEE 1584 чи маркування засобів захисту — розрахунок визначає потрібний захист за умови пошкодження; реле скорочує фактичну тривалість (а отже й енергію) цього пошкодження.
2. Застосовувати оптичне виявлення без струмового блокування, ризикуючи необґрунтованими вимкненнями від спалахів зварювання, спалахів камери чи прямого сонячного світла на датчику.
3. Розміщувати точкові датчики так, що утворюються зони без покриття між конусами виявлення сусідніх датчиків, через що дугове замикання в проміжному місці залишається невиявленим — або виявляється лише повільним резервним струмовим захистом.
4. Не проводити періодичну функціональну перевірку оптичних датчиків, через що несправний датчик виявляється лише при реальному дуговому замиканні — саме тоді, коли швидке виявлення потрібне найбільше.

Пов'язані матеріали

• Дугова спалах — падаюча енергія та засоби захисту
• Захист від відмови вимикача (50BF)
• Диференційний захист шин (87B)
• Зонально-селективне блокування вимикачів (ZSI)