CC BY
21
УДК 621.315
УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ КРУ ОТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ НА ОСНОВЕ ПРИНЦИПА РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
И.Н. БРЕДНИКОВ*, В.Л. МАТУХИН**, Г.И. ПЕТРОВ**
*ОАО «Татэнерго» Альметьевские электрические сети **Казанский государственный энергетический университет,
Проведены экспериментальные исследования по регистрации электромагнитного излучения электрической дуги в ультракоротковолновом диапазоне. На частотах излучения дуги выше 70 МГц обнаружено существенное снижение амплитуды демодулированного низкочастотного сигнала приемника на расстояниях больше одного метра. Разработано устройство защиты КРУ от электрической дуги на основе принципа регистрации электромагнитного излучения.
Комплектные распределительные устройства (КРУ) 6-10 кВ предназначены для приема и распределения электрической энергии переменного трехфазного тока промышленной частоты. Они применяются в большом количестве в качестве распределительных устройств на трансформаторных подстанциях 220/110/35/6-10 кВ, 110/6-10 кВ, 110/35/6-19 кВ и системах электрификации железнодорожного транспорта. Известно, что одной из основных причин повреждений КРУ являются внутренние короткие замыкания (КЗ), сопровождаемые электрической дугой [1]. Поскольку многие КРУ не снабжены эффективной защитой от дуговых КЗ, при аварийных ситуациях возникают возгорания электрических шкафов, которые приводят к полному выходу из строя данных устройств. В связи с этим одной из приоритетных задач является продление срока службы КРУ.
В настоящее время применяется целый ряд устройств дуговой защиты КРУ: действие ударной волны от расширяющихся газов, нагретых электрической дугой (датчики типа “Краб”); ответвление тока электрической дуги на специальный проводник и регистрация ее тока (датчики типа “Антенный”); регистрация наличия в электроустановке электрической дуги фотоприемниками типа ТФ-132-25-8(10), которые устанавливаются во всех отсеках электроустановки. Вышеперечисленные защитные устройства имеют существенные недостатки. К ним следует отнести, в первую очередь, отсутствие гарантии срабатывания при малых токах КЗ. Кроме того, нет гарантии срабатывания и при некоторых видах однофазных КЗ, в том числе при КЗ в отсеках отходящего кабеля. Следует отметить, что в процессе эксплуатации у фотодиодов и фототиристоров, за счет воздействия окружающей среды (загрязнение и увлажнение), ухудшаются оптические характеристики, что приводит к потере работоспособности данных устройств. Поэтому крайне актуальной является разработка принципиально новой защиты КРУ от электрической дуги. В этом отношении использование принципа регистрации и анализа электромагнитного излучения для разрабатываемой защиты представляется весьма эффективным. При этом имеется ряд требований для практического воплощения данного метода. Одним из них является
© И.Н. Бредников, В.Л. Матухин, Г.И. Петров Проблемы энергетики, 2005, № 3-4
селективность (избирательность) устройства только к частичным и дуговым разрядам, которые возникают в отсеках КРУ, в которых расположены токоведущие части 6-10 кВ. Устройство не должно срабатывать при нормальном отключении высоковольтных выключателей и также от токов внешних коротких замыканий, расположенных за пределами отсека КРУ. Для решения данных вопросов требуется проведение детального исследования излучения электрической дуги в широком частотном диапазоне.
В случае КЗ, сопровождаемого электрической дугой, также, как и при горении любой другой дуги, лавинная ионизация вызывает электромагнитное излучение, содержащее частоты в диапазоне от низких до ультравысоких. Дуга возникает всякий раз, когда напряжение достигает критического уровня пробивного напряжения изоляционного промежутка. Возникающее
широкополосное электромагнитное излучение имеет модуляцию с частотой, равной удвоенной частоте промышленной сети (100 Гц) [2,3].
Для проведения экспериментальных исследований по регистрации электромагнитного излучения электрической дуги была собрана установка, состоящая из следующих блоков :
1) УКВ приемник;
2) усилитель мощности звуковых частот;
3) фильтр низких частот.
На рис. 1 приведена зависимость амплитуды демодулированного
низкочастотного сигнала на выходе УКВ приемника от его расстояния до места дугового разряда. Для частоты излучения электрической дуги в 1,6 МГц амплитуда демодулированного низкочастотного (АМ) сигнала практически остается постоянной. В то же время, для частоты излучения электрической дуги в 70 МГц демодулированный низкочастотный (ЧМ) сигнал обнаруживает существенное снижение амплитуды на расстояниях больше одного метра. Еще более существенное снижение амплитуды демодулированного (ЧМ) сигнала наблюдается для частоты излучения дуги в 110 МГц.
Рис. 1. Зависимость амплитуды низкочастотного демодулированного сигнала на выходе УКВ приемника от расстояния. Напряжение питания источника электрической дуги 6 кВ
Полученные результаты показывают, что на частотах излучения дуги выше 70 МГц амплитуда демодулированного (ЧМ) сигнала существенно убывает на © Проблемы энергетики, 2005, № 3-4
расстояниях порядка одного метра от источника излучения. Использование данного обнаруженного эффекта позволяет применять защитное устройство для селективной регистрации излучения электрической дуги на близких расстояниях.
Защита КРУ от электрической дуги на основе принципа регистрации электромагнитного излучения состоит из следующих этапов:
1) прием антенной электромагнитных колебаний, вызванных электрической дугой;
2) усиление и демодуляция принятых сигналов в УКВ приемнике;
3) усиление демодулированных низкочастотных сигналов в усилителе мощности звуковых частот (УМЗЧ);
4) анализ низкочастотных сигналов и формирование управляющего импульса (блок обработки сигналов);
5) исполнительное устройство (блок реле).
На рис.2 показана структурная
схема устройства защиты от электрической дуги на основе принципа регистрации электромагнитного
излучения. Одним из преимуществ выбранного принципа является то, что реализация предложенной системы не требует разработки нового оборудования и специализированных радио-
приемников, а может основываться на готовых и опробованных технических решениях с использованием хорошо доступных приемников УКВ диапазона. В рассматриваемом образце устройства защиты в качестве УКВ приемника был использован радиоприемник R213T, выделяющий от несущей частоты излучения как сигналы амплитудной модуляции (АМ), так и частотной модуляции (ЧМ).
Другим заметным преимуществом предложенного защитного устройства на основе принципа регистрации электромагнитного излучения является то, что оно не требует физического подсоединения к конкретной электрической цепи КРУ. Данное защитное устройство является также относительно дешевым по сравнению с традиционными устройствами, требующими специальных дорогостоящих измерительных элементов.
Summary
Experimental studies on the registration of the electromagnetic radiation of electric arc in the ultrashort-wave range are carried out. Considerable reduction in the amplitude of the demodulated low-frequency signal of receiver at the distances in more than one meter is discovered at frequencies of the emission of arc of higher than 70 MHz. Is developed the device of protection SDD from electric arc on the basis of the principle of the registration of electromagnetic radiation.
© Проблемы энергетики, 2005, № 3-4
X
УКВ УМ Фильтр Блок
прием - ЗЧ - НЧ - обработки
ник сигналов
Исполнительное устройство (блок реле)
Рис.2. Структурная схема устройства защиты КРУ от электрической дуги
Литература
1. Нагай В.И.. Релейная защита осветительных подстанций электрических сетей // Энергоатомиздат. - М. : Наука, 2002. - 312 с.
2. M. Vaughan et al. Remote Monitoring of Power System Faults Using VLF waves // International Conference on Electrical Engineering, 1998,Vol. 2, p. 614-620.
3. E.J. Bartlett, P.J. Moore. Detection And Analysis of Power System Transient Induced VHF Electromagnetic Radiation For Areing Fault Location // Proceeding of the IASTED International Conference Power and Energy Systems, November 8-10, 1999, Las Vegas, NV, USA, p. 59-68.
Поступила 16.02.2005
© Проблемы энергетики, 2005, № 3-4
