CC BY
24
УДК 621.316.125 DOI 10.18635/2071-2219-2016-6-5-8
Защита от дугового замыкания. Время-токовая характеристика устройства
В. К. Монаков,
ООО «Астро-УЗО», Москва, генеральный директор
Д. Ю. Кудрявцев,
ООО «Астро-УЗО», Москва, инженер
В. А. Пешкун,
ООО «Астро-УЗО», Москва, главный инженер
Устройства защиты от дугового замыкания/пробоя призваны снизить риск возникновения пожаров как в частном секторе, так и в промышленности. Одним из ключевых показателей работоспособности таких устройств является время-токовая характеристика. Это влечет за собой необходимость расчета предельно допустимого времени отключения при заданном токе дугового замыкания. Построенная авторами тепло-физическая модель последовательного дугового замыкания при обрыве проводника кабеля представляет интерес для изучения.
Ключевые слова: релейная защита, дуговое замыкание, дуговой пробой, пожарная опасность.
Устройство защиты от дугового замыкания/пробоя - новое в России средство релейной защиты электроустановок. Широкое внедрение данных устройств началось в 1999-2002 годах в США и Канаде после принятия соответствующих нормативных документов [1]. В 2013 году Международная электротехническая комиссия опубликовала стандарт МЭК 62606 [2], который был взят за основу при разработке национальных стандартов рядом стран, в том числе Россией и Германией [3, 4]. В США и России ряд производителей приступил к разработке устройств защиты от дуговых разрядов в электроустановках [5, 6].
Время-токовая характеристика (зависимость времени срабатывания релейной защиты от значения тока нагрузки) является одним из важнейших показателей работоспособности устройств защиты от дугового замыкания/пробоя УЗДЗ/УЗДП. Запаздывание отключения цепи, в которой произошло дуговое замыкание (пробой), с большой вероятностью может привести к воспламенению изоляции и окружающих горючих материалов, что, в свою очередь, с большой вероятностью приведет к пожару на объекте или серьезному повреждению электроустановки. Это обусловливает необходимость расчета предельно допустимого времени отключения при заданном токе дугового замыкания. Таким образом, для обеспечения надежной работы защитных устройств необходимо учитывать предельно допустимую время-токовую характеристику устройства.
Теплофизическая модель
Рассмотрим случай последовательного дугового замыкания при обрыве проводника кабеля. На практике наиболее частыми причинами этого становятся излом жилы кабеля из-за усталости металла, разрыв
проводника при чрезмерном растяжении кабеля или повреждение жилы посторонним предметом. При этом в поврежденной жиле возникает малый зазор, пробиваемый рабочим напряжением, поэтому ток по такому кабелю продолжает протекать и остается близок к номинальному значению. В зазоре возникает дуговой разряд, сопровождающийся интенсивным выделением тепла, что приводит к дальнейшему разрушению изоляции кабеля и возгоранию.
Описанная неисправность сложна для диагностики и требует детального изучения [5-7]. Нами предлагается модель, позволяющая провести оценку важнейших параметров процесса, в том числе времени возникновения возгорания.
Удобно рассмотреть продольное сечение поврежденной жилы кабеля, схематично изображенное на рис. 1. В дальнейшем приняты следующие обозначения: ю - область разряда (источник тепла), зазор между жилами, О - окрестность источника тепла, ограниченная изотермой. Поскольку теплофизиче-ские характеристики проводника и изолятора существенно различаются, форма области О будет иметь особый вид.
Г
ВНЕШНЯЯ СРЕДА
ОБЛАСТЬ РАЗРЯДА ОБЛАСТИ НАГРЕВА
ИЗОЛЯЦИЯ
ВНЕШНЯЯ СРЕДА Рис. 1. Продольное сечение поврежденной жилы кабеля
№ 6(72)2016, ноябрь-декабрь
redaktor@endi.ru
шшштшшшсаттшяЁШмашжш^
Области ю, О и внешняя среда (изолятор) образуют открытую термодинамическую систему. Линейное уравнение теплового баланса [8-10] для данной системы имеет вид:
dT СТ TV. Р
—=-а (Т-Т0)+—-, dt cpV
(1)
где К'=-
U
постоянная.
с pVa
Переходя к пределу по базе t—> асимптотику решения:
К' и
(5)
- 1 .
t =—ln а
кч
=-1щ
а
.-Г
(6)
Поскольку в реальных условиях /»/, удобно разложить правую часть по формуле Тейлора в окрестности нуля:
- 1
t=— а
г» г
по базе 7// —>0.
где T - средняя по объему W температура; Tq - температура окружающей среды; P - мощность источника тепла внутри объема w; a - скорость остывания области W; с, р - средние удельная теплоемкость и плотность объема W соответственно; V - объем области W.
Решение уравнения (1) дается выражением:
1 ' 1 '
T(t)=T0 +-j>(.v)e "" s)ds = Ta +-\i(s)u(s)e "u s)ds.
cpV « cpV0 ^
Пусть на промежутке [0, t] происходит стабильное горение дугового разряда, тогда мощность P(s) можно заменить эквивалентным значением P=ÛI=const,
где 0 - падение напряжения на дуге (напряжение стабилизации) [9], / - эквивалентное значение тока.
С учетом упрощений получаем:
Проще говоря, имеет место приближение:
или с учетом (5):
U У 4 1
(7)
(8)
при достаточно больших /, где к"=С^ (~/'-У0)«У1 -
постоянная. Физический смысл К" ~ заряд, прошедший через область разряда со за время возгорания I.
Полученную гиперболу можно считать границей области допустимости для время-токовой характеристики УЗДЗ/УЗДП. Так, с момента возникновения дугового замыкания, имеющего мощность Р=1Л, устройство должно прервать ток за время, не превосходящее в противном случае велика вероятность воспламенения изоляции.
Суммарная тепловая энергия, переданная источ-
(3) ником за предельно допустимое время то есть
энергия зажигания, рассчитывается следующим образом:
получаем
(4)
W = Pt=-=K"LJ=cpV(f-T0)=œnst
(9)
С учетом (9) можно переписать выражение (8):
Считаем, что критерием воспламенения изоляции является достижение условной температуры воспламенения у, поскольку источник зажигания присутствует - им является сам дуговой разряд, а окислителем является кислород воздуха. Тогда при >Т, то есть:
выражение (5):
и постоянные, входящие в модель:
W I
произойдет воспламенение за некоторое (возможно, очень большое) время. Отсюда следует, что при /</ воспламенение гарантированно не произойдет, поскольку интенсивность источника тепла слишком мала.
Однако тепловой источник действует ограниченное время, поэтому данного неравенства недостаточно. Выясним связь между интенсивностью источника и временем достижения температуры воспламенения. Из равенства Т(1)=Т получаем:
К'=
и а Û(T-T0) (Г-Г0) 1
(10)
(11)
(12)
(13)
а К"
На основе предложенной модели выполнен оценочный расчет предельно допустимого времени срабатывания УЗДЗ/УЗДП и произведено сопоставление его результатов с данными ГОСТ Р МЭК 62606. Расчет и эксперименты проводились для кабеля марки NYM конфигурации 3x2,5, в одной из жил которого был создан разрыв. Для кабелей других марок результаты могут отличаться.
6
ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ I wmv.endini
№ 6(72)2016, ноябрь-декабрь
Усредненные исходные данные для расчета приведены в табл. 1. Исходные данные являются результатами статистической обработки измерений соответствующих показателей при проведении экспериментальных исследований.
Таблица 1
Исходные данные для проведения расчета
Параметр Значение (усредненное)
|w|, мм3 0,5
|W|, мм3 5
c, Дж/(кг-К) 1000
p, кг/м3 4000
и, В 1,5
То, К 293
т, к 523
W, Дж К", Кл 2,5 5,0 10,0 16,0 32,0 63,0
3,75 2,5 t, мс 1000 (1000) 500 (500) 250 (250) 156 (150) 78 (120) 39 (120)
7,50 5,0 2000 1000 500 312 156 78
11,25 7,5 3000 1500 750 469 234 117
5 4,5
4 3,5
3
5 2 5
I 1
U
J 0,5 0
\о
ГС !!
S 2 (U А'
1,
- -К"=2,5 Кл -К"=5 Кл К =7,5 Кл ...
10 15 20
Ток дуги, А
25
30
Рис. 2 а. Вычисленная предельно допустимая время-токовая характеристика УЗДЗ/УЗДП при различных значениях энергии зажигания П в линейном масштабе
Результаты расчета по формулам (8)—(13) приведены в табл. 2. (энергия зажигания IV = 3,75 Дж). Для сравнения результаты расчетов представлены также для значений энергии зажигания IV =7,50 Дж и ТУ = 11,25 Дж. В скобках даны значения, указанные в ГОСТ Р МЭК 62606. Как видно, время возгорания / совпадает с предельно допустимым временем срабатывания защиты при токе последовательного дугового замыкания от 2,5 до 16 А.
Таким образом, проведена идентификация модели, на основе которой были получены стандартные значения. При токе свыше 16 А стандартные значения установлены на уровне 120 мс и значительно превосходят расчетные. Это обусловлено в первую очередь ограниченностью быстродействия УЗДЗ/УЗДП.
Таблица 2
Результаты расчета по формулам (8)-(13)
104
103
ю го !! О ш
S
ID
102
101
10°
S 10-1
10-
1-К"=2,5 Кл
2-К''=5 Кл
3-К"'=7,5 Кл
10-
10-
10-1 100 Ток дуги, А
101
102
Вычисленная предельно допустимая время-токовая характеристика УЗДЗ/УЗДП при различных значениях энергии зажигания ¡У (или, что эквивалентно, заряда К"), представлена на рис. 2 а в линейном масштабе и на рис. 2 б в логарифмическом масштабе.
Рис. 2 б. Вычисленная предельно допустимая время-токоваяхарактеристика УЗДЗ/УЗДП_ при различных значениях энергии зажигания И ' в логарифмическом масштабе
Построенная теплофизическая модель последовательного дугового замыкания при обрыве проводника кабеля представляет большую сложность для диагностики и, соответственно, интерес для изучения. На основе этой модели нами получены выражения, связывающие важнейшие параметры теплофи-зического процесса, в частности формула предельно допустимой время-токовой характеристики устройства релейной защиты от дугового замыкания/пробоя (УЗДЗ/УЗДП). Проведенный оценочный расчет время-токовой характеристики и установленное соответствие результатов со значениями, приведенными в стандарте ГОСТ Р МЭК 62606, позволили идентифицировать модель, с помощью которой были получены стандартные значения.
0
5
Литература
1. UL 1699. Standard for Arc-Fault Circuit-Interrupters. ANSI Approved: 11.05.2013.
2. IEC 62606:2013. General requirements for arc fault detection devices, 9.07.2013.
№ 6(72)2016, ноябрь-декабрь
redaktor@endf.ru
3. ГОСТ Р МЭК 62606. Изд. 1.0 2013-07. Устройства защиты от искрения в электрических цепях. - М.: Стандартинформ, 2016.
4. DIN VDE 0100-420:2016-02 Teil 4-42: Schutzmaßnahmen - Schutz Gegen Thermische Auswirkungen. IEC 60364-4-42:2010, modifiziert + A1:2014.
5. Electrical Arcing of Aged Aircraft Wire (Report N191-RPT4AU99), Report to NTSB under Order no. NTSB18-99-SP0127, Lectromechanical Design Co., Sterling VA, 1999.
6. Billings M. J., Smith A., Wilkins R. Tracking in Polymeric Insulation, IEEE Trans. Elec. Insul. IE-2, 131-137, Dec. 1967.
7. Гарке В. Г., Хазбулатов З. З. Параметры электрической дуги при КЗ и их влияние на работу релейной защиты / / Доклад на 9-м симпозиуме «Электротехника-2030», июнь 2007 г., Москва. - Казанский государственный энергетический университет.
8. Мыльников М. Т. Общая электротехника и пожарная профилактика в электроустановках: учебник для пожарно-технических училищ. - М.: Стройиздат, 1985. - 311 с.
9. Веревкин В. Н., Смелков Г. И. Безопасность электрических контактных соединений / / Промышленная энергетика. - 1988. - № 4.
10. Лебедев К. Б., Чешко И. Д. Следы больших переходных сопротивлений в электротехнических устройствах и их экспертное исследование / / Пожаровзрывобезопасность. - 2003. - № 6. - С. 32-38.
Arc fault protection. The time-current characteristic
V. K. Monakov,
Astro-UZO LLC, Moscow, director
D. Yu. Kudryavtsev,
Astro-UZO LLC, Moscow, engineer
V. A. Peshkun,
Astro-UZO LLC, Moscow, lead engineer
Arc fault protection devices are designed to eliminate fire risks in residential and industrial buildings. The time-current characteristic is one of the key effectiveness indicators of those devices. That is why it is important to make computation of the maximum allowable time-current characteristic for AFDD/AFCIs. We have developed the thermophysical model of serial arc fault caused by conductor wire fracture. This type of an arc fault is the most difficult one to be detected. Using this model, we determined maximum allowable time-current characteristics of AFDD/AFCI and compared them with the standard values.
Keywords: relay protection, arc fault, arc breakdown, fire safety.
ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ I www.endi.nl
№ 6(72)2016, ноябрь-декабрь
