Электробезопасность промышленных предприятий. Защита от дуги

По данным статистики ГУ МЧС России, в нашей стране только за первое полугодие 2012 года на производственных предприятиях был зарегистрирован 1851 пожар, материальный ущерб от которых составил 998 млн. 227 тыс. рублей. Большая часть аварийных ситуаций связана с возгоранием электрооборудования, возникающим вследствие износа, перегрузки или короткого замыкания (КЗ). Но особенно опасны для оборудования и, что ещё более важно, персонала дуговые КЗ, сопровождающиеся электрической дугой (ЭД). Разрушительные последствия их возникновения связаны с тем, что многие распределительные устройства не оснащены быстродействующей защитой от дуговых коротких замыканий.

Электрическая дуга: Причины и следствия

Электрическая дуга представляет собой электрический разряд в виде ярко светящегося плазменного шнура. «Причин возникновения дугового короткого замыкания и, как следствие, ЭД много – это и ошибка персонала при обслуживании установки, и наличие загрязнения в электрическом шкафу, и износ электротехнического оборудования, – объясняет Людмила Павлова, главный энергетик ОАО «Краснодарский завод ЖБИиК». – Сегодня на некоторых предприятиях замена кабельных линий и электрических щитов не проводилась десятилетиями.

В результате многие распределительные устройства устарели или вообще вышли из строя, что привело к участившимся авариям». Поэтому на производствах особое внимание должно уделяться мерам по обеспечению защиты персонала и оборудования от последствий возникновения ЭД.

Электрическая дуга создаёт повышенное давление (до 225 кг/см) и оказывает сильное термическое воздействие (7000-80000С) как на отдельные части оборудования, так и в целом на электроустановку. В результате дуга приводит к выходу из строя электротехнического оборудования, расположенного внутри шкафов управления и распределения, а значит, к внеплановым простоям технологических линий и, как следствие, снижению прибыли предприятия. Ремонт и устранение неисправностей требуют немалых временных и материальных затрат. Однако все вышеперечисленные сложности не идут ни в какое сравнение с травмами, которые может получить обслуживающий персонал при эксплуатации незащищённых установок.

По словам Юрия Резниченко, главного энергетика компании «Русь-строй», однажды он подвергся мощному ультрафиолетовому излучению, которое свойственно дуге, и как итог – на целую неделю был ослеплён. Помимо ослепления, ЭД, возникающая в низковольтных установках, грозит участнику происшествия сильнейшими ожогами.

Чем больше время горения дуги, тем более серьёзные травмы рискует получить человек, подвергшийся её воздействию, и тем более глобальные разрушения грозят электрооборудованию. Именно поэтому необходимо, чтобы ЭД была погашена в кратчайшие сроки. В частности, требования безопасности, изложенные в ГОСТ 14693-90 «Устройства комплектные распределительные негерметизированные в металлической оболочке на напряжение до 10кВ», определяют, что локализация воздействия дуги при возникновении короткого замыкания внутри КРУ должна быть обеспечена в течение 0,2 с (200 мс).

Способы защиты от дуги

Существуют два способа организации защиты от дуги – пассивный и активный.

В первом случае речь идёт о локализации разрушительного эффекта короткого замыкания в изолированных сегментах за счёт дугостойких ограждений, требования к которым определены п. 2.4.11 ГОСТ Р 51321.1-2000 (МЭК 60439-1-92).  «Роль пассивной защиты от дуги обеспечивает секционирование системы, выполняющееся при помощи установки дугостойких перегородок на пути перехода системы главных сборных шин из одного электрического шкафа в другой.

Таким образом, при возникновении дуги внутри одного устройства она будет локализована в нём механическими элементами, – поясняет Александр Нестеренко, начальник отдела по сборке электрощитов компании «Эксперт-Электрика». – В данном случае дуга гасится либо за счёт её самостоятельной деионизации, либо отключением вводного защитного аппарата. Применение данной меры защиты позволяет значительно снизить риск повреждения целого низковольтного комплектного устройства (НКУ) и сохранить электроснабжение потребителей, питаемых с других секций».

Время, которое требуется для отключения вводного защитного аппарата при пассивном способе, обычно составляет 0,4 сек. Это не соответствует современным требованиям, предъявляемым ко времени гашения электрической дуги. Зафиксировать дугу на самой ранней стадии возникновения и обеспечить мгновенное срабатывание системы позволяют современные устройства активной защиты.

«Принцип их действия основан на обнаружении вспышки в момент возникновения ЭД, затем световое излучение проходит сквозь линзу оптического датчика, передаётся по волоконно-оптическому кабелю и через него поступает на электронный блок, формирующий сигнал на отключение соответствующего аппарата, – рассказывает Сергей Батурлин, менеджер по развитию бизнеса по группе изделий компании АББ, лидера в производстве силового оборудования и технологий для электроэнергетики и автоматизации. – Благодаря высокой скорости реакции активной системе защиты от дуги TVOC-2 требуется около 1 мс для обнаружения КЗ и 25-30 мс для отключения вводного аппарата защиты. Напряжение на электроустановке полностью пропадёт за короткий промежуток времени (менее 35 мс), предотвращая возможные последствия дугового короткого замыкания».

 

Рис. 1. Время защитного отключения = TVOC-2 + Автоматический выключатель.

Устройство активной защиты от дуги состоит из следующих элементов:

- Модуль контроля дуги. Его задача состоит в том, чтобы максимально быстро сформировать сигнал на отключение электрического питания.

- Волоконно-оптические датчики. Устройства, использующиеся для обнаружения световой вспышки во внутреннем пространстве электрического шкафа.

- Модуль контроля тока. Это вспомогательное устройство применяют, если нельзя избежать попадания на аппаратную часть НКУ прямых солнечных лучей или любых других мощных источников света, которые могут воздействовать на оптические датчики системы. Таким образом, в распределительном устройстве идёт параллельный контроль светового излучения и значений протекающего тока, система защиты от дуги сработает только в случае получения сигнала с двух датчиков (тока и оптического).

«Активная система защиты от дуги может быть адаптирована под особенности отдельного предприятия. В зависимости от размеров распределительных устройств рассчитывается необходимое число датчиков. Исходя из расположения электрических шкафов принимается решение о наличии модулей дополнительного контроля.

Всё это определяется на стадии подготовки электротехнической документации, – рассказывает Елена Зайцева, инженер-проектировщик компании «ЦЭМ». – Процесс проектирования довольно трудоёмкий, отнимает много времени, поэтому лучше использовать системы, состоящие из стандартных компонентов. Например, включить в проект сетей электроснабжения устройство TVOC-2 довольно просто – комплектация конфигурируется на базе готовых заводских элементов, поэтому нет необходимости заполнять опросные листы, отправлять их производителю, ждать ответа. Это значительно экономит время специалистов как при проектировании, так и при последующем заказе оборудования».

Установка системы защиты от дуги

Модуль контроля дуги может устанавливаться на любом участке системы распределения электрической энергии: например, в главных распределительных щитах или шкафах.

Основной принцип расположения оптических датчиков системы активной защиты – обеспечить контроль за всеми частями НКУ, где может возникнуть дуговое короткое замыкание. Потенциально опасными являются места расположения главных и распределительных сборных шин, а также части НКУ или секции с силовыми автоматическими выключателями. Датчик способен обнаружить электрическую дугу с расстояния 3-х метров, но для повышения уровня защиты оборудования оптические устройства монтируют с интервалами в 1,5 метра, что повышает надёжность системы.

Рис. 2. Примеры размещения оптических датчиков на главных и распределительных сборных шинах и в месте установки силовых автоматических выключателей

Типовые решения подключения системы защиты от дуги на примере TVOC-2

Пример 1
Одним из требований к работе активных систем защиты от дуги является возможность обесточивания только того участка цепи, который подвергся опасности, а не всех потребителей. В системе TVOC-2 это реализовано за счёт независимой работы высокоскоростных IGBT-выходов модуля контроля дуги – сигнал на отключение подаётся разным автоматическим выключателям, в зависимости от того, какой датчик определил наличие светового излучения.

Пример 2
Существует и более простая схема подключения системы активной защиты, но она менее удобна, т.к. в случае аварии питания лишаются все потребители и происходит простой работоспособных технологических линий предприятия. Такую схему можно использовать в электрических шкафах, от которых не зависит работа важных технологических линий предприятия.

Мгновенное срабатывание активных систем защиты от дуги позволяет обеспечить полную безопасность персонала, сохранность оборудования и надёжную и бесперебойную работу электрической сети предприятия.

Но для последующего снижения риска возникновения аварий специалистам важно проводить анализ каждого случая возникновения дугового короткого замыкания, устанавливать причины появления ЭД и делать выводы о работе силовых автоматических выключателей в критической ситуации. «Для этого современные устройства защиты от дуги оснащены системами мониторинга, – поясняет Сергей Батурлин. – К модулю TVOC-2 можно подключать два ЖК-дисплея, один из которых устанавливается на двери НКУ, а второй – непосредственно на самом устройстве. Экраны служат для ввода настроек в систему, модуль контроля дуги ведёт в режиме реального времени журнал регистрации ошибок, сохраняет информацию о срабатывании автоматических выключателей. Наличие двух дисплеев позволяет осуществлять постоянный контроль работы системы, понять причины возникновения неполадок».

Нельзя недооценивать роль систем защиты от дуги, особенно на крупных промышленных и гражданских объектах, где трудится большое число людей и установлено дорогостоящее оборудование. Одной из мер обеспечения безаварийного электроснабжения, а соответственно, и бесперебойной работы является использование надёжных систем защиты, обладающих высоким быстродействием. На сегодняшний момент эти устройства являются важным элементом комплексной системы, обеспечивающей безопасность работы электрооборудования.