Najczęstszą przyczyną (60%) zwarć łukowych są błędy ludzkie: błędne łączenia, zła organizacja prac. Aby chronić ludzi i urządzenia przed skutkami zwarć w normach technicznych PN-EN 62271 -200 – 20x, PN-88/E-05150, PN-IEC 439-1 określających wymagania dla rozdzielnic i stacji transformatorowych SN i nn, zaleca się, poza zachowaniem odpowiednich cech konstrukcyjnych urządzeń, stosowanie dodatkowych środków zaradczych ograniczających skutki zwarć łukowych. Jednym z zalecanych sposobów są zabezpieczenia reagujące na światło łuku. Rozwiązanie takie jest najszybszym i najefektywniejszym sposobem minimalizacji skutków zwarć łukowych.

Nasza propozycja

W zabezpieczeniach typu ZŁ identyfikacja zwarcia łukowego odbywa się w oparciu o dwa kryteria: detekcję światła łuku oraz spadek napięcia w chronionym obszarze. Impuls wyłączający jest generowany w czasie poniżej 10 ms. Zgaszenie łuku następuje w czasie 30-50 ms, w zależności od rodzaju i stanu wyłącznika. Taki czas wyłączenia gwarantuje pełną ochronę życia i zdrowia ludzi oraz ogranicza do minimum uszkodzenie urządzenia.

Zastosowanie kryterium spadku napięcia gwarantuje ochronę całej rozdzielnicy (nie ma stref martwych/niechronionych). Umożliwia proste i prawidłowe działanie zabezpieczenia w układach zasilania jednej sekcji rozdzielnicy z kilku różnych źródeł zasilania. Zabezpieczenia oparte o kryterium prądowe nie posiadają tych cech.

Zabezpieczenie ZŁ-4 jest dedykowane do ochrony rozdzielnic okapturzonych SN/nn. Posiada budowę rozproszoną. Jednostka centralna instalowana jest najczęściej w polu pomiaru napięcia, natomiast jednostki polowe instalowane są w polach rozdzielnicy. Optyczne czujniki czołowe (4 sztuki) umieszczone są w poszczególnych przedziałach pola.

W przypadku jednoczesnego wykrycia łuku elektrycznego oraz spadku napięcia na poziomie 0,7 Un, w zależności od miejsca zwarcia, wyłączany jest:

• wyłącznik danego pola - zwarcie w strefie 2 (przedział przyłączeniowy)
• wyłącznik pola zasilającego rozdzielnicy - zwarcia w strefie 1 (przedział wyłącznika lub szyn)
• najbliższy wyłącznik w torze zasilania tej rozdzielnicy - zwarcie w polu zasilającym.

Możliwość selektywnego wyłączania to kluczowa cecha zabezpieczenia ZŁ-4 bardzo cenna z punktu widzenia eksploatacyjno-ekonomicznego.

Budowa

Zabezpieczenie ZŁ-4 składa się z jednostki centralnej ZŁ-4JC, zasilacza oraz jednostek polowych ZŁ-4 JP. Każda jednostka polowa wyposażona jest w 4 czujniki optyczne. Komunikacja pomiędzy jednostkami odbywa się za pomocą szybkiej magistrali CAN. Równolegle z magistralą CAN rozprowadzone są obwody zasilające. Jednostka centralna i jednostki polowe instalowane są bezpośrednio na szynach typu TS. Wymiary jednostki centralnej: 159 / 90 / 58 mm, wymiary jednostki polowej: 53 / 90 / 58 mm, stopień ochrony jednostki centralnej i jednostki polowej: Ip20. Do jednej jednostki centralnej można przyłączyć 99 jednostek polowych. Dzięki zastosowaniu budowy rozproszonej w przypadku ZŁ-4 jednostkowy koszt ochrony pola rozdzielnicy zamkniętej jest względnie niski.

Jednostka centralna ZŁ-4 JC

Podstawowe funkcje jednostki centralnej:

• detekcja obniżenia napięcia na szynach rozdzielnicy
• nadzór nad poprawną pracą układów
• konfiguracja zabezpieczenia
• udostępnianie informacji o stanie zabezpieczenia
• generowanie impulsów wyłączających
• blokowanie automatyki SZR
• sygnalizacja pracy jednokryterialnej
• komunikacja Rs485 (Modbus RTU)
• sygnalizacja zadziałania urządzenia
• sygnalizacja niesprawności urządzenia
• 6 programowalnych styków wyłączających
• 2 styki sygnalizacyjne na wspólnym potencjal

Jednostki polowe ZŁ-4 JP

Podstawowe funkcje jednostek polowych:

• detekcja światła łuku w obrębie chronionej części rozdzielnicy
• generowanie impulsu wyłączającego
• generowanie sygnałów alarmowych do jednostki centralnej

Czołowe czujniki optyczne

Czujniki charakteryzują się odpowiednim współczynnikiem absorpcji światła. Czułość toru detekcji światła jest ustawiana indywidualnie w zależności od długości czujników oraz warunków panujących na obiekcie. Czułość musi być dobrana tak, aby układ nie reagował na światło słońca czy reflektorów używanych przez obsługę. Standardowe długości światłowodu z czujnikami to odpowiednio 3, 5 oraz 15 metrów.

Wypadki w kategorii „porażenie prądem” w 70 % są następstwem zwarć łukowych. Zwarcia łukowe najczęściej występują w układach elektrycznych średniego napięcia, gdzie udział ten dochodzi do 90%. Prąd zwarciowy w urządzeniach średnich napięć wynosi od kilku do kilkudziesięciu kA. Najczęstszą przyczyną (60%) zwarć łukowych poza przyczynami technicznymi (wady konstrukcyjne, materiałowe, wykonawcze) oraz środowiskowymi (starzenie, korozja, przepięcia, drgania, gryzonie) są błędy ludzkie: błędne łączenia, zła organizacja prac. W trakcie długotrwałego zwarcia łukowego temperatura osiąga 20 000°C, generowany jest potężny huk i pojawia się silna fala uderzeniowa rozrywająca urządzenia, wydobywa się duża ilość gazów, często toksycznych o temperaturze sięgającej kilkuset stopni. W takich warunkach człowiek jest narażony na utratę życia bądź ciężkie obrażenia ciała.

Energia cieplna zwarcia jest uzależniona od dwóch zmiennych: czasu jego trwania oraz poziomu prądu zwarciowego, wg wzoru Q=I² x t. Możemy mieć wpływ tylko na jeden z tych czynników – czas. Działanie łuku elektrycznego w okresie poniżej 100 ms nie powoduje poważniejszych uszkodzeń, natomiast przy zwarciu dłuższym od 500ms występują nieodwracalne zniszczenia (topienie miedzi i stali) powodujące konieczność wymiany uszkodzonych urządzeń, co wymusza przerwy w prowadzeniu działalności gospodarczej. Skracanie czasu trwania zwarcia jest więc jedynym skutecznym sposobem ograniczania niekorzystnych skutków zwarć łukowych. Warto pamiętać, że w tradycyjnych zabezpieczeniach nadprądowych, działających sekwencyjnie, czasy nastaw sięgają nawet 2,5 sekundy.

W Polsce w każdym roku dochodzi do kilkuset wypadków spowodowanych zwarciem łukowym, w których są poszkodowani ludzie. Brak jest danych na temat ilości zwarć łukowych w ogóle. Jest oczywiste, że informacje o tego typu zdarzeniach nie są upowszechniane. Można przewidywać, że w skali roku dochodzi do kilku tysięcy zwarć spowodowanych zwarciami łukowymi. Poniżej przedstawiono kilka przykładów ilustrujących destrukcyjny potencjał zwarć łukowych.

Zabezpieczenia typu ZŁ stosowane są od 10 lat. Zainstalowanych zostało już ponad 1000 układów. Znamy wiele przypadków, w których ochroniły one urządzenia i życie konkretnych osób. Zabezpieczenia typu ZŁ identyfikują zwarcie i generują impulsy wyłączające do wyłączników w czasie krótszym niż 10 ms, co przy nowoczesnych wyłącznikach pozwala na odcięcie zasilania zwarcia w czasie nawet poniżej 30 ms. Dzięki temu do minimum ograniczane są skutki zwarć łukowych, co znacząco zwiększa bezpieczeństwo obsługi oraz niezawodność pracy urządzeń.

Wymóg jednoczesnego pojawienia się dwóch kryteriów (światło i spadek napięcia) zapewnia poprawność zadziałania zabezpieczenia. Algorytm identyfikacji zwarcia jest bardzo pewny. Nie są nam znane przypadki niezadziałania bądź błędnego działania zabezpieczeń. Poniżej przedstawiamy wybrane przykłady pozytywnych skutków działania zabezpieczeń ZŁ.