Защита от короткого замыкания постоянного тока

Вот что на практике часто упускают: многие думают, что защита от короткого замыкания постоянного тока — это просто предохранители. На деле же, если взять ту же контактную группу на 100А, при КЗ в 5000А дуга не погаснет даже с плавкой вставкой — нужен комплексный расчёт отключения.

Ошибки проектирования при выборе аппаратуры

В 2019 году на одном из объектов в Новосибирске столкнулся с ситуацией, когда заказчик сэкономил на быстродействующих выключателях. Поставили обычные автоматы переменного тока — они при КЗ в цепи постоянного тока 400В срабатывали, но уже после того, как выгорали силовые контакты контроллера. Пришлось переделывать всю сборку с учётом времятоковых характеристик именно для постоянки.

Кстати, у ООО Юэцин Сутун Электрооборудование в каталоге есть специализированные модули для таких случаев — но там важно смотреть не на заявленный ток, а на реальную отключающую способность при разных постоянных напряжениях. На их сайте https://www.sutong.ru видел модели с маркировкой DC-450V/20kA, но в спецификациях нужно проверять графики гашения дуги.

Ещё нюанс: многие не учитывают индуктивность шин при монтаже. Помню, на подстанции в Красноярске из-за неправильной компоновки шкафа возникла паразитная индуктивность 50 мкГн — это добавило к времени отключения лишние 3 мс, и симисторы не выдержали.

Особенности дугогашения в цепях постоянного тока

С переменным током дуга сама гаснет при переходе через ноль — в постоянных цепях этого нет. Приходится либо растягивать дугу на 20-25 мм (что не всегда возможно в компактных щитах), либо использовать магнитное дутьё. Но с магнитами есть своя проблема: если поле направлено неправильно, дуга может переброситься на соседние фазы.

На одном из проектов для железной дороги применяли камеры дугогашения с керамическими решётками — эффективно, но после 30-40 срабатываний требуется замена. Кстати, у китайских производителей типа Сутун Электрооборудование есть интересные решения с вакуумными камерами для DC, но по опыту — до 1000В они работают стабильно, выше уже начинаются проблемы с ионизацией.

Заметил, что в цепях с напряжением выше 750В иногда выгоднее ставить последовательно два аппарата — один на быстрое отключение, второй на резерв. Но здесь уже нужен точный расчёт селективности, особенно если есть инверторы.

Проблемы с измерением токов КЗ в реальных условиях

Теоретические расчёты часто не учитывают переходное сопротивление контактов. Как-то в лаборатории измеряли сопротивление болтового соединения — после года эксплуатации оно могло вырасти с 0.1 до 2 мОм. Кажется, мелочь, но при КЗ это уже даёт разницу в 15% по току.

Сейчас многие используют моделирование в ETAP, но и там есть подводные камни. Например, параметры аккумуляторных батарей — их внутреннее сопротивление сильно зависит от температуры и состояния заряда. На подстанции в Хабаровске из-за этого однажды сработала защита на 320А вместо расчётных 400А — хорошо, что был запас.

Кстати, в каталоге ООО Юэцин Сутун Электрооборудование есть интересные датчики Холла с калибровкой под разные температурные диапазоны — пробовали в тестовой сборке, дают погрешность не более 2% даже при -40°C.

Опыт с твердотельными реле и полупроводниковыми предохранителями

В 2021 году экспериментировали с защитой цепей заряда конденсаторных банок. Ставили полупроводниковые предохранители — теоретически время срабатывания 1-2 мс, но на практике из-за паразитных ёмкостей возникали ложные срабатывания. Пришлось добавлять RC-цепи.

Твердотельные реле лучше подходят для активных нагрузок, но при КЗ на индуктивной нагрузке они часто выходят из строя раньше, чем сработает защита. Проводили испытания на стенде — стандартное реле на 100А при КЗ разрушалось за 8-10 мс, а время срабатывания защиты было 6 мс. Погрешность в 2 мс — и уже ремонт.

У китайских коллег из Сутун Электрооборудование видел гибридные решения с быстродействующими SCR — но пока не тестировал, нужно проверять надёжность при циклических нагрузках.

Влияние реальных условий эксплуатации

В портовых кранах во Владивостоке столкнулись с интересным явлением — солевые отложения на изоляторах создавали токи утечки до 20 мА. Казалось бы, незначительно, но при влажности 95% это уже приводило к поверхностным пробоям и ложным КЗ.

Ещё пример — в шахтных электровозах. Там вибрация постепенно ослабляет контактные соединения, появляется микроискрение — и через полгода эксплуатации сопротивление контакта может увеличиться втрое. Стандартные защиты не всегда это учитывают.

На сайте https://www.sutong.ru заметил, что они предлагают антивибрационные конструкции клемм — возможно, стоит протестировать в таких условиях. Но пока нет реальных отзывов по долговечности.

Перспективные методы защиты

Сейчас присматриваюсь к Z-Source инверторам — у них интересная особенность: они могут ограничивать ток КЗ без дополнительных аппаратов. Но пока это дорого для серийного применения.

Из более реалистичного — начинаем внедрять защиту на основе измерения di/dt. Современные микроконтроллеры позволяют отслеживать скорость нарастания тока с точностью до 0.5 А/мкс. Это даёт выигрыш 1-2 мс по сравнению с традиционными методами.

Коллеги из Китая, включая ООО Юэцин Сутун Электрооборудование, уже предлагают готовые решения с ПЛК для таких систем — но пока не уверен в их адаптации к нашим стандартам. Нужно тестировать на реальных объектах.