Консалтинг - Вказівка інженера, що пом’якшує небезпеку спалаху дуги в розподільних пристроях середньої напруги
Інженери повинні знати про конструктивні альтернативи, які можуть зменшити небезпеку спалаху дуги в системах середньої напруги.
Термін "дуга", що буквально означає частину кола, приписується Хамфрі Девісу, англійському вченому. У 1802 році Девіс продемонстрував, що електричний струм може протікати між двома вуглецевими стрижнями, розділеними у повітрі на невеликій відстані, у вигляді смуги іонізованого повітря, яка виглядає як лук вгору. Насправді електрична наука розпочала з вивчення електричної дуги. Незабаром з’явилося низка винаходів, таких як дугові лампи, дугові печі, свічки запалювання, дугові зварювачі та інші. Сьогодні електрична дуга знову є предметом великого інтересу та вивчення через небезпеку, яку вона створює в електророзподільних системах через сильне нагрівання, яке може зруйнувати обладнання та завдати серйозних або смертельних травм незахищеному персоналу, котрий, на жаль, знаходиться поруч близькість до нього.
У всьому електрообладнанні існує серйозна небезпека для експлуатаційного персоналу через можливу дугу між частинами, що знаходяться під напругою, а також між частинами, що знаходяться під напругою, та металевими корпусами, що заземлені. В електричному обладнанні може відбуватися небезпечна дуга через одне або кілька з наступного:
- Випадкове падіння металевих інструментів у деталі під напругою
- Неправильне вирівнювання контактів у вимикачах
- Ослаблені з'єднання можуть спричинити перегрів та незначну дугу, що може перерости в несправність дуги
- Гризуни та шкідники у корпусах розподільних пристроїв
- Несправна ізоляція кабелю та шини.
Дуга поводиться як гнучкий провідник і складається з іонізованого повітря при дуже високій температурі близько 35000 F - більш ніж у три рази гарячіша від поверхні Сонця. Це може пропалити отвори в мідних шинах. Він може випаровувати мідь, яка при конденсації на інших частинах може спричинити вторинні несправності. Це може спричинити накопичення тиску та/або вибух у закритому обладнанні. Це може спричинити сильні опіки та запалити одяг.
OSHA та Національна асоціація пожежної охорони (NFPA) прийняли конкретні вимоги щодо небезпеки спалаху дуги. OSHA вимагає, щоб все обладнання було позначене ярликом, що вказує межу спалаху дуги, енергію падаючої дуги, безпечну робочу відстань та категорію одягу та іншого захисного обладнання, яке використовуватиме персонал. Стаття 110.16, яка передбачає чітке та видиме маркування обладнання для попередження персоналу про потенційну небезпеку спалаху дуги, була введена в NFPA 70: Національний електричний кодекс у 2002 році. У 2004 році NFPA 70E: Стандарт електробезпеки на робочому місці щоб було проведено аналіз небезпеки удару та спалаху дуги для визначення рівня засобів індивідуального захисту, необхідних у кожному місці.
Енергія аварії, робоча відстань та категорія ризику небезпеки
Енергія аварії є мірою серйозності небезпеки для робітників. Ця кількість визначається як щільність енергії в калоріях/см 2 або Джоулях/см 2, якій обличчя або тіло працівника піддаються спалаху дуги на робочій відстані. Робоча відстань - це типова відстань між потенційним джерелом дуги в обладнанні та обличчям або тілом людини, що виконує роботи на обладнанні. Значення енергії, що падає, визначає тип обов’язкового захисного одягу, який повинен носити працівник. Типові робочі відстані, визначені стандартом IEEE. 1584 включають:
- Розподільний пристрій 15 кВ: 36 дюймів.
- КРУ 5 кВ: 36 дюймів.
- Низьковольтні розподільні пристрої: 24 дюйма.
- Низьковольтні центри управління двигунами та щитові панелі: 18 дюймів.
- Кабелі: 18 дюймів.
Небезпека спалаху дуги кількісно визначається числом, що називається категорією ризику небезпеки (HRC). Відповідно до NFPA 70E, взаємозв'язок між HRC, наявною енергією, що падає, та типом захисного обладнання наведено в таблиці 1.
Рівняння дугового спалаху, рішення
У 1982 р. Ральф Х. Лі опублікував статтю в “Транзакціях IEEE щодо галузевих застосувань” про розрахунок енергії, що падає в дугах на відкритому повітрі, наприклад, на підстанціях на відкритому повітрі. Цей документ викликав новий інтерес до явища дугового спалаху. У 2002 році Товариство галузевих додатків IEEE опублікувало стандарт IEEE 1584: Посібник IEEE для проведення розрахунків небезпеки спалаху дуги та видало наступні поправки в 2004 та 2011 роках як 1584a та 1584b. Рівняння в цьому стандарті отримані емпіричним шляхом із використанням статистичного аналізу та алгоритмів підгонки кривих на величезному наборі експериментальних даних (див. "Розрахунок дугових несправностей"). Рівняння можна використовувати для систем від 208 В до 15 кВ, від 50 до 60 Гц, наявного струму короткого замикання від 700 А до 106 000 А, а також для відстані дуги від 0,5 дюйма до 6,0 дюймів.
Для будь-якого електричного обладнання існують два значущі параметри, які визначають енергію падаючої енергії, а отже, і тип захисного одягу, який слід використовувати. Цими параметрами є струм розриву дуги “Ia” та тривалість дуги “t”. Струм розриву дуги Ia менше струму замикання болта (Ibf) через падіння напруги на дузі або через опір дуги. Для даної довжини дуги падіння напруги дуги майже постійне для широкого діапазону струму. Отже, дуга виявляє негативний інкрементальний опір. Термін "закріплений болтами" означає несправність через нульовий опір, як коли трифазні дроти зачищені, затягнуті та скріплені болтами.
Рисунок 1 спрощує взаємозв'язок між струмом розриву дуги та падінням напруги дуги. На кресленні показано, чому струм розриву дуги Ia значно менше струму замикання Ibf на болтах в низьковольтному обладнанні, тоді як він становить близько 90% від Ibf в середньому та високовольтному обладнанні. Це пояснюється тим, що падіння напруги на дузі, яке становить приблизно 200 В для 2-дюймового. дуги, є значною частиною напруги ланцюга в обладнанні 480 В, тоді як це менше 10% напруги ланцюга в обладнанні 4,16 кВ та 13,8 кВ.
Падіння напруги на дузі залежить від декількох факторів, включаючи зазори в різних класах обладнання. Співвідношення між Ia та Ibf та співвідношенням енергії падаючого середовища E та Ia та t наведено у розділі 5 IEEE 1584. Ці рівняння запрограмовані в програмах оцінки спалаху дуги більшості програмного забезпечення для аналізу розподільних систем. Ці програми вимагають спочатку провести дослідження короткого замикання для визначення Ibf на відповідному обладнанні.
Тривалість дуги
Тривалість дугового розлому безпосередньо впливає на наявну падаючу енергію. Дугові несправності, як і всі інші несправності, повинні бути виявлені та усунені першим захисним пристроєм вищої ланцюга. Отже, загальний час дуги - це загальний час очищення пристрою, який у випадку автоматичних вимикачів дорівнює сумі часу реле або датчика та часу роботи вимикача. Час реле або датчика залежить від налаштування реле та струму несправності. Типовий час роботи автоматичного вимикача наведено в таблиці 2.
Пом'якшувальні небезпеки в обладнанні середньої напруги
Існує багато причин, чому пом'якшення небезпеки спалаху дуги викликає більшу стурбованість в обладнанні середньої напруги. По-перше, розподільні пристрої середньої напруги займають вищу ієрархічну позицію в більшості радіальних розподільчих систем. Отже, захисні пристрої середньої напруги повинні бути налаштовані на роботу з більшою тимчасовою затримкою, щоб низьковольтні нижчі пристрої працювали першими у разі несправності. По-друге, середньовольтним вимикачам потрібно більше часу для усунення несправності, ніж низьковольтним вимикачам. Крім того, струм розриву дуги майже майже дорівнює струму замикання болта. Збільшений час дуги та більший струм розриву дуги сприяють збільшенню енергії падаючої сили та HRC. Через вищу ієрархічну позицію знеструмлення розподільного пристрою середньої напруги для робіт з технічного обслуговування часто не є можливим, оскільки це призведе до вимкнення значної частини об’єкта. Тому слід серйозно поглянути на різні методи зменшення HRC.