Consultanță - inginer specificat Atenuarea pericolelor blițului arcului în aparatele de distribuție de medie tensiune

Inginerii ar trebui să fie conștienți de alternativele de proiectare care pot reduce pericolele de bliț cu arc în sistemele de medie tensiune.

Termenul „arc”, care înseamnă literalmente parte a unui cerc, este atribuit lui Humphrey Davis, un om de știință englez. În 1802, Davis a demonstrat că curentul electric poate curge între două tije de carbon separate în aer pe o distanță scurtă sub forma unei benzi de aer ionizat care arată ca un arc ascendent. De fapt, știința electrică a început cu studiul arcului electric. În curând, au apărut o serie de invenții, cum ar fi lămpile cu arc, cuptoarele cu arc, bujiile, sudorii cu arc și altele. Astăzi, arcul electric este din nou un subiect de mare interes și studiu din cauza pericolelor pe care le creează în sistemele de distribuție electrică datorită căldurii sale intense, care poate distruge echipamentul și poate provoca răni grave sau fatale personalului neprotejat, care este nefericit să se afle în apropiere apropierea de acesta.

În toate echipamentele electrice, există un pericol grav pentru personalul care operează din cauza posibilelor arcuri între piesele alimentate și între piesele alimentate și carcasele metalice împământate. Arcul periculos poate avea loc în echipamentele electrice din cauza uneia sau mai multora dintre următoarele:

Aruncarea accidentală a sculelor metalice în piese cu energie
Aliniere incorectă a contactelor în întrerupătoarele de circuit
Conexiunile slăbite pot provoca supraîncălzire și arcuri minore, care se pot transforma într-un defect de arc
Rozătoare și paraziți în incinte pentru aparate de distribuție
Izolație defectuoasă a cablului și a magistralei.

Arcul se comportă ca un conductor flexibil și constă din aer ionizat la o temperatură foarte ridicată, în ordinea a 35.000 F - de peste trei ori mai fierbinte decât suprafața soarelui. Poate arde găuri în bare de cupru. Poate vaporiza cuprul, care atunci când este condensat pe alte părți poate provoca defecte secundare. Poate provoca presiune de acumulare și/sau explozie în echipamentele închise. Poate provoca arsuri severe și poate aprinde hainele.

OSHA și Asociația Națională de Protecție împotriva Incendiilor (NFPA) au adoptat cerințe specifice în ceea ce privește pericolul de bliț cu arc. OSHA cere ca toate echipamentele să fie marcate cu o etichetă care să indice limita blițului arcului, energia incidentă în arc, distanța de lucru sigură și categoria de îmbrăcăminte și alte echipamente de protecție care să fie utilizate de personal. Articolul 110.16, care prevede că echipamentele trebuie etichetate în mod clar și vizibil pentru a avertiza personalul cu privire la potențialul pericol de bliț cu arc, a fost introdus în NFPA 70: Codul electric național în 2002. În 2004, NFPA 70E: Standardul de siguranță electrică la locul de muncă este necesar că analizele de pericol de șoc și arc-bliț sunt finalizate pentru a determina nivelul echipamentului individual de protecție necesar în fiecare locație.

Energia incidentă, distanța de lucru și categoria de risc de pericol

Energia incidentă este măsura severității pericolului pentru lucrători. Această cantitate este definită ca densitatea de energie în calorii/cm 2 sau Jouli/cm 2 la care fața sau corpul lucrătorului este expus într-un eveniment de arc la distanță de lucru. Distanța de lucru este distanța tipică dintre o sursă potențială a arcului din echipament și fața sau corpul persoanei care efectuează lucrările pe echipament. Valoarea energiei incidente determină tipul de îmbrăcăminte de protecție obligatorie care trebuie purtată de lucrător. Distanțe tipice de lucru definite de IEEE Std. 1584 includ:

Aparat de comutare de 15kV: 36 in.
Aparat de comutare 5kV: 36 in.
Aparat de comutare de joasă tensiune: 24 in.
Centre de comandă a motorului de joasă tensiune și plăci de panou: 18 in.
Cabluri: 18 in.

Pericolul cu bliț de arc este cuantificat printr-un număr numit categoria de risc de pericol (HRC). Conform NFPA 70E, relația dintre HRC, energia incidentă disponibilă și tipul de echipament de protecție este listată în Tabelul 1.

Ecuații flash arc, soluție

În 1982, Ralph H. Lee a publicat o lucrare în „IEEE Transactions on Industry Applications” privind calculul energiei incidente în arcurile în aer liber, cum ar fi în stațiile exterioare. Această lucrare a declanșat un interes nou pentru fenomenul flash arc. În 2002, IEEE Industry Applications Society a publicat IEEE Standard 1584: IEEE Guide for Performing Arc Flash Hazard Calculs și a publicat modificările ulterioare în 2004 și 2011 ca 1584a și 1584b. Ecuațiile din acest standard sunt derivate empiric folosind analize statistice și algoritmi de ajustare a curbei pe o colecție imensă de date experimentale (a se vedea „Calculul defectelor de arc”). Ecuațiile pot fi utilizate pentru sisteme de la 208 V la 15 kV, 50 la 60 Hz, curent de scurtcircuit disponibil de la 700 A la 106.000 A și pentru distanțe de arc de la 0,5 in. la 6,0 in.

Pentru orice echipament electric, există doi parametri semnificativi care determină energia incidentă și, prin urmare, tipul de îmbrăcăminte de protecție care trebuie utilizat. Acești parametri sunt curentul de defect al arcului „Ia” și durata arcului „t”. Curentul de defect arc Ia este mai mic decât curentul de defect cu șurub (Ibf) din cauza căderii de tensiune pe arc sau din cauza rezistenței arcului. Pentru o lungime de arc dată, căderea de tensiune a arcului este aproape constantă pentru o gamă largă de curent. În consecință, arcul prezintă rezistență incrementală negativă. Termenul „înșurubat” înseamnă o defecțiune prin rezistență zero, ca atunci când firele trifazate sunt dezbrăcate, prinsă și îmbinate împreună.

Figura 1 simplifică relația dintre curentul de eroare de arc și căderea de tensiune a arcului. Desenul arată de ce curentul de defect arc Ia este considerabil mai mic decât curentul de defecțiune cu șurub Ibf la echipamentele de joasă tensiune, în timp ce este de aproximativ 90% din Ibf la echipamentele de medie și înaltă tensiune. Acest lucru se datorează căderii de tensiune a arcului, care este de aproximativ 200 V pentru un 2-in. arc, este o parte semnificativă a tensiunii circuitului în echipamentele de 480 V, în timp ce este mai mică de 10% din tensiunea circuitului în echipamentele de 4,16 kV și 13,8 kV.

Căderea de tensiune a arcului depinde de mai mulți factori, inclusiv distanțele din diferite clase de echipamente. Relația dintre Ia și Ibf și relația dintre energia incidentă E și Ia și t sunt date în secțiunea 5 din IEEE 1584. Aceste ecuații sunt programate în programele de evaluare a arcului flash ale majorității software-ului de analiză a sistemului de distribuție. Aceste programe necesită efectuarea mai întâi a unui studiu de scurtcircuit pentru a determina Ibf la echipamentul în cauză.

Durata arcului

Durata defecțiunii de arc are un impact direct asupra energiei incidente disponibile. Defecțiunile de arc, la fel ca toate celelalte defecțiuni, trebuie detectate și eliminate de primul dispozitiv de protecție a circuitului din amonte. Prin urmare, timpul total de arcare este timpul total de curățare a dispozitivului, care, în cazul întrerupătoarelor, este egal cu suma timpului releului sau senzorului și a timpului de funcționare a întrerupătorului. Timpul releului sau al senzorului depinde de setarea releului și de curentul de defect. Timpii de funcționare tipici ai întrerupătorului sunt enumerați în Tabelul 2.

Pericolele de atenuare ale echipamentelor de medie tensiune

Există multe motive pentru care reducerea pericolelor de bliț cu arc este mai îngrijorătoare în echipamentele de medie tensiune. În primul rând, aparatele de distribuție de medie tensiune ocupă o poziție ierarhică mai mare în majoritatea sistemelor de distribuție radială. În consecință, dispozitivele de protecție de medie tensiune trebuie să fie setate să funcționeze cu o întârziere mai mare pentru a permite dispozitivelor de joasă tensiune din aval să funcționeze mai întâi în cazul unei defecțiuni. În al doilea rând, întrerupătoarele de medie tensiune necesită mai mult timp pentru a șterge o defecțiune decât pentru întrerupătoarele de joasă tensiune. În plus, curentul de defecțiune de arc este aproape egal cu curentul de defecțiune șurubat. Timpul de arcaj crescut și curentul de defect al arcului mai mare contribuie la o energie incidentă mai mare și HRC. Datorită poziției ierarhice superioare, dezactivarea dispozitivului de comutare de medie tensiune pentru lucrările de întreținere nu este adesea o opțiune, deoarece ar închide o parte semnificativă a unei instalații. Prin urmare, trebuie să ne uităm serios la diferite metode de reducere a HRC.