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.

specificat

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.

Alternativele de proiectare care pot reduce pericolele de bliț cu arc în sistemele de medie tensiune includ:

  • Utilizarea transformatoarelor de impedanță mai mici și mai mari
  • Protecție diferențială de bus și diferențială a transformatorului
  • Siguranțe limitate curente
  • Comutator de întreținere
  • Relee de detectare a blițului arc
  • Aparate de comutare rezistente la arc
  • Metode cu bară
  • Panouri pentru telecomandă.

Inginerul trebuie să evalueze fiecare opțiune și să selecteze una sau mai multe dintre cele mai potrivite pentru un sistem dat.

Transformatoare de impedanță mai mici și mai mari: Majoritatea sistemelor de distribuție sunt radiale. În loc de a specifica un transformator de mare tensiune, de medie tensiune, pentru alimentarea centralei, pot fi utilizate două sau mai multe transformatoare de capacitate mică, cu impedanță mai mare, pentru alimentarea zonelor individuale ale centralei. Ideea este de a reduce curentul de eroare cu șurub disponibil și curentul de eroare de arc. Reducerea curentului de eroare de arc nu crește neapărat timpul de eliminare a erorii. Releele pot fi setate pentru a minimiza timpul de eliminare a defecțiunilor. De exemplu, un transformator de 3.000 kVA, 13.8 kV/4.16 kV cu o reactanță de 6% ar fi o sursă de 6.940 A de curent de scurtcircuit la aparatul de comutare de 4.16 kV, în timp ce un transformator de 1.500 kVA cu o reactanță de 8% poate furniza doar 2.603 Un curent de scurtcircuit. Energia incidentă în cazul unei defecțiuni de arc ar fi redusă cu 62%. Cu toate acestea, costul capitalului și cerințele de spațiu pentru două transformatoare de 1.500 kVA ar fi mai mari decât cele pentru transformatorul de 3.000 kVA. În plus, o impedanță mai mare a transformatorului ar provoca o cădere mai mare de tensiune la starea de echilibru și o scădere mai mare a tensiunii tranzitorii în timpul pornirii motorului. Aceste dezavantaje trebuie evaluate și cântărite în raport cu avantajul energiei incidente reduse a blițului cu arc.

Diferențial autobuz, protecție diferențială transformator: Protecția diferențială este un mijloc de eliminare a defecțiunii în zona de protecție fără întârziere intenționată și fără a interfera cu coordonarea dispozitivului de protecție la supracurent. Zona de protecție este definită de locația transformatoarelor de curent (vezi Figura 2). Un alt caz comun în care protecția diferențială ar reduce considerabil pericolul blițului arcului este prezentat în Figura 3A. Protecția primară a transformatorului este asigurată de o siguranță. Siguranța este aleasă pentru a oferi o protecție adecvată transformatorului și pentru a permite curentul de intrare magnetizant. O defecțiune la partea de linie a întrerupătorului principal secundar trebuie eliminată numai de siguranța primară. Adesea HRC pentru defecțiunea liniei în această situație este excesivă. Dacă siguranța este înlocuită de un întrerupător și se asigură protecție diferențială, defecțiunea liniei ar fi eliminată fără întârziere și HRC poate fi redus considerabil (a se vedea Figura 3B).

Siguranțe limitate curente: Siguranțele de limitare a curentului au capacitatea de a șterge defecțiunile într-un jumătate de ciclu (mai puțin de 0,0083 sec), pe lângă limitarea curentului de trecere. Acțiunea limitativă curentă a siguranței rezultă din topirea filamentelor de argint în interiorul unui nisip care se umple în interiorul siguranței, creând astfel arcuri multiple în interior. Este posibilă o reducere mare a energiei incidente disponibile datorită eliminării rapide a defecțiunii. Totuși, acest lucru este posibil numai atunci când curentul de defect se află în limitele curente ale caracteristicii siguranței. De exemplu, într-o siguranță de limitare a curentului de 15 kV 300 A, acțiunea de limitare a curentului are loc pentru curentul de defect mai mare de 6.000 A. Beneficiul siguranțelor de limitare a curentului poate fi realizat numai dacă curentul de scurtcircuit disponibil este mai mare de 6.000. A. Trebuie să recunoaștem, de asemenea, că este dificil să coordonezi siguranțele de limitare a curentului cu dispozitivele de protecție din aval.

Mod de întreținere pe releele de protecție la stare solidă: Un comutator de întreținere este acum disponibil în majoritatea întrerupătoarelor de medie tensiune ca mijloc de reglare temporară a setărilor dispozitivului de protecție la stare solidă în timpul întreținerii programate, astfel încât defecțiunile de arcare să fie șterse fără întârziere, menținând în același timp setările dorite pentru coordonarea cu protecția din aval. dispozitive. Figura 4 prezintă aplicația și beneficiile unui comutator de întreținere în tabloul de comutare de 4,16 kV. Figura 4 A prezintă schema cu o singură linie a tabloului de comutare. Figura 4 B prezintă curbele timp-curent ale releelor ​​principale și ale releului de întrerupere. Curentul de defecțiune de arc calculat este de 8,44 kA pentru o defecțiune a magistralei. Defecțiunea este eliminată de întrerupătorul principal în 1.303 sec (inclusiv timpul de întrerupere), energia incidentă este de 12 cal/cm 2, iar nivelul HRC este de 3.

Când comutatorul de întreținere este activat, setarea instantanee a releului principal al întrerupătorului este redusă de la 80 (16.000 A) la 30 (6.000 A), sub curentul de defecțiune de arcare așteptat. Defecțiunea de arcare va fi acum eliminată în 0,015 sec, energia incidentă este redusă la 1,2 cal/cm 2, iar nivelul HRC este redus de la 3 la 1.

În timpul utilizării comutatorului de întreținere, supraveghetorii instalației trebuie să aplice o metodă de eroare pentru a se asigura că comutatorul de întreținere este decuplat după finalizarea lucrărilor de întreținere programate. În caz contrar, va exista o declanșare deranjantă a întrerupătorului principal.

Relee de protecție cu bliț arc: Lumina emisă de arc poate fi utilizată pentru a detecta o defecțiune de arc în loc de detectarea curentului. Acesta este principiul de funcționare a releelor ​​de protecție cu bliț cu arc comercializate acum de unele companii din S.U.A. Rezultatul este același cu cel al întrerupătorului de întreținere, cu excepția faptului că nu este necesară nicio acțiune umană. Arcuirea în interiorul carcasei de comutare este detectată fie de un receptor fotoelectric, fie de o lungime a cablului de fibră optică. Intrarea este dată unui releu de protecție electronic cu funcție unică sau multifuncțional, care poate declanșa declanșarea instantanee a întrerupătorului. Această metodă este independentă de magnitudinea curentului de eroare de arc și poate detecta arcarea în stadiul incipient al dezvoltării sale. O companie susține că detectarea are loc în 1,0 msec. Aceste relee nu au obținut încă o acceptare largă, dar cu siguranță prezintă un mod mai bun de detectare a arcurilor și declanșare imediată decât detectarea curentă.

Aparate de comutare rezistente la arc: În cazuri extreme, arcurile severe în echipamentele închise pot provoca o presiune extraordinară și pot duce la o explozie. Explozia va ameliora acumularea de presiune, dar nu va stinge sau termina arcul, ceea ce va provoca daune termice barelor și carcaselor autobuzului până când va fi eliminat de întrerupătoare. Acesta este cel mai probabil scenariu care a dus la mai multe aparate de comutare de joasă tensiune și medie tensiune care sunt complet evacuate de arcuri interne. Este disponibil un aparat de comutare rezistent la arc, care este puternic din punct de vedere structural și are mijloace de ameliorare a acumulării de presiune. Mijloacele constau din jaluzele și orificiile de aerisire din spatele incintei, departe de operatori, pentru a epuiza aerul care se extinde rapid.

Există multe medii în care cheltuielile suplimentare ale aparatului de rezistență la arc sunt justificate. În multe industrii, costul suplimentar este mult mai mic decât costul reparațiilor, al perioadelor de nefuncționare, al compensațiilor și al litigiilor.

Panouri de operare la distanță: Siguranța personalului împotriva pericolelor de bliț cu arc poate fi asigurată prin furnizarea de panouri de comandă de la distanță de la care se poate efectua toată funcționarea manuală a tabloului de comutare. Panourile de la distanță trebuie amplasate la o distanță sigură de aparatul de distribuție sau într-o cameră separată. Dacă este disponibil spațiu pentru panourile de la distanță, echipamentul în sine nu este scump. Toate întrerupătoarele din tablou trebuie să fie acționate electric. În plus, trebuie prevăzut un mecanism de extragere acționat de motor. Toate comutatoarele de comandă a întrerupătorului, comutatoarele automate/manuale, lămpile indicatoare, comutatoarele ampermetrului și voltmetrului, contoarelor și un terminal de interfață operator pot fi instalate în panoul operatorului la distanță (a se vedea Figura 6).

Calculul defectelor de arc

Următoarele ecuații sunt folosite în calcularea curentului de defecțiune de arc:

Pentru tensiunea sistemului sub 1 kV:

lg (Ia) = K + 0,662 lg (Ibf) + 0,0966 V + 0,000526 G + 0,5588 V (lg Ibf) - 0,00304 G (lg Ibf)

lg = log10 (logaritm la baza 10)

Ia = curent de arc, kA

K = -0.153 sau arcuri în aer liber; -0.097 pentru arce-într-o cutie

Ibf = curent de scurtcircuit disponibil trifazat cu șuruburi (rms simetric), kA

V = tensiunea sistemului, kV

G = golul conductorului, mm

Pentru tensiunea sistemului mai mare sau egală cu 1 kV:

Incidentul energetic E este calculat folosind următoarea ecuație:

E = 4.184 Cf En (t/0.2) (610 x/D x)

E = energie incidentă, J/cm2

Cf = factor de calcul

= 1,0 pentru tensiuni peste 1 kV

= 1,5 pentru tensiuni la sau sub 1 kV

En = energia incidentă normalizată

t = timpul de arc, sec

x = exponent la distanță

D = distanța de lucru, mm

Energia incidentă normalizată este dată de următoarea ecuație:

În aceste ecuații, valorile lui G și exponentul x depind de tensiune și de tipul de echipament. De exemplu, pentru tablourile de 480 V, G = 32 mm și x = 1,473. Pentru alte tensiuni și alte echipamente, Tabelul D.7.2 din IEEE Std. 1584 dă valorile lui G și x.

Sursa: IEEE Std. 1584-2002 Ghid IEEE pentru efectuarea calculelor de pericol Arc-Flash

Syed M. Peeran este inginer electricist senior la CDM Smith. Are o experiență de peste 20 de ani în proiectarea sistemelor de distribuție electrică. Timp de câțiva ani, a fost profesor adjunct la Universitatea Northeastern, Boston și este membru al Universității Inginer consultant-specificat consiliul consultativ editorial.