低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備電弧故障保護(hù)系統(tǒng)的功能和使用

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低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備電弧故障保護(hù)系統(tǒng)的功能和使用Rainer Ziehmer, DEHN + SOHNE GmbH + Co. KG摘要:本文根據(jù)國(guó)際社會(huì)保障協(xié)會(huì)發(fā)布的《個(gè)人防護(hù)設(shè)備暴露于故障電弧熱效應(yīng)下的選擇指南》 ，對(duì)電弧故障引起的電氣開(kāi)關(guān)設(shè)備熱風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究和評(píng)估。無(wú)論是低壓、中壓還是高壓，電弧故障都是開(kāi)關(guān)設(shè)備最危險(xiǎn)的故障之一。不僅電源可以中斷;此外，高溫氣體和有毒氣體可以危及個(gè)人操作。此外，發(fā)生電弧故障的開(kāi)關(guān)設(shè)備不能立即投入使用。根據(jù)電弧的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，只有一個(gè)或整個(gè)變電站會(huì)受到影響。也有可能，由于高溫，整個(gè)變電站不可挽回地?fù)p壞，必須全部更換。因此，它不僅是更換開(kāi)關(guān)設(shè)備的成本，而且尤其是電源的故障會(huì)造成重大的成本。特別是由于對(duì)低壓供電安全的要求越來(lái)越高，對(duì)提高電弧故障檢測(cè)水平提出了新的要求。近年來(lái)，隨著開(kāi)關(guān)開(kāi)斷時(shí)間的縮短和檢測(cè)短路的新方法的出現(xiàn)，對(duì)大電流故障的安全性有了進(jìn)一步的提高。然而，電弧的早期檢測(cè)，尤其是低電流電弧故障的檢測(cè)，是目前研究較少的領(lǐng)域。為了防止主要故障事件的發(fā)生，必須可靠地檢測(cè)這些初始低電流故障事件，以避免可能對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備造成進(jìn)一步的損壞。在這方面，必須穿戴適當(dāng)?shù)摹皞€(gè)人防護(hù)裝備”(PPE)，以保護(hù)工人免受二級(jí)燒傷。然而，該 PPE 的保護(hù)效果受電弧故障能量的限制。技術(shù)措施也可以實(shí)施，以額外保護(hù)工人在現(xiàn)場(chǎng)工作。電弧故障保護(hù)系統(tǒng)能夠通過(guò)將電弧故障的持續(xù)時(shí)間限制在幾毫秒以?xún)?nèi)，將電弧能量降低到可接受的水平。電弧故障的出現(xiàn)：一般情況下，變電站會(huì)出現(xiàn)兩種不同類(lèi)型的電弧故障:串聯(lián)電弧和并聯(lián)電弧。它們?cè)谄鹪搭?lèi)型和對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備的影響方面差別很大。A.并聯(lián)電弧故障并聯(lián)電弧可出現(xiàn)在開(kāi)關(guān)設(shè)備的兩相之間，相對(duì)地或相對(duì)中性。它們大多是短路的結(jié)果，因此攜帶在千安培范圍內(nèi)的高電流。例如，它們可能是由一個(gè)物體引起的，該物體將開(kāi)關(guān)設(shè)備中的兩個(gè)不同電位連接起來(lái)。本文討論的并聯(lián)電弧可能有其他原因，例如污染和較低的振幅，因此不能與短路電弧閃光相比。開(kāi)關(guān)設(shè)備制造商維護(hù)的電弧閃蒸試驗(yàn)通常是通過(guò)在兩相或三相之間導(dǎo)電一段銅線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通電后，導(dǎo)線蒸發(fā)形成等離子體，等離子體可以傳導(dǎo)電弧電流。由于短路時(shí)電流非常大，可以在這兩個(gè)電位之間建立等離子通道。蒸發(fā)后，熱銅增強(qiáng)了這一效果，所以電弧很容易在電流為零后重新點(diǎn)燃。電弧燃燒直至斷開(kāi)，或者兩個(gè)電弧點(diǎn)之間的距離過(guò)大，驅(qū)動(dòng)電壓無(wú)法維持電弧?；↑c(diǎn)之間的距離會(huì)因?yàn)殡娀〉囊苿?dòng)或越來(lái)越多的銅被蒸發(fā)而增大。低電流并聯(lián)電弧故障不同于短路電弧，因?yàn)樗鼈兊碾娏鬟h(yuǎn)遠(yuǎn)低于短路電流的范圍。正因?yàn)槿绱?，小電流電弧在每次過(guò)零點(diǎn)后重新點(diǎn)燃的情況并不常見(jiàn)。為了檢查任何電弧故障檢測(cè)裝置的性能，有必要產(chǎn)生實(shí)際的低電流電弧故障。因此，需要燃燒超過(guò)幾個(gè)半周期的電弧。只有這樣才能可靠地檢測(cè)出電弧的所有特性。實(shí)驗(yàn)將更詳細(xì)地討論這一點(diǎn)。B.串聯(lián)電弧故障串聯(lián)電弧故障是由于電纜或母線內(nèi)只有一相的接觸中斷而引起的。起初，這種失敗并不影響其他階段。其中一個(gè)原因可能是母線內(nèi)的螺釘連接松動(dòng)或電纜連接斷裂，如 [5]所示。目前，這類(lèi)故障主要通過(guò)熱像儀來(lái)檢測(cè)。紅外攝像機(jī)可以顯示連接處的熱點(diǎn)，這可能表明母線或電纜內(nèi)的接觸不良。在螺釘連接松動(dòng)時(shí)，母線內(nèi)良好的電氣接觸部分丟失。由于電流的橫截面在這一點(diǎn)上減小了，由于電阻的增大，就產(chǎn)生了局部加熱。長(zhǎng)時(shí)間觀察，這可能導(dǎo)致局部氧化增加，由于持續(xù)加熱，正如[12]中提到的。最后，局部加熱的螺釘連接可能開(kāi)始熔化，形成間隙。然后，電流必須用電弧把這個(gè)缺口連接起來(lái)。增加加熱，也會(huì)使電弧與熔融材料之間的間隙很快增大而產(chǎn)生電弧。電弧還可以延伸到其他相。例如，熱氣體會(huì)破壞絕緣材料，降低相間的絕緣性能。熱弧對(duì)流也能電離相間的間隙。最后，一個(gè)串行弧可以成為一個(gè)并行弧的開(kāi)始。串聯(lián)電弧的電弧電流受連接負(fù)載的限制。因此，根據(jù)定義，它可能不大于開(kāi)關(guān)設(shè)備的額定電流。因此，傳統(tǒng)的熔斷器和斷路器無(wú)法檢測(cè)到串聯(lián)電弧。由于這類(lèi)電弧的發(fā)展速度較慢，在被探測(cè)到之前可能會(huì)燃燒很長(zhǎng)一段時(shí)間，因此對(duì)于可靠的電源分配是一個(gè)巨大的問(wèn)題。為了檢查任何電弧故障檢測(cè)裝置的性能，有必要產(chǎn)生實(shí)際的低電流電弧故障。因此，需要燃燒超過(guò)幾個(gè)半周期的電弧。只有這樣才能可靠地檢測(cè)出電弧的所有特性。實(shí)驗(yàn)將更詳細(xì)地討論這一點(diǎn)。電弧的產(chǎn)生：為了研制有效的電弧故障保護(hù)裝置，必須識(shí)別電弧故障的所有相關(guān)特征。對(duì)于大電流，短路類(lèi)似的電弧，有廣泛的數(shù)據(jù)可用。此外，電弧在更高的電壓水平是非常了解。這不是在低電壓和有限電流下電弧的情況。由于電壓低，在正常情況下不太容易引燃電弧。要么需要非常小的距離，要么需要一種材料，可以用來(lái)點(diǎn)燃電弧，并連接電極之間的初始距離。該方法適用于低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的短路試驗(yàn)。第五節(jié)將說(shuō)明為什么同樣的方法不能完全應(yīng)用于低壓電弧故障的產(chǎn)生。本文分析了利用金屬薄膜電阻和碳薄膜電阻點(diǎn)火電弧的選擇。此外，還將討論生成的電弧與實(shí)際運(yùn)行中的電弧故障相比的逼真程度。本文介紹了這些保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作方式和實(shí)現(xiàn)。指標(biāo)術(shù)語(yǔ):電弧故障保護(hù)系統(tǒng);電氣故障電弧一、法定及法律基礎(chǔ)德國(guó)職業(yè)健康和安全法[I]要求雇主對(duì)其雇員的相關(guān)工作場(chǎng)所進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，并確定和采取適當(dāng)?shù)穆殬I(yè)健康和安全措施。如果情況不是這樣，不僅員工面臨風(fēng)險(xiǎn)。故意或重大疏忽也可能導(dǎo)致罰款甚至監(jiān)禁。除了《德國(guó)職業(yè)健康與安全法》 ， 《德國(guó)工業(yè)安全與健康條例》 [2]是安全和充分的工作實(shí)踐的基礎(chǔ)。此外，當(dāng)暴露在電氣故障電弧 [3]的熱效應(yīng)下時(shí)，個(gè)人防護(hù)設(shè)備的選擇應(yīng)遵循 ISSA 準(zhǔn)則。在電氣安裝工作時(shí)，必須遵守和執(zhí)行 EN 50II0- 1:2004 標(biāo)準(zhǔn)[4]。本標(biāo)準(zhǔn)包括不同的工作方法，并描述了相關(guān)的過(guò)程。在實(shí)際工作中，在帶電部件附近工作或帶電工作變得越來(lái)越重要。根據(jù)事故統(tǒng)計(jì)，這些工作方法不一定會(huì)增加事故風(fēng)險(xiǎn)。與所有工作一樣，有意識(shí)的行動(dòng)和適當(dāng)?shù)拇胧顼L(fēng)險(xiǎn)分析、組織、培訓(xùn)方案和選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ髟O(shè)備，可確保工作質(zhì)量，特別是安全。除上述措施外，雇主有義務(wù)提供適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)設(shè)備。本文介紹了電弧故障保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果執(zhí)行的工作，以保護(hù)員工在電氣安裝工作。二、電弧斷裂的形成及其影響由于德國(guó)能源形勢(shì)的好轉(zhuǎn)，未來(lái)電力設(shè)施的現(xiàn)場(chǎng)施工將變得越來(lái)越重要。當(dāng)你斷開(kāi)一個(gè)裝置時(shí)，你總是考慮到電弧的可能風(fēng)險(xiǎn)嗎?你是否穿戴適當(dāng)?shù)膫€(gè)人防護(hù)裝備?有許多危險(xiǎn)的來(lái)源。例如，帶電部件之間的絕緣間隙可以隨著時(shí)間的推移而減小，這是由于空氣濕度和工具掉落造成的污染導(dǎo)致的短路，從而產(chǎn)生電弧。此外，在安裝過(guò)程中接觸或動(dòng)物松動(dòng)也可能導(dǎo)致電弧故障。德國(guó)每年約發(fā)生 160 起電弧故障事故，造成嚴(yán)重的人員傷亡。極高的溫度會(huì)導(dǎo)致皮膚燒傷，需要綜合的醫(yī)療治療，如皮膚移植。完全恢復(fù)往往是不可能的。電弧中心的溫度可高達(dá) 2 萬(wàn)攝氏度。因此，塑料和金屬會(huì)融化和蒸發(fā)。吸入由此產(chǎn)生的有毒氣體和由飛行碎片引起的壓力波也是一個(gè)嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)?？紤]到所有這些因素，在電氣安裝工作中，有效的保護(hù)是必不可少的，以確保您不必問(wèn)自己:“還有什么可以做得更好?”三、采用技術(shù)措施進(jìn)行電弧故障保護(hù)《個(gè)人防護(hù)裝備的選擇指南》使個(gè)人防護(hù)裝備的選擇更加容易。圖一中分類(lèi)的個(gè)人防護(hù)設(shè)備的代表性選擇，根據(jù)變壓器輸出和防護(hù)設(shè)備的跳閘時(shí)間，顯示了其使用的局限性?！?kpNnpLBtIUkW???3“）圖 1：分類(lèi) PPE 的代表性選擇但是，如果期望的電弧能量如此之高，以至于單靠個(gè)人防護(hù)設(shè)備已無(wú)法保證熱防護(hù)怎么辦?圖 2：電弧后 NH 保險(xiǎn)絲的脫扣時(shí)間……………………………………（2kJmskAVtkILBUW69320155?????）圖 2 中的示例計(jì)算表明，當(dāng)變壓器功率為 630 kVA，上游保險(xiǎn)絲跳閘時(shí)間為 200 ms 時(shí)，需要哪些能量。得到的電弧能量遠(yuǎn)高于第 2 類(lèi)試驗(yàn)中 318 kJ 的能量。有可能限制電弧能量嗎?在 IEC 60364-4- 42:2010 低壓電氣安裝標(biāo)準(zhǔn)[5]中描述了可能的解決方案。一方面，電弧可以進(jìn)入開(kāi)關(guān)設(shè)備安裝的耐電弧部分，并可以安全地封閉在那里。出于安全原因，這不能實(shí)現(xiàn)，或者只能在開(kāi)放安裝的工作中實(shí)現(xiàn)得不夠。這種措施還會(huì)對(duì)安裝的可用性產(chǎn)生負(fù)面影響，因?yàn)槭苡绊懙牟考仨毲逑椿蚋鼡Q。此外，采用了完全絕緣的抗電弧故障材料的無(wú)源系統(tǒng)，這種材料可以防止開(kāi)關(guān)設(shè)備帶電部分和接地部分之間的閃絡(luò)。由于所有連接和匯流排都必須集成，因此在復(fù)雜的安裝情況下，這通常是困難的，并且只能通過(guò)很大的努力來(lái)實(shí)現(xiàn)。由式(1)可知，所期望的電弧能量大小取決于電弧電壓、電弧電流和電流斷開(kāi)的時(shí)間。由于電弧電流受其阻抗的限制，這也會(huì)影響保護(hù)裝置的斷開(kāi)時(shí)間。保護(hù)裝置的斷開(kāi)時(shí)間越短，所期望的電弧能量越低。因此，最好采用快速動(dòng)作熔斷器或改變斷路器跳閘特性的解決方案，以便在電弧帶電工作期間將能量降至最低。為此目的，例如上游保險(xiǎn)絲必須更換，這意味著要付出更高的額外努力。必須根據(jù)跳閘時(shí)間進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，并選擇合適的 PPE。此外，在 ISSA 指南和 IEC 60364-4-42:20 I 0 標(biāo)準(zhǔn)中都描述了電弧故障保護(hù)系統(tǒng)。雖然 ISSA 指南的重點(diǎn)是個(gè)人保護(hù)，但該標(biāo)準(zhǔn)主要處理提高安裝可用性的系統(tǒng)。這些電弧故障保護(hù)系統(tǒng)具有相同的工作模式。當(dāng)電弧被探測(cè)到后，位于兩相之間的短路盒就會(huì)引起金屬短路。在此過(guò)程中，由于電弧持續(xù)時(shí)間極短，限制了電弧和溫升，防止了二次燒傷。同時(shí)，變壓器保險(xiǎn)絲或斷路器跳閘。而金屬短路則是在短路筒內(nèi)引起的，不僅有熱效應(yīng)，而且還有毒性效果和壓力是有限的。與圖 2 相比，圖 3 顯示，如果使用電弧故障保護(hù)系統(tǒng)，三極電弧的能量會(huì)顯著降低。在這個(gè)例子中，WLB 減少了 40 倍，因?yàn)閿嚅_(kāi)連接的時(shí)間正是由這個(gè)因素減少的。然而，即使使用電弧故障保護(hù)系統(tǒng)，也必須始終佩戴 PPE?！?kJmskAVtIUWkLBLB 1750233???????）圖 3：電弧故障保護(hù)系統(tǒng)對(duì)電弧能量的限制除了固定系統(tǒng)，還有一個(gè)移動(dòng)電弧故障保護(hù)系統(tǒng)，可用于現(xiàn)場(chǎng)工作的開(kāi)放式開(kāi)關(guān)機(jī)架高達(dá) 630 千伏安。除了視覺(jué)電弧檢測(cè)外，還通過(guò)傳感器或光纖電纜在安裝中安裝電流檢測(cè)器連接到它們可以在幾毫秒內(nèi)檢測(cè)到電弧/電弧電流，從而觸發(fā)短路單位。由此產(chǎn)生的金屬短路滅弧并斷開(kāi)保護(hù)裝置。IEC 60364-4-42:20 I 0 標(biāo)準(zhǔn)描述了電弧故障保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)這一原理工作，必須在至少 5 毫秒后熄滅電弧。ISSA 指南還建議使用這種移動(dòng)電弧故障保護(hù)系統(tǒng)，以確保個(gè)人保護(hù)。移動(dòng)系統(tǒng)和固定系統(tǒng)的區(qū)別在于移動(dòng)組件(圖 4)-控制單元有三個(gè)光傳感器，電源和控制線插座-切斷刀片-兩個(gè)短路墨盒-連接片可在幾分鐘內(nèi)集成在開(kāi)放式開(kāi)關(guān)機(jī)架上，工作完成后即可拆卸，并可用于下次安裝再次使用。這將使投資成本降至最低，因?yàn)樵撓到y(tǒng)只能獲得一次。圖 4：移動(dòng)部件的電弧故障保護(hù)系統(tǒng)光傳感器支持，NH 在線熔絲開(kāi)關(guān)隔離器所述控制單元的固定裝置牢固地安裝在開(kāi)關(guān)機(jī)架上，用于安裝控制單元、傳感器、短路墨盒、斷開(kāi)葉片和連接件。NH 在線熔斷器開(kāi)關(guān)隔離器是專(zhuān)為這一目的設(shè)計(jì)的，額定短路電流可達(dá) 25ka，也可以在正常運(yùn)行期間使用，例如作為備用輸出帶。傳感器和所有其他移動(dòng)組件之后通過(guò)控制線路,固定的和相互聯(lián)系的一個(gè)內(nèi)部常規(guī)檢測(cè)所有組件,以便最大電弧故障保護(hù)是確保在現(xiàn)場(chǎng)工作(圖 5),傳感器被安排在這樣一種方式,他們總是檢測(cè)到一個(gè)故障電弧。由于該系統(tǒng)用于封閉房間的開(kāi)式開(kāi)關(guān)架，因此不包括數(shù)碼相機(jī)閃光燈等外來(lái)光的誤脫扣。即使保險(xiǎn)絲在負(fù)載下被拉斷，系統(tǒng)也不會(huì)跳閘。圖 5 所示。開(kāi)關(guān)柜安裝工作(安裝移動(dòng)電弧故障保護(hù)系統(tǒng))四、總結(jié)“最高原則”用于定義風(fēng)險(xiǎn)分析度量的優(yōu)先級(jí)。在這方面，技術(shù)解決方案優(yōu)先于組織措施和個(gè)人防護(hù)用品。根據(jù)《德國(guó)職業(yè)健康與安全法》第 4 條第 2 款，危害應(yīng)從根源上消除。本文所述的電弧故障保護(hù)系統(tǒng)是為了將熱、毒、動(dòng)、輻射的影響降到最低。兩年的試驗(yàn)表明，DEHNarc 系統(tǒng)提供了可靠的電弧故障保護(hù)，適合日常使用。由于該系統(tǒng)用于封閉房間的開(kāi)式開(kāi)關(guān)架，因此不包括數(shù)碼相機(jī)閃光燈等外來(lái)光的誤脫扣。即使保險(xiǎn)絲在負(fù)載下被拉斷，系統(tǒng)也不會(huì)跳閘。維修時(shí)，固定部件可以安裝在相關(guān)的二次變電站內(nèi)，不需要拆卸，隨時(shí)可以使用。DEHNarc 系統(tǒng)(傳感器和控制單元)只需要購(gòu)買(mǎi)一次，并在現(xiàn)場(chǎng)工作期間用于所有預(yù)裝好的二級(jí)變電站。該系統(tǒng)具有極高的電弧故障保護(hù)能力，可快速重復(fù)安裝，不妨礙工作，深受安裝人員的歡迎。綜合熔斷器開(kāi)關(guān)隔離器可在變電站內(nèi)不進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工作的情況下進(jìn)行臨時(shí)連接。DEHNarc 系統(tǒng)是一種技術(shù)解決方案，可以確保在現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)以相對(duì)較少的工作量提供最大的保護(hù)。五、參考文獻(xiàn)[I]《德國(guó)職業(yè)健康與安全法》(ArbSchG)第 5 條[2]《德國(guó)工業(yè)安全及健康條例》(貝特西契夫)(2002 年 9 月)[3]ISSA 個(gè)人防護(hù)設(shè)備在受電氣故障電弧熱效應(yīng)影響時(shí)的選擇指南(2011)[4]EN 50 1 10- 1:2004;電力裝置的運(yùn)作低壓電氣裝置(第 4-42 部分:熱效應(yīng)防護(hù))六、傳記雷弗特·齊默于 1960 年 9 月 21 日出生在卡塞爾。-在 AEG Telefunken 接受電力電子技術(shù)員培訓(xùn)-在德國(guó)維爾茨堡技術(shù)學(xué)院接受培訓(xùn)，成為電力供應(yīng)系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)的注冊(cè)電氣工程技術(shù)員(遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)計(jì)劃)- STIEBEL ELTRON、Lutze 和 DEHN +SOHNE 不同部門(mén)的銷(xiāo)售工程師-自 2010 年起擔(dān)任 DEHN + SOHNE 安全設(shè)備產(chǎn)品經(jīng)理