低壓開關(guān)柜磁場(chǎng)測(cè)量和柜體設(shè)計(jì)
低壓開關(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關(guān)設(shè)備熱風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究和評(píng)估。
無論是低壓、中壓還是高壓，電弧故障都是開關(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，隨著開關(guān)開斷時(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P(yáng)PE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)能夠通過將電弧故障的持續(xù)時(shí)間限制在幾毫秒以內(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)兩種不同類型的電弧故障:串聯(lián)電弧和并聯(lián)電弧。它們?cè)谄鹪搭愋秃蛯?duì)開關(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，該物體將開關(guān)設(shè)備中的兩個(gè)不同電位連接起來。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。開關(guān)設(shè)備制造商維護(hù)的電弧閃蒸試驗(yàn)通常是通過在兩相或三相之間導(dǎo)電一段銅線來實(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，或者兩個(gè)電弧點(diǎn)之間的距離過大，驅(qū)動(dòng)電壓無法維持電弧?；↑c(diǎn)之間的距離會(huì)因?yàn)殡娀〉囊苿?dòng)或越來越多的銅被蒸發(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零點(diǎn)后重新點(diǎn)燃的情況并不常見。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，這類故障主要通過熱像儀來檢測(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。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，它可能不大于開關(guān)設(shè)備的額定電流。因此，傳統(tǒng)的熔斷器和斷路器無法檢測(cè)到串聯(lián)電弧。由于這類電弧的發(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關(guān)設(shè)備的短路試驗(yàn)。第五節(jié)將說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: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)，未來電力設(shè)施的現(xiàn)場(chǎng)施工將變得越來越重要。當(dāng)你斷開一個(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。
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圖1：分類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
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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源系統(tǒng)，這種材料可以防止開關(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，并且只能通過很大的努力來實(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)裝置的斷開時(shí)間。保護(hù)裝置的斷開時(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_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。
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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)工作的開放式開關(guān)機(jī)架高達(dá)630千伏安。
除了視覺電弧檢測(cè)外，還通過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)集成在開放式開關(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在線熔絲開關(guān)隔離器所述控制單元的固定裝置牢固地安裝在開關(guān)機(jī)架上，用于安裝控制單元、傳感器、短路墨盒、斷開葉片和連接件。NH在線熔斷器開關(guān)隔離器是專為這一目的設(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)用于封閉房間的開式開關(guān)架，因此不包括數(shù)碼相機(jī)閃光燈等外來光的誤脫扣。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)用于封閉房間的開式開關(guān)架，因此不包括數(shù)碼相機(jī)閃光燈等外來光的誤脫扣。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不同部門的銷售工程師
-自2010年起擔(dān)任DEHN + SOHNE安全設(shè)備產(chǎn)品經(jīng)理