低壓開關柜磁場測量和柜體設計 低壓開關設備電弧故障保護系統(tǒng)的功能和使用 Rainer Ziehmer, DEHN + SOHNE GmbH + Co. KG 摘要:本文根據(jù)國際社會保障協(xié)會發(fā)布的《個人防護設備暴露于故障電弧熱效應下的選擇指南》，對電弧故障引起的電氣開關設備熱風險進行了研究和評估。 無論是低壓、中壓還是高壓，電弧故障都是開關設備最危險的故障之一。不僅電源可以中斷;此外，高溫氣體和有毒氣體可以危及個人操作。此外，發(fā)生電弧故障的開關設備不能立即投入使用。根據(jù)電弧的強度和持續(xù)時間，只有一個或整個變電站會受到影響。也有可能，由于高溫，整個變電站不可挽回地損壞，必須全部更換。因此，它不僅是更換開關設備的成本，而且尤其是電源的故障會造成重大的成本。特別是由于對低壓供電安全的要求越來越高，對提高電弧故障檢測水平提出了新的要求。 近年來，隨著開關開斷時間的縮短和檢測短路的新方法的出現(xiàn)，對大電流故障的安全性有了進一步的提高。然而，電弧的早期檢測，尤其是低電流電弧故障的檢測，是目前研究較少的領域。為了防止主要故障事件的發(fā)生，必須可靠地檢測這些初始低電流故障事件，以避免可能對開關設備造成進一步的損壞。 在這方面，必須穿戴適當?shù)摹皞€人防護裝備”(PPE)，以保護工人免受二級燒傷。然而，該PPE的保護效果受電弧故障能量的限制。技術措施也可以實施，以額外保護工人在現(xiàn)場工作。 電弧故障保護系統(tǒng)能夠通過將電弧故障的持續(xù)時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。它們在起源類型和對開關設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)在開關設備的兩相之間，相對地或相對中性。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，它們可能是由一個物體引起的，該物體將開關設備中的兩個不同電位連接起來。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。開關設備制造商維護的電弧閃蒸試驗通常是通過在兩相或三相之間導電一段銅線來實現(xiàn)的。通電后，導線蒸發(fā)形成等離子體，等離子體可以傳導電弧電流。由于短路時電流非常大，可以在這兩個電位之間建立等離子通道。蒸發(fā)后，熱銅增強了這一效果，所以電弧很容易在電流為零后重新點燃。電弧燃燒直至斷開，或者兩個電弧點之間的距離過大，驅(qū)動電壓無法維持電弧。弧點之間的距離會因為電弧的移動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，因為它們的電流遠遠低于短路電流的范圍。正因為如此，小電流電弧在每次過零點后重新點燃的情況并不常見。為了檢查任何電弧故障檢測裝置的性能，有必要產(chǎn)生實際的低電流電弧故障。因此，需要燃燒超過幾個半周期的電弧。只有這樣才能可靠地檢測出電弧的所有特性。實驗將更詳細地討論這一點。 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。其中一個原因可能是母線內(nèi)的螺釘連接松動或電纜連接斷裂，如[5]所示。目前，這類故障主要通過熱像儀來檢測。紅外攝像機可以顯示連接處的熱點，這可能表明母線或電纜內(nèi)的接觸不良。在螺釘連接松動時，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上減小了，由于電阻的增大，就產(chǎn)生了局部加熱。長時間觀察，這可能導致局部氧化增加，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缺口連接起來。增加加熱，也會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，熱氣體會破壞絕緣材料，降低相間的絕緣性能。熱弧對流也能電離相間的間隙。最后，一個串行弧可以成為一個并行弧的開始。串聯(lián)電弧的電弧電流受連接負載的限制。因此，根據(jù)定義，它可能不大于開關設備的額定電流。因此，傳統(tǒng)的熔斷器和斷路器無法檢測到串聯(lián)電弧。由于這類電弧的發(fā)展速度較慢，在被探測到之前可能會燃燒很長一段時間，因此對于可靠的電源分配是一個巨大的問題。為了檢查任何電弧故障檢測裝置的性能，有必要產(chǎn)生實際的低電流電弧故障。因此，需要燃燒超過幾個半周期的電弧。只有這樣才能可靠地檢測出電弧的所有特性。實驗將更詳細地討論這一點。 電弧的產(chǎn)生：為了研制有效的電弧故障保護裝置，必須識別電弧故障的所有相關特征。對于大電流，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設備的短路試驗。第五節(jié)將說明為什么同樣的方法不能完全應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火電弧的選擇。此外，還將討論生成的電弧與實際運行中的電弧故障相比的逼真程度。 本文介紹了這些保護系統(tǒng)的結(jié)構、工作方式和實現(xiàn)。 指標術語:電弧故障保護系統(tǒng);電氣故障電弧 一、法定及法律基礎 德國職業(yè)健康和安全法[I]要求雇主對其雇員的相關工作場所進行風險分析，并確定和采取適當?shù)穆殬I(yè)健康和安全措施。如果情況不是這樣，不僅員工面臨風險。故意或重大疏忽也可能導致罰款甚至監(jiān)禁。除了《德國職業(yè)健康與安全法》，《德國工業(yè)安全與健康條例》[2]是安全和充分的工作實踐的基礎。此外，當暴露在電氣故障電弧[3]的熱效應下時，個人防護設備的選擇應遵循ISSA準則。在電氣安裝工作時，必須遵守和執(zhí)行EN 50II0- 1:2004標準[4]。本標準包括不同的工作方法，并描述了相關的過程。在實際工作中，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，這些工作方法不一定會增加事故風險。與所有工作一樣，有意識的行動和適當?shù)拇胧?，例如風險分析、組織、培訓方案和選擇適當?shù)墓ぷ髟O備，可確保工作質(zhì)量，特別是安全。除上述措施外，雇主有義務提供適當?shù)姆雷o設備。 本文介紹了電弧故障保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于根據(jù)風險分析結(jié)果執(zhí)行的工作，以保護員工在電氣安裝工作。 二、電弧斷裂的形成及其影響 由于德國能源形勢的好轉(zhuǎn)，未來電力設施的現(xiàn)場施工將變得越來越重要。當你斷開一個裝置時，你總是考慮到電弧的可能風險嗎?你是否穿戴適當?shù)膫€人防護裝備?有許多危險的來源。例如，帶電部件之間的絕緣間隙可以隨著時間的推移而減小，這是由于空氣濕度和工具掉落造成的污染導致的短路，從而產(chǎn)生電弧。此外，在安裝過程中接觸或動物松動也可能導致電弧故障。德國每年約發(fā)生160起電弧故障事故，造成嚴重的人員傷亡。 極高的溫度會導致皮膚燒傷，需要綜合的醫(yī)療治療，如皮膚移植。完全恢復往往是不可能的。電弧中心的溫度可高達2萬攝氏度。因此，塑料和金屬會融化和蒸發(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嚴重的風險?？紤]到所有這些因素，在電氣安裝工作中，有效的保護是必不可少的，以確保您不必問自己:“還有什么可以做得更好?” 三、采用技術措施進行電弧故障保護 《個人防護裝備的選擇指南》使個人防護裝備的選擇更加容易。圖一中分類的個人防護設備的代表性選擇，根據(jù)變壓器輸出和防護設備的跳閘時間，顯示了其使用的局限性。 …………………………………………………………（1） 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，以至于單靠個人防護設備已無法保證熱防護怎么辦? 圖2：電弧后NH保險絲的脫扣時間 ……………………………………（2） 圖2中的示例計算表明，當變壓器功率為630 kVA，上游保險絲跳閘時間為200 ms時，需要哪些能量。得到的電弧能量遠高于第2類試驗中318 kJ的能量。 有可能限制電弧能量嗎? 在IEC 60364-4- 42:2010低壓電氣安裝標準[5]中描述了可能的解決方案。 一方面，電弧可以進入開關設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，這不能實現(xiàn)，或者只能在開放安裝的工作中實現(xiàn)得不夠。這種措施還會對安裝的可用性產(chǎn)生負面影響，因為受影響的部件必須清洗或更換。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設備帶電部分和接地部分之間的閃絡。由于所有連接和匯流排都必須集成，因此在復雜的安裝情況下，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間。由于電弧電流受其阻抗的限制，這也會影響保護裝置的斷開時間。保護裝置的斷開時間越短，所期望的電弧能量越低。因此，最好采用快速動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)跳閘時間進行風險分析，并選擇合適的PPE。 此外，在ISSA指南和IEC 60364-4-42:20 I 0標準中都描述了電弧故障保護系統(tǒng)。雖然ISSA指南的重點是個人保護，但該標準主要處理提高安裝可用性的系統(tǒng)。這些電弧故障保護系統(tǒng)具有相同的工作模式。當電弧被探測到后，位于兩相之間的短路盒就會引起金屬短路。在此過程中，由于電弧持續(xù)時間極短，限制了電弧和溫升，防止了二次燒傷。同時，變壓器保險絲或斷路器跳閘。而金屬短路則是在短路筒內(nèi)引起的，不僅有熱效應，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系統(tǒng)，三極電弧的能量會顯著降低。在這個例子中，WLB減少了40倍，因為斷開連接的時間正是由這個因素減少的。然而，即使使用電弧故障保護系統(tǒng)，也必須始終佩戴PPE。 ………………………………（3） 圖3：電弧故障保護系統(tǒng)對電弧能量的限制 除了固定系統(tǒng)，還有一個移動電弧故障保護系統(tǒng)，可用于現(xiàn)場工作的開放式開關機架高達630千伏安。 除了視覺電弧檢測外，還通過傳感器或光纖電纜在安裝中安裝電流檢測器 連接到它們可以在幾毫秒內(nèi)檢測到電弧/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裝置。IEC 60364-4-42:20 I 0標準描述了電弧故障保護系統(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電弧故障保護系統(tǒng)，以確保個人保護。移動系統(tǒng)和固定系統(tǒng)的區(qū)別在于移動組件(圖4) -控制單元有三個光傳感器，電源和控制線插座 -切斷刀片 -兩個短路墨盒 -連接片 可在幾分鐘內(nèi)集成在開放式開關機架上，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，因為該系統(tǒng)只能獲得一次。 圖4：移動部件的電弧故障保護系統(tǒng) 光傳感器支持，NH在線熔絲開關隔離器所述控制單元的固定裝置牢固地安裝在開關機架上，用于安裝控制單元、傳感器、短路墨盒、斷開葉片和連接件。NH在線熔斷器開關隔離器是專為這一目的設計的，額定短路電流可達25ka，也可以在正常運行期間使用，例如作為備用輸出帶。 傳感器和所有其他移動組件之后通過控制線路,固定的和相互聯(lián)系的一個內(nèi)部常規(guī)檢測所有組件,以便最大電弧故障保護是確保在現(xiàn)場工作(圖5),傳感器被安排在這樣一種方式,他們總是檢測到一個故障電弧。 由于該系統(tǒng)用于封閉房間的開式開關架，因此不包括數(shù)碼相機閃光燈等外來光的誤脫扣。即使保險絲在負載下被拉斷，系統(tǒng)也不會跳閘。 圖5所示。開關柜安裝工作(安裝移動電弧故障保護系統(tǒng)) 四、總結(jié) “最高原則”用于定義風險分析度量的優(yōu)先級。在這方面，技術解決方案優(yōu)先于組織措施和個人防護用品。根據(jù)《德國職業(yè)健康與安全法》第4條第2款，危害應從根源上消除。 本文所述的電弧故障保護系統(tǒng)是為了將熱、毒、動、輻射的影響降到最低。 兩年的試驗表明，DEHNarc系統(tǒng)提供了可靠的電弧故障保護，適合日常使用。由于該系統(tǒng)用于封閉房間的開式開關架，因此不包括數(shù)碼相機閃光燈等外來光的誤脫扣。即使保險絲在負載下被拉斷，系統(tǒng)也不會跳閘。 維修時，固定部件可以安裝在相關的二次變電站內(nèi)，不需要拆卸，隨時可以使用。DEHNarc系統(tǒng)(傳感器和控制單元)只需要購買一次，并在現(xiàn)場工作期間用于所有預裝好的二級變電站。 該系統(tǒng)具有極高的電弧故障保護能力，可快速重復安裝，不妨礙工作，深受安裝人員的歡迎。 綜合熔斷器開關隔離器可在變電站內(nèi)不進行現(xiàn)場工作的情況下進行臨時連接。 DEHNarc系統(tǒng)是一種技術解決方案，可以確保在現(xiàn)場工作時以相對較少的工作量提供最大的保護。 五、參考文獻 [I]《德國職業(yè)健康與安全法》(ArbSchG)第5條 [2]《德國工業(yè)安全及健康條例》(貝特西契夫)(2002年9月) [3]ISSA個人防護設備在受電氣故障電弧熱效應影響時的選擇指南(2011) [4]EN 50 1 10- 1:2004;電力裝置的運作低壓電氣裝置(第4-42部分:熱效應防護) 六、傳記 雷弗特·齊默于1960年9月21日出生在卡塞爾。 -在AEG Telefunken 接受電力電子技術員培訓 -在德國維爾茨堡技術學院接受培訓，成為電力供應系統(tǒng)專業(yè)的注冊電氣工程技術員(遠程學習計劃) - STIEBEL ELTRON、Lutze和DEHN +SOHNE不同部門的銷售工程師 -自2010年起擔任DEHN + SOHNE安全設備產(chǎn)品經(jīng)理