Повышение электробезопасности за счет защиты промышленных систем управления от короткого замыкания

Усилия по снижению риска серьезных травм в результате поражения электрическим током продолжают совершенствоваться благодаря разработке электрооборудования, которое снижает вероятность получения травм работниками, работающими с этим оборудованием. Несмотря на то, что стандарты, методы работы, обучение и СИЗ совершенствуются с целью создания более безопасных рабочих мест, конструкции оборудования предоставляют больше возможностей для повышения безопасности за счет снижения вероятности получения травм в случае возникновения неисправности внутри оборудования или после него. Целью данного документа является: • обеспечение лучшего понимания опасностей, которые могут возникнуть в результате коротких замыканий (неисправностей), которые могут возникнуть в части энергосистемы, управляемой промышленными системами управления (ICP). • обеспечьте защиту от плавких предохранителей, которые снижают риск получения травм вашими клиентами, которые будут управлять приборами управления или работать с ними под напряжением. В данном руководстве рассматриваются вопросы безопасности, связанные с короткими замыканиями как внутри промышленных систем управления, так и за панелями.

Покрытие включает в себя проблемы с дугогасительной вспышкой, номинальные значения тока короткого замыкания (SCCR), номинальные значения прерывания тока (AIR), согласование устройств защиты от перегрузки по току (OCPD) при коротких замыканиях и защиту компонентов в промышленных системах управления от последующих неисправностей. В первом разделе рассказывается о том, как оборудование может быть повреждено большими токами короткого замыкания и как это повреждение может быть связано с опасностями. Особое внимание уделяется влиянию токов короткого замыкания на величину квадрата тока.

Во втором разделе рассматриваются характеристики оборудования, связанные с короткими замыканиями. Обсуждаются последствия недостаточных характеристик для безопасности. В третьем разделе рассказывается о том, как можно значительно снизить риски, используя токоограничивающую способность предохранителей определенных классов UL. В четвертом разделе представлены концепции защиты с точки зрения системы, позволяющие повысить безопасность на протяжении всего срока службы оборудования при максимально надежной работе защиты от короткого замыкания.

В пятом разделе показано, как с помощью предохранителей AJT класса J и ATDR класса CC можно легко повысить мощность панельных SCCR до 100 Ка. В примерах используется методика, описанная в дополнении UL508A к стандарту SB. Мы в Mersen стремимся предоставлять продукты и поддержку, которые помогут вам сделать ваши проекты более безопасными. Мы с нетерпением ждем возможности сотрудничать с вами.

В дополнение к требованиям к производительности, цели проектирования промышленных систем управления (ICP) должны включать требования к различным аспектам безопасности. Защите работников от различных опасностей, связанных с короткими замыканиями, уделяется сегодня все больше внимания, поскольку в стандартах электробезопасности используется все больше методов управления рисками для защиты работников.

По мере того как клиенты будут перенимать эти усовершенствованные подходы к электробезопасности, возрастет интерес к конструкциям, которые сводят к минимуму риски для работников, устанавливающих, вводящих в эксплуатацию, устраняющих неполадки и использующих это оборудование. Пирамида на обложке NFPA70E-2018 [1] представляет собой значительный шаг вперед в области электробезопасности, поскольку в последние издания стандарта было включено больше принципов управления рисками. Элементы управления рисками, показанные в пирамиде, упорядочены в соответствии с принятым уровнем эффективности защиты людей; например, замена намного эффективнее, чем СИЗ.

Примером этого может служить переход с управляющего напряжения 120 В переменного тока на 24 В постоянного тока. В целом, топ-3 наиболее эффективно выполняются на этапе проектирования оборудования и систем. Данное руководство предназначено для того, чтобы помочь вам выбрать варианты предохранителей, которые позволят значительно снизить риски, связанные с короткими замыканиями на панелях управления. Рассмотрены следующие основные темы:

1. Важность номинальных значений короткого замыкания для обеспечения безопасности. Рассматриваются как номинальные значения тока короткого замыкания (SCCR), так и номинальные значения тока прерывания в амперах (AIR). Кроме того, рассматриваются высокие значения тока короткого замыкания как простой способ улучшения SCCR промышленных систем управления.

2. Повышение безопасности при коротком замыкании с помощью предохранителей с ограничением тока. Обсуждается, как выбор защиты от короткого замыкания может повлиять на уровень безопасности в течение срока службы панели. Рассматриваются вопросы защиты как компонентов, так и людей.

3. Конструктивные решения для повышения безопасности и надежности. Основное внимание уделяется проектным вопросам, связанным с возникновением дуги, согласованию с вышестоящей системой электропитания, защите от перегрузки, оптимальной защите компонентов и улучшению SCCR панели. Выбирая предохранители AJT класса J и ATDR класса CC для устройства защиты от перегрузки по току (OCPD) в панели, вы можете быть уверены, что уровень защиты, предусмотренный в ICP, не будет нарушен в течение всего срока службы панели. Повышенные токи короткого замыкания в системе не влияют на ключевые критерии эффективности предохранителей, которые обсуждаются в этой статье.

Например: • Расчет энергии повреждения остается постоянным (и может уменьшаться) при больших токах короткого замыкания. • Защита пускателей двигателей от повреждений 2-го типа с помощью предохранителей обычно действует при токах короткого замыкания до 100 Ка. (см. стр. 21) • При соблюдении простых рекомендаций согласование между предохранителями может достигать 200 Ка (см. стр. 25) • Многие компоненты, используемые в ICP, имеют высокие значения тока короткого замыкания — 100 Ка, если они защищены предохранителями AJT класса J. Например, распределительный блок питания Mersen рассчитан на 100 Ка при защите предохранителями класса J AJT. Дополнительные примеры приведены в [13]. • Промышленные системы управления с защитой от плавких предохранителей обычно имеют SCCR 100 Ка. (см. стр. 31) • Предохранители AJT класса J являются однополюсными и рассчитаны на напряжение 600 В и имеют номинальную мощность отключения по амперу (воздушному) 200 Ка. (См. стр. 17 и 50) • Предохранители ATDR класса CC являются однополюсными и рассчитаны на напряжение 600 В и имеют номинальную мощность отключения по току (воздушному) 200 Ка. (см. стр. 17 и 50).

Токи короткого замыкания

Прежде чем обсуждать повреждения, вызванные токами короткого замыкания, важно отметить, что токи короткого замыкания переменного тока могут иметь значительную степень асимметрии, которая зависит от полного сопротивления источника и фазового угла, при котором произошло короткое замыкание. Цепи с высокой индуктивностью могут вызвать начальное смещение тока (асимметричное), как показано на рисунке ниже. Смещение уменьшится до нуля, и ток станет симметричным после нескольких циклов. Оборудование низкого напряжения часто тестируется с соотношением X/R, близким к показанному значению. Это может привести к появлению первого пика, который на 70% превышает нормальный симметричный пик в 1,414 раза, как показано в таблице и на рисунке 1-1.

Повреждение от короткого замыкания

После предварительного рассмотрения того, как электрические компоненты могут быть повреждены при больших токах короткого замыкания, можно более полно понять преимущества ограничения тока для защиты от короткого замыкания. Поскольку такое “повреждение” может привести к взрывам и пожарам в оборудовании, этот обзор дает представление об аспектах безопасности при надлежащей защите от короткого замыкания. Перегрузки по току могут привести к повреждению электрических компонентов тремя способами: большими электромагнитными силами, чрезмерным нагревом и высокой тепловой энергией, возникающей из-за дуговых разрядов. Хотя эти методы рассматриваются индивидуально, все они могут быть использованы при возникновении неисправности.

Электромагнитные силы

Электромагнитные силы могут возникать, когда два тока протекают в непосредственной близости друг от друга. Хотя принцип электромагнитной силы используется для обеспечения надлежащего функционирования таких устройств, как двигатели, в данном обсуждении основное внимание уделяется тому, как большие токи короткого замыкания создают силы, которые могут привести к повреждению или разрушению оборудования и привести к возникновению опасных ситуаций. В примере, показанном на рис. 1-2, ток, вытекающий из одного проводника и возвращающийся обратно по параллельному проводнику, создает магнитное поле, окружающее каждый проводник. Когда линии магнитного потока между проводниками направлены в противоположных направлениях, создается сила, которая отталкивает два проводника друг от друга.

На рисунке выше величина силы, рассчитанная по приведенному уравнению, рассчитана на 2 параллельных проводника. Обратите внимание на три момента, касающиеся природы силы.

Самое главное, сила пропорциональна “квадрату силы тока”. Это означает, что при удвоении тока сила тока увеличивается в четыре раза. Если ток увеличивается с 10 А до 20 А, сила увеличивается в 4 раза; если ток увеличивается с 10 А до 10 000 А (увеличение в 1000 раз), сила увеличивается в 1000 х 1000 или 1 000 000 раз. 2. 10-7 означает 1, деленное на 10 000 000; малые токи будут иметь чрезвычайно малую силу, связанную с ними.

Усилие обратно пропорционально расстоянию между проводниками. Если расстояние между проводниками увеличить с 1 дюйма до 2 дюймов, усилие уменьшится наполовину. В качестве примера того, насколько большими могут быть силы, рассмотрим два кабеля, расположенные на расстоянии ½ дюйма друг от друга, которые могут вызывать различные короткие замыкания, показанные в таблице 1-1. При асимметричной волне, как описано выше, пиковое усилие будет возникать одновременно с пиковым током. Для системы переменного тока частотой 60 Гц это может произойти менее чем за 5 мс. Пиковые токи будут такими, как показано в среднем столбце, а пиковая сила, рассчитанная в соответствии с уравнением (2), будет пропорциональна квадрату пикового значения в первой половине цикла и показана в третьем столбце рисунка. Обратите внимание, что при больших токах короткого замыкания усилие может измеряться в тоннах.

При трехфазном замыкании переменного тока приведенное выше уравнение будет изменяться в зависимости от геометрии проводников. Направление сил, действующих между проводниками при трехфазном замыкании, будет меняться по мере прохождения тока по фазе. На рисунке 1-3 проводник фазы С отталкивается от двух других фазных проводников; проводники фазы А и фазы В притягиваются, поскольку направление тока в этой точке вращения фаз совпадает. По мере того как неисправность прогрессирует в процессе чередования фаз, проводники будут попеременно притягиваться и отталкиваться до тех пор, пока неисправность не будет устранена.

Рассмотрим кабель, рассчитанный на напряжение 20 А. Когда по проводнику проходит напряжение 10 А, в меди будет выделяться тепло. Номинальная мощность 20А означает, что при нормальных условиях это тепло будет отводиться через изоляцию с той же скоростью, с какой оно вырабатывается; т.е. температура стабилизируется ниже уровня, который может привести к повреждению изоляции.

Если увеличить ток в четыре раза до 40 А, то в проводнике будет выделяться тепло в 16 раз быстрее (4×4), что превысит охлаждающую способность изоляции — температура изоляции повысится. Если своевременно не устранить эту перегрузку, изоляция может расплавиться или сгореть (см. рис. 1-4), что может привести к возгоранию и короткому замыканию в трубопроводах и кабельных лотках. Однако, если бы произошло короткое замыкание при протекающем по кабелю токе в 10 000 А (в 1000 раз больше тока нагрузки в 10 А), эффект нагрева увеличился бы в 1 000 000 раз (в 1 000 раз больше, чем в 1000 раз). Доступны кривые повреждения кабеля (и уравнения), показывающие время, необходимое для повреждения изоляции кабеля в зависимости от тока короткого замыкания. В зависимости от величины тока и размера кабеля это время может составлять всего ½ цикла (8,3мс).

Повреждения от дуги и опасности

При зажигании высокоэнергетической дуги в нее передается большое количество электрической энергии, что создает опасность, которая хорошо документирована [3] [4]. Эта энергия распределяется несколькими способами, как показано на рисунке 1-6. Поверхность металлических электродов быстро нагревается до температуры кипения, высвобождая молекулы в плазменные струи. Молекулы паров меди и молекулы воздуха, втягиваемые плазменными струями, разделяются и становятся частью быстро расширяющегося плазменного облака. Поскольку горение дуги продолжается, электрическая энергия расходуется на поддержание и расширение плазменного облака. Люди, находящиеся в этом облаке или вблизи него, могут подвергаться воздействию огромной конвективной и/или лучистой тепловой энергии, которая может воспламенить одежду и вызвать серьезные ожоги. Количество передаваемого тепла, по-видимому, линейно зависит от времени [5]. Быстрое расширение в момент возникновения дугового разряда может привести к возникновению значительной волны давления, удаляющейся от корней дуги. В результате уровень шума вблизи места возникновения может превысить уровни, которые могут повредить слух человека.

По мере прохождения процесса рабочие подвергаются другим опасностям. По мере удаления плазмы от дуги она охлаждается, что позволяет компонентам плазмы объединяться в молекулы, которые могут быть токсичными. На рис. 1-6 эти материалы, такие как оксиды меди, обозначены как плазменная “пыль”. Тепло, передаваемое от электродов к проводникам, расплавляет металл, который затем в виде расплавленных капель попадает в плазменные струи. Интенсивность света при зажигании дуги может привести к немедленному ухудшению зрения и увеличить вероятность возникновения проблем со зрением в будущем. Фотографии на рис. 1-7 взяты из высокоскоростного видео, на котором запечатлена вспышка дуги с горизонтальными электродами [6].

Три электрода расположены в центре переднего отверстия тестовой камеры размером 20 x 20 дюймов. Изображение этого события показано стрелкой 1 на рисунке 1-6. Первая фотография в этой последовательности — это первый кадр видео, где впервые появилась дуга. Второй кадр снят спустя 1 мс и показывает тепловое расширение. На третьем кадре, сделанном через 4 мс после начала события, видно, как облако плазмы расширяется примерно на 18 дюймов от отверстия корпуса. На этих кадрах видно, что плазма с помощью электромагнитного поля удаляется от электродов. На последнем кадре виден насыщенный медью «дым», когда дуга полностью разгорается.

Опасность перегрева

Исследования с использованием дуговых разрядов показали, что плотность тепловыделения на обычных рабочих расстояниях может превышать 40 ккал/см2. Даже при более низких температурах обычная одежда воспламеняется, вызывая серьезные, даже смертельные ожоги. Работники, не находящиеся в плазме, могут получить ожоги от интенсивного теплового излучения, выходящего за пределы обычных рабочих расстояний. При типичной длительности дугового разряда менее одной секунды плотность нагрева более 1,2 кал/см2 на открытой поверхности тела достаточна, чтобы вызвать ожог второй степени.

Давление внутри корпуса

В случае, представленном на рис. 1-7, дуга ведет себя как на открытом воздухе, поскольку нет препятствий для потока плазмы. Поскольку облако плазмы первоначально начинает расширяться, может возникнуть большая разница в давлении между этим быстро расширяющимся облаком и окружающим воздухом. Эта “волна давления” может привести к травмам персонала или значительному повреждению оборудования и окружающей среды. При возникновении электрической дуги внутри корпуса волна давления будет распространяться наружу, к стенкам корпуса. На величину давления будут влиять такие переменные, как энергия, подаваемая на дугу на ранних стадиях ее возникновения, ориентация электродов, объем внутри корпуса и отражения, вызванные геометрией корпуса и его компонентов. При достаточной мощности дверь может распахнуться (см. рис. 1-9), подвергая находящегося поблизости работника хорошо документированной и серьезной опасности, связанной с дуговой вспышкой.

Это расширение можно увидеть на серии фотографий на рис. 1-10. На концах электродов в открытой испытательной камере размером 20 х 20 х 20 дюймов, показанной на рис. 1-10а, возникло дуговое замыкание. На первом кадре видеоряда, показанного на рис. 1-10в, показано начальное формирование облака плазмы. Кадр на рис. 1-10с, снятый 3 мс спустя, показывает быстрое расширение облака, когда воздух и электродные материалы нагреваются до очень высоких температур. Обратите внимание, что облако расширилось и почти полностью заполнило корпус горячими газами. Внимательно изучите рамку на рис. На рис. 1-10d показано, что в результате удара этих газов о боковую стенку стальная пластина толщиной ⅛ дюйма выгнулась наружу. На этом кадре показано, что событие произошло через 4,9 мс.

Энергия падающего потока не обязательно является хорошим показателем силы первоначального воздействия волны давления. В этом тесте использовался источник напряжением 600 В, сконфигурированный для подачи тока короткого замыкания напряжением 23 кА на концы медных проводников. Энергия падения, по оценкам, составит менее 0,5 кал/см2 за период в 4,9 мс, показанный на серии фотографий. Для периода очистки в 100 мс расчетная энергия падения составит около 4,3 кал/см2. При времени очистки в 200 мс энергия падения будет составлять около 8,6 кал/см2. Величина первоначального удара о стенки была бы одинаковой при различных уровнях энергии удара, независимо от продолжительности. Если бы в корпусе была дверь, ограничивающая выход расширяющихся газов из камеры, давление могло бы возрасти до более высоких значений. Возникающее в результате этого деформирование коробки и дверцы может в конечном итоге привести к тому, что дверца распахнется или вылетит (рис. 1-9). Как видно на фотографиях, это увеличение давления происходит довольно быстро. При меньшем размере коробки давление на боковые стенки, вероятно, было бы больше, так как они находятся ближе к источнику тепла, который вызывает быстрое расширение.