Важность адекватных значений короткого замыкания для обеспечения безопасности промышленных систем управления

Допустимые значения короткого замыкания для обеспечения безопасности. При подключении электрооборудования и компонентов к любой системе электроснабжения крайне важно, чтобы все компоненты были способны безопасно выдерживать любой ток короткого замыкания, которому они могут подвергнуться. Оборудование, которое, как ожидается, будет пропускать ток короткого замыкания без размыкания (например, шинопровод), должно иметь значение SCCR, превышающее максимально допустимый ток короткого замыкания. Эти устройства иногда называют пассивными устройствами. Для тех компонентов, которые предназначены для размыкания (или прерывания) токов короткого замыкания, они должны иметь напряжение, превышающее максимально допустимый ток короткого замыкания, который, как ожидается, приведет к прерыванию работы. В разделе 5 обсуждается, как можно использовать индивидуальные характеристики компонентов, приведенные в промышленных системах управления, в соответствии с дополнением UL508A к стандарту SB [8], для определения SCCR панели.

SCCR — Номинальный ток короткого замыкания

Все электрические компоненты имеют ограничения по электромагнитному воздействию и нагреву, которые они могут выдерживать при прохождении через них тока короткого замыкания. Превышение этих ограничений может привести к катастрофическому выходу из строя этого компонента и возникновению дуговой вспышки. Это показано на рисунке 2-1, когда в ходе испытания в лаборатории высокомощных испытаний Mersen был применен ток замыкания, значительно превышающий SCCR. Чтобы этого не произошло, крайне важно, чтобы перечисленные компоненты использовались в соответствии с их перечнем UL. В списке компонентов указано, что изделие должно успешно пройти испытания на короткое замыкание, предусмотренные стандартом, с определенной схемой и продолжительностью испытаний. В таблице 2-1 ниже указаны стандартные номера UL для компонентов, которые обычно входят в состав панелей управления. Компоненты, распознанные по UL, должны применяться в соответствии с их индивидуальным каталогом UL.

Для определения того, какой SCCR требуется для компонентов промышленных систем управления, требуется знание системы электропитания, к которой будет подключен ICP. Как минимум, ваш заказчик должен оценить максимально возможный ток повреждения, которому промышленные системы управления будет подвергаться в течение срока службы. В приложении приведена таблица с примерами расчетов, демонстрирующая, как элементы энергосистемы могут влиять на величину допустимого тока короткого замыкания.

Высокие значения тока короткого замыкания — ключ к повышению SCCR панели управления

Дополнение SB [8] допускает до трех вариантов SCCR для компонентов, используемых в промышленных системах управления.

1. Номинальное значение SCCR по умолчанию в соответствии с таблицей UL508A SB4.1

2. Значение SCCR, указанное на компоненте или в инструкции, прилагаемой к компоненту.

3. Значение SCCR, полученное в результате тестирования с использованием специального устройства защиты от перегрузки по току

Третий параметр называется высоким номинальным током короткого замыкания и определяется производителем компонента с помощью испытаний, определенных в стандарте, к которому относится данный компонент. Например, контроллер двигателя мощностью 16 А, у которого SCCR по умолчанию равен 5 Ка из таблицы SB4.1, может быть указан производителем контроллера на уровне 10 Ка. Производитель контроллера может также указать, что его компонент рассчитан на 100 Ка при защите предохранителем класса J, напряжение которого не превышает 30 А. Если в этом примере разработчик ICP решил использовать OCPD с постоянным ограничением тока, то SCCR компонента равен 10 Ка. Если разработчик промышленных систем управления решит использовать предохранитель AJT25 класса J для защиты разветвленной цепи, содержащей контроллер, то SCCR этого компонента составит 100 Ка.

Номинальные значения прерывания по ВОЗДУХУ в амперах

Когда OCPD прерывает подачу большого тока короткого замыкания, между двумя токопроводящими элементами возникает дуга. В случае плавкого предохранителя дуга возникает между обеими сторонами расплавленной выемки плавкого элемента, как описано в следующем разделе. В случае автоматического выключателя она возникает между разъединяющими контактами. Устройство OCPD должно выдерживать тепловую энергию и давление, создаваемые внутренней дугой. Устройство OCPD должно рассеивать эту энергию и быстро гасить дугу, чтобы завершить отключение тока. Ток, напряжение и время отключения определяют энергию, связанную с этим событием. Если OCPD попытается прервать подачу тока повреждения, превышающего подачу ВОЗДУХА, возникающая в результате этого дуга превысит возможности системы пожаротушения и, скорее всего, приведет к катастрофическому отказу и возникновению дуговой вспышки, как показано на рисунке 2-2. Возникшая в результате этого вспышка электрической дуги не была защищена корпусом и могла привести к возникновению у работника опасностей, описанных выше. Из статьи 110.9 ясно, что мощность всех устройств OCPD, обеспечивающих прерывание, должна превышать допустимый ток короткого замыкания. Определение количества ВОЗДУХА, необходимого для OCPD в промышленных системах управления, требует знания системы электропитания, к которой будет подключен шкаф промышленных систем управления.

Другие соображения, необходимые для длительного и надежного срока службы

Увеличение допустимых токов короткого замыкания в промышленных системах управления может привести к устареванию выбранного оборудования, если это не было учтено на этапе проектирования. Увеличение допустимого тока короткого замыкания может быть вызвано: • Перемещением ICP в энергосистему с трансформатором большей мощности. • Новым трансформатором коммунального питания. • Замена трансформатора, питающего промышленные системы управления, на трансформатор большей мощности или с меньшим сопротивлением. • Внесение изменений в распределительную систему. • Подключение генератора параллельно с источником питания. • Подключение соединительной шины для обеспечения надежности распределения. Компоненты в составе промышленных системах управления могут иметь соответствующие характеристики при первоначальном вводе в эксплуатацию; однако, если изменения в системе электроснабжения приведут к увеличению токов короткого замыкания, они могут стать перегруженными, небезопасными и их потребуется заменить. Если токи короткого замыкания возрастут до значений, превышающих номинальный ток короткого замыкания (SCCR) промышленных систем управления, потребуется заменить всю панель целиком.

Повышение безопасности при коротком замыкании с помощью токоограничивающих предохранителей

Низковольтные токоограничивающие предохранители, такие как те, которые соответствуют стандарту UL класса J или CC, должны гасить ток однофазного короткого замыкания менее чем за половину цикла в пределах его диапазона ограничения тока [9]. Поскольку плавкий элемент также должен расплавиться менее чем за первую четверть цикла, это предотвращает достижение током короткого замыкания своего первого пика. Такое уменьшение величины и продолжительности тока короткого замыкания может: • Свести к минимуму (или предотвратить) повреждение оборудования в поврежденной цепи за счет ограничения быстрого нагрева компонентов и разрушающих электромеханических воздействий. • Ограничьте разрушительное нагревательное воздействие дуговых разрядов на электрооборудование. • Значительно сократите потребление электроэнергии, подаваемой к месту дугового разряда, о чем свидетельствует очень низкий прогнозируемый уровень энергии, выделяемой при падении. [5][10] [11]. • Ограничьте пиковую мощность, подаваемую при дуговых замыканиях, и ее возможные взрывные последствия. • Обеспечьте полную координацию даже в условиях короткого замыкания до 200 Ка. • Уменьшите величину и продолжительность падения напряжения в системе, вызванного токами короткого замыкания, за счет быстрой изоляции поврежденной цепи. • Для предохранителей класса J и класса CC предусмотрен запас в 200 пар.

Предохранители семейства AJT класса J и ATDR класса CC являются лучшим выбором в соответствии с новыми спецификациями. Уникальные размеры предохранителей класса J делают маловероятной их замену на менее эффективные предохранители. При использовании с блоком предохранителей класса CC, таким как USCC, будет сложно заменить предохранитель ATDR на дополнительный предохранитель меньшего номинала. Смотрите [2] для получения дополнительной информации о преимуществах этих предохранителей в плане безопасности и надежности в течение всего срока их службы.

Ограничение тока

Операция ограничения тока. Элемент предохранителя для короткого замыкания выполнен из полос меди или серебра с участками уменьшенной площади поперечного сечения, называемыми насечками (рис. 3-1). Элемент заключен в изолирующую трубку, заполненную чистым кварцевым песком. Разработанный для работы при нормальных токах нагрузки без расплавления, режим ограничения тока включается при возникновении короткого замыкания, ток которого превышает пороговое значение. Когда ток короткого замыкания начинает увеличиваться, температура выемок начинает очень быстро повышаться. Когда зазубрины расплавляются, в зонах зазубрин образуются внутренние электрические дуги. Увеличивающееся сопротивление последовательных дуг приводит к быстрому снижению тока замыкания до нуля, и дуги быстро гаснут из-за заполнения песком.

Эффективность ограничения тока.

На рис. 3-2 показана работа предохранителя, отключающего ток короткого замыкания в цепи переменного тока. В период, предшествующий возникновению дуги (плавлению), ток следует предполагаемой волне тока, и падение напряжения на предохранителе является довольно низким. Когда плавкий элемент плавкого предохранителя расплавляется и начинается внутреннее горение, напряжение на плавком предохранителе быстро возрастает, и ток обнуляется задолго до естественного пересечения нулевой точки имеющейся волны тока, как показано на рисунке. Таким образом, выполняются два требования по ограничению тока; максимальный мгновенный ток (Ip), допускаемый предохранителем, меньше максимального предполагаемого тока, а продолжительность дуги составляет менее половины электрического цикла.

Степень ограничения тока, обеспечиваемая предохранителем, измеряется двумя способами — пиковым током пропускания (Ip) и I2t. Максимально допустимые значения lp и I2t указаны в стандартах UL 248 для всех предохранителей с ограничением тока, перечисленных в UL. Информация о пропуске для классов J и CC повторяется в таблице приложения, выдержке из таблицы SB4.2 стандарта UL508A. Обратите внимание, что в пределах одного и того же класса предохранителей UL более высокие значения тока в амперах будут «пропускать» более высокие токи, как показано в таблицах в приложении. I2t, определенный в результате тестирования, используется производителями предохранителей для нескольких целей. Плавкий I2t предохранителя используется для указания (таблицы) размеров предохранителя для предотвращения нежелательных вскрытий.

Индикатор сброса напряжения I2t является полезным индикатором степени нагрева I2Rt компонента при коротком замыкании и используется для обеспечения рекомендаций по защите чувствительных компонентов питания. Опубликованные производителем данные для предохранителей с ограничением тока включают Ip и эффективный среднеквадратичный ток. Поскольку измеренное значение при испытаниях на пропускание является пиковым значением результирующей ограниченной формы сигнала, ток повреждения, который обеспечивал бы тот же Ip без каких-либо ограничений по току, называется «эффективным’ среднеквадратичным током пропускания. Эффективный среднеквадратичный ток используется при расчете дугового разряда, когда предохранитель находится в режиме ограничения тока [11][12]. Максимальный ток пропускания может быть использован в дополнении UL508A Supplement SB для изменения допустимого тока замыкания в некоторых ответвлениях в ICPs.

Ограничение энергии и мощности

Поскольку предохранители с ограничением тока могут уменьшить как величину, так и продолжительность тока короткого замыкания, в течение первого полупериода энергия, подаваемая на дуговое замыкание, значительно снижается. Отключение может произойти до того, как будет достигнута потенциальная пиковая мощность короткого замыкания. Это ограничение продемонстрировано на рисунке 3.3, где сигнал напряжения от 7-тактного трехфазного дугового замыкания сравнивается с сигналом напряжения от той же дуговой цепи, защищенной предохранителем класса J AJT400. Энергия дуги в течение 7 циклов (площадь под кривой мощности) была измерена на уровне 1130 кВт, а энергия падения, по расчетам, составила 10,7 кал/см2.

Пиковая мощность при 7-тактном тестировании превысила 15 МВт, в то время как при тестировании AJT400 пиковая мощность была ограничена до 5 МВт. Такое снижение пиковой мощности и энергии дуги, выделяющейся в первой половине цикла сбоя переменного тока, может обеспечить локализацию опасности возникновения дуговых вспышек путем ограничения повышения давления в корпусах, как описано в [7]. Преимущество этого ограничения наглядно видно из параллельного сравнения тестов с дуговым разрядом на рис. 3-4.

Оба теста проводились при напряжении 600 В и токе короткого замыкания 44 Ка в обоих тестовых блоках. Последовательность слева имела время срабатывания, установленное на 100 мс, в то время как последовательность справа была защищена предохранителем A6D600R UL класса RK1. На кадрах, снятых с помощью высокоскоростных видеозаписей (а), показано, что оба дуговых разряда возникли в 16 дюймах от отверстия корпуса. На (б), через шесть миллисекунд после начала события, показано, как газы, образующиеся при дуговом разряде, сильно выходят наружу из коробки слева.

Поскольку предохранители расплавились примерно через 2 миллисекунды после события, газы, показанные справа на рисунке (в), достигли своего максимального радиуса действия. На рисунке (c) показано, что тест на защиту от взрывателя полностью завершился за 6 мс при максимальной энергии удара 0,5 кал/см2. Тест, показанный слева, продолжался еще более 90 миллисекунд, прежде чем был остановлен лабораторным выключателем, что привело к выбросу энергии, превышающей 14 ккал/см2.

Безопасность дугового разряда — защита людей и семей

Программы электробезопасности должны обеспечивать, чтобы все работники, работающие с электрооборудованием, были защищены от дуговых разрядов до уровня, приемлемого для их организации. Все большее внимание уделяется безопасности от дуговых разрядов, и это касается как операторов электрооборудования, так и электромонтеров. Внутренние дуговые разряды могут привести к открытию дверей низковольтного оборудования, включая промышленные панели управления ICP, которые были установлены надлежащим образом [7].

Если это произойдет, когда оператор взаимодействует с оборудованием, работник может подвергнуться опасности возникновения дугового разряда. Кроме того, многие компании прилагают усилия к тому, чтобы снизить уровень аварийного энергопотребления оборудования, на котором работники часто работают при открытых дверях. Многие стремятся к минимальным значениям, которые являются экономически целесообразными. Защита ICP с помощью встроенного внешнего предохранителя AJT — отличный вариант для минимизации вероятности возникновения дуговой вспышки у операторов при взаимодействии с оборудованием, когда оно должным образом закрыто.

Испытания, проведенные в испытательной лаборатории высокой мощности, показали, что корпуса ICP могут представлять опасность возникновения внутренней дуговой вспышки, если они защищены предохранителями класса J AJT, выбранными в диапазоне ограничения тока. В настоящее время не существует стандарта, подтверждающего этот уровень защиты. Размер ограждений, тип защелок и петель будут влиять на способность сдерживать опасные явления. Даже если ВЧД с защитой от перегорания защищает работников от дуговых разрядов при закрытой дверце, следует также учитывать необходимый уровень СИЗ для электромонтажников, которые взаимодействуют (например, при устранении неполадок) с ВЧД, когда он находится под напряжением, а дверца открыта.

При правильном выборе предохранителей AJT в течение всего срока службы ICP обычно можно обеспечить требуемый уровень энергии при падении менее 0,6 кал/см2, что снижает риск получения серьезных травм работниками. Чтобы обеспечить наилучшую защиту работников и оборудования от предохранителей AJT, вы должны убедиться, что предохранитель AJT выбран таким образом, чтобы это будет ограничение по току для ожидаемого тока короткого замыкания дуги. В таблице 3-1 приведены минимальные допустимые токи короткого замыкания (при напряжении 480 В), необходимые для приведения предохранителей AJT в режим ограничения тока при дуговых замыканиях ниже по потоку. Испытания показали, что по мере того, как токи короткого замыкания превышают эти минимумы, падающая энергия будет уменьшаться в меньшей степени или останется неизменной.

Внешние неисправности

При возникновении сбоя в нагрузке, управляемой ICP, через компоненты промышленных систем управления могут протекать большие токи короткого замыкания, что может привести к повреждению критически важных деталей. Многие компоненты, используемые в промышленных системах управления, имеют SCCR 10 Ка или менее. Использование предохранителей, указанных в перечне компонентов, для испытаний на высокие токи короткого замыкания, скорее всего, обеспечит более высокие значения SCCR компонентов, необходимые для ваших конструкций. Смотрите, например, [13] для получения информации о высоких значениях тока короткого замыкания продукции Mersen. Номинальные значения SCCR блоков распределения питания Mersen FSPDB с предохранителями AJT приведены в качестве примера в таблице 3-2. Пускатели небольших двигателей особенно чувствительны к короткому замыканию контактов и перегрузочным элементам. В соответствии с UL508 при испытаниях на высокие токи короткого замыкания допускается некоторое повреждение контактов и перегрузка.

Однако большинство распространенных пускателей были протестированы и сертифицированы на уровень защиты типа 2 (без повреждений) с SCCR на 100 Ка, когда в качестве защиты в цепи используются указанные OCPD (например, предохранители класса J AJT). [14]. Согласование типа 1 гарантирует отсутствие риска возникновения пожара во время определенных испытаний на короткое замыкание. В то время как тип 1 допускает некоторое повреждение контроллера в соответствии с UL508, тип 2 идет дальше и требует, чтобы контроллер был пригоден для дальнейшего использования после испытания на короткое замыкание. Индикаторы на AJT на рисунке 3-5(r) показывают, что предохранители были отключены до того, как контроллер мог выйти из строя.

Предохранители серий AJT и ATDR являются лучшим выбором для обеспечения защиты контроллеров двигателя по типу 2 и обеспечения высоких значений тока короткого замыкания для компонентов, используемых в ICP. Например, в таблице 3-3 приведена защита по типу 2 для конкретного контроллера двигателя. Смотрите [15] для получения списка дополнительных примеров предохранителей AJT и ATDR, необходимых для защиты контроллеров двигателя 2-го типа.

Поскольку предохранители разветвленной цепи обеспечивают защиту от короткого замыкания для части цепи, внешней по отношению к ICP, следует также учитывать величину энергии, выделяемой для последующих дуговых замыканий, поскольку это может повлиять на возможность предотвращения возникновения дуговых вспышек у работников, находящихся поблизости от управляемых двигателей, и локальных отключений. В статье Кроуфорда, посвященной взрывам в клеммной коробке двигателя (MTB), авторы рекомендовали использовать предохранители с ограничением тока, по крайней мере, класса RK1, чтобы снизить энергию дуги на MTB до минимально возможного уровня для обеспечения безопасности работников [16]. Это также относится к локальному отключению двигателя. Смотрите [7], чтобы получить дополнительную информацию о том, как было продемонстрировано превосходное энергопотребление предохранителей AJT класса J, ограничивающих ток, что значительно снижает вероятность выхода из строя корпуса из-за дуговых разрядов в различных корпусах.

Внутренние неисправности

При возникновении дугового разряда в промышленных системах управления количество энергии, подаваемой на неисправность, может отрицательно сказаться на количестве усилий, необходимых для возврата оборудования в рабочее состояние после ремонта. Чем больше энергия дуги, допускаемая вышестоящим OCPD, тем больше повреждений и усилий потребуется для ремонта оборудования. Если на внутреннее дуговое замыкание будет передано слишком много энергии, это может привести к серьезным повреждениям и создать опасность для находящихся поблизости работников. На фотографиях на рис. 3-6 показано, где образовалась дуга на линейной стороне разъемного выключателя шины. Некоторые исследователи предполагают, что ограничение энергии дуги до уровня менее 100 кВт может обеспечить лишь минимальный ущерб от внутреннего дугового разряда, и такие повреждения могут быть устранены в полевых условиях. [17] [18]