Вспышка дуги — это свет и тепло, возникающие в результате дугового замыкания (иногда называемого электрическим пробоем ), типа электрического взрыва или разряда, который возникает в результате соединения через воздух с землей или другой фазой напряжения в электрической системе.
Вспышка дуги существенно отличается от дугового взрыва , который представляет собой сверхзвуковую ударную волну, возникающую, когда неконтролируемая дуга испаряет металлические проводники. Оба являются частью одного и того же дугового замыкания и часто называются просто дуговой вспышкой, но с точки зрения безопасности они часто рассматриваются отдельно. Например, средства индивидуальной защиты (СИЗ) могут быть использованы для эффективной защиты рабочего от излучения дуговой вспышки, но те же самые СИЗ, вероятно, могут быть неэффективны против летящих предметов, расплавленного металла и сильного сотрясения, которое может вызвать дуговой взрыв. (Например, защита от дуговой вспышки категории 4, похожая на костюм бомбы , вряд ли защитит человека от сотрясения очень сильного взрыва, хотя она может предотвратить испарение рабочего интенсивным светом вспышки.) По этой причине обычно принимаются другие меры предосторожности в дополнение к ношению СИЗ, помогающие предотвратить травмы. [1] Однако явление дугового взрыва иногда используется для гашения электрической дуги некоторыми типами автоматических выключателей с самовзрывной камерой .
Вспышка дуги — это свет и тепло, производимые электрической дугой, снабженной достаточной электрической энергией, чтобы вызвать существенный ущерб, вред, пожар или травму. Электрические дуги испытывают отрицательное инкрементное сопротивление , что приводит к уменьшению электрического сопротивления по мере увеличения температуры дуги. Поэтому по мере того, как дуга развивается и становится горячее, сопротивление падает, потребляя все больше и больше тока (убегает), пока какая-то часть системы не расплавится, не отключится или не испарится, обеспечив достаточное расстояние для разрыва цепи и гашения дуги. [2] Электрические дуги, когда они хорошо контролируются и питаются ограниченной энергией, производят очень яркий свет и используются в дуговых лампах (закрытых или с открытыми электродами) для сварки, плазменной резки и других промышленных применений. Сварочные дуги могут легко превратить сталь в жидкость со средним значением всего 24 вольт постоянного тока . Когда неконтролируемая дуга образуется при высоком напряжении, особенно там, где используются большие провода питания или сильноточные проводники, вспышки дуги могут вызывать оглушительный шум, сверхзвуковые ударные силы, перегретые осколки , температуры, намного превышающие температуру поверхности Солнца, и интенсивное высокоэнергетическое излучение, способное испарять близлежащие материалы.
Температура вспышки дуги может достигать или превышать 35 000 °F (19 400 °C) на клеммах дуги. [3] Огромная энергия, высвобождаемая в разломе, быстро испаряет задействованные металлические проводники, взрывая расплавленный металл и расширяя плазму наружу с необычайной силой. [3] Типичный инцидент вспышки дуги может быть несущественным, но, предположительно, может легко вызвать более сильный взрыв (см. расчет ниже). Результат сильного события может привести к разрушению задействованного оборудования, пожару и травмам не только электрика, но и окружающих. Во время вспышки дуги электрическая энергия испаряет металл, который переходит из твердого состояния в газообразный пар, расширяя его со взрывной силой. Например, когда испаряется медь, она внезапно расширяется в 67 000 раз в объеме. [4]
В дополнение к взрывному взрыву, называемому дуговым взрывом такого разлома, разрушение также возникает из-за интенсивного лучистого тепла, производимого дугой. Металлическая плазменная дуга производит огромное количество световой энергии от дальнего инфракрасного до ультрафиолетового диапазона . Поверхности близлежащих объектов, включая людей, поглощают эту энергию и мгновенно нагреваются до температур испарения. Последствия этого можно увидеть на соседних стенах и оборудовании — они часто подвергаются абляции и эрозии от лучистого воздействия.
Большинство электрических сетей напряжением 400 В и выше обладают достаточной мощностью, чтобы вызвать опасность дуговой вспышки. [ требуется ссылка ] Оборудование среднего напряжения (выше 1000 В) имеет более высокий потенциал и, следовательно, более высокий риск дуговой вспышки. [ требуется ссылка ] Более высокое напряжение может вызвать искру, инициируя дуговую вспышку без необходимости физического контакта, и может поддерживать дугу на более длинных промежутках. Большинство линий электропередач используют напряжение, превышающее 1000 вольт, и могут представлять опасность дуговой вспышки для птиц, белок, людей или оборудования, такого как транспортные средства или лестницы. Дуговые вспышки часто наблюдаются на линиях или трансформаторах непосредственно перед отключением электроэнергии, создавая яркие вспышки, похожие на молнии, которые можно увидеть с большого расстояния. [5]
Высоковольтные линии электропередач часто работают в диапазоне от десятков до сотен киловольт, что может привести к очень длинным дуговым вспышкам, часто называемым перекрытием. Обычно необходимо проявлять осторожность, чтобы гарантировать, что линии изолированы с надлежащим «номиналом перекрытия» и достаточно удалены друг от друга, чтобы предотвратить спонтанное возникновение дуговой вспышки. Если высоковольтные линии становятся слишком близко друг к другу или к земле, между проводниками может образоваться коронный разряд . Обычно это синий или красноватый свет, вызванный ионизацией воздуха, сопровождаемый шипением или хрустом. Коронный разряд может легко привести к дуговой вспышке, создавая токопроводящий путь между линиями. Эта ионизация может усиливаться во время электрических бурь, вызывая спонтанные дуговые вспышки и приводя к отключениям электроэнергии. [6]
В качестве примера энергии, высвобождаемой при инциденте вспышки дуги, при однофазном замыкании в системе 480 В с током замыкания 20 000 ампер результирующая мощность составляет 9,6 МВт . Если замыкание длится 10 циклов при 60 Гц, результирующая энергия составит 1,6 мегаджоулей . Для сравнения, при детонации ТНТ выделяется 2175 Дж/г или более (для эквивалента ТНТ используется условное значение 4184 Дж/г ). Таким образом, эта энергия замыкания эквивалентна 380 граммам (приблизительно 0,8 фунта) ТНТ. [ необходима цитата ] Характер взрыва вспышки дуги сильно отличается от химического взрыва (больше тепла и света, меньше механического удара), но результирующие разрушения сопоставимы. Быстро расширяющийся перегретый пар, образующийся в результате дуги, может стать причиной серьезных травм или повреждений, а интенсивное ультрафиолетовое , видимое и инфракрасное излучение, образующееся в результате дуги, может временно, а иногда и навсегда, ослепить или повредить глаза человека.
При разработке программ безопасности необходимо оценить четыре различных типа событий, связанных с дуговой вспышкой:
Одна из наиболее распространенных причин травм от дуговой вспышки происходит при включении электрических цепей и, особенно, при срабатывании автоматических выключателей. Сработавший автоматический выключатель часто указывает на то, что где-то на линии от панели произошла неисправность. Обычно неисправность должна быть изолирована перед включением питания, иначе может легко возникнуть дуговая вспышка. Небольшие дуги обычно образуются в переключателях, когда контакты впервые соприкасаются, и могут стать местом для развития дуговой вспышки. Если напряжение достаточно высокое, а провода, ведущие к неисправности, достаточно велики, чтобы пропускать значительный ток, дуговая вспышка может образоваться внутри панели при включении автоматического выключателя. Как правило, виновником является либо электродвигатель с закороченными обмотками, либо закороченный силовой трансформатор, способный потреблять энергию, необходимую для поддержания опасной дуговой вспышки. Двигатели мощностью более двух лошадиных сил обычно имеют магнитные пускатели , чтобы изолировать оператора от высокоэнергетических контактов и обеспечить отключение контактора в случае срабатывания автоматического выключателя.
Автоматические выключатели часто являются основной защитой от выхода тока из-под контроля, особенно если нет вторичных предохранителей, поэтому если в выключателе возникает дуговая вспышка, то может не быть ничего, что могло бы помешать вспышке выйти из-под контроля. Как только в выключателе начинается дуговая вспышка, она может быстро перейти от одной цепи к шинам самой панели, что позволяет протекать очень высоким энергиям. Обычно необходимо соблюдать меры предосторожности при переключении автоматических выключателей, например, стоять в стороне во время переключения, чтобы не мешать телу, носить защитную одежду или выключать оборудование, цепи и панели ниже по линии перед переключением. Очень большие распределительные устройства часто способны выдерживать очень высокие энергии, и поэтому во многих местах требуется использование полного защитного оборудования перед включением. [8]
В дополнение к теплу, свету и ударным силам, дуговая вспышка также производит облако плазмы и ионизированных частиц. При вдыхании этот ионизированный газ может вызвать серьезные ожоги дыхательных путей и легких. Заряженная плазма также может притягиваться к металлическим предметам, которые носят люди поблизости, таким как серьги, пряжки ремней, ключи, украшения для тела или оправы очков, вызывая серьезные локализованные ожоги. При переключении цепей техник должен позаботиться о том, чтобы удалить все металлы с тела, задержать дыхание и закрыть глаза. Дуговая вспышка с большей вероятностью образуется в переключателе, который замыкается медленно, давая время для образования дуги между контактами, поэтому обычно более желательно «переключать» переключатели быстрым движением, быстро и надежно создавая хороший контакт. Сильноточные переключатели часто имеют систему пружин и рычагов, чтобы помочь с этим. [8]
При тестировании в цепях большой мощности под напряжением технические специалисты будут соблюдать меры предосторожности по уходу и обслуживанию испытательного оборудования и поддерживать чистоту и отсутствие мусора на участке. Технические специалисты будут использовать средства индивидуальной защиты, такие как резиновые перчатки и другие средства индивидуальной защиты, чтобы избежать возникновения дуги и защитить персонал от любой дуги, которая может возникнуть во время тестирования. [9] [10] [11]
Существует множество методов защиты персонала от опасности дуговой вспышки. Это может включать использование персоналом средств индивидуальной защиты (СИЗ) от дуговой вспышки или изменение конструкции и конфигурации электрооборудования. Лучший способ устранения опасности дуговой вспышки — обесточить электрооборудование при взаимодействии с ним, однако обесточивание электрооборудования само по себе является опасностью дуговой вспышки. В этом случае одним из новейших решений является предоставление оператору возможности стоять далеко от электрооборудования, управляя оборудованием удаленно, это можно сделать с помощью оборудования, имеющего дистанционно управляемые переключатели или с помощью удаленной стойки. [12]
В связи с возросшей в последнее время осведомленностью об опасностях дуговой вспышки появилось много компаний, предлагающих средства индивидуальной защиты (СИЗ) от дуговой вспышки, такие как костюмы, комбинезоны, каски, ботинки и перчатки.
Эффективность защитного оборудования измеряется его рейтингом дуги. Рейтинг дуги - это максимальное сопротивление падающей энергии, демонстрируемое материалом до разрыва (отверстие в материале) или необходимое для прохождения и причинения 50% вероятности ожогов второй степени. [4] Рейтинг дуги обычно выражается в кал /см 2 (или малых калориях тепловой энергии на квадратный сантиметр). Испытания для определения рейтинга дуги определены в ASTM F1506 Стандартные технические характеристики огнестойких текстильных материалов для одежды, используемой электромонтажниками, подвергающимися кратковременному воздействию электрической дуги и связанным с ней термическим опасностям .
Выбор соответствующих СИЗ, учитывая определенную задачу, которую необходимо выполнить, обычно осуществляется одним из двух возможных способов. Первый способ — обратиться к таблице классификации категорий опасности, например, к той, что приведена в NFPA 70E Ошибка: произошла ошибка . Таблица 130.7(C)(15)(a) содержит список типичных электротехнических задач по различным уровням напряжения и рекомендует категорию СИЗ, которые следует надевать. Например, при работе с распределительным устройством 600 В и выполнении снятия болтовых крышек для обнажения оголенных, находящихся под напряжением частей, таблица рекомендует систему защитной одежды категории 3. Эта система категории 3 соответствует ансамблю СИЗ, которые вместе обеспечивают защиту до 25 кал/см2 ( 105 Дж /см2 или 1,05 МДж/м2 ) . Минимальная оценка СИЗ, необходимая для любой категории, — это максимально доступная энергия для этой категории. Например, для категории 3 опасности дуговой вспышки требуются СИЗ, рассчитанные на теплоотдачу не менее 25 кал/см2 ( 1,05 МДж /м2 ) .
Второй метод выбора СИЗ заключается в выполнении расчета опасности дуговой вспышки для определения доступной энергии дуги. IEEE 1584 предоставляет руководство по выполнению этих расчетов, учитывая, что максимальный ток короткого замыкания, продолжительность короткого замыкания и другая общая информация об оборудовании известны. После расчета энергии короткого замыкания можно выбрать соответствующий набор СИЗ, который обеспечивает защиту, превышающую доступную энергию.
СИЗ обеспечивают защиту после того, как произошел инцидент с дуговой вспышкой, и должны рассматриваться как последняя линия защиты. Сокращение частоты и серьезности инцидентов должно быть первым вариантом, и этого можно достичь посредством полной оценки опасности дуговой вспышки и посредством применения таких технологий, как высокоомное заземление, которое, как было доказано, снижает частоту и серьезность инцидентов.
Три ключевых фактора определяют интенсивность дуговой вспышки на персонале. Эти факторы - величина тока короткого замыкания, доступная в системе, время до устранения дуговой вспышки и расстояние, на котором находится человек от дуги короткого замыкания. Различные варианты конструкции и конфигурации оборудования могут быть сделаны для того, чтобы повлиять на эти факторы и, в свою очередь, уменьшить опасность дуговой вспышки.
Ток короткого замыкания можно ограничить с помощью устройств ограничения тока, таких как выключатели ограничения тока, заземляющие резисторы, дугогасящие катушки или предохранители. Если ток короткого замыкания ограничен 5 амперами или менее, то многие замыкания на землю самозатухают и не распространяются на межфазные замыкания.
Время дуги можно сократить, временно установив защитные устройства вышестоящей сети на более низкие уставки во время периодов технического обслуживания или используя зонно-селективную блокировочную защиту (ZSIP). [ требуется цитата ] При зонно-селективной блокировке выключатель нижестоящей сети, который обнаруживает неисправность, связывается с выключателем вышестоящей сети, чтобы задержать его функцию мгновенного отключения. Таким образом, будет сохранена «селективность», другими словами, неисправности в цепи устраняются выключателем, ближайшим к неисправности, что минимизирует влияние на всю систему. Неисправность в ответвленной цепи будет обнаружена всеми выключателями вышестоящей сети (ближе к источнику питания). Выключатель, ближайший к неисправности нижестоящей сети, отправит сдерживающий сигнал, чтобы предотвратить мгновенное отключение выключателей вышестоящей сети. Тем не менее, наличие неисправности активирует предварительно установленные таймеры задержки отключения выключателя(ей) вышестоящей сети; это позволит выключателю вышестоящей сети прервать неисправность, если это все еще необходимо после истечения предварительно установленного времени. Система ZSIP позволяет использовать более быстрые настройки мгновенного отключения без потери селективности. Более быстрое время отключения снижает общую энергию в дуговом разряде.
Время дуги может быть значительно сокращено с помощью защиты, основанной на обнаружении вспышки дуги. Оптическое обнаружение часто сочетается с информацией о сверхтоке. [13] Защита на основе света и тока может быть установлена с помощью специальных защитных реле от вспышки дуги или с помощью обычных защитных реле, оснащенных дополнительной опцией вспышки дуги.
Одним из наиболее эффективных способов сокращения времени горения дуги является использование дугогасителя [ необходимо дополнительное объяснение ] , который погасит дугу в течение нескольких миллисекунд. Дугогаситель срабатывает за 1–4 мс и создает 3-фазное короткое замыкание в другой части системы, обычно выше по потоку при более высоких напряжениях. Это устройство содержит быстродействующий контактный штифт, который при активации внешним реле устанавливает физический контакт с шиной под напряжением, что затем создает короткое замыкание. Дугогаситель защитит человека, если он стоит перед событием вспышки дуги, и реле обнаруживают вспышку дуги, отводя вспышку дуги в другое место, хотя отвод может вызвать сбой системы в месте, куда было отведено короткое замыкание. Эти устройства должны быть заменены после операции.
Другой способ смягчения дуговой вспышки — использовать срабатывающий ограничитель тока [14] или коммутирующий ограничитель тока, который вставляет предохранитель с низким номинальным постоянным током, который расплавляется и прерывает дуговую вспышку в течение 4 мс. Преимущество этого устройства в том, что оно устраняет дуговую вспышку в источнике и не перенаправляет ее в другую часть системы. Срабатывающий ограничитель тока всегда будет «ограничителем тока», что означает, что он прервет цепь до того, как произойдет первый пиковый ток. Эти устройства управляются и считываются электронным способом и предоставляют пользователю обратную связь об их рабочем состоянии. Их также можно включать и выключать по желанию. Эти устройства должны быть заменены после операции.
Лучистая энергия, высвобождаемая электрической дугой, способна нанести необратимую травму или убить человека на расстоянии до 20 футов (6,1 м). [ требуется ссылка ] Расстояние от источника дуговой вспышки, в пределах которого незащищенный человек имеет 50%-ную вероятность получить ожог второй степени, называется «границей защиты от вспышки». При решении уравнения для границы дуговой вспышки в IEEE 1584 была выбрана падающая энергия 1,2 кал/см 2 на голую кожу . [15] Уравнения границы дуговой вспышки IEEE 1584 также могут использоваться для расчета границ дуговой вспышки с граничной энергией, отличной от 1,2 кал/см 2, такой как энергия начала ожога 2-й степени. Те, кто проводит анализ опасности вспышки, должны учитывать эту границу, а затем должны определить, какие СИЗ следует носить в пределах границы защиты от вспышки. Удаленные операторы или роботы могут использоваться для выполнения действий, которые имеют высокий риск инцидентов с дуговой вспышкой, таких как вставка выкатных автоматических выключателей на работающей электрической шине. Доступны системы дистанционного управления стеллажами , которые позволяют оператору находиться вне опасной зоны вспышки дуги.
Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) и Национальная ассоциация противопожарной защиты (NFPA) объединили свои усилия в рамках инициативы по финансированию и поддержке исследований и испытаний для улучшения понимания вспышки дуги. [16] Результаты этого совместного проекта предоставят информацию, которая будет использоваться для улучшения стандартов электробезопасности, прогнозирования опасностей, связанных с дуговыми неисправностями и сопутствующими дуговыми взрывами, а также обеспечения практических мер безопасности для сотрудников на рабочем месте.
В заметной промышленной аварии на подстанции Astoria, Queens Con Edison 27 декабря 2018 года отказало устройство потенциала конденсатора связи на 138 000 вольт , что привело к вспышке дуги, которая, в свою очередь, сожгла алюминий , осветив небо сине-зеленым зрелищем, видимым на многие мили вокруг. Событие широко освещалось в социальных сетях, а аэропорт Ла-Гуардия временно остался без электричества, но не было ни смертей, ни травм. [20] [21]
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )