低压开关设备电弧故障保护系统的功能和使用

低压开关设备电弧故障保护系统的功能和使用Rainer Ziehmer, DEHN + SOHNE GmbH + Co. KG摘要:本文根据国际社会保障协会发布的个人防护设备暴露于故障电弧热效应下的选择指南，对电弧故障引起的电气开关设备热风险进行了研究和评估。无论是低压、中压还是高压，电弧故障都是开关设备最危险的故障之一。不仅电源可以中断;此外，高温气体和有毒气体可以危及个人操作。此外，发生电弧故障的开关设备不能立即投入使用。根据电弧的强度和持续时间，只有一个或整个变电站会受到影响。也有可能，由于高温，整个变电站不可挽回地损坏，必须全部更换。因此，它不仅是更换开关设备的成本，而且尤其是电源的故障会造成重大的成本。特别是由于对低压供电安全的要求越来越高，对提高电弧故障检测水平提出了新的要求。近年来，随着开关开断时间的缩短和检测短路的新方法的出现，对大电流故障的安全性有了进一步的提高。然而，电弧的早期检测，尤其是低电流电弧故障的检测，是目前研究较少的领域。为了防止主要故障事件的发生，必须可靠地检测这些初始低电流故障事件，以避免可能对开关设备造成进一步的损坏。在这方面，必须穿戴适当的“个人防护装备”(PPE)，以保护工人免受二级烧伤。然而，该PPE的保护效果受电弧故障能量的限制。技术措施也可以实施，以额外保护工人在现场工作。电弧故障保护系统能够通过将电弧故障的持续时间限制在几毫秒以内，将电弧能量降低到可接受的水平。电弧故障的出现：一般情况下，变电站会出现两种不同类型的电弧故障:串联电弧和并联电弧。它们在起源类型和对开关设备的影响方面差别很大。A.并联电弧故障并联电弧可出现在开关设备的两相之间，相对地或相对中性。它们大多是短路的结果，因此携带在千安培范围内的高电流。例如，它们可能是由一个物体引起的，该物体将开关设备中的两个不同电位连接起来。本文讨论的并联电弧可能有其他原因，例如污染和较低的振幅，因此不能与短路电弧闪光相比。开关设备制造商维护的电弧闪蒸试验通常是通过在两相或三相之间导电一段铜线来实现的。通电后，导线蒸发形成等离子体，等离子体可以传导电弧电流。由于短路时电流非常大，可以在这两个电位之间建立等离子通道。蒸发后，热铜增强了这一效果，所以电弧很容易在电流为零后重新点燃。电弧燃烧直至断开，或者两个电弧点之间的距离过大，驱动电压无法维持电弧。弧点之间的距离会因为电弧的移动或越来越多的铜被蒸发而增大。低电流并联电弧故障不同于短路电弧，因为它们的电流远远低于短路电流的范围。正因为如此，小电流电弧在每次过零点后重新点燃的情况并不常见。为了检查任何电弧故障检测装置的性能，有必要产生实际的低电流电弧故障。因此，需要燃烧超过几个半周期的电弧。只有这样才能可靠地检测出电弧的所有特性。实验将更详细地讨论这一点。B.串联电弧故障串联电弧故障是由于电缆或母线内只有一相的接触中断而引起的。起初，这种失败并不影响其他阶段。其中一个原因可能是母线内的螺钉连接松动或电缆连接断裂，如5所示。目前，这类故障主要通过热像仪来检测。红外摄像机可以显示连接处的热点，这可能表明母线或电缆内的接触不良。在螺钉连接松动时，母线内良好的电气接触部分丢失。由于电流的横截面在这一点上减小了，由于电阻的增大，就产生了局部加热。长时间观察，这可能导致局部氧化增加，由于持续加热，正如12中提到的。最后，局部加热的螺钉连接可能开始熔化，形成间隙。然后，电流必须用电弧把这个缺口连接起来。增加加热，也会使电弧与熔融材料之间的间隙很快增大而产生电弧。电弧还可以延伸到其他相。例如，热气体会破坏绝缘材料，降低相间的绝缘性能。热弧对流也能电离相间的间隙。最后，一个串行弧可以成为一个并行弧的开始。串联电弧的电弧电流受连接负载的限制。因此，根据定义，它可能不大于开关设备的额定电流。因此，传统的熔断器和断路器无法检测到串联电弧。由于这类电弧的发展速度较慢，在被探测到之前可能会燃烧很长一段时间，因此对于可靠的电源分配是一个巨大的问题。为了检查任何电弧故障检测装置的性能，有必要产生实际的低电流电弧故障。因此，需要燃烧超过几个半周期的电弧。只有这样才能可靠地检测出电弧的所有特性。实验将更详细地讨论这一点。电弧的产生：为了研制有效的电弧故障保护装置，必须识别电弧故障的所有相关特征。对于大电流，短路类似的电弧，有广泛的数据可用。此外，电弧在更高的电压水平是非常了解。这不是在低电压和有限电流下电弧的情况。由于电压低，在正常情况下不太容易引燃电弧。要么需要非常小的距离，要么需要一种材料，可以用来点燃电弧，并连接电极之间的初始距离。该方法适用于低压开关设备的短路试验。第五节将说明为什么同样的方法不能完全应用于低压电弧故障的产生。本文分析了利用金属薄膜电阻和碳薄膜电阻点火电弧的选择。此外，还将讨论生成的电弧与实际运行中的电弧故障相比的逼真程度。本文介绍了这些保护系统的结构、工作方式和实现。指标术语:电弧故障保护系统;电气故障电弧一、法定及法律基础德国职业健康和安全法I要求雇主对其雇员的相关工作场所进行风险分析，并确定和采取适当的职业健康和安全措施。如果情况不是这样，不仅员工面临风险。故意或重大疏忽也可能导致罚款甚至监禁。除了德国职业健康与安全法，德国工业安全与健康条例2是安全和充分的工作实践的基础。此外，当暴露在电气故障电弧3的热效应下时，个人防护设备的选择应遵循ISSA准则。在电气安装工作时，必须遵守和执行EN 50II0- 1:2004标准4。本标准包括不同的工作方法，并描述了相关的过程。在实际工作中，在带电部件附近工作或带电工作变得越来越重要。根据事故统计，这些工作方法不一定会增加事故风险。与所有工作一样，有意识的行动和适当的措施，例如风险分析、组织、培训方案和选择适当的工作设备，可确保工作质量，特别是安全。除上述措施外，雇主有义务提供适当的防护设备。本文介绍了电弧故障保护系统，该系统可用于根据风险分析结果执行的工作，以保护员工在电气安装工作。二、电弧断裂的形成及其影响由于德国能源形势的好转，未来电力设施的现场施工将变得越来越重要。当你断开一个装置时，你总是考虑到电弧的可能风险吗?你是否穿戴适当的个人防护装备?有许多危险的来源。例如，带电部件之间的绝缘间隙可以随着时间的推移而减小，这是由于空气湿度和工具掉落造成的污染导致的短路，从而产生电弧。此外，在安装过程中接触或动物松动也可能导致电弧故障。德国每年约发生160起电弧故障事故，造成严重的人员伤亡。极高的温度会导致皮肤烧伤，需要综合的医疗治疗，如皮肤移植。完全恢复往往是不可能的。电弧中心的温度可高达2万摄氏度。因此，塑料和金属会融化和蒸发。吸入由此产生的有毒气体和由飞行碎片引起的压力波也是一个严重的风险。考虑到所有这些因素，在电气安装工作中，有效的保护是必不可少的，以确保您不必问自己:“还有什么可以做得更好?”三、采用技术措施进行电弧故障保护个人防护装备的选择指南使个人防护装备的选择更加容易。图一中分类的个人防护设备的代表性选择，根据变压器输出和防护设备的跳闸时间，显示了其使用的局限性。（1）图1：分类PPE的代表性选择但是，如果期望的电弧能量如此之高，以至于单靠个人防护设备已无法保证热防护怎么办?图2：电弧后NH保险丝的脱扣时间（2）图2中的示例计算表明，当变压器功率为630 kVA，上游保险丝跳闸时间为200 ms时，需要哪些能量。得到的电弧能量远高于第2类试验中318 kJ的能量。有可能限制电弧能量吗?在IEC 60364-4- 42:2010低压电气安装标准5中描述了可能的解决方案。一方面，电弧可以进入开关设备安装的耐电弧部分，并可以安全地封闭在那里。出于安全原因，这不能实现，或者只能在开放安装的工作中实现得不够。这种措施还会对安装的可用性产生负面影响，因为受影响的部件必须清洗或更换。此外，采用了完全绝缘的抗电弧故障材料的无源系统，这种材料可以防止开关设备带电部分和接地部分之间的闪络。由于所有连接和汇流排都必须集成，因此在复杂的安装情况下，这通常是困难的，并且只能通过很大的努力来实现。由式(1)可知，所期望的电弧能量大小取决于电弧电压、电弧电流和电流断开的时间。由于电弧电流受其阻抗的限制，这也会影响保护装置的断开时间。保护装置的断开时间越短，所期望的电弧能量越低。因此，最好采用快速动作熔断器或改变断路器跳闸特性的解决方案，以便在电弧带电工作期间将能量降至最低。为此目的，例如上游保险丝必须更换，这意味着要付出更高的额外努力。必须根据跳闸时间进行风险分析，并选择合适的PPE。此外，在ISSA指南和IEC 60364-4-42:20 I 0标准中都描述了电弧故障保护系统。虽然ISSA指南的重点是个人保护，但该标准主要处理提高安装可用性的系统。这些电弧故障保护系统具有相同的工作模式。当电弧被探测到后，位于两相之间的短路盒就会引起金属短路。在此过程中，由于电弧持续时间极短，限制了电弧和温升，防止了二次烧伤。同时，变压器保险丝或断路器跳闸。而金属短路则是在短路筒内引起的，不仅有热效应，而且还有毒性效果和压力是有限的。与图2相比，图3显示，如果使用电弧故障保护系统，三极电弧的能量会显著降低。在这个例子中，WLB减少了40倍，因为断开连接的时间正是由这个因素减少的。然而，即使使用电弧故障保护系统，也必须始终佩戴PPE。（3）图3：电弧故障保护系统对电弧能量的限制除了固定系统，还有一个移动电弧故障保护系统，可用于现场工作的开放式开关机架高达630千伏安。除了视觉电弧检测外，还通过传感器或光纤电缆在安装中安装电流检测器连接到它们可以在几毫秒内检测到电弧/电弧电流，从而触发短路单位。由此产生的金属短路灭弧并断开保护装置。IEC 60364-4-42:20 I 0标准描述了电弧故障保护系统，该系统根据这一原理工作，必须在至少5毫秒后熄灭电弧。ISSA指南还建议使用这种移动电弧故障保护系统，以确保个人保护。移动系统和固定系统的区别在于移动组件(图4)-控制单元有三个光传感器，电源和控制线插座-切断刀片-两个短路墨盒-连接片可在几分钟内集成在开放式开关机架上，工作完成后即可拆卸，并可用于下次安装再次使用。这将使投资成本降至最低，因为该系统只能获得一次。图4：移动部件的电弧故障保护系统光传感器支持，NH在线熔丝开关隔离器所述控制单元的固定装置牢固地安装在开关机架上，用于安装控制单元、传感器、短路墨盒、断开叶片和连接件。NH在线熔断器开关隔离器是专为这一目的设计的，额定短路电流可达25ka，也可以在正常运行期间使用，例如作为备用输出带。传感器和所有其他移动组件之后通过控制线路,固定的和相互联系的一个内部常规检测所有组件,以便最大电弧故障保护是确保在现场工作(图5),传感器被安排在这样一种方式,他们总是检测到一个故障电弧。由于该系统用于封闭房间的开式开关架，因此不包括数码相机闪光灯等外来光的误脱扣。即使保险丝在负载下被拉断，系统也不会跳闸。图5所示。开关柜安装工作(安装移动电弧故障保护系统)四、总结“最高原则”用于定义风险分析度量的优先级。在这方面，技术解决方案优先于组织措施和个人防护用品。根据德国职业健康与安全法第4条第2款，危害应从根源上消除。本文所述的电弧故障保护系统是为了将热、毒、动、辐射的影响降到最低。两年的试验表明，DEHNarc系统提供了可靠的电弧故障保护，适合日常使用。由于该系统用于封闭房间的开式开关架，因此不包括数码相机闪光灯等外来光的误脱扣。即使保险丝在负载下被拉断，系统也不会跳闸。维修时，固定部件可以安装在相关的二次变电站内，不需要拆卸，随时可以使用。DEHNarc系统(传感器和控制单元)只需要购买一次，并在现场工作期间用于所有预装好的二级变电站。该系统具有极高的电弧故障保护能力，可快速重复安装，不妨碍工作，深受安装人员的欢迎。综合熔断器开关隔离器可在变电站内不进行现场工作的情况下进行临时连接。DEHNarc系统是一种技术解决方案，可以确保在现场工作时以相对较少的工作量提供最大的保护。五、参考文献I德国职业健康与安全法(ArbSchG)第5条2德国工业安全及健康条例(贝特西契夫)(200