Как выбрать средства индивидуальной защиты. Защита от электрической дуги

Часть 8

В мире в среднем 5-6 человек каждый день попадают в ожоговые центры с сильными дуговыми ожогами. А 2-3 человека умирают от поражения электрическим током.

Помимо прямого воздействия на человека, высокая температура дуги может служить источником энергии для воспламенения материалов и как следствие, быть причиной возникновения пожара.

В данной статье мы разберем принципы расчета энергии электрической дуги о поговорим о мерах обеспечения безопасности работников в том числе за счет правильного подбора средств индивидуальной защиты.

Защитная одежда применяемая для защиты от термической составляющей при воздействии электрической дуги описывается в ГОСТ Р 12.4.234-2012 Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Одежда специальная для защиты от термических рисков электрической дуги. Общие технические требования и методы испытаний.

Термостойкая спецодежда состоит из костюма: куртки (или рубашки) и брюк (или полукомбинезона) или комбинезона.

Пиктограмма «Работа под напряжением — Одежда специальная для защиты от термических рисков электрической дуги»:

 

На всякий случай еще раз уточним. Это термостойкая спецодежда защищающая от температуры электродуги. Не для защиты от электрического тока и не для защиты от брызг металла при проведении сварочных работ.

Теперь немного теории

Электрическая дуга (electric arc): Самоподдерживающаяся электропроводность воздуха, в котором основными носителями зарядов являются свободные электроны, возникающие при первичной эмиссии.

Дуга возникает в следствии короткого замыкания (КЗ) причиной которого может быть ошибка подключения, случайный контакт с частями под напряжением в т.ч. падение инструментов, коррозия контактов, пыль или грязь на токоведущих частях.

При этом температура может достигать 5000 ^оС. (Для сравнения температура поверхности Солнца 5726 ^оС).

Энергия (или мощность дуги) зависит от следующих факторов:

• Силы тока короткого замыкания
• Напряжения установки
• Расстояния между электродами
• Расстояния от дуги
• Времени срабатывания защитного устройства

Падающая энергия Еп (incident energy): Тепловая энергия, получаемая единицей площади, как прямой результат воздействия электрической дуги.

Пороговая энергия вскрытия

 Е_пв50 (break open threshold energy): Значение падающей энергии на ткань или пакет материалов, при котором существует 50% вероятности, что количество тепла, переданного через образец, достаточно для его вскрытия.

Значение электродугового термического воздействия ЗЭТВ (arc thermal performance value, ATPV): Количество падающей энергии, прошедшее сквозь материал или пакет материалов и с 50-процентной вероятностью достаточной для возникновения ожоговой травмы второй степени.

При электродуговых испытаниях энергии измеряются в калориях на квадратный сантиметр (кал/см2), 1 кал/см2=41,868 кВт·с/м2 или 1 кДж/м2=0,023885 кал/см2.

Уровень защиты (protection level): Величина, характеризующая защитные свойства материала, пакета материалов или изготовленной из них одежды, показывающая эффективность защиты при термическом воздействии электрической дуги и определяемая значением ЗЭТВ или Е _пв50 (что раньше наступит), в калориях на квадратный сантиметр (кал/см2).

Спецодежда

В зависимости от значения падающей энергии, выделяемой электрической дугой, термостойкую спецодежду подразделяют по ЗЭТВ или Е_пв50 в кал/см2 на следующие уровни защиты:

• 1-й уровень — не менее 5;
• 2-й уровень — не менее 10;
• 3-й уровень — не менее 20;
• 4-й уровень — не менее 30;
• 5-й уровень — не менее 40;
• 6-й уровень — не менее 60;
• 7-й уровень — не менее 80;
• 8-й уровень — 100±5.

Уровень защиты производитель указывает в маркировке на каждом предмете термостойкой спецодежды.

Термостойкая одежда для защиты от теплового воздействия электрической дуги по необходимости должна совмещаться с другими видами защиты от вредных производственных факторов. Информация о возможности совместного использования должна быть отражена в руководстве по эксплуатации.
Если в материале, предназначенном для изготовления термостойкой спецодежды, используют токопроводящие нити, то производитель указывает в инструкции по эксплуатации информацию о правильности применения такой одежды.

Как рассчитать энергию дуги

В соответствии с стандартом NFPA 70E 2018, разработанным американской Национальной ассоциацией противопожарной защиты (National Fire Protection Association, NFPA), граница вспышки дуги определяется как расстояние, на котором человек может получить ожог второй степени. (Ожоги второй степени обратимы и их можно вылечить).

«Границей вспышки дуги должно быть расстояние, на котором энергия падающего излучения равна 1,2 кал / см2 (5 Дж / см2)» (NFPA 70E 2018)

Таким образом при оценке риска опасность можно считать существенной если в результате возникновения дуги на человека может воздействовать энергия более 1,2 калорий на квадратный сантиметр.

В общем виде безопасными считаются сети с напряжением менее 50 В. Но нужно помнить, что они тоже могут давать искрение.

Вторым важным параметром для расчета энергии дуги является ток короткого замыкания (Iкз). В теории номинальные значения тока короткого замыкания должны быть указаны на оборудовании. Силу тока короткого замыкания можно получить у энергоснабжающей организации (по высокой стороне) или из проектной документации на электроустановку.

На практике, при реальной процедуре оценке рисков, быстро получить эти данные от энергослужбы предприятия очень затруднительно.

Одним из возможных способов решения этой проблемы является использование специальных приборов. Существует достаточно большая линейка измерителей тока короткого замыкания для бытовых и промышленных сетей. Проводить измерения должен сотрудник соответствующей квалификации.

Методологию для расчета потенциальных опасностей вспышки дуги предоставляет стандарт IEEE 1584-2018 «Руководство IEEE для выполнения расчетов опасности вспышки дуги».

В их исследовании был проведен ряд испытаний. В качестве примера, в таблице показаны данные, полученные для системы с напряжением 25 кВ:

Ток КЗ, кА	Разрыв дуги, мм	Падающая энергия, кал / см2
5	101,6	8,7
10	101,6	20,8
15	101,6	35,6
20	101,6	52,8

На основе тестовых данных комитет IEEE 1584 разработал эмпирические уравнения для расчета энергии вспышки дуги для систем переменного тока.

Однако надо понимать, что разные инженеры могут оценивать одну и ту же систему и получить совершенно разные результаты поскольку дуга является случайным динамическим процессом. К тому же дуги, инициированные на тестовых установках, вряд ли будут давать данные идентичные конкретному случаю.

Формулы стандарта IEEE 1584, получившиеся на основе измерений достаточно сложны. А поскольку у большинства специалистов по охране труда, формула с десятичными логарифмами инстинктивно вызывает отторжение, мы даже не будем здесь их приводить.

Как мы уже говорили, расчет энергии дуги зависит от многих составляющих, чья вариативность вносит существенную погрешность в измерения. Это и влажность воздуха, и наличие переходных процессов, и нелинейность тока КЗ во времени, и взаимное влияние элементов цепи и многое другое. Так что какой бы ни была точной формула, реальность легко внесет погрешность в 50, а то и более процентов.

По этой причине мы предлагаем при оценке риска для целей выбора уровня защиты СИЗ, пользоваться еще более упрощенными формулами:

Упрощённая эмпирическая формула для цепей разного напряжения:

Напряжение	Формула
До 480 В	Е =3 * I кз * t
От 480 В до 1000 В	Е =4 * I кз * t
Свыше 1000 В	Е =5 * I кз * t

Где

Е — Мощность дуги (кал/см2) 

I кз — Сила тока короткого замыкания (кА)

t — Время срабатывания защиты (сек)

Время срабатывания защиты должно быть указано в технической документации, но в случае отсутствия данных можно принимать его 0,5 сек.

Меры обеспечения безопасности

При выборе СИЗ надо помнить, что даже правильно подобранные средства защиты от термических рисков электрической дуги не гарантируют безопасность работника. Кроме того, надо понимать, что СИЗ дают последнюю надежду защитить человека от травмы, но не являются способом предотвращения инцидента.

По этой причине безопасность работников обеспечивается в первую очередь решением следующих задач:

Аварийное отключение

Время дуги является одним из ключевых определяющих факторов для энергии дуги. Падающая энергия дуги изменяется линейно со временем (источник: IEEE 1584). Если продолжительность дугового разряда удваивается, то энергия удваивается; если продолжительность уменьшается вдвое, энергия также уменьшается вдвое. 

Снятие напряжения

Самый простой и надежный способ избежать дуговой вспышки — никогда не работать на оборудовании под напряжением. Но это означает, что должен быть способ с полной уверенностью определить, когда питание отключено. (Проводник или часть цепи отсоединены от частей, находящихся под напряжением, применены блокировки, цепи проверены на предмет отсутствия напряжения и при необходимости заземлены, вывешены плакаты).

Lockout/Tagout

Исключение риска ошибочной подачи энергии реализуется с помощью внедрения систем локаут/тогаут.

Маркировка

Информируйте работников о присутствующих рисках с помощью знаков и информационных табличек. Ограничивайте доступ в опасные зоны.

Окна инфракрасного просмотра.  Наличие инфракрасных (ИК) окон, постоянно установленных на электрическом оборудовании, позволяет выполнять ИК-сканирование, не подвергая рабочего воздействию опасной энергии. ИК-окна изготовляются из стеклоподобного материала, прозрачного для инфракрасных лучей и позволяющего регистрировать горячие точки с помощью термографической камеры. 

Мониторинг температуры в режиме онлайн. Мониторинг температуры в режиме онлайн с помощью беспроводных датчиков обеспечивает постоянный контроль критических точек подключения, где традиционная термография не может использоваться.

Профессиональная подготовка. Самый сложно прогнозируемый риск возникновения электрической дуги связан с ошибками персонала. Дуга может возникнуть в следствии ошибок при подключении, забытым инструментом, небрежности в работе и проч. Доверяйте работу с электричеством только квалифицированным сотрудникам. Выделяйте время на повышение их квалификации.

ООО «СПЕЦПОШИВ» РАСЧЕТ ОЦЕНКИ РИСКА

Заполните, пожалуйста, форму запроса оценки риска. ( * — поля, обязательные для заполнения)   Первое действие. Внесите в таблицу параметры наиболее распространенных у Вас электроустановок (количество вариантов условий работы не ограничено).   Параметры Варианты условий работы I II III Сила тока короткого замыкания (кА) Данный параметр содержится в нормативной технической документации,выданной на конкретную электрическую установку Напряжение (кВ) Данный параметр содержится в нормативной технической документации, выданной на конкретную электрическую установку. Фактически – это рабочее напряжение. Время воздействия дуги (сек.) Этот показатель берется из документации к конкретной электрической установке и равен времени срабатывания предохранителей при возникновении короткого замыкания. Обычно данный показатель не превышает 0,5сек Расстояние до источника дуги (м) Указывается расстояние, на котором находится человек по отношению к виртуальной прямой, проведенной между электродами. Как правило, составляет от 0,3м до 1,5м. По нормам безопасности на установках 1000В и выше расстояние должно составлять не менее 0,6 м. Расстояние между электродами (см) Измеряется непосредственно на месте работы электротехнического персонала. Чем больше расстояние между токоведущими частями электроустановки, тем больше энергия дуги. При разных расстояниях указывается наибольшее. Вид распредустройства (ОРУ или ЗРУ) Определяется в зависимости от того, находится электроустановка на открытом пространстве (ОРУ) или в помещении (ЗРУ)   Второе действие. Заполните Анкету делового партнера.   Полное название организации  *  Телефон (не забудьте указать код города!)  *  Ваше ФИО  *  Ваш контактный телефон  *  Ваш e-mail  Ваша должность  Почтовый адрес организации  Третье действие. Нажмите клавишу «Отправить запрос». Расчет предполагаемой энергии электрической дуги проводится по специальной методике и предоставляется заказчику бесплатно с рекомендациями о выборе типа защитного комплекта. Полученная в результате расчета энергия дуги позволит нашим менеджерам подобрать для Вас оптимальную комплектацию защитной одежды, изготовленной из термостойких материалов. В случае возникновения электрической дуги, не превышающей расчетную, рекомендованный комплект обеспечит пользователю защиту от ожога 2-3 степени.

Каталог «Восток-Сервис» 2015

WWW.VOSTOK.RU

231

ПОИСК И ВНЕДРЕНИЕ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ПРОИЗВОДСТВО СПЕЦОДЕЖДЫ —

ВИЗИТНАЯ КАРТОЧКА ГК «ВОСТОК-СЕРВИС»

Запрашиваемые параметры

Расшифровка

1. Сила тока короткого замыкания (кА)

Данный параметр содержится в нормативной технической документации,

выданной на конкретную электрическую установку.

2. Напряжение (кВ)

Данный параметр содержится в технической документации, выданной

на конкретную электрическую установку. Фактически — это рабочее

напряжение.

3. Время воздействия дуги (с)

Этот показатель равен времени срабатывания предохранителей

при возникновении короткого замыкания. Обычно данный показатель

не превышает 0,5 с.

4. Расстояние до источника дуги (м)

Указывается расстояние, на котором находится человек по отношению

к виртуальной прямой, проведенной между электродами. Как правило,

составляет от 0,3 м до 1,5 м. По нормам безопасности на установках 1000 В

и выше расстояние должно составлять не менее 0,6 м.

5. Расстояние между электродами (см)

Измеряется непосредственно на месте работы электротехнического

персонала.

6. Вид распредустройства

ОРУ, ЗРУ. При указании других видов распредустройств: РУ, КРУ, ВЛ расчет

автоматически производится по более жестким нормам ЗРУ.

ПРОГРАММА ОЦЕНКИ РИСКОВ

Проведение (расчет) оценки рисков позволяет сделать

предварительный анализ количества энергии, которая будет

воздействовать на электротехнический персонал в случае

возникновения электрической дуги в условиях конкретной

электроустановки. Данный расчет позволяет с большой

долей вероятности определить уровень защиты костюма,

использование которого позволит избежать возникновения

ожогов второй степени на теле пользователя. Для расчета

необходимо указать весь спектр параметров для каждой

конкретной электроустановки либо для нескольких установок

с абсолютно идентичными характеристиками. Если есть

установки с разными показателями, то необходимо по каждой

установке заполнить отдельную таблицу в целях учета всех

возможных ситуаций возникновения электрической дуги.

Запрашиваемые параметры

Варианты параметров

1

2

3

4

5

6

1. Сила тока короткого замыкания (кА)

2. Напряжение (кВ)

3. Время воздействия дуги (с)

4. Расстояние до источника дуги (м)

5. Расстояние между электродами (см)

6. Вид распредустройства (ОРУ, ЗРУ)

Для проведения расчета необходимо направить заполненную таблицу с указанием наименования предприятия,

телефоном и адресом электронной почты контактного лица на электронный адрес:

[email protected]

ИНСТРУКЦИЯ

по заполнению таблицы для расчета необходимого уровня защитных свойств костюма

от воздействия электрической дуги для конкретной электроустановки

СПРАВОЧНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

5.5. Энергия дуги

Количество энергии, выделяемой в процессе гашения дуги, определяется током цепи i, напряжением источника u и дуги u_д , сопротивлением дуги r_д , временем горения дуги t_д и постоянным дугогасительного устройства.

От энергии дуги зависит характер процесса

гашения дуги.

r

=

uд

;

P

= u

i = r i2 .

(5.5)

i

д

д

д

д

Имеем уравнение (5.1)

u = u

+ iR + L di .

(5.6)

д

dt

Умножим обе части уравнения на idt и проинтегрируем в пределах от 0 до t и соответственно от i до 0.

t t t 0

_∫uidt = _∫ u _д idt + _∫ i ² Rdt − L _∫idi .

0 0 0 i

Знак «−», так как меняем пределы интегрирования. Энергия дуги

t

A_д = _∫u _d idt .

0

Выделим из уравнения (5.5)				Ad получим
Aд =	Li2		t
		+	∫ (u −iR)idt − при постоянном токе.
	2		0

(5.7)

(5.8)

(5.9)

189

Из формулы (5.9) следует, что в дуге расходуется вся электромагнитная

	Li 2
энергия запасенная цепью в начальный момент отключения			и энергия,
	2

подаваемая от источника питания за вычетом потерь цепи ( i ²R ). Отсюда

следует ранее уже сделанный вывод, что чем больше (L), тем больше запас энергии, и тем труднее осуществляется гашение дуги.

Энергия дуги переменного тока определяется исходя из того, что гашение

дуги осуществляется при прохождении тока через ноль i = 0, т. е. электромаг-

нитная энергия в данный момент отсутствует.

t	t
Aд = ∫ u д idt = ∫ (u −iR)idt .			(5.10)
0	0
	t
	Aд = ∫Pдdt .	(5.11)
	0

Необходимо стремиться к уменьшению A_d путем активного воздействия на дугу гасящей средой. При этом возрастают процессы деионизации, и

длительность горения дуги t_д уменьшается.

Энергия дуги идет на нагрев контактов, подводящих проводов, нагрев и испарение гасящей среды, разложение жидкой или твердой гасящей среды, нагревание и расширение газов, разложение молекул и т. д.

5.6. Способы гашения электрической дуги постоянного тока

Гашение электрической дуги является одной из актуальных проблем

современного электроаппаратостроения. Надежность работы выключающих аппаратов, равно как их конструктивные формы и области применения, определяются способом гашения дуги.

Дугогасительные устройства применяются для гашения электрической

дуги между контактами электрических аппаратов. Гашение дуги может быть

достигнуто либо увеличением скорости деионизации дугового промежутка,

либо уменьшением скорости восстановления напряжения, либо совместным использованием обоих этих средств.

Исходя из уравнения u_д = u_э + Е_дl_д > u −iR , это можно осуществить

следующими способами.

1. Удлинением дуги (l).

Этот способ используется при малых токах и малоэффективен при токах больше 2 А.

190

Увеличение длины дуги осуществляется за счет раствора контактов или

за счет конфигурации дугогасительных рогов.

2. Увеличением напряженности электрического поля ( Е_д ).

Продольный и поперечный обдув дуги сжатым воздухом или элегазом, а также охлаждением дуги в трансформаторном масле сопровождается

интенсивным тепломассообменом. Отбор тепловой энергии от дуги приводит к

увеличению Е_д . Такой способ используется в высоковольтных аппаратах

(АВН).

Существует обратный способ. Дуга движется в воздухе под действием собственного и магнитного дутья. Этот способ практикуется как в АВН, так и в АНН (низковольтных). Магнитное дутье является электродинамической силой, возникающей при взаимодействии поперечного магнитного поля с током,

протекающим через ствол дуги.

3. Увеличение приэлектродного напряжения (u_э ).

В дугогасительной камере устанавливается дугогасительная (деионная)

решетка. Металлические пластины решетки разделяют дугу на ряд коротких дуг, которые образуют (n + 1) опорных пятен, где n – число пластин. Напряжение u_э возрастает до величины (n + 1) u_э . Гашение дуги становится

интенсивным. Такой способ применим как в АВН, так и в АНН.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Какие характерные области различают в дуговом разряде? Какие процессы ионизации и деионизации имеют место в каждой из этих областей?

2. Опишите основные стадии развития электрической дуги при раз-мыкании контактов электрического аппарата.

3. Что представляет собой вольт-амперная характеристика дуги? В чем

различие между статической и динамической вольт-амперными харак-

теристиками?

4. В чем состоит условие погасания дуги постоянного тока? Почему

погасание дуги сопровождается перенапряжением?

5. В чем заключаются особенности горения и гашения дуги переменного

тока? Какие явления имеют место при прохождении тока через нуль?

6. Сформулируйте условие погасания дуги переменного тока.

7. Как влияют на величину энергии, выделяющейся в дугогасительном устройстве аппарата, параметры отключаемой цепи?

191

8. Перечислите способы гашения дуги путем воздействия на её ствол.

Какие способы гашения дуги оказывают воздействие на процессы, происходящие у электродов?

Практическая работа «Расчет параметров гашения дуги в ЭА»

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА

«Расчет параметров гашения дуги в электрических аппаратах»

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: освоить методику определения критической длины дуги и возможного напряжения в цепи электрического аппарата, освоить методику расчета параметров дугогасительных элементов электрических аппаратов.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Электрическая дуга является одним из видов газового разряда (явление прохождения тока через газ).

Дуга (дуговой разряд) возникает при размыкании (замыкании) электрических цепей с помощью контактов электрических аппаратов (выключателей, автоматов, контакторов, пускателей, рубильников, реле), если величины токов и напряжений превосходят некоторые критические значения. Эти значения зависят от материала контактов, параметров цепи, свойств среды и т.д. Дуговой разряд имеет место при относительно больших токах (для металлов – примерно 0,5 А) и при напряжении в цепи не менее 15 В. При меньших значениях тока и напряжения размыкание контактов сопровождается образованием искр.

Дуга приводит к значительному износу аппарата, но, с другой стороны, играет положительную роль. При отключении постоянного тока значительная часть электромагнитной энергии, запасенной в цепи, преобразуется в тепловую энергию дуги, которая отводится в окружающую среду. Это ведет к снижению перенапряжений, опасных для изоляции оборудования. При переменном токе процесс гашения дуги проходит вблизи нулевой паузы тока, когда электромагнитная энергия цепи близка к нулю. В результате этого вероятность появления опасных перенапряжений резко уменьшается.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) дуги устанавливают связь между значением тока и падением напряжения между электродами при неизменной длине дуги и неизменных условиях ее горения. Они позволяют представить дугу при гашении как нелинейное изменяющееся во времени сопротивление, включенное в размыкаемую цепь. ВАХ, снятая при медленном изменении тока, называется статической. Статическая ВАХ зависит от расстояния между электродами(контактами), материала электродов, параметров среды, в которой горит дуга, и условий охлаждения. С ростом тока увеличивается температура дуги, усиливается термическая ионизация воздушного промежутка, резко падает электрическое сопротивление дуги и напряжение дуги. Каждому значению тока соответствует определенное значение сопротивления дуги или напряжение на ней.

Общее условие гашения электрической дуги может быть сформулировано следующим образом: электрическая дуга между контактами аппарата погаснет и межконтактный промежуток приобретет свойства диэлектрика, если в каждый момент времени электрическая прочность промежутка будет выше напряжения на нем. Если же в какой-либо момент времени напряжение на межконтактном промежутке станет выше прочности этого промежутка, то процесс гашения дуги прекратится. Процесс гашения электрической дуги в цепях с источником постоянного напряжения можно рассматривать как нарушение устойчивости в системе, в результате которого ток снижается до нуля. Гашение электрической дуги обеспечивается увеличением ее электрического сопротивления, снижением тока до критических значений и рассеянием остаточного газоразрядного канала.

Для гашения дуги постоянного тока стремятся повысить напряжение на дуге (и ее сопротивление) или путем ее растяжения, или путем повышения напряженности электрического поля в дуговом столбе, а чаще всего – одновременно тем и другим путем. Также можно добиваться увеличения суммы падений напряжений у электродов (UA+UK). Последнее достигается увеличением количества металлических электродов, разбивающих дугу на ряд коротких дуг. Увеличение напряженности в столбе дуги достигается путем эффективного охлаждения дуги и подъема давления среды, в которой она горит. Охлаждение дуги можно создать за счет перемещения дуги в воздухе или газе, за счет их перемещения относительно дуги либо размещения дуги в узкой щели, стенки которой имеют высокую теплопроводность и дугостойкость.

Простейший способ гашения дуги – механическое растяжение столба дуги. Широко применяются дугогасительные решетки (рис. 16, б), набранные из стальных пластин П, на которые выдувается электрическая дуга. Пластины, разбившие столб дуги на ряд коротких дуг 1-6, являются своеобразными радиаторами, интенсивно их охлаждающими. Весьма часто в ДГУ постоянного тока применяют магнитное дутье (рисунок 16, в), т.е. создают в зоне горения дуги поперечное магнитное поле, которое увеличивает скорость перемещения (и растяжения) дуги и способствует вхождению столба дуги в узкие щели между изоляционными стенками (рисунок 16, г). Магнитное поле может быть создано обмотками, обтекаемыми отключаемым током (последовательное магнитное дутье), параллельными обмотками или постоянными магнитами. Описанные ДГУ применяются в аппаратах низкого напряжения. В аппаратах высокого напряжения используют более интенсивные способы воздействия на столб дуги.

Рисунок 16 – ДГУ низкого напряжения

При гашении дуги в трансформаторном масле (рисунок 17, а) дуга (Д) разлагает масло (М) и образуется газопаровой пузырь (ГП), обладающий высокой теплопроводностью. Возникающее бурное перемешивание смеси из масла, его паров и газов обусловливает гашение дуги.

Рисунок 17 – ДГУ высокого напряжения

Поток сжатого воздуха (рисунок 17, б), воздействующий на дугу, интенсивно ее охлаждает и растягивает столб, особенно если на пути находятся изолирующие перегородки.

Для гашения дуги можно использовать эффект выделения газов (рисунок 17, в) из некоторых материалов. Дуга, соприкасаясь с фибровой трубкой (ФТ), дает поток газов, который охлаждает и гасит дугу.

В герметизированных ДГУ (рисунок 17, г) дугогасящей средой является элегаз или вакуум. Хорошие дугогасящие свойства элегаза определяются его высокой теплоотводящей способностью и спецификой химических реакций в условиях гашения дуги. Резкое снижение концентрации газовых частиц в вакууме снижает возможность возникновения носителей тока (электронов и ионов). В результате пробивные напряжения промежутков в вакууме повышаются в 4-5 раз в сравнении с воздухом при атмосферном давлении. При прохождении переменного тока через нуль возможность для переноса тока исчезает и дуга гасится. Способ гашения электрической дуги, связанный с интенсивным охлаждением столба дуги в потоках сжатого газа, широко применяется в ДГУ воздушного или элегазового дутья выключателей переменного тока высокого и сверхвысокого напряжения.

Полное исключение дуги достигается в бесконтактных аппаратах, широкое распространение среди которых нашли полупроводниковые аппараты.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Запишите кратко теоретические сведения.

2. Определите критическую длину дуги постоянного тока и критический ток дуги для цепи с общим сопротивлением R при напряжении источника U. Выражение вольт-амперной характеристики имеет вид Uд = Ci^—al.

Критическая длина дуги определяется по формуле .

Критический ток определяется по формуле .

Таблица 16.1.

Параметр

Варианты

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

U, B

400

401

402

403

404

405

406

407

408

409

R, Ом

1,2

1,25

102

103

104

105

106

107

108

109

C

80

80

82

82

80

80

84

84

80

80

a

0,5

0,5

0,6

0,6

0,5

0,5

0,4

0,4

0,6

0,6

3. Определите возможное напряжение в цепи постоянного тока, если происходит её размыкание без дуги, при условии, что к зажимам индуктивности L подключена ёмкость C мкФ. Активным сопротивлением цепи пренебречь, ожидаемое напряжение может быть определено из условия, что вся электромагнитная энергия переходит в электростатическую: LI ² / 2 = CU² / 2.

Таблица 16.2.

Параметры

Варианты

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

L, Гн

1,5

1,6

1,7

1,1

1,2

1,3

1,4

1,7

1,5

1,6

С, мкФ

0,1

0,2

0,3

0,3

0,4

0,5

0,5

0,6

0,4

0,8

I, A

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

4. Определите число стальных пластин m в дугогасительной решетке, учитывая, что прочность должна нарастать во времени и увеличиться в определенное количество раз по сравнению с начальной величиной через 100 мкс. Действующее значение напряжения U. Коэффициент превышения амплитуды K. Начальное расчетное пробивное напряжение единичного промежутка U_пр1. Число пластин в дугогасительной решетке рассчитывается по формуле Амплитуда восстанавливающегося напряжения определяется по формуле

Таблица 16.3.

Параметры

Варианты

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

U, B

600

600

360

680

220

600

600

360

680

220

К

1,4

1,4

1,6

1,4

1,6

1,7

1,6

1,6

1,8

1,5

Прочночть дугогасительной решетки на конец промежутка должно увеличиться в:

2 раза

3 раза

1,5 раза

4 раза

2 раза

3 раза

1,5 раза

4 раза

2 раза

3 раза

5. Определите время угасания дуги t_д постоянного тока с индуктивностью цепи L и перенапряжение Δ U, которое остается величиной постоянной, напряжение источника U, сопротивление цепи R. Время угасания дуги прямо пропорционально произведению индуктивности и установившегося тока цепи и обратно пропорционально перенапряжению.

Таблица 16.4.

Параметр

Варианты

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

U, B

400

401

402

403

404

405

406

407

408

409

R, Ом

2

2,2

2,4

3

4

2,5

2,6

2,7

2,8

2,9

ΔU, B

30

31

32

32

30

30

34

34

30

30

L, Гн (*10^-3)

0,1

0,11

0,12

0,13

0,14

0,15

0,14

0,14

0,16

0,16

6. Определите энергию, поглощенную дугой постоянного тока A_д при её гашении, если напряжение источника U, сопротивление R, индуктивность L, время угасания дуги t_д, спад тока происходит по прямой (A_д = UI t_д/6+LI²/2).

Таблица 16.4.

Параметр

Варианты

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

U, B

200

201

202

203

204

205

206

207

208

209

R, Ом

1

2

3

4

4

5

6

7

8

9

t_д, c

0,10

0,20

0,32

0,32

0,30

0,30

0,34

0,34

0,30

0,30

L, Гн (*10^-3)

0,1

0,11

0,12

0,13

0,14

0,15

0,14

0,14

0,16

0,16

7. Сформулируйте и запишите вывод о проделанной работе.

8. Выполните защиту практической работы, ответив на контрольные вопросы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Что представляет собой электрическая дуга? Когда она возникает?

2. К чему приводит появление электрической дуги в электроаппаратах?

3. Укажите общее условие гашения электрической дуги.

4. Чем отличаются условия гашения дуги при постоянном и переменном токах?

5. Перечислите основные способы гашения дуги в аппаратах низкого и высокого напряжения? Дайте им характеристику (устно)

энергия дуги — это… Что такое энергия дуги?

энергия дуги — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN arc energy …   Справочник технического переводчика

энергия — 1 энергия: Продукция, являющаяся средством труда для выполнения работы, оказания услуги или предметом труда для выработки энергии другого вида. Источник: ГОСТ Р 53905 2010: Энергосбережение. Термины и определения оригинал документа 2.4 энергия …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

ГОСТ Р 12.4.234-2007: Система стандартов безопасности труда. Одежда специальная для защиты от термических рисков электрической дуги. Общие технические требования и методы испытаний — Терминология ГОСТ Р 12.4.234 2007: Система стандартов безопасности труда. Одежда специальная для защиты от термических рисков электрической дуги. Общие технические требования и методы испытаний оригинал документа: 3.1 асимметричный ток дуги… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

падающая энергия Е_п — 3.16 падающая энергия Еп (incident energy, Еi): Тепловая энергия, получаемая на единицу площади, как прямой результат воздействия электрической дуги, и определяемая по среднему значению выходных сигналов в виде повышения температуры на двух… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

действие электрической дуги, возникающей внутри НКУ распределения и управления — [Интент] Параллельные тексты EN RU Effects of the electric arc inside switchgear and controlgear assemblies In the proximity of the main boards, i.e. in the proximity of big electrical machines, such as transformers or generators, the short… …   Справочник технического переводчика

воздействие электрической дуги на человека — [Интент] Параллельные тексты EN RU Effects of the electrical arc on human beings From the above, it is evident that the electrical arc represents a hazard source for people and goods. The hazards to which a person is exposed due to the release of …   Справочник технического переводчика

явление электрической дуги — [Интент] Параллельные тексты EN RU Electric arc phenomenon The electric arc is a phenomenon which takes place as a consequence of a discharge which occurs when the voltage between two points exceeds the insulating strength limit of the interposed …   Справочник технического переводчика

пороговая энергия вскрытия Е_п.в — 3.17 пороговая энергия вскрытия Еп.в (brea open threshold energy, ЕВТ): Высшее значение падающей энергии, воздействующей на ткань или пакет материалов ниже кривой Столл, при котором не происходит их вскрытия, выраженная в киловатт секундах на… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ — один из самых важных видов энергии. Электроэнергия в своей конечной форме может передаваться на большие расстояния потребителю. См. также ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ. ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА Производство и распределение электроэнергии. На районной (т.е.… …   Энциклопедия Кольера

Воздушный автоматический выключатель — Содержание 1 ОПРЕДЕЛЕНИЯ 1.1 Ключевые определения 1.2 Требова …   Википедия

6.Электрическая дуга – источник тепловой энергии тема № 4

Современные дуговые электропечные установки работают с источниками как постоянного, так и переменного токов. Род тока во многом определяет особенности дуги, и условия горения дуги переменного тока несколько отличаются от условий горения дуги постоянного тока.

Внешний вид дуги постоянного тока приведен на фотоснимке, изображенном на рис. 3, где рядом схематично показано строение дуги.

Рис. 3. Электрическая дуга в воздухе:

а — фотоснимок; б — схема;

1 — катодное пятно; 2 — столб дуги; 3 — анодное пятно; 4 — ореол дуги

Преобразование электрической энергии в тепловую в ДСП осуществляется в основном (до 90%) в электрических дугах, горящих между графитированными электродами и металлом.

Мощность единичной дуги современной печи емкостью 0,5-200 т составляет 150-35000 кВт, а протекающие в ней токи достигают 1000-100000А.

Дуговой разряд – один из видов электрического разряда. Необходимым условием возникновения и поддержания электрической дуги между электродами является эмиссия электронов из катода. В возникающем столбе дуги, представляющем собой смесь ионизированных газов и паров материала электродов и металла, перенос тока осуществляется движением электронов к аноду и положительных ионов к катоду.

Температура анода выше температуры катода, и составляет при горении в воздухе:

— для угольного анода 4200К;

— для стального — 2600К.

Нагретые электроды являются дополнительным источником излучения тепла в окружающее электроды рабочее пространство печи.

Дуговые сталеплавильные печи работают на переменном токе промышленной частоты, поэтому в течение каждого периода происходит смена полярности и поверхность металла и торца электрода попеременно становится то катодом, то анодом. В этом случае в дуговом промежутке при переходе напряжения через нулевую точку газ охлаждается, деионизируется и его проводимость уменьшается.

В зависимости от условий охлаждения газа в разрядном промежутке и характера изменения подводимого от источника питания напряжения дуга после смены полярности может возникнуть сразу, спустя некоторое время или вообще погаснуть.

Для дуг сталеплавильных печей, горящих на металл, характерна высокая мощность, они хорошо теплоизолированы, поэтому дуга горит непрерывно, ток плавно и без перерывов переходит через нулевое значение. Аналогичные характеристики могут иметь и менее мощные дуги, если в их цепи имеется значительное активное сопротивление.

В дуговых электропечах независимо от назначения и конструкции сущность тепловой работы во всех случаях основана на излучении основного количества тепла в направлении обрабатываемых материалов и футеровки стен и свода печи.

Если пренебречь выдуванием дуги из-под электрода в сторону стен, дугу можно представить в виде цилиндра, имеющего объем:

V_д=πd_эl_д/4,

где d_э – диаметр электрода, м;

l_д – длина дуги, м.

В современных печах d_э не превышает 0,71 м, а l_д = 0,1…0,15 м, тогда V_д ≤ 0,06 м³. Поэтому дугу можно принимать за точечный источник излучения и плотность теплового потока на поверхность (кладки или ванны) можно рассчитывать по формуле Кеплера:

q=К_эР_дcosβ/4πx²;

где К_э – коэффициент, учитывающий излучение дуги в различных направлениях с учетом экранирования ее торцом электрода и шихтой;

Р_д – мощность дуги, кВт;

β – угол между направлением луча и нормалью к облучаемой поверхности, град;

х – расстояние от дуги до центра облучаемой площадки, м.

Для печей небольшой мощности рекомендованы К_э = 1,03…1,41 при d_э/l_д = 1,65…1,74 и К_э = 0,69…0,89 при d_э/l_д = 3,64…3,71.

Столб электрической дуги, являясь точечным источником диффузионного излучения, расположен в рабочем пространстве печи.

Рабочее пространство ДСП можно представить условно состоящим из ванны и свободного пространства, ограниченного поверхностями расплава и футеровки стен и свода.

Тепло от электрических дуг передается шихте и футеровке всеми тремя элементарными видами: излучением, конвекцией и теплопроводностью. Кроме этого в рабочее пространство печи тепло выделяется также от электродов при прохождении тока по ним и от протекания химических реакций в ванне. Таким образом дуга, расплав и футеровка находятся в сложном процессе теплообмена, меняющемся во времени и зависящем от геометрических и физических параметров взаимодействующих тел.

В электрической дуге 10-15% мощности излучается торцом электрода, и 85-90% столбом дуги. Причем дуга излучает тепло на «горячую зону» — пятно дуги на поверхности расплава, находящееся под торцом электрода, а также излучает тепло по всей поверхности ванны и на поверхность футеровки стен и свода.

По характеру теплообмена между дугами и поверхностями, воспринимающими тепло, всю плавку можно разделить на три периода.

I. Начало расплавления. В этот период при размыкании контакта между электродом и шихтой загорается дуга, металл скрапа начинает подплавляться, стекая вниз на подину. В шихте образуются колодцы, в которые опускаются электроды. Дуги экранированые шихтой, горят неустойчиво из-за закорачивания их обрушающимися кусками шихты, или обрыва тока из-за провала кусков в колодцах. В этот период все тепло, излучаемое дугами, воспринимается шихтой.

II. Расплавление. В этот период заглубленные дуги перегревают металл, колодцы расширяются, уровень жидкого металла повышается, что требует подъема электродов над металлом и обнажения дуг. Дуги начинают излучать тепло не только на поверхность ванны, но и на кладку, особенно в «горячем поясе» h_г=(0,25…0,4)d₀ (d₀ – диаметр ванны на уровне откосов). Кладка начинает перегреваться со скоростью 3000-4000, иногда до 10000^оС/ч. При этом отдельные участки кладки получают тепла больше, чем теряют теплопроводностью, и кладка активно участвует в теплообмене «дуга-кладка-ванна». Но с другой стороны температура огнеупоров может превысить допустимый предел и вызвать разрушение футеровки.

III. Конец расплавления и технологический период. Дуги горят устойчиво и спокойно, они открыты и излучают тепло на кладку и ванну, покрытую шлаком. Кладка продолжает перегреваться. Но при большой величине d_э/l_д и толстом слое шлака, до 90% излучаемого дугами тепла приходиться на пятно — «горячую зону» поверхности ванны, находящуюся под электродами. Диаметр пятна составляет d_г ≈ 2d_э.

Наиболее благоприятные условия для нагрева металла существуют в течение первой части периода плавления. При правильно выполненной завалке, дуги очень быстро прожигают под электродами колодцы и погружаются ниже уровня нерасплавившейся шихты. Температура металла в это время ниже температуры кладки стен и свода, поэтому часть аккумулированного футеровкой тепла расходуется на подогрев металла. Тепловые потоки в этот промежуток времени направлены от дуги и от огнеупорной футеровки к металлу. Хорошее тепловосприятие холодной шихты и экранирование огнеупорной футеровки от излучения дуг нерасплавившейся шихтой позволяют работать в этот период на максимальной мощности, обеспечиваемой электрооборудованием установки.

В зависимости от степени экранирования дуги в системе дуга— ванна—кладка после расплавления шихты возможны две схемы теплообмена:

1. При сильном экранировании дуги (большая величина Dэ/Lд и толстый слой шлака) основное количество тепла дуги поглощается ограниченным объемом, расположенным под электродами. Диаметр «горячей зоны», в которой тепло от дуги передается металлу непосредственно теплопроводностью и на которую приходится около 90% всего излучения, примерно равен двум диаметрам электродов.

При такой схеме теплообмена металл нагревается теплопроводностью от горячих зон под дугами, а шлак, находящийся за пределами горячих зон, и кладка нагреваются в основном от металла (рис. 4, а). В этом случае температура шлака на значительном расстоянии от дуг меньше температуры металла, а температура кладки меньше температуры и шлака и металла.

2. При незначительном экранировании дуги ванна нагревается теплом, поступающим от горячих зон и отражаемым кладкой на шлак, от которого нагревается металл (рис. 4, б). При такой схеме тепловых потоков температура кладки выше температуры шлака, а температура шлака выше температуры металла.

Рис.4