Электрическая дуга в высоковольтных выключателях. Методы гашения электрической дуги



Описание процесса отключения электрической цепи переменного тока при коротком замыкании

При размыкании контактов выключателя ток не прерывается. Согласно закону Ленца в цепи возникает ЭДС Е_L=-Ldi/dt, препятствующая изменению тока. Последний находит для себя путь через газовый промежуток между расходящимися контактами выключателя, который перекрывается электрической дугой. Чтобы прервать ток, дуга должна быть погашена. В цепях переменного тока благоприятные условия для гашения дуги возникают каждый раз, когда ток приходит к нулю, т.е. 2 раза в течение каждого периода. Диаметр дугового столба, температура и ионизация газа резко уменьшаются. В некоторый момент времени ток приходит к нулю и дуговой разряд прекращается. Однако цепь еще не прервана.

После нуля тока в газовом промежутке, еще в некоторой мере ионизованном, продолжается процесс деионизации, т.е. процесс превращения его из проводника в диэлектрик, а в электрической цепи начинается процесс восстановления напряжения на контактах выключателя от относительно небольшого напряжения на дуге до напряжения сети. Эти процессы взаимосвязаны. Исход взаимодействия дугового промежутка с электрической цепью зависит от соотношения между энергией, подводимой к промежутку, и потерями энергии в нем, зависящими от дугогасительного устройства выключателя.

Если в течение всего переходного процесса потери энергии преобладают, дуга не возникнет вновь и цепь будет прервана. В противном случае дуга возникнет вновь и ток будет проходить еще в течение половины периода, после чего процесс взаимодействия повторится. Функция выключателя заключается не столько в том, чтобы «погасить» дугу, а скорее в том, чтобы исключить возможность ее нового зажигания путем эффективной деионизации промежутка различными искусственными средствами. При этом используется исключительное свойство газа — быстро, в течение нескольких микросекунд, превращаться из проводника в диэлектрик, способный противостоять восстанавливающемуся напряжению сети.

Для понимания устройства и работы выключателей необходимо ознакомиться с физическими процессами в дуговом промежутке в процессе отключения. В этой статье рассмотрены методы гашения дуги в воздушных и масляных выключателях.

Физические процессы в дуговом промежутке выключателя при высоком давлении

Электрической дугой, точнее дуговым разрядом, называют самостоятельный разряд в газе, т.е. разряд, протекающий без внешнего ионизатора, характеризующийся большой плотностью тока и относительно небольшим падением напряжения у катода. Ниже рассмотрена дуга высокого давления, т.е. дуговой разряд при атмосферном и более высоком давлении.

Различают следующие области дугового разряда:

• область катодного падения напряжения;
• область у анода;
• столб дуги.

Область катодного падения напряжения представляет собой тончайший слой газа у поверхности катода. Падение напряжения в этом слое составляет 20-50 В, а напряженность электрического поля достигает 10⁵10⁶ В/см. Энергия, подводимая из сети к этой области, используется на выделение электронов с поверхности катода.

Механизм освобождения электронов может быть двояким:

• термоэлектронная эмиссия при тугоплавких и огнеупорных электродах (вольфрам, уголь), температура которых может достигнуть 6000 К и выше
• автоэлектронная эмиссия, т.е. вырывание электронов из катода действием сильного электрического поля при «холодном» катоде.

Плотность тока на катоде достигает 3000-10000 А/см⁵. Ток сосредоточен на небольшой ярко освещенной площадке, получившей название катодного пятна. Освобождающиеся электроны движутся через дуговой столб к аноду.

У анода положительные ионы приобретают ускорение в направлении к катоду. Электроны уходят в анод и образуют в тонком слое отрицательный заряд. Падение напряжения у анода составляет 10-20 В.

Процессы в дуговом столбе представляют наибольший интерес при изучении выключателей, поскольку для гашения дуги используют различные виды воздействия именно на дуговой столб. Последний представляет собой плазму, т.е. ионизованный газ с очень высокой температурой и одинаковым содержанием электронов и положительных ионов в единице объема.

Высокую температуру в дуговом столбе создают и поддерживают электроны и ионы, участвующие в тепловом хаотическом движении нейтральных молекул и атомов, но имеющие также направленное движение в электрическом поле вдоль оси дуги, определяемое знаком заряда частиц. Этому движению препятствует нейтральный газ. Происходят частые соударения электронов и ионов с нейтральными частицами. Поскольку длина свободного пробега электронов при высоком давлении мала, потеря энергии при упругих столкновениях с молекулами и атомами, приходящаяся на каждое столкновение, мала и недостаточна для ионизации частиц. Однако число столкновений, претерпеваемых электронами, весьма велико. В результате энергия электронов передается нейтральному газу в виде тепла.

Средняя энергия «электронного газа» не может сколько-нибудь заметно превысить среднюю энергию нейтрального газа, поскольку дополнительная энергия, приобретаемая электронами и ионами в своем направленном движении вдоль оси лугового столба, мала по сравнению с тепловой энергией газа. Следовательно, ионы, электроны, а также нейтральные атомы и молекулы находятся в тепловом равновесии. При этом удельная ионизация дугового столба полностью определяется температурой и при изменении одной из этих величин неизбежно изменяется и другая.

Поскольку при высоком давлении газа атомы и молекулы подавляющим образом преобладают над электронами и имеют почти ту же высокую температуру, большая часть возбужденных и ионизованных атомов и молекул получается при соударениях между нейтральными частицами, а не при столкновениях с электронами. Таким образом, электроны ионизуют не непосредственно при соударениях с нейтральными частицами (как это происходит в вакууме), а косвенно, повышая температуру газа в дуговом столбе. Такой механизм ионизации называют термической ионизацией. Источником энергии, необходимой для термической ионизации, является электрическое поле.

В дуговом столбе имеются потери энергии, которые в установившемся состоянии уравновешиваются энергией, получаемой из сети. Основная часть энергии уносится из дугового столба возбужденными и ионизованными атомами и молекулами. Вследствие разности концентраций заряженных частиц в дуговом столбе и окружающем пространстве, а также разности температур ионы диффундируют к поверхности дугового столба, где происходит их нейтрализация. Эти потери должны восполняться образованием новых ионов и электронов, связанным с затратой энергии. В установившемся состоянии градиент напряжения в столбе дуги всегда таков, что имеющая место ионизация компенсирует потери электронов через рекомбинацию. Градиент напряжения зависит от свойств газа, состояния, в котором он находится (спокойное, турбулентное), а также от давления и тока. При повышении давления газа градиент напряжения увеличивается вследствие уменьшения свободного пробега электронов. С увеличением тока градиент напряжения уменьшается, что объясняется увеличением площади сечения и температуры дугового столба. Дуговой столб стремится принять такое сечение, чтобы в рассматриваемых условиях потери энергии были минимальны.

Вольт-амперные характеристики дуги

Зависимость градиента напряжения Е=dU/dl в столбе дуги от тока при очень медленном изменении последнего представляет собой статическую характеристику дуги (рис.1,а), зависящую от давления и свойств газа.

Рис.1. Вольт-амперные характеристики дуги:
а — статическая характеристика;
б — динамические характеристики

В установившемся состоянии каждой точке характеристики соответствуют некоторое сечение и температура дугового столба. При изменении тока дуговой столб должен изменить свое сечение и температуру применительно к новым условиям. Эти процессы требуют времени, и поэтому новое установившееся состояние наступает не сразу, а с некоторым запозданием. Это явление называют гистерезисом.

Допустим, что ток внезапно изменился от значения I₁ (точка 1) до значения I₂ (точка 2). В первый момент дуга сохранит свои сечения и температуру, а градиент уменьшится (точка 2′). Подводимая мощность будет меньше необходимой для проведения тока I

2. Поэтому сечение и температура начнут уменьшаться, а градиент увеличиваться, пока не наступит новое установившееся состояние в точке 2 на статической характеристике. При внезапном увеличении тока от значения I₁ до значения I₃ градиент напряжения увеличится (точка 3′). Подводимая к дуге мощность будет больше необходимой для проведения тока I₃. Поэтому сечение и температура столба начнут увеличиваться, а градиент напряжения уменьшаться, пока не наступит новое установившееся состояние в точке 3 на статической характеристике.

При плавном изменении тока с некоторой скоростью градиент напряжения не успевает следовать за изменением тока в соответствии со статической характеристикой. При увеличении тока градиент напряжения превышает значения, определяемые статической характеристикой, а при уменьшении тока градиент напряжения меньше этих значений. Кривые E=f(I) при изменении тока с некоторой скоростью представляют собой динамические характеристики дуги (сплошные линии на рис.1,б).

Положение этих характеристик по отношению к статической характеристике (см. пунктирную кривую) зависит от скорости изменения тока. Чем медленнее происходит изменение тока, тем ближе расположена динамическая характеристика к статической. В заданных условиях дугового разряда может быть только одна статическая характеристика. Число динамических характеристик не ограничено.

При анализе электрических цепей принято оперировать понятием сопротивления. Поэтому говорят и о сопротивлении дуги, понимая под этим отношение напряжения у электродов к току. Сопротивление дуги непостоянно. Оно зависит от тока и многих других факторов. По мере увеличения тока сопротивление дуги уменьшается.

Рис.2. Напряжение на дуге при переменном токе:
а — напряжение дуги как функция тока;
6 — напряжение дуги как функция времени

Вольт-амперная характеристика дуги переменного тока показана на рис.2,а. В течение четверти периода, когда ток увеличивается, кривая напряжения лежит выше статической характеристики. Следующую четверть периода, когда ток уменьшается, кривая напряжения лежит ниже статической характеристики.

Дуга зажигается в точках 1 и 3 и угасает в точках 2 и 4. На рис.2,б показана характеристика дуги как функции времени. Интервалы 2-3 и 4-1 соответствуют неустойчивому состоянию, при котором происходит интенсивное взаимодействие дуги с постоянными цепи R, L и С. Эти короткие интервалы времени, продолжительность которых составляет несколько микросекунд, используются для интенсивной деионизации промежутка между контактами выключателя, чтобы воспрепятствовать новому зажиганию дуги. В зависимости от условий процесс взаимодействия может закончиться двояко: или дуга погаснет и цепь будет прервана, или дуга возникнет вновь и процесс взаимодействия повторится через половину периода при более благоприятных условиях.

Гашение дуги в воздушных выключателях

В воздушных выключателях дуга гасится в потоке воздуха высокого давления. Гасительное устройство выключателя (рис.3,а) представляет собой камеру, в которой помещены два сопла, служащие одновременно контактами. Выхлопные стороны сопел соединены с областью низкого давления. При разведении контактов вследствие разности давлений возникает поток воздуха, направленный в сопла симметрично в обе стороны.

Рис.3. Дугогасительное устройство воздушного выключателя с двухсторонним дутьем:
а — схема;
б — распределение давления вдоль оси

На рис.3,б показано распределение давления вдоль оси. В середине промежутка между соплами имеется точка торможения потока, давление в которой обозначено через р_o.

В обе стороны от этой точки давление уменьшается и достигает в горловинах сопел приблизительно половины р_o. За горловинами давление продолжает падать до давления выхлопа.

Процесс гашения дуги протекает следующим образом. Между размыкающимися контактами возникает дуга, которая под действием воздушного потока быстро переносится вдоль оси. При этом опорные пятна дуги перемещаются внутрь сопел по потоку, как показано на рис.3. Дуга в промежутке между соплами имеет цилиндрическую форму.

Рис.4. Распределение температуры в поперечном направлении на участке между соплами:
а — дуга;
в — тепловой пограничный слой

Распределение температуры в поперечном направлении показано на рис.4. В зоне дуги а она составляет приблизительно 20000 К и резко спадает к тепловому пограничному слою в, образующемуся около дуги. Здесь температура изменяется в пределах от 2000 К до температуры холодного воздуха. По мере подхода тока к нулю диаметр цилиндрической части дуги быстро уменьшается. При токе, равном нулю, он меньше 1 мм. Однако температура в этой части дуги еще очень высока (15000 К).

Важнейшим фактором, способствующим гашению дуги, является турбулентность в пограничном слое между дугой и окружающим ее относительно холодным воздухом. Вследствие высокой температуры дуги плотность газа в столбе приблизительно в 20 раз меньше, чем в окружающей среде. Поэтому скорость газа внутри дугового столба значительно выше скорости в соседних слоях (скорость обратно пропорциональна корню квадратному из плотности). Вследствие диффузии частиц из области с большой скоростью в область с малой скоростью и обратно в пограничном слое возникают значительные срезывающие силы, образуются вихри и весь объем приобретает высокую турбулентность. В дуговой столб вносится относительно холодный неионизованный газ, вследствие чего столб теряет свою однородность. Он расщепляется на тысячи тончайших проводящих нитей, непрерывно изменяющих свою форму и положение (рис.5).

Рис.5. Влияние турбулентности на столб дуги вблизи нуля тока (схема)

Они имеют высокую температуру и высокую удельную ионизацию и окружены холодным слабо ионизованным газом. Известно, что скорость диффузии из цилиндрического объема обратно пропорциональна квадрату диаметра. Чем тоньше ионизованные нити, тем быстрее происходит обмен частиц с окружающей более холодной и менее ионизованной средой. Турбулентность увеличивает диффузию во много раз. Она проявляется особенно резко в горловинах сопел, где скорость плазмы максимальна — 6000 м/с. После нуля тока в течение короткого промежутка времени, исчисляемого микросекундами, происходит распад проводящего канала и дальнейшее уменьшение температуры определяется тепловым пограничным слоем, остывание которого происходит значительно медленнее.

Рис.6. Схема замещения, поясняющая влияние сопротивления дуги и емкости

Рис.7. Взаимодействие дуги с электрической цепью

Существенное влияние на процесс отключения оказывает сопротивление дуги и емкость, включенная параллельно дуговому промежутку (рис.6). Если пренебречь сопротивлением дуги, ток i₀=I_msinɷt подходит к нулю практически линейно (рис.7). Однако сопротивление дуги не равно нулю. Поэтому ток i_B в дуговом промежутке выключателя уменьшается:

(1)

где t₀ — момент размыкания контактов.

Как видно из рисунка, напряжение на дуге изменяется в соответствии с вольт-амперной характеристикой. Скорость снижения тока существенно уменьшается в течение последних 5…10 мкс до прихода его к нулю. Это время мало, но оно в несколько раз больше постоянной времени дуги и поэтому существенно влияет на состояние дуги при нуле тока (точка 1). Дуга легко угасает. Сопротивление дуги видоизменяет и кривую ПВН. Процесс восстановления напряжения начинается в точке 1; напряжение достигает максимума в точке 2, когда i_L=i_C=0.

Этап возможного теплового пробоя

Если температура газа в промежутке не снизится до некоторого критического значения, определяемого свойством газа и давлением, промежуток сохранит свою проводимость после нуля тока (точка 1) и под действием ПВН возникнет ток остаточной проводимости (рис.8).

Рис.8. Погасание дуги с задержкой,
вызванной появлением тока остаточной проводимости

При благоприятных условиях он невелик и быстро затухает (точка 2). Однако если процесс охлаждения недостаточно интенсивен, ток остаточной проводимости увеличивается; происходит повторный разогрев плазмы, возобновляется процесс ионизации и дуга возникает вновь. Это явление получило название теплового пробоя, так как электрический пробой невозможен, поскольку промежуток ионизован и не приобрел еще электрической прочности.

Произойдет такой пробой или нет, зависит от исхода двух взаимосвязанных процессов, протекающих в промежутке, из которых один определяется интегралом во времени подводимой мощности (произведения тока и напряжения на промежутке), а второй — интегралом во времени потерь, вызванных теплопроводностью и конвекцией. Это означает, что процесс взаимодействия продолжится до тех пор, пока ток не исчезнет или дуга не возникнет вновь. Явление теплового пробоя характерно для первых 20 мкс после нуля тока в условиях, когда скорость восстанавливающеюся напряжения велика, например при неудаленных КЗ.

Этап возможного электрического пробоя

Если тепловой пробой не произошел, межконтактный промежуток продолжает подвергаться воздействию ПВН. Дуговой канал имеет еще повышенную температуру и пониженную плотность. Спустя несколько сотен микросекунд после нуля тока, когда ПВН достигает максимального значения, наступает этап возможного электрического пробоя. В основе его лежит не баланс энергий, а процесс образования электронов в электрическом поле. Если увеличение концентрации электронов превысит некоторое критическое значение, то произойдет образование искры, которая перейдет в дуговой разряд.

Гашение дуги в масляных выключателях

В масляных выключателях контакты размыкаются в масле, однако вследствие высокой температуры дуги, образующейся между контактами, масло разлагается и дуговой разряд происходит в газовой среде. Приблизительно половину этого газа (по объему) составляют пары масла. Остальная часть состоит из водорода (70%) и углеводородов различного состава. Газы эти горючи, однако в масле горение невозможно из-за отсутствия кислорода. Количество масла, разлагаемого дугой, невелико, но объем образующихся газов велик. Один грамм масла дает приблизительно 1500 см³ газа, приведенного к комнатной температуре и атмосферному давлению.

Гашение дуги в масляных выключателях происходит наиболее эффективно при применении гасительных камер, которые ограничивают зону дуги, способствуют повышению давления в этой зоне и образованию газового дутья сквозь дуговой столб. На рис.9 приведена схема простейшей гасительной камеры.

Рис.9. Схема простейшей гасительной камеры масляного выключателя

В процессе отключения контактный стержень 1 перемещается вниз. Между контактами 1 и 2 возникает дуга. Происходит интенсивное газообразование и давление в камере быстро увеличивается. Относительно холодный газ, образующийся на поверхности масла, перемешивается с плазмой дуги. Пограничный слой приходит в турбулентное состояние, способствующее деионизации. Однако дуга не может погаснуть до тех пор, пока расстояние между контактами не достигнет некоторого минимального значения, определяемого восстанавливающимся напряжением. Этот минимальный промежуток образуется, когда подвижный контакт еще находится в камере. Когда стержень покидает пределы камеры, газы с силой выбрасываются наружу. Возникает газовое дутье, направленное по оси, способствующее гашению дуги.

После погасания дуги контактный стержень продолжает свое движение, чтобы обеспечить необходимое изоляционное расстояние в отключенном положении.

Напряжение на дуге масляного выключателя по крайней мере в 3 раза больше, чем у воздушного выключателя. Электрическая прочность промежутка восстанавливается быстрее (со скоростью около 2 кВ/мкс). Поэтому при одинаковом токе КЗ дугогасительное устройство масляного выключателя может быть рассчитано на вдвое большее напряжение и вдвое большее волновое сопротивление, чем устройство воздушного дутья.

Характерные свойства воздушных и масляных выключателей

В воздушных выключателях дутье в дуговом промежутке создается от внешнего источника энергии и не зависит от отключаемого тока. После нуля тока восстанавливающееся напряжение оказывается приложенным к короткому промежутку, заполненному горячим ионизованным газом. Скорость восстановления электрической прочности промежутка определяется охлаждением газа и удалением его из промежутка потоком свежего воздуха. Это требует времени и поэтому процесс восстановления электрической прочности промежутка запаздывает.

Рис.10. Характеристики восстанавливающейся электрической прочности
дугового промежутка воздушного выключателя

На рис.10 приведены типичные кривые восстанавливающейся электрической прочности дугового промежутка воздушного выключателя. Они имеют S-образную форму. При этом основная стадия процесса восстановления электрической прочности промежутка протекает со скоростью, не превышающей 1-2 кВ/мкс, и начинается спустя 10-15 мкс после нулевого значения тока. С увеличением отключаемого тока запаздывание увеличивается, а скорость восстановления электрической прочности уменьшается. Нижняя пунктирная кривая соответствует случаю неудовлетворительной работы выключателя, поскольку процесс восстановления электрической прочности промежутка протекает слишком медленно. Номинальный ток отключения воздушною выключателя ограничен восстанавливающейся электрической прочностью промежутка.

В масляных выключателях для образования газовою дутья используется энергия самой дуги. Давление в гасительной камере и сила дутья в первом приближении пропорциональны отключаемому току. Чем больше последний, тем эффективнее деионизация промежутка и быстрее восстанавливается его электрическая прочность. Однако по мере увеличения тока увеличиваются механические напряжения в частях гасительной камеры. Поэтому номинальный ток отключения ограничен механической прочностью гасительной камеры.

Характерные свойства воздушных и масляных выключателей проявляются при отключении асимметричного тока КЗ. Как известно, быстродействующие выключатели при наличии соответствующей релейной защиты размыкают свои контакты, когда апериодическая составляющая отключаемого тока еще не успевает затухнуть. Следовательно, эти выключатели должны быть способны отключать как симметричный, так и асимметричный ток, т.е. ток, не смещенный или смещенный относительно оси времени в зависимости от условий. Асимметрия тока β (относительное содержание апериодической составляющей в токе КЗ) определяется как отношение апериодической составляющей к амплитуде периодической составляющей тока КЗ к моменту τ размыкания контактов выключателя

(2)

Асимметрия отключаемого тока зависит от постоянной времени цепи Т_a=Х/(ɷR), а также от τ — времени размыкания контактов выключателя с учетом времени срабатывания релейной защиты. Чем больше постоянная времени и чем быстрее размыкаются контакты выключателя, тем больше асимметрия отключаемого тока. Наибольшую постоянную времени имеют генераторы, трансформаторы и реакторы. Поэтому наибольшую асимметрию следует ожидать при КЗ вблизи генераторов и сборных шин станций. Расчеты показывают, что асимметрия тока, отключаемого быстродействующими выключателями, установленными в главных РУ мощных станций, может достигнуть 80%. Менее быстродействующие выключатели в этих же условиях могут встретиться с асимметрией порядка 40-50%. Выключатели, установленные в распределительных сетях, встречаются с асимметрией, не превосходящей 20%.

При наличии апериодической составляющей в отключаемом токе:

• увеличивается действующее значение тока;
• промежутки времени между моментами, когда ток достигает нуля, становятся неодинаковыми: они попеременно больше или меньше полупериода;
• уменьшается скорость изменения тока di/dt при подходе его к нулевому значению;
• уменьшается возвращающееся напряжение на полюсе выключателя.

Увеличение действующего значения тока и изменение промежутков времени между нулевыми значениями тока могут при неблагоприятных условиях привести к значительному увеличению выделяемой энергии по сравнению с энергией, выделяемой при отсутствии апериодической составляющей тока. Энергия, выделяемая в дуге, определяет ионизацию газа в промежутке, а в масляных выключателях — также количество образующихся газов и давление в камере, следовательно, механические напряжения в элементах выключателя, степень оплавления контактов и др.

Уменьшение скорости изменения тока при подходе его к нулю уменьшает ионизацию промежутка к моменту погасания дуги, что облегчает процесс отключения.

Уменьшение возвращающегося напряжения также облегчает процесс отключения.

Рис.11. Возвращающееся напряжение при асимметрии отключаемого тока

Как видно из рис.11, периодическая составляющая тока КЗ i_п смещена по отношению к напряжению сети на угол φ, близкий к π/2. Если фаза замыкания α=φ, то апериодическая составляющая тока отсутствует, момент прихода тока к нулевому значению и погасания дуги близок к моменту максимума напряжения. Возвращающееся напряжение определяется ординатой ab. При замыкании в любой другой момент времени в составе отключаемого тока появляется апериодическая составляющая и момент прихода тока к нулю смещается. В рассматриваемом случае при α=27° возвращающееся напряжение после большой полуволны тока определяется ординатой а’b’, а после малой полуволны — ординатой а»b» (при построении кривых периодическая и апериодическая составляющие тока приняты условно незатухающими).

Из приведенного анализа следует, что при наличии апериодической составляющей в отключаемом токе появляется ряд новых факторов, влияющих на процесс отключения, часть которых утяжеляет этот процесс, другая часть облегчает его.

Итоговое действие апериодической составляющей зависит от свойств выключателя.

Масляные выключатели, отключающая способность которых ограничена механической прочностью гасительной камеры, имеют при отключении большого тока значительный запас в восстанавливающейся электрической прочности дугового промежутка. Увеличение действующего значения отключаемого тока, обусловленное наличием апериодической составляющей, увеличивает тяжесть отключения, поскольку увеличивается энергия, выделяющаяся в дуге, а облегчающие факторы, вносимые апериодической составляющей тока КЗ (уменьшение скорости подхода тока к нулю и уменьшение возвращающегося напряжения), масляными выключателями не используются. О таких выключателях говорят, что они чувствительны к току, поскольку энергия, выделяющаяся в дуге, определяется в основном током.

Воздушные выключатели, отключающая способность которых ограничена электрической прочностью промежутка, используют облегчающие факторы, вносимые апериодической составляющей тока (уменьшение скорости снижения тока и возвращающегося напряжения). Увеличение действующего значения отключаемого тока, вызываемое апериодической составляющей, не увеличивает тяжести отключения, поскольку вносимые утяжеляющие и облегчающие факторы компенсируются. О таких выключателях принято говорить, что они чувствительны к напряжению.

При выборе выключателя по отключающей способности следует учитывать асимметрию отключаемого тока КЗ. Однако нормированные (номинальные) значения асимметрии β_ном установлены одинаковыми как для масляных, так и для воздушных выключателей.



Электрическая дуга — Что такое Электрическая дуга?

Электрическая дуга (вольтова дуга, дуговой разряд) — физическое явление, один из видов электрического разряда в газе.

Электрическая дуга первые была описана в 1802 г. русским ученым В. Петровым.
Она является частным случаем 4^й формы состояния вещества — плазмы — и состоит из ионизированного, электрически квазинейтрального газа.
Присутствие свободных электрических зарядов обеспечивает проводимость электрической дуги.

Электрическая дуга между 2^мя электродами в воздухе при атмосферном давлении образуется следующим образом.
При увеличении напряжения между двумя электродами до определенного уровня в воздухе между электродами возникает электрический пробой.
Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами и пр.
Зачастую для инициирования пробоя при имеющемся напряжении электроды приближают друг к другу.
Во время пробоя между электродами обычно возникает искровой разряд, импульсно замыкая электрическую цепь.
Электроны в искровых разрядах ионизируют молекулы в воздушном промежутке между электродами.
При достаточной мощности источника напряжения в воздушном промежутке образуется достаточное количество плазмы для того, чтобы напряжение пробоя (или сопротивление воздушного промежутка) в этом месте значительно упало.
При этом искровые разряды превращаются в дуговой разряд — плазменный шнур между электродами, являющийся плазменным тоннелем.
Эта дуга является по сути проводником, и замыкает электрическую цепь между электродами, средний ток увеличивается еще больше нагревая дугу до 5000–50000 K.
При этом считается, что поджиг дуги завершен.
Взаимодействие электродов с плазмой дуги приводит к их нагреву, частичному расплавлению, испарению, окислению и другим видам коррозии.
После поджига дуга может быть устойчива при разведении электрических контактов до некоторого расстояния.

При эксплуатации высоковольтных электроустановок, в которых неизбежно появление электрической дуги, борьба с электрической дугой осуществляется при помощи электромагнитных катушек, совмещенных с дугогасительными камерами.
Среди других способов известны использование вакуумных и масляных выключателей, а также методы отвода тока на временную нагрузку, самостоятельно разрывающую электрическую цепь.
Электрическая дуга используется при электросварке металлов, для выплавки стали (дуговая сталеплавильная печь) и в освещении (в дуговых лампах).

причины возникновения и способы применения

При коммутации электрических приборов или перенапряжений в цепи между токоведущими частями может появится электрическая дуга. Она может использоваться в полезных технологических целях и в то же время нести вред оборудованию. В настоящее время инженеры разработали ряд методов борьбы и использования в полезных целях электрической дуги. В этой статье мы рассмотрим, как она возникает, ее последствия и область применения.

Образование дуги, её строение и свойства

Представим, что мы в лаборатории проводим эксперимент. У нас есть два проводника, например, металлических гвоздя. Расположим их острием друг к другу на небольшом расстоянии и подключим к гвоздям выводы регулируемого источника напряжения. Если постепенно увеличивать напряжение источника питания, то при определенном его значении мы увидим искры, после чего образуется устойчивое свечение подобное молнии.

Таким образом можно наблюдать процесс её образования. Свечение, которое образуется между электродами — это плазма. Фактически это и есть электрическая дуга или протекание электрического тока через газовую среду между электродами. На рисунке ниже вы видите её строение и вольт-амперную характеристику:

А здесь – приблизительные величины температур:

Почему возникает электрическая дуга

Всё очень просто, мы рассматривали в статье об электрическом поле, а также в статье о распределении зарядов в проводнике, что если любое проводящее тело (стальной гвоздь, например) внести в электрическое поле — на его поверхности начнут скапливаться заряды. При том, чем меньше радиус изгиба поверхности, тем их больше скапливается. Говоря простым языком — заряды скапливаются на острие гвоздя.

Между нашими электродами воздух — это газ. Под действием электрического поля происходит его ионизация. В результате всего этого возникают условия для образования электрической дуги.

Напряжение, при котором возникает дуга, зависит от конкретной среды и её состояния: давления, температуры и прочих факторов.

Интересно: по одной из версий это явление так называется из-за её формы. Дело в том, что в процессе горения разряда воздух или другой окружающий её газ разогревается и поднимается вверх, в результате чего происходит искажение прямолинейной формы и мы видим дугу или арку.

Для зажигания дуги нужно либо преодолеть напряжение пробоя среды между электродами, либо разорвать электрическую цепь. Если в цепи есть большая индуктивность, то, согласно законам коммутации, ток в ней не может прерваться мгновенно, он будет протекать и далее. В связи с этим будет возрастать напряжение между разъединенными контактами, а дуга будет гореть пока не исчезнет напряжение и не рассеется энергия, накопленная в магнитном поле катушки индуктивности.

Рассмотрим условия зажигания и горения:

Между электродами должен быть воздух или другой газ. Для преодоления напряжения пробоя среды потребуется высокое напряжение в десятки тысяч вольт – это зависит от расстояния между электродами и других факторов. Для поддержания горения дуги достаточно 50-60 Вольт и тока в 10 и больше Ампер. Конкретные величины зависят от окружающей среды, формы электродов и расстояния между ними.

Вред и борьба с ней

Мы рассмотрели причины возникновения электрической дуги, теперь давайте разберемся какой вред она наносит и способы её гашения. Электрическая дуга наносит вред коммутационной аппаратуре. Вы замечали, что, если включить мощный электроприбор в сеть и через какое-то время выдернуть вилку из розетки — происходит небольшая вспышка. Это дуга образуется между контактами вилки и розетки в результате разрыва электрической цепи.

Важно! Во время горения электрической дуги выделяется много тепла, температура её горения достигает значений более 3000 градусов Цельсия. В высоковольтных цепях длина дуги достигает метра и более. Возникает опасность как нанесения вреда здоровью людей, так и состоянию оборудования.

Тоже самое происходит и в выключателях освещения, другой коммутационной аппаратуре среди которых:

• автоматические выключатели;
• магнитные пускатели;
• контакторы и прочее.

В аппаратах, которые используются в сетях 0,4 кВ, в том числе и привычные 220 В, используют специальные средства защиты – дугогасительные камеры. Они нужны чтобы уменьшить вред, наносимый контактам.

В общем виде дугогасительная камера представляет собой набор проводящих перегородок особой конфигурации и формы, скрепленных стенками из диэлектрического материала.

При размыкании контактов образовавшаяся плазма изгибается в сторону камеры дугогашения, где разъединяется на небольшие участки. В результате она охлаждается и гасится.

В высоковольтных сетях используют масляные, вакуумные, газовые выключатели. В масляном выключателе гашение происходит коммутацией контактов в масляной ванне. При горении электрической дуги в масле оно разлагается на водород и газы. Вокруг контактов образуется газовый пузырь, который стремиться вырваться из камеры с большой скоростью и дуга охлаждается, так как водород обладает хорошей теплопроводностью.

В вакуумных выключателях не ионизируются газы и нет условий для горения дуги. Также есть выключатели, заполненные газом под высоким давлением. При образовании электрической дуги температура в них не повышается, повышается давление, а из-за этого уменьшается ионизация газов или происходит деионизация. Перспективным направлением считаются элегазовые выключатели.

Также возможна коммутация при нулевом значении переменного тока.

Полезное применение

Рассмотренное явление нашло и целый ряд полезных применений, например:

1. Осветительные приборы. Например, дугоразрядные лампы (ДРЛ, ксеноновые и другие виды). Если добавить на электроды соли определенных металлов — цвет электрической дуги изменится.
2. Электродуговая сварка. При касании электродом поверхности металла протекает высокий ток, который разогревает металл. Когда вы отрываете электрод, ток не может прерваться, разогретые поверхности эмитируют электроды и возникает дуга. При оплавлении металлических свариваемых поверхностей и расплавлении самого электрода возможно соединение двух частей или их разрезание. Есть различные виды сварки, например, с использованием электродов или газа — углекислого или аргона. Она используется повсеместно и внесла огромный вклад в жилое и промышленное строительство.
3. Дуговая плавка. Электрическая дуга зависит от электрических параметров источников питания, таким образом можно регулировать её горение. Благодаря высокой температуре удается расплавить большое число металлов.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме статьи:

Теперь вы знаете, что такое электрическая дуга, какие причины возникновения данного явления и возможные сферы применения. Надеемся, предоставленная информация была для вас понятной и полезной!

Материалы по теме:

Варианты гашения дуги в высоковольтных выключателях | Подстанции

При горении дуги в высоковольтном выключателе в ней одновременно протекают два противоположных процесса: ионизации и деионизации. Если скорость образования ионов вследствие термической и ударной ионизации равна скорости исчезновения ионов вследствие рекомбинации и диффузии, в дуге будет существовать баланс ионов, и она будет устойчивой. Следовательно, успешность отключения тока короткого замыкания и гашение дуги в выключателе зависят от скорости протекания двух процессов: восстановления электрической прочности дугового промежутка и восстановления напряжения на контактах выключателя. При этом чтобы дуговой промежуток не был повторно пробит восстанавливающимся напряжением, необходимо как можно быстрее устранить из него заряженные частицы, т.е. деионизировать его. Существует несколько вариантов достижения этого, которые будут рассмотрены далее.

Газовоздушное дутье

Поток газов, направленный вдоль или поперек дуги существенно снижает ее температуру. При дутье в ствол дуги попадают молекулы газа,  возникает диффузия и охлаждение дуги. Генерация или  подача газов в различных выключателях организована по-разному.  В воздушных выключателях из специальных баллонов со сжатым воздухом поступает холодный воздух. В масляных выключателях газ возникает при разложении масла электрической дугой.  При автогазовом дутье, чаще используемом в выключателях нагрузки, газ генерируется при разложении твердых материалов.

Гашение электрической дуги в масле

В масляных выключателях контакты находятся в масле. Возникающая, при размыкании контактов электрическая дуга, разлагает масло, при этом сама дуга оказывается в газовом пузыре, состоящем из углеводородов, водорода и паров масла. Водород и высокое давление в пузыре способствуют деионизации дуги, и ее охлаждению. Кроме того движение газов, растягивание дуги в дугогасительной камере повышают дугогасящий эффект.

Гашение дуги в вакууме

Электрическая прочность вакуума (высокоразреженного газа) во много раз превышает электрическую прочность воздуха в обычных условиях. Это свойство нашло применение  в вакуумных выключателях. После размыкания контактов в дугогасящей камере вакуумного выключателя при первом прохождении тока через ноль дуга гаснет, электрическая прочность промежутка восстанавливается.

Гашение дуги в газах высокого давления

Хотя и воздух, при давлении выше 2 МПа, имеет достаточно высокую электрическую прочность, что дает возможность проектировать выключатели с гашением дуги в среде воздуха под давлением. Но, большее распространение в электроэнергетике получили элегазовые выключатели, в которых в качестве дугогасящей среды используется элегаз (SF6 — шестифтористая сера), который имеет более высокие, чем воздух, электрическую прочность и  дугогасящие свойства. Элегазовые выключатели нашли широкое применение в современных электроустановках, практически всех классов напряжения.

Магнитное  дутье, как вариант гашение дуги

Магнитное  дутье применяется  в электромагнитных выключателях. Щелевая дугогасящая камера из жаропрочного материала – основной элемент электромагнитных выключателей. Магнитное дутье, как правило, создается с помощью электромагнита, который включается последовательно в контур дуги. За счет него электрическая дуга в выключателе растягивается, охлаждается и гаснет.

Многократный разрыв цепи электрической цепи

Этот способ гашения дуги, как правило,  применяется одновременно с вышеперечисленными, при коммутации высоких напряжений, когда отключение больших токов становится нетривиальной задачей. За счет многократного разрыва дуги с помощью нескольких дугогасящих устройств, достигается кратное снижение напряжения в каждом из них. Равномерное распределение напряжения на каждый разрыв достигается за счет активных сопротивлений или емкостей, включаемым параллельно основным контактам выключателя.

Схема для высоковольтной дуги на блокинг-генераторе и zvs-драйвере с использованием строчного трансформатора от цветного телевизора

Разобрал старый цветной телевизор и вытащил оттуда ТДКС(трансформатор диодно-каскадный строчный) TFB4039AD.

Где его можно применить? Самое полезное — плазменная зажигалка, но из-за больших габаритов подойдет разве что для опытов. Я повторил опыт, который называется лестница Иакова. Высокое напряжение подводится к двум проводникам расположенным вертикально в форме длинной буквы V. Дуга, нагреваясь начинает подниматься. По мере продвижения дуги вверх расстояние между проводниками увеличивается и в какой-то момент напряжения для поддержания дуги уже не хватает, она прерывается и вновь возникает внизу. Процесс повторяется.

Сначала нужно намотать катушку. Берем 60 см медного провода в лаковой изоляции диаметром 1мм. Сразу зачищаем и облуживаем концы, мотаем 8-10 витков на свободной стороне магнитопровода, зачищаем среднюю точку и делаем отвод, припаяв провод.

Теперь нужно собрать генератор колебаний. Самое простое это блокинг-генератор на одном транзисторе или его более мощный двухтактный вариант:

В эти схемы подойдут практически любые мощные биполярные транзисторы. Также можно применять и полевые транзисторы. Ток коллектора или ток стока должны быть больше, чем может дать источник питания. Напряжение коллектор-эмиттер или сток-исток должно быть минимум в двое больше чем напряжение питания. Крайне желательно для защиты полевых транзисторов ставить стабилитроны на 12-18 В. Транзисторы нужно обязательно установить на радиатор — греются прилично.

Я взял транзисторы w13009 и базовые резисторы по 470 Ом. Схема начинает работать от 1.5 В, правда дуга совсем маленькая. Максимум подавал на схему 19В. Дуга больше сантиметра, холодная, бумагу не поджигает. Потребляет 3.5 А, когда транзисторы нагреваются мощность дуги падает. Заменил резисторы на 1 кОм, ток потребления упал до 1.7А, а дуга выросла и транзисторы чуть меньше грелись. Убрал один из транзисторов — ток упал в два раза, а длина дуги осталась прежней.

Другая схема — zvs-драйвер. Транзисторы здесь греются не сильно, а дуга получается жирная и горячая — легко поджигает бумагу и дерево.

Транзисторы должны быть на напряжение в 4 раза выше напряжения питания и c током стока от 10А. Конденсатор C1 пленочный, на напряжение не менее 250В, от его емкости зависит частота колебаний. Стабилитроны ZD1-2 на напряжение 12-18В мощностью 1Вт. Резисторы мощностью 1Вт. Диоды D1-2 быстрые, с током не менее 1А и обратным напряжением не менее 400В.

Есть вариант схемы zvs-драйвера с двумя дросселями, без необходимости отвода от середины первички.

Приведенные схемы потребляют приличный ток, блок питания нужен мощный, хотябы от 5А. Если в нем есть защита от короткого замыкания, она может сработать. Возможно поможет увеличение индуктивности дросселя.

Теперь нужно определить контакты ТДКС между которыми будет дуга. Высоковольтный вывод это самый толстый красный провод идущий к кинескопу. Провода потоньше можно отрезать а тот, у которого изоляция толще припаять к одному из выводов. Обычно это вывод 8 или 6. Сначала подпаиваем провод к выводу 8. На фото он обведен кружком.

Подключаем намотанную на ТДКС катушку к схеме, и подаем питание, для начала вольт 5. С этого момента высоковольтные провода берем только плоскогубцами, даже после выключения питания. Сближаем высоковольтный провод с проводом подпаянным к выводу 8. Если дуги нет, пробуем поднять напряжение, меняем вывод с 8 на 6, проверяем все соединения, исправность транзисторов.

Как только дуга получена, можно переходить к опыту лестница Иакова. На каком-нибудь изоляторе наматываем оголенный медный провод в виде буквы V.

Конструкции нужно придать устойчивое положение проводами вверх, я закрепил изолятор в тисках. Остается подпаять высоковольтные провода и подать питание чтобы увидеть эффект: дуга будет бежать снизу вверх. Может потребоваться немного времени для ее разогрева и выхода на рабочий режим. Если дуга стоит в одном месте, берем плоскогубцы и пробуем увеличить угол между проводами.

Через пару минут начинает сильно вонять или озоном или оксидами азота, а скорее всего их смесью. Газы довольно опасные, лучше открыть окно и не держать дугу более 10 минут или проводить опыты на улице. Дуга также является источником ультрафиолетового излучения, опасного для глаз. Так что долго смотреть на нее не стоит. После отключения питания трансформатор способен хранить заряд достаточно долго, поэтому не забывайте разряжать его закоротив выводы.

Устойчивая электрическая дуга — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Устойчивая электрическая дуга

Cтраница 1

Устойчивая электрическая дуга длиной 3 — 4 мм с температурой 3000 — 4000 С достигается при напряжении сварочного тока 50 — 65 в и силе тока порядка 110 — 240 а и выше.  [1]

Постоянный ток, помимо возможности использования разницы температуры при сварке различных деталей, дает более устойчивую электрическую дугу, чем переменный ток, при котором в момент перемены направления тока дуга охлаждается и может даже погаснуть.  [3]

Постоянный ток, помимо возможности использования разницы температуры при сварке различных деталей, дает более устойчивую электрическую дугу, чем переменный ток, при котором в момент перемены направления тока ( нулевая точка синусоиды) дуга охлаждается и может даже гаснуть. Поэтому при переменном токе необходимо применять повышенный ток и электроды обязательно со специальной обмазкой.  [5]

При эксплуатации жидкостных реостатов постоянного тока не рекомендуется производить разрыв цепи электродами реостата во избежание образования устойчивой электрической дуги. Жидкостные реостаты постоянного тока рекомендуется устанавливать в помещениях с хорошей вентиляцией, чтобы исключить возможность накапливания и образования взрывоопасной смеси водорода с воздухом.  [6]

Использование изоляционных свойств дерева в сетях бн-110 кв, применение заземления нейтрали через дугогасящую катушку и изолированной нейтрали в сетях 64 — 35 кв значительно снижают вероятность перехода импульсного перекрытия в устойчивую электрическую дугу и тем самым улучшают бесперебойность и повышают надежность электроснабжения потребителя. Надежность работы линий значительно повышается также за счет широкого применения автоматического повторного включения ( АПВ) линий, резервирования, тщательной профилактики изоляции, разрядников и заземлений.  [7]

В таких случаях лучше всего начать ремонт печи, не дожидаясь, когда обмотка перегорит под током, что обычно приводит к гибели всей печи. При высокой температуре в месте разрыва возникает устойчивая электрическая дуга ( даже при переменном токе), частично проплавляющая фарфоровую трубу, которая после этого неминуемо трескается.  [9]

Возбуждение дуги производится кратковременным закорачиванием катода с поджигающим электродом. В момент отвода электрода 8 возвратной пружиной между катодом 2 и анодом — корпусом насоса возникает устойчивая электрическая дуга. Напряжение поджига дуги лежит в пределах 25 — 35 В, а ток стабильного горения дуги составляет примерно 140 А при напряжении 20 — 21 В. Для уменьшения скорости испарения титана с целью более рационального его расходования применяют периодический режим работы насоса. Причем чем ниже давление в откачиваемом сосуде, тем больше делают паузу между моментами включения насоса.  [10]

Изоляция токоведущих частей взрывозащищенных приборов должна быть механически прочной, стойкой против длительного воздействия воздуха, нагрева и химических реагентов. При этом под силовыми электрическими цепями в приборах подразумеваются такие цепи, короткое замыкание в которых сопровождается возникновением устойчивой электрической дуги, приводящей к разрушению изоляции. К этим цепям обычно относятся цепи питания различных нагревательных элементов, первичных обмоток с иловых трансформаторов и других элементов, питающихся непосредственно от силовой электрической сети.  [11]

Из-за высокой температуры дуги масло частично испаряется и разлагается; при этом пары масла и продукты его разложения образуют вокруг контактов аппарата газовый пузырь. Этот пузырь, расширяясь, оказывает давление на масло, которое поднимается, вытесняя воздух из пространства между поверхностью масла и крышкой бака; вследствие этого в баке аппарата должно быть предусмотрено свободное пространство над уровнем масла во избежание взрыва при возникновении устойчивой электрической дуги.  [12]

Из-за высокой температуры дуги масло частично испаряется и разлагается; при этом пары масла и продукты его разложения образуют вокруг контактов аппарата газовый пузырь. Этот пузырь, расширяясь, оказывает давление на масло, которое поднимается, вытесняя воздух из пространства между поверхностью масла и крышкой бака; вследствие этого в баке аппарата должно быть предусмотрено свободное пространство над уровнем масла во избежание взрыва аппарата при возникновении устойчивой электрической дуги. Кроме наличия в составе масла большого количества водорода, гашению дуги способствует также повышение электрической прочности среды между контактами в связи с повышенным давлением внутри газового пузыря: высокое давление создается выделяемой дугой тепловой энергией, нагревающей все больший объем масла.  [13]

При образовании искровых разрядов напряжение на электрофильтре автоматически резко снижается вследствие перераспределения его между магнитным усилителем, высоковольтным трансформатором и выпрямителем. В результате этого снижается возникший при разрядах ток и искровые разряды не развиваются. При возникновении пробоя с устойчивой электрической дугой ( даже при понижении напряжения на электрофильтре) срабатывает максимально-токовое реле РМ, а из-за резкого увеличения падения напряжения на магнитном усилителе отключается реле напряжения РН. В том и другом случае срабатывают соответствующие реле защиты и отключают в блоке управления контактор в цепи подмагничивания магнитного усилителя МУ, напряжение на высоковольтном трансформаторе резко снижается до минимального значения и возникшая дуга гаснет. Одновременно с отключением цепи подмагничивания магнитного усилителя включается реле управления в цепи исполнительного механизма, реле времени и контактор переключения обмотки трансформатора ТрУ на сниженное на 10 % напряжение подмагничивания. По истечении установленной выдержки времени цепь подмагничивания магнитного усилителя переключается на напряжение, установленное регулятором напряжения Р, и на электрофильтр подается напряжение на 1 5 % меньше пробивного. Если после первого цикла понижения напряжения на электрофильтре пробои возобновляются, происходит повторное понижение напряжения, что продолжается до прекращения пробоев. В установившемся режиме электроагрегат работает до возникновения новых пробоев.  [14]

Максимальная величина мощности в управляемой цепи, при которой контакты реле еще работают надежно, является мощностью управления Ру. Мощность управления определяется параметрами контактов реле, переключающих управляемую цепь. Мощность, разрываемую контактами при определенном значении тока или напряжения без образования устойчивой электрической дуги, называют допустимой разрывной мощностью Рр, а отношение мощности управления к мощности срабатывания реле — коэффициентом управления / СУпр / 3у / / 3ср 1 — Динамические характеристики реле определяют процессы, происходящие в них в неустановившихся режимах. Основной динамической характеристикой электромагнитного реле является изменение тока в обмотке во времени.  [15]

Страницы:      1    2

Новости: Евразийская высоковольтная дуга — Эксперт

Перепалки на тему «Восток — Запад» возникают у нас частенько исходя из того, что Восток — это Россия и есть. Если бы так! Точнее, так это для Украины. А у России свой Восток: Япония, Китай, страны Центральной Азии.

Между тем исторически Россия усиливается, когда ее соседи с обеих сторон слабеют, и сталкивается с трудностями, когда те и другие в форме. Как мы вспоминали в прошлом номере «РР», с начала XIII века западные крестоносцы обосновались в дружественном нам Константинополе, а в монгольской степи возникла Орда. И вскоре Русь попала в длительную зависимость от нее. Освобождение произошло в результате упорной борьбы русских, но и по мере того как дробилась и слабела сама Орда.

А настоящий расцвет русского государства начинается, когда Восток невиданно слаб, а Петр I нейтрализует все угрозы с Запада.

Закономерности этого длинного исторического цикла ярче всего проявились в начале и конце XX века. В начале века были поочередно утеряны позиции на Востоке, когда была проиграна Русско-японская война, и на Западе — в ходе затяжной и неуспешной для нас Первой мировой. Все закончилось крахом империи и кратковременным распадом страны.

А в конце века, к удивлению многих, сбылся прогноз, сделанный американским социологом Рэндаллом Коллинзом в 1979 году. Он предрекал высокую вероятность распада СССР при наличии военного напряжения одновременно на Западе и на Востоке. Прогноз был воспринят в США недоверчиво. Но к концу того же года мы начали втягиваться в афганский конфликт, а еще через пару лет было введено военное положение в Польской Народной Республике, причем Советскому Союзу пришлось держать на западной границе усиленную военную группировку.

К чему сегодня об этом вспоминать, да еще в украинском контексте? Первые соображения на сей счет действительно возникли вне связи с событиями на Украине. Будем честны и трезвы: Запад, один из полюсов силы рядом с нами, похоже, выходит из очередного кризиса. Там копят инвестиционный потенциал, и на прошедшем Давосском форуме говорили о возвращении промышленности в США, Великобританию и Германию, откуда она особо и не уходила. А на другом полюсе у нас давно уж сильный Китай. Да, еще в Давосе можно было услышать от главы крупной китайской компании в сфере развлечений и недвижимости, что «США, Европа и Китай отличаются друг от друга по культуре, государственному устройству и языку. Но важнее всего не различия, а сотрудничество. Мы должны работать вместе». Ага. А мы?..

Будучи трезвы и честны, не станем и сгущать краски. Но не обращать внимания на обоюдную силу двух оппозитных нам полюсов тоже глупо. И вот начинаем рассуждать: да, Россия вновь меж двух мощных огней, но где же это проявилось? Экономика не в лучшем положении, но, может, виноваты мы сами? Где-то сами, а где-то и подтолкнули нас, но все же пока не экономика главный симптом геополитических проблем. Им является Украина.

Механизм, через который этой стране передается экономическое и геополитическое напряжение в Евразии, имеет две тяги. Западная тяга, зацепившись за Львов и отчасти за Киев, тянет Украину к себе в том процессе общего усиления западного полюса, который был отмечен выше. Восточная тяга держит открытой дверь в Таможенный союз. Но с обещанием закрыть эту дверь совсем, если западная тяга вытянет-таки из Украины соглашение об ассоциации с ЕС.

Это результат естественного стремления России определиться с союзниками в условиях, когда, оказавшись меж двух полюсов силы, она спешно консолидирует ресурсы и поддержку в рамках Таможенного союза с переходом к Евразийскому экономическому союзу (переговоры о его создании ведут РФ, Казахстан и Белоруссия). В ряде областей Украины хотели бы войти в эту дверь, в других однозначно сцеплены с западной тягой. Кто-то предпочел бы, чтобы от него вообще отстали, но так, к сожалению, уже не получится. Огромным успехом стало бы длительное перемирие в форме парламентско-президентской федерации.

А РФ может получить в итоге две зоны, требующие военного контроля своих границ. В Центральной Азии, где США выводят войска из Афганистана, де-факто предоставляя ШОС заниматься этим районом мира, и рядом с опасно нестабильной Украиной. Так трудно нам не приходилось со времен холодной войны, но тогда у страны была мощная экономика. Сегодня ясно, что повышенный оборонный бюджет не был данью чьему-то лоббизму и желанию поиграть мускулами. Неясно другое — приведет ли нашу страну это высокое напряжение в тонус или это будет труднопереносимый для нее удар током.

Дуги и искры высокого напряжения Страница

Фотография выше любезно предоставлена ​​Кейном Квиннеллом из Австралии. Это было почти его последнее. Вышеупомянутый удар молнии почти наверняка был «громом среди ясного неба». — относительно редкая положительная молния, которая исходит из верхней части грозового облака а не от отрицательно заряженного основания облака. Эти массивные разряды может путешествовать горизонтально, часто на чистом воздухе вдали от шторма, на расстояние до 35 миль от вершины главной гроза.Положительные молнии могут выдерживать пиковые токи до 340000 амперы, и они обычно имеют длительный «хвост» тока, который сохраняется в течение сотен миллисекунд. Это примерно в десять раз больше тока и в десять раз длиннее обычной (отрицательной) молнии. В результате положительный молния очень горячая и наносит значительный урон всему, в что попадает. Если ты будешь Вам не повезло стать целью одного из этих ударов монстра, вы ДЕЙСТВИТЕЛЬНО НЕ выжить.Если вы внимательно посмотрите на изображение выше, вы увидите маленький лидер поднимается из сарая, справа от главный ход. Вот некоторая дополнительная информация о «Bolts from the Blue», а ниже приводится описание Кейном того, что произошло его собственными словами: «Я случайно был на заднем дворе, наблюдая за штормом в пятницу. ночь (14.01.05), которая оказалась в нескольких километрах (я живу в Старом Тонгабби, и шторм, похоже, был в Пендл-Хилл или Грейстейнс, Австралия).Ставил настройки камеры так, чтобы шторка оставалась открылся на четыре секунды, положил его на задний бампер моей машины, надеясь чтобы сделать несколько снимков молний в облаках в нескольких километрах. Там дождя вообще не было, и звезды были видны над северной 1/3 небо, так что опасности я не чувствовал. Парень, я ошибся … НЕ ПРЕОЗНАЧАЙТЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ШТОРЫ — ВЫ МОЖЕТЕ ПОЛУЧИТЬ СЕБЯ УБИТ! Я щелкнул несколько раз, но ничего не получил, а затем щелкнул еще раз, и в пределах 0.5 секунд, когда я нажимал кнопку, у меня было подпрыгнул как минимум на 2 метра в воздух, так как я услышал очень громкий раскат грома, и увидишь этот удивительно яркий луч электричества прямо передо мной. Затем я приземлился, схватил камеру и внутри дома за 2 секунды. Я не осознавал, насколько мне повезло, пока не загрузил картинку на свой компьютер, и увидел штрих выноски, который, должно быть, больше не исходил чем в 2 метрах от того места, где я стоял рядом с машиной, под моим навес для машины.Если бы главный удар пришелся на лидера рядом со мной, а не на если бы это случилось, я был бы мертв. Когда ударяет молния, она сначала поднимается с земли (так называемый ход лидера), этот ход заставляет воздух внутри него проводящий, и как только он достигнет облака, у вас будет полная цепь, и молния спускается из облака вдоль лидера Инсульт. Первый лидер к облаку побеждает, к счастью, мой — нет. По моим оценкам, главный болт был примерно 1.5-2 метра в диаметре, и ударил что-то во дворе за навесом, что находится на позади двора. У этого был бы очень большой заряд, и было бы очень жарко, горячее, чем поверхность солнца, на 5500 градусов по Цельсию, это могло быть около 30 000 градусов Цельсия. Излишне говорить, что всю оставшуюся пятницу вечером я был в гуде, из-за количество адреналина, прошедшего через меня из-за того, насколько близко он подошел ». Кейн Куиннелл был одним из очень удачливых парней!

Электрические, высоковольтные дуговые вспышки: что нужно знать

Вы слышали о дуговой вспышке, но достаточно ли вы понимаете, чтобы защитить своих рабочих?

Вспышка дуги — тема, которая все чаще обсуждается в сфере безопасности и гигиены труда.И не зря, по данным Национальной ассоциации противопожарной защиты (NFPA), смертельные случаи из-за вспышки дуги в США происходят примерно один раз в день. И ежегодно из-за этих катастроф более двух тысяч рабочих попадают в ожоговые отделения реанимации.

Вспышка дуги представляет собой чрезвычайно опасное состояние на рабочем месте. Если у вас нет надлежащей программы безопасности, ваши работники могут подвергнуться этим опасностям. Давайте рассмотрим некоторые основы и посмотрим, что происходит во время вспышки дуги, а также как предотвратить опасные ситуации.

Что такое дуговая вспышка?

Электрическая дуга — это форма электрического разряда, который можно определить как световой электрический разряд между двумя электродами или другими точками. Управляемая электрическая дуга имеет много промышленных целей. Раннее уличное освещение широко использовало применение электрической дуги. И это принцип, который сегодня используют сварщики и аппараты плазменной резки.

Но когда происходит сбой системы, могут возникать непреднамеренные или неконтролируемые электрические дуги, такие как вспышка дуги, которая проходит через дуговой промежуток из-за неисправностей или короткого замыкания.

Согласно OSHA:

Вспышка дуги — это явление, при котором пробой электрического тока оставляет намеченный путь и проходит по воздуху от одного проводника к другому или к земле.

Вот как мы объясняем это в нашем интерактивном учебном курсе по дуговой вспышке ниже, который знакомит с концепцией дуговой вспышки.

Опасность дугового разряда

Вспышки дуги могут быть очень сильными по своей природе из-за выделяемого большого количества энергии.Поскольку вспышка дуги ионизирует воздух, температура может достигать или превышать 19 400 ° C (35 000 ° F). Это горячее, чем поверхность солнца!

Если люди находятся поблизости во время вспышки дуги, одежда может воспламениться, и из-за высоких температур могут возникнуть серьезные ожоги. Вторичные возгорания также могут возникнуть, если рядом с местом происшествия находятся горючие материалы.

Эти температуры также могут вызвать разжижение и испарение металлических деталей поблизости. Когда металл переходит из твердого состояния в газообразное, быстрое расширение может вызвать давление и взрыв или взрыв.Сильное энергетическое давление (2000 фунтов / кв.фут) излучается наружу и может поразить рабочих, как бомба, сбив их с ног или отбросив назад, часто вызывая компрессионные травмы. Ослепляющий свет, оглушительный шум, летящие осколки и расплавленный металл могут возникать в этих случаях дугового разряда.

Повреждения от дугового разряда

Из-за этих опасностей возможны смертельные исходы и серьезные травмы. Нередки ожоги значительной части тела третьей и второй степени, а также стойкие нарушения, такие как потеря зрения или слуха.

Тяжесть повреждения от дугового разряда зависит от:

1. Насколько близко человек к опасности
2. Температура, которой подвергался человек
3. Время разрыва цепи

Что вызывает дуговую вспышку?

Несколько факторов могут привести к вспышке дуги, в том числе:

• Накопление токопроводящей пыли
• Износ оборудования
• Инструмент упал
• Случайный контакт с частями под напряжением
• Конденсация на оборудовании
• Разрыв материала
• Коррозия
• Неправильная установка
• Отвлеченные или необученные рабочие

Один из способов подумать о причинах дуговых вспышек — разделить их на дуговые вспышки, вызванные людьми, и дуговые вспышки, вызванные не людьми.

Вот несколько способов, которыми люди могут вызвать дуговые вспышки:

А вот несколько способов возникновения дуговых вспышек без участия человека:

Как избежать вспышек дуги

Существует множество методов защиты рабочих от опасностей, связанных с вспышкой дуги и электрическим током. Большинство вспышек дуги можно предотвратить. Человеческая ошибка, такая как отвлечение рабочих или использование токопроводящих инструментов для выполнения работы под напряжением, приводит к множеству вспышек дуги.

Благодаря обучению по вспышке дуги, процедурам безопасности, оценке риска вспышки дуги, надлежащим средствам индивидуальной защиты и соответствующим токонепроводящим инструментам для работы под напряжением сотрудники могут избежать этих опасных условий. Регулярное техническое обслуживание, которое сводит к минимуму поломки оборудования, образование горючей пыли и коррозию, также может помочь предотвратить вспышку дуги.

Это не случайный процесс, позволяющий избежать вспышки дуги. Вместо этого Национальная ассоциация противопожарной защиты (NFPA) разработала систему, основанную на лучших научных данных и обеспечивающую максимальную защиту рабочих.

И, конечно же, самый безопасный способ — полностью устранить опасность. Необходима ли работа под напряжением для всех задач, которые выполняют ваши ремонтники? Можно ли вместо этого использовать блокировку / теги? Работодатели должны изучить действующие процедуры. Нередко можно обнаружить, что активная работа выбирается рабочими в качестве «ярлыка» вместо выполнения блокировки / блокировки.

Меры профилактики

Если необходимо выполнять работы под напряжением или сотрудники подвержены риску воздействия оборудования, находящегося под напряжением, вам необходимо ознакомиться с соответствующими стандартами безопасности.NFPA 70E — это национальный консенсусный стандарт электробезопасности на рабочем месте, в котором подробно описаны методы, которые работодатели должны использовать, когда работники должны выполнять работу под напряжением.

Среди этих шагов — определение соответствующих границ, которые должны соблюдать электротехники, поскольку обучение, СИЗ и другие меры защиты будут варьироваться в зависимости от присутствующих опасностей. Две границы конкретно относятся к опасности поражения электрическим током или поражения электрическим током, а третья предназначена для предотвращения вспышек дуги.

NFPA перечисляет три границы как:

• Граница ограниченного подхода
• Граница ограниченного подхода
• Граница вспышки дуги

В первых двух уровни напряжения определяют их границы. Их можно найти, обратившись к таблицам NFPA 70E.

Однако граница вспышки дуги требует более сложного анализа, который определяет присутствующие опасности вспышки и рассчитывает энергию падающего излучения, на основании которой разрабатываются методы безопасной работы, оборудование маркируется соответствующим образом и выбираются соответствующие средства индивидуальной защиты.

В NFPA 70E 2015 года перечислены два метода определения необходимых СИЗ для различных рабочих задач. Первый, метод категории Flash PPE использует таблицы, найденные в 70E, а второй, метод анализа энергопотребления, применяет подробные вычисления. NFPA позволяет использовать любой метод, но только один из них может использоваться для каждой единицы оборудования.

Если есть какие-либо вариации или отклонения от параметров, перечисленных в таблице NFPA, работодатели должны выбрать более сложный метод анализа энергопотребления.

Пример видео ниже из нашего онлайн-курса обучения дуговой вспышке начинает знакомство с граничными проблемами.

Но любой вариант позволяет работодателю найти соответствующие меры защиты работников. Выбор подходящих средств индивидуальной защиты от вспышки дуги, обучение рабочих и соблюдение правильных процедур безопасности могут предотвратить вспышки дуги и, в конечном итоге, спасти жизни и снизить риск травм.

Чтобы узнать больше об этих важных мерах защиты, выберите наш онлайн-курс «Введение в NFPA 70E», в котором описаны основные компоненты программы по электробезопасности на рабочем месте, а также важные детали о границах безопасности.В курсе также обсуждаются методы выбора СИЗ и требования к электрическому оборудованию, которые также охватываются NFPA 70E.

Вот образец курса Введение в 70E:

И для всех рабочих, подверженных опасности возникновения дугового разряда, выберите наш онлайн-курс по технике безопасности от дугового разряда, который знакомит с опасностями дугового разряда и представляет различные методы предотвращения и защиты от этих опасностей.

Заключение: дуговая вспышка представляет собой серьезную опасность со смертельным исходом на рабочем месте

Как вы видели, вспышка дуги — чрезвычайно опасное явление, но вы можете многое сделать, чтобы снизить риски на рабочем месте.Как всегда, меры по обеспечению безопасности должны начинаться с надежной системы управления безопасностью и здоровьем на работе и должны включать надлежащее обучение технике безопасности, процедуры и средства индивидуальной защиты.

И не забудьте рассмотреть наш онлайн-курс обучения дуговой вспышке и наш онлайн-курс обучения NFPA 70E.

Самый большой риск возникновения дуги при высоком или низком напряжении?

Рубашка, брюки и обувь достаточно удобны, чтобы их можно было носить как обычную рабочую одежду, когда они не подвергаются опасности дугового разряда.Североамериканский стандарт по электробезопасности на рабочем месте NFPA 70E 2018, где объясняется, как лучше всего защитить персонал с показателем выше 8 кал / см2:

“M.1.2 Полная система защитной одежды может быть выбрана с учетом защиты, обеспечиваемой всеми слоями одежды, которую носят. Например, для достижения рейтинга дуги 40 кал / см2 (167,5 Дж / см2) костюм дуговой разрядки с показателем дуги 40 кал / см2 (167,5 Дж / см2) можно носить поверх хлопковой рубашки и хлопковых брюк. В качестве альтернативы подойдет дуговая вспышка с плотностью 25 кал / см2 (104.7 Дж / см2) можно носить поверх рубашки с защитой от дуги и брюк с номинальной дугой с номинальной дугой 8 кал / см2 (33,5 Дж / см2) для достижения общей дуги системы 40 кал / см2 (167,5 Дж / см2). Этот последний подход обеспечивает требуемый номинал дуги при меньшем весе и с меньшим количеством слоев ткани и, следовательно, обеспечит требуемую защиту с более высоким уровнем комфорта для рабочего ».

2. Как правило, практически нецелесообразно внедрять инженерные решения для снижения падающей энергии ниже 8 кал / см2. Мы предоставляем нашим клиентам индивидуализированные указания относительно того, что разумно практически осуществимо, в рамках наших отчетов об исследованиях дугового разряда.Это указание призвано помочь им понять, что от них требуется в соответствии с законодательством Великобритании.

Размер выборки и отрасль

Я начал с случайного выбора 5 исследований вспышки дуги, которые мы недавно завершили. Подавляющее большинство наших исследований дугового разряда проводится в частных сетях, принадлежащих крупным компаниям. Площадки были выбраны из следующих отраслей: производство оборудования; Добыча полезных ископаемых; Фармацевтические препараты; Аэрокосмическая промышленность; и еда.Я попытался выбрать репрезентативную выборку электрических сетей, которые мы видим в Великобритании.

Анализ

Следующие графики показывают результаты моего анализа:

Если мы посмотрим на график напряжений на Графике 1, то увидим, что средняя падающая энергия низковольтных цепей с «высокой» падающей энергией выше, чем средняя «высокая» падающая энергия цепей высокого напряжения во всех изученных случаях. Принимая во внимание, что уровень падающей энергии определяет серьезность опасности дугового разряда при использовании стандарта IEEE 1584.

На диаграмме напряжения на Графике 2 мы можем видеть, что на каждом объекте, который мы рассматривали, было больше цепей низкого напряжения, чем цепей высокого напряжения, где падающая энергия превышала 8 кал / см ² . С точки зрения воздействия, на каждом участке существует больше цепей «высокой» падающей энергии на НН, чем на ВН. Электротехнический персонал также с большей вероятностью будет выполнять действия на низковольтном оборудовании, которые могут привести к вспышке дуги. Вот некоторые общие примеры действий, при которых персонал может подвергнуться вспышке дуги (в зависимости от состояния и конструкции оборудования):

• Срабатывание выключателя или выключателя с предохранителем при закрытых дверях корпуса
• Срабатывание выключателя или выключателя с предохранителем при открытых дверцах корпуса
• Работы с частями под напряжением или рядом с ними, включая испытание напряжением
• Установка или снятие (выкатывание) автоматических выключателей в ячейки с открытыми дверцами или из них
• Установка или удаление выдвижных отсеков (например,грамм. распределительные щиты и центры управления двигателями) с открытыми дверьми
• Снятие крышек на болтах (чтобы обнажить оголенные части под напряжением)
• Открытие откидных крышек (для обнажения оголенных частей, находящихся под напряжением)

Другой график показывает нам процент низковольтных цепей с «высокой» падающей энергией. На 5 участках в среднем 20% низковольтных цепей имели «высокую» падающую энергию.

Заключение

Глядя на данные, мы видим, что представление о том, что высокое напряжение представляет более высокий риск возникновения дуги, чем низкое напряжение, неверно.Степень опасности возникновения дугового разряда в среднем выше на НН, чем на ВН. Электротехнический персонал, работающий в типичной промышленной или коммерческой среде, сталкивается с потенциальной опасностью вспышки дуги чаще на НН, чем на ВН.

Мы провели оценку вспышек дуги для таких брендов, как Honda Racing и Northern Powergrid, а также для небольших местных компаний.

Хотите бесплатную предварительную оценку вспышки дуги? Заявите здесь.

Мы также проводим обучение по вспышке дуги, чтобы помочь работникам понять и провести оценку рисков на месте.

Решения по очистке воздуха для высоковольтной передачи энергии | ARC Advisory

Siemens Energy и Mitsubishi Electric подписали Меморандум о взаимопонимании (МоВ) для проведения технико-экономического обоснования совместной разработки решений по переключению высокого напряжения с нулевым потенциалом глобального потепления (GWP), которые заменяют парниковые газы чистым воздухом. изоляция. Обе компании будут исследовать методы расширения применения технологии изоляции чистого воздуха до более высоких напряжений.Они начнут с автоматического выключателя с внутренним баком на 245 кВ, который ускорит доступность климатически нейтральных высоковольтных коммутационных решений для клиентов по всему миру. Оба партнера продолжат независимо производить, продавать и обслуживать распределительные устройства.

Siemens Energy и Mitsubishi Electric являются пионерами в разработке решений для коммутации высокого напряжения. Обе компании работают над разработкой коммутационных решений с газовой изоляцией, не содержащих SF6, которые заменяют парниковый газ чистым воздухом, чистой смесью азота и кислорода, чтобы способствовать глобальным целям углеродной нейтральности.На сегодняшний день изоляция из чистого воздуха является единственной альтернативой парниковым газам и, следовательно, не представляет никаких рисков для здоровья и безопасности. В сочетании с вакуумными выключателями обеспечивается более высокая производительность для коммутационных устройств, даже по сравнению со всеми известными элегазовыми выключателями.

На большинстве подстанций в мире гексафторид серы (SF6) — самый мощный парниковый газ в мире с потенциалом глобального потепления примерно в 23 500 раз больше, чем CO2, — по-прежнему является предпочтительным изоляционным газом.Даже при очень небольшом количестве утечек влияние на глобальное потепление является значительным. В свете стремления к глобальной декарбонизации спрос на альтернативы растет, поскольку операторы ищут перспективные технологии, которые значительно сокращают углеродный след их систем. В то же время правила по сокращению или запрещению использования фторсодержащих газов в электротехнической промышленности пересматриваются и внедряются в различных частях мира.

Оценка высоковольтной дуги и ее применение, часть 1

Защита рабочих коммунальных служб и другого рабочего персонала, который подвергается линейному напряжению выше 15 кВ на электрических установках под напряжением, имеет решающее значение.По этой причине и для обеспечения соответствия нормам OSHA опасность вспышки дуги должна быть оценена и изучена на каждом предприятии с электрической установкой. Вспышка дуги вызывает чрезвычайно высокие температуры, интенсивный тепловой поток и излучение, высокий уровень шума в дБ и волны давления дугового разряда. Сильный жар и радиация могут воспламенить одежду и вызвать серьезные ожоги.

Были предложены различные методы для расчета уровней тепловой падающей энергии высоковольтной дуги (HVAF), включая IEEE 1584-2002, метод Ли и калькулятор Duke’s HFC.В этой статье рассматриваются методы, полученные в результате испытаний Института электроэнергетики (EPRI), а также методы, основанные на исследованиях В.В. Terzija и H.J. Konglin. Эти методы служат основой для расчетов вспышки дуги в примерах, и мы подробно объясняем, как они соотносятся с нормативными требованиями OSHA и NESC.

Несколько ключевых движущих факторов ответственны за падающую энергию, вызванную вспышкой высоковольтной дуги. К ним относятся, среди прочего, зазор между проводниками, ток короткого замыкания, напряжение дуги и продолжительность воздействия (время горения дуги).Влияние каждого параметра в расчетах объясняется, чтобы помочь читателю применить методы.

В воздушных линиях электропередачи и распределительных линиях зазор между проводом и землей является наиболее вероятным местом возникновения дуги. В этой статье основное внимание уделяется дуговым замыканиям между фазой и землей на открытом воздухе; тем не менее, трехфазные дуговые замыкания в закрытом оборудовании (от 15 кВ до 36 кВ) также обсуждаются в связи с распространением систем коллектора возобновляемой энергии. Мы исследуем различия между методами, чтобы помочь избавиться от неправильных представлений о правилах и доступной методологии для выполнения расчетов аварийной энергии HVAF.

Нормативные требования

Вспышка дуги была определена регулирующими органами OSHA как серьезная опасность, требующая незамедлительных действий по ее устранению. Статья 1910.335 OSHA гласит: « для предупреждения и защиты сотрудников от опасностей, которые могут привести к травмам в результате поражения электрическим током, ожогов или выхода из строя частей электрического оборудования. ”

В разделе 5 (a) (1) Закона о безопасности и гигиене труда 1970 года OSHA требует, чтобы работодатели обеспечивали безопасное рабочее место для всего работающего персонала: « Работодатели обязаны предоставлять своим работникам бесплатное место работы. от признанных опасностей, которые вызывают или могут привести к смерти или серьезному ущербу.’”

OSHA 1910.333 (a) (1) утверждает:

Токоведущие части, воздействию которых может подвергнуться работник, должны быть обесточены до того, как работник будет работать на них или рядом с ними, если только работодатель не сможет продемонстрировать, что отключение питания создает дополнительные или повышенные опасности или является невозможным из-за конструкции оборудования или эксплуатационных ограничений. Токоведущие части, которые работают при напряжении ниже 50 вольт относительно земли, не нуждаются в обесточивании, если не будет повышенного воздействия электрических ожогов или взрыва из-за электрической дуги.

NFPA 70E NEC подчеркивает необходимость определения опасности вспышки дуги и необходимых мер по ее снижению. Перефразируя NFPA 70E-2018, статья 130.5, Оценка риска вспышки дуги: Оценка риска вспышки дуги должна быть выполнена и должна: (1) Определить, существует ли опасность вспышки дуги. Оценка риска должна определять: (a) соответствующие методы работы, связанные с безопасностью, (b) границу вспышки дуги, (c) СИЗ, которые будут использоваться в пределах границы вспышки дуги. (2) Будьте в курсе, когда происходят серьезные изменения или обновления.Он должен периодически пересматриваться с интервалом, не превышающим 5 лет, для учета изменений в системе распределения электроэнергии, которые могут повлиять на результаты оценки риска вспышки дуги. (3) Примите во внимание конструкцию устройства защиты от сверхтоков и время его срабатывания, включая условия обслуживания.

В этой статье подчеркиваются требования электробезопасности коммунального хозяйства, содержащиеся в OSHA 29 CFR 1910, подраздел R (1910.269). Хотя коммунальные предприятия могут владеть и эксплуатировать многие объекты, подпадающие под действие NFPA 70E, и, таким образом, могут следовать приведенным там руководящим принципам для расчетов аварийной энергии, большинство систем передачи и распределения выходят за рамки этого контекста.

Подобно требованиям к вспышке дуги на промышленных и коммерческих объектах, коммунальные предприятия следуют NESC (ANSI / IEEE C2-2017) в отношении руководства по оборудованию, которое выходит за рамки NFPA 70E. Раздел 410A3 гласит:

Начиная с 1 января 2009 года, работодатель должен обеспечить проведение оценки для определения потенциального воздействия электрической дуги на сотрудников, которые работают с частями или оборудованием, находящимися под напряжением, или рядом с ними. Если оценка определяет, что существует потенциальное облучение сотрудников более 2 кал / см ² , работодатель должен потребовать от сотрудников носить одежду или систему одежды, эффективная мощность дуги которой не ниже ожидаемого уровня энергии дуги.

Далее стандарт гласит:

Когда выполняется анализ вспышки дуги, он должен включать расчет расчетной энергии дуги на основе имеющегося тока короткого замыкания, продолжительности дуги (циклов) и расстояния от дуги до работника.

Подводя итог, нормативные требования гласят, что безопасное рабочее место должно быть обеспечено в промышленных и коммерческих приложениях (регулируется NFPA-70E) и в приложениях для передачи и распределения коммунальных услуг (регулируется NESC).Однако, хотя в некоторых стандартах указаны конкретные методы HVAF в качестве примеров, дающих разумные результаты, они, безусловно, не являются обязательными.

Например, OSHA 1910.269 Приложение E, Раздел III, Таблица 2 и Таблица 3 предоставляют примеры конкретных методов, которые можно использовать для обоснованного расчета падающей энергии HVAF. Тем не менее, OSHA разъяснила в официальном письме о толковании, что «OSHA никогда не предполагала, что методы расчета, перечисленные в настоящее время в Приложении, будут единственными методами, которые работодатели могут использовать для соответствия стандарту.Фактически, примечания 1–29 CFR 1910.269 (1) (8) (ii) конкретно предусматривают, что «[] n работодатель может выбрать метод расчета падающей тепловой энергии, не включенный в приложение E» , если метод used «обоснованно предсказывает энергию инцидента, которой может подвергнуться сотрудник». Эта информация, которая цитируется непосредственно из письма с толкованием Министерства труда, безопасности и гигиены труда США, является основной причиной для изучения альтернативных методов, которые могли бы обеспечить разумные оценки аварийной энергии от электрической дуги.

Методология

Исследования и стандарты, разработанные в предыдущие десятилетия, были сосредоточены в основном на том, как рассчитать энергию вспышки дуги для закрытых трехфазных систем низкого и среднего напряжения (от 0,208 до 15,0 кВЛН). Публикуется или освещается гораздо менее подробная информация о тепловой энергии, производимой за счет длинных промежутков в проводниках, которые более распространены в высоковольтных системах. Чтобы проверить методы, доступные в то время (а также из-за требований, предъявляемых к коммунальным предприятиям в 2009 году), EPRI запросил исчерпывающий набор тестов и экспериментов.Это привело к разработке эмпирических уравнений, которые можно было использовать для проверки существующих методов.

Экспериментально выведенные уравнения (1) — (5) из EPRI TR-1022632 обеспечивают метод расчета падающей энергии и могут быть эффективно использованы для определения теплового потока и падающей энергии для дуговых замыканий на открытом воздухе, между фазой и землей в воздушные системы распределения и передачи электроэнергии. Первое уравнение определяет градиент напряжения, который является функцией зазора и тока дуги.

Уравнение (1) должно решаться вместе с уравнением (2) с использованием основных итерационных процедур.

(1)

Где:

Eave Средний градиент напряжения (кВ / м)

G Длина зазора между проводниками (м)

Iarc Ток дуги (кА, действ.)

Напряжение дуги (действующее значение) можно определить с помощью уравнения (2) с градиентом напряжения и длиной зазора между проводниками.

(2)

Где:

Varc Напряжение дуги (Вольт, действ.)

Мощность дуги легко определить после того, как итерационный процесс определил значения тока и напряжения дуги.

(3)

Где:

P arc Мощность дуги (МВт)

Уравнение потока энергии (4) учитывает влияние зазора и тока дуги на теплопередачу на определенном рабочем расстоянии.

(4)

Где:

Ф Поток тепловой энергии (кал / (с * см2)

D Рабочее расстояние (фут)

с Секунды

Уравнение падающей энергии (5) может быть скорректировано на основе статистического анализа измерений энергии.

(5)

Где:

Вт Падающая тепловая энергия (кал / см2)

T Продолжительность воздействия дуги (секунды)

n Статистический множитель

σ Стандартное отклонение

Подобно методу из EPRI TR-1022632, другие международные исследования привели к разработке альтернативных представлений длинных дуг на открытом воздухе. Подобные уравнения, основанные на исследованиях Terzija и Konglin, можно использовать для определения градиента напряжения дуги, тока дуги, сопротивления дуги, мощности дуги и энергии, как описано уравнением (6) через уравнение (11).

(6)

Где:

R дуга Сопротивление дуги (Ом)

U a Величина напряжения дуги (В)

I arc Ток дуги (А)

(7)

Где:

E a Градиент напряжения дуги (В / метр)

L Длина зазора (метры)

Подставляя уравнение (7) в уравнение (6):

(8)

Используйте уравнение (9), чтобы определить U _a :

(9)

Где:

B Градиент напряжения (вольт / метр)

I дуга Ток дуги (амперы)

Мощность и энергия дуги находятся с помощью уравнения (10) и уравнения (11):

(10)

(11)

Где:

T arc Продолжительность воздействия дуги (секунды)

Падающая энергия может быть определена с помощью уравнения (7) и уравнения (8), разработанного на основе R.Уилкинса для различных комбинаций a и k (которые зависят от размера коробки и ориентации электродов) и x (который является функциональным зазором и величиной тока дуги):

(12)

Для дуг на открытом воздухе применяется уравнение 12, поскольку дуга свободно расширяется по сравнению с дугами, ограниченными закрытым оборудованием.

Для дуг в закрытом оборудовании (т. Е. В распределительном устройстве) размер коробки учитывается для определения коэффициентов отражательной способности a и k Уилкинса.Эти значения используются для учета эффекта отражательной способности корпуса.

(13)

Где:

E Падающая энергия (Джоуль / см2)

E arc Энергия дуги (Джоули)

d Рабочее расстояние (мм)

a Коэффициент отражательной способности «a» Уилкинса

k Коэффициент отражательной способности «k» Уилкинса

x Коэффициент экспоненты расстояния

Параметры a, k и x определяются на основе матрицы комбинаций зазора между проводниками, которые оптимизируются на основе оценки результатов.

Основная предпосылка этих двух методов, которые с этого момента называются методами EPRI и Terzija / Konglin, заключается в том, что дуги высокого напряжения на открытом воздухе могут быть представлены математически с использованием среднеквадратичных эквивалентов напряжения и тока дуги. Эти эквивалентные среднеквадратичные градиенты тока и напряжения могут быть получены с помощью спектрального анализа измеренных форм сигналов однофазных дуг на открытом воздухе. Гармонический спектр, полученный с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ), можно использовать для создания среднеквадратичных сигналов для напряжения, которые могут быть в некоторой степени эквивалентны сигналам прямоугольной формы.Типичные формы высоковольтных сигналов можно представить в виде прямоугольной волны (рис. 1).

Рисунок 1: Формы сигналов Varc (Ua), Iarc (ia) и Parc (Па)

Согласно Terzija / Konglin, градиент напряжения можно аппроксимировать с помощью прямоугольной формы волны; однако, согласно EPRI, градиент напряжения изменяется, и, таким образом, модель прямоугольной формы волны не может смоделировать все комбинации тока дуги и зазора между проводниками. Пример этого показан на рисунке 2, где мгновенная форма волны напряжения не совсем похожа на прямоугольную волну, но имеет непрерывное затухание от точки, где зажигается дуга, до точки, где дуга гаснет из-за пересечения нуля.

Рисунок 2: Формы сигналов Total V (красный), Varc (синий) и Iarc (зеленый)

На рис. 2 представлена ​​осциллограмма напряжения дуги. Прямоугольная форма волны была наложена на форму волны напряжения дуги, чтобы показать, что фактическая форма волны подобна прямоугольной форме волны, но значительно варьируется в зависимости от зазора и тока. Метод EPRI в уравнениях (1) — (5) учитывает влияние различных зазоров и токов дуги. Тот же эффект может быть добавлен к уравнению (7) для чувствительности метода Терзия / Конглина к разной длине зазора.

Представленные модели применимы к однофазным дуговым коротким замыканиям на открытом воздухе, которые по статистике имеют наибольшую вероятность возникновения в высоковольтных энергосистемах. Однако трехфазные дуговые замыкания также возникают в закрытом оборудовании, работающем при напряжениях выше 15 кВ (вне диапазона IEEE 1584 2002 или 2018), для которого необходимо выполнить расчет падающей энергии. Не существует стандарта для расчета трехфазных дуг напряжением выше 15 кВ, но в качестве возможных решений появились два метода.

Первый метод — адаптировать методы расчета, подобные методам EPRI и Terzija / Konglin, для консервативного моделирования трехфазных замкнутых дуг. Второй предложенный метод, основанный на T.A. Short, использует расширение уравнений метода IEEE 1584-2002 для определения падающей энергии в закрытом трехфазном оборудовании. Для преобразования однофазной дуги в многофазную предлагается множитель от 1,75 до 2,5. Размеры корпуса, конфигурация электродов и рабочее расстояние — все это факторы, влияющие на коэффициент преобразования.

Сравнение методов расчета

Описанные выше методы — это только два из нескольких методов, которые можно использовать для получения разумной оценки падающей энергии, генерируемой однофазной дугой на открытом воздухе. OSHA 1910.269 Приложение E, Раздел III, Таблица 2 и Таблица 3 предоставляют дополнительные примеры разумных методов определения уровней падающей энергии от пламени и электрической дуги, необходимых для выбора СИЗ. Приложение E не дает прямых рекомендаций или подразумевает, что перечисленные методы должны использоваться исключительно для определения падающей энергии.Эти таблицы предназначены для предоставления примеров методов, которые могут дать разумные результаты.

Слово «разумный» было добавлено в эти таблицы в ответ на заявление в IEEE 1584-2002, в котором метод Ли перечисляется как приемлемый для определения энергии дугового разряда для систем с напряжением выше 15 кВ. По иронии судьбы, ссылка на метод Ли была удалена из последней редакции IEEE 1584-2018, потому что включение этого текста в Приложение E вызвало путаницу — это было неверно истолковано как требование.Фактически, альтернативные методы, основанные на реальных результатах испытаний, использовались для уточнения некоторых результатов, перечисленных в Приложении E, и могут быть включены в будущие редакции правил OSHA.

Чтобы доказать, что несколько доступных методов дают аналогичные и разумные результаты, был проведен всесторонний сравнительный анализ, чтобы наблюдать, как результаты падающей энергии каждого метода изменяются в зависимости от параметров развертки, которые включают разные зазоры, напряжения, токи короткого замыкания и рабочие расстояния. В этом разделе представлена ​​лишь небольшая выборка из тысяч сравнений, выполненных для шести различных методов (включая тот, который не может быть раскрыт, поскольку он не является общедоступным приложением и поэтому был исключен из сравнений).Хорошей отправной точкой для сравнительного анализа является следование расчетам, выполненным для получения данных в Таблице 410-2 и Таблице 410-3 NESC C2-2017. На рисунке 3 сравниваются пять методов:

• EPRI
• Terzija / Konglin
• Теоретически выведенный Ли (включен для иллюстрации)
• Калькулятор теплового потока Duke
• ArcPro V3.0.

Диапазон напряжения составляет от 1,0 кВ до 46 кВ, рабочее расстояние составляет 15 дюймов, а зазоры варьируются в соответствии с примечаниями в таблице 410-2.Ток короткого замыкания для всех расчетов составляет 5,0 кА. Продолжительность воздействия дуги варьируется для отображения нормализованного воздействия 4 кал / см2 и берется из таблицы. Материал электрода — нержавеющая сталь (поэтому эффект эрозии электрода не учитывается).

Сравнение показывает, что в диапазоне от 1,1 до 46 кВ разница между результатами составляет примерно 1,6 кал / см2 или меньше (от максимального к минимальному). Горизонтальная линия представляет собой нормированное целевое значение энергии в 4 калории. Метод Ли в большинстве случаев дает гиперболический результат почти в 20 раз выше и оказывается нецелесообразным для всех приложений с напряжением выше 15 кВ.

Рисунок 3: Сравнение пяти 1-P Arc I.E. Методы — 4 кал

Рисунок 4: Сравнение четырех 1-P Arc I.E. Методы — 4 кал

На рис. 4 показаны дальнейшие сравнения для более длинных промежутков и более высоких токов короткого замыкания. Это сравнение было выполнено на основе параметров, выбранных для генерации NESC C2-2017, Таблица 410-3. Напряжение варьируется от 1,0 до 500 кВ, рабочие расстояния и зазоры между проводниками определяются на основе минимального расстояния сближения, а для напряжения оборудования используются сведения, указанные в сносках таблицы 410-3.Уравнение (14) и уравнение (15) были использованы для определения некоторых рабочих расстояний и зазоров между проводниками:

(14)

(15)

Где:

Зазор LG Зазор между проводниками (мм)

WD LG Рабочее расстояние между фазой и землей
(дюймы)

MinAppDist Минимальное расстояние подхода
без инструментов (футы)

В LL Линейное напряжение (кВ)

На рисунке 4 сравниваются только четыре метода, так как включать метод Ли нецелесообразно.Тенденция данных показывает, что результаты всех четырех методов уменьшаются или увеличиваются в зависимости от изменений зазора и рабочего расстояния, необходимых для более высоких напряжений. Результаты всех четырех методов выше эталонного значения 4 калорий между 121 и 362 кВ. Наибольшая разница в падающей энергии между методами составляет примерно 1,16 кал / см2 или меньше.

Тенденции аналогичны для других эталонных значений падающей энергии и других комбинаций зазоров и токов короткого замыкания. NESC C2-2017 Таблица 410.3 включает более высокие эталонные значения падающей энергии. На рисунке 5 показан сравнительный анализ результатов для 20 кА доступного тока короткого замыкания с 8-калорийной системой отсчета. Подобно тенденции, показанной на Рисунке 4, результаты падающей энергии для результатов с более длинным зазором обычно выше эталонных. Наибольшая разница в падающей энергии между методами составляет 2,2 кал / см2 или меньше.

Рисунок 5: Сравнение четырех 1-P Arc I.E. Методы — 8 кал

Как упоминалось ранее, трехфазные замкнутые дуги представляют большой интерес, особенно между 15 и 36 кВ.На рисунке 6 показан сравнительный анализ четырех методов применительно к этому условию. Для сравнения использовались типовые размеры распределительного устройства среднего напряжения. Высота, ширина и глубина составляют 1143 мм, 762 мм и 762 мм соответственно для уровней напряжения выше 15 кВ. Для оборудования 5 кВ было использовано 914 мм для всех трех размеров. Для всех образцов сравнения использовалось рабочее расстояние 36 дюймов. Продолжительность воздействия дуги для всех образцов составила 200 мс. Ток короткого замыкания 10 кА. Зазор между проводниками варьировался от 4 до 12 дюймов (4 дюйма при 5 кВ, 6 дюймов при 15 кВ, 9 дюймов при 25 кВ и 12 дюймов при 35 кВ).

Рисунок 6: 3-P закрытый I.E. Сравнение четырех методов

Результаты однофазной дуги EPRI, Terzija / Konglin и ArcPro для многофазной дуги были скорректированы с использованием коэффициента умножения 2,0. Падающая энергия, полученная от ArcPro, по-видимому, была преобразована с использованием постоянного множителя 1,75 для перехода от трехфазной дуги на открытом воздухе к трехфазной закрытой среде. Методы EPRI и Terzija / Konglin были преобразованы в закрытые условия с использованием коэффициентов отражательной способности, разработанных на основе R.Wilkin и другие закрытые источники информации, на которые нельзя ссылаться.

Разброс в расчетах падающей энергии намного выше для трехфазных замкнутых дуг и может достигать 50 процентов от высокого к низкому на основании сравнений на Рисунке 6. Разница зависит от размеров корпуса, ориентации электродов, расстояния между электродами и задней стенкой, расстояния между электродами и нижней поверхностью корпуса и рабочего расстояния.Чтобы учесть некоторые из этих дополнительных источников вариаций, коэффициенты отражательной способности, применяемые к методам EPRI и Terzija / Konglin, были разработаны для получения более консервативных результатов.

Новый стандарт IEEE 1584-2018 ввел новый поправочный коэффициент для размера корпуса, но на первый взгляд новые уравнения IEEE 1584-2018 не могут быть расширены для применения при напряжениях выше 15 кВ (в отличие от их предшественников). Похоже, что уравнения тока дуги коллапсируют, давая нереалистичные результаты при входном напряжении выше 22 кВ.Однако, если входное напряжение поддерживается на максимальном уровне 22 кВ, можно расширить сравнительный анализ, включив в него этот новый метод, как показано на рисунке 7. Обратите внимание, что результаты метода IEEE 1584-2018 были получены с использованием следующие предположения:

• Горизонтальный провод в коробке (HCB)
• Размеры 914 мм x 914 мм x 914 мм для 5 кВ
• Размеры 1143 мм x 762 мм x 762 мм для 15 кВ и выше
• Зазоры 4 дюйма при 5 кВ, 6 дюймов при 15 кВ, 9 дюймов при 22 кВ и 12 дюймов при 22 кВ (решение по току дуги невозможно при входном напряжении более 22 кВ.)

Рисунок 7: 3-P закрытый I.E. Сравнение, включая IEEE 1584-2018

Это последнее сравнение показывает, что изменения в ориентации электродов в оборудовании среднего напряжения имеют значительный эффект, который не может быть хорошо уловлен с помощью моделей с однофазной дугой, адаптированных к трехфазным закрытым условиям. Рисунок 7 также показывает, что дополнительных консервативных факторов может быть достаточно для консервативной оценки падающей энергии из-за многих изменений параметров, которые могут оказать существенное влияние на тепловую передачу падающей энергии.

Сравнительный анализ, проведенный для определения того, какой метод может обеспечить приемлемые результаты по падающей энергии, был обширным. Другой пример этих усилий можно увидеть на Рисунке 8, который был воссоздан на основе сравнительного анализа, выполненного Аммерманом, Гаммоном, Сеном и Нельсоном. На рис. 8 изначально были включены только результаты вычислителя теплового потока Duke, ArcPro V2.0 и результаты IEEE 1584-2002 для трехфазного короткого замыкания на открытом воздухе. Представленная здесь диаграмма включает два дополнительных метода, применяемых при идентичных входных параметрах.Зазор между проводниками составляет 6 дюймов, что важно для этого сравнения, поскольку оно показывает, что даже при небольших зазорах все четыре модели могут давать очень близкие результаты. Кроме того, по оси абсцисс показан доступный ток повреждения, который варьируется от 5 кА до примерно 45 кА (очень высокий для высоковольтных приложений). Рабочее расстояние, использованное для сравнения, составляло 30 дюймов, а продолжительность воздействия дуги (время дуги) была установлена ​​на 0,2 секунды.

Рисунок 8: 3-P Open-Air I.E. Сравнения

Корреляция между методом EPRI и ArcPro V2.0 — не более 1,0 кал / см2 для результата 45 кА. Также можно заметить, что наименьшее значение имеет метод Терзия / Конглина. Этого можно было ожидать, поскольку этот метод был разработан для представления длинных промежутков. Ни в одном из методов однофазной дуги не используется коэффициент преобразования для преобразования результата в многофазную дугу.

Заключение

Основной целью Части 1 этой статьи было исследование и сравнение различных методов расчета падающей энергии от электрических дуг высокого и среднего напряжения.Анализ результатов, представленных на рисунках 3, 4 и 5, показывает, что несколько методов могут использоваться для расчета падающей энергии, генерируемой дуговыми замыканиями на открытом воздухе, линия-земля для систем в пределах диапазона таблиц NESC 410-2. и 410-3.

В части 2 этой статьи будут подробно обсуждаться ключевые факторы, которые непосредственно влияют на энергию вспышки дуги, а также рекомендации по использованию средств индивидуальной защиты для различных сценариев. Будет проанализирован конкретный пример из реальной жизни, чтобы показать важность исследований вспышки высоковольтной дуги для приложений электроснабжения.

Список литературы

EPRI TR – 1022632, Проблемы дугового разряда в среде передачи и подстанции: результаты испытаний с длинными дугами . Исследовательский институт электроэнергетики, Пало-Альто, Калифорния, 2011 г.

IEEE Std. 1584b – 2011, Руководство IEEE по выполнению расчетов опасности дугового разряда. IEEE, Нью-Йорк, Нью-Йорк.

IEEE Std. 1584–2018 D6, Утвержденный проект руководства по расчету опасности дугового разряда. IEEE, Нью-Йорк, Нью-Йорк.

IEEE Std. 1584–2002, Руководство IEEE по выполнению расчетов опасности дугового разряда. IEEE, Нью-Йорк, Нью-Йорк.

NESC C2–2017, Национальный кодекс электробезопасности. IEEE, Нью-Йорк, Нью-Йорк.

OSHA 1910.33, Требования администрации по охране труда. Управление по охране труда и технике безопасности Министерства труда США.

NFPA 70–2017, Национальный электротехнический кодекс , NFPA, Куинси, Массачусетс.

NFPA 70E – 2018, Стандарт по электробезопасности на рабочем месте , NFPA, Куинси, Массачусетс.

Инженеры центральной станции, Westinghouse Electric Corp., Справочник по передаче и распределению электроэнергии . Westinghouse Electric Corp., Ист-Питтсбург, Пенсильвания, 1964.

Федеральная комиссия по регулированию энергетики, «Стратегический план на 2018–202 годы». Сентябрь 2018.

Глоссарий терминов, используемых в стандартах надежности NERC, июль 2018 г.

Парсонс и Маррокин, «Основы для выбора технологии смягчения последствий энергопотребления», представленная на конференции IEEE IAS ESW , Форт-Уэрт, Техас, 2018.

Р. Ф. Аммерман, Т. Гаммон, П. К. Сен и Дж. П. Нельсон, «Сравнительное исследование моделирования дуги и воздействия энергии при падении дуги». Техническая конференция IEEE по нефтяной и химической промышленности, 2008 г.

Р. Уилкинс, «Простые улучшенные уравнения для анализа опасности дугового разряда». Интернет на форуме по электробезопасности IEEE: https://www.ieeecommunities.prg/ieee.esafety. 30 августа 2004 г.

Т. А. Шорт, «Подходы к анализу вспышки дуги для распределения среднего напряжения». Конференция по сельской электроэнергетике, май 2009 г.

Т. А. Шорт, «Подходы к анализу дугового разряда для распределения среднего напряжения». Транзакции IEEE в отраслевых приложениях , Vol. 47, No. 4, pp. 1902–1909, июль / август 2011 г.

Transpower TP.DS.62.01, C зазоры и расстояния между проводниками — и безопасный доступ для распределительных устройств переменного тока . Выпуск 3, фев 2009.

В.В. Терзия и Х. Дж. Конглин, «Длинная дуга в свободном воздухе: лабораторные испытания, моделирование, моделирование и оценка параметров модели». IEE Proceedings — Generation, Transmission and Distribution , Vol 149, No.3, pp. 319-325, May 2002.

В.В. Терзия и Х.Дж. Конглин, «Новый подход к расчету сопротивления дуги». Зимнее собрание энергетического общества IEEE, февраль 2001 г.

Рабочая группа D8, «Обоснование пилотной защиты линий электропередачи», IEEE Power Engineering Society, 2008.

Альберт Маррокен, BSEE, PE , Старший член IEEE, — вице-президент по валидации и проверке и старший главный инженер-электрик в ETAP.Зарегистрированный профессиональный инженер в штате Калифорния, он является главным разработчиком и менеджером по продукции ETAP по дуговым вспышкам переменного и постоянного тока, членом рабочей группы IEEE 1584 и IEEE 1458, а также активным участником семинаров и встреч NFPA 70E.

Абдур Рехман, BSEE, MSEE, PE , является супервайзером по эксплуатации реле в Puget Sound Energy, где он возглавляет группу специалистов по реле, которые обслуживают, устраняют неисправности и вводят в эксплуатацию системы защиты на всей территории PSE.Абдур обладает богатым опытом работы с высоковольтными системами защиты и провел различные исследования энергосистем, расследования громких инцидентов, устранение неисправностей и проведение RCA.

Али Мадани, BSEE , является ведущим инженером по энергетическим системам в AllumiaX Engineering. Али выполнил различные исследования энергосистем, включая моделирование, исследования короткого замыкания, координации и вспышки дуги для различных объектов низкого и среднего напряжения.

Оптимизированная конструкция высоковольтной печатной платы для предотвращения дуги

Слава богу, Возрождение. Это был период пробуждения (или пробуждения), последовавший за так называемыми «темными веками» в Европе, последовавшими за падением Римской империи. Хотя многие считают Ренессанс эпохой инноваций в искусстве, он, вероятно, более значим из-за того импульса, который он дал научным открытиям и более глубокому пониманию природного или физического мира. Одним из этих катализаторов была формулировка того, что стало известно как научный метод, английским государственным деятелем и философом сэром Фрэнсисом Бэконом в его книге Novum Organum Scientiarum, опубликованной в 1620 году.

Как инженеры, мы знакомы с научными методами. Однако требования расписания могут иногда приводить к поиску решения, даже если это означает отказ от шагов метода. Хотя это может быть целесообразным и фактически работает в некоторых случаях, лучший подход, как правило, является наиболее тщательным. Подобно тому, как создание эффективного процесса разработки печатных плат зависит от отношений с вашим контрактным производителем (CM), строительные платы, устойчивые к высоковольтной дуге, требуют, чтобы вы следовали методу, который приведет к наилучшему решению.Давайте посмотрим, как систематический научный метод можно использовать для оптимизации конструкции вашей высоковольтной печатной платы для предотвращения дуги.

Применение научных методов для предотвращения возникновения дуги

Существуют электрические системы, которые используют тот факт, что противоположно заряженные проводники, размещенные физически друг от друга, могут создавать электрическую дугу через изолирующий материал, который их разделяет. Двигатели, в которых используются свечи зажигания, электрошокеры и схемы защиты телефона от высокого напряжения, являются типичными примерами этого, где воздух или газ являются изолирующей средой.Ранние печатные платы также использовали передатчики искрового разрядника и другие подобные устройства. Сегодня, однако, помимо случайного использования в качестве недорогой и простой защиты от перенапряжения, искрение на печатных платах является нежелательным и опасным явлением.

Дуга на печатных платах возникает, когда неожиданное высокое напряжение индуцируется или генерируется проводящим элементом на вашей плате, а достаточно близкий проводник имеет противоположный или значительно меньший заряд. Компоненты, контактные площадки, дорожки или соединители могут служить точкой передачи или приема дуги.Платы, которые обычно работают при высоком напряжении или обрабатывают его, например, те, которые используются в промышленных производственных средах, с наибольшей вероятностью будут иметь электрическую дугу. И результаты могут варьироваться от пробоя изоляции или слежения за поверхностью и большей подверженности возникновению дуги в будущем, возгорания платы, компонентов или следов и даже пожаров.

Предотвращение образования дуги высокого напряжения на промышленных печатных платах требует, чтобы вы проектировали промышленные печатные платы и сотрудничали с CM, способным обеспечить необходимый уровень качества и надежности производства.Это должно включать создание проверенного метода устранения возможности возникновения дуги высокого напряжения, такого как процесс, указанный ниже.

Научный метод предотвращения возникновения дуги

1. Определение проблемы

В данном случае проблема известна. Это нежелательное искрение на вашей плате.

2. Определите параметры для изучения

Необходимо изучить следующие основные параметры:

A. Скорость слежения за высоковольтной дугой (HVTR) — это длина поверхностной дуги или дорожки с течением времени, которая образуется при наличии высокого напряжения.

B. Высоковольтная слаботочная сухая дуга Сопротивление — это время, в течение которого сухая незагрязненная поверхность может сопротивляться слежению во все более экстремальных условиях.

C. Сравнительный индекс отслеживания (CTI) , который представляет собой максимальное напряжение, которое может выдержать влажная (загрязненная вода) поверхность материала без появления следов на поверхности.

3. Установите показатели для оценки параметров

К счастью, показатели или категории уровня эффективности для каждого из вышеперечисленных параметров установлены Лабораторией Страховщика в UL 746-A.

4. Определите режим тестирования

Стандартные тесты для параметров, указанных в 2A, 2B и 2C, доступны и определены следующим образом:

A. HVTR в UL 746A.

B. Сопротивление дуги высокого напряжения и низкого тока в соответствии с ASTM D-495.

C. CTI в ASTM D-3638.

5. Провести тестирование

Обычно CM не проводят перечисленные выше тесты; однако есть ряд компаний, которые это делают, в том числе UL.

6. Анализировать результаты

Результаты тестирования вашей платы следует использовать, чтобы сформулировать стратегию предотвращения дугового разряда, основанную на окружающей среде и рисках воздействия высоких напряжений.

7. Предложите решение

Вооружившись результатами испытаний и анализа, вы можете разработать решение, подходящее для вашей конструкции и приложения, как описано ниже.

Производство печатных плат для экстремальных условий окружающей среды — часть 1

Загрузить сейчас

Лучшая конструкция высоковольтной печатной платы для предотвращения дуги

Как показано выше, следование научному методу предоставит вам PCL для трех важных параметров отслеживания дуги: HVTR, высокое напряжение, сопротивление дуги при низком токе и CTI.Эта информация, наряду с пониманием среды развертывания вашей платы, позволит вам наилучшим образом спроектировать свои платы так, чтобы предотвратить искрение, включив при необходимости следующее.

• Выберите дугостойкие материалы

Важно выбрать материалы для печатных плат, которые лучше всего подходят для работы с высокими напряжениями, чтобы противостоять пробою изоляции платы.

• Максимальное расстояние между токопроводящими элементами

Чем ближе проводники вместе, тем легче создавать дорожки на поверхности между ними.Однако это должно быть сбалансировано с ограничениями компоновки по ширине дорожек печатной платы и расстоянию между ними.

Конформное покрытие применяется для защиты вашей доски от внешнего загрязнения; однако его состав является диэлектриком, который добавляет изоляцию к поверхности вашей печатной платы.

Экранирование не только помогает минимизировать электромагнитные помехи, но и является важным аспектом достижения электромагнитной совместимости в среде установки вашей платы; это также поможет изолировать высокое напряжение, которое может быть источником дуги на вашей плате, от других проводников.

15 кВ Высокочастотный DC Высоковольтный генератор дугового зажигания Инвертор Повышающий модуль 18650 DIY Kit U Core Transformer Suite 3,7 В

Представление продукта:

НЕТ.	Параметр	Значение
1	Источник питания	3.7 В-4,2 В
2	Рабочий ток	2A (макс.)
3	Выходное напряжение	15кВ (макс.)
4	Расстояние дуги	1,5 мм (макс.)
5	Размер печатной платы	4.2 * 3,2 * 0,16 см
6	Материал печатной платы	FR4

Список компонентов:

НЕТ.	Название компонента	Маркер для печатной платы	Параметр	КОЛ-ВО
1	Трансформатор	Т1	15кВ	1
2	Диод	D1	UF4007	1
3	Транзистор	NPN	N20	1
4	Резистор	R1	120 Ом	1
5	Винт		M3 * 6 мм	1
6	Переключатель	SW		1
7	Наружный штифт		2П	1
8	Галстук			1
9	Печатная плата		4.2 * 3,2 * 0,16 см	1

ПРИМЕЧАНИЕ: Пользователь может завершить установку с помощью шелкографии печатной платы и списка компонентов.

Внимание:
1>. После работы преобразователь следует залить эпоксидной смолой или изолированным воском, чтобы его можно было использовать в течение длительного периода времени. Когда он работает без нагрузки, он не будет поврежден
2>. Входное напряжение составляет 3,7 В, что соответствует напряжению аккумулятора 18650.Если вы хотите увеличить входное напряжение (довести до 12 В), вам нужно увеличить значение сопротивления резистора обратной связи, иначе триод сгорит. Сопротивление обратной связи увеличивается до 150 Ом-1,5 кОм, его значение следует регулировать от высокого до низкого
3>. Преобразователь 15 кВ — это максимальная мощность, поэтому его предельная мощность не должна превышать 15 кВ, то есть дуга 1,5 см
4>. Перед пайкой удалите краску с паяльной части эмалированного провода.

Примечание: Этот продукт «сделай сам» предназначен для создания высокого давления, как и электрическая мухобойка от комаров. Если вы дотронетесь до него рукой, у вас возникнет ощущение поражения электрическим током, этот комплект «сделай сам» также имеет тот же принцип работы.

Схема:

Загрузите руководство по установке здесь:

Изображение готовой продукции:

Протестировано:

Предупреждение. Принимая во внимание авторские права партнеров, запрещено размещать фотографии или видео без разрешения в любом другом интернет-магазине.Мы не несем ответственности за какие-либо жалобы, если вы использовали их с нашего веб-сайта произвольно.

1. Протестировано электронной станцией выдающегося партнера ICStation:

Подробнее читайте в видео:
(язык видео — русский )

2.НОВЫЙ! Протестировано выдающимся партнером ICStation zxDTSxz:

Подробнее читайте в видео:
(язык видео — русский )

Во-первых, мы должны сказать, что ICStation не принимает никаких форм оплаты при доставке. Раньше товары отправлялись после получения информации о заказе и оплаты.

1) Платеж через Paypal

PayPal — это безопасная и надежная служба обработки платежей, позволяющая делать покупки в Интернете. PayPal можно использовать на icstation.com для покупки товаров с помощью кредитной карты (Visa, MasterCard, Discover и American Express), дебетовой карты или электронного чека (т. Е. С использованием вашего обычного банковского счета).

Мы проверены PayPal

2) Вест Юнион

Мы знаем, что у некоторых из вас нет учетной записи Paypal.

Но, пожалуйста, расслабься. Вы можете использовать способ оплаты West Union.

Для получения информации о получателе свяжитесь с нами по адресу [email protected].

3) Банковский перевод / банковский перевод / T / T

Банковский перевод / банковский перевод / способы оплаты T / T принимаются для заказов, общая стоимость которых составляет до долларов США, 500 долларов США . Банк взимает около 60 долларов США за комиссию за перевод, если мы производим оплату указанными способами.(с бесплатным номером отслеживания и платой за страховку доставки)

(2) Время доставки
Время доставки 7-20 рабочих дней в большинство стран; Пожалуйста, просмотрите приведенную ниже таблицу, чтобы точно узнать время доставки к вам.

7-15 рабочих дней в: Большинство стран Азии
10-16 рабочих дней в: США, Канада, Австралия, Великобритания, большинство стран Европы
13-20 рабочих дней в: Германия, Россия
18-25 рабочих дней Кому: Франция, Италия, Испания, Южная Африка
20-45 рабочих дней Куда: Бразилия, большинство стран Южной Америки

2.EMS / DHL / UPS Express

(1) Стоимость доставки: Бесплатно для заказа, который соответствует следующим требованиям
Общая стоимость заказа> = 200 долларов США или Общий вес заказа> = 2.2 кг

Когда заказ соответствует одному из вышеуказанных требований, он будет отправлен БЕСПЛАТНО через EMS / DHL / UPS Express в указанную ниже страну.
Азия: Япония, Южная Корея, Монголия. Малайзия, Сингапур, Таиланд, Вьетнам, Камбоджа, Индонезия, Филиппины
Океания: Австралия, Новая Зеландия, Папуа-Новая Гвинея
Европа и Америка: Бельгия, Великобритания, Дания, Финляндия, Греция, Ирландия, Италия, Люксембург, Мальта, Норвегия, Португалия, Швейцария, Германия, Швеция, Франция, Испания, США, Австрия, Канада
Примечание. Стоимость доставки в другие страны, пожалуйста, свяжитесь с orders @ ICStation.com

(2) Время доставки
Время доставки составляет 3-5 рабочих дней (около 1 недели) в большинство стран.

Поскольку посылка будет возвращена отправителю, если она не была подписана получателем в течение 2-3 дней (DHL), 1 недели (EMS) или 2 недель (заказное письмо), обратите внимание на время прибытия. пакета.

Примечание:

1) Адреса АПО и абонентского ящика

Мы настоятельно рекомендуем вам указать физический адрес для доставки заказа.

Потому что DHL и FedEx не могут доставлять товары по адресам APO или PO BOX.

2) Контактный телефон

Контактный телефон получателя требуется агентством экспресс-доставки для доставки посылки. Сообщите нам свой последний номер телефона.

3. Примечание
1) Время доставки смешанных заказов с товарами с разным статусом доставки следует рассчитывать с использованием самого длинного из перечисленных ориентировочных сроков.