Ограничаване на възникването на електрическа дъга

Възникването на волтова дъга може да е в резултат от непреднамерен контакт със заредени детайли, замърсяване, повреда в оборудването или поради редица други причини. Генерираната топлинна и ударна вълна може да доведе до значителни наранявания при работниците, включително тежки изгаряния, а в най-лошите случаи може да се стигне и до фатален край. Топлината и налягането могат да предизвикат значителни щети и при оборудването, в което възниква волтовата дъга. Плътните енергийни инфраструктури с високи нива на потенциална енергия, като тези в центровете за данни и електрическите подстанции, създават условия за възникване на волтови дъги.

Ограничаването на възникването на волтова дъга включва предприемането на стъпки за минимизиране на нивото на опасност (т. е. потенциалната сериозност на инцидента) и/или на риска (т. е. вероятността, че ще се случи инцидент). Йерархията на мерките за намаляване на риска, изброени по ред на нарастване на ефективността, е както следва: лични предпазни средства (ЛПС); административен контрол (работни политики и процедури); предупреждения (включително обучение за повишаване на осведомеността); инженерни мерки; заместване (с по-малко опасни материали, процеси и др.); елиминиране.

Независимо че ЛПС, административните проверки и предупреждения са задължителна част от политиката и практиката за електрическа безопасност за всяко предприятие и съоръжение, те са най-нискоефективните механизми за редуциране на опасността. По-специално, ЛПС обикновено погрешно са считани за “решение” срещу опасностите от волтова дъга – убеждението е, че щом работникът носи костюм против волтова дъга (независимо дали е правилно подбран или не), то той е екипиран за работа навсякъде и по всяко време. Реалността е, че дори когато ЛПС са правилно подбрани, те не дават гаранция срещу нараняване.

Използването на другите техники може да бъде много по-ефективно. Пълното елиминиране на опасността е най-ефективно, но невинаги е възможно. В съоръженията, където има електрически товари, електричеството не може да бъде елиминирано и не е възможно да бъде заместено с алтернативни източници на енергия. Инженерните мерки, които включват използването на устройства или техники за намаляване на опасността от възникване на волтова дъга, може да не са толкова ефективни, колкото заместването или елиминирането, но се считат за по-ефективни от ЛПС, тъй като целта им е да намалят степента на опасност. Приемат се за по-ефективни и от административните проверки и предупреждения, защото не разчитат единствено на това, че работникът ще спазва правилните процедури и производствени практики.

Избор на устройства и настройки
Енергията от инцидент с волтова дъга варира линейно с времето – т. е. удвояването на продължителността на волтовата дъга води до удвояване на енергията, и обратно. В резултат на това подходящият избор на защитни устройства против претоварване – по-специално избирането на устройства, реагиращи бързо на волтови дъги в електрическата система – е мощна стратегия за ограничаване на този вид неизправност. Тъй като енергията за даден инцидент с дъга е пропорционална на продължителността му, използването на устройства с голямо бързодействие е от ключово значение.

Предпазителите за ограничаване на големината на тока действат много бързо при достатъчно повишени нива на ток в техния лимитиращ диапазон, но използването им за редуциране на волтовите дъги е свързано с внимателна преценка. Проучване на волтовата дъга може да спомогне за определяне не само на нивата на ток след съществуващите предпазители, но и на местата, в които смяната на съществуващи устройства с други би редуцирало енергийните нива от инцидента.

Автоматичните прекъсвачи, особено тези с регулируеми настройки за задействане, могат да са по-ефективни в широк диапазон от нива на ток при неизправност. За да се осигури максимална полза обаче, настройките на прекъсвача трябва да бъдат избрани като се отчетат нивата на възникване на волтовите дъги, както и да се използва моментално изключване. Изборът на настройките за прекъсвачи, предлагащи оптимален баланс между ограничаването на електрически дъги и максимално увеличаване на селективността, изисква дъгата да се разглежда като част от проучването на координирането на устройствата.

Тъй като настройките влияят върху енергийните нива от инцидентите, следва да се гарантира, че те не са регулирани спрямо стойностите от проучването (например да се настроят на “максимум” след като се задейства прекъсвачът). Проучването също може да помогне за идентифициране на области в съществуващо съоръжение, където автоматичните прекъсвачи с топлинни и магнитни релета да се заменят с електронни прекъсвачи, или да се модернизират старите прекъсвачи със съвременни комплекти за преоборудване (например да се добави мигновена защита, гъвкавост на настройките, или да се повиши надеждността). По този начин може да се определи и дали използването на функции като селективно блокиране на зона (ZSI) би спомогнало за редуциране на енергийните нива от този тип инциденти.

Правилният избор на устройство не е от значение само за предпазители или прекъсвачи за ниско напрежение – той е важен също и за защитните релета. По-старите електромеханични релета за претоварване обикновено имат регулируемо ниво на сработване, регулируемо закъснение на базата на фиксирана крива и може да имат или може да нямат елемент за мигновено изключване. Сравнително ограничената регулируемост на релейните характеристики при тези устройства може да затрудни при някои обстоятелства осигуряването на добра защита от електрическа дъга.

По-новите цифрови релета често предоставят по-голяма гъвкавост при правенето на настройките и чрез функции като избираеми форми на кривите и множество мигновени елементи с регулируеми закъснения, правят възможно настройване “по поръчка” на кривата време/ток, която би позволила по-бързо предотвратяване на възникването на волтова дъга, като същевременно се поддържа селективна координация.

Комутатори за поддръжка
Изборът на защитни устройства е важен, но от значение и изборът на настройки за регулируемите устройства. Настройките трябва да бъдат избрани с цел правилна защита на оборудването, като същевременно се запазват нормалните товарни токове и рутинните временни пренапрежения (напр. ток за стартиране на двигател) така, че то да работи нормално, без прекъсване.

Настройките в идеалния случай водят до координация между различните нива устройства – т. е. при събитие се изключва само защитното устройство, което е най-близо до претоварването, така че обслужването да засегне само минимална част от системата. Тази необходимост от координация между различните нива устройства обикновено означава, че устройствата за защита от свръхток, които са по-близо до източника, се настройват с по-високи нива на сработване и/или с по-дълго време за забавяне, отколкото по-отдалечените устройства.

Това дава на устройствата надолу по веригата време да реагират и да отстранят необичайното състояние, преди голямо захранващо или основно устройство да сработи и потенциално да доведе до прекъсване на захранването на голяма част от съоръжението.

Един от начините да се осигури защита, като същевременно се сведе до минимум въздействието на неправилната координация, е използването на т. нар. комутатори за поддръжка. Това са външни комутатори, които са свързани към прекъсвач или реле, позволяващи на оператора да избира между настройките “нормална” и “поддръжка”. В нормален режим прекъсвачът или релето обикновено са настроени за нормална селективна координация, което може да доведе до високо ниво на инцидентна енергия надолу по веригата.

Докато няма работници, това може да бъде приемливо. Когато се извършва работа по поддръжка, комутаторът преминава в режим “поддръжка”, който променя настройките за задействане на устройството (като ги прави по-ниски и/или по-бързи), което има за цел да намали нивата на инцидентна енергия надолу по веригата. Това може да доведе и до жертване на селективната координация, но идеята е, че режим “поддръжка” трябва да се използва само когато присъстват работници и безопасността им е на първо място. Когато работата приключи, системата се връща в нормален режим.

Проектиране на релейна система
В допълнение към избора на подходящ тип устройства и техните настройки, основният дизайн на защитната релейна схема може да помогне за редуциране на нивата на възникване на волтова дъга в системата. Например диференциалната защита на шини или трансформатори обикновено позволява грешките в зоната на защита да бъдат изчистени бързо, без да се създават опасения по отношение на координацията. Тъй като обикновено сработва бързо, тя също е ефективна при редуциране на нивата на възникване на волтова дъга в системата.

Бързото изчистване на неизправностите е ключ към ограничаването на проблемите с волтовите дъги, но настройките на прекъсвачите или релетата, разположени близо до източника на енергия, трябва да включват значителни времеви забавяния, за да се осигури координация на останалите устройства от веригата. Един относително нов подход за справяне с това е да се използват релета, които засичат волтови дъги като реагират не само на характерния ток, но и на светлината, свързана с волтовата дъга.

Обикновено и двете събития трябва да се случат, преди релето да реагира – нито само високият ток, нито само присветването ще задействат едно от тези релета. При наличие на двете събития релето може да е много бързо, обикновено чрез сработване на защитно устройство за претоварване, или чрез активиране на комутатор за късо съединение, който светкавично създава грешка, която предотвратява волтовата дъга още по-бързо, отколкото би могъл да сработи прекъсвачът.

Заземяване на системата
Методът на заземяване на системата може да окаже влияние върху опасностите от волтови дъги. По-голямата част от съоръженията днес са солидно заземени, което означава, че има умишлена, нискоимпедансна връзка между системната нула и земята. Някои системи (в наши дни по-скоро остарелите) може да не са заземени, което означава, че няма умишлено свързване към земята.

Всеки тип заземяване има своите предимства и недостатъци – при единично късо съединение в незаземена система няма да протече заземителен ток и системата ще продължи да работи. Повреда в заземяването обаче може да доведе до високо преходно пренапрежение. Добре заземените системи много ефективно ограничават свръхнапреженията при повреда, но могат да доведат до голям ток (и енергия), и да причинят повреда на оборудването или нараняване персонала.

Импеданс-заземена система, където неутралната точка е свързана към земята чрез импеданс (обикновено резистор) е хибрид от заземена и незаземена система, и като такъв включва някои от характеристиките и на двете. Високосъпротивителните заземени системи, които имат резистор, избран да ограничи грешка в заземителния ток до по-малки стойности от 10 А и най-често се използват при 480 V (макар че понякога се използват при 5 kV), значително редуцират наличния заземителен ток и следователно позволяват системата да продължи да работи при извънредни обстоятелства, или поне докато те не ескалират. Те също са доста ефективни при ограничаване на преходните свръхнапрежения.

Дъгоустойчиво комутационно оборудване
Пасивното оборудване за предпазване от волтови дъги осигурява главно повишена защита чрез подсилени шкафове, вентилиране на горещи газове под налягане и други електродъгови продукти, и др. Един от недостатъците на традиционното пасивно електрическо комутационно защитно оборудване е, че въпреки че може да осигури значителна степен на защита на работниците, то не може да направи нищо, за да намали интензивността или продължителността на волтова дъга.

Оборудването може да бъде конструирано така, че да ограничи дъгата, но вътрешните повреди могат да бъдат значителни, изискващи значителна ремонтна дейност или дори подмяна на комутационната апаратура, преди тя да бъде върната в експлоатация. Обратно, активната електрическа апаратура за защита от волтова дъга работи, за да ограничи енергията на дъгата.

Съществуват няколко условия за прилагане, които трябва да се имат предвид при използване на дъгоустойчиво комутационно оборудване, включително дали очакваните неизправни токове и времето за изчистване на грешки са в рамките на стойностите, определени за апаратурата, гарантиране на това, че достъпът да е ограничен над и под устройството, тъй като не е осигурена защита във вертикалната равнина, спазване на необходимите размери на помещенията и ако се налага – отвеждане на горещите газове и други странични продукти при възникване на електрическа дъга.