Schneider Electric. Как устройства защиты от дугового пробоя снижают риск возгорания электроустановок

Дуговой пробой в электрических установках низкого напряжения, расположенных внутри зданий, представляет значительную опасность. Существующие защитные устройства, например, автоматические выключатели или выключатели дифференциального тока (ВДТ), не могут обнаружить электрические дуги в проводниках и соединениях, даже если они становятся причиной возгорания. Чтобы свести к минимуму риск возгорания электрооборудования, электрики, подрядчики и жильцы зданий должны рассмотреть возможность внедрения новых устройств защиты от дугового пробоя (УЗДП). В данной статье рассматриваются передовые технологии в области защиты электрооборудования и определяются критические области применения, где УЗДП повышают уровень безопасности.

Введение

Со временем состояние электроустановок в зданиях ухудшается. Степень износа часто зависит от факторов окружающей среды (высокой температуры, влажности, повреждений во время эксплуатации, коррозийных химических реакций, а также износа изоляции).

К электроустановкам всегда следует относиться с осторожностью. При несоблюдении надлежащих мер безопасности или халатном обращении может возникнуть потенциальная опасность, например, поражения электрическим током, ожогов, взрыва и пожара.

Организации, собирающие данные о безопасности зданий, например, Европейская академия противопожарной службы (EFA), а также многие страховые компании сообщают, что 25% пожаров в зданиях имеют электрическое происхождение. Причина возгорания может быть связана с перегрузкой в цепи, коротким замыканием, утечкой тока на землю, перенапряжением и(или) возникновением электрических дуг в кабелях.

Для устранения риска поражения электрическим током, перегрузок в цепи и скачков напряжения, вызванных молнией, в современных офисных зданиях, лабораториях и фабриках обычно применяются такие технологии, как выключатели дифференциального тока (ВДТ), автоматические выключатели и сетевые фильтры. Тем не менее до недавнего времени не существовало средств, обеспечивающих адекватную защиту от электрических дуг в соединениях и кабелях.

Такие электрические дуги могут стать причиной пожара, что представляет угрозу как для имущества, так и для жизни и здоровья человека. Однако широкий потребитель гораздо больше осведомлен об опасностях поражения электрическим током, нежели о пожарах электрического происхождения.

Для решения этой проблемы на рынке были представлены средства, обеспечивающие защиту от дугового пробоя. Они известны как устройства защиты от дугового пробоя (УЗДП). При обнаружении опасных электрических дуг они размыкают соответствующую цепь, предотвращая тем самым возникновение пожара электрического происхождения. Устройства защиты от дугового пробоя имеют модульную конструкцию и обычно устанавливаются в однофазных системах.

Хорошим примером зданий, где для повышения уровня безопасности может потребоваться наличие УЗДП, служат гостиницы и дома престарелых. Эти устройства можно размещать внутри низковольтных распределительных щитов, в цепях, снабжающих электричеством помещения со спальными местами. Новая технология также будет полезной в зданиях с высокой плотностью заселения, там, где затруднена быстрая эвакуация, велик риск быстрого распространения пожара или присутствует большое количество горючих материалов.

 Дуговой пробой и электрическая дуга - не одно и тоже

Хотя эти термины похожи и их часто путают, они обозначают совершенно разные явления. В контексте данного документа необходимо объяснить оба термина (определение электрической дуги см. в текстовом поле рядом). Дуговой пробой возникает, когда в поврежденном проводнике или на клеммах возникает ток электрической дуги, и энергии этой дуги достаточно для возгорания окружающих материалов. Эта статья посвящена проблеме дугового пробоя, а не электрической дуги.

Дуговой пробой чаще всего возникает в распределительной сети. Главной угрозой, которую представляет дуговой пробой, является пожар. Условия возникновения пробоя могут оставаться незамеченными в течение некоторого времени.

Определение термина «дуга» звучит так: «электрический разряд, проходящий через изоляционный материал, сопровождаемый частичным испарением материала электрода». В нормальных условиях катод и анод разделены тонким слоем воздуха, в котором образуется электрическая дуга. Температура в центре дуги может варьироваться от 5000 до 15000°C. В области дуги образуется сильно ионизированный газ под высоким давлением, в результате чего происходит выброс горячего газа и частиц металла во всех направлениях в пределах ограниченной области дуги.

Причины возникновения электрической дуги

Перенапряжение—электрическую дугу можно рассматривать как сильноточный разряд. Дугу можно создать между двумя электродами, инициируя слаботочный разряд и постепенно увеличивая силу тока. Как правило, газы обладают хорошими изоляционными свойствами. Разница между электродами только в потенциале не позволяет пропускать ток. Однако, когда приложенное напряжение превышает критическое значение, так называемое напряжение пробоя, между электродами возникает разряд. Если ток не ограничивается источником, разряд превращается в необратимую дугу. Это происходит, если изоляция кабеля повреждена. Такое напряжение пробоя создает благоприятные условия для возникновения электрической дуги в фазе и нейтрали.

Плохой контакт—если два контакта, по которым обычно проходит ток, разделяются, проводимость поддерживается электрическим разрядом, который возникает в межэлектродном пространстве. При контакте двух электродов взаимодействие происходит не по всей их поверхности. В качестве точек соприкосновения выступают лишь неровные края и шероховатости на их поверхности. В момент разделения контактов весь ток I проходит от одного электрода к другому по крайне малой площади, размер которой всегда составляет менее 1мм². Затем сопротивление R в контакте возрастает, а рассеиваемая энергия R*I² вызывает значительное увеличение локальной температуры. Достигается точка кипения металла, и между двумя контактами образуется металлический расплавленный мостик. Удлинение мостика из-за разделения контактов приводит к его разрыву, при этом происходит выброс микрокапель расплавленного металла со скоростью от 100 до 300мс–1. Возникает дуга металлических паров. Это касается плохих контактов, которые обычно встречаются в неисправных выключателях и удлинителях.

Принцип работы устройств защиты от дугового пробоя

УЗДП постоянно отслеживают и анализируют электрический сигнал, а также высокочастотную составляющую в формах волны тока и напряжения. Они выявляют случайные, непредсказуемые, но устойчивые искажения формы волны, которые обозначают возникновение потенциально опасной дуги.

Когда УЗДП обнаруживает потенциально опасное искажение волны, оно срабатывает, отключая питание в неисправной цепи. УЗДП может работать в сочетании с автоматическим выключателем или автоматическим выключателем дифференциального тока (АВДТ). У него также может быть своя собственная функция отключения.

УЗДП очень быстро реагируют на малейшие изменения в структуре волны. Скорость срабатывания очень важна, так как дуговые разряды провоцируют возникновение искры, которая может привести к возгоранию.

Устройства защиты от дугового пробоя чрезвычайно чувствительны и предназначены для обнаружения и предотвращения лишь потенциально опасных дуг. В них используется особый алгоритм, позволяющий отличать опасные дуги от безобидных искр, которые мы можем наблюдать, щелкнув выключателем или потянув за вилку.

УЗДП анализирует различные данные, включая несколько различных электрических параметров. Таким образом можно гарантировать, что устройства защиты от дугового пробоя будут срабатывать только при возникновении опасных дуг.

В число анализируемых параметров входят:

• ток электрической дуги (последовательная дуга становится опасной при достижении значений, больших или равных 2,5А);
• продолжительность дугового пробоя (например, дуга очень короткой продолжительности характерна для нормальной работы переключателя);
• нерегулярность дуги (дуги электродвигателей, например, довольно регулярны и не должны рассматриваться в качестве опасных);
• наличие помех на различных высоких частотах говорит о прохождении тока через неоднородные материалы (например, изоляцию кабеля).

Примером электрических дуг, связанных с нормальной работой электрооборудования, могут служить дуги, создаваемые переключателями, контакторами, импульсными переключателями и другими устройствами управления при размыкании контактов. Дуги, возникающие в электродвигателях различных нагрузок, подключенных к цепи (ручные электроинструменты, электродвигатель пылесоса и т.д.), также не являются опасными.

Развитие стандартов

В 2008 году Международная электротехническая комиссия решила начать работу по стандартизации устройств защиты от дугового пробоя. Был опубликован соответствующий стандарт ГОСТ IEC 62606 «Устройства защиты бытового и аналогичного назначения при дуговом пробое. Общие требования». С 2013 года для обеспечения безопасной работы все УЗДП должны соответствовать стандарту ГОСТ IEC 62606.
В 2014 году для Европы и других стран мира, применяющих стандарты МЭК, была опубликована поправка МЭК 60364-4-42 (в России — ГОСТ Р 50571.4.42).
Стандарт МЭК 60364 содержит следующие рекомендации относительно установки и применения УЗДП в жилых и коммерческих зданиях:

• в зданиях со спальными помещениями (например, в отелях, домах престарелых, спальнях жилых домов);
• в помещениях с повышенным риском возникновения возгорания из-за наличия большого количества горючих материалов (зернохранилища, деревообрабатывающие цеха, склады горючих материалов);
• в зданиях, построенных из горючих строительных материалов (например, в деревянных домах);
• в сооружениях с высокой скоростью распространения огня (например, в высотных зданиях);
• в местах хранения объектов культурного наследия (например, в музеях).

Рекомендуется устанавливать устройства защиты от дугового пробоя на вводах распределительных щитов конечного пользования (например, в распределительном щите электрической установки).

Сейчас, на раннем этапе, национальные комиссии по стандартизации могут на свое усмотрение установить обязательный или рекомендательный характер использования УЗДП. УЗДП все чаще применяются в коммерческих зданиях.

Хотя нормы и правила играют жизненно важную роль в повышении безопасности, они часто ориентированы исключительно на электрические установки в новых зданиях, что составляет менее 1 % от их общего числа. Исследования показывают, что в старых зданиях уровень безопасности намного ниже существующих стандартов. Устройства защиты от дугового пробоя позволяют решить эту проблему.

Советы по установке

Во время ремонтных работ необходимо обеспечить соблюдение техники безопасности, что повлияет на устройство электрической установки. Помимо современных автоматических выключателей и ВДТ (для защиты от перегрузки и поражения электрическим током), в распределительном щите настоятельно рекомендуется также устанавливать УЗДП (там, где существует значительный риск дугового повреждения).

В частности, подрядчик должен принять во внимание, следующее:

• наличие торчащих кабелей (опасность повреждения);
• наружная прокладка кабелей (высокая опасность повреждения изоляции);
• наличие незащищенных кабелей в изолированных помещениях (например, в кладовых);
• примитивная или некачественно выполненная оригинальная проводка (монтаж проводки на деревянных элементах);
• электрические цепи в зданиях с деревянным каркасом;
• старая, изношенная проводка или цепи, находящиеся на недоступных для обслуживания участках.

До недавнего времени уровень технологий не позволял создать устройство защиты от дугового пробоя по разумной цене и в приемлемом формате. Благодаря компактности электронных компонентов и наличию средств их оцифровки сейчас стало возможным производство доступных и надежных устройств защиты от дугового пробоя. Конструкция современных УЗДП сопоставима по размерам с миниатюрными автоматическими выключателями (хотя они выполняют различные функции). Инновации в области цифровых технологий теперь позволяют УЗДП выполнять расширенный анализ данных в режиме реального времени. Такая скорость обработки информации имеет решающее значение для обеспечения точной оценки условий окружающей среды.

Источник: Schneider Electric