явление электрической дуги

явление электрической дуги
-
[Интент]

Параллельные тексты EN-RU

Electric arc phenomenon

The electric arc is a phenomenon which takes place as a consequence of a discharge which occurs when the voltage between two points exceeds the insulating strength limit of the interposed gas; then, in the presence of suitable conditions, a plasma is generated which carries the electric current till the opening of the protective device on the supply side.

Gases, which are good insulating means under normal conditions, may become current conductors in consequence of a change in their chemical-physical properties due to a temperature rise or to other external factors.

To understand how an electrical arc originates, reference can be made to what happens when a circuit opens or closes.

During the opening phase of an electric circuit the contacts of the protective device start to separate thus offering to the current a gradually decreasing section; therefore the current meets growing resistance with a consequent rise in the temperature.

As soon as the contacts start to separate, the voltage applied to the circuit exceeds the dielectric strength of the air, causing its perforation through a discharge.

The high temperature causes the ionization of the surrounding air which keeps the current circulating in the form of electrical arc. Besides thermal ionization, there is also an electron emission from the cathode due to the thermionic effect; the ions formed in the gas due to the very high temperature are accelerated by the electric field, strike the cathode, release energy in the collision thus causing a localized heating which generates electron emission.

The electrical arc lasts till the voltage at its ends supplies the energy sufficient to compensate for the quantity of heat dissipated and to maintain the suitable conditions of temperature. If the arc is elongated and cooled, the conditions necessary for its maintenance lack and it extinguishes.

Analogously, an arc can originate also as a consequence of a short-circuit between phases. A short-circuit is a low impedance connection between two conductors at different voltages.

The conducting element which constitutes the low impedance connection (e.g. a metallic tool forgotten on the busbars inside the enclosure, a wrong wiring or a body of an animal entered inside the enclosure), subject to the difference of potential is passed through by a current of generally high value, depending on the characteristics of the circuit.

The flow of the high fault current causes the overheating of the cables or of the circuit busbars, up to the melting of the conductors of lower section; as soon as the conductor melts, analogous conditions to those present during the circuit opening arise. At that point an arc starts which lasts either till the protective devices intervene or till the conditions necessary for its stability subsist.

The electric arc is characterized by an intense ionization of the gaseous means, by reduced drops of the anodic and cathodic voltage (10 V and 40 V respectively), by high or very high current density in the middle of the column (of the order of 102-103 up to 107 A/cm2), by very high temperatures (thousands of °C) always in the middle of the current column and – in low voltage - by a distance between the ends variable from some microns to some centimeters.

[ABB]

Явление электрической дуги

Электрическая дуга между двумя электродами в газе представляет собой физическое явление, возникающее в тот момент, когда напряжения между двумя электродами превышает значение электрической прочности изоляции данного газа.
При наличии подходящих условий образуется плазма, по которой протекает электрический ток. Ток будет протекать до тех пор, пока на стороне электропитания не сработает защитное устройство.

Газы, являющиеся хорошим изолятором, при нормальных условиях, могут стать проводником в результате изменения их физико-химических свойств, которые могут произойти вследствие увеличения температуры или в результате воздействия каких-либо иных внешних факторов.

Для того чтобы понять механизм возникновения электрической дуги, следует рассмотреть, что происходит при размыкании или замыкании электрической цепи.

При размыкании электрической цепи контакты защитного устройства начинают расходиться, в результате чего постепенно уменьшается сечение контактной поверхности, через которую протекает ток.
Сопротивление электрической цепи возрастает, что приводит к увеличению температуры.

Как только контакты начнут отходить один от другого, приложенное напряжение превысит электрическую прочность воздуха, что вызовет электрический пробой.

Высокая температура приведет к ионизации воздуха, которая обеспечит протекание электрического тока по проводнику, представляющему собой электрическую дугу. Кроме термической ионизации молекул воздуха происходит также эмиссия электронов с катода, вызванная термоэлектронным эффектом. Образующиеся под воздействием очень высокой температуры ионы ускоряются в электрическом поле и бомбардируют катод. Высвобождающаяся, в результате столкновения энергия, вызывает локальный нагрев, который, в свою очередь, приводит к эмиссии электронов.

Электрическая дуга длится до тех пор, пока напряжение на ее концах обеспечивает поступление энергии, достаточной для компенсации выделяющегося тепла и для сохранения условий поддержания высокой температуры. Если дуга вытягивается и охлаждается, то условия, необходимые для ее поддержания, исчезают и дуга гаснет.

Аналогичным образом возникает дуга в результате короткого замыкания электрической цепи. Короткое замыкание представляет собой низкоомное соединение двух проводников, находящихся под разными потенциалами.

Проводящий элемент с малым сопротивлением, например, металлический инструмент, забытый на шинах внутри комплектного устройства, ошибка в электромонтаже или тело животного, случайно попавшего в комплектное устройство, может соединить элементы, находящиеся под разными потенциалами, в результате чего через низкоомное соединение потечет электрический ток, значение которого определяется параметрами образовавшейся короткозамкнутой цепи.

Протекание большого тока короткого замыкания вызывает перегрев кабелей или шин, который может привести к расплавлению проводников с меньшим сечением. Как только проводник расплавится, возникает ситуация, аналогичная размыканию электрической цепи. Т. е. в момент размыкания возникает дуга, которая длится либо до срабатывания защитного устройства, либо до тех пор, пока существуют условия, обеспечивающие её стабильность.

Электрическая дуга характеризуется интенсивной ионизацией газов, что приводит к падению анодного и катодного напряжений (на 10 и 40 В соответственно), высокой или очень высокой плотностью тока в середине плазменного шнура (от 102-103 до 107 А/см2), очень высокой температурой (сотни градусов Цельсия) всегда в середине плазменного шнура и низкому падению напряжения при расстоянии между концами дуги от нескольких микрон до нескольких сантиметров.

[Перевод Интент]

Тематики

• НКУ (шкафы, пульты,...)

EN

• electric arc phenomenon

НКУ с устройствами ограничения воздействия внутренней дуги
-
[Интент]

Параллельные тексты EN-RU

Assemblies equipped with devices limiting internal arc effects (active protection)

A design philosophy which is completely different from that just considered consists in guaranteeing the resistance to internal arcing by installing devices limiting the arc.

The approaches in that direction can be of two different types:
• limiting the destructive effects of the arc, once it has occured, by means of arc detectors
• limiting the destructive effects of the arc, once it has occured, by means of overpressure detectors.

The first possibility consists in installing in the assembly arc detectors which sense the light flux associated with the electric arc phenomenon.

Once the arc has been detected, these devices send an opening signal to the incoming circuit-breaker, thus guaranteeing tripping times of the order of 1-2 ms, therefore shorter than those proper of the circuit-breaker.

The operating logic of an arc detector is the following: the occurrence of an arc inside the switchboard is detected by the arc detector because an intense light radiation is associated with this phenomenon.

The arcing control system detects the event and sends a tripping signal to the circuit-breaker.

All the above with trip times of a few milliseconds and supplanting the tripping of the CB overcurrent relay which, for example, could be delayed due to current selectivity questions.

Figure 1 shows the possible positions where this device can be installed inside a switchboard.

The ideal solution is that which provides the installation of at least one detector for each column, with the consequent reduction to a minimum of the length of the optical fibers carrying the signal.

In order to prevent from an unwanted tripping caused by light sources indepent of the arc (lamps, solar radiation etc.), an additional current sensor is often positioned at the incoming of the main circuit-breaker.

Only in the event of an arc, both the incoming sensor which detects an “anomalous” current due to the arc fault as well as the sensor detecting the light radiation as sociated with the arc enable the system to intervene and allow the consequent opening of the circuit-breaker.

The second possibility consists in installing overpressure sensors inside the switchboard.

As previously described, the overpressure wave is one of the other effects occurring inside an assembly in case of arcing.

As a consequence it is possible to install some pressure sensors which are able to signal the pressure peak associated with the arc ignition with a delay of about 10-15 ms.

The signal operates on the supply circuit-breaker without waiting for the trip times of the selectivity protections to elapse, which are necessarily longer.

Such a system does not need any electronic processing device, since it acts directly on the tripping coil of the supply circuit-breaker.

Obviously it is essential that the device is set at fixed trip thresholds.

When an established internal overpressure is reached, the arc detector intervenes.

However, it is not easy to define in advance the value of overpressure generated by an arc fault inside a switchboard.

[ABB]

НКУ с устройствами ограничения воздействия внутренней дуги (активная защита)

Для решения этой задачи используются совершенно другие, отличающиеся от ранее рассмотренных, принципы, заключающиеся в том, что противодействие внутренней дуге обеспечивается применением устройств, ограничивающих саму дугу.

Существует два типа решения проблемы в этом направлении:
• ограничение разрушающего воздействия дуги после того, как ее обнаружат специальные устройства
• ограничение разрушающего воздействия дуги после того, как специальные устройства обнаружат возникновение избыточного давления.

В первом случае в НКУ устанавливают устройства обнаружения дуги, реагирующие на световой поток, сопровождающий явление электрической дуги.

При обнаружении дуги данные устройства посылают сигнал управления на размыкание вводного автоматического выключателя. Гарантируемое время реакции составляет 1-2 мс, что меньше времени срабатывания автоматического выключателя.

Логика работы устройства обнаружения дуги следующая: Дуга, возникшая внутри НКУ, обнаруживается датчиком, реагирующим на интенсивное световое излучение, которым сопровождается горение дуги.

Обнаружив дугу, система управления посылает сигнал автоматическому выключателю.

Время срабатывания датчика и системы управления составляет несколько миллисекунд, что меньше времени срабатывания автоматического выключателя, осуществляющего защиту от сверхтока, который обычно для обеспечения требуемой селективности срабатывает с задержкой.

На рис. 1 показаны места возможной установки устройства защиты внутри НКУ.

Идеальным решением является установка, по крайней мере, одного устройства защиты в каждый шкаф многошкафного НКУ.

Это позволит до минимума сократить длину оптоволоконных кабелей передачи сигнала.

Для предотвращения ложного срабатывания от других источников света (т. е. не от дуги), например, таких как лампы, солнечное излучение и т. п., дополнительно в главной цепи вводного автоматического выключателя устанавливают датчик тока.

Только при наличии двух событий, а именно: срабатывания датчика света и обнаружения аномального увеличения тока, система управления считает, что возникла электрическая дуга и подает команду на отключение вводного автоматического выключателя.

Второе решение заключается в установке внутри НКУ датчика избыточного давления.

Как было описано ранее, одним из характерных проявлений электрической дуги, возникшей внутри НКУ, является ударная волна.

Это означает, что можно установить несколько датчиков давления, задачей которых является обнаружение импульса давления (с задержкой 10…15 мс), обусловленного зажиганием дуги.

Сигнал от датчиков давления поступает на вводной автоматический выключатель, который срабатывает без задержки на обеспечение селективности.

Такая система не нуждается в электронном устройстве обработки информации, поскольку воздействует непосредственно на независимый расцепитель автоматического выключателя.

Вполне понятно, что такое устройство имеет фиксированный порог срабатывания.

Датчик-реле дуги сработает, как только будет достигнуто заданное значение избыточного давления.

Следует иметь в виду, что не так легко заранее определить значение избыточного давления, которое будет создано при зажигании дуги внутри НКУ.

[Перевод Интент]

Тематики

• НКУ (шкафы, пульты,...)

EN

• assembly equipped with devices limiting internal arc effects

зануление
Преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением
[ ГОСТ 12.1.009-76]

Защитное зануление в электроустановках напряжением до 1 кВ Преднамеренное соединение открытых проводящих частей с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока, с глухозаземленным выводом источника однофазного тока, с заземленной точкой источника в сетях постоянного тока, выполняемое в целях электробезопасности.
[ПУЭ]

Защитное заземление или зануление должно обеспечивать защиту людей от поражения электрическим током при прикосновении к металлическим нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в результате повреждения изоляции.
Защитному заземлению или занулению подлежат металлические части электроустановок, доступные для прикосновения человека и не имеющие других видов защиты, обеспечивающих электробезопасность.
При занулении фазные и нулевые защитные проводники должны быть выбраны таким образом, чтобы при замыкании на корпус или на нулевой проводник, возникал ток короткого замыкания, обеспечивающий отключение автомата или плавление плавкой вставки ближайшего предохранителя
[ ГОСТ 12.1.030-81]

В сетях с глухозаземленной нейтралью корпус должен быть соединен с нулевым проводником. Нельзя соединять корпус с землей.

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ОТ ПОРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ

ЗАНУЛЕНИЕ
В предыдущем номере журнала мы начали разговор о технических средствах защиты от поражения электрическим током, предназначенных для уменьшения тока, проходящего через тело человека при случайном контакте с токоведущими частями или при необходимости выполнения работ под напряжением, до безопасного значения. В первой части материала были рассмотрены назначение и принцип действия защитного заземления, а также показана недопустимость применения защитного заземления в четырехпроводных сетях с глухим заземлением нейтрали. В этих сетях основным средством защиты от поражения током при замыкании фазы на корпус является зануление.

Зануление — это намеренное соединение металлических нетоковедущих частей с нулевым проводом питающей сети (PE-проводником или PEN-проводником).

Принцип действия
При наличии зануления всякое замыкание фазы на корпус приводит к короткому замыканию, отключаемому штатными аппаратами максимальной защиты (автоматическими выключателями или плавкими предохранителями). На рис. 1 показан принцип действия зануления.

Рис. 1 Принцип действия зануления

В случае замыкания фазы В на корпус приемника К1 с помощью защитного зануляющего проводника ЗП1 формируется цепь тока короткого замыкания Iкз «фаза В — корпус К1 — зануляющий проводник ЗП1 —нулевой провод PEN — нейтраль обмотки питающего трансформатора». При этом автоматический вы-ключатель А1 снимает питание с неисправного приемника. В результате напряжение прикосновения к корпусу неисправного приемника Uпр = 0. Аналогично при замыкании фазы С на корпус электроприемника К2 срабатывает автоматический выключатель А2. После этого потенциал корпуса К2 также становится равным нулю.
Технические требования к системе зануления, направленные на обеспечение автоматической защиты от поражения током, приведены в пп. 1.7.79 — 1.7.89 ПУЭ. Согласно п. 1.7.39 ПУЭ в этих сетях применение защитного заземления корпусов электроприемников без их зануления не допускается.

Зануление и защитное заземление

В реальных производственных условиях в сетях TN — C непосредственно с нулевым проводом соединяют только корпуса распределительных щитов (зануляют корпус щита). Корпуса всех приемников электроэнергии и нетоковедущие металлоконструкции заземляют, то есть соединяют их заземляющими проводниками ЗП с шиной заземления ШЗ (см. рис. 2).

Рис. 2 Схема зануления и защитного заземления

Так как шина ШЗ всегда имеет электрическую связь с нулевым проводом или с нейтралью обмотки трансформатора, то выполненное с ее помощью «заземление» фактически является занулением корпуса приемника электроэнергии. Например, при замыкании фазы на корпус К1 возникает ток короткого замыкания Iкз, и автоматический выключатель А1 отключает неисправный приемник.
Пусть приемник с корпусом К3 получает питание от индивидуального трансформатора ТР (фактически от двухпроводной сети, изолированной от земли). Здесь при замыкании полюса сети на корпус будет протекать ток замыкания Iзам по контуру «полюс сети — корпус К3 — заземляющий проводник ЗП — шина заземления ШЗ — сопротивление заземления нейтрали R0 — сопротивление изоляции здорового полюса сети
Rиз — второй полюс сети». Ток Iзам не отключается аппаратами защиты, так как его значение невелико, будучи ограниченным сопротивлением изоляции Rиз. В контуре этого тока рабочее напряжение сети падает на сопротивлениях Rиз и R0, при этом потенциал корпуса К3 равен падению напряжения на сопротивлении R0 << Rиз (напряжение прикосновения к корпусу К3 безопасно). То есть корпус К3 оказывается заземленным.
Корпус трансформатора ТР также соединен перемычкой ЗП с шиной заземления. Что это — зануление или заземление? Оказывается, и то, и другое. Если происходит замыкание полюса первичной обмотки на корпус ТР, то перемычка ЗП работает в контуре зануления. Защита срабатывает и отключает трансформатор. Если повреждается вторичная обмотка, то та же перемычка работает в режиме защитного заземления. Трансформатор и получающий от него питание электроприемник не отключаются, а значение напряжения прикосновения к корпусу трансформатора снижается до безопасного.

Таким образом, в реальных производственных условиях процессы зануления и защитного заземления одинаковы и заключаются в соединении металлических нетоковедущих частей с шиной заземления. Поэтому на практике используется обычно только один термин - заземление.

Особенности зануления однофазных приемников при отсутствии шины заземления

Именно однозначное использование термина «заземление» является причиной часто встречающегося на практике неправомерного применения защитного заземления в сетях с заземленным нулевым проводом. Особенно часто это явление встречается в двухпроводных сетях «фаза — нулевой провод» при отсутствии в помещении шины заземления.
Зачастую в таких условиях зануление корпуса приемника выполняют с помощью заземляющего контакта в питающей трехполюсной вилке: в розетке делают перемычку между нулевым проводом и контактом заземления. При таком соединении в цепи защитного нулевого проводника возникает «разъединяющее приспособление», запрещенное ПУЭ (п. 1.7.83). Тем не менее, учитывая, что при отключении вилки одновременно отключаются и питающие приемник провода, запрещение правил на такой способ выполнения зануления, по-видимому, не распространяется. Здесь функция зануления полностью выполняется, так как обеспечивается срабатывание аппаратов защиты в случае замыкания фазы на корпус.
Однако при таком соединении может формироваться другой вид опасности — пожароопасные ситуации. Дело в том, что когда в розетке силовые контакты расположены симметрично относительно «заземляющего», вилка может быть включена в любом положении, то есть любой ее контакт может быть подключен произвольно либо к фазному проводу (гнезду розетки), либо к нулевому проводу. При этом не исключается ситуация, когда штатный однополюсный выключатель в электроприемнике может оказаться в цепи не фазного, а нулевого провода. Тогда даже при выключенном вы-ключателе изоляция электроприемника будет непрерывно находиться под фазным напряжением и по контуру зануления будет непрерывно протекать ток утечки. Если имеется какое-либо повреждение изоляции (снижение ее сопротивления), то ток утечки возрастает и выделяющаяся тепловая энергия разогревает место повреждения. Так как изоляционные материалы имеют ионную проводимость (а не электронную, как проводники), то с увеличением температуры сопротивление изоляции уменьшается и соответственно увеличивается ток утечки. Этот процесс роста температуры при отсутствии должного теплоотвода приобретает лавинообразный характер и приводит к дуговому замыканию, то есть к формированию очага воспламенения. По данным ВНИИ противопожарной обороны (г. Балашиха), если в месте повреждения изоляции выделяется мощность 17 Вт, то возможно формирование электрической дуги через 20 часов протекания тока утечки (то есть при начальном значении тока 73 мА такой ток может чувствовать устройство защитного отключения, а не аппараты защиты от тока короткого замыкания).

Таким образом, для обеспечения безопасного применения однофазных приемников следует применять трехполюсные розетки и вилки с ориентированным (несимметричным) расположением контактов либо дополнительно устанавливать устройство защитного отключения (УЗО). Для обеспечения срабатывания УЗО корпус приемника должен быть заземлен, то есть соединен с любой нетоковедущей металлоконструкцией, имеющей связь с землей. Другой способ обеспечения срабатывания УЗО — подключение защитного нулевого проводника не в розетке, а вне зоны защиты УЗО, то есть перед автоматическим выключателем.
В следующем номере журнала мы продолжим разговор о технических средствах защиты от поражения электрическим током.

[Журнал "Новости Электротехники" №4(16) 2002]

Тематики

• заземление

EN

• neutral earthing
• neutral grounding
• nulling