Дуговая вспышка

Информацию о сопутствующих медицинских проблемах, которые могут быть вызваны этим, см. в разделе «Дуговой глаз» .

Электрическая дуга между двумя ногтями

Дуговая вспышка — это свет и тепло, образующиеся в результате дугового замыкания (иногда называемого электрическим вспышкой ), тип электрического взрыва или разряда, возникающий в результате соединения через воздух с землей или другой фазой напряжения в электрической системе.

Дуговая вспышка заметно отличается от дугового взрыва , который представляет собой сверхзвуковую ударную волну, возникающую, когда неконтролируемая дуга испаряет металлические проводники. Оба являются частью одного и того же дугового замыкания, и их часто называют просто вспышкой дуги, но с точки зрения безопасности их часто рассматривают отдельно. Например, средства индивидуальной защиты (СИЗ) могут использоваться для эффективной защиты работника от излучения дуговой вспышки, но те же самые СИЗ, вероятно, могут быть неэффективны против летающих предметов, расплавленного металла и сильного сотрясения мозга, которое может вызвать дуговой взрыв. . (Например, защита от дуговой вспышки категории 4, аналогичная бомбовому костюму , вряд ли защитит человека от сотрясения мозга в результате очень сильного взрыва, хотя она может предотвратить испарение рабочего от интенсивного света вспышки. ) По этой причине помимо ношения СИЗ обычно принимаются и другие меры предосторожности, помогающие предотвратить травмы. Однако явление дугового взрыва иногда используется для гашения электрической дуги некоторыми типами самодуговых камерных выключателей .

Определение

Управляемая вспышка дуги, производимая в лампе-вспышке . Несмотря на то, что используемый уровень энергии довольно низкий (85 джоулей), схема с низким импедансом и низкой индуктивностью производит вспышку мощностью 24 000 000 Вт. При температуре дуги 17 000 К (30 100 ° F) выходное излучение сосредоточено на длине волны 170 нанометров в дальнем УФ-диапазоне. Интенсивный всплеск излучения легко проникает через сварочный фильтр № 10, экранирующий камеру.

Дуговая вспышка — это свет и тепло, возникающие от электрической дуги , снабженной достаточной электрической энергией, чтобы вызвать существенный ущерб, вред, пожар или травму. Электрические дуги испытывают отрицательное добавочное сопротивление , которое приводит к уменьшению электрического сопротивления по мере увеличения температуры дуги. Следовательно, по мере того, как дуга развивается и нагревается, сопротивление падает, потребляя все больше и больше тока (убегание), пока какая-то часть системы не расплавится, не сработает или не испарится, обеспечивая достаточное расстояние, чтобы разорвать цепь и погасить дугу. Электрические дуги, когда они хорошо контролируются и питаются ограниченной энергией, производят очень яркий свет и используются в дуговых лампах (закрытых или с открытыми электродами), для сварки, плазменной резки и других промышленных применений. Сварочные дуги могут легко превратить сталь в жидкость при среднем напряжении всего 24 В постоянного тока . Когда неконтролируемая дуга образуется при высоком напряжении, особенно там, где используются большие питающие провода или сильноточные проводники, вспышки дуги могут вызывать оглушительный шум, сверхзвуковые ударные силы, перегретые шрапнели , температуры, намного превышающие поверхность Солнца, и интенсивное, высокоэнергетическое излучение, способное испарять близлежащие материалы.

Температура вспышки дуги может достигать или превышать 35 000 ° F (19 400 ° C) на дуговых зажимах. Огромная энергия, высвободившаяся в разломе, быстро испаряет задействованные металлические проводники, выбрасывая расплавленный металл и расширяя плазму наружу с необычайной силой. Типичная вспышка дуги может быть несущественной, но вполне может легко привести к более сильному взрыву (см. расчет ниже). Результатом насильственного события может стать разрушение задействованного оборудования, пожар и ранения не только электрика, но и прохожих. Во время дуговой вспышки электрическая энергия испаряет металл, который переходит из твердого состояния в газообразный, расширяя его с взрывной силой. Например, когда медь испаряется, она внезапно увеличивается в объеме в 67 000 раз.

Помимо взрывного взрыва, называемого дуговым взрывом такого повреждения, разрушение также возникает из-за интенсивного лучистого тепла, производимого дугой. Металлическая плазменная дуга производит огромное количество световой энергии от дальнего инфракрасного до ультрафиолетового диапазона . Поверхности близлежащих объектов, включая людей, поглощают эту энергию и мгновенно нагреваются до температуры испарения. Последствия этого можно увидеть на прилегающих стенах и оборудовании — они часто разрушаются и разрушаются из-за радиационного воздействия.

Примеры

Один из наиболее распространенных примеров дуговой вспышки возникает при лампы накаливания перегорании . Когда нить разрывается, поперек нити возникает дуга, окутывающая ее плазмой с яркой синей вспышкой. Большинство бытовых лампочек имеют встроенный предохранитель, предотвращающий образование устойчивой вспышки дуги и перегорание предохранителей в электрической панели. Большинство электрических сетей с напряжением 400 В и выше имеют достаточную мощность, чтобы вызвать опасность возникновения дуговой вспышки. . Оборудование среднего напряжения (выше 1000 В) имеет более высокий потенциал и, следовательно, более высокий риск возникновения дуговой вспышки. . Более высокие напряжения могут вызвать скачок искры, вызывая вспышку дуги без необходимости физического контакта, и могут поддерживать дугу в более длинных промежутках. В большинстве линий электропередач используется напряжение, превышающее 1000 В, и они могут представлять опасность возникновения дугового разряда для птиц, белок, людей или оборудования, такого как транспортные средства или лестницы. Вспышки дуги часто наблюдаются на линиях или трансформаторах непосредственно перед отключением электроэнергии, создавая яркие вспышки, похожие на молнии, которые можно увидеть на больших расстояниях.

Линии электропередачи высокого напряжения часто работают в диапазоне от десятков до сотен киловольт, что может привести к очень длительным вспышкам дуги, часто называемым пробоями. Обычно необходимо позаботиться о том, чтобы линии были изолированы с надлежащим «классом перекрытия» и находились на достаточном расстоянии друг от друга, чтобы предотвратить самопроизвольное возникновение дуговой вспышки. Если линии высокого напряжения окажутся слишком близко друг к другу или к земле, коронный разряд между проводниками может образоваться . Обычно это синий или красноватый свет, вызванный ионизацией воздуха, сопровождающийся шипением или звуком жарки. Коронный разряд может легко привести к вспышке дуги, создавая проводящий путь между линиями. Эта ионизация может усиливаться во время грозы, вызывая спонтанные вспышки дуги и приводя к отключениям электроэнергии.

В качестве примера энергии, выделяющейся при вспышке дуги, при одиночном междуфазном замыкании в системе напряжением 480 В с током повреждения 20 000 А результирующая мощность составляет 9,6 МВт . Если неисправность длится 10 циклов при частоте 60 Гц, результирующая энергия составит 1,6 мегаджоуля . Для сравнения, при детонации тротил используется общепринятое значение 4184 Дж/г выделяет 2175 Дж/г или более (для тротилового эквивалента ). Таким образом, энергия этого повреждения эквивалентна 380 граммам (приблизительно 0,8 фунта) тротила. . Характер дуговой вспышки сильно отличается от химического взрыва (больше тепла и света, меньше механического удара), но результирующий ущерб сопоставим. Быстро расширяющийся перегретый пар, образуемый дугой, может вызвать серьезные травмы или повреждения, а интенсивный ультрафиолетовый , видимый и инфракрасный свет, создаваемый дугой, может временно, а иногда даже навсегда ослепить или вызвать повреждение глаз у людей.

При разработке программ безопасности необходимо учитывать четыре различных типа событий, связанных с вспышкой дуги:

• Под открытым небом
• Выброшен
• Ориентированность на оборудование (Arc-in-a-box)
• Отслеживание

Меры предосторожности

Переключение

Одна из наиболее частых причин травм от вспышки дуги возникает при включении электрических цепей и, особенно, при срабатывании автоматических выключателей. Сработавший автоматический выключатель часто указывает на то, что где-то на линии от панели возникла неисправность. Обычно неисправность необходимо изолировать перед включением питания, в противном случае может легко возникнуть вспышка дуги. Небольшие дуги обычно образуются в переключателях при первом соприкосновении контактов и могут стать местом для возникновения вспышки дуги. Если напряжение достаточно высокое, а провода, ведущие к повреждению, достаточно большие, чтобы пропустить значительную силу тока, при включении автоматического выключателя внутри панели может образоваться дуговая вспышка. Как правило, виновником является либо электродвигатель с закороченными обмотками, либо закороченный силовой трансформатор, способный потреблять энергию, необходимую для поддержания опасной вспышки дуги. Двигатели мощностью более двух лошадиных сил обычно имеют магнитные пускатели , чтобы изолировать оператора от высокоэнергетических контактов и обеспечить возможность отключения контактора . если выключатель сработает.

Распределительное устройство на 480 В, требующее дуговой защиты 4-й категории.

Автоматические выключатели часто являются основной защитой от выхода тока из-под контроля, особенно если нет вторичных предохранителей, поэтому, если в выключателе возникает дуговая вспышка, ничто не может помешать вспышке выйти из-под контроля. Как только вспышка дуги начинается в выключателе, она может быстро мигрировать из одной цепи на шины самой панели, позволяя течь очень высоким энергиям. Обычно при переключении автоматических выключателей необходимо соблюдать меры предосторожности, например, стоять в стороне во время переключения, чтобы не мешать телу, носить защитную одежду или выключать оборудование, цепи и панели нижестоящей линии перед переключением. Очень большие распределительные устройства часто способны выдерживать очень высокие энергии, и поэтому во многих местах перед включением требуется использование полного защитного оборудования.

В дополнение к теплу, свету и сотрясению, дуговая вспышка также создает облако плазмы и ионизированных частиц. При вдыхании этот ионизированный газ может вызвать серьезные ожоги дыхательных путей и легких. Заряженная плазма также может притягиваться к металлическим предметам, которые носят находящиеся поблизости люди, например к серьгам, пряжкам ремней, ключам, украшениям для тела или оправам очков, вызывая серьезные локальные ожоги. При переключении цепей техник должен позаботиться о том, чтобы удалить с тела все металлы, задержать дыхание и закрыть глаза. Вспышка дуги с большей вероятностью образуется в выключателе, который замыкается медленно, поскольку между контактами есть время для образования дуги, поэтому обычно более желательно «перебрасывать» выключатели быстрым движением, быстро и прочно обеспечивая хороший контакт. . Сильноточные переключатели часто имеют систему пружин и рычагов, помогающую в этом.

Живое тестирование

При испытаниях в цепях высокой мощности под напряжением технические специалисты должны соблюдать меры предосторожности по уходу и техническому обслуживанию испытательного оборудования, а также поддерживать чистоту и отсутствие мусора. Техник должен использовать защитное оборудование, такое как резиновые перчатки и другие средства индивидуальной защиты, чтобы избежать возникновения дуги и защитить персонал от любой дуги, которая может возникнуть во время тестирования.

Защита персонала

Продолжительность: 25 минут 35 секунд. 25:35 Доступны субтитры. СС

Видео, описывающее опасность вспышек дуги и меры, которые можно предпринять для снижения риска для работников.

Существует множество методов защиты персонала от опасности возникновения дуговой вспышки. Это может включать использование персоналом средств индивидуальной защиты (СИЗ) от вспышки дуги или изменение конструкции и конфигурации электрооборудования. Лучший способ устранить опасность вспышки дуги — обесточить электрооборудование при взаимодействии с ним, однако обесточивание электрооборудования само по себе представляет опасность возникновения дуги. В этом случае одним из новейших решений является предоставление оператору возможности находиться далеко от электрооборудования, управляя оборудованием удаленно. Это можно сделать с помощью оборудования, имеющего переключатели с дистанционным управлением, или с помощью удаленных стеллажей.

Оборудование для защиты от дуговой вспышки

В связи с ростом осведомленности об опасности дуговой вспышки появилось много компаний, предлагающих средства индивидуальной защиты (СИЗ), такие как костюмы, комбинезоны, шлемы, ботинки и перчатки.

Эффективность защитного оборудования измеряется его номиналом дуги. Номинал дуги — это максимальное сопротивление падающей энергии, демонстрируемое материалом до разрыва (отверстия в материале) или необходимое для прохождения и возникновения ожогов второй степени с 50% вероятностью. Номинал дуги обычно выражается в кал /см. ² (или небольшие калории тепловой энергии на квадратный сантиметр). Испытания для определения мощности дуги определены в Стандартных технических характеристиках ASTM F1506 для огнестойких текстильных материалов для ношения одежды, используемой электротехническими работниками, подвергающимися воздействию мгновенной электрической дуги и связанным с ней термическим опасностям .

Выбор подходящих СИЗ для конкретной задачи обычно осуществляется одним из двух возможных способов. Первый метод — обратиться к таблице классификации категорий опасности, например, из таблицы NFPA 70E . В таблице 130.7(C)(15)(a) перечислен ряд типичных электротехнических работ для различных уровней напряжения и рекомендованы категории средств индивидуальной защиты, которые следует носить. Например, при работе на распределительном устройстве напряжением 600 В и снятии крышек с болтами, чтобы обнажить оголенные части, находящиеся под напряжением, в таблице рекомендуется использовать систему защитной одежды категории 3. Эта система категории 3 соответствует комплекту средств индивидуальной защиты, которые вместе обеспечивают защиту до 25 кал/см. ² (105 Дж /см ² или 1,05 МДж/м ² ). Минимальный рейтинг СИЗ, необходимый для любой категории, соответствует максимальной доступной энергии для этой категории. Например, для опасности вспышки дуги категории 3 требуются СИЗ с плотностью не менее 25 кал/см. ² (1,05 МДж /м ² ).

Второй метод выбора СИЗ заключается в расчете опасности вспышки дуги для определения доступной энергии падающей дуги. IEEE 1584 предоставляет руководство по выполнению этих расчетов при условии, что известен максимальный ток короткого замыкания, продолжительность сбоев и другая общая информация об оборудовании. После расчета падающей энергии можно выбрать соответствующий ансамбль СИЗ, обеспечивающий защиту, превышающую имеющуюся энергию.

СИЗ обеспечивают защиту после возникновения дуговой вспышки и их следует рассматривать как последнюю линию защиты. Снижение частоты и серьезности происшествий должно быть первым вариантом, и этого можно достичь посредством полной оценки опасности вспышки дуги и применения таких технологий, как заземление с высоким сопротивлением, которое, как было доказано, снижает частоту и серьезность происшествий.

Пример ИЭУ, оснащенного дуговой защитой

Снижение опасности благодаря дизайну

Три ключевых фактора определяют интенсивность воздействия дуговой вспышки на персонал. Этими факторами являются величина тока повреждения, доступного в системе, время до устранения дугового замыкания и расстояние, на котором человек находится от дуги повреждения. Чтобы повлиять на эти факторы и, в свою очередь, снизить опасность возникновения дуговой вспышки, можно выбрать различные варианты конструкции и конфигурации оборудования.

Ток повреждения

Ток короткого замыкания можно ограничить с помощью устройств ограничения тока, таких как токоограничивающие выключатели, заземляющие резисторы, катушки гашения дуги или предохранители. Если ток короткого замыкания ограничен 5 амперами или менее, то многие замыкания на землю самозатухают и не перерастают в междуфазные замыкания.

Время искрения

Время образования дуги можно сократить, временно настроив вышестоящие защитные устройства на более низкие уставки во время периодов технического обслуживания или используя зонально-селективную блокировочную защиту (ZSIP). При зонно-селективной блокировке нижестоящий выключатель, обнаруживающий неисправность, связывается с вышестоящим выключателем, чтобы задержать его функцию мгновенного отключения. Таким образом будет сохранена «селективность», иными словами, неисправности в цепи отключаются ближайшим к месту повреждения выключателем, сводя к минимуму воздействие на всю систему. Неисправность в ответвленной цепи будет обнаружена всеми выключателями выше места повреждения (ближе к источнику питания). Автоматический выключатель, ближайший к месту повреждения ниже по цепи, отправит сдерживающий сигнал, чтобы предотвратить мгновенное срабатывание выключателей выше по цепи. Тем не менее, наличие неисправности активирует предварительно заданный таймер(ы) задержки срабатывания вышестоящего автоматического выключателя(ов); это позволит вышестоящему автоматическому выключателю прервать неисправность, если это все еще необходимо после истечения заданного времени. Система ZSIP позволяет использовать более быстрые мгновенные настройки отключения без потери селективности. Более быстрое время срабатывания снижает общую энергию дугового разряда.

Время возникновения дуги можно значительно сократить за счет защиты, основанной на обнаружении вспышки дуги. Оптическое обнаружение часто сочетается с информацией о сверхтоках. Защиту на основе света и тока можно настроить с помощью специальных реле защиты от вспышки дуги или с помощью обычных защитных реле, оснащенных дополнительной опцией защиты от вспышки дуги.

Одним из наиболее эффективных способов сокращения времени горения дуги является использование дугогасителя. это погасит дугу в течение нескольких миллисекунд. Дугогаситель срабатывает за 1–4 мс и создает трехфазное короткое замыкание в другой части системы, обычно выше по цепи при более высоких напряжениях. Это устройство содержит контакт быстрого контакта, который при активации внешним реле устанавливает физический контакт с шиной под напряжением, что затем создает короткое замыкание. Дугогаситель защитит человека, если он стоит перед местом вспышки дуги, а реле обнаруживают вспышку дуги, перенаправляя вспышку дуги в другое место, хотя это отвлечение может вызвать сбой системы в месте, где произошло короткое замыкание. перенаправлено на. Эти устройства необходимо заменять после операции.

Другой способ уменьшить вспышку дуги — использовать срабатывающий ограничитель тока. или ограничитель коммутирующего тока, в который вставляется предохранитель, ограничивающий постоянный ток низкого номинала, который плавится и прерывает вспышку дуги в течение 4 мс. Преимущество этого устройства в том, что оно исключает вспышку дуги в источнике и не перенаправляет ее в другой участок системы. Срабатываемый ограничитель тока всегда будет работать в режиме «Ограничение тока», что означает, что он разорвет цепь до того, как возникнет первый пиковый ток. Эти устройства управляются и распознаются электроникой и предоставляют пользователю обратную связь о своем рабочем состоянии. Их также можно включать и выключать по желанию. Эти устройства необходимо заменять после операции.

Расстояние

Энергия излучения , выделяемая электрической дугой, способна необратимо ранить или убить человека на расстоянии до 20 футов (6,1 м). Расстояние от источника дуговой вспышки, в пределах которого незащищенный человек имеет 50%-ную вероятность получить ожог второй степени, называется «границей защиты от вспышки». Падающая энергия 1,2 кал/см. ² на голой коже была выбрана при решении уравнения границы дуговой вспышки в стандарте IEEE 1584 . Граничные уравнения дуговой вспышки IEEE 1584 также можно использовать для расчета границ дуговой вспышки с граничной энергией, отличной от 1,2 кал/см. ² например, появление энергии ожога 2-й степени. Те, кто проводит анализ опасности вспышки, должны учитывать эту границу, а затем определить, какие средства индивидуальной защиты следует носить в пределах границы защиты от вспышки. Удаленные операторы или роботы могут использоваться для выполнения действий, которые сопряжены с высоким риском возникновения дуговых вспышек, например, для установки выдвижных автоматических выключателей в электрическую шину под напряжением. системы удаленного стеллажа Доступны , которые удерживают оператора вне зоны опасности вспышки дуги.

Исследовать

И Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), и Национальная ассоциация противопожарной защиты (NFPA) объединили усилия в инициативе по финансированию и поддержке исследований и испытаний, направленных на улучшение понимания дуговой вспышки. Результаты этого совместного проекта предоставят информацию, которая будет использоваться для улучшения стандартов электробезопасности, прогнозирования опасностей, связанных с искрением и сопутствующими дуговыми взрывами, а также обеспечит практические меры безопасности для сотрудников на рабочем месте.

Стандарты

• Стандарты OSHA 29 CFR, части 1910 и 1926. Стандарты безопасности и гигиены труда. Часть 1910, подраздел S (электрическая часть) §§ 1910.332–1910.335 содержит общеприменимые требования к методам работы, связанным с безопасностью. 11 апреля 2014 года OSHA приняло пересмотренные стандарты для работ по производству, передаче и распределению электроэнергии в части 1910, § 1910.269 и части 1926, подраздел V, которые содержат требования к защите от дуговой вспышки и рекомендации по оценке опасности вспышки дуги, делая разумные оценки тепловой энергии, исходящей от электрических дуг, и выбор соответствующего защитного оборудования (79 FR 20316 и последующие, 11 апреля 2014 г.) ). Все эти стандарты OSHA ссылаются на NFPA 70E.
• Стандарт 70 Национальной ассоциации противопожарной защиты (NFPA) «Национальный электротехнический кодекс» (NEC) содержит требования к предупреждающим надписям.
• NFPA 70E содержит рекомендации по внедрению соответствующих методов работы, которые необходимы для защиты работников от травм при работе с открытыми электрическими проводниками или частями цепи, которые могут оказаться под напряжением, или рядом с ними.
• Канадской ассоциации стандартов Стандарт вспышки дуги CSA Z462 является канадской версией NFPA70E. Выпущен в 2008 году.
• по Стандарт Канадских лабораторий страховщиков электробезопасности на рабочем месте в электроэнергетике при производстве, передаче и распределении CAN/ULC S801 .
• Институт электроники и электротехники IEEE 1584 .

Известные инциденты

в результате крупной промышленной аварии на подстанции Астория, Квинс- Кон-Эдисон, 27 декабря 2018 года вышло из строя потенциальное устройство соединительного конденсатора напряжением 138 000 В , что привело к вспышке дуги, которая, в свою очередь, сожгла алюминий , осветив небо сине-зеленым зрелищем, видимым на многие мили. вокруг. Событие широко освещалось в социальных сетях, и в аэропорту Ла-Гуардия временно отключилось электричество, однако погибших и раненых не было.

Внешние ссылки

• Видео о вспышке дуги доступно на YouTube или в NIOSH.
• Руководство по вспышке дуги
• Пример системы дуговой защиты YouTube