Как устройства защиты от дугового пробоя снижают риск возгорания электроустановок

Дуговой пробой в электрических установкахнизкого напряжения, расположенных внутри зданий, представляет значительнуюопасность. Существующие защитные устройства, например автоматические выключатели или выключатели диффе-ренциального 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, подряд-чики и жильцы зданий должны рассмотретьвозможность внедрения новых устройств защиты от дугового пробоя (УЗДП). В этой статье рассматриваются передовые технологии в области защиты электрообо-рудованияи определяются критические области применения, где УЗДП повышаютуровень безопасности.

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 несоблюдениинадлежащих мер безопасности или халатном обращении может возникнуть потенциальнаяопасность, например, поражения электрическим током, ожогов, взрыва ипожара.

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

Для устранения риска поражения электрическим током, перегрузок в цепи и скачковнапряжения, вызванных молнией, в современных офисных зданиях, лабораториях и фабриках обычно применяются такие технологии, как выключатели дифференци-ального 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 гораздобольше осведомлен об опасностях поражения электрическим током, нежели о пожарах электрического происхождения.

Для решения этой проблемы на рынке были представлены средства, обеспечивающиезащиту 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.

США—одна из первых стран в мире, которая начала внедрять эти устройства. Там они применяются с 2002года и известны как прерыватели цепи при дуговом пробое (AFCI). Статистические данные из США свидетельствуют о том, что технологии безопасности электрооборудования развиваются в положительном направлении (см. рис.1), хотя общее количество установленных устройств все еще невелико. В остальных странах уровень заинтересованности в решении проблемы защиты от дугового пробоя продолжает расти.

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, вцепях, снабжающих электричеством помещения со спальными местами. Новая технология также будет полезной в зданиях с высокой плотностью заселения, там, гдезатруднена быстрая эвакуация, велик риск быстрого распространения пожара или присутствует большое количество горючих материалов.

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, анеэлектрической дуги.

Дуговой пробой чаще всего возникает в распредели-тельной 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 материалаэлектрода». В нормальных условиях катод и анод разделены тонким слоем воздуха,вкотором образуется электрическая дуга. Температура в центре дуги может варьи-роваться 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.

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 непозволяет пропускать ток. Однако, когда приложенное напряжение превышает критическое значение, так называемое напряжение пробоя, между электродами возникает разряд. Если ток не ограничивается источником, разряд превращается внеобратимую дугу. Это происходит, если изоляция кабеля повреждена. Такое напряжение пробоя создает благоприятные условия для возникновения электрическойдуги 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 выступаютлишь 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 вконтакте 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.

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 всочетании с автоматическим выключателем или автоматическим выключателемдифференциального 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 электрическихпараметров. Таким образом можно гарантировать, что устройства защиты от дугового пробоя будут срабатывать только при возникновении опасных дуг.

В число анализируемых параметров входят: