Arc-Flash Hazard of metal-enclosed switchgears

Wewnętrzne zwarcie łukowe w rozdzielnicy jest zdarzeniem rzadkim, ale możliwym. Skutki takiego zdarzenia mogą być katastrofalne w związku z czym zwarcia takiego nie można nie brać pod uwagę. Wytrzymałość rozdzielnicy na zwarcie łukowe nie jest wymaganiem obowiązkowym z punktu widzenia normy przedmiotowej, np. 62271-200, ale powinna być pożądana dla ograniczenia możliwych strat materialnych oraz zagrożenia dla zdrowia i życia ludzkiego. Niezależnie od zapewnienia łukoochronności, zgodnie z wymaganiami odpowiedniej normy, możliwe są dodatkowe metody i środki ograniczające skutki takiego zdarzenia awaryjnego.

An internal arc fault in a switchgear is a rare but possible event. The effects of such an event can be catastrophic and therefore such a short-circuit cannot be ignored. The arc strength of the switchgear is not a mandatory requirement from the point of view of the subject standard, e.g. 62271-200, but should be desirable in order to reduce possible material losses and risk to human health and life. Regardless of the provision of arc flash protection, in accordance with the requirements of the relevant standard, additional methods and means are possible to reduce the effects of such an emergency event.

Cechą urządzeń elektroenergetycznych wysokiego napięcia, w tym również rozdzielnic średniego napięcia jest/powinna być ich niezawodność działania w długim czasie, sięgającym dziesiątków lat. Osiągane jest to poprzez staranne dopracowanie i wykonanie konstrukcji oraz rzetelnie prowadzone badania typu, wyrobu i odbiorcze.  Dzięki temu, urządzenia elektroenergetyczne pozwalają na długotrwałą pracę w warunkach normalnych oraz krótkotrwale w warunkach zakłóceniowych, eliminując i ograniczając skutki pojawiających się problemów. Niestety wskutek wad ukrytych, montażowych i eksploatacyjnych, procesów starzeniowych, błędnych lub wadliwych łączeń, wyjątkowych warunków pracy takich jak przepięcia atmosferyczne i łączeniowe, zabrudzenia, kondensacja, przeciążenia cieplne i elektrodynamiczne, lokalna jonizacja gazu wskutek iskrzenia oraz zwierzęta- głównie gryzonie, może dojść do zainicjowania zwarcia wewnętrznego nazywanego łukiem awaryjnym. Zwarcie łukowe wewnątrz rozdzielnicy średniego napięcia należy do najbardziej katastrofalnych zdarzeń jakie mogą mieć miejsce w trakcie eksploatacji. Zdarzenia takie mają miejsce bardzo rzadko, co sprawia, że prawdopodobieństwo ich wystąpienia jest bardzo małe, nie mniej jednak ich skutki mogą być drastyczne więc nie mogą być wykluczone.  Skutki takiego zwarcia dotyczą nie tylko samego układu zasilania wskutek uszkodzenia pojedynczego pola lub rozdzielnicy, ale też mogą pociągać za sobą ogromne straty ekonomiczne jak i społeczne, w związku z awaryjnym, długotrwałym odstawieniem układu zasilania, możliwym rozerwaniem, eksplozją osłony rozdzielnicy prowadzącym do niekontrolowanej emisji do otoczenia płomieni, bardzo gorących i szkodliwych dla zdrowia gazów, strumieni plazmy kropli roztopionego metalu, odłamków konstrukcji oraz promieniowania samego łuku.

Łukoochronność może być jednym z podstawowych parametrów znamionowych rozdzielnicy SN. Gdy jest do niej przypisana, to badania wytrzymałości na łuk wewnątrz rozdzielnicy są obowiązkowe i powinny być wykonane dla każdego przedziału wysokonapięciowego, zgodnie z klasyfikacją IAC (Internal Arc Classified). Klasyfikacja IAC definiuje poziom bezpieczeństwa osób znajdujących się w pobliżu rozdzielnicy w przypadku wystąpienia wewnętrznego zwarcia łukowego podczas normalnej pracy rozdzielnicy. Znamionowy prąd zwarcia łukowego określany jest przeważnie dla zwarcia trójfazowego, ale może też być wskazany dla zwarcia jednofazowego w przypadku rozdzielnicy/przedziałów z izolowanymi torami prądowymi. Dla określonej wartości skutecznej prądu i czasu trwania zwarcia łukowego, literami A, B, C opisuje rodzaj dostępu, a literami F, L, R stronę z której możliwy jest bezpieczny dostęp do osłony rozdzielnicy. Zgodnie z tą klasyfikacją możliwy jest dostęp: ograniczony tylko dla personelu upoważnionego (A), nieograniczony, w tym również dla osób postronnych (B), ograniczony przez zainstalowanie poza zasięgiem- wykonanie słupowe (C), od przodu rozdzielnicy (F), z boku (L) i od tyłu (R). Przypisanie określonej klasy dostępu determinuje warunki w jakich próba łukoochronności ma być wykonana.

Próby zwarcia wewnętrznego wg. Pn-en 62271-200

Badania łukoochronności powinny być przeprowadzone co najmniej w każdym skrajnym przedziale reprezentatywnego pola zawierającym części obwodu głównego. Rozdzielnica do badań powinna być w pełni wyposażona, przy czym dopuszcza się stosowanie atrap poszczególnych komponentów, pod warunkiem zachowania tej samej ich objętości i materiałów zewnętrznych jak w zastępowanym komponencie, oraz braku wpływu na obwody główne i uziemienia. Ze względów środowiskowych dopuszcza się zastąpienie gazu izolacyjnego SF₆ powietrzem, z zachowaniem ciśnienia znamionowego. W przypadku przedziałów chronionych bezpiecznikami ograniczającymi, badania powinny być wykonane przy największej wartości prądu ograniczonego oraz przy maksymalnym napięciu znamionowym urządzenia. W pozostałych przypadkach napięcie próby może być obniżone, ale musi być wyższe od spodziewanego możliwego napięcia łuku, aby nie doszło do przedwczesnego zgaśnięcia łuku w żadnej z faz, oraz by nie doszło do nadmiernego ograniczania wartości prądu. Jeśli stosowane są inne środki mające na celu ograniczenie skutków łuku, to nie powinny one działać w takcie badań łukoochronności, o ile nie są przewidziane dodatkowe takie badania. Wartość prądu zwarcia łukowego powinna być stała, a prąd powinien być utrzymany przez czas znamionowy trwania zwarcia obwodu głównego. W przypadku ograniczonych możliwości probierczych laboratorium dopuszcza się wydłużenie czasu łukowego tak, aby całka składowej okresowej prądu była równa wartości wymaganego prądu zwarciowego, z tolerancją +10%, – 0%. Wartość prądu zwarcia łukowego przeważnie jest równa znamionowemu prądowi wytrzymywanemu, ale może też być mniejsza, jeśli tak określi producent. Czas trwania zwarcia łukowego zazwyczaj wynosi 1 sekundę, ale może też być ustalony na poziomie 0,1 s, 0,5 s lub inny, zgodnie z deklaracją producenta. Zwarcie łukowe wewnątrz rozdzielnicy inicjowane jest drutem metalowym o średnicy około 0,5 mm, pomiędzy wszystkimi fazami, dla zwarcia trójfazowego, miedzy fazą a ziemią w przypadku rozdzielonych przewodów fazowych lub miedzy dwiema fazami w polach, w których tory prądowe są pokryte izolacją stałą. Inicjacja zwarcia powinna mieć miejsce w najdalej oddalonym od zasilania dostępnym punkcie w danym przedziale.

Podczas prób łukowych, rozdzielnica do zastosowań wnętrzowych musi być ustawiona w specjalnie przygotowanej przestrzeni, odwzorowującej podłogę, ścianę boczną, tylną i sufit. Jeżeli producent rozdzielnicy nie podaje innych odległości to sufit powinien być na wysokości nie mniejszej niż 2 m od podłogi oraz dla rozdzielnic o wysokości przynajmniej 1,8 m, w odległości 20 cm ± 5 cm od górnej części badanej rozdzielnicy. Ściany boczne i tylna, jeśli nie są dostępne, zgodnie z klasyfikacją IAC powinny się znajdować 10 cm ± 3 cm  od rozdzielnicy. W przypadku, gdy ściana tylna rozdzielnicy jest dostępowa, to odległość od tyłu rozdzielnicy do ściany pomieszczenia powinna wynosić 80 cm. Jeżeli próby są przeprowadzone przy większych odstępach, to powinny one być zadeklarowane przez producenta jako minimalne dopuszczalne. Jeśli producent rozdzielnicy określa minimalną liczbę pól rozdzielnicy dla zapewnienia skutecznej dekompresji ciśnienia lub, że konstrukcja wymaga stosowania kanałów wydmuchowych do usuwania gazów powstających przy zwarciu łukowym, to zarówno instalowana rozdzielnica jak i próby wewnętrznego zwarcia łukowego powinny być przeprowadzone z odwzorowaniem tych warunków. W przypadku stosowania kanałów, wylot powinien się znajdować przynajmniej 2 m od badanej rozdzielnicy. Producent powinien też wskazać minimalny przekrój poprzeczny kanału, umiejscowienie oraz właściwości wylotowe, takie jak klapy, siatki i ich charakterystyki. Ocena cieplnych skutków oddziaływania wewnętrznego zwarcia łukowego na ludzi, którzy mogą znajdować się w pobliżu rozdzielnicy realizowana jest przy użyciu wskaźników rozmieszczonych wokół badanej rozdzielnicy.  Dla rozdzielnicy sklasyfikowanej jako dostępnej tylko dla uprawnionego personelu, w założeniu wyposażonego w odpowiednie ubranie i środki ochrony osobistej, wskaźniki  są wykonane z grubszego i mniej palnego materiału, czarnego kretonu (bawełniana tkanina, ~150 g/m2) oraz ustawione są dalej od rozdzielnicy. W przypadku dostępu do rozdzielnicy osób postronnych, badania łukoochronności wykonywane są w ostrzejszym reżimie, tj. wskaźniki ustawione są bliżej i wykonane są z cieńszego, bardziej palnego materiału- czarnego batystu bawełniano-lnianego (~40 g/m2). Wskaźniki powinny być umieszczone pionowo do wysokości 2 m, z każdej strony dla której jest określony dostęp wg. klasyfikacji IAC (F, L, R), na stojaku montażowym, w odległości zależnej od rodzaju dostępu. Ponadto powinny być ustawione poziomo na wysokości 2 m nad podłogą, od wskaźników pionowych do odległości 80 cm od rozdzielnicy. W przypadku, gdy sufit jest na wysokości 2 m nad podłogą, wskaźniki poziome nie są wymagane. Wymiary wskaźników powinny wynosić około 15×15 cm. Powinny być rozmieszczone równomiernie, ułożone w szachownicę, pokrywając od 40 do 50% powierzchni. Przykłady rzutów odwzorowania pomieszczenia rozdzielni i ustawienia wskaźników pokazano na rysunkach 2 i 3. Zdjęcie rozdzielnicy z rozstawionymi wskaźnikami pokazano na rysunku 4.

Wynik próby wewnętrznego zwarcia łukowego rozdzielnicy uznaje się za pozytywny, jeśli spełnione zostaną wymagania normy, częściowo opisane powyżej, oraz następujące kryteria:

1. Drzwi i pokrywy  nie otworzyły się. Zniekształcenia i rozszczelnienia rozdzielnicy są akceptowalne, pod warunkiem, że żadna z części nie przesunęła się aż do położenia wskaźników lub ścian, oraz wydmuch gazów nie jest skierowany na ścianę.
2. Nie nastąpiło rozdzielenie się części obudowy w czasie próby. Dopuszcza się odrzucenie małych pojedynczych części o masie do 60 g.
3. Łuk nie spowodował powstania otworów w dostępnych częściach osłony do wysokości 2 m.
4. Nie zapaliły się wskaźniki wskutek oddziaływania gorących gazów.
5. Osłony pozostają połączone z punktem neutralnym.

Ograniczenie skutków zwarcia łukowego

Możliwe jest zastosowanie dodatkowych środków ograniczających skutki łuku awaryjnego oraz zapewniających zwiększenie poziomu ochrony osób i urządzeń rozdzielczych w przypadku wystąpienia łuku wewnętrznego. Przykładem takich rozwiązań są między innymi: czujniki błysku, ciśnienia, temperatury oraz zabezpieczenie różnicowe szyn zbiorczych powodujące szybkie wyłączenie, bezpieczniki ograniczające wartość prądu i czas trwania zwarcia, uziemniki szybkie zmieniające zwarcie łukowe na metaliczne, sterowanie członem wysuwnym przy zamkniętych drzwiach rozdzielnicy, układy dekompresyjne oraz inne. Stosowanie tych środków nie zwalnia jednak z potrzeby zapewnienia odpowiedniej wytrzymałości na zwarcie łukowe, zgodnie z klasyfikacją IEC. Wynika to z faktu możliwego niezadziałania tych środków oraz potrzymania wyładowania łukowego przez energię pochodzącą z rozpędzonych maszyn wirujących w obwodzie obciążenia, pomimo odcięcia źródła zasilania. Stosowanie czujników błysku wraz z szybkim wyłączeniem zasilania wydaje się być najbardziej powszechnym rozwiązaniem dla szybkiej reakcji na zwarcie łukowe i dla ograniczenia jego skutków. Niesie jednak ze sobą ryzyko nieuzasadnionego i niekontrolowanego zadziałania wskutek przypadkowego pobudzenia światłem nie pochodzącym od wyładowania łukowego. Dlatego często wprowadza się dodatkowe drugie kryterium, potwierdzające wystąpienie zwarcia, takie jak np. kontrola napięcia, stromości prądu lub inne.

Zabezpieczenie łukoochronne arc

Rozdzielnice średniego napięcia e²ALPHA produkowane przez Elektrometal Energetyka S.A. zapewniają wysoki stopień bezpieczeństwa obsługi rozdzielnicy dzięki zastosowaniu rozbudowanego systemu blokad mechanicznych i elektrycznych, odpowiadający wymaganiom norm PN-EN 62271-1 i 62271-200 oraz wytrzymałej konstrukcji mechanicznej pola, którą cechuje wysoki poziom łukoodporności, tj. 31,5 kA w czasie 1 sekundy. W miejscach szczególnie narażonych na oddziaływanie łuku wewnętrznego oraz ciśnienia gazów połukowych, wykorzystano wysokogatunkową blachę stalową o grubości 3 mm pokrytą farbą proszkową. Dodatkowo w przypadku celek wykonywanych w łukoodporności 31,5 kA/1 s, drzwi przedziałów: przyłączowego oraz członu wysuwnego zaopatrzono w ekrany kumulacyjne chroniące je przed skutkami odziaływania łuku elektrycznego oraz wysokiego ciśnienia. Każdy przedział zawierający aparaturę wysokiego napięcia posiada osobny kanał wydmuchowy, zakończony osłoną dekompresyjną. Odpowiednio dobrany kształt oraz rozmieszczenie wylotów kanałów dekompresyjnych zapewnia wysoki stopień ochrony personelu obsługującego rozdzielnicę przed skutkami wydmuchu gazów połukowych oraz oddziaływań termicznych. Opcjonalnie rozdzielnica e²ALPHA może być wyposażona w zbiorczy kanał dekompresyjny, wykonany z blachy stalowej o grubości 2 mm.

Dla ograniczenia skutków łuku awaryjnego możliwe jest doposażenie rozdzielnicy w czujniki błysku, również z układem automatycznego testu czujników. Sterowniki polowe e²TANGO produkcji Elektrometal Energetyka S.A. muszą być wtedy wyposażone w dodatkową kartę zabezpieczenia łukoochronnego ARC. Zabezpieczenie łukoochronne reaguje na błysk światła spowodowany pojawieniem się łuku elektrycznego w przedziałach pola. Sygnał świetlny rejestrowany jest przez umieszczone w przedziałach pola czujniki błysku i za pomocą światłowodów trafia do karty ARC sterownika e²TANGO. Odebrany przez zabezpieczenie sygnał świetlny informuje o zapaleniu się łuku w danym przedziale rozdzielnicy. Zależnie od przedziału i rodzaju pola zabezpieczenie wysyła sygnały otwarcia wyłączników do wybranych pól. W celu wyeliminowania zbędnych wyłączeń, działanie czujników uzależnione jest od obniżenia napięcia na szynach sekcji. Informacja o obniżeniu napięcia i sygnały otwarcia wyłączników przesyłane są po magistrali CANBUS. Zabezpieczenie łukoochronne może być zastosowane w rozdzielniach jednosystemowych do czterech sekcji (również z sekcjami połączonymi w pierścień) lub dwusystemowych z systemem A ciągłym i systemem B ciągłym lub podzielonym na 2 sekcje. Karta ARC zapewnia współpracę z 6 czujnikami i wyposażona jest w port CANBUS. W przypadku konieczności obsługi większej ilości czujników możliwe jest zastosowanie dodatkowej karty ARP z 6 czujnikami ale bez portu CANBUS. Czujnik błysku oraz karty zabezpieczenia łukoochronnego wbudowane w jednostkę centralną zabezpieczenia e²TANGO zostały pokazane na rysunku 5. Przykład rozmieszczenia czujników w rozdzielnicy przedstawiono na rysunku 6.

Działanie wejść czujników uzależnione jest od typu pola. Poszczególne wejścia przyporządkowane są do konkretnych przedziałów. Sposób działania niewykorzystanych standardowo wejść może być powiązany z działaniem standardowych wejść. Może być to wykorzystane do zabezpieczania przedziałów sąsiedniego pola lub zdublowania czujników. Konfiguracja zabezpieczenia łukoochronnrgo w sterownikach e²TANGO jest szybka i prosta. W rozdzielnicach gdzie jest standarowy układach pól wystarczy wybrać typ pola np. odpływowe, zasilające, sprzęgłowe itd. W programie zaszyte jest odpowiednie działanie dla tych układów. W przypadku gdy układ jest nietypowy, zgodnie ze specjalnymi wymaganiami Klienta, istnieje możliwość skonfigurowania zabezpieczenia indywidualnie.

Informacja o zaniku napięcia na sekcji (dla rozdzielni jednosystemowych) może być pozyskiwana na podstawie pomiaru własnego (w sterowniku w polu zabezpieczanym) lub przesyłana po magistrali CANBUS ze sterowników umieszczonych w polach pomiaru napięcia. Dla rozdzielni dwusystemowych jest to zawsze informacja przesyłana po magistrali CANBUS.  Zastosowanie czujników błysku z układem automatycznego ich testowania umożliwia automatyczne przeprowadzanie testu czujników zabezpieczenia łukowego. Nastawienie automatycznego testu pobudza na 1 sekundę wyjście zamykające obwód diod LED oświetlających czujniki. W czasie przeprowadzania testu zabezpieczenie łukoochronne jest odstawiane i sprawdzana jest poprawność działania czujników. Wynik testu zapisywany jest w zdarzeniach. W przypadku negatywnego wyniku testu pobudzana jest sygnalizacja alarmowa.

Przykłady zwarć łukowych

Badania łukoodporności rozdzielnicy e²ALPHA, przeprowadzone w ramach badań typu w akredytowanych jednostkach badawczych potwierdziły skuteczność przyjętych i stosowanych rozwiązań konstrukcyjnych. Skutki wewnętrznych zwarć łukowych zawsze ograniczały się do badanego pola, kompletnie niszcząc to pole ale też spełniając wszystkie kryteria łukoochronności, zgodnie z normą przedmiotową. Na rysunku 8 pokazano pole rozdzielnicy po pozytywnych próbach wewnętrznego zwarcia łukowego w przedziałach przyłączowym i wyłącznikowym. Na rysunku 9 pokazano zdjęcie przedziału przyłączowego zaraz po wystąpieniu zwarcia łukowego, które miało miejsce w eksploatacji wskutek eksplozji głowicy kablowej kabla odpływowego.

Na podstawie rejestracji prądów i napięć z zaistniałego zwarcia łukowego, pokazanej na rysunku 10, można wnioskować, że całkowity czas od chwili zaistnienia zwarcia do jego eliminacji wynosił poniżej 50 ms. Jest to czas zadziałania zabezpieczenia i czas własny wyłącznika e2BRAVO, czyli otwarcia wyłącznika wraz z czasem łukowym.

Zgodnie z informacjami uzyskanymi od klienta u którego zdarzenie miało miejsce, całkowity czas od chwili wystąpienia zwarcia do momentu pełnego przywrócenia rozdzielnicy do pracy wynosił około 6 godzin. Oczywiście niezbędne było oczyszczenie przedziału przyłączowego rozdzielnicy, wymiana uszkodzonych ograniczników przepięć na które przeniósł się łuk elektryczny oraz głowicy kablowej.

Podsumowanie

Wewnętrzne zwarcie łukowe w rozdzielnicach średniego napięcia jest zjawiskiem rzadkim,  ale nie niemożliwym. Skutki takiego zwarcia mogą być katastrofalne i niezwykle kosztowne. Ponadto mogą powodować zagrożenie dla zdrowia i życia ludzkiego.

Zabezpieczenie łukoochronne ARC sterownika polowego e²TANGO wraz z krótkim czasem własnym wyłączania wyłącznika próżniowego e²BRAVO pozwala na bardzo szybkie przerwanie prądu zwarciowego, w czasie poniżej 50 ms.  Tak szybka reakcja i przerwanie stanu awaryjnego istotnie ogranicza skutki zwarcia łukowego w rozdzielnicy sprawiając, że możliwe jest szybkie ponowne przywrócenie zasilania, ograniczając konsekwencje i koszty takiego zdarzenia.

Waldemar Chmielak

Literatura
[1] B. Koch, J. Maksymiuk, Łukoodporność rozdzielnic Osłoniętych i symulacja zwarć łukowych. OWPW, Warszawa 2007.
[2] IEEE 1584-2018 – IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations
[3] PN-EN 62271-200:2012 Wysokonapięciowa aparatura rozdzielcza i sterownicza — Część 200: Rozdzielnice
prądu przemiennego w osłonach metalowych na napięcie znamionowe powyżej 1 kV do 52 kV włącznie
[4] J. Maksymiuk, Niezawodność maszyn i urządzeń elektrycznych. OWPW, Warszawa 2003.