Zwarcia łukowe, które mogą wystąpić w instalacjach elektrycznych, stanowią poważne zagrożenie dla zdrowia, a nawet życia ludzi. Oprócz tego należy zwrócić uwagę na straty materialne, jakie powstają w obiekcie przemysłowym.
Zniszczone sieci elektroenergetyczne, uszkodzone maszyny i urządzenia elektryczne, przestoje linii produkcyjnych – to tylko wybrane skutki działania łuku elektrycznego. Zabezpieczają przed nimi systemy oraz rozwiązania konstrukcyjne, które z jednej strony pozwalają na szybkie zidentyfikowanie zagrożenia łukowego, zaś z drugiej, na zminimalizowanie skutków jego działania. Pod tym kątem projektowane są rozdzielnice elektryczne, które są nieodzownymi elementami infrastruktury zasilającej niemal każdego obiektu przemysłowego i magazynowego.
Na badania nad łukiem elektrycznym producenci przeznaczają znaczne środki finansowe. Jak podaje portal Automatyka.pl, w 2008 r. Schneider Electric zapłaciło 500 tys. USD za tytuł platynowego sponsora projektu badawczego „Łuk Elektryczny”. Jest on realizowany wspólnie z Instytutem Inżynierów Elektryków i Elektroników (IEEE) oraz Narodowym Stowarzyszenie Ochrony Przeciwpożarowej (NFPA). Zgromadzone środki pozwolą na poszerzenie wiedzy na temat zjawiska łuku elektrycznego, a w konsekwencji poprawę bezpieczeństwa.
Najczęstszą przyczyną zwarć łukowych są zwarcia międzyfazowe lub doziemne, które w bardzo krótkim czasie powodują gwałtowny wzrost temperatury, a także ciśnienia w zamkniętej przestrzeni. Skutki tego zjawiska są przyczyną dużych zniszczeń wewnątrz rozdzielnicy. Oprócz tego groźny jest wyrzut gorących gazów, pyłów i płomieni na zewnątrz obudowy. Najczęstszymi przyczynami powstania zwarć łukowych są:
- asymetria zasilania rozdzielnicy,
- niewłaściwe połączenia,
- uszkodzenia izolacji stałej,
- złe połączenia elektryczne powodujące przegrzanie,
- wyładowania pełzające spowodowane zanieczyszczeniami i wilgocią,
- obce części pozostawione przez obsługę w rozdzielnicy (narzędzia, materiały),
- nieodpowiednia konserwacja rozdzielnicy i elementów jej wyposażenia,
- awarie urządzeń elektrycznych.
Szybko wykryć i odizolować
Kluczową rolę w szeroko rozumianej ochronie przed zwarciami łukowymi odgrywa możliwie jak najszybsze wykrycie łuku. Nie mniej ważne pozostaje ograniczenie czasu jego trwania. Stąd też istotna rola systemów mających na celu szybką identyfikację łuku po to, aby zadziałały odpowiednie wyłączniki.
Dostępne na rynku urządzenia oraz systemy wykrywające łuk bazują na badaniu światła łuku, stąd też zastosowanie znajdują czujniki oraz światłowody. Celem wykrycia wyładowania analizie może zostać poddana wartość, a także stromość narastania prądu zwarciowego. Identyfikacja może bazować również na przechwytywaniu spadku napięcia na szynach zbiorczych rozdzielnicy. W następnej kolejności zostaje zainicjowany impuls, który odpowiedzialny jest za wyzwolenie działania wyłączników.
Bardzo często zastosowanie znajdują blokady zarówno o charakterze mechanicznym, jak i elektrycznym. Rzecz jasna jednym z ważniejszych środków ochrony jest również odizolowanie części, na których obecne jest napięcie. Skuteczne rozwiązanie, które znacznie ogranicza skutki działania łuku, to podział rozdzielnicy przegrodami. W takim przypadku poszczególne podzespoły instalowane są w oddzielnych przedziałach. Jeżeli dojdzie do wystąpienia łuku, następuje ograniczenie jego skutków wyłącznie do przegrody, w której został on zainicjowany. Dostępne na rynku rozdzielnice prądowe, które zapewniają ochronę przed łukiem elektrycznym, cechują się konstrukcją z ocynkowanej ogniowo blachy stalowej.
Połączenia bazują na nitowaniu bez spawania. Zarówno drzwi, jak i osłony boczne pokryte są lakierem. Istotną rolę odgrywa zastosowanie specjalnych otworów wylotowych zakrytych klapami. Mają one za zadanie ograniczanie wzrostu ciśnienia w przypadku, gdy dojdzie do zwarcia łukowego we wnętrzu obudowy. Nie mniej ważne pozostają również blokady łączeniowe, a także blokady otwarcia drzwi. W wielu modelach przewidziano szereg dodatkowych zabezpieczeń, odpowiedzialnych za zapewnienie ochrony przed wykonaniem nieprawidłowych czynności przez obsługę. Odpowiednie cechy konstrukcyjne uwzględnia się już na etapie doboru materiałów, z których wykonane są obudowy oraz elementy wyposażenia. Stąd też materiały powinny być niepalne przy jednoczesnej niskiej przewodności cieplnej oraz odpowiedniej wytrzymałości mechanicznej.
Zalet wynikających ze stosowania rozdzielnic z zabezpieczeniami przed łukiem elektrycznym jest wiele. Rzecz jasna najważniejsza korzyść to wysoki stopień bezpieczeństwa. Jest on uzyskany dzięki dużej odporności obudowy metalowej rozdzielnicy na działanie łuku elektrycznego. Bardzo istotne jest otwarte rozwiązanie konstrukcji, co pozwala na używanie różnych typów wyłączników. Tym sposobem zyskuje się także całkowite zaadaptowanie wnętrza rozdzielnicy pod kątem indywidualnych schematów pól. Komfort pracy zapewni łatwy dostęp do przestrzeni montażowych przy jednoczesnym optymalnym ich wykorzystaniu. Dostępne na rynku rozdzielnice cechują się prostą i lekką konstrukcją bezszkieletową. Są one wykonywane z blach ocynkowanych. Blokada drzwi szafy jest uzależniona od pozycji wyłącznika. Manewrowanie członem przesuwnym możliwe jest przy zamkniętych drzwiach pola rozdzielnicy. Za pomocą wzierników kontrolowane są wzrokowo czynności łączeniowe. Napięcie w polach jest sygnalizowane. Celem zapewnienia bezpieczeństwa podczas prac serwisowych przestrzenie szyn zbiorczych można odizolować.
Przykłady rozwiązań
Interesujące rozwiązanie stanowi system Arc Guard firmy ABB. Istotną rolę odgrywają tu czujniki optyczne, które wykrywają światło wytworzone przez łuk elektryczny wewnątrz szafy rozdzielczej. Są one podłączone do jednostek monitorujących poprzez światłowody. Do każdej jednostki monitorującej można dołączyć maksymalnie 9 czujników optycznych oraz 1 czujnik wrażliwy na gwałtowny wzrost prądu towarzyszący zwarciu. Jak podaje producent, takie rozwiązanie pozwala przede wszystkim na zwiększenie bezpieczeństwa obsługi. Ważna cecha to również łatwość instalacji oraz uniwersalność.
Bardziej zaawansowane modele, które najczęściej znajdują zastosowanie w górnictwie, wyposażone są w wewnętrzny kanał dekompresyjny. Za jego pomocą wprowadzane są gazy i pyły połukowe. Tym sposobem uzyskuje się ich dekompresję, a w konsekwencji zredukowanie nadciśnienia powstałego w przedziale, w którym doszło do zwarcia łukowego. Dzięki systemowi połączeń kanałów między przegrodami w momencie gdy powstanie łuk, zwiększone ciśnienie powoduje otwarcie klapy bezpieczeństwa do przedziału dekompresyjnego oraz zamknięcie klap do innych nieuszkodzonych przedziałów.
Zabezpieczenie łukoochronne ZŁ firmy Energotest pozwala na wykrycie łuku poprzez detekcję światła z jednoczesnym zanikiem napięcia. Czas zadziałania urządzenia nie przekracza 10 ms. Jako zalety tego urządzenia podkreśla się przede wszystkim inteligentne działanie bazujące na zaawansowanym algorytmie analizującym dodatkowe kryterium zadziałania zabezpieczenia, jakim jest spadek napięcia. Zwraca się uwagę, że w przypadku łuku elektrycznego światło jest najszybszym kryterium jego identyfikacji.
Zastosowanie tego urządzenia (jak podaje producent) przyczynia się do uniknięcia znacznych strat finansowych, związanych z kosztem wymiany urządzeń oraz przestojów technologicznych w wyniku zniszczeń poczynionych przez łuk elektryczny. Zabezpieczenie ZŁ najczęściej znajduje zastosowanie w energetyce zawodowej oraz w przemyśle, a w szczególności:
- rozdzielnicach SN typu otwartego,
- rozdzielnicach SN typu zamkniętego,
- rozdzielnicach nn,
- transformatorach SN suchych i olejowych,
- silnikach pierścieniowych,
- szafach prostownikowych,
- innych urządzeniach elektrycznych SN i nn.
Rozdzielnica TPM-W z oferty firmy ZPUE bazuje na izolacji gazu SF6. Szyny zbiorcze, łączniki, izolatory i mechanizmy napędowe umieszczono w szczelnym zbiorniku z blachy nierdzewnej, wypełnionym gazem SF6. Odporność na działanie łuku wewnętrznego to 16 kA (1s).
Rozdzielnica średniego napięcia typu rsl w wykonaniu łukoochronnym stanowi rozdzielnicę w izolacji powietrznej o specjalnej łukoochronnej konstrukcji, skręcanej z blach Al/Zn oraz z blach stalowych pokrytych powłokami malarskimi. Znajdują one zastosowanie w energetyce zawodowej oraz w zakładach przemysłowych jako rozdzielnice typowych stacji transformatorowych oraz rozwiązań indywidualnych.
W celu zmniejszenia prawdopodobieństwa powstawania łuków elektrycznych w rozdzielnicach niskiego napięcia firmy Rittal zastosowanie znajdują specjalne profile oraz elementy maskujące. Gwarantuje to łatwe i dokładne zakrywanie różnych wymiarów szyn Flat-PLS.
Rozdzielnice typu REW 24/8 cechują się dwuczłonową konstrukcją w izolacji powietrznej, o zwartej i bezpiecznej łukoochronnej budowie. Stosowane są one w stacjach energetyki zawodowej, zakładach przemysłowych, elektrowniach i sieciach infrastruktury miejskiej.
Rozdzielnice SIVACON firmy Siemens sprawdzane są w warunkach wewnętrznego łuku elektrycznego w oparciu o normę wg IEC 1641 lub VDE 0660 część 500, dodatek 2. Poszczególne metody pozwalają na określenie niebezpieczeństwa, na które może być narażony personel w przypadku zwarcia wewnętrznego. Tym sposobem uzyskuje się gwarancję bezpieczeństwa w oparciu o poniższe kryteria oceny:
- drzwi, osłony itp. nie mogą być otwarte,
- w obudowie nie mogą zostać wypalone żadne otwory,
- nie mogą tlić się żadne wskaźniki,
- obwód przewodu ochronnego od dotykalnych części obudowy musi nadal funkcjonować,
- dodatkowe elementy ograniczające skutki działania łuku elektrycznego wewnątrz rozdzielnicy,
- ograniczenie do jednej celki (bariery przeciwłukowe),
- ograniczenie do jednego przedziału funkcjonalnego lub miejsca powstania łuku,
- izolowane główne szyny zbiorcze (wykonanie bez wsporników).
Autor: Damian Żabicki
