Защита от электрической дуги: безопасные и эффективные методы тепловизионного контроля

На основе статьи “NFPA 70E, arc flash, and safe and efficient thermography practices reliableplant”, www.reliableplant.com

По существующим оценкам в США каждый день происходят от 10 до 15 серьезных вспышек электрической дуги, которые приводят к ожоговым травмам, требующим лечения в специальных ожоговых центрах. Поэтому неудивительно, что продолжает расти осознание опасностей, связанных с электрической дугой. Беспокойство по поводу безопасности в случае вспышки электрической дуги приводит к применению контролерами высоковольтных распределительных устройств новых методов работы. Статья описывает влияние новых методов обеспечения безопасности, включая инфракрасные окна и средства индивидуальной защиты, на проведение  тепловизионного (термографического) осмотра.

Что такое электрическая дуга?

Электрическая дуга по своей сути представляет молнию (разряд), возникающую вокруг находящегося под напряжением электрического оборудования. Вспышка может возникать спонтанно и часто к ней приводит простое движение воздуха при открывании корпуса электрического оборудования. Национальная ассоциация противопожарной защиты (NFPA) признает значительную опасность электрической дуги и старается защитить работников. Для этого был внедрен стандарт NFPA 70E (Стандарт безопасности сотрудников на рабочем месте).

Любой, кто работал около находящегося под напряжением электрического оборудования, знаком с электрической дугой, причем большинство не понаслышке. Но что касается отношения к подобным инцидентам, то можно провести аналогию с автомобильной аварией – никто не думает, что с ним такое может произойти, поэтому управляет автомобилем со значительно меньшей осторожностью, чем следовало бы.

То же можно сказать и об электрической дуге, только с худшими последствиями. Если возвращаться к приведенной выше аналогии с управлением автомобилем, вы можете совершить ошибку сами или можете делать все правильно, но кто-то врежется в вас.

Так что же такое электрическая дуга? Это электрический ток, протекающий в виде дуги вне своего нормального пути, когда воздух становится проводником высокой тепловой энергии (более 5000 градусов Цельсия); при этом генерируется высокопроводящая плазма. Дуговая вспышка будет проводить всю имеющуюся энергию, вызывая взрывообразное объемное расширение газов, которое способно выбивать дверцы электрических систем и, потенциально, создавать разлетающиеся осколки.

Каковы причины вспышки электрической дуги? Вспышка возникает, когда мгновенно перекрываются зазор между проводниками или проводниками и землей. При этом всегда имеется запускающее такую вспышку событие, почти всегда связанное с вмешательством человека.

Причины возникновения электрической дуги

Типовыми причинами и способствующими факторами вспышек электрической дуги являются:

• случайный контакт с находящимися под напряжением деталями;
• не отвечающие требованиям нормы короткого замыкания;
• трекинг по поверхностям изоляции;
• падение инструментов на находящиеся под напряжением компоненты;
• ошибки подключения проводов;
• загрязнение, например, пыль на поверхности изоляции;
• коррозия деталей и контактов оборудования;
• неправильные рабочие процедуры.

Подавляющее большинство дуговых разрядов происходит, когда открыта или открывается дверца корпуса оборудования.

Автором стандарта NFPA 70, также известного как Национальный электротехнический кодекс (NEC), является Национальная ассоциация противопожарной защиты. NEC представляет собой стандарт конструирования, монтажа и проверки электрического оборудования и систем. В нем не рассматриваются конкретно такие вещи, как обслуживание электрического оборудования и безопасная работа на нем. Для обеспечения безопасности работы около находящегося под напряжением электрооборудования было необходимо общенациональное соглашение. NFPA 70 E является стандартом обеспечения безопасного проведения электротехнических работ.

В стандарте NFPA 70 E рассматриваются конкретные темы, связанные с безопасными методами работы, безопасностью технического обслуживания и требованиями к безопасности для специального оборудования. Некоторые из них относятся к термографии, которая будет рассмотрена ниже. Стандарт NFPA 70 рекомендует перед началом работы на электрооборудовании проводить анализ опасностей и рисков. Ядро анализа базируется на границах поражения электрическим током и вспышки электрической дуги и должно выполняться квалифицированным инженером-электриком.

Защита от воздействий электрической дуги

Видео: электрическая дуга, созданная в лаборатории,
источник: youtube-канал пользователя Paul Groeneveld

Для работы на находящихся под напряжением компонентах необходимо определить правильное оборудование индивидуальной защиты от электрической дуги. Для этого проводится анализ опасности поражения электрическим током и опасности дугового разряда. Если это невозможно или не было сделано, для определения требуемых средств индивидуальной защиты на основе выполняемой задачи можно использовать таблицу 130.7 (C) (9) (a).

Для работы на находящихся под напряжением компонентах необходимо получить разрешение на проведение электротехнических работ с электрооборудованием, находящимся под напряжением, которое должно включать, но не ограничиваться, следующее:

• описание схемы, оборудования для работы и местоположения;
• обоснование того, почему работа должна выполняться под напряжением;
• описание безопасных методов работы;
• результаты анализа опасности поражения электрическим током;
• определение границ защиты от поражения электрическим током;
• результаты анализа опасности электрической дуги;
• граница защиты от вспышки электрической дуги;
• определение средств индивидуальной защиты, необходимых для безопасного выполнения поставленной задачи;
• средства, используемые для ограничения доступа в рабочую зону неквалифицированного персонала;
• свидетельство проведения инструктажа по работе;
• утвержденное разрешение на работу от ответственного руководителя, сотрудника по вопросам безопасности или владельца.

Относительно разрешения на безопасное выполнение работ стандарт NFPA 70 E допускает исключение для квалифицированных специалистов, выполняющих такие задачи, как тестирование, устранение неисправностей, измерение напряжения и т.д., если они используют безопасные методы работы и правильные средства индивидуальной защиты.

В любом случае для определения безопасных методов работы и надлежащих средств индивидуальной защиты от электрической дуги необходимо провести анализ опасности поражения электрическим током и анализ опасности вспышки электрической дуги. Анализ опасности поражения электрическим током позволит определить напряжение, под которое может попасть работник, требования к границам и надлежащие средства индивидуальной защиты, необходимые для сведения к минимуму возможности поражения человека электрическим током. Границы защиты от ударов определяют допустимую зону, ограниченную зону и запрещенную зону в виде расстояний для различных значений напряжения.

Зоны и границы зон для безопасной работы и защиты от электрической дуги.

При работе на границе допустимой зоны или вблизи нее квалифицированные специалисты должны будут уведомлять и предупреждать об опасности неквалифицированных работников. Если неквалифицированный работник должен работать внутри ограниченной зоны, то должен получить дополнительное уведомление о рисках и опасностях, и постоянно сопровождаться квалифицированным специалистом. Ни при каких обстоятельствах неквалифицированные работники не должны допускаться внутрь запрещенной зоны.

Анализ опасности дугового разряда проводится с целью защиты персонала от травм, получаемых при вспышке электрической дуги. Анализ позволяет определить границу защиты от вспышки и выбрать правильные средства индивидуальной защиты. Граница защиты от вспышки электрической дуги устанавливается на таком расстоянии от находящихся под напряжением компонентов, где ожог будет «излечимым» (вторая степень) и «неизлечимым» (третья степень).

 Граница защиты от вспышки электрической дуги для систем с напряжением не более 600 В должна составлять 1,2 метра для времени отключения цепи в 6 циклов (0,1 секунды) и тока замыкания 50 кА, при условии, что любая их комбинация (произведение величины тока на количество циклов отключения) не превышает 300. Для любого другого времени отключения и тока неисправности граница защиты от вспышки будут определяться по расчетной энергии дугового разряда с учетом системного напряжения, возможного тока и времени отключения цепи, когда энергия разряда является тепловой энергией, измеренной на определенном расстоянии от неисправности.

Вместо изучения опасности вспышки допускается выбор средств индивидуальной защиты в зависимости от задачи. Однако для задач, не указанных в таблице 130.7 (C) (9) (a), и для времени отключения цепи, отличного от указанного в ней, необходим полный анализ опасности вспышки электрической дуги.

 Выдержка из таблицы 130.7 (C) (9) (a)

 Распределительное устройство 600 В (с автоматическими выключателями или выключателями с плавкими предохранителями):

• срабатывание автоматического выключателя или выключателя с плавким предохранителем при закрытых дверцах корпуса — 0
• считывание показаний прибора на панели при управлении переключателем измерительного прибора — 0
• срабатывание автоматического выключателя или выключателя с плавким предохранителем при открытых дверцах корпуса — 1
• работа на компонентах под напряжением, включая проверку напряжения — 2*
• работа на цепях управления с компонентами под напряжением 120 В или ниже, открытых — 0
• работа на цепях управления с компонентами под напряжением > 120 В, открытых — 2*
• вставка или удаление (стойка) автоматических выключателей из корпуса, дверцы открыты — 3
• вставка или удаление (стойка) автоматических выключателей из корпуса, дверцы закрыты — 2
• применение защитного заземления, после проверки напряжения — 2*
• снятие закрепленных болтами крышек (для доступа к неизолированным компонентам под напряжением) — 3
• открытие шарнирных крышек (для доступа к неизолированным компонентам под напряжением) — 2.

Примечание: При напряжении выше 600 В снятие закрепленных болтами крышек (для доступа к оголенным компонентам под напряжением) относится к классу 4 (шкала от 0 до 4, где 4 соответствует уровню наибольшего риска). 

С учетом анализа опасности вспышки или оценки риска выполняемой задачи для определения правильных средств индивидуальной защиты можно использовать следующую таблицу.

 Средства индивидуальной защиты от электрической дуги

Методы тепловизионного контроля

Методы тепловизионного (инфракрасного) контроля электрического оборудования до стандарта NFPA 70e:

в течение многих лет для выявления проблем в электрических системах использовались тепловизоры (инфракрасные камеры, ИК-камеры). Проблемы в электрических системах проявляются через нагрев. Тепловизор способен легко идентифицировать подобные проблемы в форме теплового изображения. Это является превосходным методом выявления неисправных или проблемных компонентов до их отказа. Отказ может привести к отключению всей электрической системы, а также значительной потере производительности, повреждению оборудования и травмам персонала.

Тепловизионный осмотр электрического оборудования на протяжении многих лет использовался страховыми компаниями для определения возможности и ставки страхования в промышленности. Относительно недавно пользователи тепловизионного оборудования обнаружили, что могут использовать инфракрасное излучение для прогнозирования и предотвращения возникновения неисправностей. Это позволило сократить время простоя из-за отказа оборудования и повысить общую безопасность. 

В основе тепловизоров лежит технология цифровой камеры, требующая прямой видимости для записи точного изображения. В большинстве случаев обследованиям мешают корпуса оборудования, которые скрывают целевые отображаемые компоненты, и специалисты по термографии подвергаются риску, так как должны открывать крышки или дверцы в попытке получить доступ к обследуемым внутренним компонентам. Результаты тепловизионного обследования электрических систем наиболее ценны именно тогда, когда система находится под серьезной или даже пиковой электрической нагрузкой. А это требует от специалиста проводить осмотр находящихся под напряжением электрических компонентов или работать около них.

Как правило, крышки электрических систем закрепляются болтами, которые необходимо выкрутить на время проведения проверки, а затем установить на место. Такой метод работы противоречит требованиям стандарта NFPA 70.

Рекомендации стандарта NFPA 70e в отношении тепловизионных обследований

Одним из способов определения опасности и риска в стандарте NFPA 70 E является анализ деятельности на оборудовании и вокруг него. Шкала от нуля до 4, где 4 соответствует наибольшему потенциальному риску. Например, снятие закрепленной болтами крышки 600-вольтового оборудования имеет по классификации опасности/риска уровень 3, а для оборудования с напряжением выше 600 В эта цифра повышается до 4.

Поскольку данная работа выполняется в пределах границ защиты от вспышки электрической дуги, требуется использовать соответствующие средства индивидуальной защиты.

 Необходимый минимум средств индивидуальной защиты для работы с третьим уровнем классификации опасности/риска должен выдерживать 104,6 Дж/см, а требуемый минимальный набор средств индивидуальной защиты для работы с четвертым уровнем классификации опасности/риска должен выдерживать 167,36 Дж/см.

При проведении большей части работ тепловизионного обследования необходимо снимать закрепленные болтами крышки, что требует обязательного использования средств индивидуальной защиты. Кроме того, в стандарте NFPA 70e имеется рекомендация, чтобы только квалифицированным специалистам разрешалось выполнять работу внутри границ защиты от вспышки электрической дуги. Специалиста по термографии должен сопровождать квалифицированный работник, который будет снимать крышки. Они оба должны иметь средства индивидуальной защиты в полном объеме.

Инфракрасные окна – устранение контролируемого риска

Первое правило при любой оценке риска заключается в устранении риска, если это возможно. Средства индивидуальной защиты всегда являются последним средством! Инфракрасные окна (ИК-окна) позволяют устранить риски, непосредственно связанные с осмотром, поскольку предоставляют для тепловизора прямой визуальный доступ к находящимся под напряжением электрическим компонентам без необходимости открывать корпус электрического оборудования. Таким образом, ИК-окна представляют собой отличное средство для эффективного и безопасного доступа к электрическому оборудованию, поскольку отпадает необходимость в присутствии второго квалифицированного специалиста, который должен был бы открывать и откручивать крышки. При этом подобные действия не вызывают вспышку электрической дуги, поскольку панели остаются закрытыми.

Инфракрасные окна (ИК-окна) Fluke

На слух по названию «инфракрасное окно» кажется более сложным, чем есть на самом деле. И хотя сегодня на рынке доступны окна нескольких типов, специалисты по термографии могут самостоятельно проектировать окна для проведения осмотра в любом конкретном экземпляре оборудования.

Как правило, смотровые инфракрасные окна состоят из оптического материала, который позволяет передавать энергию инфракрасного излучения, и держателя/корпуса. Более того, если интересующий специалиста по термографии находящийся под напряжением компонент находится на некотором расстоянии из крышки, можно даже не использовать кристалл, а заменить его защитной решеткой. Однако необходимо убедиться, что решетка имеет сертификат IP2X, то есть ее размер должен защищать от посторонних предметов диаметром более 12 мм.

Данный метод не только позволяет значительно сократить необходимые капитальные затраты, но также дает дополнительные преимущества, благодаря которым становится возможным кроме проведения тепловизионного исследования выполнять также ультразвуковую проверку электрического распределительного устройства. Однако при использовании решеток операторы будут подвергаться воздействию находящихся под напряжением электрических компонентов, что потребует использования средств индивидуальной защиты соответствующего уровня. Уровень защиты определяется с помощью анализа опасности вспышки электрической дуги на распределительном устройстве.

Конструкция держателя оптики зависит от ряда параметров. Поле обзора, объектив оборудования и размер окна напрямую определяют конструкцию и должны соответствовать всем параметрам, которые специалист по термографии указывает перед изготовлением держателя. Кроме того, конструкция должна включать в себя защитную крышку, так как кристаллы очень дорогие и, в некоторых случаях, очень хрупкие.

Инфракрасное окно позволяет специалисту по термографии проводить осмотр внутренней части электрического оборудования без необходимости открывать или откручивать дверцу корпуса. Как обсуждалось ранее в этой статье, подавляющее большинство связанных с дугой инцидентов возникают из-за случайного контакта, падения предметов внутрь оборудования и изменения состояния (попадания воздуха, грязи, влаги). Так как при осмотре через инфракрасное окно дверца остается герметично закрытой, это позволяет устранить факторы, вызывающие вспышку электрической дуги.

Выпускаются инфракрасные окна разного размера. Также они могут выполняться на заказ для модернизации сплошных передних крышек распределительных щитов и панелей. Чем больше размер окна, тем больше поле обзора для тепловизора. 

Проведение тепловизионного осмотра через ИК-окно Fluke

Как выбрать подходящие инфракрасные окна?

Чтобы правильно установить инфракрасные окна, следует определить требующие проверки цели. При традиционном обследовании распределительного устройства обычно осматривают только болтовые соединения, поскольку считается, что они являются «самыми слабыми точками» или «точками, в которых, скорее всего, возникнет неисправность». К ним могут относиться:

• кабельные соединения
• соединения шины
• соединения изолятора или автоматического выключателя

После принятия решения о том, что нужно рассматривать через инфракрасное окно, необходимо выбрать подходящий его размер, а также место установки, в котором обеспечивается максимальный обзор, и, следовательно, максимальная эффективность. 

Определение поля обзора при использовании ИК-окна

Формула для расчета поля обзора (FOV) через инфракрасное окно:

2 x тангенс половина угла х расстояние

Как правило, тепловизоры имеют стандартное поле обзора приблизительно от 20 до 25 градусов по горизонтали и от 15 до 20 градусов по вертикали. Дополнительные широкоугольные объективы обычно увеличивают поле обзора в два раза, приблизительно до 50 градусов по горизонтали.

Еще одним важным моментом является манипуляция камерой при обзоре через инфракрасное окно. Здесь срабатывает эффект увеличения того, что можно увидеть, до трех раз. Это означает, что если ваша цель имеет размер 30 см, ее можно уменьшить до 10 см (для целей расчета размера инфракрасного окна), чтобы получить дополнительную область, которая будет видна при перемещении камеры слева направо или вверх и вниз.

После определения требуемого компонента и расчета поля обзора можно будет достаточно точно определить количество и размер необходимых инфракрасных окон.

Тепловизор Fluke TiS20, зона обзора 35.7°(Г)×26.8°(В) с тремя предустановками технологии IR-Fusion® и режимом AutoBlend для быстрой регистрации неисправностей

 Что можно увидеть через инфракрасное окно?

Инфракрасное окно позволяет осматривать корпус электрического оборудования внутри и проверять физическое состояние выбранных для контроля компонентов. Как и при проведении традиционных тепловизионных проверок, температурные различия будут видны очень четко. Однако при попытке осмотра компонентов, не имеющих какие-либо неисправности, несущих очень малую нагрузку и имеющих одинаковую температуру, увидеть можно будет очень немного или вовсе ничего.

Сверху: изображения, сделанные через инфракрасное окно, указывают на отсутствие каких-либо видимых ошибок.
Снизу: на сделанных через инфракрасные окна изображениях показаны проблемы, связанные с дисбалансом нагрузки, соединениями и т.д.

Необходимо быть уверенным в используемых инфракрасных окнах. Эти окна предназначены для передачи через себя инфракрасной энергии с известным коэффициентом пропускания. Поэтому с помощью тепловизора можно будет увидеть даже небольшую разницу температур, а также записать изображения для программы анализа тенденций тепловизионного контроля.

 Как использовать инфракрасные окна?

При использовании важно идентифицировать инфракрасные окна с помощью уникального номера. Это очень важно, особенно когда на электрических панелях имеется несколько окон. Также желательно идентифицировать тип и длину волны материала, из которого изготовлено инфракрасное окно.

Наиболее важно записать коэффициент пропускания кристалла, а также излучательную способность измеряемого через инфракрасное окно компонента (или компонентов). Наиболее эффективным способом использования инфракрасных окон является (как уже обсуждалось ранее) подготовка всех осматриваемых компонентов. Они должны иметь одинаковую излучательную способность. Для этого используется электрическая лента, краска, наклейки IR-ID и т.д. Это позволит всем осматриваемым компонентам иметь одинаковые показатели передачи и излучательной способности. Благодаря такому подходу полученные результаты будут гораздо более точными.

Как установить инфракрасные окна?

Видео: Как установить инфракрасное окно для тепловизионных осмотров меньше чем за 5 минут

Для установки инфракрасного окна потребуется вырезать отверстий в очень дорогом распределительном устройстве. И прежде чем перейти к этой операции, нужно быть абсолютно уверенным в правильности выбора места установки и в том, что это не приведет какому-либо ухудшению параметров самого распределительного устройства. Впрочем, это не настолько сложно, как может показаться. Перед началом работ необходимо четко представлять, сколько окон потребуется, какие инфракрасные окна вы предполагается использовать и где их необходимо разместить. Кроме того, перед началом установки нужно убедиться в следующем:

1. Рейтинг NEMA или IP распределительных устройств и инфракрасных окон: Помните, что ни в коем случае нельзя устанавливать инфракрасное окно с более низким рейтингом, чем рейтинг распределительного устройства.
2. Сертификация: Необходимо убедиться, что инфракрасные окна были протестированы и одобрены теми же органами по сертификации, что и распределительные устройства, в которые предполагается их устанавливать, то есть UL, IEEE, Lloyds и др.
3. Внутренние препятствия: Перед снятием внутренних крышек из оргстекла (перспекс/плексиглас) или кабелей обязательно получите разрешение местного специалиста по технике безопасности. В некоторых случаях на определенных распределительных устройствах для сохранения соответствия требованиям IP2X будет невозможно полностью удалить крышки, а можно будет только их модифицировать путем сверления или пробивания отверстий.
4. Взрывозащита (если применимо): Некоторые панели располагаются в искробезопасных зонах, поэтому их никогда нельзя изменять в полевых условиях.
5. Диэлектрические зазоры: Если в инфракрасных окнах используются решетки или смотровые отверстия, они должны соответствовать требованиям IP2X (13 миллиметров или 0,5 дюйма), а клиенты должны быть осведомлены о безопасных диэлектрических зазорах для того типа распределительного устройства, в котором они намереваются установить окно. В таблице IEEE C37.20.2 A.3 приводятся минимальные расстояния от находящихся под напряжением компонентов. Рекомендуется считать их стандартом для решеток/смотровых отверстий.

Перфорацию отверстий рекомендуется выполнять при помощи перфоформ Greenlee.

Способны ли инфракрасные окна выдерживать общие характеристики дуги?

Электрические распределительные устройства представлены бесконечным количеством форм и размеров, поэтому площадь поверхности и объемные характеристики их корпусов различны для каждой модели, типа и номинала. Каждый корпус подвергается тестированию в соответствии с нормами таких сертификационных центров, как UL, IEEE и т.д. Подобное тестирование выполняется на собранном корпусе. По завершении тестирования сертификат дается на собранное устройство, а не на компоненты, которые использовались для сборки.

Простым способом увидеть это является расчет силы, которая будет воздействовать на поверхность корпуса электрического оборудования во время испытания на взрывную дуговую вспышку. Давление, оказываемое на поверхность заданной силой, определяется с учетом площади, на которую эта сила воздействует.

Используется формула:

P=F/A

Где:

P: Давление в Н/м2

F: Сила в Ньютонах

A: Площадь в м2

Примечание

Для целей этих расчетов предполагается, что вспышка электрической дуги приводит к равномерному увеличению давления во всей внутренней области камеры. Однако следует заметить, что давление также увеличивается с ростом температуры, поэтому при взрыве, когда температура увеличивается, последствия могут быть еще более экстремальными, особенно в небольших камерах.

Поэтому при заданной силе x давление обратно пропорционально площади и, следовательно, с уменьшением площади, на которую воздействует сила, возрастает давление. Соотношение показано на графике выше. Это означает, что если сила или взрыв остаются постоянными, но камера и, следовательно, ее площадь уменьшается, давление на каждую часть камеры увеличивается в соответствии с показанным соотношением.

Количество вариантов конструкций и размеров электрических шкафов практически бесконечно. Поэтому НЕВОЗМОЖНО или НЕЛЬЗЯ использовать данные для корпуса одной конструкции для другой конструкции, если только они полностью не идентичны.

Именно по этой причине компоненты никогда не могут относиться к неким общим номинальным характеристикам дуги, и должны подвергаться отраслевым стандартным испытаниям. Только такие испытания способны подтвердить их соответствие минимально необходимому уровню механической прочности и свойствам окружающей среды для электрических шкафов и сборок, в которых они будут использоваться.

Если вам нужна профессиональная консультация по тепловизионном контролю, просто отправьте нам сообщение:

Смотрите также:

Дуговой разряд в дата-центре — как избежать катастрофы?

Ультрафиолетовая или инфракрасная: какую камеру выбрать для мониторинга энергооборудования?

Что нужно знать об инфракрасных окнах

Преимущества технологии IR-Fusion®

Средства индивидуальной защиты (СИЗ) на электрической подстанции

Инфракрасные окна как безопасный способ диагностики электрооборудования