Наскільки важливим є захист ланцюга при проектуванні електророзподільної системи

Інженер-електрик відповідає за проектування систем розподілу електроенергії для будівель. Розуміння вимог повного захисту ланцюга дозволить інженеру розробити найбезпечніші та найнадійніші електророзподільні системи для будівель.

Мета навчання

Зрозумійте різні типи стратегій захисних пристроїв від надтоків, які застосовуються в будівлях електричних систем.
Визнати різницю між захистом від замикання на землю для обладнання (GFPE) та переривачами ланцюгів із замиканням на землю (GFCI; захист для персоналу).
Зрозумійте, як захистити від різних видів несправностей.

Інженер-електрик несе велику відповідальність перед громадськістю при проектуванні систем розподілу електроенергії для будівель. Конструкція повинна захищати від несправностей та перевантажень, одночасно забезпечуючи належний захист персоналу та мінімізуючи зриви. На жаль, не існує чіткого, стислого “рецепту”, якого слід дотримуватися для таких конструкцій. Навпаки, це вимагає постійного вивчення постійно мінливих кодексів та стандартів, які можна інтерпретувати по-різному, а потім належним чином застосовувати їх до дієвої конструкції. Навіть самі кодекси підтверджують, що, надаючи практичний посібник із захисту людей та майна від електричної небезпеки, вони "не призначені як технічне завдання або інструкція для непідготовлених осіб" (NFPA 70: Національний електричний кодекс [NEC], стаття 90.1 ).

Тому надзвичайно важливо для інженера-електрика зрозуміти та правильно застосувати стратегії захисту ланцюга в своїх конструкціях для забезпечення безпечних операційних систем. Що стосується захисту ланцюга, то NEC - це основна книга кодів, з якою інженери-електрики повинні ознайомитися. NEC містить основні принципи безпеки, які охоплюють захист від ураження електричним струмом, теплових впливів, перевантаження по струму, струмів несправності та перенапруги. Важливо також розуміти стратегії захисту ланцюга, оскільки вони стосуються NEC.

Майже кожна стаття в NEC включає певну форму захисту ланцюга, що наголошує на важливості проблеми. Основними цілями захисту ланцюга є: 1) локалізація та ізоляція стану або несправності та 2) запобігання та мінімізація будь-яких непотрібних втрат потужності. Існує кілька типів ненормальних умов, які можуть виникати протягом усього життя будівлі, в яких електрична система повинна бути спроектована для виправлення або подолання. Сюди входять перевантаження, коротке замикання, зниження/перенапруга, перехідні стрибки напруги та інші проблеми живлення, такі як однофазна трифазна система та зворотне обертання фази потужності.

Перевантаження спричинене надмірною потребою утилізаційного обладнання, що перевищує його номінальну потужність. Перевантаження системи можна терпіти протягом короткого періоду часу, перш ніж потрібно вживати коригувальних заходів. Натомість несправності короткого замикання спричинені несправними електричними компонентами. Оскільки пошкодження може бути негайним, дефектну частину системи необхідно якомога швидше ізолювати. Існує декілька типів несправностей, включаючи дугові несправності між лініями, несправності між землею та 3-фазні болтові несправності. Багато несправностей починаються як періодичні, дугоподібні несправності зі змінним імпедансом і відносно низькою величиною струмів, що характеризуються неконтрольованим виділенням енергії.

З іншого боку, 3-фазна болтова несправність - це та, яка створює величезну кількість струму в системі і підтримуватиме цей струм, поки ланцюг не буде розімкнута чи ізольована якимось чином. Хоча дизайнер повинен врахувати найгірший сценарій, 3-фазна болтова несправність зустрічається досить рідко. Найбільш поширеним типом несправності є несправність лінії-землі, яка, як правило, спричинена ненавмисним контактом провідника, що знаходиться під напругою, із землею або рамою обладнання, що спричиняє ненавмисний потік струму через інший шлях, крім обладнання для утилізації. Це може виникнути через такі проблеми, як поломка ізоляції обладнання, ізоляція провідників або слабке закінчення. Коли це трапляється, зворотний шлях, який зазвичай проходить через систему заземлення, тепер проходить через будь-яку раму обладнання, металеву поверхню або людину, що контактує з системою, оскільки вони, по суті, стають частиною електричного кола назад до джерела.

Захисні пристрої від перенапруги для електричних систем

Обладнання для входу в службу пропонує перший крок у захисті від теплових перевантажень та несправностей, коли пристрої захисту ланцюга вводяться в електричну систему. Захисні пристрої від надструму (OCPD) включають реле, автоматичні вимикачі або запобіжники і є одним з основних будівельних блоків систем розподілу електроенергії та їх захисту. На найпростішому рівні ці пристрої вставляються в систему розподілу електроенергії, щоб «розірвати», ізолювати або відключити ланцюг, якщо є перевантаження або коротке замикання. Ці пристрої використовуються з кінця 19 століття і продовжують застосовуватися сьогодні. Однак захист ланцюга продовжує розвиватися за допомогою постійно мінливих технологій. Сьогодні існують технології, які використовують складні стратегії зв'язку та управління та можуть повідомляти, який тип перевантаження чи несправності відкрив вимикач, надають уявлення про якість електроенергії, вимірюють гармоніки, сигналізують про певні події, такі як замикання на землю тощо.

Технологія, яка забезпечує подальше зменшення пропускання енергії для несправності в області між двома автоматичними вимикачами електронного відключення, може бути досягнута за допомогою ZSI (селективне блокування зон). ZSI складається з проводки двох блоків відключення автоматичного вимикача разом, щоб усунути несправність найближчим до несправності вимикачем за мінімальний час. Вони працюють таким чином, що якщо автоматичний вимикач, що перебуває за потоком, відчуває несправність, він посилає сигнал стримування на вимикач, що стоїть вище. Потім вихідний вимикач продовжить тайм-аут, як зазначено на його характерній кривій, спрацьовуючи, лише якщо пристрій нижче за течією не усуває несправність. Основною метою є вимкнення струму несправності за найкоротший час, впливаючи на найменшу кількість підключеного обладнання. ZSI - не нова технологія, але, як правило, дорожча. Виробники мають різні способи досягнення одного і того ж принципу, тому важливо розуміти нюанси. Однак у 2014 році NEC додав вимогу забезпечити зменшення енергії дуги (стаття 240.87) і перерахував ZSI як прийнятний метод, що робить ZSI більш поширеною практикою.

Додаткові стратегії захисту ланцюга включають використання захисних реле в OCPD. Захисні реле та пристрої можуть бути застосовані до системи, щоб захистити схеми від умов, таких як потік зворотної потужності, однофазна фаза або перехідні процеси та стрибки. Реле спрямованої потужності або зворотного живлення контролюють напрямок струму і мають можливість реагувати, від'єднуючи ланцюг. Диференціальні реле вимірюють різницю між двома значеннями струму і відповідно реагують, якщо виявляють помилку. Пристрій захисту від перенапруги - це прилад, вставлений в електричну систему; він призначений для захисту від стрибків напруги шляхом обмеження напруги, що подається в електричну ланцюг. Пристрої, що захищають від перенапруги, допомагають захистити обладнання від згубних наслідків перехідних процесів, спричинених блискавкою, аномаліями комунальних послуг або навіть внутрішнім перемиканням навантаження. Існують сотні різних типів захисних реле, і чим складнішою є система (наприклад, має кілька джерел живлення та різні рівні напруги), тим складнішими стають системи захисту. Їх повинен проаналізувати інженер-електрик.

Захист від замикання на землю для електричних систем

Хоча правильний вибір OCPD і реле забезпечить захист від несправностей від теплових перевантажень, ці стратегії самі по собі не можуть захистити від замикань на землю дугового типу. Для цих типів несправностей до системи повинен бути доданий інший рівень захисту. Через відносно більш високий опір дугового розлому та його переривчастий характер, результуючі струми розломів набагато менші, ніж для болтових несправностей, і тому їх важче виявити. Існує два типи захисту від замикань на землю: захист від замикання на землю обладнання (GFPE) та переривників ланцюга замикання на землю (GFCI), який призначений для захисту персоналу. GFPE за визначенням є «системою, призначеною для захисту обладнання від пошкодження струмів несправності лінії-землі, що спрацьовує, щоб викликати роз'єднувальний засіб, щоб відкрити всі незаземлені провідники ланцюга несправностей. Цей захист забезпечується на рівнях струму, менших за ті, які необхідні для захисту провідників від пошкодження внаслідок роботи пристрою з перевантаженням струму ланцюга живлення ». (Стаття 100 NEC). GFPE виявляє несправності до 30 мА і не забезпечує захист персоналу.

Для захисту персоналу необхідний GFCI, який виявляє несправності до 5 мА (це обговорюється далі). GFPE необхідний NEC для надійно заземлених електричних служб від 150 до 1000 В до землі та до 1000 ампер або більше (NEC 230-95; застосовуються винятки). А для життєво важливих електричних систем, таких як лікарні, необхідні два рівні GFPE (NEC 517-17). Однак коди є лише мінімальними стандартами; хороша інженерна практика застосовувати виявлення замикань на землю типу GFPE навіть далі за течією в електророзподільній системі, де викликають занепокоєння заземлення, і бажання полягає у ізоляції пошкодження ближче до джерела.

Важливість заземлення для систем розподілу електроенергії

Будь-яка система розподілу електроенергії повинна включати незаземлену систему або надійно заземлену систему. Незаземлена система не обов'язково настільки безпечна, як заземлена система, і є лише п'ять різних електричних ланцюгів, зазначених у Статті 250.22 NEC, де небезпека незаземленої системи може перевищувати переваги безпеки заземлення. Щоб уникнути плутанини, ми зупинимося на надійно обґрунтованих системах. Правильне заземлення системи є головним фактором захисту персоналу та обладнання. Заземлення - це навмисне підключення струмопровідного провідника до землі.

Дві основні причини заземлення згідно NEC полягають у 1) обмеженні напруг, спричинених блискавкою, або випадковому контакті живильних провідників з провідниками більш високої напруги і 2) стабілізації напруги в нормальних робочих умовах. Правильно заземлене обладнання забезпечує еталон заземлення для відкритих неструмових частин електричної системи і забезпечує шлях для струму замикання на землю, щоб повернутися до джерела. Метою є запобігання надходженню неблагополучного струму. Заземлення - це часто неправильно зрозуміла тема, і NEC присвячує цілу статтю (стаття 250) вимогам до заземлення. На малюнку 6 представлено короткий виклад вимог Статті 250 NEC.

На рисунку 6 показана важлива концепція системи електродів із повним заземленням. Замість того, щоб повністю покладатися на один заземлюючий електрод для виконання своєї функції, NEC вимагає утворення системи електродів, в якій всі електроди, що є в будівлі чи споруді, з’єднані між собою. Це включає металеві конструкційні елементи, металеві водопровідні труби та навіть арматуру в бетонних фундаментах.

Додаткові стратегії захисту ланцюга для електричних систем

Після належного проектування заземлення системи можуть бути застосовані додаткові стратегії захисту до ланцюга живлення та розгалуження. Іншою формою захисту ланцюга є GFCI. GFCI працює подібно до GFPE; однак, як правило, це пристрій кінцевого використання, який знеструмлює посудину протягом встановленого періоду часу, коли виявляється замикання на землю. На відміну від GFPE, який застосовується в OCPD в першу чергу для забезпечення захисту обладнання, GFCI, як правило, застосовується на пристрої кінцевого використання для забезпечення в основному захисту персоналу, як уже згадувалося раніше. Ця форма захисту може також застосовуватися в галузевій схемі OCPD, але забезпечує той самий захист персоналу. Вимоги до GFCI проживають у Статті 210.8 NEC. GFCI необхідний для комерційних приміщень у ванних кімнатах, кухнях, дахах, на відкритому повітрі, в межах 6 футів від раковини, вологих приміщень, роздягалень, гаражів та сервісних відсіків. В інших статтях NEC також перелічено вимоги GFCI до спеціальних місць, таких як торгові автомати, житлові будинки, мобільні будинки тощо.

Інший вид захисту ланцюга - це переривник електричної дуги (AFCI). AFCI «призначений для забезпечення захисту від наслідків дугових розладів шляхом розпізнавання характеристик, унікальних для дуги, та функціонування для знеструмлення ланцюга при виявленні дугової несправності» (Стаття 100 NEC). Вимоги до пристроїв AFCI можна знайти у статті 210.12 NEC. Вони потрібні в житлових приміщеннях та гуртожитках, але не в комерційному будівництві.

Останньою формою захисту ланцюга, про яку варто згадати, є фізичний захист. Декілька статей кодексу вимагають фізичного або механічного захисту фідерів і навіть розгалужених схем для таких речей, як служби або аварійні ланцюги живлення в лікарнях. Стратегії цієї форми захисту можна знайти в NEC 230.50 або NEC 517.30 і включати прокладання під землею, встановлення в більш підтримуючий трубопровід або інші затверджені засоби.