34
Сентябрь
–
октябрь
2015
www.tdworld.com, www.tdwr.ru
34
Сентябрь
–
октябрь
2015
www.tdworld.com, www.tdwr.ru
ЗАЩИТА
ЗАЩИТА
от Электрической дуги
от Электрической дуги
35
Сентябрь
–
октябрь
2015
www.tdworld.com, www.tdwr.ru
35
Сентябрь
–
октябрь
2015
www.tdworld.com, www.tdwr.ru
ЗАЩИТА
ЗАЩИТА
от Электрической дуги
от Электрической дуги
Забота о безопасности
Компания ComEd проводит исследования по
определению энергии электрической дуги и
проверке эффективности разных защитных
материалов.
Джек Крейгхед (Jack Craighead), Питер Тищенко (Peter Tyschenko),
Commonwealth Edison
, и Кен Чен (K.S.Y Cheng),
Kinectrics Inc.
К
омпания
Commonwealth Edison (ComEd)
провела
исследования
,
целью
которых
являлось
определение
энергии
,
выделяемой
при
возникновении
электрической
дуги
.
Все
предыдущие
исследования
были
направлены
на
разработку
и
подбор
за
-
щитной
одежды
,
которая
бы
защитила
рабочих
от
дуги
,
а
не
на
определение
выде
-
ляемой
тепловой
энергии
.
Исследования
также
показали
,
что
единый
проверенный
метод
определения
тепловой
энергии
при
возникновении
и
горении
дуги
ещё
не
был
разработан
.
Пытаясь
найти
лучший
способ
защиты
рабочих
, ComEd
связалась
с
лабораторией
High
Current Testing Lab
в
Торонто
,
Канада
и
договорилась
о
проведении
предварительных
испы
-
таний
подземных
кабелей
и
спаек
.
Целью
испытаний
было
определить
количество
энергии
,
выделяемой
при
аварии
. ComEd
выбрала
Kinectrics Lab,
так
как
именно
эта
лаборатория
разработала
ARCPRO
и
имеет
всё
необходимое
оборудование
для
проведения
испытаний
.
ARCPRO —
это
компьютерная
программа
,
её
использование
помогает
в
выборе
защит
-
ной
одежды
для
рабочих
,
которые
могут
оказаться
в
зоне
действия
электрической
дуги
.
Программа
вычисляет
возможность
такого
события
. ComEd
остановила
свой
выбор
на
этой
программе
,
так
как
её
расчёты
основаны
на
моделировании
ситуации
,
а
не
на
уравнениях
,
полученных
эмпирическим
путём
.
Цели
исследования
Перед
началом
испытаний
ComEd
выделила
две
основные
цели
:
•
измерить
тепловую
энергию
дуговых
разрядов
при
различных
условиях
,
чтобы
создать
их
корректную
модель
в
программе
ARCPRO,
которую
затем
использовать
для
расчёта
тепла
,
выделяемого
дугой
;
•
вычислить
устойчивость
к
действию
дуги
специальных
защитных
покровов
.
Эмпирические
данные
были
собраны
методом
моделирования
обрыва
22
кабелей
и
со
-
единений
разного
размера
,
структуры
и
состава
.
Тестирование
проводилось
на
освинцо
-
ванном
кабеле
с
бумажной
изоляцией
,
маслонаполненном
свинцовом
соединении
,
полу
-
твёрдом
заполненном
свинцовом
соединении
,
экструдированном
освинцованном
кабеле
,
экструдированном
кабеле
с
концентрической
нулевой
жилой
(
круглом
и
плоском
),
соедине
-
ниях
холодной
усадки
и
предварительно
отформованных
резиновых
соединениях
.
Тестиро
-
вались
одножильные
кабели
на
номинальное
напряжение
15
кВ
с
различными
сечениями
медной
и
алюминиевой
жилы
,
а
также
трёхжильный
кабель
в
свинцовой
оболочке
.
Такие
кабели
и
соединения
были
выбраны
потому
,
что
они
широко
используются
ComEd.
Указанные
кабели
и
соединения
были
предварительно
подготовлены
путём
сверления
в
них
сквозного
отверстия
,
затрагивающего
и
изоляцию
,
и
жилу
.
С
помощью
винта
к
жиле
крепили
проволоку
,
которая
другим
концом
замыкалась
на
внешний
металлический
экран
кабеля
.
Все
исследования
проводились
напряжением
7,2
кВ
.
Ток
и
длительность
короткого
замыкания
составляли
либо
7,5
кА
и
0,6
с
,
либо
12
кА
и
0,25
с
.
Эти
параметры
токов
в
месте
повреждения
являются
обычными
для
сетей
компании
ComEd.
Исследования
проводились
в
бетонированном
бункере
шириной
3
м
,
высотой
3,3
м
и
длиной
4,2
м
.
Одна
стена
бункера
была
открыта
.
Тестовые
кабели
и
соединения
были
уста
-
новлены
в
держатель
,
закреплённый
в
стене
.
Использовались
два
набора
из
трёх
калори
-
метров
.
36
Сентябрь
–
октябрь
2015
www.tdworld.com, www.tdwr.ru
Оцинкованный
кабель
с
бумажной
оболочкой
после
замыка
-
ния
.
Обратите
внимание
на
просверленное
в
кабеле
отверстие
слева
.
Проволока
прикреплена
одновременно
к
жиле
и
экрану
кабе
-
ля
.
На
правом
фото
показано
,
как
обычно
выглядит
экструдированный
освинцованный
кабель
после
замыкания
.
На
этом
кадре
из
видеозаписи
эксперимента
можно
увидеть
направление
и
проекцию
дуги
.
ЗАЩИТА
ЗАЩИТА
от Электрической дуги
от Электрической дуги
Один
набор
был
установлен
в
3,8
м
от
ожидаемого
места
замыкания
.
Второй
набор
в
7,62
м
от
места
за
-
мыкания
на
кабеле
.
Кабели
,
соединения
и
калориметры
были
расположены
таким
образом
,
чтобы
зафиксиро
-
вать
максимальные
значения
энергии
.
Поскольку
направление
выброса
продуктов
горения
дуги
непредсказуемо
,
калориметры
расположили
так
,
чтобы
хотя
бы
один
из
них
смог
зафиксировать
макси
-
мальное
значение
.
Конечно
,
результаты
подобного
экс
-
перимента
будут
несколько
завышены
,
ведь
в
реальных
условиях
не
все
продукты
горения
дуги
попадают
в
ра
-
бочих
.
Действительное
направление
вспышки
зависит
от
расположения
кабеля
,
циркуляции
воздуха
и
других
параметров
.
В
процессе
обработки
данных
использова
-
лись
средние
данные
,
зафиксированные
каждым
набо
-
ром
калориметров
.
В
первой
части
анализа
в
лаборатории
Kinectrics
по
-
пробовали
привести
в
соответствие
данные
расчётов
ARCPRO
с
данными
,
полученными
в
результате
экспе
-
римента
.
Для
этого
было
необходимо
удостовериться
,
чтобы
параметры
длины
дуги
были
верно
представле
-
ны
в
программе
.
Показатели
напряжения
,
тока
и
длительности
замы
-
кания
были
измерены
и
введены
в
программу
.
Длину
дуги
измерили
между
точкой
разрыва
кабеля
и
зазем
-
лённым
экраном
.
Для
уточнения
длины
использовались
видеозаписи
эксперимента
.
Специалисты
корректиро
-
вали
длину
дуги
,
пока
результаты
расчёта
в
программе
не
совпали
с
данными
эксперимента
.
Важным
аспектом
тестирования
было
активное
уча
-
стие
сотрудников
ComEd.
В
исследованиях
участвовали
специалисты
по
безопасности
,
системам
распределе
-
ния
,
инженерной
защите
,
подготовке
персонала
,
тех
-
нологии
производства
,
подземным
работам
и
монтажу
.
Сотрудники
участвовали
в
планировании
и
проведении
эксперимента
,
давали
рекомендации
по
условиям
его
проведения
.
Специалисты
по
защите
определили
мощ
-
ность
и
продолжительность
замыкания
,
специалисты
по
системам
распределения
,
подготовке
персонала
,
технологии
производства
и
монтажу
выбирали
опыт
-
ные
кабели
и
соединения
и
создавали
образцы
с
необ
-
ходимыми
дефектами
.
Специалисты
по
безопасности
следили
за
проведением
эксперимента
и
обеспечивали
финансирование
со
стороны
акционеров
.
Форма
дуги
Форма
и
направление
электрической
дуги
непред
-
сказуемы
.
Вместе
с
тем
,
дуга
при
«
надземном
»
замы
-
кании
,
как
правило
горит
вдоль
электродов
,
а
тепло
-
выделение
однородно
вдоль
её
длины
Что
касается
«
подземных
»,
то
согласно
видеозаписям
и
показателям
калориметров
,
электрическая
дуга
проецируется
вне
кабеля
,
а
максимальная
энергия
концентрируется
ря
-
дом
с
повреждённым
кабелем
.
Указанный
фокус
энергии
подтверждается
данными
калориметров
.
В
течение
эксперимента
были
зафикси
-
рованы
следующие
показатели
калориметров
,
располо
-
женных
в
3,8
м
от
кабеля
и
в
3,8
м
вертикально
друг
от
друга
.
•
Верхний
калориметр
— 27
кал
/c
м
2
.
•
Средний
калориметр
— 37
кал
/c
м
2
.
•
Нижний
калориметр
— 10
кал
/c
м
2
.
37
Сентябрь
–
октябрь
2015
www.tdworld.com, www.tdwr.ru
ЗАЩИТА
ЗАЩИТА
от Электрической дуги
от Электрической дуги
Калориметры
,
расположенные
близко
к
дуге
и
по
-
току
плазмы
,
измеряют
температуру
нагретого
воздуха
,
которая
может
составлять
от
20
до
100%
энергии
дуги
.
ARCPRO
не
предназначена
для
учёта
показателей
плазмы
дугового
разряда
,
и
поэтому
не
может
рассчи
-
тать
её
влияние
на
защитное
оборудование
рабочих
.
Из
-
за
неучёта
плазмы
,
программа
даёт
заниженные
оценки
уровня
энергии
в
3,8
м
от
кабеля
или
соедине
-
ния
,
где
контакт
с
плазмой
наиболее
вероятен
.
Длина
дуги
Основываясь
на
данных
опроса
ComEd,
энергети
-
ческие
компании
используют
различные
показатели
дугового
разряда
для
расчёта
выделяемой
энергии
.
Размер
длины
дуги
варьируется
от
12,7
до
95,25
мм
.
Результаты
эксперимента
показали
,
что
дуга
выходила
из
кабеля
,
удаляясь
от
места
повреждения
.
Таким
об
-
разом
,
длина
дуги
оказалась
гораздо
больше
,
нежели
ожидалось
.
При
расчёте
длины
дуги
для
использования
ARCPRO
Kinectrics
поняли
,
что
стандартные
показатели
не
до
-
стоверны
.
Фотографии
,
расположенные
выше
,
показы
-
вают
результаты
,
полученные
в
ходе
эксперимента
:
A —
диаметр
жилы
кабеля
;
B —
внешний
диаметр
кабеля
;
C —
расстояние
между
проволочками
экрана
кабеля
в
месте
,
где
горела
дуга
;
D —
расстояние
между
проволочками
жилы
кабеля
в
месте
,
где
горела
дуга
;
E —
расстояние
между
проволочками
жилы
и
экрана
кабеля
в
месте
,
где
горела
дуга
.
Длина
дуги
для
каждого
кабеля
определялась
на
основе
видеозаписей
и
показаниях
приборов
.
Эти
по
-
казатели
корректировали
до
тех
пор
,
пока
результаты
программы
ARCPRO
не
совпали
с
результатами
иссле
-
дования
.
Ниже
приведена
приблизительная
длина
дуги
для
каждого
типа
кабеля
:
•
экструдированный
кабель
— 0,25
с
и
381
мм
;
•
экструдированный
кабель
— 0,6
с
и
457
мм
;
•
освинцованный
кабель
— 0,25
с
и
152
мм
;
•
освинцованный
кабель
— 0,6
с
и
229
мм
.
Результаты
эксперимента
показали
,
что
длина
дуги
значительно
больше
,
чем
ожидалось
.
Корректировочные
параметры
ARCPRO
делает
расчёты
для
однофазной
дуги
на
открытом
воздухе
.
При
расчёте
энергии
от
многофаз
-
ной
дуги
,
или
дуги
в
замкнутом
пространстве
,
исполь
-
На
левой
фотографии
показаны
диаметр
проводника
(
А
)
и
диаметр
кабеля
(
В
).
На
правой
фотографии
можно
увидеть
другие
параметры
,
зарегистрированные
в
ходе
эксперимента
(C, D, E).
Повреждение
кабельной
муф
-
ты
,
если
она
расположена
в
закрытом
подземном
железо
-
бетонном
колодце
,
создаёт
в
нём
значительное
давление
,
достаточное
для
того
,
чтобы
отбросить
далеко
в
сторону
чугунную
крышку
люка
,
и
такие
случаи
известны
.
Кроме
того
,
дуга
тока
короткого
замыкания
и
про
-
дукты
её
горения
представляют
серьёзную
опас
-
ность
для
неповреждённых
муфт
,
и
,
конечно
же
,
для
человека
,
если
он
оказался
в
колодце
.
Когда
короткое
замыкание
происходит
в
более
объ
-
ёмном
пространстве
(
например
,
не
в
колодце
,
а
в
коллекторе
),
то
повышение
давления
перестаёт
быть
особой
проблемой
,
а
вот
выброс
дуги
сохра
-
няется
и
способен
принести
много
неприятностей
.
Дуговой
разряд
—
сложное
явление
,
и
поэтому
невоз
-
можно
провести
сколь
-
либо
достоверное
моделиро
-
вание
процессов
,
которые
происходят
при
поврежде
-
нии
в
кабеле
и
выбросе
дуги
,
если
модель
построена
без
учёта
результатов
натурных
экспериментов
.
Заслуга
авторов
статьи
в
том
,
что
они
провели
се
-
рию
таких
опытов
с
реальными
кабелями
и
положили
их
в
основу
компьютерной
модели
.
Далее
с
её
помо
-
щью
они
могут
изучать
воздействия
на
персонал
и
оборудование
,
оказавшиеся
рядом
с
повреждением
,
и
выбрать
те
защитные
средства
,
которые
обеспе
-
чивают
наибольшую
безопасность
.
Одним
из
таких
средств
авторы
считают
специальные
термостой
-
кие
экраны
(
одеяла
,
покровы
),
которыми
можно
ограж
-
дать
предполагаемое
место
работы
кабельщика
—
интересное
решение
,
которое
в
нашей
стране
,
насколько
мне
известно
,
пока
ещё
не
применялось
.
КОММЕНТАРИЙ
Михаил Дмитриев, доцент Санкт-Петербургского политехнического
университета, к.т.н.
38
Сентябрь
–
октябрь
2015
www.tdworld.com, www.tdwr.ru
Тестирование
оцинкованных
кабелей
с
различными
наполнителями
показало
,
что
традиционно
используемые
маслонаполненные
кабели
(
слева
)
провоцируют
значи
-
тельную
вспышку
огня
и
разбрызгивают
горячее
масло
,
в
отличие
от
современ
-
ных
кабелей
с
твёрдой
изоляцией
(
справа
).
Интересно
,
что
это
практически
не
сказывается
на
энергии
электрической
дуги
.
ЗАЩИТА
ЗАЩИТА
от Электрической дуги
от Электрической дуги
зуются
корректировочные
параметры
.
Когда
ComEd
стала
обсуждать
с
другими
компаниями
величины
корректирующих
коэффициентов
для
расчёта
энергии
дуги
в
замкнутом
пространстве
,
то
возникло
много
раз
-
ногласий
.
По
результатам
эксперимента
в
лаборатории
Kinectrics
порекомендовали
величину
показателя
1,1
для
определения
излучения
при
повреждении
разных
типов
кабелей
.
Если
рабочий
находится
в
3,81
м
от
по
-
вреждённого
кабеля
,
то
рекомендуется
коэффициент
1,5 (
такая
величина
позволяет
принять
во
внимание
воздействие
плазмы
).
Чтобы
определить
,
зависит
ли
количество
выделя
-
емой
энергии
от
места
повреждения
,
дефекты
были
смоделированы
и
в
кабелях
,
и
в
соединениях
.
Исследо
-
вания
показали
,
что
местоположение
дефекта
не
ока
-
зывает
значительного
влияния
на
энергию
электриче
-
ской
дуги
.
В
ComEd
оцинкованные
кабели
традиционно
запол
-
нялись
термоизоляционным
полибутеновым
маслом
,
но
в
2009
году
компания
перешла
на
более
техноло
-
гичную
термоизоляцию
(Re-Gel,
созданный
Rainbow
Technology Corp.).
Чтобы
проверить
,
как
наполнитель
кабеля
влияет
на
выделение
энергии
при
вспышке
дуги
,
были
проведены
эксперименты
с
кабелями
обоих
типов
.
Эксперименты
проводились
с
током
в
12
кА
за
0,25
секунды
.
Результаты
эксперимента
подтвердили
ожидания
специалистов
.
В
первую
очередь
,
количество
выделя
-
емой
энергии
зависит
от
положения
дуги
относительно
оборудования
.
Исследования
не
выявили
большой
раз
-
ницы
в
энергии
при
использовании
кабелей
,
заполнен
-
ных
маслом
,
или
кабелей
с
твёрдой
изоляцией
.
Однако
при
схожем
количестве
энергии
кабель
с
маслом
произ
-
вёл
значительную
вспышку
огня
и
забрызгал
манекен
горячим
маслом
.
Для
защиты
рабочих
от
ожогов
пред
-
почтительнее
использовать
кабели
с
твёрдой
изоляци
-
ей
(
например
,
полиэтилен
).
Защитные
полотна
Ещё
одной
целью
эксперимента
было
определить
эффективность
полотен
,
защищающих
персонал
от
электрической
дуги
при
выполне
-
нии
работ
в
кабельном
колодце
.
Полотна
,
подавляющие
вспышку
,
используются
в
качестве
защиты
от
её
последствий
.
Как
правило
,
защитные
полотна
устанавливаются
либо
на
потолке
колодца
,
либо
на
стене
рядом
с
выходом
.
Главная
цель
такого
по
-
лотна
—
закрыть
максимальное
количество
оборудования
под
на
-
пряжением
,
при
этом
не
мешая
рабочим
и
не
создавая
для
них
до
-
полнительных
рисков
.
Предварительно
отлитые
ко
-
лодцы
,
которые
ComEd
покупают
с
2009
года
,
оборудованы
креплени
-
ями
для
полотен
на
потолке
.
Для
установки
полотен
в
более
старые
модели
колодцев
приходится
ис
-
пользовать
забивные
анкеры
,
что
увеличивает
время
комплектации
.
Несколько
лет
назад
ComEd
так
-
же
разрешила
использование
мо
-
бильных
полотен
.
Такие
полотна
используются
для
защиты
рабочих
при
работе
с
повреждённым
кабе
-
лем
,
который
невозможно
отключить
от
сети
.
Чаще
всего
их
обматывают
вокруг
повреждённого
сектора
кабеля
или
соединения
.
Из
-
за
опасений
сотрудников
были
проведены
испы
-
тания
полотен
,
однако
результаты
оказались
неблаго
-
приятными
,
и
ComEd
приостановил
использование
по
-
лотен
.
Основной
целью
последних
исследований
было
выявить
минимальное
необходимое
количество
точек
крепления
и
измерить
,
насколько
полотна
снижают
ко
-
личество
энергии
,
выделяемой
при
вспышке
дуги
.
Были
проведены
три
эксперимента
.
Полотна
были
установле
-
ны
на
четырёх
креплениях
,
сверху
и
снизу
их
прикрепи
-
ли
к
вертикальным
опорам
кабеля
с
помощью
карабина
.
Общее
время
установки
составило
пять
минут
.
Калориметры
были
расположены
перед
полотном
и
за
пределами
опасной
зоны
.
Второй
набор
калори
-
метров
был
расположен
по
краю
полотна
,
чтобы
изме
-
рить
тепло
,
выходящее
из
-
за
него
.
Показатели
калори
-
метров
,
находившихся
перед
полотном
,
составили
от
0
до
3
кал
/c
м
².
Видеозаписи
экспериментов
показали
,
что
защитные
полотна
эффективно
защищают
от
ми
-
крочастиц
,
пламени
и
масла
,
исходящих
от
места
по
-
вреждения
.
Результаты
исследования
Результаты
эксперимента
показали
,
что
тип
кабеля
и
длина
дуги
влияют
на
количество
выделяемой
энер
-
гии
гораздо
сильнее
,
чем
предполагалось
.
Были
вычис
-
лены
стандартные
показатели
длины
дуги
и
сопутству
-
ющих
факторов
для
расчётов
в
ARCPRO.
Защитные
полотна
блокируют
большую
часть
тепла
,
выделяемого
при
замыкании
кабеля
12,47
кВ
при
стандартном
для
систем
ComEd
токе
замыкания
.
Повышенный
уровень
защиты
может
быть
достиг
-
нут
путём
незначительных
изменений
в
установке
.
На
основе
результатов
исследования
в
ComEd
модифици
-
ровали
защитную
одежду
,
необходимую
для
работы
в
кабельном
колодце
,
и
сейчас
проводят
тестирование
полотен
,
гасящих
дугу
.
Оригинал статьи: Забота о безопасности
Компания ComEd проводит исследования по определению энергии электрической дуги и проверке эффективности разных защитных материалов.
Комментарий к статье:
Михаил Дмитриев, доцент Санкт-Петербургского политехнического университета, к.т.н.