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电气安全的最佳实践——防止电气伤害 和设备损坏的四个最佳方法

来源:控制工程网2019.03.27阅读 2672

  大多数工程师、技术人员和工厂工人,都听过有关于制造车间发生电击或烧伤等工伤事故的故事。虽然很多事件都发生在施工、维护或测试期间,但也可能发生在正常运行期间。各种各样的工况都可能会发生电击或烧伤事故,但大多数上述事故都可以通过最佳设计实践和遵循安全运行规程来预防。
  电气火灾和其它事故的原因有很多,美国防火协会NFPA70-2017:国家电气法规根据每一类问题都给出了不同的预防方法。电气安全的很大一部分都涉及适当的电路保护。各种形式的电气保护对于人员的保护至关重要,但往往容易被忽视。妥善保护系统或设备,是减少代价高昂的停机时间和设备损坏的关键步骤。
  缺乏电路保护的问题
  需要适当的短路电流和过载保护,以防止电气系统损坏。在施工过程中,超载可能会导致电源跳闸。在维护过程中,不正确的布线或错误的工具,也可能会触发限流设备。

图1:电气安全的很大一部分都涉及适当的电路保护。各种形式的电气保护对于人员的保护至关重要,但往往容易被忽视。本文图片来源:Automation Direct

  例如,在一个项目的建设期间,工厂的大型断路器在运行过程中发生故障。虽然断路器完成任务,迅速结束了短路工况,但它完全切断了整栋建筑的电源。事故发生时,一时难以查明到底是众多建筑负荷中的哪一个导致断路器跳闸,因此很难找到问题的根源。 
  最终,发现根本原因是某大型电机制动器短路。为什么难以确定问题的根源?是因为使用了通过卸载一些负荷来安全限制发电机负载的卸载断路器。这些卸载断路器经延迟后重新关闭,使故障诊断复杂化。 
  虽然会导致停机,但在故障排除和诊断过程中,断路器仍然持续运行并保护人员和设备。在找到问题并修复制动短路后,长期解决方案是协调所有断路器的运行,这样下游断路器在底层故障发生时首先动作,然后上游断路器再动作。
  另一起事件发生在为期一周的全厂大修即将结束之时,目的是对开关设备进行预防性维护。作为恢复供电过程的一部分,工厂进行了最后的安全测试,以确认所有的总线和支线都是电气隔离的,而没有通过接地或短路连接在一起。断路器也需要进行测试,以确认绝缘的完整性。 
  即使进行了所有这些测试,当主断路器闭合时,它仍然导致了开关设备的短路。后来的测试显示,有人无意中将一个工具遗留在某个看不见的地方,机器振动使其掉落在主断路器上。幸运的是,一个快速、限流的断路器启动,事件得以控制,只造成了轻微损坏。如果没有限流断路器,短路可能会导致开关设备内发生电弧爆炸,而火灾或电弧闪光可能会造成人员伤害。

图2:导致电气火灾的诸多因素包括过流、短路和接地故障等。

  对电击和火灾的安全保护
  为了减轻上述两种情况和其它事件的影响,NFPA70e-2018:工作场所电气安全标准提供了有关电气安全的详细信息和许多其它关于电气接线和过流保护的规定。此外控制工程网版权所有,NFPA79-2018:工业机械电气标准也探讨了设备的保护。 
  有许多要求和准则需要遵循,以保护人员和机器在电气故障时,免受电击、火灾和其它破坏性事件的伤害。下面列出一些电气保护措施,包括:
  ●提供可锁定的切断方式
  ●将门与切断电源连锁
  ●设置安全标志
  ●提供过流保护
  ●提供浪涌保护
  需要注意的是,这是一般性的安全讨论,许多要求都有例外,没有涉及一些重要的细节。 
  虽然经常被忽视,但工业控制系统断路器,在确保机器或系统的供电电路完全断电,以保护维护和运行人员免受电击等方面,发挥着重要的功能。法规要求:在设备维修前,所有电源都必须断开、连锁和标记。断路器提供了此功能。
  NFPA79要求一种切断连接的方法来隔离机器的电源。虽然这可以像插头和安全标志一样简单,但大多数机器都使用其它方法。典型的切断方法是UL98级的保险丝/非融合开关或UL489断路器。通常有一个机器供电电路,所有的电源都应该通过断路器来断开供电。这应该标记为“机器供电电源切断连接”。如果存在多个供电电源,标识必须清楚地说明异常工况以及切断机器电源的适当程序。
  切断开关应该安装在主控制系统机柜内或其旁边。如果主控制系统机壳内包含交流电压,如120VAC或480VAC,或者如果存在大于或等于50VAC或60VDC的任何电压,则应将门连锁到切断电路。为了降低触电的风险,如果切断电路闭合,门无法打开,只有具有资质的人员使用专用工具才能打开。 
  虽然将门与切断开关连锁是从控制面板中获取电源的最佳实践方法,但允许使用其它方法,如门锁和钥匙,以保护人员不与危险电压直接接触。无论使用哪种方法断开电源或保护人员,外壳上的安全标志都应定义适当的断电流程。
  分支电路保护
  电路保护对于保护机器不受大于机器或设备载流能力的电流的影响至关重要。适当的电气保护是安全消除因短路、过载、接地故障、开关浪涌电压瞬变和其它异常工况而产生的危险的关键因素。
  为了提供这种保护,了解分支电路保护与辅助保护非常重要。一般情况下,分支电路设备保护电线,辅助设备提供额外的保护,但它们不足以完全保护设备或负载。辅助设备通常用于较低负载的设备、内部负载或作为一种简单的附加切断方式。
  有许多通用要求、布线实践以及接地和连接技术来保护机器和人员。为了提供过流保护,需要分支电路短路、接地故障保护装置以及补充过流保护装置。通常,标记为UL489的设备提供分支电路保护,标记为UL1077的设备提供辅助保护。
  大多数电路都是从分支电路设备开始的,例如适当标签的断路器或保险丝。这些设备通过限制流经电线的电流来防止火灾和电击,并提供在设备维修期间切断电源的方式。
  分支电路保护不一定能保护负载,如电源、PC或可编程逻辑控制器 (PLC)。为了提供这种保护,使用了辅助保护保险丝和断路器。在已经提供或不需要分支电路保护的情况下,补充保护提供了额外的设备保护。
  断路器和保险丝
  UL489规格的微型断路器和塑壳断路器,通常为主断路器下游的馈线电路提供分支电路保护,或用于电机电路。它们分断电流的规格从小于1安培到大约800安培不等,外形尺寸最小化,具有各种不同的外形尺寸,1至3极不等。

图3:多种UL489和UL1077规格的断路器和保险丝,可用来保护电线和电气设备。

  当检测到过载或短路时,这些设备用热跳闸和磁力跳闸装置来切断断路器。过载是由电流缓慢加热电线和设备造成的。断路器通过使用跳闸装置的热敏元件感知因过载造成的热效应www.cechina.cn,保护电路免受这些危险事件的影响。反过来说,短路故障会在瞬间造成巨大伤害。在这种情况下,断路器的跳闸装置通过磁场传感器感知电流的快速变化,并启动保护功能。
  有些断路器包含限流设计,可在短路事件中快速动作。这样可以减少通过的能量,设备或电线的损坏就是由这些能量造成的。它们能够切断的故障电流等级从10到100kA不等。对于电阻负载等低浪涌电路,以及高浪涌感应和其它负载,也可提供不同的跳闸特性。具有这些特殊特性的断路器,可以提供最好的保护,也可减少频繁发生不必要的跳闸。
  一般来讲,保险丝是一种更经济的过流保护方法。在高故障电流的应用场合中,它工作良好,通常用于保护变压器、电源和电机。许多用于保护分支电路的保险丝都具有限流功能,并且额定融断值高达200kA。保险丝可满足UL和NEC法规的要求,有延时和快速切断类型。因为没有像断路器一样的移动部件,因此保险丝不会磨损,被灰尘或油污染的可能性也不大。
  保险丝最大的缺点是动作后需要更换,这与断路器不同:断路器通常可以复位而无需更换。此外控制工程网版权所有,从本质讲,保险丝会增加单相工作的可能性。因此,在保险丝保护系统免受故障影响的同时,设备可能会受到单相工况的损坏,因此关键设备应配备保险丝熔断相位监测装置。
  虽然断路器越来越经济,保护技术也在不断进步,但保险丝一直是快速中断大电流的黄金配置。然而,由于更换电阻丝需要停机,许多用户愿意为断路器提供的功能支付更多的费用,特别是电子停机和电流限制。在这些情况下,对储存、发现和更换熔断保险丝等后勤工作倚重很多。
  辅助保护器满足UL1077的要求。它们不是为分支电路保护而构建、测试或认证的。这些设备对已经就位的分支电路保护提供辅助支持功能。这些辅助保护装置旨在保护控制电路、PLC输入输出(I/O)、接触器线圈、面板或设备内部继电器。它们的间距比UL489设备要紧密得多,中断额定值也较低,通常小于或等于10kA。 
  无论是断路器或保险丝,或分支电路或补充保护,用户必须注意运行工况,如高浪涌电流、最大安培和电压、最大短路电流,以及其它因素。由于优越的电流限制性能www.cechina.cn,保险丝通常能提供更好的保护www.cechina.cn,但在动作后必须更换保险丝,这可能会增加停机时间。断路器动作速度快且易于复位,但即使是限电流断路器,其运行速度也不会像规格合适的保险丝那样快。
  在浪涌时提供安全保护 
  在提供电击或火灾安全防护时,浪涌抑制往往容易被忽视。在美国,每年因为浪涌而造成的损失超过800亿美元。浪涌抑制器通过防止小功率峰值随着时间的推移而对设备造成的冲击www.cechina.cn,使这些设备免受损害,还可防御频率较低但更严重的大电涌。
  大约20%的电涌来自雷击,而另外80%通常来自工厂或设施内的电机启动和停止,以及其它高感应负载。虽然一直以来,利用浪涌抑制器都是很好的设计实践,但NEC仍然在增加需要浪涌抑制的领域。浪涌抑制器逐渐被视为保护应急系统和设备的关键。
  浪涌抑制器要依据电源电压、浪涌预期发生的幅度和速度以及电源电路中的相位数来选择。它们为设备损坏提供廉价的保险。
  PLC输出也应防止浪涌和过载。某些输出可能内置浪涌抑制器,可保护输出不受感应负载的影响,但很多负载并不适合使用这些抑制器,如电磁或接触器,因此最好的设计实践是在负载侧添加抑制,因为这可以延长PLC输出的使用寿命。
  感应负载会导致数百伏的峰值,而这些高电压可能会损坏PLC继电器和晶体管输出。为了提供保护,可以在输出线圈上安装一个二极管,为磁场塌陷时电流通过线圈回流提供路径,从而消除电压浪涌。虽然简单的二极管可能是为直流线圈提供浪涌抑制的最佳选择,但还有其它浪涌抑制器可用于防止AC/DC负载的浪涌,包括压敏电阻、电阻电容(R/C)组合和专用负载瞬态电压抑制的二极管。(作者:Brent Purdy)

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