電氣安全的最佳實(shí)踐——防止電氣傷害 和設(shè)備損壞的四個(gè)最佳方法
發(fā)布時(shí)間：2019-03-27 來(lái)源：控制工程網(wǎng)
大多數(shù)工程師、技術(shù)人員和工廠工人，都聽(tīng)過(guò)有關(guān)于制造車(chē)間發(fā)生電擊或燒傷等工傷事故的故事。雖然很多事件都發(fā)生在施工、維護(hù)或測(cè)試期間，但也可能發(fā)生在正常運(yùn)行期間。各種各樣的工況都可能會(huì)發(fā)生電擊或燒傷事故，但大多數(shù)上述事故都可以通過(guò)最佳設(shè)計(jì)實(shí)踐和遵循安全運(yùn)行規(guī)程來(lái)預(yù)防。
電氣火災(zāi)和其它事故的原因有很多，美國(guó)防火協(xié)會(huì)NFPA70-2017：國(guó)家電氣法規(guī)根據(jù)每一類(lèi)問(wèn)題都給出了不同的預(yù)防方法。電氣安全的很大一部分都涉及適當(dāng)?shù)碾娐繁Ｗo(hù)。各種形式的電氣保護(hù)對(duì)于人員的保護(hù)至關(guān)重要，但往往容易被忽視。妥善保護(hù)系統(tǒng)或設(shè)備，是減少代價(jià)高昂的停機(jī)時(shí)間和設(shè)備損壞的關(guān)鍵步驟。
缺乏電路保護(hù)的問(wèn)題
需要適當(dāng)?shù)亩搪冯娏骱瓦^(guò)載保護(hù)，以防止電氣系統(tǒng)損壞。在施工過(guò)程中，超載可能會(huì)導(dǎo)致電源跳閘。在維護(hù)過(guò)程中，不正確的布線或錯(cuò)誤的工具，也可能會(huì)觸發(fā)限流設(shè)備。
圖1：電氣安全的很大一部分都涉及適當(dāng)?shù)碾娐繁Ｗo(hù)。各種形式的電氣保護(hù)對(duì)于人員的保護(hù)至關(guān)重要，但往往容易被忽視。本文圖片來(lái)源:Automation Direct
例如，在一個(gè)項(xiàng)目的建設(shè)期間，工廠的大型斷路器在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生故障。雖然斷路器完成任務(wù)，迅速結(jié)束了短路工況，但它完全切斷了整棟建筑的電源。事故發(fā)生時(shí)，一時(shí)難以查明到底是眾多建筑負(fù)荷中的哪一個(gè)導(dǎo)致斷路器跳閘，因此很難找到問(wèn)題的根源。
最終，發(fā)現(xiàn)根本原因是某大型電機(jī)制動(dòng)器短路。為什么難以確定問(wèn)題的根源？是因?yàn)槭褂昧送ㄟ^(guò)卸載一些負(fù)荷來(lái)安全限制發(fā)電機(jī)負(fù)載的卸載斷路器。這些卸載斷路器經(jīng)延遲后重新關(guān)閉，使故障診斷復(fù)雜化。
雖然會(huì)導(dǎo)致停機(jī)，但在故障排除和診斷過(guò)程中，斷路器仍然持續(xù)運(yùn)行并保護(hù)人員和設(shè)備。在找到問(wèn)題并修復(fù)制動(dòng)短路后，長(zhǎng)期解決方案是協(xié)調(diào)所有斷路器的運(yùn)行,這樣下游斷路器在底層故障發(fā)生時(shí)首先動(dòng)作，然后上游斷路器再動(dòng)作。
另一起事件發(fā)生在為期一周的全廠大修即將結(jié)束之時(shí)，目的是對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)。作為恢復(fù)供電過(guò)程的一部分，工廠進(jìn)行了最后的安全測(cè)試，以確認(rèn)所有的總線和支線都是電氣隔離的，而沒(méi)有通過(guò)接地或短路連接在一起。斷路器也需要進(jìn)行測(cè)試，以確認(rèn)絕緣的完整性。
即使進(jìn)行了所有這些測(cè)試，當(dāng)主斷路器閉合時(shí)，它仍然導(dǎo)致了開(kāi)關(guān)設(shè)備的短路。后來(lái)的測(cè)試顯示，有人無(wú)意中將一個(gè)工具遺留在某個(gè)看不見(jiàn)的地方，機(jī)器振動(dòng)使其掉落在主斷路器上。幸運(yùn)的是，一個(gè)快速、限流的斷路器啟動(dòng)，事件得以控制，只造成了輕微損壞。如果沒(méi)有限流斷路器，短路可能會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)發(fā)生電弧爆炸，而火災(zāi)或電弧閃光可能會(huì)造成人員傷害。
圖2：導(dǎo)致電氣火災(zāi)的諸多因素包括過(guò)流、短路和接地故障等。
對(duì)電擊和火災(zāi)的安全保護(hù)
為了減輕上述兩種情況和其它事件的影響，NFPA70e-2018：工作場(chǎng)所電氣安全標(biāo)準(zhǔn)提供了有關(guān)電氣安全的詳細(xì)信息和許多其它關(guān)于電氣接線和過(guò)流保護(hù)的規(guī)定。此外，NFPA79-2018：工業(yè)機(jī)械電氣標(biāo)準(zhǔn)也探討了設(shè)備的保護(hù)。
有許多要求和準(zhǔn)則需要遵循，以保護(hù)人員和機(jī)器在電氣故障時(shí)，免受電擊、火災(zāi)和其它破壞性事件的傷害。下面列出一些電氣保護(hù)措施，包括:
●提供可鎖定的切斷方式
●將門(mén)與切斷電源連鎖
●設(shè)置安全標(biāo)志
●提供過(guò)流保護(hù)
●提供浪涌保護(hù)
需要注意的是，這是一般性的安全討論，許多要求都有例外，沒(méi)有涉及一些重要的細(xì)節(jié)。
雖然經(jīng)常被忽視，但工業(yè)控制系統(tǒng)斷路器，在確保機(jī)器或系統(tǒng)的供電電路完全斷電，以保護(hù)維護(hù)和運(yùn)行人員免受電擊等方面，發(fā)揮著重要的功能。法規(guī)要求：在設(shè)備維修前，所有電源都必須斷開(kāi)、連鎖和標(biāo)記。斷路器提供了此功能。
NFPA79要求一種切斷連接的方法來(lái)隔離機(jī)器的電源。雖然這可以像插頭和安全標(biāo)志一樣簡(jiǎn)單，但大多數(shù)機(jī)器都使用其它方法。典型的切斷方法是UL98級(jí)的保險(xiǎn)絲/非融合開(kāi)關(guān)或UL489斷路器。通常有一個(gè)機(jī)器供電電路，所有的電源都應(yīng)該通過(guò)斷路器來(lái)斷開(kāi)供電。這應(yīng)該標(biāo)記為“機(jī)器供電電源切斷連接”。如果存在多個(gè)供電電源，標(biāo)識(shí)必須清楚地說(shuō)明異常工況以及切斷機(jī)器電源的適當(dāng)程序。
切斷開(kāi)關(guān)應(yīng)該安裝在主控制系統(tǒng)機(jī)柜內(nèi)或其旁邊。如果主控制系統(tǒng)機(jī)殼內(nèi)包含交流電壓，如120VAC或480VAC，或者如果存在大于或等于50VAC或60VDC的任何電壓，則應(yīng)將門(mén)連鎖到切斷電路。為了降低觸電的風(fēng)險(xiǎn)，如果切斷電路閉合，門(mén)無(wú)法打開(kāi)，只有具有資質(zhì)的人員使用專(zhuān)用工具才能打開(kāi)。
雖然將門(mén)與切斷開(kāi)關(guān)連鎖是從控制面板中獲取電源的最佳實(shí)踐方法，但允許使用其它方法，如門(mén)鎖和鑰匙，以保護(hù)人員不與危險(xiǎn)電壓直接接觸。無(wú)論使用哪種方法斷開(kāi)電源或保護(hù)人員，外殼上的安全標(biāo)志都應(yīng)定義適當(dāng)?shù)臄嚯娏鞒獭?/div>
分支電路保護(hù)
電路保護(hù)對(duì)于保護(hù)機(jī)器不受大于機(jī)器或設(shè)備載流能力的電流的影響至關(guān)重要。適當(dāng)?shù)碾姎獗Ｗo(hù)是安全消除因短路、過(guò)載、接地故障、開(kāi)關(guān)浪涌電壓瞬變和其它異常工況而產(chǎn)生的危險(xiǎn)的關(guān)鍵因素。
為了提供這種保護(hù)，了解分支電路保護(hù)與輔助保護(hù)非常重要。一般情況下，分支電路設(shè)備保護(hù)電線，輔助設(shè)備提供額外的保護(hù)，但它們不足以完全保護(hù)設(shè)備或負(fù)載。輔助設(shè)備通常用于較低負(fù)載的設(shè)備、內(nèi)部負(fù)載或作為一種簡(jiǎn)單的附加切斷方式。
有許多通用要求、布線實(shí)踐以及接地和連接技術(shù)來(lái)保護(hù)機(jī)器和人員。為了提供過(guò)流保護(hù)，需要分支電路短路、接地故障保護(hù)裝置以及補(bǔ)充過(guò)流保護(hù)裝置。通常，標(biāo)記為UL489的設(shè)備提供分支電路保護(hù)，標(biāo)記為UL1077的設(shè)備提供輔助保護(hù)。
大多數(shù)電路都是從分支電路設(shè)備開(kāi)始的，例如適當(dāng)標(biāo)簽的斷路器或保險(xiǎn)絲。這些設(shè)備通過(guò)限制流經(jīng)電線的電流來(lái)防止火災(zāi)和電擊，并提供在設(shè)備維修期間切斷電源的方式。
分支電路保護(hù)不一定能保護(hù)負(fù)載，如電源、PC或可編程邏輯控制器 (PLC)。為了提供這種保護(hù)，使用了輔助保護(hù)保險(xiǎn)絲和斷路器。在已經(jīng)提供或不需要分支電路保護(hù)的情況下，補(bǔ)充保護(hù)提供了額外的設(shè)備保護(hù)。
斷路器和保險(xiǎn)絲
UL489規(guī)格的微型斷路器和塑殼斷路器，通常為主斷路器下游的饋線電路提供分支電路保護(hù)，或用于電機(jī)電路。它們分?jǐn)嚯娏鞯囊?guī)格從小于1安培到大約800安培不等，外形尺寸最小化，具有各種不同的外形尺寸，1至3極不等。
圖3:多種UL489和UL1077規(guī)格的斷路器和保險(xiǎn)絲，可用來(lái)保護(hù)電線和電氣設(shè)備。
當(dāng)檢測(cè)到過(guò)載或短路時(shí)，這些設(shè)備用熱跳閘和磁力跳閘裝置來(lái)切斷斷路器。過(guò)載是由電流緩慢加熱電線和設(shè)備造成的。斷路器通過(guò)使用跳閘裝置的熱敏元件感知因過(guò)載造成的熱效應(yīng)，保護(hù)電路免受這些危險(xiǎn)事件的影響。反過(guò)來(lái)說(shuō)，短路故障會(huì)在瞬間造成巨大傷害。在這種情況下，斷路器的跳閘裝置通過(guò)磁場(chǎng)傳感器感知電流的快速變化，并啟動(dòng)保護(hù)功能。
有些斷路器包含限流設(shè)計(jì)，可在短路事件中快速動(dòng)作。這樣可以減少通過(guò)的能量，設(shè)備或電線的損壞就是由這些能量造成的。它們能夠切斷的故障電流等級(jí)從10到100kA不等。對(duì)于電阻負(fù)載等低浪涌電路，以及高浪涌感應(yīng)和其它負(fù)載，也可提供不同的跳閘特性。具有這些特殊特性的斷路器，可以提供最好的保護(hù)，也可減少頻繁發(fā)生不必要的跳閘。
一般來(lái)講，保險(xiǎn)絲是一種更經(jīng)濟(jì)的過(guò)流保護(hù)方法。在高故障電流的應(yīng)用場(chǎng)合中，它工作良好，通常用于保護(hù)變壓器、電源和電機(jī)。許多用于保護(hù)分支電路的保險(xiǎn)絲都具有限流功能，并且額定融斷值高達(dá)200kA。保險(xiǎn)絲可滿足UL和NEC法規(guī)的要求，有延時(shí)和快速切斷類(lèi)型。因?yàn)闆](méi)有像斷路器一樣的移動(dòng)部件，因此保險(xiǎn)絲不會(huì)磨損，被灰塵或油污染的可能性也不大。
保險(xiǎn)絲最大的缺點(diǎn)是動(dòng)作后需要更換，這與斷路器不同：斷路器通常可以復(fù)位而無(wú)需更換。此外，從本質(zhì)講，保險(xiǎn)絲會(huì)增加單相工作的可能性。因此，在保險(xiǎn)絲保護(hù)系統(tǒng)免受故障影響的同時(shí)，設(shè)備可能會(huì)受到單相工況的損壞，因此關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)配備保險(xiǎn)絲熔斷相位監(jiān)測(cè)裝置。
雖然斷路器越來(lái)越經(jīng)濟(jì)，保護(hù)技術(shù)也在不斷進(jìn)步，但保險(xiǎn)絲一直是快速中斷大電流的黃金配置。然而，由于更換電阻絲需要停機(jī)，許多用戶愿意為斷路器提供的功能支付更多的費(fèi)用，特別是電子停機(jī)和電流限制。在這些情況下，對(duì)儲(chǔ)存、發(fā)現(xiàn)和更換熔斷保險(xiǎn)絲等后勤工作倚重很多。
輔助保護(hù)器滿足UL1077的要求。它們不是為分支電路保護(hù)而構(gòu)建、測(cè)試或認(rèn)證的。這些設(shè)備對(duì)已經(jīng)就位的分支電路保護(hù)提供輔助支持功能。這些輔助保護(hù)裝置旨在保護(hù)控制電路、PLC輸入輸出(I/O)、接觸器線圈、面板或設(shè)備內(nèi)部繼電器。它們的間距比UL489設(shè)備要緊密得多，中斷額定值也較低，通常小于或等于10kA。
無(wú)論是斷路器或保險(xiǎn)絲，或分支電路或補(bǔ)充保護(hù)，用戶必須注意運(yùn)行工況，如高浪涌電流、最大安培和電壓、最大短路電流，以及其它因素。由于優(yōu)越的電流限制性能，保險(xiǎn)絲通常能提供更好的保護(hù)，但在動(dòng)作后必須更換保險(xiǎn)絲，這可能會(huì)增加停機(jī)時(shí)間。斷路器動(dòng)作速度快且易于復(fù)位，但即使是限電流斷路器，其運(yùn)行速度也不會(huì)像規(guī)格合適的保險(xiǎn)絲那樣快。
在浪涌時(shí)提供安全保護(hù)
在提供電擊或火災(zāi)安全防護(hù)時(shí)，浪涌抑制往往容易被忽視。在美國(guó)，每年因?yàn)槔擞慷斐傻膿p失超過(guò)800億美元。浪涌抑制器通過(guò)防止小功率峰值隨著時(shí)間的推移而對(duì)設(shè)備造成的沖擊，使這些設(shè)備免受損害，還可防御頻率較低但更嚴(yán)重的大電涌。
大約20%的電涌來(lái)自雷擊，而另外80%通常來(lái)自工廠或設(shè)施內(nèi)的電機(jī)啟動(dòng)和停止，以及其它高感應(yīng)負(fù)載。雖然一直以來(lái)，利用浪涌抑制器都是很好的設(shè)計(jì)實(shí)踐，但NEC仍然在增加需要浪涌抑制的領(lǐng)域。浪涌抑制器逐漸被視為保護(hù)應(yīng)急系統(tǒng)和設(shè)備的關(guān)鍵。
浪涌抑制器要依據(jù)電源電壓、浪涌預(yù)期發(fā)生的幅度和速度以及電源電路中的相位數(shù)來(lái)選擇。它們?yōu)樵O(shè)備損壞提供廉價(jià)的保險(xiǎn)。
PLC輸出也應(yīng)防止浪涌和過(guò)載。某些輸出可能內(nèi)置浪涌抑制器，可保護(hù)輸出不受感應(yīng)負(fù)載的影響，但很多負(fù)載并不適合使用這些抑制器，如電磁或接觸器，因此最好的設(shè)計(jì)實(shí)踐是在負(fù)載側(cè)添加抑制，因?yàn)檫@可以延長(zhǎng)PLC輸出的使用壽命。
感應(yīng)負(fù)載會(huì)導(dǎo)致數(shù)百伏的峰值，而這些高電壓可能會(huì)損壞PLC繼電器和晶體管輸出。為了提供保護(hù)，可以在輸出線圈上安裝一個(gè)二極管，為磁場(chǎng)塌陷時(shí)電流通過(guò)線圈回流提供路徑，從而消除電壓浪涌。雖然簡(jiǎn)單的二極管可能是為直流線圈提供浪涌抑制的最佳選擇，但還有其它浪涌抑制器可用于防止AC/DC負(fù)載的浪涌，包括壓敏電阻、電阻電容(R/C)組合和專(zhuān)用負(fù)載瞬態(tài)電壓抑制的二極管。（作者：Brent Purdy）
標(biāo)簽：電氣安全,電路保護(hù),UL489,斷路器
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