如果選擇和應(yīng)用得當(dāng)，斷路器、保險(xiǎn)絲和其它保護(hù)元件，可以幫助工人免受傷害，并且避免機(jī)器損壞。
大多數(shù)工程師、技術(shù)人員和工廠工人，都聽過有關(guān)于制造車間發(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發(fā)生電擊或燒傷事故，但大多數(shù)上述事故都可以通過最佳設(shè)計(jì)實(shí)踐和遵循安全運(yùn)行規(guī)程來預(yù)防。
電氣火災(zāi)和其它事故的原因有很多，美國防火協(xié)會NFPA70-2017 ：國家電氣法規(guī)根據(jù)每一類問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。
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。本文圖片來源:Automation Direct
——
缺乏電路保護(hù)的問題
——
需要適當(dāng)?shù)亩搪冯娏骱瓦^載保護(hù)，以防止電氣系統(tǒng)損壞。在施工過程中，超載可能會導(dǎo)致電源跳閘。在維護(hù)過程中，不正確的布線或錯(cuò)誤的工具，也可能會觸發(fā)限流設(shè)備。
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，因此很難找到問題的根源。
最終，發(fā)現(xiàn)根本原因是某大型電機(jī)制動器短路。為什么難以確定問題的根源？是因?yàn)槭褂昧送ㄟ^卸載一些負(fù)荷來安全限制發(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。
雖然會導(dǎo)致停機(jī)，但在故障排除和診斷過程中，斷路器仍然持續(xù)運(yùn)行并保護(hù)人員和設(shè)備。在找到問題并修復(fù)制動短路后，長期解決方案是協(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)首先動作，然后上游斷路器再動作。
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)，目的是對開關(guān)設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)。作為恢復(fù)供電過程的一部分，工廠進(jìn)行了最后的安全測試，以確認(rèn)所有的總線和支線都是電氣隔離的，而沒有通過接地或短路連接在一起。斷路器也需要進(jìn)行測試，以確認(rèn)絕緣的完整性。
即使進(jìn)行了所有這些測試，當(dāng)主斷路器閉合時(shí)，它仍然導(dǎo)致了開關(guān)設(shè)備的短路。后來的測試顯示，有人無意中將一個(gè)工具遺留在某個(gè)看不見的地方，機(jī)器振動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，事件得以控制，只造成了輕微損壞。如果沒有限流斷路器，短路可能會導(dǎo)致開關(guān)設(shè)備內(nèi)發(fā)生電弧爆炸，而火災(zāi)或電弧閃光可能會造成人員傷害。
——
對電擊和火災(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
. 將門與切斷電源連鎖
. 設(shè)置安全標(biāo)志
. 提供過流保護(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、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 級的保險(xiǎn)絲/ 非融合開關(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)該通過斷路器來斷開供電。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)識必須清楚地說明異常工況以及切斷機(jī)器電源的適當(dāng)程序。
切斷開關(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，門無法打開，只有具有資質(zhì)的人員使用專用工具才能打開。
雖然將門與切斷開關(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，如門鎖和鑰匙，以保護(hù)人員不與危險(xiǎn)電壓直接接觸。無論使用哪種方法斷開電源或保護(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?/p>
——
圖2 ：導(dǎo)致電氣火災(zāi)的諸多因素包括過流、短路和接地故障等。
分支電路保護(hù)
——
電路保護(hù)對于保護(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、過載、接地故障、開關(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)來保護(hù)機(jī)器和人員。為了提供過流保護(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)備通過限制流經(jīng)電線的電流來防止火災(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。
當(dāng)檢測到過載或短路時(shí)，這些設(shè)備用熱跳閘和磁力跳閘裝置來切斷斷路器。過載是由電流緩慢加熱電線和設(shè)備造成的。斷路器通過使用跳閘裝置的熱敏元件感知因過載造成的熱效應(yīng)，保護(hù)電路免受這些危險(xiǎn)事件的影響。反過來說，短路故障會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磁場傳感器感知電流的快速變化，并啟動保護(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作。這樣可以減少通過的能量，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從10 到100kA 不等。對于電阻負(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。
一般來講，保險(xiǎn)絲是一種更經(jīng)濟(jì)的過流保護(hù)方法。在高故障電流的應(yīng)用場合中，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)和快速切斷類型。因?yàn)闆]有像斷路器一樣的移動部件，因此保險(xiǎn)絲不會磨損，被灰塵或油污染的可能性也不大。
保險(xiǎn)絲最大的缺點(diǎn)是動作后需要更換，這與斷路器不同：斷路器通?？梢詮?fù)位而無需更換。此外，從本質(zhì)講，保險(xiǎn)絲會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)測裝置。
雖然斷路器越來越經(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，對儲存、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、測試或認(rèn)證的。這些設(shè)備對已經(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)，但在動作后必須更換保險(xiǎn)絲，這可能會增加停機(jī)時(shí)間。斷路器動作速度快且易于復(fù)位，但即使是限電流斷路器，其運(yùn)行速度也不會像規(guī)格合適的保險(xiǎn)絲那樣快。
——
圖3: 多種UL489和UL1077 規(guī)格的斷路器和保險(xiǎn)絲，可用來保護(hù)電線和電氣設(shè)備。
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，每年因?yàn)槔擞慷斐傻膿p失超過800 億美元。浪涌抑制器通過防止小功率峰值隨著時(shí)間的推移而對設(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% 的電涌來自雷擊，而另外80%通常來自工廠或設(shè)施內(nèi)的電機(jī)啟動和停止，以及其它高感應(yīng)負(fù)載。雖然一直以來，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PLC輸出的使用壽命。
感應(yīng)負(fù)載會導(dǎo)致數(shù)百伏的峰值，而這些高電壓可能會損壞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，為磁場塌陷時(shí)電流通過線圈回流提供路徑，從而消除電壓浪涌。雖然簡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) 組合和專用負(fù)載瞬態(tài)電壓抑制的二極管。
——
關(guān)鍵概念:
■電氣安全的最佳實(shí)踐；
■防止電氣傷害和設(shè)備損壞的最佳方法。
思考一下：
本文所列的哪些最佳實(shí)踐，可幫助您提高安全性？
- 完 -
本文來自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2019年01-02月刊《技術(shù)文章》欄目，原標(biāo)題為：如何有效防止電氣傷害和設(shè)備損壞？
本期雜志封面
想要免費(fèi)閱讀每期雜志內(nèi)容，請查閱《控制工程中文版》微信訂閱號自定義菜單。
