Verktækni - 2015, Síða 65

VERKTÆKNI 2015/20 65
TÆKNI- OG vísINdaGreINar
Orkuþéttni ljósboga
Rannsóknir síðustu ára hafa leitt í ljós að erfitt er að áætla ljósboga­
straum með mikilli nákvæmni, t.d. vegna lofteiginleika hverju sinni [4]
[5] [6] [7]. Það þarf því að gera ráðstafanir fyrir skekkju í útreikningum
því áætlaður ljósbogastraumur er notaður til að áætla útleysi tíma
varnarbúnaðar og þar með orkuna sem leysist út úr kerfinu við ljós­
bogaatvik.
Varnarbúnaður svo sem varnaliðar og bræðivör hafa ákveðna tíma­
straum eiginleika sem segja til um hve hratt búnaðurinn bregst við
ákveðnum bilanastraumum. Frávik í áætluðum bilanastraum getur haft
mikil áhrif á viðbragðstíma varnarbúnaðar. Þar sem orkuþéttni ljós­
boga er línuleg við viðbragðstíma rofa getur skekkja í áætluðum við­
bragðstíma rofa haft áhrif á áætlaða orkuþéttni ljósboga sem er svo
aðal grundvöllur áhættugreiningar ljósboga. Þess vegna er einnig
reiknað með 85% ljósbogastraum, og þar með lengri útgeysitíma.
Eftir að búið er að finna ljósbogastraum er hægt að áætla orkuþéttni
ljósboga. Orkuþéttni ljósboga er síðan notuð til þess að áætla þann
skaða sem einstaklingur geta orðið fyrir við ljósbogatvik. Ljósbogaorka
er að stærstum hluta í formi hita og er það eldhafið sem brýst út við
ljósbogaatvik sem veldur oftast mestum skaða.
Við útreikninga á ljósbogaorku er tekið tillit til fyrirkomulags kerfis
hverju sinni, svo sem; hvort búnaður sé í skáp eða ekki, hvort kerfið
sé jarðbundið eða ekki, spennustig, bil milli leiðara og vinnufjarlægð.
Ljósbogaorka er gefin upp í mælieiningunni cal/cm2 eða J/cm2 þar
sem 1,0 cal/cm2≈4,184 J/cm2. Sem dæmi þá er áætluð orkuþéttni ljós­
boga í 400 V dreifiskáp í jarðbundnu kerfi:
Þar sem t er tíminn sem það tekur varnarbúnað að einangra bilunar-
straum.
Ráðstafanir og persónuvarnir
Ýmsar ráðstafanir er hægt að taka til þess að lágmarka skaða sem
verður af völdum rafmagns. Ein ráðstöfunin liggur í að skilgreina
hættufjarlægðir og þjálfa starfsmenn í að þekkja þessar fjarlægðir.
Þessar fjarlægðir ráðast annaðhvort af spennustigi búnaðar (öryggis­
fjarlægðir vegna raflosts) eða orkuþéttni ljósboga (hættusvæði ljós­
boga).
Mynd 1 Samhengi milli skammhlaups- og ljósbogastraums í 400 V
lokuðum rofabúnaði.
Staðallinn IEEE Std. 1584­2002 sýnir hvernig reikna má út ljósboga­
straum fyrir mismunandi kerfi á mismunandi spennu sem hlutfall af
skammhlaupsstraum.
Fyrir 400 V kerfi í lokuðum, jarðbundnum skáp má námunda áætl­
aðan ljósbogastraum sem1:
Þar sem Ia er ljósbogastraumur og Ibf er skammhlaupsstraumur, báðir
gefnir upp í kA.
Frá samhenginu á milli skammhlaups­ og ljósbogastraums sem sýnt
er hér að ofan má sjá að ljósbogastraumur er ávallt töluvert minni en
skammhlaupsstraumur. Þetta má einnig sjá á mynd 1 þar sem þetta
samhengi er sýnt á myndrænu formi.
Fyrir kerfi með spennu hærri en 1 kV er munurinn milli skamm­
hlaups­ og ljósbogastraums töluvert minni. Ljósbogastraumur í þessum
kerfum er áætlaður að vera:
Eins og má sjá á mynd 2 sem sýnir hlutfall milli ljósbogastraums og
skammhlaupsstraums á kerfum með hærri spennu en 1 kV er ekki
mikill munur á milli þessara tveggja strauma.
1 Hér er aðeins gefið dæmi um 400 V kerfi sem búið er að einfalda með því markmiði
að auka skilning á mun ljósbogastraums og skammhlaupsstraums, athuga skal að
við útreikninga á ljósbogastraumi skal miða við reiknireglur staðla og þar með
kerfisuppbyggingu og fyrirkomulag hverju sinni.
Höfuð-streymir myndast
Armar streymis taka ákveðna stefnu, hér í átt að jarðbundnum bolta
inn í skáp.
Afhleðsla
Þegar streymir hefur náð tengingu við jarðtengdan boltann (getur
einnig verið við núlltengdan leiðara eða annan fasa), afhlaðast jónir í
kringum höfuð­streymi. Einangrun brotnar niður í slóð höfuð­streymis.
Myndun ljósboga
Einangrun milli spennuhafandi leiðara og jarðbundna boltans hefur
minnkað töluvert og rafstraumur fer um loftið. Við þetta myndast mik­
ill hiti sem leiðir til útþenslu og sprengingar.
Athuga skal þó að enn er viðnám á milli leiðarana tveggja og því er
ekki talað um skammhlaupsstraum.

𝐼𝐼! = 0,9088 ⋅ 𝐼𝐼!"
!,!""#    ,        𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓  0,7  𝑘𝑘𝑘𝑘 < 𝐼𝐼!" < 106  𝑘𝑘𝑘𝑘
𝐼𝐼! = 1,0093 ∗ 𝐼𝐼!"! !"# ,
Mynd 2 Samhengi milli skammhlaups- og ljósbogastraums í kerfum
með spennu yfir 1 kV.

𝐼𝐼! = 0,9088 ⋅ 𝐼𝐼!"
!,!""#    ,        𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓  0,7  𝑘𝑘𝑘𝑘 < 𝐼𝐼!" < 106  𝑘𝑘𝑘𝑘
𝐼𝐼! = 1,0093 ∗ 𝐼𝐼!"! !"# ,

𝐸𝐸 = 7,31 ⋅ 𝐼𝐼!!,!"# ⋅ 𝑡𝑡  
𝐸𝐸 = 7,31 ⋅ 20!,!"# 𝑘𝑘𝑘𝑘 ⋅ 0,05  𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 = 9,32  𝐽𝐽/𝑐𝑐𝑚𝑚! =  2,23  𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐/𝑐𝑐𝑚𝑚!