弧光监测系统－TVOC-2

产品概述

近些年来，很多用户一直在强调电气装置的安全问题。其中，电弧就是一种极具破坏性的气体放电现象，这种现象产生内部过压，进而导致局部过热，可能使设备产生过高的机械和热张力。

电弧故障原因有多种。如人为错误、不正确的连接、动物闯入等。大多数意外事故出现时，都有操作人员在控制柜中进行维护或安装工作。在这种情况下，柜门通常打开，而打开的柜门使成套柜防电弧的功能丧失殆尽。电弧保护系统因此成为现代成套柜设计的重要组成部分。

幸好事故偶尔才会发生，但是，一旦发生事故，其后果非常严重，常常造成人员重伤甚至死亡。很多事故还伴随长时间的停机事故和设备损坏。基于这个原因，因此有必要设计一款任何时候都能安全使用的解决方案。

本手册阐释了如何正确使用ABB新一代弧光监测器TVOC-2和断路器，它是一种完美的产品组合。其中，TVOC-2弧光监测器采用了光传感器。

本手册不仅阐述了装置内部的电弧防护概念，而且描述了采用一个主动的保护系统以限制内部电弧所造成的危害。

电弧现象

电弧是放电过程中发生的一种现象，当两点之间的电压超过其空气绝缘强度极限时就会发生。当适当的条件出现时，一个携带着电流的等离子产生，直到电源侧的保护设备断开才会消失。空气–在通常条件下是很好的绝缘体，但由于温度的升高或其它外部因素的作用，其化学和物理特性发生改变时，它可能变成通电的导体。

要了解电弧的产生，可以参考一个电路断开和接通时发生的情形。断开电路时，保护装置的触点开始分离，流过的电流逐渐减少，电阻增大，导致温度上升。一旦触点分开，施加到触点两端的电场超出空气的绝缘强度，空气被击穿形成放电。

高温使周围空气产生电离，并使电流以电弧的形式保持通过。除了热离子外，由于热效应，还有一个来自阴极的电子发射。在空气中形成的离子和因高温碰撞而形成的离子混合在一起，被电场加速并撞击阴极，在碰撞中释放能量并引起局部发热和产生电子发射。

只要两端的电压提供的能量足以补偿热损耗并维持适当的温度条件，电弧将会持续发生。如果电弧被拉长和冷却，维持它的必要条件将缺失进而熄灭。类似地，如果电路两相发生短路也可能产生电弧。短路是两个不同电压的导体发生低阻抗的连接，形成低阻抗的导电体（例如：金属工具遗忘在柜子的母排上、错误的连接或动物闯入柜子内，这些都是各种潜在可能），一旦形成短路，会引起很大的短路电流值，其大小取决于电路的特性。

高故障电流的通过造成电缆或电路母排过热，直至熔化低端的导体。一旦导体熔化，类似电路断开的条件将会出现。在这种情况下，电弧开始出现了，直至保护装置介入或稳定电弧的必要条件消失。电弧的特性将导致气体发生激烈的电离，使阳极和阴极间的电压降低（分别为10V和40V），在其间产生很高的电流密度（从-至A/cm2）。也在其间形成非常高的温度（数千℃）–阳极和阴极间距为数微米至几厘米。

开关柜和控制柜内的电弧效应

靠近主配电柜，也就是像靠近大型的电气设备（如变压器或发电机），其短路能量高而且由故障产生的电弧能量也高。

在柜体内形成电弧的过程可分为四个阶段：

压缩阶段：电弧占据了整个空气空间，由于持续的释放能量产生过热，导致对流和辐射，保留在柜内的空气被加热，在这个初始阶段不同区域的温度和压力值不一样。

扩展阶段：从这一瞬间开始，内部压力增加，一个空洞由于过热的空气开始流动而形成。在这个阶段压力达到其最大值，并因为热空气的释放而开始减弱。

发射阶段：由于电弧能量的持续释放，几乎所有的空气均被一个缓和但恒定的压力挤压出去。

发热阶段：在驱逐出空气后，柜内的温度几乎达到电弧的温度。这个最后阶段就由此开始，直至电弧被熄灭。此时，所有金属和绝缘物体在经历所产生的气体、烟雾和熔蚀物质颗粒的侵蚀后，已融合在一起了。

电弧的危害

当电弧出现在非封闭的设备环境时，可能不会出现上述某些阶段或只有较小的影响；然而，在电弧环绕的周围，会形成压力波和温度的上升。

已估测，在一个相距60cm的20kA故障电弧，一个人所抵受到的压力为kg；

而这种突如其来的压力会对耳朵造成永久的伤害。温度：电弧可以达到的温度约为-℃。

声音：电弧发出的声音强度高达db；而枪发出的爆破声仅为db。

电弧对人类的影响

电弧对于人类和财物均表现为一种危险的源点。因电弧故障所释放的能量对附近的人员会造成极大的伤害：

?吸入有毒气体

绝缘物质燃烧和熔化所产生的烟雾或气化的金属均可能是有毒的。烟雾是由不完全燃烧所造成的以及由碳粒子和其它固体物质停滞在空气中而形成的。

?烧伤

由电弧产生的高温气体和灼热的金属粒子流，可能会对人体造成严重灼伤。火焰可以造成不同程度的烧伤甚至碳化。高温发红的固态物体（如设备装置的金属碎片），可造成三度烧伤，与过热的蒸汽或液体所造成的灼伤相类似，而辐射热所造成的伤害则没那么严重。

?被弹射出的物体击伤

因电弧所造成松脱的物体弹射，可能对人体大多数感官部分造成伤害，如眼睛。由于电弧产生爆炸而飞出的物体可能会穿透角膜，并造成永久性的损伤。伤害程度取决于物体的特性和能量。在视觉区范围内，电弧释放的气体可能会伤害到粘膜，而紫外线和红外线发射的辐射波长则会伤害角膜和视网膜。

?听力损伤

电弧听起来就像是真的爆炸，可能会造成永久性听力损伤。

防电弧装置（主动保护）

当低压开关柜发生电弧，可以通过三种不同的设计理念保护操作人员和设备的安全：

?设备的机械结构能够承受电弧（被动保护）

?设备安装限制内部电弧效应的装置（主动保护）

?设备安装限流断路器

这三种方案（也可联合使用）已在工业领域获得卓越的发展，并为一些主要的低压开关和控制柜制造商广泛使用。

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