Fenomenul de arc electric și caracteristicile sale. Protecția cu AFFD la arc electric

Arcul electric este o descărcare electrică în gaze sau vapori, autonomă (cu tendințe de automenținere). Protecția cu AFFD la arc electric are drept scop  eliminarea efectelor periculoase ale fenomenului. Arcul electric este un fenomen caracterizat de următoarele elemente:

• densități de curent foarte mari;
• căderi de tensiune mici pe coloana de arc;
•  coloana de arc se comportă ca un conductor mobil cu secțiunea ajustabilă de către curentul care îl produce;
• arcul electric se comportă ca o rezistență ohmică, neliniară;
•  starea fizică de agregare a arcului electric este plasma;
• poziția spațială a coloanei de arc este modificabilă sub acțiunea câmpului magnetic, câmpului electric şi a curenților de gaze;
• în coloana de arc, temperaturile sunt foarte ridicate (6000÷18000 K). Aceste temperaturi se ating rapid  după apariția arcului electric (în milisecunde), variază odată cu presiunea, iar temperatura  electrozilor atinge 3000 ÷ 5000 K, anodul  fiind mai cald decît catodul.

Când  și  în ce condiții apare arcul electric  în instalații electrice ?

Arcul electric apare totdeauna  la conectarea (închiderea) şi deconectarea (deschiderea) unui circuit electric,  când sunt satisfăcute anumite condiții:

• existența unei tensiuni de alimentare superioare unei anumite tensiuni, numită tensiunea minimă de arc;
• existența unui curent minim în arc, deci a unei puteri minime disponibile în sursa de alimentare.

Cum se formează arcul electric  în instalații electrice ?

• La apropierea contactelor electrice(conectare) spațiul dintre electrozi se ionizează, apare arcul electric la o distanță l şi se stinge în momentul în care electrozii ajung în contact
• La depărtarea contactelor (deconectare) spațiul dintre electrozi se ionizează, luînd naştere arcul electric, care se stinge atunci când se atinge lungimea critică a acestuia.

Arcul electric este un fenomen dăunător în instalațiile electrice , prin temperaturile ridicate pe care le are şi topirea electrozilor între care se dezvoltă. Arcul electric se produce și în c.c. și în c.a. efectele fiind ușor diferite în cele două cazuri(în c.c. stingerea sa se face mai greu). Arcul electric se utilizează în diverse industrii la sudarea metalelor(asamblare prin sudare), la topirea metalelor în cuptoarele electrice, la metalizarea unor suprafețe .

 Există 2 căi de apariție accidentală și nedorită a arcului electric în instalațiile electrice:

• Când rezistența de izolație a dielectricului ce separă cei doi conductori se reduce sub un prag limită , iar izolația se străpunge. Rezistența de izolație depinde de distanța dintre conductori, de mediul izolator, de umiditate, de temperatură, de ionizarea mediului.
• Când tensiunea electrică dintre conductoare atinge valoarea de străpungere a izolației.

Arcul electric este un fenomen nedorit dar inevitabil  în instalațiile electrice 

Arcul electric este un fenomen inevitabil dar nedorit în instalațiile electrice.  El apare:

• Previzibil (la conectarea/deconectarea prin întreruptoare)
• Imprevizibil și accidental, prin defecte de izolație, supratensiuni sau întreruperi accidentale ale unor conductoare.

Acolo unde apariția arcului electric este previzibilă, se pot lua măsuri pentru  a controla acest fenomen și de a limita efectele sale nedorite,  dintre care cel mai important este efectul termic, ce duce la deteriorarea/topirea electrozilor întreruptoarelor  și conductoarelor. Arcul electric ce apare accidental necesită  instalarea de dispozitive de protecție adecvate pentru a evita consecințele grave ce pot fi generate pornind de la el(incendii).

Cum se reduc efectele arcului electric în întreruptoarele electrice ?

Conectarea/deconectarea unui consumator sau circuit prin stabilirea/întreruperea unui contact electric sau întreruperea acelui contact, sunt însoțite în mod inevitabil de un arc electric ce precede stabilirea contactului și respectiv succede întreruperii contactului. La întreruptoare, arcul electric este deci previzibil și se pot limita efectele sale, fiind un fenomen cunoscut și folosind măsuri specifice.

• Stabilirea/întreruperea cât mai rapidă a conexiunii electrice reduce durata în timp a arcului electric și efectele sale.
• De asemenea, întrerupătorul se poate plasa într-un mediu ce conține un gaz inert ce diminează ionizarea, crește rezistența de izolație și reduce dimensiunea arcului (întreruptoare capsulate).
• Pentru o durată de viață cât mai lungă a întreruptorului, electrozii săi se execută din metale cu o bună conductivitate electrică și care se topesc greu (cupru, argint, platină).

Arcul electric apărut accidental este cunoscut ca defect de arc electric. În acest scop este necesară protecția cu AFFD la arc electric

Arcul electric din instalațiile electrice este de două tipuri:

• atunci când valoarerezistentei  izolației conductoarelor electrice  (dintre fază și neutru sau dintre faze) scade prin deterioarea sa mecanică a izolatiei, prin îmbătrânirea ei, prin apariția umidității. Arcul electric este în acest caz de tip paralel și depinde  in mod esential de caracteristicile izolației ce separă conductorii si de tensiunea între conductori.
• atunci când un conductor electric se întrerupe accidental și in zona de dintre capetele conductorului întrerupt, apare o tensiune electrică și un arc electric. Acest arc electric este de tip serial și depinde în mod esențial de distanța dintre capetele segmentelor de conductor.

Schema următoare evidențiază cele 2 tipuri de defecte de arc electric, serial şi paralel.

AFDD detectează caracteristicile defectului de arc electric. Protecția cu AFFD la arc electric in instalatiile electrice de joasa tensiune 

Arcul electric odată format, generează o temperatură ridicată și există pericolul declanșării incendiului. Dacă instalațiile de medie și înaltă tensiune beneficiază de soluții speciale pentru protecție la arc electric, în instalațiile de joasă tensiune însă,  nu exista până de curând un dispozitiv de protecție la acest fenomen. Nici unul din dispozitivele uzuale de protecție din instalațiile de joasă tensiune, dispozitivele de protecție la scurtcircuit, la curenți reziduali (protecție diferențială) sau la suprasarcină nu putea reacționa.

Iată de ce  fabricanții de echipament electric de joasă tensiune au proiectat un dispozitiv dedicat detecției arcului electric, AFDD (Arc Fault Detection Device), inclus într-un întrerupător ce se montează pe un circuit electric final. Asfel se limitează efectele defectelor de arc electric, prin deconectarea circuitului atunci când este detectat un defect de arc electric. AFDD sunt instalate în tabloul de distribuție al unei instalații de joasă tensiune fixe la originea circuitelor finale.

Un dispozitiv care realizează protecția cu AFFD la arc electric, monitorizează și analizează date culese în timp real, căutând deformări caracteristice și persistente ale formelor de undă de curent și de tensiune care indică un arc potențial periculos. Au fost făcute multe cercetări cu privire la natura defectelor de arc. Algoritmii utilizați de AFDD-uri măresc precizia detectării și reduc alarmele false.

Când AFDD detectează un potențial risc de defecțiune la arc, se declanșează imediat întreruptorul circuitului, pentru a izola circuitul defect. Deoarece arcurile electrice se pot dezvolta ca un”bliț” și aprind orice material inflamabil din apropiere, este important ca AFDD-urile să reacționeze foarte repede înainte de a se întâmpla acest lucru. Timpii de răspuns trebuie să se situeze la valori de sub 120 ms .

Un dispozitiv AFDD poate funcționa împreună cu un întrerupător de circuit sau un întrerupător de curent rezidual cu protecție la supracurent (RCBO) și poate include și o funcție proprie de comutare.

Un AFDD este suficient de inteligent pentru a evita declanșarea unui arc normal, inofensiv de „lucru”. Acesta ar putea fi produs de un comutator al unei lămpi de lumină care a fost aprinsă,  de un conector de perete ce a fost decuplat fiind extras din priză, scos, de alte tipuri de comenzi de pornire/oprire ale unor aparate electrice, de motoarele unor scule electrice, sau electrocasnice.

Pentru a evita o astfel de eroare, se analizează mai mulți parametri diferiți pentru a identifica fără dubiu  caracteristicile defectele de arc electric.

Parametrii menționați includ curentul arcului, durata arcului, neregularitățile arcului și nivelele variabile ale frecvențelor înalte (caracteristice pentru curentul care trece prin izolația cablului).

AFDD este deci un dispozitiv electronic inteligent capabil să depisteze caracteristici ale arcului electric care au fost identificate și modelate matematic.

 

Cât de dificilă a fost elaborarea unui model al unui arc electric?

Deși arcul electric este bine studiat și există mai multe legi fizice care descriu apariția și mai ales dezvoltarea sa în timp,  identificarea precisă a parametrilor săi și modelarea procesului de apariție și de dezvoltare a unui arc electric au fost dificile.  Primul pas al IEC a fost acela de a crea un arc electric de referință cu caracteristici suficient de clare pentru a defini un arc electric periculos.

Standardul SR EN 62606:2015, Prescripții generale pentru dispozitive de detectare a defectului de arc electric, furnizeză prescripții și proceduri de încercare necesare pentru dispozitivele de detectare a defectului de arc electric (AFDD) utilizate pentru scopuri casnice și similare în circuite c.a.

Apariția standardului european EN 62606:2013 (respectiv SR EN 62606:2015) a determinat modificarea documentului de armonizare HD 60364-4-42:2011 (respectiv SR HD 60364-4-42:2011, Instalații electrice de joasă tensiune. Partea 4-42: Protecție pentru asigurarea securității. Protecție împotriva efectelor termice), prin publicarea unui amendament HD 60364-4- 42:2011/A1:2015  (respectiv  SR  HD  60364-4-42:2011/A1:2015).

Acest amendament completează articolul 421, cu titlul: Protecția împotriva incendiului produs de un echipament electric, în care se recomandă să se prevadă măsuri speciale pentru protecția împotriva efectelor cauzate de defectele de arc electric din circuitele finale în locuri cu risc de incendiu (de exemplu, structuri ale clădirilor care propagă incendiul). De asemenea, el conține o anexă, cu o scurtă prezentare a dispozitivelor de detectare a defectului de arc electric (AFDD).

Cât de repede trebuie să reacționeze un  AFDD ?

Răspunsul este unul singur:  Foarte rapid și în funcție de mărimea arcului.

Deoarece arcurile electrice ajung rapid la temperaturi foarte ridicate de  mii de grade Celsius, ele pot aprinde cu ușurință cablurile de alimentare. De aceea, s-a emis o specificație critică: cu cât este mai mare forța unui arc, cu atât mai repede ar trebui să declanșeze întreruperea circuitului AFDD-ul. Pentru curenții de arc foarte mari, în special, AFDD-urile ar trebui să detecteze și să se deplaseze în mai puțin de 120 de milisecunde.

Cum se declanșează incendiile de natură  electrică ?

Scurtcircuitele, supraîncărcările și curenții de defectele de legare la pământ sunt cauzele cunoscute pentru declanșarea incendiilor. Întreruptoarele împiedică transformarea în incendii a supraîncărcării sau a scurtcircuitului în instalațiile de uz casnic. În mod similar, dispozitivele de curent rezidual pentru curenți de peste 30 mA împiedică încălzirea și aprinderea materialelor de construcție. La baza tuturor acestor fenomene stă formarea unui arc electric.

Ce este un defect de arc electric ?

Defectul de arc electric prezintă un pericol de incendiu major, arcul electric fiind un fenomen foarte periculos. Defectele de arc electric apar atunci când un curent electric nu mai circulă numai  prin conductor ci trece prin izolația deteriorată sau când conductorul este întrerupt.

Există în consecință două tipuri de defect de arc electric:

Defect de arc electric paralel : curentul trece prin izolația deteriorată de la un conductor la altul, provocând un scurtcircuit prea slab pentru a fi detectat de un întrerupător de circuit cu detecție a curenților reziduali. Curentul, cunoscut sub numele de curent de scurgere, se deplasează prin arcul electric pentru a ușura trecerea lui prin izolație.

Defect de arc electric de tip  serie : când unul dintre conductoarele electrice este deteriorat prea mult pentru a rezista curentului ce trece prin el(este întrerupt)  și arcul electric apare între capetele conductorului întrerupt. Arcul electric se dezvoltă în interiorul izolației conductorului defect.

Cum se formează și cu se dezvlată defectele de arc electric?

Fiecare arc electric se încălzește rapid  ajungând la temperaturi extrem de mari și carbonizează treptat izolația. În cele din urmă arcul electric aprinde izolația carbonizată.

Izolația arzând sau carbonizată acționează ca un combustibil aprins de arcul electric și are loc o reacție în lanț rapid acceleratoare. Curentul de scurgere generează arcul electric  care carbonizează izolația. Compușii de carbon care se formează pe izolație sunt o cale de conducere a curentului electric extrem de bună și arcul eletric se dezvoltă și se amplifică în continuare. Ciclul de arc electric-carbonizare izolație se intensifică și crește în intesitate intensitatea până când izolația carbonizată arde în mod spontan.

Care sunt cauzele unui defect de arc electric?

Cablajele greoaie și  instalațiile electrice îmbătrânite, prizele supraîncărcate și aparatele defecte sunt principalii vinovați. Izolația  deteriorată sau îmbătrânită a conductorilor este de asemenea o cauză uzuală a apariției arcului electric. Alte cauze ale apariției arcului electric, întâlnite des în practică sunt deteriorarea fizică a conductorilor prin strivire mecanică, secționare accidentală, îndoire sau flexare, existența rozătoarelor . Creșterea numărului de dispozitive electrice și electronice de uz casnic conectate nonstop la  rețeaua de alimentare, diverse adaptoare, conectoare și prelungitoare necorespunzătoare sunt  de asemenea, factori de risc. Defectarea conductoarelor  electrice poate fi cauzată fie de umezeală fie  de curentul  electric care prin efect termic deteriorează izolația.