Protecția la arc electric cu AFFD și AFCI
Arcul electric și caracteristicile sale. Detecția arcului electric cu AFFD
Arcul electric este o descărcare electrică în gaze sau vapori, autonomă (cu tendințe de automenținere). Detecția arcului electric cu dispozitive AFDD(Arc Fault Detection Device) și protecția cu dispozitive AFCI(Arc Fault Circuit Interruptor) urmăresc 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.
Cum se formează și cum se dezvoltă defectele de arc electric?
Arcul electric accidental atinge temperaturi mari și carbonizează treptat izolația iar în final 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 din izolație sunt o cale de conducere a curentului electric extrem de bună și arcul electric 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.
Arcul electric este un fenomen grav în instalațiile electrice, prin consecințele sale:
- Temperaturile ridicate pe care le atinge pot provoca incendii
- Topirea/sudarea electrozilor între care se dezvoltă arcul electric iar întreruperea circuitului devine imposibilă
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 are și utilizări benefice, de exemplu 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. El apare în mod:
- 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 sunt însoțite în mod inevitabil de un arc electric. Stabilirea/întreruperea unui contact electric sunt însoțite în mod inevitabil de un arc electric. Arcul electric precede stabilirea contactului și respectiv succede întreruperii contactului electric. Arcul electric din întreruptoare este 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.
- 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 produce defectul de arc electric. Este necesară protecția cu AFFD
Arcul electric din instalațiile electrice este de două tipuri:
- atunci când valoarea rezistentei 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. Curentul trece prin izolația deteriorată de la un conductor la altul, provocând un scurtcircuit prea slab pentru a fi detectat de un întrerupător cu detecția curenților reziduali. Curentul, cunoscut sub numele de curent de scurgere, se deplasează prin arcul electric pentru a ușura trecerea lui prin izolație
- atunci când un conductor electric se întrerupe accidental și între capetele conductorului întrerupt apare o tensiune electrică și un arc electric. Acest arc electric este de tip serie și depinde de tensiunea și distanța dintre capetele segmentelor de conductor. Izolația conductorului nu rezistă temperaturii dezvoltate de arcul electric în interiorul acestei izolații a conductorului defect.
AFDD detectează caracteristicile defectului de arc electric. Protecția se face cu dispozitive AFCI(Arc Fault Circuit Interruptor)
Arcul electric odată format, generează o temperatură ridicată și există pericolul declanșării incendiului. Dacă instalațiile de medie și înaltă tensiune beneficiază de mai multă vreme de soluții speciale pentru protecție la arc electric, în instalațiile de joasă tensiune nu exista până de curând un dispozitiv de protecție la acest fenomen. Dispozitivele uzuale de protecție din instalațiile de joasă tensiune, cum sunt dispozitivele de protecție la scurtcircuit, la curenți reziduali (protecție diferențială) sau la suprasarcină nu reacționau.
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. S-a creat astfel AFCI(Arc Fault Circuit Interruptor) care deconectează rapid circuitul protejat atunci când este detectat un defect de arc electric. Dispozitivele AFCI care monitorizează și întrerup circuitul supravegheat sunt instalate de regulă în tabloul de distribuție al instalațiilor de joasă tensiune, la originea circuitelor finale.
Un dispozitiv care realizează detecția arcului electric, un AFFD deci, monitorizează și analizează date culese în timp real, căutând deformări caracteristice și persistente ale formelor de undă de curent și de tensiune care să indice un arc potențial periculos. Au fost făcute cercetări cu privire la natura defectelor de arc. Algoritmii utilizați de diverși producători de AFDD-uri măresc precizia detectării și reduc alarmele false.
Când AFCI detectează un potențial risc de defect de arc, declanșează rapid întreruptorul circuitului, pentru a izola circuitul defect, înainte de declanșarea unui incendiu cu timpi de răspuns de sub 120 ms .
Un dispozitiv ce include AFDD poate funcționa împreună cu un întrerupător ce are și alte funcții de protecție, cum ar fi cea la curent rezidual sau cu protecție la supracurent.
Un AFDD este suficient de inteligent pentru a evita detectarea unui arc normal, inofensiv de „lucru”. Acesta ar putea fi produs de un comutator al unei lămpi de iluminat care a fost aprinsă, de un conector de perete ce a fost decuplat fiind extras din priză, sau 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 electric, durata arcului electric, neregularitățile arcului electric 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/A1:2018 – Prescripţii 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 defect de legare la pământ sunt cauzele cunoscute pentru declanșarea incendiilor. Întreruptoarele echipate cu diverse tipuri de sisteme de protecție, 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 mai tuturor fenomenelor ce generează incendii, stă formarea unui arc electric.
Care sunt cauzele uzuale ale 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.
