EXploTraining. De vereenvoudigde vlambooggevarenanalyse

Transcriptie

1 De vereenvoudigde vlambooggevarenanalyse Project: industriële-installatie Bedrijf: XXX Ing. J.P.M. Broekmeulen d.d. 22 oktober 2015 Inleiding Tijdens een recent onderzoek naar de impact van vlambogen (Arc Flash) in elektrische distributie installatie is door CRBE (facilitair beheerder infra en gebouwen) bij XXX gebruik gemaakt van de vereenvoudigde vlambooggevaren analyse. Deze vereenvoudigde vlambooggevaren analyse is gebaseerd op de IEEE Het is opvallend dat als je binnen de industrie informeert over ervaringen betreffende dit onderwerp opeens blijkt dat er meerdere bedrijven recent zijn gestart met deze materie en net zo als wij hiermee worstelen. De grote industrieën in de chemie en petrochemie hebben over het algemeen een langere ervaring met dit onderwerp; dit komt uiteraard omdat in dat soort industrieën de kortsluitvermogens en daarmee de vlambooggevaren vele malen groter zijn dan in gemiddelde industrie. De midden- en kleinbedrijven blijven hierin achter. Dat is mogelijk te wijten aan het feit dat in de vigerende normen waaronder de EN en de Nederlandse aanvulling NEN 3140 de gevaren van vlambogen wel worden benoemd maar niet verder worden uitgewerkt met andere woorden hoe deze vlambooggevaren kunnen worden vastgesteld en hoe hiermee omgegaan kan worden. Wat is een vlamboog Een vlamboog (Arc Flash) ontstaat als gevolg van een kortsluiting tussen twee spanning voerende geleiders of een spanning-voerende geleider en de nul-geleider of aarde waarbij de stroom door de geïoniseerde lucht zich manifesteert als vlamboog. Bij een vlamboog worden zeer hoge temperaturen bereikt tot wel C. De gevaren voor personen en installatie kunnen worden gekwantificeerd en qua gevaar worden ingedeeld in categorieën; de normen gebruikelijke energieniveaus zijn te vinden in tabel 1. Een kortsluiting kan ontstaan tijdens werkzaamheden aan een onder spanning staande installatie of in de nabijheid van spanning-voerende delen maar kan ook het gevolg zijn van een spontane storing. Zeker zo belangrijk is de vlamboog die kan ontstaan bij het inschakelen van de installatie bijvoorbeeld na onderhoud. Uit Europese onderzoeksresultaten kan worden geconcludeerd dat 70% Ing. J.P.M. Broekmeulen Pagina 1

2 van de vlamboogproblemen optreden na het uitvoeren van onderhoudswerkzaamheden; met andere woorden tijdens het inschakelen. De vraagstelling is: hoe kunnen vlambogen en de gevolgen daarvan worden voorkomen. Als we kijken naar werkzaamheden aan elektrische installaties dan maken we in Nederland onderscheid in werken aan onder spanning staande installatie of in de nabijheid daarvan (gevarenzone) en werken aan spanningsloze installaties. Per definitie werken we in Nederland niet aan een onder spanning staande installatie; dit is bij wet verboden met uitzondering van het meten aan onder spanning staande installatie t.b.v. het controleren van een installatie op spanningsloosheid. Daarnaast is storing zoeken in een installatie die spanningsloos is zeer lastig tot onmogelijk. Gezien het bovenstaande is het zeer nuttig om in het kader van preventieve maatregelen vast te stellen wat op de bewuste plaats in de installatie het mogelijke vlamboogenergieniveau is. De doelstelling hiervan is het nemen van de juiste mix aan voorzorgsmaatregelen; dit kunnen o.a. PBM s zijn. Deze PBM s zijn qua bescherming ingedeeld in cal/cm 2. De inzichten met betrekking tot vlambooggevaren kunnen o.a. worden verkregen middels de hier beschreven vereenvoudigde vlambooggevaren- analyse. Het grote voordeel van deze methode is dat het probleem geheel grafisch kan worden opgelost; tevens ziet men direct waar mogelijk oplossingen liggen. Het moge duidelijk zijn dat het een benadering is maar nauwkeurig genoeg om de vlamboogenergieën te kunnen kwantificeren. Er zijn ook softwareprogramma s die gebruikt kunnen worden. De vereenvoudigde vlambooggevarenanalyse Volgens de IEEE 1584 is de hoeveelheid energie die kan vrijkomen bij een incident op een bepaalde afstand van de bron weergegeven door vergelijking (1). De vlamboogenergie als gevolg van een incident (kortsluiting) kan in elk willekeurig punt van het energiesysteem worden berekend door: = 4184 [ / ] (1) C f is rekenfactor gebaseerd op de systeem spanning (15 U 1 kv 10 U> 1 kv) E n is de genormaliseerde fout energie [J/cm 2 ] t is de boog fout duur [s] D is de werkafstand van de plaat van de boog [mm] x is de afstand exponent uit tabel 4 van IEEE 1584 Voor een gegeven situatie kan deze vergelijking worden herschreven in: = (seconden) hierin is α een nieuwe constante. (2) Ing. J.P.M. Broekmeulen Pagina 2

3 = 4184 Bij D = 610 mm dan is = 4184 (3) Volgens de IEE 1584 is de genormaliseerde vlamboogenergie: = log (4) K 1 constante gerelateerd naar de apparatuur openlucht en gesloten apparatuur K 2 constante gerelateerd naar systeem aarde geaard systeem en niet geaard 0 I a is de boog fout stroom in ka G is de spleet tussen de geleiders in mm Als we E n expliciet schrijven dan geldt: = 10 ( ) = (5) = 10 ( ) = = (I a in ka) (6) Door substitutie van E n uit vergelijking (4) in vergelijking (1) ontstaat de relatie waaruit bij een gegeven vlamboog grenswaarden J/cm2 de vlamboogfoutduur kan worden berekend (6). Voor de verschillende energieën (tabel 1) kan de grenscurve worden getekend; dit levert in een dubbel logaritmische grafiek een rechte lijn op zie figuur 1. Het gebied onder de grenscurve cat. 0 en tussen de verschillende curven correspondeert met de eerstvolgende bovenliggende categorie. Tabel 1: categorie van beschermende kleding Gevarenrisico klasse PBM minimale boog bescherming PBM minimale boog bescherming E = Cal/cm 2 E= J/cm (12)* 836 (5)* )* Er zijn publicaties die deze waarden hanteren. Ing. J.P.M. Broekmeulen Pagina 3

4 Fig. 1Vlamboogenergie grenscurven De lijnen worden bij 2 seconden afgekapt omdat na 2 seconden (maximale waarde) de vlamboog door de beveiliging wordt onderbroken. Langere tijden komen niet voor. In de bovenstaande grafiek Fig. 1 zijn vier grenscurves resp. cat.0 t/m 4 getekend voor een afstand van de persoon tot de kortsluitplaats van D = 610 mm. In grafiek fig.2 zijn twee grenscurven getekend beide voor cat. 0 voor de afstand D = 610 en 450 mm. Het moge duidelijk zijn dat hoe dichter de persoon zich op de kortsluitplaats bevindt hoe gevaarlijker het voor deze persoon wordt. Fig. 2. Twee grenscurven categorie 0 bij verschillende afstanden 450 en 610mm. Ing. J.P.M. Broekmeulen Pagina 4

5 Afhankelijk van de heersende ideële kortsluitstroom in de betreffende verdeler kan samen met de karakteristiek van de beveiliging een de maximale grenscurve worden vastgesteld. Deze curve geeft het maximale energieniveau weer behorende bij de betreffende categorie. Uiteraard afhankelijk van de randvoorwaarden. De missing link is de grootte van de kortsluitstroom op de plaats van het incident (kortsluiting) met andere woorden waar de vlamboog ontstaat. Voor de bepaling van de I a wordt eveneens een grafische methode gebruikt. Fig. 3 de kortsluitstroom demping in kabels in relatie de lengte De kortsluitstroom kan eenvoudig grafisch worden vastgesteld middels de onderstaande grafiek. Deze grafiek is opgesteld voor een trafo van 1000 kva. = 3 + Men kan door middel van de toegepaste kabel(s) en de lengte(n) de lokale kortsluitstroom bij benadering vaststellen. Ing. J.P.M. Broekmeulen Pagina 5

6 In Fig. 4 is een schematische voorstelling gegeven van een deel van de installatie. In Fig. 5 zijn de karakteristieken van de hoofdlaagspanningsautomaat (Masterpact) en van een van de afgaande (compact) automaat groep OK IX-2-14 weergegeven. Tevens zijn hierin vier vlamboogenergiegrenswaardecurven (CAT 0 t/m 3) getekend en de ideële kortsluitstroom. Voor deze situatie is de ideële kortsluitstroom op de hoofdverdeler rail (busbar) 26 ka. Analyse van de situatie: We beschouwen in Fig. 5 de karakteristiek van de Masterpact hoofdautomaat (blauw) en de ideële kortsluitstroom van 26 ka op de rail aangegeven met de rode pijl. Op dat punt is te zien dat de hoofdautomaat deze kortsluitstoom praktisch gezien kan afschakelen maar dat deze automaat kritisch ingesteld staat. Volgens de IEEE 1584 moet de Masterpact 15% (veiligheidsfactor) lager worden afgesteld. Hieruit voortvloeiende kan gesteld worden dat als deze kortsluitstroom kleiner is dan deze 26 ka deze kortsluitstroom wordt afgeschakeld met vertraging; daarbij worden de maximale vlamboogenergie grenscurven CAT 0 en 1 doorsneden en theoretisch ook CAT 2. Dit levert een hoog vlamboogenergierisico op. De sub-verdeler OK IX-2-14 en de voedende kabel worden beveiligd door een Compact automaat zie rode karakteristiek in Fig. 5. De ideële kortsluitstroom in de verdeler is 195 ka. De ideële kortsluitstroom in relatie tot de instellingen van deze Compact automaat zijn dusdanig dat de betreffende automaat de ideële kortsluitstroom afschakelt voordat de vlamboogenergiegrenscurve Categorie 0 wordt doorsneden. Analysevoorbeeld. De volledig grafische methode geeft inzicht in de vlamboogenergie-niveau s en de eventueel te nemen maatregelen. Zoals men kan zien in figuur 5 is de vlamboogenergiegrenslijn Cat.0 voor zowel de hoofdverdeler als de sub-verdeler van toepassing. Echter voor de hoofdautomaat geldt dat dit te kritisch is en zal de hoofdautomaat in het kortsluitgebied sneller ingesteld moeten worden. Volgens de IEEE 1584 dient de uitschakelkarakteristiek op 85% van de kortsluitstroom te liggen dit betekent op ca. 22kA. Fig. 4 deel van een hoofdverdeler gevoed door een 1000 kva transformator Ing. J.P.M. Broekmeulen Pagina 6

7 Fig. 5. Case studie vaststelling vlamboogenergie risico s Conclusie De vereenvoudigde vlambooggevaren analyse geeft een goed beeld van de betreffende situatie. Mogelijke verbeteracties zijn direct af te lezen. De methode is volledig grafisch en is universeel toepasbaar. De methode is gebaseerd op de IEEE 1884 Ing. J.P.M. Broekmeulen Pagina 7

8 Referenties 1. IEEE 1584 Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations 2. Simplified Arc-Flash Hazard Analysis Using Energy Boundary Curves Antony C. Parsons W Blane Leushner Kevin X. Jiang 3. Practical approaches to mitigating Arc Flash exposure in Europe Hans Picard Jan Verstraten Rien Luchtenberg 4. NEN EN Ing. J.P.M. Broekmeulen Pagina 8