提供电路保护，确保安全

大多数工程师、技术人员和工厂工人都有工伤的经历，比如在生产车间发生的休克或烧伤。虽然大多数事故发生在构建、维护或测试期间，但它们也可能发生在正常操作期间。有各种各样的场景可能发生休克或烧伤，但大多数可以通过使用最佳设计实践和遵循安全操作程序来预防。

电气火灾和其他事故的原因很多，针对每种类型的问题发现了各种预防方法美国消防协会(NFPA)文档,NFPA 70-2017:国家电气规范(NEC)。电气安全的很大一部分涉及适当的电路保护，这可以减轻问题并减少其影响。

各种形式的电气保护对人员的保护至关重要，但往往被忽视。正确保护系统或设备是减少昂贵的停机时间和设备损坏的关键步骤。本文研究了常见的电气安全场景，以及保护人员和机器的方法(参见图1)。

问题场景

需要适当的短路电流和过载保护，以防止电气系统损坏。在施工过程中，过载可能会关闭电源。在维护过程中，不正确的接线或放错位置的工具可能导致这些限流装置激活。

例如，在施工项目中，工厂中的大型断路器在运行过程中跳闸。断路器完成了它的工作，迅速结束了短路状态，但它完全切断了整个建筑物的电源。当时，还不知道是哪一种建筑负荷导致了断路器跳闸，因此很难找到问题的根源。

最终，根本原因被发现是一个大型电机的刹车短路。使问题难以定位的是用于通过降低一些负载来安全限制发电机负载的减载断路器。这些减载断路器会延迟重新关闭，使故障排除更加复杂。

虽然它导致了停电，但在故障排除和诊断过程中，该断路器继续运行并保护了人员和设备。在发现并修复短闸后，长期的解决方案是协调所有断路器的动作，使下游断路器在低级故障时先于上游断路器动作。

另一起事故发生在为期一周的全厂开关柜预防性维护即将结束时。作为重新通电程序的一部分，最后进行了安全测试，以确认所有母线和馈线都是电气隔离的，没有接地或短路在一起。断路器也需要进行测试，以确认适当的绝缘完整性。

即使进行了所有这些测试，当主断路器关闭时，它也会使开关柜短路。后来的测试显示，有人无意中把一个工具留在了一个地方，它振动到主断路器上，不可见。幸运的是，一个快速的限流断路器启动了，只造成了轻微的损害。如果没有限流断路器，短路可能会导致开关设备内的爆炸性电弧，并可能因火灾或电弧闪光而造成人员伤害。

防止触电和火灾

为了减少上述两个事件和其他事件的发生，NFPA 70E-2018:工作场所电气安全标准提供有关电气安全和许多其他电线和过流保护规定的详细信息。此外,NFPA 79-2018:工业机械电气标准，并讨论了设备的保护。

为了保护人员和机器免受由于存在电能或电气故障而引起的电击、火灾和其他破坏性事件的伤害，需要遵循许多要求和指导方针。许多电气保障措施的概述包括:

• 提供可锁定的断开连接方式
• 联锁门断开电源
• 包括安全标志
• 提供过流保护
• 提供防雷保护。

本文是一般性的安全讨论，需要注意的是，许多需求都有例外，由于篇幅限制，有些重要细节没有涉及。

虽然经常被忽视，但工业控制系统上的断开执行重要功能，确保机器或系统的馈电电路完全断电，以保护维护和操作人员免受电击。规定要求设备的所有电源必须关闭，锁定，并在维修前贴上标签。断开连接提供此功能。

NFPA 79要求一种断开装置来隔离机器的电源供应。虽然这可以像插头和安全标志一样简单，但大多数机器使用其他方法。典型的断开方法是UL 98等级的熔断/非熔断开关或UL 489断路器。通常只有一个机器电源电路，所有的电源都应该通过打开这个电源的断开开关来关闭。这应该被标记为“机器电源断开”。如果有多种电源存在，标志必须清楚地说明例外情况和正确的程序，从机器上取下电源。

这个断开应该安装在主控制系统机箱内或旁边。如果主控系统插框内有常见交流电压，如120vac或480vac，或存在大于等于50vac或60vdc的电压，则应将门联锁至断开处。为了减少触电的危险，除非有合格的人员使用专门的工具将断开连接打开，否则门不应该打开。

虽然用门联锁断开是从控制面板上移除馈电的最佳方法，但也允许使用其他方法，如门锁和钥匙，以及保护人员免受危险电压直接接触的防护装置。无论采用何种方法断开电源或保护人员，外壳上的安全标志都应规定适当的断电程序。

分支电路对补充保护

电路保护对于保护机器免受大于机器或设备载流能力的电流的影响至关重要。适当的电气保护是安全消除短路、过载、接地故障、开关浪涌电压瞬变和其他异常情况造成的危险过流影响的关键(见图2)。

为了提供这种保护，理解这一点很重要支路保护与补充保护。一般来说，支路额定装置保护电线，辅助装置提供额外的保护，但它们不足以完全保护设备或负载。辅助装置通常用于低负荷设备，内部负载，或作为一个简单的附加断开手段。

为了保护机器和人员，有许多一般要求、接线实践、接地和粘接技术。为了提供过流保护、支路短路和接地故障保护装置，需要附加过流保护装置。

一般来说，标有UL 489标签的设备提供分支电路保护，标有UL 1077标签的设备提供补充保护，NEC第100、430和409节提供了详细的定义(见图3)。在美国以外，有不同但相关的标准。

大多数电路从分支电路装置开始，例如适当标记的断路器或保险丝。这些装置通过限制电流流过电线来防止火灾和电击，并在设备使用期间提供一种去除电源的方法。

分支电路保护不一定保护负载，如电源、PC或可编程逻辑控制器(PLC)。为了提供这种保护，使用了补充保护保险丝和断路器。补充保护在已经提供或不需要分支电路保护的地方提供额外的设备保护。

断路器和保险丝

UL 489级微型断路器和塑壳断路器通常用于主断开下游馈线电路的分支电路保护，或用于电机电路。它们的尺寸范围从分数安培到大约800安培，通常具有微型外形因素，并且有各种框架尺寸，具有1到3极配置。

当检测到过载或短路时，这些装置使用热和磁脱扣装置脱扣/打开断路器。过载是由于过量电流缓慢加热电线和设备引起的。断路器通过使用跳闸装置的热元件感应过载条件的热效应来保护电路免受这些危险事件的影响。另一方面，短路故障的巨大损害将在几分之一秒内发生。在这种情况下，断路器的脱扣装置通过磁场传感器感应到电流的快速变化，并启动保护功能。

一些断路器包括限流设计，以便在短路事件中提供快速操作。这样可以减少可能损坏设备或线路的穿过能量。它们可以在10到100 kA范围内具有故障电流中断额定值。不同的跳闸曲线特性也可用于低浪涌电路，如电阻性负载，以及高浪涌电感和其他负载。具有这些特殊曲线特性的断路器提供了最好的保护，也减少了细微的跳闸。

熔断器通常是一种更具成本效益的过流保护方法。它们在存在高故障电流的应用中工作良好，通常用于保护变压器，电源和电机。许多分支电路保护熔断器是限流的，并且具有高达200ka的高中断额定值。保险丝可满足UL和NEC规范要求，包括延时型和速效型。这些保险丝不会磨损，因为没有像断路器那样的活动部件，而且不太可能受到灰尘或油的污染。

保险丝最大的缺点是在使用后需要更换，不像断路器，断路器通常可以复位。此外，熔断器本身就增加了单相的机会。因此，当熔断器保护系统不发生故障时，设备可能会因单相情况而损坏，因此关键设备应配备熔断器烧断检测相监控装置。

虽然断路器变得越来越经济，其保护技术也在不断改进，但熔断器一直是快速中断大量电流的黄金标准。然而，许多用户愿意为断路器提供的功能支付更多的费用，特别是电子脱扣和限流，因为更换保险丝需要停机时间。在这些情况下，备货、寻找和更换烧坏的保险丝的后勤工作非常繁重。

附加保护器符合UL 1077。它们不是为分支电路保护而制造、测试或认证的。这些装置补充了必须已经到位的支路保护。这些补充保护装置被指定用于保护控制电路、PLC输入/输出(I/O)、接触器线圈、面板或设备内部的继电器等。它们的间距比UL 489器件要小得多，并且它们的中断额定值也更低，通常小于或等于10ka。

无论是断路器还是熔断器，还是支路或补充保护，用户都必须注意操作条件，如浪涌电流大、最大电流和电压、最大短路电流等因素。熔断器通常提供更好的保护，由于优越的限流，但他们必须在操作后更换，这可能会增加停机时间。断路器是快速和容易复位，但即使是一个限流断路器将不会像一个适当大小和选择保险丝操作快。

防止浪涌

当谈到电击或消防安全时，浪涌抑制往往被忽视，但电力浪涌每年给美国公司造成的损失超过800亿美元。浪涌保护装置(spd)可以通过屏蔽随着时间的推移损坏设备的小功率尖峰来帮助防止这些损失，还可以提供防御不太频繁但更严重的大功率浪涌。

大约20%的电涌来自雷击，而另外80%通常来自工厂或设施内电动机的启动和停止，以及其他高感应负载。

虽然包括浪涌保护一直是良好的设计实践，但NEC一直在增加需要浪涌保护的区域。spd越来越被视为保护应急系统和设备的关键。NEC 2017现在要求浪涌保护器的部分区域列表包括:

• 670.6条:带有安全联锁电路的工业机械应安装电涌保护装置
• 695.15条:在消防泵控制器内或控制器上应安装列明的浪涌保护装置
• 700.8条:列出的SPD应安装在所有应急系统配电盘和面板内或上面
• 708.20条:应在所有设施的电压分布等级上提供浪涌保护装置。

1型浪涌抑制通常安装在断开的线路一侧，保护设备免受雷击，但可以在电路的任何地方使用。2型浪涌抑制装置安装在负载侧，保护电机启动和停止，以及类似的浪涌。3型浪涌抑制装置安装在设备级，例如在电源排中。

这些浪涌装置是根据电源电压、预期的幅度和功率浪涌的发生率以及电源电路中的相数来选择的。他们提供廉价的设备损坏保险。

PLC输出也应防止浪涌和过载。一些输出可能内置浪涌抑制，以保护输出免受感应负载的影响，但这些并不总是适合许多负载，例如螺线管或接触器，因此在负载上添加抑制是良好的设计实践，因为这将延长PLC输出的寿命。

感性负载可以引起数百伏的尖峰，这些高电压可以损坏或破坏PLC继电器和晶体管输出。为了提供保护，可以在输出线圈上安装一个二极管，以便在磁场崩溃时为电流流过线圈提供一条路径，从而消除电压浪涌。虽然简单的二极管可能是直流线圈中浪涌抑制的最佳选择，但各种浪涌抑制设备可用于防止交流/直流负载的浪涌，包括压敏电阻，电阻/电容器(R/C)组合和专门的瞬态电压抑制二极管。

NEC有800多页，因此本文仅概述了保护人员免受电击和防止电气火灾的要求。使用这些信息作为起点和蓝图，可以从NEC和其他来源填写其他细节，以提供确保工业厂房或设施安全所需的电路保护。

布伦特Purdy是www.AutomationDirect.com的电源和电路保护产品经理。在担任现职之前，他是一名产品工程师。在2013年加入AutomationDirect之前，他曾担任Polytron的电气主管和高级工程师，以及Westinghouse Anniston的系统工程师。他拥有佐治亚理工学院学士学位。

本文发表在应用自动化补充的控制工程和设备工程。

-参见下文增刊中的其他文章。

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