確定電弧閃光事故可能性的理想檢測方法!

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超音波檢測技術應用-

原文作者:Mark Goodman-UE Systems公司工程副總裁

前言

電弧閃光可被視為一種穿透空氣的短路。它產生巨大的儲存能量,從電氣設備往外傳送。電弧閃光產生的溫度高達華氏35,000℉(大約攝氏19,426.67℃),比太陽表面溫度還高;產生的力量,相當於被一顆手榴彈打到。其衝擊是如此之大,可造成聽力損失及記憶喪失。如果沒有讓人致死,也會導致嚴重的燒傷或受傷。此外,產生電弧閃光的條件,即使在沒有電弧閃光發生時,也將損壞電氣設備而導致不預期的停電與成本高昂的停工期。更糟的是,許多受害者被嚴重燒傷,需要待在專門的燒傷中心接受治療。

安全科學

美國勞工部職業安全與健康管理局(OSHA)在降低電弧閃光事故的努力上早已變得更積極,並已採用2005年版本的美國防火協會員工工作場所電氣安全要求標準NFPA 70E,作為合格的工作人員安全指導。這些是關於例如電弧閃光評估、各類型個人防護裝備、在通電電氣設備周圍工作及打開封閉設備…等針對工作人員安全的標準。 

電弧閃光可能由於不良的工作習慣、工具掉落或意外接觸帶電設備所引起。然而,有些會在封閉機櫃內產生電弧閃光發生的可能性的情況,可以在產生閃絡或電弧閃光事件前偵測出來,這些情況有電弧、電痕及電暈。 

儘管紅外線熱像檢測技術可偵測由電弧及多數情況的電痕所產生的熱能,但不能感測電暈。假如機櫃是封閉的,除非有紅外線檢測接口,否則,紅外線極不可能檢測到這些輻射的存在。此外,如要查看封閉電氣機櫃內的元件,必須遵守NFPA關於個人防護裝備(PPE)的標準,因此,在許多情況下,紅外線檢測員必須穿戴累贅的服裝與頭罩,以執行打開機櫃進行檢查的必要程序。這可能相當費時,而且,在炎熱的天氣下,極不舒服。因此,建議採取一種包含紅外線與超音波檢測的整合方法,偵測電弧閃光的可能性。 

電弧、電痕及電暈放電,會產生離子化。離子化有副產物:臭氧與氮氧化物。這些副產物結合水份即產生硝酸-對多數電介質及某些金屬成份具破壞性,會導致腐蝕。 

電氣狀態監測的目的,就是在打開機櫃發生閃絡或產生電弧閃光事故前,便預先偵測出這些事件存在的可能性。 

由於離子化過程會產生超音波,因此,空中傳播/結構傳播超音波檢測技術,很適合用於偵測這些放射。超音波儀器的感測範圍介於20-100kHz,其使用外差法,將超音波放射轉降為可聽見的範圍。這些可攜式超音波儀器透過耳機提供聲音信號資訊,並在儀錶上顯示通常以分貝為單位的強度讀值。

可攜式儀器

通常,操作員是使用掃描模組掃描封閉電氣櫃的門縫及通風孔周圍,同時透過耳機聆聽及觀察顯示幕。電弧、電痕及電暈,全都具有可以聽見的獨特音質。假如沒有空氣路徑,檢查員將利用波導在機櫃壁面周圍進行探測。由於超音波從空氣傳播移動到結構傳播,波的特性可能發生變化,因此操作員將頻率從40kHz(對空傳超音波掃描有用)更改為25kHz。假如須要進一步分析這些波譜,可以錄下這些聲音及在頻譜分析軟體上播放。如此,可使檢測員觀察到只透過查看顯示幕而沒有聆聽聲音可能遺漏的細微問題。

低壓設備檢測

我們經常被問到超音波在什麼電壓及對何種設備最有用,答案其實並不單純。首先,確定低壓、中壓及高壓的定義是相對的。 

低壓設備的主要疑慮是電弧。典型而言,110、220及440V系統是使用紅外線熱像儀及/或輻射計來測量溫度的變化。熱點-通常是電阻的指標,可指示設備發生故障的可能性或潛在的火災危險。當發生電弧時,往往伴隨著熱能。然而,假如設備被覆蓋住,也未必總是能偵測到熱點。超音波技術可以聽見發生在斷路器、開關、接點及電驛的電弧。在多數情況下,快速掃描門蓋封墊或通風口,將可偵測到超音波放射。在聆聽斷路器及開關的內部電弧時,可以搭配使用接觸式探棒。例如,使用接觸式探棒接觸斷路器開關,以聆聽由內部產生的電弧。低電壓檢測最有用的方法,將是結合紅外線熱像儀與超音波探棒。

中壓及高壓設備檢測

較高的電壓,通常為設備故障帶來更多的可能性。某些問題例如電弧、破壞性電暈或電痕(有時稱為“嬰兒電弧”)和電暈,以及局部放電與機械鬆動,全都產生可偵測到的警示即將發生故障的超音波。使用超音波技術偵測這些放射,相對較為簡單。在這些潛在破壞性事件之間的聲音差異,就是聲音形態。電弧產生不穩定的爆裂聲,帶著驟然開始與停止的能量,而電暈則是穩定的嗡嗡聲。破壞性電暈有累積與散發的能量,造成伴隨著細微爆裂聲的嗡嗡聲。在掃描這些放射時,可使用拋物面反射器,這些配件可使標準掃描模組的偵測距離增加一倍以上。
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分析記錄的信號

儘管從聲音形態判定電弧、電痕或電暈相當容易,但仍會出現證明為混淆的情況-與電暈有關的強大嗡嗡聲,事實上,可能只是機械鬆動。頻譜與時域分析可能是分析電輻射時的有用工具。UE所有Ultraprobe系列超音波儀器,採用外差法,將超音波轉降為可聽見的頻率範圍,因此,可以透過耳機插孔或儀器本身-可使用Ultraprobe 10000,錄下聲音。您必須使用在較低頻率具有適當頻寬的記錄裝置。數位錄音器並不適合,因為,它們只能記錄300Hz以上的信號,對50或60Hz峰值而言不夠低,沒有用處。使用膝上型電腦、MP3錄音機或高品質卡匣式錄音機在現場錄製信號,都很理想。當錄製這些信號時,您須要確定信號沒有失真。在類比儀器上,不應該讓信號超過信號強度指針滿刻度的50%以上。在數位儀器上,您應設法維持信號強度在條圖的4至6段之間。 

然後,可以將這些聲音下載至配備音效卡的個人電腦,並且檢視其頻譜或時間序列圖譜,以進行分析。當您想要進行評估時,必須檢查頻譜與時域圖譜兩者。檢查時域圖譜也有幫助,假如是電暈,您會看到一條均勻的信號頻帶,只有寥寥幾個峰值延伸到平均“頻帶”以上。假如是電痕,您會開始看到由放電產生的峰值延伸至平均“頻帶”以上。假如是電弧,您會看到幾撮相當於放電的“能量脈衝”。在各種情況下,頻譜與時域分析圖譜,兩者皆應檢查,才能作最終的決定。
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新的線上狀態監測器

儘管絶大多數關於通電電氣設備的檢測包含了可攜式儀器,這些檢測,由於受到性能的限制,無法保護設備不發生故障或防止未被偵測出的電弧閃光發生的可能性。這些限制是與時間有關的,假如檢測員在這些事件發生的時候進行測試,很有可能可以偵測出來及回報採取補救措施。不過,不像往往會先被發現及接著朝向採取特定等級行動的機械狀態,一旦有電弧、電痕或電暈存在,就有發生故障的可能,而電弧閃光可能隨時發生。因此,有需要對封閉的電氣設備進行線上持續監測。 

電氣櫃監測器是安裝在面向元件的門或牆壁的內側。採用空中傳播超音波掃描器,並設定一個臨界位準,萬一發生電弧、電痕或電暈,其聲音位準將超出環境臨界值,而被偵測到。線上監測的優點顯而易見,它不依靠操作員,而且是持續進行監測。

結論

超音波檢測對於偵測電弧閃光事故的可能性,是一項有用的篩選工具。當我們使用手持超音波檢測器掃描封閉的電氣設備時,其過程是快速、精準且簡單。它可以在初步的檢查中,幫助檢測員排除穿戴繁複、不舒服的個人防護裝備。線上持續監測器可以在檢查前向人員發出電弧、電痕或電暈的存在警報。 

※ 關於電弧、電暈、電痕、機械鬆動…等各種電氣聲音特徵與圖譜,請參考UE原廠的線上錄音檔資料庫http://www.uesystems.com/new/resources/the-sound-recording-library
※ 關於UE超音波檢測儀器系列,歡迎參考https://www.pdic.com.tw/ue.htm,更歡迎您進一步洽詢,謝謝。
※ 本文編譯自http://www.uesystems.com/resources/articles-and-announcementsElectrical區的"Inspection Methods to Determine Potential Arc Flash"。

2019-10-21