電氣安全的最佳實踐——防止電氣傷害和裝置損壞的四個最佳方法

電器裝置的外殼應有什麼保護措施

如果選擇和應用得當，斷路器、保險絲和其它保護元件，可以幫助工人免受傷害，並且避免機器損壞。

大

多數工程師、技術人員和工廠工人，都聽過有關於製造車間發生電擊或燒傷等工傷事故的故事。雖然很多事件都發生在施工、維護或測試期間，但也可能發生在正常執行期間。各種各樣的工況都可能會發生電擊或燒傷事故，但大多數上述事故都可以透過最佳設計實踐和遵循安全執行規程來預防。

電氣火災和其它事故的原因有很多，美國防火協會NFPA70-2017 ：國家電氣法規根據每一類問題都給出了不同的預防方法。電氣安全的很大一部分都涉及適當的電路保護。各種形式的電氣保護對於人員的保護至關重要，但往往容易被忽視。妥善保護系統或裝置，是減少代價高昂的停機時間和裝置損壞的關鍵步驟。

圖1 ：電氣安全的很大一部分都涉及適當的電路保護。各種形式的電氣保護對於人員的保護至關重要，但往往容易被忽視。

——

1

缺乏電路保護的問題

——

需要適當的短路電流和過載保護，以防止電氣系統損壞。在施工過程中，超載可能會導致電源跳閘。在維護過程中，不正確的佈線或錯誤的工具，也可能會觸發限流裝置。

例如，在一個專案的建設期間，工廠的大型斷路器在執行過程中發生故障。雖然斷路器完成任務，迅速結束了短路工況，但它完全切斷了整棟建築的電源。事故發生時，一時難以查明到底是眾多建築負荷中的哪一個導致斷路器跳閘，因此很難找到問題的根源。

最終，發現根本原因是某大型電機制動器短路。為什麼難以確定問題的根源？是因為使用了透過解除安裝一些負荷來安全限制發電機負載的解除安裝斷路器。這些解除安裝斷路器經延遲後重新關閉，使故障診斷複雜化。

雖然會導致停機，但在故障排除和診斷過程中，斷路器仍然持續執行並保護人員和裝置。在找到問題並修復制動短路後，長期解決方案是協調所有斷路器的執行， 這樣下游斷路器在底層故障發生時首先動作，然後上游斷路器再動作。

另一起事件發生在為期一週的全廠大修即將結束之時，目的是對開關裝置進行預防性維護。作為恢復供電過程的一部分，工廠進行了最後的安全測試，以確認所有的匯流排和支線都是電氣隔離的，而沒有透過接地或短路連線在一起。斷路器也需要進行測試，以確認絕緣的完整性。

即使進行了所有這些測試，當主斷路器閉合時，它仍然導致了開關裝置的短路。後來的測試顯示，有人無意中將一個工具遺留在某個看不見的地方，機器振動使其掉落在主斷路器上。幸運的是，一個快速、限流的斷路器啟動，事件得以控制，只造成了輕微損壞。如果沒有限流斷路器，短路可能會導致開關裝置內發生電弧爆炸，而火災或電弧閃光可能會造成人員傷害。

——

2

對電擊和火災的安全保護

——

為了減輕上述兩種情況和其它事件的影響，NFPA70e-2018 ：工作場所電氣安全標準提供了有關電氣安全的詳細資訊和許多其它關於電氣接線和過流保護的規定。此外，NFPA79-2018 ：工業機械電氣標準也探討了裝置的保護。

有許多要求和準則需要遵循，以保護人員和機器在電氣故障時，免受電擊、火災和其它破壞性事件的傷害。

下面列出一些電氣保護措施，包括:

。 提供可鎖定的切斷方式

。 將門與切斷電源連鎖

。 設定安全標誌

。 提供過流保護

。 提供浪湧保護

需要注意的是，這是一般性的安全討論，許多要求都有例外，沒有涉及一些重要的細節。

雖然經常被忽視，但工業控制系統斷路器，在確保機器或系統的供電電路完全斷電，以保護維護和執行人員免受電擊等方面，發揮著重要的功能。法規要求：在裝置維修前，所有電源都必須斷開、連鎖和標記。斷路器提供了此功能。

NFPA79 要求一種切斷連線的方法來隔離機器的電源。雖然這可以像插頭和安全標誌一樣簡單，但大多數機器都使用其它方法。典型的切斷方法是UL98 級的保險絲/ 非融合開關或UL489 斷路器。通常有一個機器供電電路，所有的電源都應該透過斷路器來斷開供電。這應該標記為“機器供電電源切斷連線”。如果存在多個供電電源，標識必須清楚地說明異常工況以及切斷機器電源的適當程式。

切斷開關應該安裝在主控制系統機櫃內或其旁邊。如果主控制系統機殼內包含交流電壓，如120VAC 或480VAC，或者如果存在大於或等於50VAC 或60VDC 的任何電壓，則應將門連鎖到切斷電路。為了降低觸電的風險，如果切斷電路閉合，門無法開啟，只有具有資質的人員使用專用工具才能開啟。

雖然將門與切斷開關連鎖是從控制面板中獲取電源的最佳實踐方法，但允許使用其它方法，如門鎖和鑰匙，以保護人員不與危險電壓直接接觸。無論使用哪種方法斷開電源或保護人員，外殼上的安全標誌都應定義適當的斷電流程。

——

圖2 ：導致電氣火災的諸多因素包括過流、短路和接地故障等。

3

分支電路保護

——

電路保護對於保護機器不受大於機器或裝置載流能力的電流的影響至關重要。適當的電氣保護是安全消除因短路、過載、接地故障、開關浪湧電壓瞬變和其它異常工況而產生的危險的關鍵因素。

為了提供這種保護，瞭解分支電路保護與輔助保護非常重要。一般情況下，分支電路裝置保護電線，輔助裝置提供額外的保護，但它們不足以完全保護裝置或負載。輔助裝置通常用於較低負載的裝置、內部負載或作為一種簡單的附加切斷方式。

有許多通用要求、佈線實踐以及接地和連線技術來保護機器和人員。為了提供過流保護，需要分支電路短路、接地故障保護裝置以及補充過流保護裝置。通常，標記為UL489 的裝置提供分支電路保護，標記為UL1077 的裝置提供輔助保護。

大多數電路都是從分支電路裝置開始的，例如適當標籤的斷路器或保險絲。這些裝置透過限制流經電線的電流來防止火災和電擊，並提供在裝置維修期間切斷電源的方式。

分支電路保護不一定能保護負載，如電源、PC 或可程式設計邏輯控制器 （PLC）。為了提供這種保護，使用了輔助保護保險絲和斷路器。在已經提供或不需要分支電路保護的情況下，補充保護提供了額外的裝置保護。

——

4

斷路器和保險絲

——

UL489 規格的微型斷路器和塑殼斷路器，通常為主斷路器下游的饋線電路提供分支電路保護，或用於電機電路。它們分斷電流的規格從小於1 安培到大約800 安培不等，外形尺寸最小化，具有各種不同的外形尺寸，1 至3極不等。

當檢測到過載或短路時，這些裝置用熱跳閘和磁力跳閘裝置來切斷斷路器。過載是由電流緩慢加熱電線和裝置造成的。斷路器透過使用跳閘裝置的熱敏元件感知因過載造成的熱效應，保護電路免受這些危險事件的影響。反過來說，短路故障會在瞬間造成巨大傷害。在這種情況下，斷路器的跳閘裝置透過磁場感測器感知電流的快速變化，並啟動保護功能。

有些斷路器包含限流設計，可在短路事件中快速動作。這樣可以減少透過的能量，裝置或電線的損壞就是由這些能量造成的。它們能夠切斷的故障電流等級從10 到100kA 不等。對於電阻負載等低浪湧電路，以及高浪湧感應和其它負載，也可提供不同的跳閘特性。具有這些特殊特性的斷路器，可以提供最好的保護，也可減少頻繁發生不必要的跳閘。

一般來講，保險絲是一種更經濟的過流保護方法。在高故障電流的應用場合中，它工作良好，通常用於保護變壓器、電源和電機。許多用於保護分支電路的保險絲都具有限流功能，並且額定融斷值高達200kA。保險絲可滿足UL 和NEC 法規的要求，有延時和快速切斷型別。因為沒有像斷路器一樣的移動部件，因此保險絲不會磨損，被灰塵或油汙染的可能性也不大。

保險絲最大的缺點是動作後需要更換，這與斷路器不同：斷路器通常可以復位而無需更換。此外，從本質講，保險絲會增加單相工作的可能性。因此，在保險絲保護系統免受故障影響的同時，裝置可能會受到單相工況的損壞，因此關鍵裝置應配備保險絲熔斷相位監測裝置。

雖然斷路器越來越經濟，保護技術也在不斷進步，但保險絲一直是快速中斷大電流的黃金配置。然而，由於更換電阻絲需要停機，許多使用者願意為斷路器提供的功能支付更多的費用，特別是電子停機和電流限制。在這些情況下，對儲存、發現和更換熔斷保險絲等後勤工作倚重很多。

輔助保護器滿足UL1077 的要求。它們不是為分支電路保護而構建、測試或認證的。這些裝置對已經就位的分支電路保護提供輔助支援功能。這些輔助保護裝置旨在保護控制電路、PLC 輸入輸出（I/O）、接觸器線圈、面板或裝置內部繼電器。它們的間距比UL489 裝置要緊密得多，中斷額定值也較低，通常小於或等於10kA。

無論是斷路器或保險絲，或分支電路或補充保護，使用者必須注意執行工況，如高浪湧電流、最大安培和電壓、最大短路電流，以及其它因素。由於優越的電流限制性能，保險絲通常能提供更好的保護，但在動作後必須更換保險絲，這可能會增加停機時間。斷路器動作速度快且易於復位，但即使是限電流斷路器，其執行速度也不會像規格合適的保險絲那樣快。

——

圖3： 多種UL489和UL1077 規格的斷路器和保險絲，可用來保護電線和電氣裝置。

5

在浪湧時提供安全保護

——

在提供電擊或火災安全防護時，浪湧抑制往往容易被忽視。在美國，每年因為浪湧而造成的損失超過800 億美元。浪湧抑制器透過防止小功率峰值隨著時間的推移而對裝置造成的衝擊，使這些裝置免受損害，還可防禦頻率較低但更嚴重的大電湧。

大約20% 的電湧來自雷擊，而另外80%通常來自工廠或設施內的電機啟動和停止，以及其它高感應負載。雖然一直以來，利用浪湧抑制器都是很好的設計實踐，但NEC 仍然在增加需要浪湧抑制的領域。浪湧抑制器逐漸被視為保護應急系統和裝置的關鍵。

浪湧抑制器要依據電源電壓、浪湧預期發生的幅度和速度以及電源電路中的相位數來選擇。它們為裝置損壞提供廉價的保險。PLC 輸出也應防止浪湧和過載。某些輸出可能內建浪湧抑制器，可保護輸出不受感應負載的影響，但很多負載並不適合使用這些抑制器，如電磁或接觸器，因此最好的設計實踐是在負載側新增抑制，因為這可以延長PLC輸出的使用壽命。

感應負載會導致數百伏的峰值，而這些高電壓可能會損壞PLC 繼電器和電晶體輸出。為了提供保護，可以在輸出線圈上安裝一個二極體，為磁場塌陷時電流透過線圈迴流提供路徑，從而消除電壓浪湧。雖然簡單的二極體可能是為直流線圈提供浪湧抑制的最佳選擇，但還有其它浪湧抑制器可用於防止AC/DC 負載的浪湧，包括壓敏電阻、電阻電容（R/C） 組合和專用負載瞬態電壓抑制的二極體。

——