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Google 数据中心的弧闪凸显了保护的必要性：这里是着手之处

作者： Jeff Shepard 2022-12-28

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工程

电路保护

诊断

在数据中心、工业设施或大型可再生能源场所（如风力或太阳能发电站）发生弧闪会是一个危险的事件。最近在爱荷华州 Council Bluffs 的 Google 数据中心发生的弧闪，有三人受伤¹。弧闪会造成电气爆炸，并产生高达 19,000 摄氏度 (C) 的温度。从这个角度看，这比太阳的表面还要热。

虽然弧闪长期以来一直是一个严重的问题，但直到 2020 年 1 月，美国国家电气规范 (NEC) 才对此进行了更新，以包括弧闪保护要求。对额定电流为 1200 安培 (A) 及以上的断路器增加了减少电弧能量的要求。更新后的 NEC 要求的一个关键要素是，当电路上保险丝的开断时间小于 0.07 秒 (s) 时，必须使用弧闪保护装置。即使保险丝的额定值合适，由于存在重大伤害的风险，通常也会采用额外的保护层，如弧闪保护继电器。

考虑到这一点，我们来讨论一下弧闪的动态变化，回顾一下美国劳工部职业安全与健康管理局 (OSHA) 的要求，比较一下螺接短路故障和电弧故障，简要介绍一下 IEEE 弧闪危险计算方法，并看看几种弧闪保护方案和来自 Littelfuse 的相关保护继电器。

OSHA 要求对在 50 伏或以上电压下运行的设备进行弧闪保护评估。该评估确定了安全边界（禁止、有限和限制进入），并确定了必须佩戴的个人防护设备 (PPE)。在评估弧闪潜力和相关安全措施时，有必要区分螺接短路故障和电弧故障。

螺接短路与电弧故障电流

在额定电压低于 1,000 伏的系统中，螺接短路故障定义为阻抗为零的故障。电弧故障电流则定义成与电弧阻抗相关。这些系统中的保护装置必须设定更高、更严重的螺接短路故障跳断电流。

保护装置的开断时间也很重要。快速开断、安全性和系统操作要进行权衡。更快跳断可以提高人员安全。但是，如果系统包括多个保护装置，更快跳断会妨碍装置的协调运行，并会导致对整个设施产生更大的负面影响。基于微处理器 (MPU) 的电弧故障继电器具有固有的快速反应时间，可用于断路器跳断，可加快弧闪保护，同时支持协调运行，以尽量减少对整个设施的干扰（图 1）。

图 1：为了加快对故障条件的反应时间，电弧故障保护继电器可用于跳断断路器 (CB)。（图片来源：Littelfuse）

IEEE 弧闪危险计算

基于 IEEE 1584-2018 的弧闪危险计算通常用于工业环境，以满足 OSHA 规定。通过 IEEE 1584 方式可以预测电弧电流和事故能量水平，从而确定必要的个人防护设备并定义出安全工作距离。它使用了一个基于参数的经验型模型，如：

208 至 15,000 伏三相交流电 (VAC)，频率为 50 至 60 赫兹 (Hz)。
700 至 106,000 安培的螺栓短路故障电流
常见的设备外壳尺寸和接地或不接地导体配置
导体之间的间隙和涉及所有三个相的故障

开关柜保护

Littelfuse 的 PGR-8800 系列可供设施设计人员用于提供开关柜保护。PGR-8800-00（图 2）是一款基于 MPU 的继电器，可以通过 PGA-LS10 视距点式传感器监控开关柜，提供弧闪保护和故障位置识别。此外，还可以用 PGA-LS20 或 PGA-LS30 光纤传感器监测背面母线。PGR-8800-00 能够在不到 1 毫秒 (ms) 的时间内感应到弧闪的光线。它包括一个可调的跳断阈值，以补偿环境光线条件，并尽量减少干扰性跳断。

图 2：PGR-8800-00 可以使用各种传感器，在不到 1 ms 的时间内识别弧闪的发生。（图片来源：Littelfuse, Inc.）

保护发电机

Littelfuse 的 AF0100 弧闪继电器可用于发电机保护，旨在与 PGA-LS20 / PGA-LS30 光学传感器和 PGA-LS10 点式传感器一起使用。它可以关闭发电机并跳断，将故障设备与电网断开。其设计可在高振动和空间受限型环境中运行。

多区保护

设施设计者可以将几个 AF0500 继电器组合起来，覆盖多个区，且具有无限的可扩展性。此外，AF0500 继电器可以与成本较低的 AF0100 继电器连接，以优化多区弧闪保护系统的成本/性能（图 3）。

图 3：AF0500 继电器可以单独使用，也可以与其他 AF0500 继电器组合使用，还可以与 AF0100 继电器一起使用，以优化多区装置的性能。（图片来源：Littelfuse）

结语

NEC 和 OSHA 认识到发生弧闪的危险，并制定了在工业环境中必须遵守的要求。IEEE 1584 通常用于评估电弧和螺接短路闪弧的潜在电流水平并确定了必要的保护措施。综上所述，弧闪保护继电器是有用的，可以用来在一系列应用场景中提供增强保护。

参考文献：

1：Google 数据中心的事故凸显了弧闪的危险

关于此作者

Jeff 从事电力电子、电子元件和其它技术主题写作 30 余载。在其于 EETimes 任职高级编辑期间，他开始了电力电子写作。后来，他创立了一份叫《Powertechniques》的电力电子杂志，再后来又创立了一家全球性的研究和出版公司 Darnell Group。在开展各项业务的同时，Darnell Group 还发布了 PowerPulse.net，专门针对全球电力电子工程社区提供每日新闻。他是一本名为《Power Supplies》的开关模式电源教课书的作者，该书由 Prentice Hall 旗下 Reston 分部出版。

Jeff 还是 Jeta Power Systems 共同创始人，这是一家高功率开关电源制造商，后来被 Computer Products 收购。Jeff 也是一个发明家，其名下拥有 17 项热能收集和光学超材料美国专利，同时他也是掌握电力电子行业全球趋势的专家和网红发言人。他拥有加利福尼亚大学定量方法和数学硕士学位。