Berekeningen en preventieve maatregelen voor vlamboogdrukgolven
Wanneer de isolatie tussen onder spanning staande fasegeleiders op elektrische apparatuur defect raakt, kunnen elektrisch stromen de busbars via de lucht verbinden. Deze vertonen dan een ander momentaan spanningsniveau, wat resulteert in een vlamboog die thermische energie in de directe omgeving vrijgeeft. De explosieve energie-uitbarsting tijdens deze vlamboog staat bekend als een vlamboogdrukgolf. Intense hitte zorgt ervoor dat de lucht uitzet, wat resulteert in een ontploffing. De sterkte van de vlamboogdrukgolf hangt grotendeels af van hoe krachtig de vlamboog is en het drukniveau dat wordt gecreëerd.
Uitdaging
Een nieuw gebouw moest worden aangesloten op het openbare net met 8,77 kA* op het aansluitpunt. De middenspanningsverbinding met open aansluitingen op de transformator bevond zich in een transformatorruimte in het midden van een groter gebouw. De klant wilde weten of de wanden zoals gespecifieerd bestand zouden zijn tegen een aantal ontploffingsscenario’s. Door het beste moment te bepalen waarop de stroomonderbreker ten gevolge van de vlamboog zou ‘trippen’, kan ervoor worden gezorgd dat er aanzienlijk minder druk in het gebouw wordt opgebouwd. De instelling van de stroomonderbreker wordt aangepast nadat de hoofdberekening is gemaakt. (Het is mogelijk om berekeningen voor meerdere beveiligingsinstellingen uit te voeren). Een andere klant had een enorme ketel met middenspanningsvoeding geïnstalleerd (in een open elektriciteitskast met elektroden bovenop) in de buurt van een trap en wilde bepalen wat er zou kunnen gebeuren in het geval er zich een vlamboog voor zou doen op de elektroden van de ketel.
*Deze kA-waarde lijkt misschien relatief laag in Laagspanning, maar hoort bij Middenspanning.
Doelstellingen
- Inzicht krijgen in vlamboogdrukgolven
- Verificatie van metingen en data-analyse
- Adviseren over mitigerende maatregelen
Oplossing
Het is van zeer groot belang om de opbouw van vlamboog te begrijpen om structurele schade aan gebouwen te beperken. Dat kan door het nemen van adequate maatregelen, het aanpassen of versterken van structurele elementen, of door een pad te creëren waarlangs druk kan ontsnappen, kan gevaar worden afgewend en schade geminimaliseerd. Om preventieve maatregelen te treffen, moeten we de druk berekenen waaraan een persoon zou worden blootgesteld op een bepaalde afstand van de vlamboog. Het is van belang om te beseffen dat zelfs het meest stevige gebouw niet onverwoestbaar is – metingen bij een klant toonden aan dat een atmosferische drukverhoging van slechts 20% de muren letterlijk zou vernietigen.
“In veel gevallen zijn gebouwen niet speciaal ontworpen voor de installaties die zij huisvesten,” vertelt Arnau Sans, Lead Engineer bij HyTEPS. “Deze installaties kunnen in de loop van de tijd ook nog eens zijn aangepast, of de gebouwen waarin ze zijn ondergebracht worden nu anders gebruikt dan voorheen. Een vlamboogdrukgolf kan de druk in een ruimte doen oplopen tot een veelvoud van de standaard atmosferische druk. Dat is niet alleen heel gevaarlijk voor iedereen die in de buurt staat, maar gebouwen kunnen zelfs geheel of gedeeltelijk worden verwoest. Alles binnen een bepaalde straal kan binnen enkele seconden worden vernietigd, van ramen tot metselwerk en metaal.”
Voor een ‘gewone’ vlamboogmeting hebben we de details van de kast en installatie in kwestie nodig. Op basis van de resulterende energiewaarde kunnen de juiste PBM’s worden bepaald. Voor een vlamboogdrukgolfberekening heb je echter ook gegevens van het gebouw nodig, zoals afmetingen, indeling en volume. De resultaten laten klanten zien welke energieniveaus er verwacht kunnen worden en welke druk er in een gebouw zal ontstaan, inclusief krachten op verschillende afstanden en locaties. Het optimaliseren van het moment waarop de boog wordt uitgeschakeld, vermindert het totale drukniveau. Het is belangrijk op te merken dat het niet altijd mogelijk is om de boogtijd te verkorten, dus soms zijn andere oplossingen vereist.
Resultaten
Hoewel er steeds meer aandacht wordt besteed aan de energie die vrijkomt bij een vlamboog, is er relatief weinig onderzoek gedaan naar vlamboogdrukgolven. Vlamboogdrukstudies worden gedaan aan de hand van bewezen methodologieën, maar deze zijn minder gevestigd en algemeen aanvaard als de methodieken voor ‘normale’ vlamboogberekeningen. HyTEPS heeft een aanpak ontwikkeld op basis van wetenschappelijke onderzoeken en publicaties, inclusief inzicht in de bijbehorende beperkingen, discrepanties en aannames.
Arnau: “In het eerste geval adviseerde HyTEPS verder onderzoek te doen naar de vraag of de verkregen drukwaarden veilig zijn en nagaan of er een drukontlastingsventiel naar buiten toe kan worden aangebracht. In het tweede geval, op basis van invallende energie, initiële vlamboogdruk, vlamboogdrukverhoging, temperatuur en warmteoverdracht, adviseerde HyTEPS de kortsluittijd van het relais te verlagen. We stelden ook voor om mogelijk een druk- en giftige dampafgifteklep te installeren, samen met een muur die de vrijkomende druk aankan, om werknemers te beschermen.
Arnau concludeert: “Het is belangrijk om zich te realiseren dat er geen PBM’s bestand zijn tegen vlamboogdruk – daarom is het altijd nodig om wijzigingen aan het gebouw, de kast en/ of de omgeving uit te voeren. Soms kan zelfs een aanpassing aan de elektrische installatie nodig zijn.”
