電弧閃絡(luò)的危害及其防護(hù)措施

李霽光

(羅地亞中國投資有限公司，上海 201108)

電弧閃絡(luò)的危害及其防護(hù)措施

李霽光

(羅地亞中國投資有限公司，上海 201108)

電弧閃絡(luò)危害具有較大的隱藏風(fēng)險(xiǎn)，其嚴(yán)重性和觸電一樣可能會(huì)致命。主要闡述了電弧閃絡(luò)的危害，列舉了國際法規(guī)中關(guān)于電弧閃絡(luò)的相關(guān)規(guī)定以及所能采用的相關(guān)防范措施和減少電弧危害的緩解技術(shù)；簡單介紹了國內(nèi)電氣設(shè)計(jì)人員如何運(yùn)用ETAP工程軟件對(duì)電弧閃絡(luò)進(jìn)行分析，為防護(hù)措施提供了有效的理論依據(jù)。

電弧閃絡(luò) 電弧安全界限 入射能量

從1992年至2001年,約有44363人因受到電氣傷害而無法正常工作，其中非致命的電氣傷害有27262人，另有17101人是由電弧閃絡(luò)燒傷造成。每年有超過2000人進(jìn)入燒傷中心被認(rèn)定是嚴(yán)重的電氣燒傷而接受治療。

發(fā)生電氣燒傷將導(dǎo)致長期無法正常工作。盡管燒傷的人數(shù)只占38%，但是燒傷需要長期的治療和康復(fù)，其痛苦程度及龐大的醫(yī)療費(fèi)用令傷者或企業(yè)難以承擔(dān)。因此，研究電弧閃絡(luò)的危害并采取必要的防護(hù)措施具有重要的意義。

1 電弧閃絡(luò)的危害

電弧閃絡(luò)危害對(duì)現(xiàn)場電氣工作人員來說，是除觸電外最大的隱藏風(fēng)險(xiǎn)，其嚴(yán)重性和觸電一樣可能會(huì)致命，但過去未被重視。

電弧閃絡(luò)與觸電相比有很大的不同。當(dāng)一個(gè)人觸電的時(shí)候，電流會(huì)在人體的敏感組織(主要是神經(jīng))間通過，從而產(chǎn)生影響。電弧閃絡(luò)通常是在空氣導(dǎo)電時(shí)產(chǎn)生，其主要成因是兩個(gè)接觸的導(dǎo)體再次分離時(shí)將電流拉出，從而產(chǎn)生電弧。當(dāng)電弧產(chǎn)生時(shí)，形成的缺口充滿了電離子，其數(shù)量迅速上升，尤其是在高壓/低阻的供電情況下的電力輸送線，這種現(xiàn)象更加明顯。任何大于50V電路都有可能產(chǎn)生電弧閃絡(luò)。

電弧閃絡(luò)損耗能量的方式包括以下三個(gè)方面： 以EMI/RFI，紅外線以及(最大衰弱)可見光(電弧閃絡(luò))的形式輻射發(fā)散；隨狀態(tài)變化(化學(xué)鍵被破壞、爆炸區(qū)內(nèi)的揮發(fā)和電離化)而發(fā)生的變化；絕熱膨脹(電弧爆炸)。

電弧閃絡(luò)所造成的傷害主要包括以下幾點(diǎn)：

1) 燒傷。電氣傷害中，多達(dá)80%是源于由電弧閃絡(luò)和點(diǎn)燃的可燃衣物所造成的燒傷。電弧灼傷是電氣工作者除觸電外最可能造成的傷害，因?yàn)閲?yán)重的電弧發(fā)生點(diǎn)的溫度是太陽表面溫度的4倍(約2×104℃)，周圍的材料物質(zhì)被氣化或燒熔高溫后噴出，也有電弧強(qiáng)光、氣浪推力與爆炸聲響等傷害。

2) 暫時(shí)失明、失聰、震蕩損傷、碎片傷害。除直接燒傷致命以外，電弧氣浪壓力(或推力)也是可能致命的傷害原因(有可能造成墜落)，嚴(yán)重的電弧事故受害者也遭受視力損害、聽力損失以及其他系統(tǒng)損傷，所以對(duì)電弧傷害的完整防護(hù)應(yīng)該是全面的全身保護(hù)配備系統(tǒng)。

2 國際法規(guī)關(guān)于電弧閃絡(luò)的相關(guān)規(guī)定

美國、加拿大等國經(jīng)過20多年的電弧相關(guān)研究，已有具體辦法可以有效預(yù)防工作現(xiàn)場的電弧閃絡(luò)危害，并且也相繼更新了相關(guān)的電氣法規(guī)，這些措施在NFPA-70E文件、IEEE1584文件、NEC法規(guī)以及NESC法規(guī)中，都相繼納入了如何預(yù)防電弧閃絡(luò)事故的相關(guān)條文，以全面提升電氣從業(yè)人員的工作安全，然而國內(nèi)目前還無相關(guān)的措施。

2.1美國國家電氣法規(guī)關(guān)于電弧閃絡(luò)的規(guī)定

NEC是美國的國家電氣法規(guī)，最新為2011年版。NFPA70 2005年版的第110.16節(jié)有規(guī)定，必須在有可能發(fā)生電弧閃絡(luò)的設(shè)備上標(biāo)示警告“電弧閃絡(luò)危險(xiǎn)”的標(biāo)志。同時(shí)，對(duì)于電弧閃絡(luò)保護(hù)的規(guī)定如下： 電氣設(shè)備,如開關(guān)柜、配電盤、工業(yè)控制盤、儀表插座附件和馬達(dá)控制中心,除了在居住用房外,對(duì)正在運(yùn)行的設(shè)備很可能需要檢查、調(diào)整、維修或維護(hù)的，應(yīng)現(xiàn)場標(biāo)志、警示有資格的工作人員在此處存在潛在的電弧閃絡(luò)危險(xiǎn)。該標(biāo)志應(yīng)設(shè)置在清晰可見的地方，以便有資格的工作人員在檢查、調(diào)整、維修或維護(hù)設(shè)備前便可清楚潛在的危險(xiǎn)性。

2.2美國消防協(xié)會(huì)關(guān)于電弧閃絡(luò)的規(guī)定

NFPA 70E(2009年版)是編定NEC規(guī)范的美國消防協(xié)會(huì)，為補(bǔ)充NEC法規(guī)在電氣工作安全規(guī)定方面的不足，而另編定的電氣安全標(biāo)準(zhǔn)文件，在2000年版內(nèi)容中就已對(duì)電氣工作防范電弧灼傷等相關(guān)措施有一系列標(biāo)準(zhǔn)作法和建議，包括電弧危害評(píng)估、電弧計(jì)算與分類、防護(hù)配備標(biāo)準(zhǔn)以及保護(hù)衣著如何搭配應(yīng)用等許多細(xì)節(jié)的實(shí)用建議。2004年版修訂了許多新規(guī)定使其內(nèi)容更充實(shí)。筆者認(rèn)為該文件是目前國家在電氣工作安全上(不僅是防范電弧灼傷)結(jié)合理論與實(shí)踐的最佳標(biāo)準(zhǔn)版本。

美國消防協(xié)會(huì)修訂標(biāo)準(zhǔn)NFPA 70E，并將其更名為“工作場所的電氣安全標(biāo)準(zhǔn)”，該標(biāo)準(zhǔn)將與職業(yè)安全與健康法案規(guī)定(OSHA)和NEC標(biāo)準(zhǔn)相兼容。NFPA 70E 2009年版對(duì)帶電運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的安全操作實(shí)踐提供了指導(dǎo)。標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)在施工、調(diào)試和運(yùn)行階段的帶電設(shè)備，應(yīng)該進(jìn)行電弧閃絡(luò)危害分析。當(dāng)在一個(gè)相對(duì)安全的工作環(huán)境下,如果無法切斷設(shè)備電源,則對(duì)此工作任務(wù)和工作條件下必須采用合適的保護(hù)措施以確保個(gè)人安全。

2.3電氣與電子工程師協(xié)會(huì)關(guān)于電弧閃絡(luò)的規(guī)定

IEEE 1584是IEEE專為計(jì)算電弧閃絡(luò)的危險(xiǎn)距離與入射能量而編制的指導(dǎo)應(yīng)用文件，初版是2002年版，后來在2004年做了少許修正。該文件特別的地方是因?yàn)槭褂玫挠?jì)算公式較復(fù)雜，所以使用者如果需要也可搭配設(shè)計(jì)好的Excel軟件程序。

IEEE 1584提供了一個(gè)非常全面的指南包括示例計(jì)算和技術(shù)。

3 電弧閃絡(luò)的防護(hù)措施

3.1電弧安全界限(FPB)

理論上工作者距離電弧閃絡(luò)點(diǎn)越接近，其灼傷越嚴(yán)重，防范的重點(diǎn)是要計(jì)算出在灼傷可治愈的情況下至少應(yīng)保持的距離，該距離即為電弧安全界限。若要進(jìn)入該界限內(nèi)帶電工作，則需再計(jì)算離電弧發(fā)生點(diǎn)的工作者身上所能承受的電弧能量，并且要穿戴能耐受所計(jì)算電弧能量的保護(hù)衣著系統(tǒng)。由于有關(guān)電弧能量的計(jì)算式都是以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反向推導(dǎo)歸納成數(shù)學(xué)公式，因而不同的研究機(jī)構(gòu)或者專家學(xué)者，所推導(dǎo)出的計(jì)算式不同。目前美國業(yè)界所普遍采用的是IEEE 1584和NFPA 70E的計(jì)算式。IEEE 1584文件的公式復(fù)雜，計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，而NFPA 70E的公式則較為簡單易用，但這些都是數(shù)學(xué)推算值，僅能作為參考依據(jù)。

3.2電弧閃絡(luò)入射能量

電弧的熱效應(yīng)比一般的火焰還要嚴(yán)重，可耐燃(或防感電)的材料未必可以抵抗電弧閃絡(luò)入射能量。

電弧閃絡(luò)事故的入射能量可以透過工程設(shè)計(jì)規(guī)劃予以適度控制，關(guān)鍵在于降低設(shè)備的事故以及縮短事故發(fā)生時(shí)間。

3.3個(gè)人防護(hù)裝備(PPE)

NFPA 70E中的表格130.7(C)(10)為防護(hù)衣物及個(gè)人防護(hù)裝備矩陣表，表格130.7(C)(11)為防護(hù)衣物特性。上述兩表可以作為個(gè)人防護(hù)設(shè)備選擇依據(jù)。

3.4電弧閃絡(luò)危害的防范措施

1) 根據(jù)NEC規(guī)定在有可能發(fā)生電弧閃絡(luò)事故場所(如開關(guān)設(shè)備處)，貼警示標(biāo)記并表示電弧閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、FPB范圍以及可能產(chǎn)生的最大電弧能量，包括個(gè)人穿用保護(hù)設(shè)備的種類。這些在現(xiàn)場的標(biāo)示通常也應(yīng)包含表示防范感電的最小帶電工作安全距離等數(shù)據(jù)。

2) 根據(jù)NFPA 70E規(guī)定，進(jìn)入工地工作之前要先進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，嚴(yán)格遵守在FPB范圍外工作的規(guī)定，如要進(jìn)入安全界限范圍內(nèi)工作則需穿著有效電弧額定的保護(hù)衣著系統(tǒng)。美國的電力公司一般采用兩類簡化式的抗燃衣著系統(tǒng)： 每日工作衣著；電氣操作衣著或稱抗電弧套服。

3.5減少電弧危害的緩解技術(shù)

1) 使用限流裝置、熔斷器、電抗器。

2) 使用多個(gè)較小的帶有隔離裝置的千伏安電源。然而這種使用多個(gè)小變壓器的方法也有缺點(diǎn)，例如，元件數(shù)量顯著增加，增加了潛在的故障點(diǎn)和需要維護(hù)的工作，在有限的資源條件下，意味著會(huì)降低維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)和出現(xiàn)較高的故障概率。將變壓器的容量限制到1000kVA以下，對(duì)于許多項(xiàng)目的設(shè)計(jì)會(huì)造成限制，即使如此，也會(huì)使人員暴露在可能產(chǎn)生弧閃的環(huán)境中。

3) 對(duì)所有的高壓、低壓、三相系統(tǒng)采用直接接地系統(tǒng)。對(duì)于所有小容量負(fù)荷和單相系統(tǒng)(例如照明等)，通過容量小于100kVA的中性點(diǎn)接地的變壓器來供電。

4) 采用更快的電弧清除時(shí)間、接地故障保護(hù)、更精確的多功能繼電保護(hù)系統(tǒng)。

5) 采用多區(qū)域和/或可選擇區(qū)域進(jìn)行繼電保護(hù)。

6) 采用光感保護(hù)裝置來檢測和隔離電弧或者可以運(yùn)用消弧電路來清除電弧。

7) 采用絕緣的、隔離的和獨(dú)立的母線來阻止電弧的蔓延。尤其是在封閉的空間，降低了由于電弧的反射能量而造成的弧閃危害對(duì)工人的熱量暴露，同時(shí)減少了在其他區(qū)域的附帶損害。

8) 采用遠(yuǎn)程操作設(shè)備從而減少潛在的電弧閃絡(luò)危害。

9) 通過DCS來遠(yuǎn)程操作開關(guān)柜斷路器或通過遠(yuǎn)程控制盤來操作開關(guān)柜斷路器，這樣可以減少在具有潛在電弧閃絡(luò)發(fā)生區(qū)域人員出現(xiàn)的可能性，也可減少使用機(jī)械操作的斷路器。

10) 采用便攜式/臨時(shí)設(shè)備，可增加操作時(shí)本地交換機(jī)和潛在電弧閃絡(luò)之間的分離距離。

保證現(xiàn)場工作人員的生命安全，不僅可以采用安全防護(hù)裝備來防范電弧閃絡(luò)的發(fā)生，也可以通過上述的緩解技術(shù)，來降低電弧閃絡(luò)發(fā)生的可能性。

4 電氣設(shè)計(jì)中的電弧閃絡(luò)分析

在電氣設(shè)計(jì)中，通常采用ETAP軟件進(jìn)行電弧閃絡(luò)分析。ETAP電弧閃絡(luò)分析是用于估計(jì)在發(fā)生三相短路故障時(shí)的電弧入射能量，并以此確定FPB。它是一個(gè)采用了相關(guān)原理并內(nèi)嵌于ETAP的綜合分析模塊。該模塊可以自動(dòng)確認(rèn)ETAP短路電流計(jì)算模塊中所有工具使用的電弧短路電流，還可以計(jì)算獨(dú)立的電弧電流和在ETAP繼電保護(hù)中所有保護(hù)設(shè)備清除時(shí)間產(chǎn)生的電弧故障。另外，ETAP軟件將會(huì)自動(dòng)確定系統(tǒng)接地配置和其他需要確定的模塊分析結(jié)果，因而減少了根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行電弧閃絡(luò)分析的時(shí)間。

通過ETAP弧閃分析，用戶可以同時(shí)為單條或上百條母線進(jìn)行電弧閃絡(luò)分析，它具有一些內(nèi)嵌工具可運(yùn)用于所有母線，如： 快速電弧閃絡(luò)入射能量計(jì)算器。用戶在短路電流出現(xiàn)的設(shè)備場景中引起較高的入射能量時(shí)可以運(yùn)用此計(jì)算器。ETAP軟件還包含了所有在IEEE 1584和NFPA 70E標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的典型邊界和設(shè)備間隙，這將簡化數(shù)據(jù)錄入的過程。

ETAP擁有在IEEE 1584和NFPA 70E標(biāo)準(zhǔn)中推薦的分析功能，包括1kV系統(tǒng)中電弧電流的變化分析、改變故障電壓的能力分析和選擇三相故障電流不同等級(jí)的能力分析等。借助分析工具，ETAP電弧閃絡(luò)分析將提供包括經(jīng)過各個(gè)保護(hù)設(shè)備的電弧電流貢獻(xiàn)、故障清除時(shí)間和母線或單個(gè)保護(hù)設(shè)備的危害性分析等內(nèi)容的報(bào)告。該報(bào)告中還包含了系統(tǒng)中所有故障母線、電弧閃絡(luò)保護(hù)邊界和危害性等級(jí)的總結(jié)。

5 結(jié)束語

電弧閃絡(luò)對(duì)現(xiàn)場電氣操作人員可能造成致命的傷害，但是在目前國內(nèi)大多數(shù)的電氣設(shè)計(jì)中，并未對(duì)電弧閃絡(luò)進(jìn)行具體的分析計(jì)算，國內(nèi)也未出臺(tái)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際的現(xiàn)場中，對(duì)于要進(jìn)行操作的設(shè)備旁也并未有明確的警示標(biāo)志，包括注明安全防護(hù)界限、電弧危害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、人員防護(hù)裝備的要求等，因而必須引起國內(nèi)設(shè)計(jì)人員和施工人員及現(xiàn)場工作人員的高度重視。

[1] NEC. ENC 110.16 Arc Flash Hazard Warning [S]. NEC, 2011： 51.

[2] NFPA . NFPA 70E Standard for Electrical Safety in the Workplace [S]. NFPA, 2009.

[3] IEEE. IEEE 1584 Guide for Performing Arc Flash Calculations [S]. IEEE, 2004.

[4] MARROQUIN A. The Limitations of Arc Flash Hazard Tables [J]. Electrical Safety Measures, 2008： 13-16.

[5] MARROQUIN A. The Hazards of High and Low Voltage Single-phase Arc-flash [J]. Electrical Safety Measures, 2009： 26-30.

[6] MARROQUIN A. Evaluating the Hazards of Low-voltage Arcs [J]. Electrical Products & Solutions,2007(06)： 26-30.

[7] MARROQUIN A.Assessing Low-voltage Arc Hazards [J]. Electrical Source， 2008(05)： 26-29.

[8] MARROQUIN A. Evaluating NFPA 70E Arc Flash Hazard Category Tables[J]. Electrical Products & Solutions, 2007(09)： 12-16.

稿件收到日期： 2013-02-16。

李霽光(1981—)，男，山東澤縣人，2003年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)工作于羅地亞(中國)投資有限公司工程部。

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