工廠弧閃危險(xiǎn)分析和個(gè)人防護(hù)——解讀IEEE Std 1584—2002《弧閃危害計(jì)算執(zhí)行指南》

張建成

（山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，濟(jì)南 250102）

一直以來弧閃危害是現(xiàn)場電氣工作人員隱藏的最大風(fēng)險(xiǎn)，長久以來未被重視予以研究和防范。據(jù)芝加哥Cap-Schell公司統(tǒng)計(jì)，美國每天有5～10起電氣設(shè)備弧閃爆炸事故[1-2]。故障電弧40%的能量轉(zhuǎn)化為壓力，使柜體內(nèi)的零部件受到損害?；￠W發(fā)生時(shí)的壓力、輻射、弧根效應(yīng)造成設(shè)備嚴(yán)重?fù)p害，同時(shí)高溫、高壓氣體伴隨電弧效應(yīng)產(chǎn)生熾熱的金屬和非金屬顆粒由柜體逸出，造成人身傷害，甚至引起火災(zāi)。因此，弧閃防護(hù)研究是當(dāng)前迫切需要解決的問題[3-5]。

為最大限度保護(hù)電氣工作人員，必須深刻理解電氣安全工作有關(guān)的規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 1584指出操作電氣設(shè)備或附近工作人員弧閃危害風(fēng)險(xiǎn)程度，提出了弧閃入射能量和弧閃界限的計(jì)算方法，目的是最大程度降低人員暴露在入射能量下的級(jí)別。

圖1 弧閃組成結(jié)構(gòu)圖

1 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要點(diǎn)

IEEE Std 1584—2002主要內(nèi)容是計(jì)算短路故障時(shí)的入射能量，確定弧閃保護(hù)界限，弧閃保護(hù)界限是未穿戴個(gè)人防護(hù)裝備（PPE）的工作人員與可能弧閃點(diǎn)必須保持的距離。完整的弧閃分析應(yīng)包括：收集系統(tǒng)和安裝數(shù)據(jù)、確定電氣系統(tǒng)模型、確定金屬性故障電流、確定電弧故障電流、確定保護(hù)裝置特性和故障清除時(shí)間、記錄系統(tǒng)電源和設(shè)備種類、選取工作距離、確定所有設(shè)備的事故能量、確定所有設(shè)備的弧閃保護(hù)界限等步驟。以下就步驟中的幾個(gè)主要內(nèi)容進(jìn)行介紹。

1.1 電弧電流

輸配電系統(tǒng)中短路故障分為金屬性短路和電弧短路，金屬性短路時(shí)相間或相對地直接短接，短路點(diǎn)之間阻抗幾乎為零；電弧短路時(shí)短路點(diǎn)出現(xiàn)電弧，短路電流通過電弧構(gòu)成回路，而電弧有電阻特性，因此電弧短路電流要小于金屬性短路電流。

當(dāng)系統(tǒng)電壓低于1000V，應(yīng)用式（1）確定三相電弧電流。

式中，Ia為電弧電流，kA；K為開放空間：0.153，封閉空間：0.097；Ibf為三相短路故障電流（有效值kA）；V為系統(tǒng)電壓，kV；G為導(dǎo)體間距離，mm。

系統(tǒng)電壓高于1000V應(yīng)用式

由式（2）可見，高電壓情況下開放和封閉空間沒有區(qū)別。

二次電弧電流等于85%aI，因此可以確定二次電弧電流燃弧時(shí)間。

1.2 入射能量

入射能量就是人員所處位置接收到的由電弧釋放的能量，確定了電弧電流、故障清除時(shí)間（FCT）和系統(tǒng)接地方式，就可以計(jì)算入射能量，式（3）條件為燃弧時(shí)間0.2s，最可能電弧源距人610mm。

式中，En為時(shí)間和距離確定的入射能量（ J /cm2）；K1為（開放空間：0.792，封閉空間：0.555）；K2為未接地或者高阻抗接地系統(tǒng)：0；接地系統(tǒng)：0.113。

最后轉(zhuǎn)換為歸一化式

式中，Cf為換算因子（高于1kV：1.0，低于1kV：1.5）；En為歸一化入射能量；t為燃弧時(shí)間，s；D為人與可能電弧源之間的距離，mm；x為距離指數(shù)。

1.3 弧閃保護(hù)界限

距離弧光源邊界處，施加在皮膚上的熱能為1.2 c al/cm2（二度燒傷，1cal=4.2J），此距離即為弧閃保護(hù)界限。在此距離之內(nèi)操作電氣設(shè)備，必須穿戴合適PPE。

當(dāng)電壓范圍為（0.208～15）kV時(shí)將使用IEE Std 1584—2002經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

電壓范圍高于15kV或低于0.208kV時(shí)則使用Lee氏理論模型

式中，DB為電弧點(diǎn)的距離界限，mm；Cf為換算因子（高于1kV：1.0，低于1kV：1.5）；En為歸一化入射能量；EB為距離界限下的入射能量， J /cm2；t為時(shí)間，s；x為距離指數(shù)；Ibf為短路故障電流。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法

研究人員探索弧閃電氣特性和由此產(chǎn)生的入射能量，在大功率的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了一系列的測試程序。在每個(gè)入射能量測試中，由七塊銅排組成的熱量計(jì)陣列放置在被測試電極的前面，距電極的中心線距離為D。第一組三個(gè)熱量計(jì)被定位在同一水平位置，與電極的頂端等高。第二組三個(gè)熱量計(jì)位于上面一組正下方152mm。各組中間位置熱量計(jì)對準(zhǔn)中心電極。最后一個(gè)熱量計(jì)位于中心電極上方152mm。具體布置如圖2所示[1]。

圖2 入射能量測試布置圖

入射能量是通過計(jì)算安裝在電極前面的銅熱量計(jì)的溫升確定的，銅熱量計(jì)溫升數(shù)據(jù)乘以 0.565轉(zhuǎn)換成入射能量（2J/cm ）。傳感器吸收測量確定，銅熱量計(jì)吸收的能量不低于90%的入射能量。因此，入射和吸收的能量基本等價(jià)。

為了模擬電氣設(shè)備，使用直徑19.05mm硬銅線作為電弧電極，電弧通過 52mm 導(dǎo)線把電極端部短接產(chǎn)生。在相鄰電極間安裝絕緣支承件，克服電極由外向內(nèi)彎曲時(shí)電弧電流產(chǎn)生的極高的磁力。

短路故障電流通過短接電極進(jìn)行測量，選擇合理的電弧持續(xù)時(shí)間，在能夠測量溫升的前提下，盡量減少測試裝置的損失。通過對試品電流和電壓積分求和進(jìn)行計(jì)算得到電弧功率，對持續(xù)時(shí)間內(nèi)的電弧功率進(jìn)行積分獲得電弧能量，上述數(shù)據(jù)均可通過數(shù)字示波器獲取。為減少電弧容易變化帶來的影響，每個(gè)設(shè)置運(yùn)行多次測試。每次試驗(yàn)電弧持續(xù)時(shí)間都有輕微變化，對熱量計(jì)傳感器的溫升數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以確保每個(gè)入射能量是基于 200ms的電弧持續(xù)時(shí)間。

2 防護(hù)措施

IEEE 1584—2002要求確保設(shè)備斷電以及安全的電氣工作條件，個(gè)人易遭受潛在傷害，假如發(fā)生，需要個(gè)人防護(hù)裝備防止電弧燒傷。帶電部件必須在雇員工作或者靠近之前就斷電，除非雇主能夠證明斷電會(huì)帶來額外的危險(xiǎn)或者增加危險(xiǎn)，或者由于作業(yè)限制，無法實(shí)施斷電[2]。經(jīng)濟(jì)上的考慮不能作為接觸或接近帶電部件的原因。

盡量避免帶電工作，但有時(shí)帶電工作又不可避免，例如故障排查、測試電壓、診斷和紅外線測溫時(shí)，這些情況下，需要采取以下措施。

2.1 個(gè)人防護(hù)裝備

在安全距離以內(nèi)工作時(shí)要求穿戴個(gè)人防護(hù)用品，PPE并非完全防護(hù)，只是屏蔽保護(hù)人員受到 2℃以下的灼傷。進(jìn)入電氣現(xiàn)場必備的 PPE：護(hù)目鏡、純棉工作服、防滑手套、安全鞋、上鎖/掛牌工具，美國職業(yè)安全與健康管理局（OSHA）規(guī)定：“雇主必須建立安全程序，按程序?qū)⑦m當(dāng)?shù)纳湘i/掛牌裝置安裝于能量隔離裝置，并使機(jī)器或設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)，以防意外供給能量、起動(dòng)或儲(chǔ)存能量的釋放，從而防止傷害員工”[4]。

2.2 弧閃繼電器

電弧光保護(hù)系統(tǒng)，通過檢測弧閃發(fā)出的亮光并快速跳閘來限制電弧故障造成的損害，適合開關(guān)、變壓器和電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。在電弧排放階段開始時(shí)就啟動(dòng)斷路器跳閘切斷供給燃弧點(diǎn)的短路電流，動(dòng)作時(shí)間在幾毫秒以內(nèi)，故障電弧釋放的能量將大大減少，從而也大大降低電弧效應(yīng)對設(shè)備及人員的傷害。傳感器、輸入和連接需接受系統(tǒng)檢測，以確保無故障運(yùn)行。系統(tǒng)為二級(jí)固態(tài)解扣電路提供了冗余跳閘路徑，通過USB端口配置及訪問事件日志。包含以太網(wǎng)接口，并支持Modbus TCP通信。區(qū)跳閘、上游斷路器跳閘以及聯(lián)絡(luò)斷路器跳閘應(yīng)用可輕松配置，多個(gè)控制輸入可讓多個(gè)裝置構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。

圖3 掛牌/上鎖示意圖

圖4 電弧光保護(hù)系統(tǒng)示例

弧閃繼電器和傳感器無需重新配置，容易安裝在改造項(xiàng)目和新開關(guān)設(shè)備上，簡單的應(yīng)用程序無需配置PC便可直接工作。更復(fù)雜的系統(tǒng)具有多電源，使用繼電器的內(nèi)置USB接口軟件進(jìn)行配置。通常，每個(gè)配電柜安裝1或2個(gè)傳感器覆蓋所有的水平和垂直母線、斷路器室、抽屜以及在任何存在電弧故障的地方。光纖傳感器穿過機(jī)柜，以及單點(diǎn)式傳感器范圍不確定的區(qū)域，導(dǎo)致完全覆蓋和額外冗余水平。即使政策只允許在斷電系統(tǒng)中工作，應(yīng)監(jiān)測所有的維修區(qū)域以防止?jié)撛诘膿p害和額外費(fèi)用[6]。本地?cái)嗦菲鏖_斷失敗的情況下，短延時(shí)后會(huì)發(fā)送另一指令觸發(fā)上級(jí)斷路器跳閘清除故障。

2.3 閃弧減少維護(hù)系統(tǒng)（ARMS）

通過空氣斷路器脫扣單元的閃弧減少維護(hù)系統(tǒng)（ARMS），可減少過流保護(hù)的脫扣時(shí)間。配備了ARMS的斷路器可提供簡單可靠的降低故障清除時(shí)間的方法，增加人員的安全。ARMS在斷路器上或通過外部的可鎖開關(guān)直接控制，輕松啟動(dòng)工作臺(tái)更快的脫扣時(shí)間，并整合到上鎖掛牌（LOTO）程序中。由于配備了ARMS的斷路器可以更快的分?jǐn)喙收想娏?，對于下游設(shè)備而言，發(fā)生閃弧危害時(shí)的電弧入射能級(jí)別顯著降低[3]。

圖5至圖6曲線顯示了在橫軸電流和縱軸時(shí)間下的協(xié)調(diào)曲線，最大的短路故障電流為各個(gè)彩色帶寬終止之處?；趯?shí)驗(yàn)室測試，IEEE 1584標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了最有可能的燃弧電流，同時(shí)要求和85%的燃弧值進(jìn)行校核。通過幅值和裝置故障清除時(shí)間來判斷這兩種狀態(tài)下的入射能級(jí)別，其中最嚴(yán)重的入射能級(jí)別決定了危害風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別（HRC）。圖5所示為相對應(yīng)的燃弧電流，圖6所示為更高的故障電流和1600A的框架斷路器。選擇閃弧減少維護(hù)系統(tǒng)設(shè)置（5.9x），高于總負(fù)載加上瞬態(tài)負(fù)載（5.92kA），低于最低的燃弧電流（16.98kA）。入射能/危害風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別從10.7 c al/cm2（NFPA 70E標(biāo)準(zhǔn)的危害風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別3）降低到2.2 c al/cm2（NFPA 70E標(biāo)準(zhǔn)的危害風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別1）。

圖5 協(xié)調(diào)曲線（弧閃電流5.1kA）

圖6 協(xié)調(diào)曲線（弧閃電流19.98kA）

閃弧減少維護(hù)系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：①限制產(chǎn)生的閃弧能量，增加員工安全；②操作簡單；③通過安裝有可鎖開關(guān)的門，關(guān)閉斷路器門時(shí)啟用；④只有需要進(jìn)行操作時(shí)啟用；④保留正常情況下的過電流選擇性功能；⑤降低入射能級(jí)別可降低PPE級(jí)別，提高操作人員的舒適性和機(jī)動(dòng)性。

2.4 紅外窗口

開關(guān)柜（斷路器）安裝在一個(gè)封閉柜子里，開關(guān)實(shí)現(xiàn)電力的再分配功能，起著關(guān)合及斷電力線的作用，用來實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)倒換電力負(fù)荷，以及從電力系統(tǒng)退出故障設(shè)備和線段，從而保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。運(yùn)行中的開關(guān)柜設(shè)備時(shí)不能隨便打開打開，打開會(huì)有電弧，對設(shè)備及對工作人員都不安全。99%的高壓電弧都是設(shè)備發(fā)熱變形在高壓電流作用下發(fā)生的，高壓開關(guān)觸頭和母線連接點(diǎn)處于特殊的環(huán)境中，傳統(tǒng)的熱電偶、測溫探頭、光纖等無法實(shí)現(xiàn)精確測溫。因此，在開關(guān)柜上安裝紅外窗口是為了防止電弧對設(shè)備及工作人員的傷害。

圖7 紅外窗口應(yīng)用示例

紅外窗口有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）安全。在電氣柜和門打開的情況下對帶電電氣裝置進(jìn)行紅外檢查將會(huì)大大增加發(fā)生弧閃傷害的危險(xiǎn)，通過耐弧閃紅外窗口，維護(hù)人員可安全地完成高壓設(shè)備檢測。

2）快速?？稍跐M負(fù)載下進(jìn)行檢查，無需斷電，大大節(jié)約生產(chǎn)成本。在一個(gè)工作日內(nèi)可對更多位置進(jìn)行成像，沒有在先斷電再打開電氣柜方面的時(shí)間損耗。

3）高效。無需電工或安全檢查人員來斷開電源和打開柜門，節(jié)約人力與成本可在滿負(fù)載下對電氣裝置成像，更早檢測到故障，并在安全故障之前在計(jì)劃檢修中糾正這些故障。

3 結(jié)論

本文分析了IEEE 1584—2002標(biāo)準(zhǔn)提供的計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果可用作減小燒傷目標(biāo)策略的基礎(chǔ)，包括指定個(gè)人防護(hù)裝備的等級(jí)、工作斷電、應(yīng)用抗弧開關(guān)、遵循其他工程技術(shù)和工作實(shí)踐。當(dāng)然防護(hù)措施不能取代安全操作規(guī)范，只有加強(qiáng)對電弧防范的重視程度，遵守適當(dāng)?shù)陌踩姎夤ぷ餍袨?，才能提升電氣工作安全水平?/p>

[1] Ieee S, td 1584—2002. Guide for performing Arc-Flash hazard calculations[S].

[2] 李霽光. 電弧閃絡(luò)的危害及其防護(hù)措施[J]. 石油化工自動(dòng)化, 2013, 49(3): 65-67.

[3] 陳德桂. 低壓電器智能化發(fā)展的幾個(gè)動(dòng)態(tài)[J]. 低壓電器, 2007(1): 1-5.

[4] GB/T 24612.2—2009. 電氣設(shè)備應(yīng)用場所的安全要求 第2部分：在斷電狀態(tài)下操作的安全措施[S].

[5] Electrical Safety Hazards Awareness[M/CD]. 14-15.