船用低壓配電板弧閃傷害分析

周特威，莊 偉，段 征

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海201108）

船用低壓配電板弧閃傷害分析

周特威，莊 偉，段 征

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海201108）

為有效評估弧閃故障可能帶來的傷害和危險，根據(jù)IEEE1584，給出了實用化的船用低壓配電板燃弧傷害分析方法與步驟，并以實際工程為實例做了弧閃傷害評估分析，可為防護(hù)措施的采取提供可靠的依據(jù)。

船用低壓配電板 弧閃故障 傷害分析

0 引言

船舶電力系統(tǒng)因容量相對較小，目前主要以低壓電力系統(tǒng)為主，船用低壓配電板是其主要配電設(shè)備。在船用低壓配電板的安裝、調(diào)試、維護(hù)和運行中，電弧故障是一種頻發(fā)性的、災(zāi)難性的故障，將會給操作人員和設(shè)備的安全帶來嚴(yán)重的威脅。在電力系統(tǒng)中，電?。‥lectric Arc）是指電氣設(shè)備中裸露帶電導(dǎo)體之間（或與地之間）在空氣中的電流閃絡(luò)。電弧的出現(xiàn)往往伴隨著大量的熱輻射，巨大的爆炸聲和高壓沖擊波。因此，電弧也被稱為電弧故障（Arcing Fault）。故障造成的熱輻射和高溫可能導(dǎo)致嚴(yán)重的燒傷甚至死亡，這類危險被稱為弧閃傷害（Arc Flash Hazard）[1-3]。目前，國外的船級社如英國的勞氏船級社（LR）對船用低壓配電板等設(shè)備明確提出了需要進(jìn)行燃弧危害計算分析的要求。國際電氣和電子工程師協(xié)會IEEE 1584規(guī)范中對燃弧的計算分析方法也做出了明確的規(guī)定[4]。美國國家防火協(xié)會制定了關(guān)于雇員工作場所電氣安全要求標(biāo)準(zhǔn)NFPA70E[5]，同樣對燃弧危害計算及防護(hù)做出相關(guān)規(guī)定。

目前，國內(nèi)的船級社規(guī)范對燃弧危害分析評估沒有提出明確的要求[6]。國內(nèi)船舶行業(yè)對于船用低壓配電板的燃弧傷害計算也基本處于空白狀態(tài)。但對低壓配電板的燃弧故障進(jìn)行計算分析，全面掌握故障的位置和危害程度，是預(yù)防和控制燃弧傷害的有效途徑，對制定相應(yīng)防范措施確保操作人員安全及船舶電網(wǎng)安全有重要的意義。在接下來的章節(jié)中，本文將依據(jù)IEEE1584《電弧危險計算實施導(dǎo)則》（Guide for Performing Arc Flash Hazard Calculations）結(jié)合實際工程介紹如何實施船用低壓配電板的弧閃傷害分析。

1 船用低壓配電板的實用化弧閃傷害分析方法

一般來說，電弧在電壓較低、電流較小的情況下難以維持，電壓低于208 V、容量低于125 kVA的設(shè)備不需要做弧閃傷害的評估。船用低壓配電板額定電壓一般在400～690 V，容量一般為數(shù)千kVA。配電板中安裝了斷路器及/或熔斷器，弧閃故障可能在操作斷路器或熔斷器分?jǐn)嗟臅r刻發(fā)生。即使此時配電板柜門是關(guān)閉的，弧閃故障也可能對操作人員造成傷害，所以有必要對船用低壓配電板做弧閃傷害評估。評估主要包含如下8個步驟：

1）電氣信息的收集。這些信息主要包括待評估設(shè)備在各個工況下的短路計算數(shù)據(jù)，繼電保護(hù)特性及弧閃分析所需的系統(tǒng)和電氣數(shù)據(jù)以及船舶電力系統(tǒng)的單線圖。一般來說，配電板內(nèi)發(fā)電機(jī)進(jìn)線主開關(guān)、母聯(lián)開關(guān)及主要的負(fù)載開關(guān)會流過較大的負(fù)荷電流，這些位置也更容易被操作人員接近。根據(jù)單線圖可以很清楚的確認(rèn)哪些位置需要做弧閃傷害的評估。

2）對系統(tǒng)的各個工況做短路計算。在低壓系統(tǒng)中，單相與兩相故障雖然更加常見，但根據(jù)經(jīng)驗，它們往往會迅速的發(fā)展為三相故障?；￠W傷害的評估計算以最嚴(yán)重的三相短路故障電流數(shù)值為依據(jù)來估計各個工況下待評估位置可能出現(xiàn)的傷害。

3）確定弧閃電流。低壓船用配電板額定電壓小于1 kV，弧閃電流可用式（1）計算。

其中Ibf為為三相金屬性短路故障電流，單位是kA；V是系統(tǒng)電壓，單位是kV；G是導(dǎo)體之間的間隙，單位是mm；K是系數(shù)，根據(jù)待評估設(shè)備的外殼類型選取不同數(shù)值，配電板具有鋼制外殼，這里K值為-0.097[7]。值得注意的是，低壓船電系統(tǒng)往往帶有母線分段（如圖1所示，該系統(tǒng)中母線分為兩段），當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)故障后，母聯(lián)開關(guān)會經(jīng)過短延時后分?jǐn)啵收宵c的短路電流將會因為非故障母線段的切除而降低。這直接影響弧閃電流的計算值，最終也會影響對故障能量的估計結(jié)果。

4）確定燃弧時間。弧閃故障釋放的能量與燃弧時間成正比。低壓船舶電力系統(tǒng)中，饋線斷路器、母聯(lián)斷路器和發(fā)電機(jī)進(jìn)線斷路器三者脫扣分別設(shè)定為瞬動、短延時和長延時動作，利用延時的配合構(gòu)成完整的繼電保護(hù)功能?？紤]到脫扣器的動作特性曲線，對應(yīng)不同大小的故障電流，切除故障的時間也不同。低壓船舶電力系統(tǒng)的三相金屬性短路電流值一般較大，遠(yuǎn)大于反時限動作區(qū)域的電流范圍，脫扣器將在設(shè)定的延時時刻分?jǐn)嗲谐收稀?/p>

5）確定事故能量。事故能量是電弧電流、燃弧時間、設(shè)備外殼類型以及事故時離電弧的距離的函數(shù)。在IEEE1584中，事故能量還跟導(dǎo)體之間的間隙有關(guān)系。根據(jù)IEEE1584，首先利用式（2）估計標(biāo)準(zhǔn)化事故能量En，這個能量值是基于0.2s燃弧時間和610 mm電弧距離的情況給出的。

其中，系數(shù)K1與式（1）中K的意義相同，這里取值-0.555；系數(shù)K2的取值與系統(tǒng)的接地方式有關(guān)。船舶低壓系統(tǒng)以不接地形式運行，這里K2取值為0。G的含義與式（1）相同，不再贅述。確定標(biāo)準(zhǔn)化能量后，利用式（3）評估事故釋放的能量E。

其中Cf是計算因子，在電壓低于1kV的系統(tǒng)中取值為1.5；t是燃弧時間，單位為s；D是工作人員與潛在的電弧產(chǎn)生位置之間的一般距離，單位是mm；x是距離因子，其值取決于待評估設(shè)備的罩殼類型和運行電壓范圍[7]。在船用低壓配電板中一般僅對斷路器進(jìn)出線側(cè)做弧閃傷害評估，所以這里x取值為1.473。

6）確定傷害/風(fēng)險類別。根據(jù)步驟5）得到的待評估設(shè)備事故能量的估計值，結(jié)合NFPA 70E（2004）[8]的分類表格（如表1所示）可以確定弧閃故障的傷害/風(fēng)險類別。

表1 NFPA 70E（2004）傷害/風(fēng)險分類

7）確定弧閃保護(hù)邊界?；￠W保護(hù)邊界DB是弧閃故障電流的函數(shù)，如式（4）所示：

其中E為事故能量，EB為邊界距離上的故障能量，對于裸露皮膚的情況，EB可以設(shè)為1.2Cal/cm2；x是距離因子，含義與式（3）中相同。在這個距離上，沒有適當(dāng)防護(hù)措施的工作人員如果暴露在弧閃故障中，雖然會導(dǎo)致二級燒傷，但依然可以治愈[7]。故障能量越大，弧閃防護(hù)邊界越大。

8）弧閃傷害評估歸檔。弧閃傷害的評估結(jié)果一般以單線圖的形式體現(xiàn)。將評估計算的結(jié)果（包含弧閃保護(hù)邊界、事故能量以及危險等級）在單線圖上標(biāo)出，并用箭頭指明評估弧閃傷害的位置。

圖1 船舶電力系統(tǒng)單線圖

2 實例分析

以某工程項目為例做低壓配電板弧閃傷害評估分析。該項目中，船舶電力系統(tǒng)單線圖如圖1所示。該系統(tǒng)額定電壓為400 V，由兩臺830 kW發(fā)電機(jī)和一臺350 kW發(fā)電機(jī)為推進(jìn)負(fù)載和作業(yè)負(fù)載供電，主要負(fù)載有左右主推進(jìn)變壓器（900 kVA），側(cè)推變壓器（250 kVA）和兩臺日用電變壓器（60 kVA）。主配電板包含400 V母線和斷路器設(shè)備（進(jìn)線斷路器P3DG、P6DG、P5DG，母聯(lián)斷路器P4BT，饋線斷路器P2MPTR、1Q9、8Q9、P7MPTR、P7BTTR），如虛線框內(nèi)所示。一般來說，進(jìn)線斷路器的出線側(cè)，母聯(lián)斷路器和饋線斷路器的進(jìn)出線側(cè)易發(fā)生弧閃故障，需要對這些位置做弧閃傷害評估。

弧閃傷害評估中需要的電氣信息如下各表所示。船用低壓配電板電氣信息如表2所示：

表2 配電板電氣信息

各斷路器配備的保護(hù)裝置型號及其短路保護(hù)動作時間設(shè)定信息如表3所示：

表3 繼電保護(hù)設(shè)備及其設(shè)定

弧閃分析所需的配電板電氣信息如表4所示：

表4 弧閃分析所需的設(shè)備信息

根據(jù)上述信息，結(jié)合短路計算數(shù)據(jù)（本文不涉及短路計算過程，僅引用數(shù)據(jù)說明燃弧分析的計算過程）可以計算弧閃故障電流。

以發(fā)電機(jī)ACB P3DG為例，其出線側(cè)與BUS1若出現(xiàn)短路故障，短路電流的數(shù)值是相同的，但由于P3DG的動作時間較長（800 ms），在此之前，母聯(lián)開關(guān)P4BT的保護(hù)裝置已經(jīng)對故障電路有所反應(yīng)，在500 ms時斷開，切斷了來自BUS2的短路電流。根據(jù)上一節(jié)的描述可知，短路電流及其持續(xù)的時間不同將顯著影響最終的評估結(jié)果。在故障后的0.5 s內(nèi)，燃弧電流較大，釋放的事故能量也較大；母聯(lián)開關(guān)斷開后的0.3 s內(nèi)，燃弧電流顯著降低，釋放的事故能量也相應(yīng)的變小。故障后0.8 s，短路故障被空氣斷路器P3DG的保護(hù)裝置切除，燃弧故障也隨之消失。根據(jù)分析公式（1）（2）（3）可得到針對P3DG出線側(cè)的弧閃傷害評估計算結(jié)果，如表5所示。從表中可以看出，P3DG出線側(cè)的短路故障釋放的事故能量總量為103.8928 J/cm2，弧閃防護(hù)邊界為261.5 inch，對未采取防護(hù)措施而在該距離工作的人員將帶來3級風(fēng)險/傷害。

對于饋線開關(guān)出線側(cè)發(fā)生的弧閃故障來說，以P2MPTR為例，由于饋線斷路器在很短的時間內(nèi)（＜15 ms）就切除了故障。所以，雖然該點的弧閃電流數(shù)值較大，但釋放出的能量卻不高，結(jié)果如表6所示。事故能量為31.72 J/cm2，弧閃防護(hù)邊界為117.36 inch，對于工作人員的風(fēng)險/傷害等級為2級。

對系統(tǒng)中可能發(fā)生弧閃故障的位置做過傷害評估后，將全部計算結(jié)果以單線圖的形式歸檔，便于查閱和更新，為安全防護(hù)措施的采取提供可靠的參考。如圖2所示。

表5 P3DG出線側(cè)的評估結(jié)果

表6 P2MPTR出線側(cè)的評估結(jié)果

圖2 船用低壓配電板燃弧傷害分析結(jié)果

3 結(jié)論

船舶行業(yè)越來越重視對弧閃事故的分析，并采取措施來防護(hù)故障帶來的傷害。本文以IEEE1584為基礎(chǔ)，有針對性的分析了船舶低壓配電板中可能出現(xiàn)弧閃傷害的位置，給出了實用化的傷害評估方法，并輔以計算實例分析，其結(jié)果可為電弧防護(hù)裝備的選擇提供可靠的依據(jù)。

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[4] 張建成. 工廠弧閃危險分析和個人防護(hù)——解讀IEEE Std 1584—2002《弧閃危害計算執(zhí)行指南》[J].電氣技術(shù), 2015, (10）： 100-103,110.

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

Hazard Analysis of Arc Flash Fault of Marine Low-voltage Switch Board

Zhou Tewei, Zhuang Wei, Duan Zheng

( No.711 Research Institute, CSIC, Shanghai, 201108, China)

In order to effectively evaluate the damage and danger caused by arcing fault, based on IEEE1584, practical arc flash hazard analysis method and procedure of marine low-voltage switch board are provided, and arc flash hazard analysis and assessment are carried out based on a practical project, which could provide reliable basis to the application of protective measures.

marine low-voltage switch board; arc flash fault; hazard analysis

TM501.2

A

1003-4862（2016）12-0058-04

2016-08-11

周特威(1982-)，男，工程師。研究方向：船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)。