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(píng)估弧閃故障可能帶來的傷害和危險(xiǎn)，根據(jù)IEEE1584，給出了實(shí)用化的船用低壓配電板燃弧傷害分析方法與步驟，并以實(shí)際工程為實(shí)例做了弧閃傷害評(píng)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(duì)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(yùn)行中，電弧故障是一種頻發(fā)性的、災(zāi)難性的故障，將會(huì)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(xiǎn)被稱為弧閃傷害（Arc Flash Hazard）[1-3]。目前，國外的船級(jí)社如英國的勞氏船級(jí)社（LR）對(duì)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(jì)算分析的要求。國際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)IEEE 1584規(guī)范中對(duì)燃弧的計(jì)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(huì)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(duì)燃弧危害計(jì)算及防護(hù)做出相關(guān)規(guī)定。

目前，國內(nèi)的船級(jí)社規(guī)范對(duì)燃弧危害分析評(píng)估沒有提出明確的要求[6]。國內(nèi)船舶行業(yè)對(duì)于船用低壓配電板的燃弧傷害計(jì)算也基本處于空白狀態(tài)。但對(duì)低壓配電板的燃弧故障進(jìn)行計(jì)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(duì)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(xiǎn)計(jì)算實(shí)施導(dǎo)則》（Guide for Performing Arc Flash Hazard Calculations）結(jié)合實(shí)際工程介紹如何實(shí)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(shí)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(píng)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(shí)刻發(fā)生。即使此時(shí)配電板柜門是關(guān)閉的，弧閃故障也可能對(duì)操作人員造成傷害，所以有必要對(duì)船用低壓配電板做弧閃傷害評(píng)估。評(píng)估主要包含如下8個(gè)步驟：

1）電氣信息的收集。這些信息主要包括待評(píng)估設(shè)備在各個(gè)工況下的短路計(jì)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(huì)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(píng)估。

2）對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)工況做短路計(jì)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(yàn)，它們往往會(huì)迅速的發(fā)展為三相故障?；￠W傷害的評(píng)估計(jì)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(jì)各個(gè)工況下待評(píng)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(jì)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(píng)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(huì)經(jīng)過短延時(shí)后分?jǐn)?，故障點(diǎn)的短路電流將會(huì)因?yàn)榉枪收夏妇€段的切除而降低。這直接影響弧閃電流的計(jì)算值，最終也會(huì)影響對(duì)故障能量的估計(jì)結(jié)果。

4）確定燃弧時(shí)間?；￠W故障釋放的能量與燃弧時(shí)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(dòng)、短延時(shí)和長延時(shí)動(dòng)作，利用延時(shí)的配合構(gòu)成完整的繼電保護(hù)功能?？紤]到脫扣器的動(dòng)作特性曲線，對(duì)應(yīng)不同大小的故障電流，切除故障的時(shí)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(shí)限動(dòng)作區(qū)域的電流范圍，脫扣器將在設(shè)定的延時(shí)時(shí)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(shí)間、設(shè)備外殼類型以及事故時(shí)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)化事故能量En，這個(gè)能量值是基于0.2s燃弧時(shí)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(yùn)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(píng)估事故釋放的能量E。

其中Cf是計(jì)算因子，在電壓低于1kV的系統(tǒng)中取值為1.5；t是燃弧時(shí)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(píng)估設(shè)備的罩殼類型和運(yùn)行電壓范圍[7]。在船用低壓配電板中一般僅對(duì)斷路器進(jìn)出線側(cè)做弧閃傷害評(píng)估，所以這里x取值為1.473。

6）確定傷害/風(fēng)險(xiǎn)類別。根據(jù)步驟5）得到的待評(píng)估設(shè)備事故能量的估計(jì)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(xiǎn)類別。

表1 NFPA 70E（2004）傷害/風(fēng)險(xiǎn)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(duì)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(gè)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(huì)導(dǎo)致二級(jí)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(píng)估歸檔?；￠W傷害的評(píng)估結(jié)果一般以單線圖的形式體現(xiàn)。將評(píng)估計(jì)算的結(jié)果（包含弧閃保護(hù)邊界、事故能量以及危險(xiǎn)等級(jí)）在單線圖上標(biāo)出，并用箭頭指明評(píng)估弧閃傷害的位置。

圖1 船舶電力系統(tǒng)單線圖

2 實(shí)例分析

以某工程項(xiàng)目為例做低壓配電板弧閃傷害評(píng)估分析。該項(xiàng)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(tái)830 kW發(fā)電機(jī)和一臺(tái)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(tái)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(duì)這些位置做弧閃傷害評(píng)估。

弧閃傷害評(píng)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(hào)及其短路保護(hù)動(dòng)作時(shí)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(jì)算數(shù)據(jù)（本文不涉及短路計(jì)算過程，僅引用數(shù)據(jù)說明燃弧分析的計(jì)算過程）可以計(jì)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(dòng)作時(shí)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(duì)故障電路有所反應(yīng)，在500 ms時(shí)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(shí)間不同將顯著影響最終的評(píng)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(duì)P3DG出線側(cè)的弧閃傷害評(píng)估計(jì)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(duì)未采取防護(hù)措施而在該距離工作的人員將帶來3級(jí)風(fēng)險(xiǎn)/傷害。

對(duì)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(shí)間內(nèi)（＜15 ms）就切除了故障。所以，雖然該點(diǎn)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(duì)于工作人員的風(fēng)險(xiǎn)/傷害等級(jí)為2級(jí)。

對(duì)系統(tǒng)中可能發(fā)生弧閃故障的位置做過傷害評(píng)估后，將全部計(jì)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(píng)估結(jié)果

表6 P2MPTR出線側(cè)的評(píng)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(duì)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(duì)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(shí)用化的傷害評(píng)估方法，并輔以計(jì)算實(shí)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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[7] IEEE. IEEE 1584 Guide for Performing Arc Flash Calculations [S]. IEEE, 2004.

[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)。