國內(nèi)外弧閃風(fēng)險評估的做法與執(zhí)行區(qū)別

張永革，孔凡旭，楊 健，蔡連博，徐 洋

（海洋石油工程股份有限公司 設(shè)計院，天津 300451）

0 引言

弧閃是電氣作業(yè)事故傷亡的主要原因之一?；￠W發(fā)生時會在瞬間產(chǎn)生高溫，空氣迅速熱膨脹，釋放強烈的熱波、光波和壓力波。盤柜金屬構(gòu)件被熱熔，隨著沖擊波一起擴散?；￠W一旦在盤柜內(nèi)部發(fā)生，如果不采取有效限制措施，盤柜會燒毀。同時，可能對維檢人員造成燒傷，嚴重時造成殘疾或危及生命。在深海能源開發(fā)中，弧閃造成的影響更大。由于遠離陸地，受傷人員得不到及時救治，被破壞的設(shè)備維修和更換周期長，導(dǎo)致限產(chǎn)、停產(chǎn)而虧損。

美國、歐洲、中國等國家，對配電盤柜弧閃的起因、過程、影響因素等進行了大量的實驗與研究，逐漸形成了較為完善的標準體系[1]?；￠W的危害程度可以根據(jù)入射能量（單位：cal/cm2或J/cm2，1cal=4.2J）來量化，由實驗數(shù)據(jù)來擬合經(jīng)驗公式，或由數(shù)學(xué)模型來推導(dǎo)計算公式[2]。以弧閃能量計算為核心，依據(jù)計算結(jié)果調(diào)整電力系統(tǒng)和設(shè)備參數(shù)，選擇設(shè)備和人員的保護方案，是弧閃風(fēng)險評估的主要內(nèi)容。在美國，2014年美國職業(yè)安全與健康管理局（Occupational Safety and Health Administration，OSHA）下發(fā)文件修訂了發(fā)輸配電標準，弧閃風(fēng)險評估成為標準強制性內(nèi)容。在歐洲，EN 50110要求項目在系統(tǒng)風(fēng)險評估中應(yīng)考慮弧閃風(fēng)險評估，但不是強制性的。在中國，目前沒有標準要求弧閃風(fēng)險評估，但是越來越多的企業(yè)意識到它的重要性。

1 國內(nèi)外的標準體系

1.1 美國方面

美國是最早制定弧閃相關(guān)標準的國家，其標準體系也最為完善。OSHA發(fā)布的聯(lián)邦法規(guī)（CFR）[3]，強制性要求在美國的項目必須做危險工作場所風(fēng)險評估。NFPA 70E[4]是美國國家消防協(xié)會（NFPA）發(fā)布的國家安全標準，主要用于協(xié)助OSHA制定電氣安全標準。由于OSHA要求在美國的公司執(zhí)行NFPA 70E，NFPA 70E也成為強制性標準，其第130.3節(jié)要求企業(yè)做電氣場所風(fēng)險分析，包括觸電和弧閃風(fēng)險。

NFPA 70E和IEEE 1584[2]為弧閃風(fēng)險評估提供了非常詳細的指導(dǎo)說明。IEEE 1584的2018版本，分析了大量的實驗數(shù)據(jù)和事故數(shù)據(jù)，提出了更加精確的經(jīng)驗公式。ASTM[5-7]標準與個人防護設(shè)備（PPE）制造商相關(guān)，確定了各種PPE的標準試驗方法。NEC 110.16[8]和API RP 14F[9]要求配電裝置在設(shè)計上要考慮降低弧閃能量，安裝警示牌，設(shè)置維修/運行切換按鈕等。

1.2 歐洲方面

EN 50110[10]指出帶電維檢時，人員有可能受到弧閃傷害，且推薦使用PPE來保護身體。EN 50110要求在做系統(tǒng)風(fēng)險評估時，應(yīng)當考慮弧閃風(fēng)險的評估，但它不是強制性的。IEC 61482-1-1（敞開式）和IEC 61482-1-2（封閉式）與PPE制造商有關(guān)[11]，確定了試驗方法。德國法定意外保險機構(gòu)（DGUV）發(fā)布的DGUV[12]也是弧閃風(fēng)險評估的指南，介紹了與IEEE 1584不同的計算方法。ISSA[13]提供PPE的選型指導(dǎo)。

與美國現(xiàn)有的評估指南相比，歐盟沒有復(fù)雜的強制性標準。

1.3 中國方面

GB/T 24612.1[14]參考了NFPA 70E的第110章和第120章，規(guī)定在電氣設(shè)備場所應(yīng)對人員進行培訓(xùn)。在8.2.1.2章提出應(yīng)進行電弧危險分析，但分析的內(nèi)容（電弧保護范圍、PPE選型）相比歐美標準而言較少，且沒有要求提交正式文檔。

DL/T 320-2010[15]中給出了PPE與入射能量的對應(yīng)使用條件；PPE的材質(zhì)、各項性能、設(shè)計、試驗、維護和檢驗等規(guī)定，引用了GB紡織品類和美國ASTM標準；給出了弧閃計算的經(jīng)驗公式和Lee式理論計算公式。這些公式與IEEE 1584-2002一致，滯后于IEEE 1584-2018。附錄A中則給出了多種區(qū)域的預(yù)計弧閃能量計算值，設(shè)計人員可以根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)，直接在表格中選取弧閃能量值。

1.4 其他方面

目前，國際項目一般使用美標體系開展評估工作，然而美標體系中OSHA 29 CFR 1910和NFPA 70E并不適用于船舶、汽車、飛機等交通工具，以及有軌電力設(shè)備、礦井電力設(shè)備、發(fā)電站、配電站等場所。但是，在海上工程中，這兩個標準也做參考引用。CCS、BV、ABS等船級社對弧閃風(fēng)險評估都沒有提出明確要求，是否進行評估由業(yè)主決定。

在國內(nèi)，國家電網(wǎng)各級公司也在內(nèi)部力推弧閃分析的研究與保護應(yīng)用。

2 弧閃風(fēng)險評估

按照美標和歐標的規(guī)定，弧閃風(fēng)險評估是一個涉及多個方面的工作，需要業(yè)主、承包方、設(shè)備廠家、第三方等分別或一起完成其中的各個步驟。評估團隊需要了解現(xiàn)場工作環(huán)境和操維流程，確定可接受風(fēng)險水平，搭建模型來計算，對是否采取措施來降低弧閃能量做出決策等。

2.1 風(fēng)險識別和可接受風(fēng)險水平

評估的第一步是風(fēng)險識別。雖然OSHA、NFPA 70E或EN 50110標準都要求進行評估，而只有NFPA 70E的附錄中有簡單的風(fēng)險識別說明，該說明不足以為評估提供指導(dǎo)。根據(jù)ABB的經(jīng)驗，風(fēng)險識別可以按3步走：①確定可能發(fā)生弧閃的所有電氣設(shè)備；②確定人員操維電氣設(shè)備的流程；③確定可接受的風(fēng)險水平。其中，①②可由業(yè)主與其他各方商討確定，③則由業(yè)主及其生產(chǎn)團隊來確定。

2.2 弧閃能量計算

弧閃能量計算較為繁瑣，手工計算不實際，一般使用仿真軟件來協(xié)助完成。計算方法主要有兩類：其一，來源于美標NFPA70E和IEEE1584。中國的DL/T 320參考于美標，所以與美標歸為同類；其二，來源于歐標DGUV。兩種計算方法所需的輸入?yún)?shù)相似，即不同工況下的短路電流、故障清除時間、電壓等級、工作距離等。不同之處在于電弧能量傳遞給人體的方式，由業(yè)主來決策使用哪種計算方式。

1）在美標中，IEEE std 1584的計算過程比較復(fù)雜。按照電壓等級使用不同的計算公式，先計算弧閃電流Iarc，再得出入射能量E和弧閃邊界AFB。式（1）～式（6）為IEEE std 1584-2002版本的主要公式。在2018版本中，公式結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，本文不便于引敘，其附錄D中有計算案例供參考。2018版增加了插值法和系數(shù)修正過程，所謂插值法，即分別計算出0.6kV以下，0.6kV，2.7kV，14.3kV的節(jié)點弧閃電流、入射能量、弧閃邊界，再根據(jù)實際電壓大小，在其相鄰的兩個節(jié)點電壓中取插值。而系數(shù)修正過程為：計算修正系數(shù)VarCf，套用到插值法中再計算一遍，以得出接近實際的數(shù)值。

15kV以下，試驗擬合計算法：

15kV以上，Lee式模型推導(dǎo)計算法：

其中：Ibf為短路電流（kA）；K、K1、K2為盤柜結(jié)構(gòu)常數(shù)；V為電壓（kV）；G為導(dǎo)體間隙（mm）；Ia為弧閃電流（kA）。En為電弧放電時間0.2 s，工作距離610 mm時的典型事故能量（J/cm2）；Cf為電壓系數(shù)；t為故障清除時間（s）；D為操作距離（mm）；x為距離指數(shù)；E為入射能量（J/cm2）；AFB為弧閃邊界（mm）。

2）在歐標中，計算方法則簡單很多。不計算弧閃電流和入射能量，而是計算出弧閃系數(shù)kp，進而得出預(yù)估弧閃能量WLB。另一方面，計算PPE的等效防護水平WLB?。比較兩者大小來確定保護方案，見式（7）～式（11）。如果式（11）成立，則可以選擇PPE來防護弧閃危害，否則需要采取1.3節(jié)的措施來降低弧閃能量。DGUV的附錄4中有計算案例供參考。

其中：UNn是電壓（kV）；Ik3pmax"是最大短路電流（kA）；SK"是短路容量（MVA）；R/X是系統(tǒng)阻抗比（無單位）；kp是弧閃系數(shù)（無單位）；tk是故障清除時間（s）；WLB是預(yù)估弧閃能量（kJ）；a是工作距離（mm）；WLBP是依據(jù)IEC 61482測試出PPE的標準防護水平（kJ）；kT是弧閃發(fā)射系數(shù)（無單位）；WLB?是該系統(tǒng)實際發(fā)生弧閃時PPE的等效防護水平（kJ）。

2.3 降低弧閃風(fēng)險

當計算出的入射能量或預(yù)期弧閃能量超過可接受風(fēng)險水平時，由業(yè)主決策采取哪些措施來降低弧閃風(fēng)險，由承包方和設(shè)備廠商執(zhí)行。表1給出許多知名安全組織（OSHA、ISO等）推廣和接受的危險控制系統(tǒng)，以及NFPA 70E為降低弧閃風(fēng)險給出的建議。

表1 危險控制Table 1 Risk control

斷電通常無法執(zhí)行。警告牌、培訓(xùn)和使用PPE保護效果差，因為它們沒有降低風(fēng)險本身，而只是控制暴露方式。優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備選擇可以有效地降低風(fēng)險，常用技術(shù)如下：

1）降低短路電流：增加系統(tǒng)阻抗，將母線分段，安裝快速限流器、電抗器等。

2）縮短故障清除時間：運行/維護切換模式、區(qū)域選擇聯(lián)鎖、母線差動保護、快速接地開關(guān)及弧光&過流保護等。

3）增加工作距離：使用遠程裝置，限制接近距離，及其他方式等。

4）增大導(dǎo)體間距：使用專用弧閃柜型。

2.4 弧閃警示牌

美標歐標規(guī)定，可能發(fā)生弧閃的設(shè)備必須安裝警示牌。評估開始時，需要明確警示牌的責(zé)任劃分。比如，警示牌內(nèi)容；哪方提供和安裝；安裝位置等。NFPA 70E、API 14F中有警示牌的相關(guān)要求。此外，警示牌應(yīng)符合當?shù)氐囊?，比如語言文字、單位等。國標中沒有警示牌的相關(guān)規(guī)定。

2.5 安全管理

安全管理包括程序更新、員工培訓(xùn)和安裝警示牌。其中，要求對工作人員進行定期培訓(xùn)，包括：如何識別危險，避免事故，警示牌閱讀，何處找到各自的PPE，如何使用和護理等。

2.6 PPE的選擇

在美國，PPE的選擇方法依據(jù)于NFPA 70E分兩種[16]：入射能量分析法和表格法。前者需要計算入射能量，根據(jù)結(jié)果選擇合適等級的PPE；后者不用繁瑣的計算，而是根據(jù)各項系統(tǒng)參數(shù)直接從表格中選擇。在1.2節(jié)提到，歐標中需要計算PPE的等效保護弧閃能量，這就需要依據(jù)IEC 61482對PPE進行測試。由于IEC 61482-1-1測試出能量單位為cal/cm2或kJ/m2，與美標的入射能量單位一致，所以開放式設(shè)備的弧閃能量計算需要使用美標NFPA 70E和IEEE 1584，而使用IEC 61482-1-2測試的能量單位為kJ，對應(yīng)于歐標DGUV，所以封閉式設(shè)備計算時全部使用歐標。在國標DL/T 320中，PPE的級別劃分與美國相似，在PPE選型配置時有差異，比如國標中對耳塞沒有要求，而美標相反。

3 工程應(yīng)用

可計算弧閃能量的軟件有兩類，一類是EasyPower/ETAP/ SKM-PTW/ Paladin Designbase（原EDSA）/ RENblad 1710等，執(zhí)行美標IEEE 1584和NFPA 70E；另一類是BSD Arc Calculator，執(zhí)行歐標DGUV。這些軟件一般內(nèi)嵌弧閃模塊，計算結(jié)果互有差別[17]。

簡化的評估流程圖如圖1所示。美標NFPA 70E第130.5(D)條要求，弧閃風(fēng)險評估的結(jié)論需要以文件形式歸檔。而在國際石化行業(yè)中，該文件有所簡化，稱之為弧閃計算報告，內(nèi)容包括：項目介紹、系統(tǒng)工況、各項參數(shù)、軟件計算結(jié)果、PPE適用級別等。沙特阿美、巴西國家石油等國際先進石油公司，明確要求承包方或者委托第三方提供弧閃計算報告。該報告正逐漸成為標準設(shè)計文件，與潮流、短路、大電機啟動等計算報告一起，構(gòu)成電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性研究的一部分。

國內(nèi)海上石油項目中，工程設(shè)計通常參照美標，但在弧閃保護方面則有所取舍。常規(guī)項目中都不要求提供弧閃計算報告或弧閃風(fēng)險評估，不計算弧閃能量，而是從系統(tǒng)配置和繼電保護方面限制短路電流，進而達到限制弧閃能量的目的。在電力行業(yè)，工程設(shè)計參照國標，也不要求弧閃計算，但在系統(tǒng)設(shè)計時，需考慮和降低弧閃風(fēng)險。除此之外，嚴格且規(guī)范的操維流程也能減少弧閃事故的發(fā)生。

4 結(jié)束語

關(guān)于弧閃風(fēng)險分析，本文詳細地闡述了國內(nèi)外的標準體系和執(zhí)行的區(qū)別。美國最早頒布了關(guān)于弧閃防護要求的標準，逐漸確定了弧閃計算，PPE的制造、實驗、選型，警示牌、安全培訓(xùn)等技術(shù)要求，建立健全了弧閃風(fēng)險評估的流程，世界領(lǐng)先，影響力大。其他國家，比如加拿大、墨西哥等國家正在以美標為參照，制定自己的標準。歐洲起步較早，也有了工業(yè)標準和指導(dǎo)文件。以德國為中心，歐標在周圍國家中的影響力逐年上升。中國起步晚，近十年參考美標和IEC標準制定了國標和行標，但是沒有得到廣泛的重視和應(yīng)用，在PPE試驗、弧閃試驗和分析方面落后較多。