工廠弧閃危險分析和個人防護——解讀IEEE Std 1584—2002《弧閃危害計算執行指南》

張建成

（山東省產品質量檢驗研究院，濟南 250102）

一直以來弧閃危害是現場電氣工作人員隱藏的最大風險，長久以來未被重視予以研究和防范。據芝加哥Cap-Schell公司統計，美國每天有5～10起電氣設備弧閃爆炸事故[1-2]。故障電弧40%的能量轉化為壓力，使柜體內的零部件受到損害。弧閃發生時的壓力、輻射、弧根效應造成設備嚴重損害，同時高溫、高壓氣體伴隨電弧效應產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。因此，弧閃防護研究是當前迫切需要解決的問題[3-5]。

為最大限度保護電氣工作人員，必須深刻理解電氣安全工作有關的規則和標準。IEEE 1584指出操作電氣設備或附近工作人員弧閃危害風險程度，提出了弧閃入射能量和弧閃界限的計算方法，目的是最大程度降低人員暴露在入射能量下的級別。

圖1 弧閃組成結構圖

1 標準技術要點

IEEE Std 1584—2002主要內容是計算短路故障時的入射能量，確定弧閃保護界限，弧閃保護界限是未穿戴個人防護裝備（PPE）的工作人員與可能弧閃點必須保持的距離。完整的弧閃分析應包括：收集系統和安裝數據、確定電氣系統模型、確定金屬性故障電流、確定電弧故障電流、確定保護裝置特性和故障清除時間、記錄系統電源和設備種類、選取工作距離、確定所有設備的事故能量、確定所有設備的弧閃保護界限等步驟。以下就步驟中的幾個主要內容進行介紹。

1.1 電弧電流

輸配電系統中短路故障分為金屬性短路和電弧短路，金屬性短路時相間或相對地直接短接，短路點之間阻抗幾乎為零；電弧短路時短路點出現電弧，短路電流通過電弧構成回路，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。

當系統電壓低于1000V，應用式（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為系統電壓，kV；G為導體間距離，mm。

系統電壓高于1000V應用式

由式（2）可見，高電壓情況下開放和封閉空間沒有區別。

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、故障清除時間（FCT）和系統接地方式，就可以計算入射能量，式（3）條件為燃弧時間0.2s，最可能電弧源距人610mm。

式中，En為時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：0；接地系統：0.113。

最后轉換為歸一化式

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為燃弧時間，s；D為人與可能電弧源之間的距離，mm；x為距離指數。

1.3 弧閃保護界限

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界限。在此距離之內操作電氣設備，必須穿戴合適PPE。

當電壓范圍為（0.208～15）kV時將使用IEE Std 1584—2002經驗模型

電壓范圍高于15kV或低于0.208kV時則使用Lee氏理論模型

式中，DB為電弧點的距離界限，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為時間，s；x為距離指數；Ibf為短路故障電流。

1.4 標準試驗方法

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

圖2 入射能量測試布置圖

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

為了模擬電氣設備，使用直徑19.05mm硬銅線作為電弧電極，電弧通過 52mm 導線把電極端部短接產生。在相鄰電極間安裝絕緣支承件，克服電極由外向內彎曲時電弧電流產生的極高的磁力。

短路故障電流通過短接電極進行測量，選擇合理的電弧持續時間，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行計算得到電弧功率，對持續時間內的電弧功率進行積分獲得電弧能量，上述數據均可通過數字示波器獲取。為減少電弧容易變化帶來的影響，每個設置運行多次測試。每次試驗電弧持續時間都有輕微變化，對熱量計傳感器的溫升數據進行修正，以確保每個入射能量是基于 200ms的電弧持續時間。

2 防護措施

IEEE 1584—2002要求確保設備斷電以及安全的電氣工作條件，個人易遭受潛在傷害，假如發生，需要個人防護裝備防止電弧燒傷。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帶來額外的危險或者增加危險，或者由于作業限制，無法實施斷電[2]。經濟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，這些情況下，需要采取以下措施。

2.1 個人防護裝備

在安全距離以內工作時要求穿戴個人防護用品，PPE并非完全防護，只是屏蔽保護人員受到 2℃以下的灼傷。進入電氣現場必備的 PPE：護目鏡、純棉工作服、防滑手套、安全鞋、上鎖/掛牌工具，美國職業安全與健康管理局（OSHA）規定：“雇主必須建立安全程序，按程序將適當的上鎖/掛牌裝置安裝于能量隔離裝置，并使機器或設備停止運轉，以防意外供給能量、起動或儲存能量的釋放，從而防止傷害員工”[4]。

2.2 弧閃繼電器

電弧光保護系統，通過檢測弧閃發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、變壓器和電源轉換器應用。在電弧排放階段開始時就啟動斷路器跳閘切斷供給燃弧點的短路電流，動作時間在幾毫秒以內，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對設備及人員的傷害。傳感器、輸入和連接需接受系統檢測，以確保無故障運行。系統為二級固態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。包含以太網接口，并支持Modbus TCP通信。區跳閘、上游斷路器跳閘以及聯絡斷路器跳閘應用可輕松配置，多個控制輸入可讓多個裝置構成一個系統。

圖3 掛牌/上鎖示意圖

圖4 電弧光保護系統示例

弧閃繼電器和傳感器無需重新配置，容易安裝在改造項目和新開關設備上，簡單的應用程序無需配置PC便可直接工作。更復雜的系統具有多電源，使用繼電器的內置USB接口軟件進行配置。通常，每個配電柜安裝1或2個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。光纖傳感器穿過機柜，以及單點式傳感器范圍不確定的區域，導致完全覆蓋和額外冗余水平。即使政策只允許在斷電系統中工作，應監測所有的維修區域以防止潛在的損害和額外費用[6]。本地斷路器開斷失敗的情況下，短延時后會發送另一指令觸發上級斷路器跳閘清除故障。

2.3 閃弧減少維護系統（ARMS）

通過空氣斷路器脫扣單元的閃弧減少維護系統（ARMS），可減少過流保護的脫扣時間。配備了ARMS的斷路器可提供簡單可靠的降低故障清除時間的方法，增加人員的安全。ARMS在斷路器上或通過外部的可鎖開關直接控制，輕松啟動工作臺更快的脫扣時間，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斷故障電流，對于下游設備而言，發生閃弧危害時的電弧入射能級別顯著降低[3]。

圖5至圖6曲線顯示了在橫軸電流和縱軸時間下的協調曲線，最大的短路故障電流為各個彩色帶寬終止之處。基于實驗室測試，IEEE 1584標準規定了最有可能的燃弧電流，同時要求和85%的燃弧值進行校核。通過幅值和裝置故障清除時間來判斷這兩種狀態下的入射能級別，其中最嚴重的入射能級別決定了危害風險級別（HRC）。圖5所示為相對應的燃弧電流，圖6所示為更高的故障電流和1600A的框架斷路器。選擇閃弧減少維護系統設置（5.9x），高于總負載加上瞬態負載（5.92kA），低于最低的燃弧電流（16.98kA）。入射能/危害風險級別從10.7 c al/cm2（NFPA 70E標準的危害風險級別3）降低到2.2 c al/cm2（NFPA 70E標準的危害風險級別1）。

圖5 協調曲線（弧閃電流5.1kA）

圖6 協調曲線（弧閃電流19.98kA）

閃弧減少維護系統有如下優點：①限制產生的閃弧能量，增加員工安全；②操作簡單；③通過安裝有可鎖開關的門，關閉斷路器門時啟用；④只有需要進行操作時啟用；④保留正常情況下的過電流選擇性功能；⑤降低入射能級別可降低PPE級別，提高操作人員的舒適性和機動性。

2.4 紅外窗口

開關柜（斷路器）安裝在一個封閉柜子里，開關實現電力的再分配功能，起著關合及斷電力線的作用，用來實現輸送機倒換電力負荷，以及從電力系統退出故障設備和線段，從而保證電力系統安全運行。運行中的開關柜設備時不能隨便打開打開，打開會有電弧，對設備及對工作人員都不安全。99%的高壓電弧都是設備發熱變形在高壓電流作用下發生的，高壓開關觸頭和母線連接點處于特殊的環境中，傳統的熱電偶、測溫探頭、光纖等無法實現精確測溫。因此，在開關柜上安裝紅外窗口是為了防止電弧對設備及工作人員的傷害。

圖7 紅外窗口應用示例

紅外窗口有如下優點：

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

2）快速。可在滿負載下進行檢查，無需斷電，大大節約生產成本。在一個工作日內可對更多位置進行成像，沒有在先斷電再打開電氣柜方面的時間損耗。

3）高效。無需電工或安全檢查人員來斷開電源和打開柜門，節約人力與成本可在滿負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劃檢修中糾正這些故障。

3 結論

本文分析了IEEE 1584—2002標準提供的計算方法，計算結果可用作減小燒傷目標策略的基礎，包括指定個人防護裝備的等級、工作斷電、應用抗弧開關、遵循其他工程技術和工作實踐。當然防護措施不能取代安全操作規范，只有加強對電弧防范的重視程度，遵守適當的安全電氣工作行為，才能提升電氣工作安全水平。

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

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

[3] 陳德桂. 低壓電器智能化發展的幾個動態[J]. 低壓電器, 2007(1): 1-5.

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

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