工厂弧闪危险分析和个人防护——解读IEEE Std 1584—2002《弧闪危害计算执行指南》

张建成

（山东省产品质量检验研究院，济南 250102）

一直以来弧闪危害是现场电气工作人员隐藏的最大风险，长久以来未被重视予以研究和防范。据芝加哥Cap-Schell公司统计，美国每天有5～10起电气设备弧闪爆炸事故[1-2]。故障电弧40%的能量转化为压力，使柜体内的零部件受到损害。弧闪发生时的压力、辐射、弧根效应造成设备严重损害，同时高温、高压气体伴随电弧效应产生炽热的金属和非金属颗粒由柜体逸出，造成人身伤害，甚至引起火灾。因此，弧闪防护研究是当前迫切需要解决的问题[3-5]。

为最大限度保护电气工作人员，必须深刻理解电气安全工作有关的规则和标准。IEEE 1584指出操作电气设备或附近工作人员弧闪危害风险程度，提出了弧闪入射能量和弧闪界限的计算方法，目的是最大程度降低人员暴露在入射能量下的级别。

图1 弧闪组成结构图

1 标准技术要点

IEEE Std 1584—2002主要内容是计算短路故障时的入射能量，确定弧闪保护界限，弧闪保护界限是未穿戴个人防护装备（PPE）的工作人员与可能弧闪点必须保持的距离。完整的弧闪分析应包括：收集系统和安装数据、确定电气系统模型、确定金属性故障电流、确定电弧故障电流、确定保护装置特性和故障清除时间、记录系统电源和设备种类、选取工作距离、确定所有设备的事故能量、确定所有设备的弧闪保护界限等步骤。以下就步骤中的几个主要内容进行介绍。

1.1 电弧电流

输配电系统中短路故障分为金属性短路和电弧短路，金属性短路时相间或相对地直接短接，短路点之间阻抗几乎为零；电弧短路时短路点出现电弧，短路电流通过电弧构成回路，而电弧有电阻特性，因此电弧短路电流要小于金属性短路电流。

当系统电压低于1000V，应用式（1）确定三相电弧电流。

式中，Ia为电弧电流，kA；K为开放空间：0.153，封闭空间：0.097；Ibf为三相短路故障电流（有效值kA）；V为系统电压，kV；G为导体间距离，mm。

系统电压高于1000V应用式

由式（2）可见，高电压情况下开放和封闭空间没有区别。

二次电弧电流等于85%aI，因此可以确定二次电弧电流燃弧时间。

1.2 入射能量

入射能量就是人员所处位置接收到的由电弧释放的能量，确定了电弧电流、故障清除时间（FCT）和系统接地方式，就可以计算入射能量，式（3）条件为燃弧时间0.2s，最可能电弧源距人610mm。

式中，En为时间和距离确定的入射能量（ J /cm2）；K1为（开放空间：0.792，封闭空间：0.555）；K2为未接地或者高阻抗接地系统：0；接地系统：0.113。

最后转换为归一化式

式中，Cf为换算因子（高于1kV：1.0，低于1kV：1.5）；En为归一化入射能量；t为燃弧时间，s；D为人与可能电弧源之间的距离，mm；x为距离指数。

1.3 弧闪保护界限

距离弧光源边界处，施加在皮肤上的热能为1.2 c al/cm2（二度烧伤，1cal=4.2J），此距离即为弧闪保护界限。在此距离之内操作电气设备，必须穿戴合适PPE。

当电压范围为（0.208～15）kV时将使用IEE Std 1584—2002经验模型

电压范围高于15kV或低于0.208kV时则使用Lee氏理论模型

式中，DB为电弧点的距离界限，mm；Cf为换算因子（高于1kV：1.0，低于1kV：1.5）；En为归一化入射能量；EB为距离界限下的入射能量， J /cm2；t为时间，s；x为距离指数；Ibf为短路故障电流。

1.4 标准试验方法

研究人员探索弧闪电气特性和由此产生的入射能量，在大功率的实验室进行了一系列的测试程序。在每个入射能量测试中，由七块铜排组成的热量计阵列放置在被测试电极的前面，距电极的中心线距离为D。第一组三个热量计被定位在同一水平位置，与电极的顶端等高。第二组三个热量计位于上面一组正下方152mm。各组中间位置热量计对准中心电极。最后一个热量计位于中心电极上方152mm。具体布置如图2所示[1]。

图2 入射能量测试布置图

入射能量是通过计算安装在电极前面的铜热量计的温升确定的，铜热量计温升数据乘以 0.565转换成入射能量（2J/cm ）。传感器吸收测量确定，铜热量计吸收的能量不低于90%的入射能量。因此，入射和吸收的能量基本等价。

为了模拟电气设备，使用直径19.05mm硬铜线作为电弧电极，电弧通过 52mm 导线把电极端部短接产生。在相邻电极间安装绝缘支承件，克服电极由外向内弯曲时电弧电流产生的极高的磁力。

短路故障电流通过短接电极进行测量，选择合理的电弧持续时间，在能够测量温升的前提下，尽量减少测试装置的损失。通过对试品电流和电压积分求和进行计算得到电弧功率，对持续时间内的电弧功率进行积分获得电弧能量，上述数据均可通过数字示波器获取。为减少电弧容易变化带来的影响，每个设置运行多次测试。每次试验电弧持续时间都有轻微变化，对热量计传感器的温升数据进行修正，以确保每个入射能量是基于 200ms的电弧持续时间。

2 防护措施

IEEE 1584—2002要求确保设备断电以及安全的电气工作条件，个人易遭受潜在伤害，假如发生，需要个人防护装备防止电弧烧伤。带电部件必须在雇员工作或者靠近之前就断电，除非雇主能够证明断电会带来额外的危险或者增加危险，或者由于作业限制，无法实施断电[2]。经济上的考虑不能作为接触或接近带电部件的原因。

尽量避免带电工作，但有时带电工作又不可避免，例如故障排查、测试电压、诊断和红外线测温时，这些情况下，需要采取以下措施。

2.1 个人防护装备

在安全距离以内工作时要求穿戴个人防护用品，PPE并非完全防护，只是屏蔽保护人员受到 2℃以下的灼伤。进入电气现场必备的 PPE：护目镜、纯棉工作服、防滑手套、安全鞋、上锁/挂牌工具，美国职业安全与健康管理局（OSHA）规定：“雇主必须建立安全程序，按程序将适当的上锁/挂牌装置安装于能量隔离装置，并使机器或设备停止运转，以防意外供给能量、起动或储存能量的释放，从而防止伤害员工”[4]。

2.2 弧闪继电器

电弧光保护系统，通过检测弧闪发出的亮光并快速跳闸来限制电弧故障造成的损害，适合开关、变压器和电源转换器应用。在电弧排放阶段开始时就启动断路器跳闸切断供给燃弧点的短路电流，动作时间在几毫秒以内，故障电弧释放的能量将大大减少，从而也大大降低电弧效应对设备及人员的伤害。传感器、输入和连接需接受系统检测，以确保无故障运行。系统为二级固态解扣电路提供了冗余跳闸路径，通过USB端口配置及访问事件日志。包含以太网接口，并支持Modbus TCP通信。区跳闸、上游断路器跳闸以及联络断路器跳闸应用可轻松配置，多个控制输入可让多个装置构成一个系统。

图3 挂牌/上锁示意图

图4 电弧光保护系统示例

弧闪继电器和传感器无需重新配置，容易安装在改造项目和新开关设备上，简单的应用程序无需配置PC便可直接工作。更复杂的系统具有多电源，使用继电器的内置USB接口软件进行配置。通常，每个配电柜安装1或2个传感器覆盖所有的水平和垂直母线、断路器室、抽屉以及在任何存在电弧故障的地方。光纤传感器穿过机柜，以及单点式传感器范围不确定的区域，导致完全覆盖和额外冗余水平。即使政策只允许在断电系统中工作，应监测所有的维修区域以防止潜在的损害和额外费用[6]。本地断路器开断失败的情况下，短延时后会发送另一指令触发上级断路器跳闸清除故障。

2.3 闪弧减少维护系统（ARMS）

通过空气断路器脱扣单元的闪弧减少维护系统（ARMS），可减少过流保护的脱扣时间。配备了ARMS的断路器可提供简单可靠的降低故障清除时间的方法，增加人员的安全。ARMS在断路器上或通过外部的可锁开关直接控制，轻松启动工作台更快的脱扣时间，并整合到上锁挂牌（LOTO）程序中。由于配备了ARMS的断路器可以更快的分断故障电流，对于下游设备而言，发生闪弧危害时的电弧入射能级别显著降低[3]。

图5至图6曲线显示了在横轴电流和纵轴时间下的协调曲线，最大的短路故障电流为各个彩色带宽终止之处。基于实验室测试，IEEE 1584标准规定了最有可能的燃弧电流，同时要求和85%的燃弧值进行校核。通过幅值和装置故障清除时间来判断这两种状态下的入射能级别，其中最严重的入射能级别决定了危害风险级别（HRC）。图5所示为相对应的燃弧电流，图6所示为更高的故障电流和1600A的框架断路器。选择闪弧减少维护系统设置（5.9x），高于总负载加上瞬态负载（5.92kA），低于最低的燃弧电流（16.98kA）。入射能/危害风险级别从10.7 c al/cm2（NFPA 70E标准的危害风险级别3）降低到2.2 c al/cm2（NFPA 70E标准的危害风险级别1）。

图5 协调曲线（弧闪电流5.1kA）

图6 协调曲线（弧闪电流19.98kA）

闪弧减少维护系统有如下优点：①限制产生的闪弧能量，增加员工安全；②操作简单；③通过安装有可锁开关的门，关闭断路器门时启用；④只有需要进行操作时启用；④保留正常情况下的过电流选择性功能；⑤降低入射能级别可降低PPE级别，提高操作人员的舒适性和机动性。

2.4 红外窗口

开关柜（断路器）安装在一个封闭柜子里，开关实现电力的再分配功能，起着关合及断电力线的作用，用来实现输送机倒换电力负荷，以及从电力系统退出故障设备和线段，从而保证电力系统安全运行。运行中的开关柜设备时不能随便打开打开，打开会有电弧，对设备及对工作人员都不安全。99%的高压电弧都是设备发热变形在高压电流作用下发生的，高压开关触头和母线连接点处于特殊的环境中，传统的热电偶、测温探头、光纤等无法实现精确测温。因此，在开关柜上安装红外窗口是为了防止电弧对设备及工作人员的伤害。

图7 红外窗口应用示例

红外窗口有如下优点：

1）安全。在电气柜和门打开的情况下对带电电气装置进行红外检查将会大大增加发生弧闪伤害的危险，通过耐弧闪红外窗口，维护人员可安全地完成高压设备检测。

2）快速。可在满负载下进行检查，无需断电，大大节约生产成本。在一个工作日内可对更多位置进行成像，没有在先断电再打开电气柜方面的时间损耗。

3）高效。无需电工或安全检查人员来断开电源和打开柜门，节约人力与成本可在满负载下对电气装置成像，更早检测到故障，并在安全故障之前在计划检修中纠正这些故障。

3 结论

本文分析了IEEE 1584—2002标准提供的计算方法，计算结果可用作减小烧伤目标策略的基础，包括指定个人防护装备的等级、工作断电、应用抗弧开关、遵循其他工程技术和工作实践。当然防护措施不能取代安全操作规范，只有加强对电弧防范的重视程度，遵守适当的安全电气工作行为，才能提升电气工作安全水平。

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

[2] 李霁光. 电弧闪络的危害及其防护措施[J]. 石油化工自动化, 2013, 49(3): 65-67.

[3] 陈德桂. 低压电器智能化发展的几个动态[J]. 低压电器, 2007(1): 1-5.

[4] GB/T 24612.2—2009. 电气设备应用场所的安全要求 第2部分：在断电状态下操作的安全措施[S].

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