李霽光

(羅地亞中國投資有限公司，上海 201108)

電弧閃絡的危害及其防護措施

李霽光

(羅地亞中國投資有限公司，上海 201108)

電弧閃絡危害具有較大的隱藏風險，其嚴重性和觸電一樣可能會致命。主要闡述了電弧閃絡的危害，列舉了國際法規(guī)中關(guān)于電弧閃絡的相關(guān)規(guī)定以及所能采用的相關(guān)防范措施和減少電弧危害的緩解技術(shù)；簡單介紹了國內(nèi)電氣設(shè)計人員如何運用ETAP工程軟件對電弧閃絡進行分析，為防護措施提供了有效的理論依據(jù)。

電弧閃絡 電弧安全界限 入射能量

從1992年至2001年,約有44363人因受到電氣傷害而無法正常工作，其中非致命的電氣傷害有27262人，另有17101人是由電弧閃絡燒傷造成。每年有超過2000人進入燒傷中心被認定是嚴重的電氣燒傷而接受治療。

發(fā)生電氣燒傷將導致長期無法正常工作。盡管燒傷的人數(shù)只占38%，但是燒傷需要長期的治療和康復，其痛苦程度及龐大的醫(yī)療費用令傷者或企業(yè)難以承擔。因此，研究電弧閃絡的危害并采取必要的防護措施具有重要的意義。

1 電弧閃絡的危害

電弧閃絡危害對現(xiàn)場電氣工作人員來說，是除觸電外最大的隱藏風險，其嚴重性和觸電一樣可能會致命，但過去未被重視。

電弧閃絡與觸電相比有很大的不同。當一個人觸電的時候，電流會在人體的敏感組織(主要是神經(jīng))間通過，從而產(chǎn)生影響。電弧閃絡通常是在空氣導電時產(chǎn)生，其主要成因是兩個接觸的導體再次分離時將電流拉出，從而產(chǎn)生電弧。當電弧產(chǎn)生時，形成的缺口充滿了電離子，其數(shù)量迅速上升，尤其是在高壓/低阻的供電情況下的電力輸送線，這種現(xiàn)象更加明顯。任何大于50V電路都有可能產(chǎn)生電弧閃絡。

電弧閃絡損耗能量的方式包括以下三個方面： 以EMI/RFI，紅外線以及(最大衰弱)可見光(電弧閃絡)的形式輻射發(fā)散；隨狀態(tài)變化(化學鍵被破壞、爆炸區(qū)內(nèi)的揮發(fā)和電離化)而發(fā)生的變化；絕熱膨脹(電弧爆炸)。

電弧閃絡所造成的傷害主要包括以下幾點：

1) 燒傷。電氣傷害中，多達80%是源于由電弧閃絡和點燃的可燃衣物所造成的燒傷。電弧灼傷是電氣工作者除觸電外最可能造成的傷害，因為嚴重的電弧發(fā)生點的溫度是太陽表面溫度的4倍(約2×104℃)，周圍的材料物質(zhì)被氣化或燒熔高溫后噴出，也有電弧強光、氣浪推力與爆炸聲響等傷害。

2) 暫時失明、失聰、震蕩損傷、碎片傷害。除直接燒傷致命以外，電弧氣浪壓力(或推力)也是可能致命的傷害原因(有可能造成墜落)，嚴重的電弧事故受害者也遭受視力損害、聽力損失以及其他系統(tǒng)損傷，所以對電弧傷害的完整防護應該是全面的全身保護配備系統(tǒng)。

2 國際法規(guī)關(guān)于電弧閃絡的相關(guān)規(guī)定

美國、加拿大等國經(jīng)過20多年的電弧相關(guān)研究，已有具體辦法可以有效預防工作現(xiàn)場的電弧閃絡危害，并且也相繼更新了相關(guān)的電氣法規(guī)，這些措施在NFPA-70E文件、IEEE1584文件、NEC法規(guī)以及NESC法規(guī)中，都相繼納入了如何預防電弧閃絡事故的相關(guān)條文，以全面提升電氣從業(yè)人員的工作安全，然而國內(nèi)目前還無相關(guān)的措施。

2.1美國國家電氣法規(guī)關(guān)于電弧閃絡的規(guī)定

NEC是美國的國家電氣法規(guī)，最新為2011年版。NFPA70 2005年版的第110.16節(jié)有規(guī)定，必須在有可能發(fā)生電弧閃絡的設(shè)備上標示警告“電弧閃絡危險”的標志。同時，對于電弧閃絡保護的規(guī)定如下： 電氣設(shè)備,如開關(guān)柜、配電盤、工業(yè)控制盤、儀表插座附件和馬達控制中心,除了在居住用房外,對正在運行的設(shè)備很可能需要檢查、調(diào)整、維修或維護的，應現(xiàn)場標志、警示有資格的工作人員在此處存在潛在的電弧閃絡危險。該標志應設(shè)置在清晰可見的地方，以便有資格的工作人員在檢查、調(diào)整、維修或維護設(shè)備前便可清楚潛在的危險性。

2.2美國消防協(xié)會關(guān)于電弧閃絡的規(guī)定

NFPA 70E(2009年版)是編定NEC規(guī)范的美國消防協(xié)會，為補充NEC法規(guī)在電氣工作安全規(guī)定方面的不足，而另編定的電氣安全標準文件，在2000年版內(nèi)容中就已對電氣工作防范電弧灼傷等相關(guān)措施有一系列標準作法和建議，包括電弧危害評估、電弧計算與分類、防護配備標準以及保護衣著如何搭配應用等許多細節(jié)的實用建議。2004年版修訂了許多新規(guī)定使其內(nèi)容更充實。筆者認為該文件是目前國家在電氣工作安全上(不僅是防范電弧灼傷)結(jié)合理論與實踐的最佳標準版本。

美國消防協(xié)會修訂標準NFPA 70E，并將其更名為“工作場所的電氣安全標準”，該標準將與職業(yè)安全與健康法案規(guī)定(OSHA)和NEC標準相兼容。NFPA 70E 2009年版對帶電運行的設(shè)備進行相應的安全操作實踐提供了指導。標準要求對在施工、調(diào)試和運行階段的帶電設(shè)備，應該進行電弧閃絡危害分析。當在一個相對安全的工作環(huán)境下,如果無法切斷設(shè)備電源,則對此工作任務和工作條件下必須采用合適的保護措施以確保個人安全。

2.3電氣與電子工程師協(xié)會關(guān)于電弧閃絡的規(guī)定

IEEE 1584是IEEE專為計算電弧閃絡的危險距離與入射能量而編制的指導應用文件，初版是2002年版，后來在2004年做了少許修正。該文件特別的地方是因為使用的計算公式較復雜，所以使用者如果需要也可搭配設(shè)計好的Excel軟件程序。

IEEE 1584提供了一個非常全面的指南包括示例計算和技術(shù)。

3 電弧閃絡的防護措施

3.1電弧安全界限(FPB)

理論上工作者距離電弧閃絡點越接近，其灼傷越嚴重，防范的重點是要計算出在灼傷可治愈的情況下至少應保持的距離，該距離即為電弧安全界限。若要進入該界限內(nèi)帶電工作，則需再計算離電弧發(fā)生點的工作者身上所能承受的電弧能量，并且要穿戴能耐受所計算電弧能量的保護衣著系統(tǒng)。由于有關(guān)電弧能量的計算式都是以實驗數(shù)據(jù)反向推導歸納成數(shù)學公式，因而不同的研究機構(gòu)或者專家學者，所推導出的計算式不同。目前美國業(yè)界所普遍采用的是IEEE 1584和NFPA 70E的計算式。IEEE 1584文件的公式復雜，計算結(jié)果較為準確，而NFPA 70E的公式則較為簡單易用，但這些都是數(shù)學推算值，僅能作為參考依據(jù)。

3.2電弧閃絡入射能量

電弧的熱效應比一般的火焰還要嚴重，可耐燃(或防感電)的材料未必可以抵抗電弧閃絡入射能量。

電弧閃絡事故的入射能量可以透過工程設(shè)計規(guī)劃予以適度控制，關(guān)鍵在于降低設(shè)備的事故以及縮短事故發(fā)生時間。

3.3個人防護裝備(PPE)

NFPA 70E中的表格130.7(C)(10)為防護衣物及個人防護裝備矩陣表，表格130.7(C)(11)為防護衣物特性。上述兩表可以作為個人防護設(shè)備選擇依據(jù)。

3.4電弧閃絡危害的防范措施

1) 根據(jù)NEC規(guī)定在有可能發(fā)生電弧閃絡事故場所(如開關(guān)設(shè)備處)，貼警示標記并表示電弧閃絡風險等級、FPB范圍以及可能產(chǎn)生的最大電弧能量，包括個人穿用保護設(shè)備的種類。這些在現(xiàn)場的標示通常也應包含表示防范感電的最小帶電工作安全距離等數(shù)據(jù)。

2) 根據(jù)NFPA 70E規(guī)定，進入工地工作之前要先進行風險評估，嚴格遵守在FPB范圍外工作的規(guī)定，如要進入安全界限范圍內(nèi)工作則需穿著有效電弧額定的保護衣著系統(tǒng)。美國的電力公司一般采用兩類簡化式的抗燃衣著系統(tǒng)： 每日工作衣著；電氣操作衣著或稱抗電弧套服。

3.5減少電弧危害的緩解技術(shù)

1) 使用限流裝置、熔斷器、電抗器。

2) 使用多個較小的帶有隔離裝置的千伏安電源。然而這種使用多個小變壓器的方法也有缺點，例如，元件數(shù)量顯著增加，增加了潛在的故障點和需要維護的工作，在有限的資源條件下，意味著會降低維護標準和出現(xiàn)較高的故障概率。將變壓器的容量限制到1000kVA以下，對于許多項目的設(shè)計會造成限制，即使如此，也會使人員暴露在可能產(chǎn)生弧閃的環(huán)境中。

3) 對所有的高壓、低壓、三相系統(tǒng)采用直接接地系統(tǒng)。對于所有小容量負荷和單相系統(tǒng)(例如照明等)，通過容量小于100kVA的中性點接地的變壓器來供電。

4) 采用更快的電弧清除時間、接地故障保護、更精確的多功能繼電保護系統(tǒng)。

5) 采用多區(qū)域和/或可選擇區(qū)域進行繼電保護。

6) 采用光感保護裝置來檢測和隔離電弧或者可以運用消弧電路來清除電弧。

7) 采用絕緣的、隔離的和獨立的母線來阻止電弧的蔓延。尤其是在封閉的空間，降低了由于電弧的反射能量而造成的弧閃危害對工人的熱量暴露，同時減少了在其他區(qū)域的附帶損害。

8) 采用遠程操作設(shè)備從而減少潛在的電弧閃絡危害。

9) 通過DCS來遠程操作開關(guān)柜斷路器或通過遠程控制盤來操作開關(guān)柜斷路器，這樣可以減少在具有潛在電弧閃絡發(fā)生區(qū)域人員出現(xiàn)的可能性，也可減少使用機械操作的斷路器。

10) 采用便攜式/臨時設(shè)備，可增加操作時本地交換機和潛在電弧閃絡之間的分離距離。

保證現(xiàn)場工作人員的生命安全，不僅可以采用安全防護裝備來防范電弧閃絡的發(fā)生，也可以通過上述的緩解技術(shù)，來降低電弧閃絡發(fā)生的可能性。

4 電氣設(shè)計中的電弧閃絡分析

在電氣設(shè)計中，通常采用ETAP軟件進行電弧閃絡分析。ETAP電弧閃絡分析是用于估計在發(fā)生三相短路故障時的電弧入射能量，并以此確定FPB。它是一個采用了相關(guān)原理并內(nèi)嵌于ETAP的綜合分析模塊。該模塊可以自動確認ETAP短路電流計算模塊中所有工具使用的電弧短路電流，還可以計算獨立的電弧電流和在ETAP繼電保護中所有保護設(shè)備清除時間產(chǎn)生的電弧故障。另外，ETAP軟件將會自動確定系統(tǒng)接地配置和其他需要確定的模塊分析結(jié)果，因而減少了根據(jù)標準進行電弧閃絡分析的時間。

通過ETAP弧閃分析，用戶可以同時為單條或上百條母線進行電弧閃絡分析，它具有一些內(nèi)嵌工具可運用于所有母線，如： 快速電弧閃絡入射能量計算器。用戶在短路電流出現(xiàn)的設(shè)備場景中引起較高的入射能量時可以運用此計算器。ETAP軟件還包含了所有在IEEE 1584和NFPA 70E標準中規(guī)定的典型邊界和設(shè)備間隙，這將簡化數(shù)據(jù)錄入的過程。

ETAP擁有在IEEE 1584和NFPA 70E標準中推薦的分析功能，包括1kV系統(tǒng)中電弧電流的變化分析、改變故障電壓的能力分析和選擇三相故障電流不同等級的能力分析等。借助分析工具，ETAP電弧閃絡分析將提供包括經(jīng)過各個保護設(shè)備的電弧電流貢獻、故障清除時間和母線或單個保護設(shè)備的危害性分析等內(nèi)容的報告。該報告中還包含了系統(tǒng)中所有故障母線、電弧閃絡保護邊界和危害性等級的總結(jié)。

5 結(jié)束語

電弧閃絡對現(xiàn)場電氣操作人員可能造成致命的傷害，但是在目前國內(nèi)大多數(shù)的電氣設(shè)計中，并未對電弧閃絡進行具體的分析計算，國內(nèi)也未出臺相關(guān)的標準，在實際的現(xiàn)場中，對于要進行操作的設(shè)備旁也并未有明確的警示標志，包括注明安全防護界限、電弧危害風險等級、人員防護裝備的要求等，因而必須引起國內(nèi)設(shè)計人員和施工人員及現(xiàn)場工作人員的高度重視。

[1] NEC. ENC 110.16 Arc Flash Hazard Warning [S]. NEC, 2011： 51.

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

[3] IEEE. IEEE 1584 Guide for Performing Arc Flash Calculations [S]. IEEE, 2004.

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[8] MARROQUIN A. Evaluating NFPA 70E Arc Flash Hazard Category Tables[J]. Electrical Products & Solutions, 2007(09)： 12-16.

稿件收到日期： 2013-02-16。

李霽光(1981—)，男，山東澤縣人，2003年畢業(yè)于同濟大學電氣工程及自動化專業(yè)，獲學士學位，現(xiàn)工作于羅地亞(中國)投資有限公司工程部。

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