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(jì)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(shí)會(huì)在瞬間產(chǎn)生高溫，空氣迅速熱膨脹，釋放強(qiáng)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(kuò)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(huì)燒毀。同時(shí)，可能對(duì)維檢人員造成燒傷，嚴(yán)重時(shí)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(yuǎn)離陸地，受傷人員得不到及時(shí)救治，被破壞的設(shè)備維修和更換周期長(zhǎng)，導(dǎo)致限產(chǎn)、停產(chǎn)而虧損。

美國(guó)、歐洲、中國(guó)等國(guó)家，對(duì)配電盤柜弧閃的起因、過程、影響因素等進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)與研究，逐漸形成了較為完善的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來擬合經(jīng)驗(yàn)公式，或由數(shù)學(xué)模型來推導(dǎo)計(jì)算公式[2]。以弧閃能量計(jì)算為核心，依據(jù)計(jì)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(hù)方案，是弧閃風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的主要內(nèi)容。在美國(guó)，2014年美國(guó)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(biāo)準(zhǔn)，弧閃風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估成為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制性內(nèi)容。在歐洲，EN 50110要求項(xiàng)目在系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中應(yīng)考慮弧閃風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，但不是強(qiáng)制性的。在中國(guó)，目前沒有標(biāo)準(zhǔn)要求弧閃風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，但是越來越多的企業(yè)意識(shí)到它的重要性。

1 國(guó)內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)體系

1.1 美國(guó)方面

美國(guó)是最早制定弧閃相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)家，其標(biāo)準(zhǔn)體系也最為完善。OSHA發(fā)布的聯(lián)邦法規(guī)（CFR）[3]，強(qiáng)制性要求在美國(guó)的項(xiàng)目必須做危險(xiǎn)工作場(chǎng)所風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。NFPA 70E[4]是美國(guó)國(guó)家消防協(xié)會(huì)（NFPA）發(fā)布的國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)，主要用于協(xié)助OSHA制定電氣安全標(biāo)準(zhǔn)。由于OSHA要求在美國(guó)的公司執(zhí)行NFPA 70E，NFPA 70E也成為強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，其第130.3節(jié)要求企業(yè)做電氣場(chǎng)所風(fēng)險(xiǎn)分析，包括觸電和弧閃風(fēng)險(xiǎn)。

NFPA 70E和IEEE 1584[2]為弧閃風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了非常詳細(xì)的指導(dǎo)說明。IEEE 1584的2018版本，分析了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和事故數(shù)據(jù)，提出了更加精確的經(jīng)驗(yàn)公式。ASTM[5-7]標(biāo)準(zhǔn)與個(gè)人防護(hù)設(shè)備（PPE）制造商相關(guān)，確定了各種PPE的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。NEC 110.16[8]和API RP 14F[9]要求配電裝置在設(shè)計(jì)上要考慮降低弧閃能量，安裝警示牌，設(shè)置維修/運(yùn)行切換按鈕等。

1.2 歐洲方面

EN 50110[10]指出帶電維檢時(shí)，人員有可能受到弧閃傷害，且推薦使用PPE來保護(hù)身體。EN 50110要求在做系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮弧閃風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估，但它不是強(qiáng)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(yàn)方法。德國(guó)法定意外保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)（DGUV）發(fā)布的DGUV[12]也是弧閃風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的指南，介紹了與IEEE 1584不同的計(jì)算方法。ISSA[13]提供PPE的選型指導(dǎo)。

與美國(guó)現(xiàn)有的評(píng)估指南相比，歐盟沒有復(fù)雜的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 中國(guó)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(chǎng)所應(yīng)對(duì)人員進(jìn)行培訓(xùn)。在8.2.1.2章提出應(yīng)進(jìn)行電弧危險(xiǎn)分析，但分析的內(nèi)容（電弧保護(hù)范圍、PPE選型）相比歐美標(biāo)準(zhǔn)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(duì)應(yīng)使用條件；PPE的材質(zhì)、各項(xiàng)性能、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、維護(hù)和檢驗(yàn)等規(guī)定，引用了GB紡織品類和美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)；給出了弧閃計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式和Lee式理論計(jì)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(jì)弧閃能量計(jì)算值，設(shè)計(jì)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(guó)際項(xiàng)目一般使用美標(biāo)體系開展評(píng)估工作，然而美標(biāo)體系中OSHA 29 CFR 1910和NFPA 70E并不適用于船舶、汽車、飛機(jī)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(chǎng)所。但是，在海上工程中，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)也做參考引用。CCS、BV、ABS等船級(jí)社對(duì)弧閃風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估都沒有提出明確要求，是否進(jìn)行評(píng)估由業(yè)主決定。

在國(guó)內(nèi)，國(guó)家電網(wǎng)各級(jí)公司也在內(nèi)部力推弧閃分析的研究與保護(hù)應(yīng)用。

2 弧閃風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

按照美標(biāo)和歐標(biāo)的規(guī)定，弧閃風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是一個(gè)涉及多個(gè)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(gè)步驟。評(píng)估團(tuán)隊(duì)需要了解現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境和操維流程，確定可接受風(fēng)險(xiǎn)水平，搭建模型來計(jì)算，對(duì)是否采取措施來降低弧閃能量做出決策等。

2.1 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和可接受風(fēng)險(xiǎn)水平

評(píng)估的第一步是風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別。雖然OSHA、NFPA 70E或EN 50110標(biāo)準(zhǔn)都要求進(jìn)行評(píng)估，而只有NFPA 70E的附錄中有簡(jiǎn)單的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別說明，該說明不足以為評(píng)估提供指導(dǎo)。根據(jù)ABB的經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)險(xiǎn)識(shí)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(xiǎn)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(tuán)隊(duì)來確定。

2.2 弧閃能量計(jì)算

弧閃能量計(jì)算較為繁瑣，手工計(jì)算不實(shí)際，一般使用仿真軟件來協(xié)助完成。計(jì)算方法主要有兩類：其一，來源于美標(biāo)NFPA70E和IEEE1584。中國(guó)的DL/T 320參考于美標(biāo)，所以與美標(biāo)歸為同類；其二，來源于歐標(biāo)DGUV。兩種計(jì)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(shí)間、電壓等級(jí)、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(jì)算方式。

1）在美標(biāo)中，IEEE std 1584的計(jì)算過程比較復(fù)雜。按照電壓等級(jí)使用不同的計(jì)算公式，先計(jì)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(jì)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(jì)算出0.6kV以下，0.6kV，2.7kV，14.3kV的節(jié)點(diǎn)弧閃電流、入射能量、弧閃邊界，再根據(jù)實(shí)際電壓大小，在其相鄰的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓中取插值。而系數(shù)修正過程為：計(jì)算修正系數(shù)VarCf，套用到插值法中再計(jì)算一遍，以得出接近實(shí)際的數(shù)值。

15kV以下，試驗(yàn)擬合計(jì)算法：

15kV以上，Lee式模型推導(dǎo)計(jì)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(shí)間0.2 s，工作距離610 mm時(shí)的典型事故能量（J/cm2）；Cf為電壓系數(shù)；t為故障清除時(shí)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(biāo)中，計(jì)算方法則簡(jiǎn)單很多。不計(jì)算弧閃電流和入射能量，而是計(jì)算出弧閃系數(shù)kp，進(jìn)而得出預(yù)估弧閃能量WLB。另一方面，計(jì)算PPE的等效防護(hù)水平WLB?。比較兩者大小來確定保護(hù)方案，見式（7）～式（11）。如果式（11）成立，則可以選擇PPE來防護(hù)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(jì)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(shí)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(cè)試出PPE的標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)水平（kJ）；kT是弧閃發(fā)射系數(shù)（無單位）；WLB?是該系統(tǒng)實(shí)際發(fā)生弧閃時(shí)PPE的等效防護(hù)水平（kJ）。

2.3 降低弧閃風(fēng)險(xiǎn)

當(dāng)計(jì)算出的入射能量或預(yù)期弧閃能量超過可接受風(fēng)險(xiǎn)水平時(shí)，由業(yè)主決策采取哪些措施來降低弧閃風(fēng)險(xiǎn)，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(xiǎn)控制系統(tǒng)，以及NFPA 70E為降低弧閃風(fēng)險(xiǎn)給出的建議。

表1 危險(xiǎn)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(hù)效果差，因?yàn)樗鼈儧]有降低風(fēng)險(xiǎn)本身，而只是控制暴露方式。優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備選擇可以有效地降低風(fēng)險(xiǎn)，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(shí)間：運(yùn)行/維護(hù)切換模式、區(qū)域選擇聯(lián)鎖、母線差動(dòng)保護(hù)、快速接地開關(guān)及弧光&過流保護(hù)等。

3）增加工作距離：使用遠(yuǎn)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(biāo)歐標(biāo)規(guī)定，可能發(fā)生弧閃的設(shè)備必須安裝警示牌。評(píng)估開始時(shí)，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(dāng)?shù)氐囊?，比如語言文字、單位等。國(guó)標(biāo)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(duì)工作人員進(jìn)行定期培訓(xùn)，包括：如何識(shí)別危險(xiǎn)，避免事故，警示牌閱讀，何處找到各自的PPE，如何使用和護(hù)理等。

2.6 PPE的選擇

在美國(guó)，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(jì)算入射能量，根據(jù)結(jié)果選擇合適等級(jí)的PPE；后者不用繁瑣的計(jì)算，而是根據(jù)各項(xiàng)系統(tǒng)參數(shù)直接從表格中選擇。在1.2節(jié)提到，歐標(biāo)中需要計(jì)算PPE的等效保護(hù)弧閃能量，這就需要依據(jù)IEC 61482對(duì)PPE進(jìn)行測(cè)試。由于IEC 61482-1-1測(cè)試出能量單位為cal/cm2或kJ/m2，與美標(biāo)的入射能量單位一致，所以開放式設(shè)備的弧閃能量計(jì)算需要使用美標(biāo)NFPA 70E和IEEE 1584，而使用IEC 61482-1-2測(cè)試的能量單位為kJ，對(duì)應(yīng)于歐標(biāo)DGUV，所以封閉式設(shè)備計(jì)算時(shí)全部使用歐標(biāo)。在國(guó)標(biāo)DL/T 320中，PPE的級(jí)別劃分與美國(guó)相似，在PPE選型配置時(shí)有差異，比如國(guó)標(biāo)中對(duì)耳塞沒有要求，而美標(biāo)相反。

3 工程應(yīng)用

可計(jì)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(biāo)IEEE 1584和NFPA 70E；另一類是BSD Arc Calculator，執(zhí)行歐標(biāo)DGUV。這些軟件一般內(nèi)嵌弧閃模塊，計(jì)算結(jié)果互有差別[17]。

簡(jiǎn)化的評(píng)估流程圖如圖1所示。美標(biāo)NFPA 70E第130.5(D)條要求，弧閃風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)論需要以文件形式歸檔。而在國(guó)際石化行業(yè)中，該文件有所簡(jiǎn)化，稱之為弧閃計(jì)算報(bào)告，內(nèi)容包括：項(xiàng)目介紹、系統(tǒng)工況、各項(xiàng)參數(shù)、軟件計(jì)算結(jié)果、PPE適用級(jí)別等。沙特阿美、巴西國(guó)家石油等國(guó)際先進(jìn)石油公司，明確要求承包方或者委托第三方提供弧閃計(jì)算報(bào)告。該報(bào)告正逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)文件，與潮流、短路、大電機(jī)啟動(dòng)等計(jì)算報(bào)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(guó)內(nèi)海上石油項(xiàng)目中，工程設(shè)計(jì)通常參照美標(biāo)，但在弧閃保護(hù)方面則有所取舍。常規(guī)項(xiàng)目中都不要求提供弧閃計(jì)算報(bào)告或弧閃風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，不計(jì)算弧閃能量，而是從系統(tǒng)配置和繼電保護(hù)方面限制短路電流，進(jìn)而達(dá)到限制弧閃能量的目的。在電力行業(yè)，工程設(shè)計(jì)參照國(guó)標(biāo)，也不要求弧閃計(jì)算，但在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮和降低弧閃風(fēng)險(xiǎn)。除此之外，嚴(yán)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(xiǎn)分析，本文詳細(xì)地闡述了國(guó)內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)體系和執(zhí)行的區(qū)別。美國(guó)最早頒布了關(guān)于弧閃防護(hù)要求的標(biāo)準(zhǔn)，逐漸確定了弧閃計(jì)算，PPE的制造、實(shí)驗(yàn)、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(xiǎn)評(píng)估的流程，世界領(lǐng)先，影響力大。其他國(guó)家，比如加拿大、墨西哥等國(guó)家正在以美標(biāo)為參照，制定自己的標(biāo)準(zhǔn)。歐洲起步較早，也有了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)文件。以德國(guó)為中心，歐標(biāo)在周圍國(guó)家中的影響力逐年上升。中國(guó)起步晚，近十年參考美標(biāo)和IEC標(biāo)準(zhǔn)制定了國(guó)標(biāo)和行標(biāo)，但是沒有得到廣泛的重視和應(yīng)用，在PPE試驗(yàn)、弧閃試驗(yàn)和分析方面落后較多。