張磊 許學(xué)兵 陳亞

(1.上?；磳幤髽I(yè)管理咨詢有限公司 上海 201400； 2.通用電氣公司(GE)電網(wǎng)事業(yè)部 武漢 430073；3.通用電氣傳感與檢測(常州)有限公司 江蘇常州 213164)

0 引言

對于在帶電的裸露導(dǎo)體或電路部件附近工作的電氣操作人員而言，電弧閃光危害已經(jīng)被證明是一個重大的安全風(fēng)險，會造成嚴(yán)重的人員傷亡。大量電弧入射能量產(chǎn)生的高溫可達(dá)太陽表面溫度4倍(約20 000 ℃)，在距離事故點(diǎn)1.52 m范圍內(nèi)會造成致命的燒傷，在距離事故點(diǎn)3.05 m范圍內(nèi)可造成嚴(yán)重的燒傷[1]。雖然國內(nèi)對電弧危害防護(hù)的認(rèn)識起步較晚，但近年來在相關(guān)國標(biāo)中已明確要求要對電弧危險進(jìn)行分析和防護(hù)，如《電氣設(shè)備應(yīng)用場所的安全要求 第1部 總則》[2]的第8.2.1.2條規(guī)定“為了保護(hù)操作人員免受電弧的損傷，應(yīng)進(jìn)行電弧危險分析”，《國家電氣設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范》[3]的第2.2.5條規(guī)定“應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)拇胧?，防止電氣設(shè)備自身或旁臨鄰設(shè)備產(chǎn)生的高溫、電弧、輻射、氣體、噪聲、振動等電能和非電能的間接作用所造成的危險”，而且許多大型生產(chǎn)制造型企業(yè)也逐步將電弧閃光危害防護(hù)確定為工廠安全風(fēng)險考核關(guān)鍵性指標(biāo)。由于現(xiàn)行國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中缺乏對電弧危險風(fēng)險評估的具體指導(dǎo)和要求，電弧危險分析又是電弧風(fēng)險評估的關(guān)鍵和難點(diǎn)，工廠企業(yè)在開展相關(guān)工作時普遍存在困難和誤區(qū)，本文就工廠電弧危險分析的方法和步驟進(jìn)行了剖析和比較，并結(jié)合最新版本IEEE 1584-2018的計算方法，具體介紹了電弧危險分析的十步實(shí)施步驟，以期對工廠進(jìn)行規(guī)范而有效的電弧危險分析和控制。

1 電弧危險分析方法

1976年美國消防協(xié)會(NFPA)的電氣標(biāo)準(zhǔn)編制委員會成立，該委員會主要協(xié)助美國職業(yè)安全與健康管理局(OSHA)制定有關(guān)電氣安全方面的法規(guī)，在1979年發(fā)布了第一版NFPA 70E標(biāo)準(zhǔn)，名為《雇員工作場所的電氣安全要求標(biāo)準(zhǔn)》，在1995年的第五版中首次納入了電弧的內(nèi)容和概念，在2004年的第六版更名為《工作場所的電氣安全標(biāo)準(zhǔn)》[4]。經(jīng)過幾十年多個版本的更迭和完善，NFPA 70E成為指導(dǎo)電弧危害評估的核心標(biāo)準(zhǔn)。最新NFPA 70E-2018版中規(guī)定電弧危險分析有兩種常用方法：1)入射能量分析法；2)電弧PPE分級法。

1.1 入射能量分析法

入射能量分析法是一種公式計算法，這種方法需要大量的計算，通過計算精確地求得特定作業(yè)距離下人員預(yù)期承受的入射能量(單位cal/cm2)，從而確定電弧邊界距離和合適的個人防護(hù)裝備(PPE)，作業(yè)距離的改變直接導(dǎo)致入射能量及其他分析結(jié)果的變化。

作業(yè)距離指的是電弧源距離人員胸部和面部區(qū)域的距離，入射能量的計算可以依據(jù)以下理論或?qū)嶒?yàn)推導(dǎo)公式。

電弧閃光危害界限是距離電弧源入射能量等于1.2 cal/cm2(5J/ cm2)的距離。在這個界限以外電弧入射能量水平下降到不會導(dǎo)致II度燒傷，進(jìn)入這個界限以內(nèi)時，為防范可能的電弧危害，必須穿戴合適的個人防護(hù)裝備(PPE)。

根據(jù)特定作業(yè)距離下的入射能量的計算結(jié)果，可參照NFPA 70E-2018中的表130.5 (G)來選擇個人防護(hù)裝備。

入射能量分析法要求根據(jù)電氣系統(tǒng)不同的類型選擇最合適的計算方法，關(guān)于入射能量的計算有多種方法，表1對各種計算方法和適用條件進(jìn)行了說明。

表1 入射能量計算方法

1.2 PPE分級法

PPE分級法是一種查表法，這種方法比較簡便，不需要計算，通過對照NFPA 70E-2018標(biāo)準(zhǔn)中的“表130.7(C)(15)(a) 交流系統(tǒng)電弧PPE分級”，“表130.7(C)(15)(b) 直流系統(tǒng)電弧PPE分級”，以及“表130.7(C)(15)(c) 個人防護(hù)裝備(PPE)分級”來確定電弧邊界距離和選擇個人防護(hù)裝備(PPE)[7]。

PPE分級法有嚴(yán)格的適用條件，需要按照以下三步來進(jìn)行。

第一步：根據(jù)“表130.5(C) 交流或直流系統(tǒng)中電弧事故出現(xiàn)可能性估計”規(guī)定，從設(shè)備類型、需要執(zhí)行的作業(yè)任務(wù)和設(shè)備的安全狀態(tài)三個方面來判斷是否存在電弧風(fēng)險，若不存在，作業(yè)時應(yīng)注意觸電和電灼傷風(fēng)險；若存在，則同時還應(yīng)注意防范電弧風(fēng)險，需開展下面第二、第三步驟。如果作業(yè)任務(wù)不在130.5(C)列表內(nèi)容里，則PPE分級法不適用，需要使用入射能量分析法。

第二步：如果根據(jù)第一步判斷存在電弧事故的風(fēng)險，則依照“表130.7(C)(15)(a) 交流系統(tǒng)電弧PPE分級”和“表130.7(C)(15)(b) 直流系統(tǒng)電弧PPE分級”來確定電弧邊界距離和需要配備的個人防護(hù)裝備(PPE)分級等級。在查詢應(yīng)用130.7(C)(15)(a)和130.7(C)(15)(b)表格時，需要收集和確定以下信息：

a)設(shè)備類型(配電柜、開關(guān)柜、MCC電機(jī)控制中心等)及電壓等級(V)；

b)設(shè)備預(yù)期最大短路電流(kA)；

c)設(shè)備最大故障清除時間(s，或周波)；

d)最小作業(yè)距離(mm)。

如果設(shè)備的預(yù)期短路電流超過了表格中設(shè)備的最大短路電流，故障清除時間超過表格中設(shè)備的最大故障清除時間，或者工作距離小于表中最小作業(yè)距離，則PPE分級法不適用，需要使用入射能量分析法。

第三步：根據(jù)第二步確定了需要配備的個人防護(hù)裝備(PPE)分級等級后，依照“表130.7(C)(15)(c) 個人防護(hù)裝備(PPE)分級”來選擇需要配備的防電弧服和其他個人防護(hù)裝備。每個PPE等級都包含保護(hù)身體不同部分的全套防護(hù)裝備，一共分為四級，具體內(nèi)容參見130.7(C)(15)(c)，每級PPE至少需要滿足的防電弧能量如下(見表2)。

表2 各個PPE等級最小防電弧能量

列表中第4級PPE的最小防電弧能量為40 cal/cm2，在實(shí)踐中當(dāng)電弧能量超過40 cal/cm2時，認(rèn)為是極端危險，即使PPE能滿足防電弧能量的要求，但人們通常承受不了該入射能量對應(yīng)的電弧爆炸沖擊波超壓對人體造成的機(jī)械打擊傷害，故禁止該位置的帶電作業(yè)。

1.3 入射能量分析法和PPE分級法的比較

入射能量分析法和電弧PPE分級法都可以進(jìn)行電弧危險分析，如果按照方法要求正確使用，結(jié)果都是有效和可靠的，但它們在適用范圍、參數(shù)條件要求和實(shí)施步驟等方面都有各自的要求，下面從多個方面對兩種方法進(jìn)行比較(見表3)。

表3 入射能量分析法和電弧PPE分級法的對比

從表3可以發(fā)現(xiàn)：

1)入射能量分析法適用范圍較廣，頻率適用國內(nèi)50 Hz電力系統(tǒng)，作業(yè)任務(wù)無限制；電弧PPE分級法方法適用范圍相對較窄，限于表中所列設(shè)備類型和對應(yīng)電壓，電弧故障清除時間是按照60 Hz頻率來換算，是否等同適用50 Hz頻率電力系統(tǒng)有待驗(yàn)證，作業(yè)任務(wù)限于“表130.5(C)”中所列任務(wù)。

2)入射能量分析法需要收集完整的電氣系統(tǒng)、電極結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式等數(shù)據(jù)，要進(jìn)行電弧電流、縮減電弧電流、分?jǐn)嗳萘?、保護(hù)整定等計算和分析，對分析人員的要求較高，需要投入的時間和成本較大，但分析結(jié)果比較準(zhǔn)確和可靠；電弧PPE分級法只需要預(yù)計最大短路電流和最大故障清除時間，對照表格查找對應(yīng)PPE等級和電弧邊界距離，對分析人員的要求較低，簡單快捷。但在實(shí)踐中往往存在只注意匹配設(shè)備類型和電壓，而忽視或不能確定預(yù)期最大短路電流和最大故障清除時間，導(dǎo)致最終的PPE等級偏大(降低人員工作的靈活性和便利性)或結(jié)果PPE等級偏小(增大傷害風(fēng)險)。

3)入射能量分析法根據(jù)特定作業(yè)距離計算對應(yīng)的入射能量，并基于入射能量值大小來選擇PPE裝備，這樣從廠家采購PPE時選擇性較大；電弧PPE分級法將防電弧裝備分成四級，這個分級標(biāo)準(zhǔn)和各個生產(chǎn)廠家的等級標(biāo)準(zhǔn)或《個人電弧防護(hù)用品通用技術(shù)要求》(DL/T 320—2010)中的PPE分級標(biāo)準(zhǔn)并不一致，選購時容易造成混淆。

4)入射能量分析法嚴(yán)格按照1.2 cal/cm2(或5 J/cm2)的能量標(biāo)準(zhǔn)計算出精確的電弧邊界距離，在這個距離以外電弧能量水平下降到不會導(dǎo)致二級燒傷的范圍；電弧PPE分級法則根據(jù)不同的設(shè)備類型來確定電弧邊界距離，防護(hù)效果有待驗(yàn)證。

5)入射能量分析法的結(jié)果時效性較長，在沒有工程改造、重大事故、相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)重大變更情況下，可適用5年，電弧危害標(biāo)簽張貼在設(shè)備現(xiàn)場，歷次電氣作業(yè)都可應(yīng)用，簡便高效；PPE分級法僅限一次有效，每次帶電作業(yè)均需對設(shè)備狀況等按照前述的列表逐一再次評估，存在結(jié)果的不確定性和重復(fù)評估的二次成本。

綜上所述，國內(nèi)工廠企業(yè)進(jìn)行電弧危害分析宜采用入射能量分析法，雖然需要安排專業(yè)的人員和利用更多的資源來實(shí)施，但分析結(jié)果的可靠性和總體效率更高。在實(shí)踐中，當(dāng)尚未開展實(shí)施入射能量分析法時，PPE分級法可作為企業(yè)辨識電弧危害的臨時替代方法。

2 電弧危險分析實(shí)施步驟

確定了電弧危險分析方法后，采取規(guī)范有序的實(shí)施步驟才能得到最終準(zhǔn)確的結(jié)果。根據(jù)前文的分析對比，入射能量分析法比較適合國內(nèi)工廠企業(yè)電氣系統(tǒng)的特點(diǎn)和實(shí)際要求，在入射能量的幾種計算方法中，IEEE 1584-2018實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)法是基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和曲線擬合而開發(fā)的計算模型和公式，基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)最全，結(jié)果可靠性和認(rèn)可度高，在國際上應(yīng)用最普遍。因此，下文基于IEEE 1584-2018實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)法的計算要求，總結(jié)了電弧危險分析十步實(shí)施法，具體說明工廠企業(yè)電弧危害分析常用內(nèi)容和流程。

第一步：收集電氣系統(tǒng)及設(shè)備安裝數(shù)據(jù)。收集完整的電氣系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)行短路電流計算和保護(hù)設(shè)備整定配合分析。待采集的主要數(shù)據(jù)包括：1)電氣系統(tǒng)單線圖；2)系統(tǒng)運(yùn)行方式；3)系統(tǒng)短路容量；4)變壓器銘牌值或出廠測試報告；5)MCC柜或電動機(jī)負(fù)荷值；6)電纜及母線槽參數(shù)；7)斷路器和(或)熔斷器參數(shù)及設(shè)定值；8)高壓保護(hù)定值單；9)保護(hù)設(shè)備跳閘測試報告。注意現(xiàn)場數(shù)據(jù)的收集需要在專業(yè)工程師指導(dǎo)下并在斷電時進(jìn)行。

第二步：計算每個設(shè)備位置的短路電流。根據(jù)第一步收集的系統(tǒng)數(shù)據(jù)計算設(shè)備點(diǎn)預(yù)期金屬性短路電流，電動機(jī)反饋電流也需要考慮在內(nèi)。根據(jù)流過保護(hù)設(shè)備的短路電流，評估保護(hù)設(shè)備的分?jǐn)嗳萘渴欠駶M足要求。典型的方法是將數(shù)據(jù)輸入如EasyPower等類似的商業(yè)軟件程序，軟件程序可以創(chuàng)建一個電氣系統(tǒng)仿真模型，計算出在各種運(yùn)行方式下的每個設(shè)備位置的短路電流和評估保護(hù)設(shè)備分?jǐn)嗳萘渴欠駶M足短路電流的要求。

第三步：根據(jù)電壓等級和設(shè)備類型確定導(dǎo)體間距和設(shè)備柜體尺寸。導(dǎo)體間距和設(shè)備柜體尺寸等因素會影響IEEE 1584-2018公式計算的電弧能量結(jié)果。

第四步：確定設(shè)備電極結(jié)構(gòu)類型。電極結(jié)構(gòu)對入射能量的大小有顯著的影響，根據(jù)設(shè)備導(dǎo)線的布置方式將電極結(jié)構(gòu)分為5種類型：1)在金屬盒或箱體中的垂直電極(VCB)；2)在金屬盒或箱體中的端部有絕緣遮擋的垂直導(dǎo)體(VCBB)；3)在金屬盒或箱體內(nèi)部的水平電極(HCB)；4)露天的垂直電極(VOA)；5)露天的水平電極(HOA)。

第五步：確定作業(yè)距離。作業(yè)距離指的是潛在電弧源與作業(yè)人員的身體和臉部之間的距離，這個距離用來計算電弧輻射能量，決定個人防護(hù)裝備的等級。455 mm通常用于大多數(shù)日常維護(hù)工作，入射能量隨著距離電弧源距離的增加而減小。

第六步：計算電弧電流。在發(fā)生電弧故障的情況下，由于增加了電弧的阻抗，流向故障的電流會減少，因此需要使用IEEE 1584-2018的公式，通過短路電流轉(zhuǎn)換計算得到。為了正確地確定電弧的持續(xù)時間，須計算通過電路中每個上游保護(hù)設(shè)備的部分電弧故障電流?；陔娀〉淖兓?，還需要計算縮減的最小電弧電流來參與第二次的入射能量計算。

第七步：確定電弧持續(xù)的時間。根據(jù)流過故障點(diǎn)上游保護(hù)設(shè)備的電弧電流或縮減電弧電流、保護(hù)設(shè)備的設(shè)定值以及脫扣曲線特性，確定清除電弧的時間。由于保護(hù)設(shè)備的過流保護(hù)段普遍具有反時限特性，人工很難確定準(zhǔn)確的動作時間，典型的方法是借助商業(yè)軟件繪制的保護(hù)設(shè)備時間電流曲線(TCC)來自動拾取。

第八步：計算入射能量。應(yīng)用IEEE 1584-2018公式對所有設(shè)備進(jìn)行兩次入射能量的計算，兩個計算結(jié)果中較高的一個將作為最終結(jié)果。第一次計算使用計算出的電弧電流和相應(yīng)的保護(hù)設(shè)備的清除時間來進(jìn)行，第二次計算用縮減的最小電弧電流和保護(hù)設(shè)備相應(yīng)的清除時間來進(jìn)行。由于手工計算的復(fù)雜性，建議使用軟件來完成這一步。

第九步：計算所有設(shè)備的電弧閃光危害界限。計算入射能量為1.2 cal/cm2(或5J/cm2)的距離。由于與第二步和第八步相同的原因，也建議使用軟件進(jìn)行計算。

第十步：選擇個人防護(hù)裝備。根據(jù)NFPA 70E-2018標(biāo)準(zhǔn)中的“表130.5(G)基于入射能量分析法的防電弧服及其它PPE選擇”和計算出的最終入射能量，來選擇合適的防電弧個人防護(hù)裝備。

3 結(jié)語

本文根據(jù)國際通行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求和國內(nèi)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，探討了工廠電弧閃光危害分析方法和實(shí)施步驟。定量化的電弧危險分析只是建立和實(shí)施全面的電弧危險評估與控制的第一步。電弧危險分析后，企業(yè)應(yīng)張貼電弧警示標(biāo)簽，主動培養(yǎng)和提高員工電弧危險防范意識，研究制定降低入射能量的措施和改造計劃，配備合適的個人防護(hù)用品并完善相應(yīng)的電氣安全管理規(guī)程，切實(shí)起到降低和預(yù)防工廠電弧傷害的作用。