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        工廠企業(yè)電弧危險分析方法和實(shí)施步驟

        2021-11-19 08:16:08張磊許學(xué)兵陳亞
        工業(yè)安全與環(huán)保 2021年11期
        關(guān)鍵詞:電弧分析法短路

        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。

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