張磊 許學兵 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險，會造成嚴重的人員傷亡。大量電弧入射能量產(chǎn)生的高溫可達太陽表面溫度4倍(約20 000 ℃)，在距離事故點1.52 m范圍內會造成致命的燒傷，在距離事故點3.05 m范圍內可造成嚴重的燒傷[1]。雖然國內對電弧危害防護的認識起步較晚，但近年來在相關國標中已明確要求要對電弧危險進行分析和防護，如《電氣設備應用場所的安全要求 第1部 總則》[2]的第8.2.1.2條規(guī)定“為了保護操作人員免受電弧的損傷，應進行電弧危險分析”，《國家電氣設備安全技術規(guī)范》[3]的第2.2.5條規(guī)定“應當采取適當?shù)拇胧?，防止電氣設備自身或旁臨鄰設備產(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確定為工廠安全風險考核關鍵性指標。由于現(xiàn)行國內標準中缺乏對電弧危險風險評估的具體指導和要求，電弧危險分析又是電弧風險評估的關鍵和難點，工廠企業(yè)在開展相關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行了剖析和比較，并結合最新版本IEEE 1584-2018的計算方法，具體介紹了電弧危險分析的十步實施步驟，以期對工廠進行規(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)的電氣標準編制委員會成立，該委員會主要協(xié)助美國職業(yè)安全與健康管理局(OSHA)制定有關電氣安全方面的法規(guī)，在1979年發(fā)布了第一版NFPA 70E標準，名為《雇員工作場所的電氣安全要求標準》，在1995年的第五版中首次納入了電弧的內容和概念，在2004年的第六版更名為《工作場所的電氣安全標準》[4]。經(jīng)過幾十年多個版本的更迭和完善，NFPA 70E成為指導電弧危害評估的核心標準。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裝備(PPE)，作業(yè)距離的改變直接導致入射能量及其他分析結果的變化。

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)以下理論或實驗推導公式。

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致II度燒傷，進入這個界限以內時，為防范可能的電弧危害，必須穿戴合適的個人防護裝備(PPE)。

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

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標準中的“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) 個人防護裝備(PPE)分級”來確定電弧邊界距離和選擇個人防護裝備(PPE)[7]。

PPE分級法有嚴格的適用條件，需要按照以下三步來進行。

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，從設備類型、需要執(zhí)行的作業(yè)任務和設備的安全狀態(tài)三個方面來判斷是否存在電弧風險，若不存在，作業(yè)時應注意觸電和電灼傷風險；若存在，則同時還應注意防范電弧風險，需開展下面第二、第三步驟。如果作業(yè)任務不在130.5(C)列表內容里，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裝備(PPE)分級等級。在查詢應用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)設備類型(配電柜、開關柜、MCC電機控制中心等)及電壓等級(V)；

b)設備預期最大短路電流(kA)；

c)設備最大故障清除時間(s，或周波)；

d)最小作業(yè)距離(mm)。

如果設備的預期短路電流超過了表格中設備的最大短路電流，故障清除時間超過表格中設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裝備(PPE)分級等級后，依照“表130.7(C)(15)(c) 個人防護裝備(PPE)分級”來選擇需要配備的防電弧服和其他個人防護裝備。每個PPE等級都包含保護身體不同部分的全套防護裝備，一共分為四級，具體內容參見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，在實踐中當電弧能量超過40 cal/cm2時，認為是極端危險，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的電弧爆炸沖擊波超壓對人體造成的機械打擊傷害，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分級法都可以進行電弧危險分析，如果按照方法要求正確使用，結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50 Hz電力系統(tǒng)，作業(yè)任務無限制；電弧PPE分級法方法適用范圍相對較窄，限于表中所列設備類型和對應電壓，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)有待驗證，作業(yè)任務限于“表130.5(C)”中所列任務。

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

3)入射能量分析法根據(jù)特定作業(yè)距離計算對應的入射能量，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，這個分級標準和各個生產(chǎn)廠家的等級標準或《個人電弧防護用品通用技術要求》(DL/T 320—2010)中的PPE分級標準并不一致，選購時容易造成混淆。

4)入射能量分析法嚴格按照1.2 cal/cm2(或5 J/cm2)的能量標準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致二級燒傷的范圍；電弧PPE分級法則根據(jù)不同的設備類型來確定電弧邊界距離，防護效果有待驗證。

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

綜上所述，國內工廠企業(yè)進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施，但分析結果的可靠性和總體效率更高。在實踐中，當尚未開展實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 電弧危險分析實施步驟

確定了電弧危險分析方法后，采取規(guī)范有序的實施步驟才能得到最終準確的結果。根據(jù)前文的分析對比，入射能量分析法比較適合國內工廠企業(yè)電氣系統(tǒng)的特點和實際要求，在入射能量的幾種計算方法中，IEEE 1584-2018實驗推導法是基于實驗數(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，基礎試驗數(shù)據(jù)最全，結果可靠性和認可度高，在國際上應用最普遍。因此，下文基于IEEE 1584-2018實驗推導法的計算要求，總結了電弧危險分析十步實施法，具體說明工廠企業(yè)電弧危害分析常用內容和流程。

第一步：收集電氣系統(tǒng)及設備安裝數(shù)據(jù)。收集完整的電氣系統(tǒng)參數(shù)，進行短路電流計算和保護設備整定配合分析。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柜或電動機負荷值；6)電纜及母線槽參數(shù)；7)斷路器和(或)熔斷器參數(shù)及設定值；8)高壓保護定值單；9)保護設備跳閘測試報告。注意現(xiàn)場數(shù)據(jù)的收集需要在專業(yè)工程師指導下并在斷電時進行。

第二步：計算每個設備位置的短路電流。根據(jù)第一步收集的系統(tǒng)數(shù)據(jù)計算設備點預期金屬性短路電流，電動機反饋電流也需要考慮在內。根據(jù)流過保護設備的短路電流，評估保護設備的分斷容量是否滿足要求。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，計算出在各種運行方式下的每個設備位置的短路電流和評估保護設備分斷容量是否滿足短路電流的要求。

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

第四步：確定設備電極結構類型。電極結構對入射能量的大小有顯著的影響，根據(jù)設備導線的布置方式將電極結構分為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體(VCBB)；3)在金屬盒或箱體內部的水平電極(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，決定個人防護裝備的等級。455 mm通常用于大多數(shù)日常維護工作，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設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)流過故障點上游保護設備的電弧電流或縮減電弧電流、保護設備的設定值以及脫扣曲線特性，確定清除電弧的時間。由于保護設備的過流保護段普遍具有反時限特性，人工很難確定準確的動作時間，典型的方法是借助商業(yè)軟件繪制的保護設備時間電流曲線(TCC)來自動拾取。

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

第九步：計算所有設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，也建議使用軟件進行計算。

第十步：選擇個人防護裝備。根據(jù)NFPA 70E-2018標準中的“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裝備。

3 結語

本文根據(jù)國際通行標準規(guī)范要求和國內實踐經(jīng)驗，探討了工廠電弧閃光危害分析方法和實施步驟。定量化的電弧危險分析只是建立和實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)應張貼電弧警示標簽，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用品并完善相應的電氣安全管理規(guī)程，切實起到降低和預防工廠電弧傷害的作用。