工厂企业电弧危险分析方法和实施步骤

张磊 许学兵 陈亚

(1.上海淮宁企业管理咨询有限公司 上海 201400； 2.通用电气公司(GE)电网事业部 武汉 430073；3.通用电气传感与检测(常州)有限公司 江苏常州 213164)

0 引言

对于在带电的裸露导体或电路部件附近工作的电气操作人员而言，电弧闪光危害已经被证明是一个重大的安全风险，会造成严重的人员伤亡。大量电弧入射能量产生的高温可达太阳表面温度4倍(约20 000 ℃)，在距离事故点1.52 m范围内会造成致命的烧伤，在距离事故点3.05 m范围内可造成严重的烧伤[1]。虽然国内对电弧危害防护的认识起步较晚，但近年来在相关国标中已明确要求要对电弧危险进行分析和防护，如《电气设备应用场所的安全要求 第1部 总则》[2]的第8.2.1.2条规定“为了保护操作人员免受电弧的损伤，应进行电弧危险分析”，《国家电气设备安全技术规范》[3]的第2.2.5条规定“应当采取适当的措施，防止电气设备自身或旁临邻设备产生的高温、电弧、辐射、气体、噪声、振动等电能和非电能的间接作用所造成的危险”，而且许多大型生产制造型企业也逐步将电弧闪光危害防护确定为工厂安全风险考核关键性指标。由于现行国内标准中缺乏对电弧危险风险评估的具体指导和要求，电弧危险分析又是电弧风险评估的关键和难点，工厂企业在开展相关工作时普遍存在困难和误区，本文就工厂电弧危险分析的方法和步骤进行了剖析和比较，并结合最新版本IEEE 1584-2018的计算方法，具体介绍了电弧危险分析的十步实施步骤，以期对工厂进行规范而有效的电弧危险分析和控制。

1 电弧危险分析方法

1976年美国消防协会(NFPA)的电气标准编制委员会成立，该委员会主要协助美国职业安全与健康管理局(OSHA)制定有关电气安全方面的法规，在1979年发布了第一版NFPA 70E标准，名为《雇员工作场所的电气安全要求标准》，在1995年的第五版中首次纳入了电弧的内容和概念，在2004年的第六版更名为《工作场所的电气安全标准》[4]。经过几十年多个版本的更迭和完善，NFPA 70E成为指导电弧危害评估的核心标准。最新NFPA 70E-2018版中规定电弧危险分析有两种常用方法：1)入射能量分析法；2)电弧PPE分级法。

1.1 入射能量分析法

入射能量分析法是一种公式计算法，这种方法需要大量的计算，通过计算精确地求得特定作业距离下人员预期承受的入射能量(单位cal/cm2)，从而确定电弧边界距离和合适的个人防护装备(PPE)，作业距离的改变直接导致入射能量及其他分析结果的变化。

作业距离指的是电弧源距离人员胸部和面部区域的距离，入射能量的计算可以依据以下理论或实验推导公式。

电弧闪光危害界限是距离电弧源入射能量等于1.2 cal/cm2(5J/ cm2)的距离。在这个界限以外电弧入射能量水平下降到不会导致II度烧伤，进入这个界限以内时，为防范可能的电弧危害，必须穿戴合适的个人防护装备(PPE)。

根据特定作业距离下的入射能量的计算结果，可参照NFPA 70E-2018中的表130.5 (G)来选择个人防护装备。

入射能量分析法要求根据电气系统不同的类型选择最合适的计算方法，关于入射能量的计算有多种方法，表1对各种计算方法和适用条件进行了说明。

表1 入射能量计算方法

1.2 PPE分级法

PPE分级法是一种查表法，这种方法比较简便，不需要计算，通过对照NFPA 70E-2018标准中的“表130.7(C)(15)(a) 交流系统电弧PPE分级”，“表130.7(C)(15)(b) 直流系统电弧PPE分级”，以及“表130.7(C)(15)(c) 个人防护装备(PPE)分级”来确定电弧边界距离和选择个人防护装备(PPE)[7]。

PPE分级法有严格的适用条件，需要按照以下三步来进行。

第一步：根据“表130.5(C) 交流或直流系统中电弧事故出现可能性估计”规定，从设备类型、需要执行的作业任务和设备的安全状态三个方面来判断是否存在电弧风险，若不存在，作业时应注意触电和电灼伤风险；若存在，则同时还应注意防范电弧风险，需开展下面第二、第三步骤。如果作业任务不在130.5(C)列表内容里，则PPE分级法不适用，需要使用入射能量分析法。

第二步：如果根据第一步判断存在电弧事故的风险，则依照“表130.7(C)(15)(a) 交流系统电弧PPE分级”和“表130.7(C)(15)(b) 直流系统电弧PPE分级”来确定电弧边界距离和需要配备的个人防护装备(PPE)分级等级。在查询应用130.7(C)(15)(a)和130.7(C)(15)(b)表格时，需要收集和确定以下信息：

a)设备类型(配电柜、开关柜、MCC电机控制中心等)及电压等级(V)；

b)设备预期最大短路电流(kA)；

c)设备最大故障清除时间(s，或周波)；

d)最小作业距离(mm)。

如果设备的预期短路电流超过了表格中设备的最大短路电流，故障清除时间超过表格中设备的最大故障清除时间，或者工作距离小于表中最小作业距离，则PPE分级法不适用，需要使用入射能量分析法。

第三步：根据第二步确定了需要配备的个人防护装备(PPE)分级等级后，依照“表130.7(C)(15)(c) 个人防护装备(PPE)分级”来选择需要配备的防电弧服和其他个人防护装备。每个PPE等级都包含保护身体不同部分的全套防护装备，一共分为四级，具体内容参见130.7(C)(15)(c)，每级PPE至少需要满足的防电弧能量如下(见表2)。

表2 各个PPE等级最小防电弧能量

列表中第4级PPE的最小防电弧能量为40 cal/cm2，在实践中当电弧能量超过40 cal/cm2时，认为是极端危险，即使PPE能满足防电弧能量的要求，但人们通常承受不了该入射能量对应的电弧爆炸冲击波超压对人体造成的机械打击伤害，故禁止该位置的带电作业。

1.3 入射能量分析法和PPE分级法的比较

入射能量分析法和电弧PPE分级法都可以进行电弧危险分析，如果按照方法要求正确使用，结果都是有效和可靠的，但它们在适用范围、参数条件要求和实施步骤等方面都有各自的要求，下面从多个方面对两种方法进行比较(见表3)。

表3 入射能量分析法和电弧PPE分级法的对比

从表3可以发现：

1)入射能量分析法适用范围较广，频率适用国内50 Hz电力系统，作业任务无限制；电弧PPE分级法方法适用范围相对较窄，限于表中所列设备类型和对应电压，电弧故障清除时间是按照60 Hz频率来换算，是否等同适用50 Hz频率电力系统有待验证，作业任务限于“表130.5(C)”中所列任务。

2)入射能量分析法需要收集完整的电气系统、电极结构和运行方式等数据，要进行电弧电流、缩减电弧电流、分断容量、保护整定等计算和分析，对分析人员的要求较高，需要投入的时间和成本较大，但分析结果比较准确和可靠；电弧PPE分级法只需要预计最大短路电流和最大故障清除时间，对照表格查找对应PPE等级和电弧边界距离，对分析人员的要求较低，简单快捷。但在实践中往往存在只注意匹配设备类型和电压，而忽视或不能确定预期最大短路电流和最大故障清除时间，导致最终的PPE等级偏大(降低人员工作的灵活性和便利性)或结果PPE等级偏小(增大伤害风险)。

3)入射能量分析法根据特定作业距离计算对应的入射能量，并基于入射能量值大小来选择PPE装备，这样从厂家采购PPE时选择性较大；电弧PPE分级法将防电弧装备分成四级，这个分级标准和各个生产厂家的等级标准或《个人电弧防护用品通用技术要求》(DL/T 320—2010)中的PPE分级标准并不一致，选购时容易造成混淆。

4)入射能量分析法严格按照1.2 cal/cm2(或5 J/cm2)的能量标准计算出精确的电弧边界距离，在这个距离以外电弧能量水平下降到不会导致二级烧伤的范围；电弧PPE分级法则根据不同的设备类型来确定电弧边界距离，防护效果有待验证。

5)入射能量分析法的结果时效性较长，在没有工程改造、重大事故、相关法规标准重大变更情况下，可适用5年，电弧危害标签张贴在设备现场，历次电气作业都可应用，简便高效；PPE分级法仅限一次有效，每次带电作业均需对设备状况等按照前述的列表逐一再次评估，存在结果的不确定性和重复评估的二次成本。

综上所述，国内工厂企业进行电弧危害分析宜采用入射能量分析法，虽然需要安排专业的人员和利用更多的资源来实施，但分析结果的可靠性和总体效率更高。在实践中，当尚未开展实施入射能量分析法时，PPE分级法可作为企业辨识电弧危害的临时替代方法。

2 电弧危险分析实施步骤

确定了电弧危险分析方法后，采取规范有序的实施步骤才能得到最终准确的结果。根据前文的分析对比，入射能量分析法比较适合国内工厂企业电气系统的特点和实际要求，在入射能量的几种计算方法中，IEEE 1584-2018实验推导法是基于实验数据统计分析和曲线拟合而开发的计算模型和公式，基础试验数据最全，结果可靠性和认可度高，在国际上应用最普遍。因此，下文基于IEEE 1584-2018实验推导法的计算要求，总结了电弧危险分析十步实施法，具体说明工厂企业电弧危害分析常用内容和流程。

第一步：收集电气系统及设备安装数据。收集完整的电气系统参数，进行短路电流计算和保护设备整定配合分析。待采集的主要数据包括：1)电气系统单线图；2)系统运行方式；3)系统短路容量；4)变压器铭牌值或出厂测试报告；5)MCC柜或电动机负荷值；6)电缆及母线槽参数；7)断路器和(或)熔断器参数及设定值；8)高压保护定值单；9)保护设备跳闸测试报告。注意现场数据的收集需要在专业工程师指导下并在断电时进行。

第二步：计算每个设备位置的短路电流。根据第一步收集的系统数据计算设备点预期金属性短路电流，电动机反馈电流也需要考虑在内。根据流过保护设备的短路电流，评估保护设备的分断容量是否满足要求。典型的方法是将数据输入如EasyPower等类似的商业软件程序，软件程序可以创建一个电气系统仿真模型，计算出在各种运行方式下的每个设备位置的短路电流和评估保护设备分断容量是否满足短路电流的要求。

第三步：根据电压等级和设备类型确定导体间距和设备柜体尺寸。导体间距和设备柜体尺寸等因素会影响IEEE 1584-2018公式计算的电弧能量结果。

第四步：确定设备电极结构类型。电极结构对入射能量的大小有显著的影响，根据设备导线的布置方式将电极结构分为5种类型：1)在金属盒或箱体中的垂直电极(VCB)；2)在金属盒或箱体中的端部有绝缘遮挡的垂直导体(VCBB)；3)在金属盒或箱体内部的水平电极(HCB)；4)露天的垂直电极(VOA)；5)露天的水平电极(HOA)。

第五步：确定作业距离。作业距离指的是潜在电弧源与作业人员的身体和脸部之间的距离，这个距离用来计算电弧辐射能量，决定个人防护装备的等级。455 mm通常用于大多数日常维护工作，入射能量随着距离电弧源距离的增加而减小。

第六步：计算电弧电流。在发生电弧故障的情况下，由于增加了电弧的阻抗，流向故障的电流会减少，因此需要使用IEEE 1584-2018的公式，通过短路电流转换计算得到。为了正确地确定电弧的持续时间，须计算通过电路中每个上游保护设备的部分电弧故障电流。基于电弧的变化性，还需要计算缩减的最小电弧电流来参与第二次的入射能量计算。

第七步：确定电弧持续的时间。根据流过故障点上游保护设备的电弧电流或缩减电弧电流、保护设备的设定值以及脱扣曲线特性，确定清除电弧的时间。由于保护设备的过流保护段普遍具有反时限特性，人工很难确定准确的动作时间，典型的方法是借助商业软件绘制的保护设备时间电流曲线(TCC)来自动拾取。

第八步：计算入射能量。应用IEEE 1584-2018公式对所有设备进行两次入射能量的计算，两个计算结果中较高的一个将作为最终结果。第一次计算使用计算出的电弧电流和相应的保护设备的清除时间来进行，第二次计算用缩减的最小电弧电流和保护设备相应的清除时间来进行。由于手工计算的复杂性，建议使用软件来完成这一步。

第九步：计算所有设备的电弧闪光危害界限。计算入射能量为1.2 cal/cm2(或5J/cm2)的距离。由于与第二步和第八步相同的原因，也建议使用软件进行计算。

第十步：选择个人防护装备。根据NFPA 70E-2018标准中的“表130.5(G)基于入射能量分析法的防电弧服及其它PPE选择”和计算出的最终入射能量，来选择合适的防电弧个人防护装备。

3 结语

本文根据国际通行标准规范要求和国内实践经验，探讨了工厂电弧闪光危害分析方法和实施步骤。定量化的电弧危险分析只是建立和实施全面的电弧危险评估与控制的第一步。电弧危险分析后，企业应张贴电弧警示标签，主动培养和提高员工电弧危险防范意识，研究制定降低入射能量的措施和改造计划，配备合适的个人防护用品并完善相应的电气安全管理规程，切实起到降低和预防工厂电弧伤害的作用。