船舶高压电力系统中弧闪的计算方案

冯 晔

(武汉船舶职业技术学院，湖北武汉 430050)

在船舶高压电力系统的维修保养过程中，电弧能量的风险并没有受到足够的重视，大多数船队提供的个人防护装备和维护工具都只考虑绝缘性能而忽视了电弧的危害；随着高压电船舶普及率越来越高，发生弧闪事故的几率也逐渐增加，而这类事故多由故障电弧引起，电弧的风险应受到船队高压电设备管理和作业人员的重视并采取防护措施。

美国国家电气规程(NEC)中仅要求有弧闪风险的设备要配备警示标志，但是美国国家消防协会出版的工作场所电气安全标准NFPA 70E中对弧闪风险的要求更细致，它要求：为防止作业人员被电弧烧伤，要对弧闪进行风险评估。此外它还要求弧闪风险评估应包括对高压电设备每个部件的弧闪防护界线进行计算，并确认与设备各部件保持合适的安全距离时所需要的个人防护装备等级。

工作场所电气安全标准NFPA 70E和电气与电子工程师协会的IEEE 1584标准中都对弧闪故障的计算提供了指南，高压电设备管理人员只要合理地使用这些指南选择合适的计算方案进行计算就能获得所需防电弧PPE的参数。

1 电弧能量的计算

NFPA 70E中的经验公式如下：

(1)

式中EMB是电弧能量,DB是安全操作距离(参见IEEE 1584表3),tA电弧持续时间, F是短路或故障电流。公式中的距离单位为英寸，所得结果的单位是卡路里每平方厘米(cal/cm2)。

此公式能准确估算高压电设备标准部件发生弧闪事件时的电弧状态，但是它只适用于短路电流F在16kA-50kA范围内的电气设备。

如果需要计算16KA-50KA短路电流范围以外的电弧能量需要使用IEEE 1584-2002中建议的电弧能量计算公式：

log[En]=k1+k2+1.081log[Ia]+0.0011G，

(2)

E=4.184 Cf×En(t÷0.2)×(610x÷Dx)

(3)

式中En是典型电弧放电时的能量(J/cm2)；E是故障电弧能量(J/cm2)；Ia是电弧电流；Cf是系数，1kV以上取1.0，1kV以下取1.5；t是电弧持续时间(s)；D是操作距离(参考IEEE 1584中的表3)；X是距离指数；K1是常数，敞开式结构取-0.792，箱式结构取-0.555；K2是常数，中性点不接地和中性点经过高阻接地的系统为0，接地系统取-0.113；G是导体间隙(mm)。

该计算模型，适用的故障范围更宽泛(0.208kV-15kV电压等级和0.7kA-106kA短路电流)。

2 电弧能量与故障电流的关系

由公式3可知故障电弧的能量(短路电流或金属接地电流)与电弧的持续时间t成正比，与操作点到电弧发生点的距离D成反比。

对同一设备，同一工作距离D，短路电流持续时间t均为0.2s的情况下，将两种经验公式在不同短路电流时对应的电弧能量在坐标图中表示出来得到图1的曲线，可以看出IEEE 1584计算模型对应的曲线几乎是线性的，而NFPA 70E的计算模型对应的曲线有部分呈非线性状态。

图1 t为0.2s时，电弧能量-短路电流曲线图

同一设备，同一工作距离D，短路电流Ia都为25kA的情况下进行计算得到图2电弧能量对电弧持续时间t的曲线，两种计算方式对应的曲线都是线性的，NFPA 70E的算法仅以最大短路电流值为参考，所得电弧能量偏高, 得出的曲线斜率更大。

图2 Ia为25kA时，电弧能量-短路电流曲线图

在工作距离D和设备都确定的情况下，两种算法中的电弧能量值取决于与故障电流的大小和弧闪的持续时间。故障电流的大小取决于设备本身的设计，电弧持续时间取决于开关分断保护动作的时间设定值。

我们以额定电流为400A的MCCB和2000A 的LSI CB两种断路器为例来进行电弧能量的计算，由图3可知400A的断路器电流达到2.8kA，2000A的断路器电流达到16kA都会激活各自的瞬时跳闸保护。

对2000A断路器用两种公式进行计算可得在不同短路电流时对应的电弧能量曲线，如图4：

图4 2000A断路器的电弧能量-短路电流曲线图

IEEE 1584算法电弧能量的峰值出现在7.5kA和16kA，7.5kA峰值电流就是2000A断路器从长延时跳闸进入短延时跳闸的拐点，16kA峰值电流是2000A断路器从短延时跳闸进入瞬时跳闸的拐点。从图中可以看出NFPA 70E中的公式对应的曲线并没有出现峰值电流，因为NFPA 70E中的公式适用的电流范围大于16kA，所以这时不应使用NFPA 70E中的公式；如果以跳闸电流为16kA以上的断路器为对象使用NFPA 70E中的公式计算也能出现峰值电流点。

再以400A断路器为对象用两种公式计算可得不同短路电流时对应的电弧能量曲线，如图5：

图5 400A断路器的电弧能量-短路电流曲线图

由图5可知使用IEEE 1584的经验公式计算，获得的曲线出现了峰值电流点3kA，由图3可知它是400A断路器短延时到瞬时跳闸的转折点，而NFPA 70E提供的公式在这类断路器中无法发挥作用。

显然，对电弧电流的计算不能采用太过保守的方式，仅考虑设备在最大短路电流下工作的状况，较低的短路电流也能产生较高的电弧能量。因此，电气与电子工程师协会IEEE建议对电弧能量的计算要基于电弧电流计算一次，再以电弧电流的85%计算一次，结果取其大者。

1kV以下的完全短路电流的计算应使用以下公式：

log[Ia]=K+0.662 log[Ibf]+0.0966V+0.000526 G+0.5588V log[Ibf]-0.00304G log[Ibf]

1kV以上使用公式：

log[Ia]=0.00402+0.983 log[Ibf]

以上公式中K为常数，开放结构取0.153，封闭结构取0.097；V是系统电压值(v)；G是导体间隙(mm)；Ibf是完全短路故障电流。

3 弧闪分析报告建议的实施方案

进行准确的弧闪分析能帮助我们选择合适的防电弧PPE，若所选的防电弧PPE防护等级不足，增加电弧烧伤的风险；若所选防护等级过高，使电气作业人员穿着过于笨重的防电弧PPE，增加作业难度。建议按以下步骤对设备进行弧闪分析：

(1)将船舶电气设备的说明书准备齐全，以便在其中找到计算公式所需的相关参数，例如最大短路电流，延时跳闸时间，瞬时跳闸电流，设备是开放还是封闭式，系统中性点是否接地等；如船上缺乏某些参数的相关说明书，可向设备厂家咨询获得。

(2)现场验证设备的相关参数设定是否与说明书一致，船舶在长期运行过程中，由于种种原因，某些电气设备的参数可能会被修改，弧闪分析一定要根据现场的状态进行。

(3)查看设备铭牌，获得设备能承受的短路电流范围，向设备厂家或服务商获取设备的弧闪电流范围，设备任意一点发生的最大电弧电流都应该在此范围之内。

(4)进行短路电流分析，该短路电流为设备各处处于完全短路状态下的电流。

(5)使用NFPA 70E的公式进行弧闪分析，工作距离和相关参数都采用NFPA 70E中表格提供的对应电压等级数据。

(6)使用IEEE 1584的公式进行弧闪分析，工作距离和相关参数都采用NFPA 70E中表格提供的对应电压等级数据。

(7)重复步骤4-6，将弧闪电流范围内对应的电流值都进行弧闪分析后，还要进行一定的增量分析才能找到设备弧闪电流范围内的电弧能量最大值。例如设备的弧闪电流范围是3000A-10000A,可能在短路瞬间的弧闪电流为11000A，所以计算时要考虑一部分增量。

(8)电气设备处于不同工况时重复步骤4-6，例如设备处于备用停机状态，空载运行状态，单机带负载运行状态，并联运行状态，母联开关处于断开状态或闭合状态下运行等，确保考虑到最危险的工况。

(9)忽略不在公式使用范围内的电流数据，例如NFPA 70E的公式只适用16kA-50kA范围内的短路电流，此范围外的电流数据可不予考虑。

(10)将汇流排和设备各部件所分析出的最大电弧能量进行制表整理，进行比较就能得到系统各处合适的电弧能量等级。

(11)将所有数据进行集中整理，形成最终报告，报告应包含设备各部件短路电流对应的电弧能量，以及该电弧能量对应的防电弧PPE的等级，应用的是哪种计算公式，工作距离，弧闪持续时间，断路器跳闸时间等；将该报告与电力系统单线图附在一起，便于工作人员使用。

4 结 语

船舶高压设备的弧闪风险应受到船舶管理人员的重视，目前多数高压电船舶并没有配备防电弧服，但是船公司却要求船员进行船舶高压电设备的维护保养项目，虽然船队为各高压电船舶提供了相关的绝缘工具和风险评估体系，但是高压电设备作业期间的弧闪事故却无法预测，配备合适的防电弧PPE才能更好地保障高压电设备作业人员的人身安全；意识到防电弧PPE重要性的船员，申请防电弧PPE有难度，需要计算电弧能量才能选择合适的防电弧服；NFPA 70E和IEEE 1584是重要的参考工具，适当地运用其中的公式和参数进行计算得出对应的电弧能量，就能在参考表格中找到本船设备所需的防电弧PPE等级。目前已有专用计算软件，可大大提高计算效率，如果船上作业人员不会从设备说明书中查询公式中的参数，船公司应该对设备责任船员进行相关培训。