摘要：弧閃分析計(jì)算是從事海外電力設(shè)計(jì)工作中需要提供的一個(gè)重要文件，而此計(jì)算在國(guó)內(nèi)并沒(méi)有強(qiáng)制要求，IEEE STD 1584對(duì)于弧閃分析計(jì)算做了非常詳盡的規(guī)定解釋?zhuān)疚耐ㄟ^(guò)研讀IEEE STD 1584，提出一種切實(shí)有效的弧閃計(jì)算過(guò)程，此計(jì)算過(guò)程適用于1kV以下配電系統(tǒng)。并以港口工程實(shí)際供電系統(tǒng)為例，提出該系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)與計(jì)算原則。

關(guān)鍵詞：弧閃分析計(jì)算;電氣設(shè)計(jì);保護(hù)措施

區(qū)別于國(guó)內(nèi)工程，國(guó)外項(xiàng)目的設(shè)計(jì)文件應(yīng)包含完整的計(jì)算成果，其中包括供配電系統(tǒng)的短路電流計(jì)算，系統(tǒng)的接地電阻計(jì)算，照度模擬計(jì)算，正常情況下的壓降計(jì)算與電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)刻的壓降計(jì)算，配電網(wǎng)的繼電保護(hù)整定計(jì)算，以及弧閃分析計(jì)算。

以《菲律賓八打雁港口改造擴(kuò)建工程》為例，該工程體量不大，但是基本涵蓋了港口設(shè)計(jì)的所有內(nèi)容，其中供電專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)紅線(xiàn)范圍內(nèi)的照明，接地，電力線(xiàn)路設(shè)計(jì)?！禤HILIPPINE ELECTRICAL CODE（菲律賓電氣規(guī)范）》于2018年正式頒布并要求按此實(shí)施，其中就明確了弧閃分析計(jì)算的相關(guān)要求?；￠W是指由電弧引起的能量釋放。在低壓配電系統(tǒng)中，特別是人員在操作配電箱開(kāi)關(guān)的時(shí)，一旦產(chǎn)生過(guò)量的弧閃，對(duì)于人體是有一定危險(xiǎn)性的。因此建立弧閃模型，通過(guò)計(jì)算來(lái)確定弧閃危險(xiǎn)等級(jí)，并以此作為防護(hù)弧閃的重要依據(jù)。很明顯這是一個(gè)非常重要的設(shè)計(jì)成果文件，國(guó)外項(xiàng)目的咨詢(xún)審查工程師也已相繼要求設(shè)計(jì)院提供正確完整的計(jì)算流程。

為最大限度的保護(hù)電氣工作人員，國(guó)外相關(guān)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，分析事故模型，測(cè)量弧閃能量，提出了一種計(jì)算模型?！禝EEE STD 1584》中就詳盡的介紹了電弧閃光的建模計(jì)算過(guò)程，提供了在發(fā)生電弧時(shí)計(jì)算入射能量的方法，并確定弧閃保護(hù)邊界，以便最大程度的降低人員暴露在入射能量下的燒傷級(jí)別。以下就該規(guī)范中弧閃計(jì)算的幾個(gè)重要的步驟進(jìn)行介紹。

1.收集系統(tǒng)參數(shù)，建立系統(tǒng)模型

首先，設(shè)計(jì)師應(yīng)收集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，如變壓器、發(fā)電機(jī)、大型電機(jī)和開(kāi)關(guān)設(shè)備上的銘牌數(shù)據(jù)，線(xiàn)路阻抗，長(zhǎng)度等，并要保證，所有電氣來(lái)源均使用最新的信息，圖紙，程序等。而后根據(jù)以上信息畫(huà)出該系統(tǒng)的單線(xiàn)圖，基于該系統(tǒng)的單線(xiàn)圖，得到該運(yùn)行模式下的短路電流。對(duì)于辦公室的工程師來(lái)說(shuō)，能夠通過(guò)模型計(jì)算。從而估算出弧光的風(fēng)險(xiǎn)程度，來(lái)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)操作人員，以及相關(guān)產(chǎn)品制造，都是十分具有指導(dǎo)意義的。

2.確定弧閃電流值

雖然電弧故障電流主要取決于短路故障電流，但兩者又不盡相同，特別是在1000 V以下的介質(zhì)電壓下，電弧是具備一定的電阻特性的，因此電弧電流是略低于金屬性的短路故障電流的。在計(jì)算過(guò)程中，短路電流不能用來(lái)替代弧閃電流，而是應(yīng)根據(jù)短路電流，通過(guò)轉(zhuǎn)化獲得該點(diǎn)的電弧故障電流。由短路電流轉(zhuǎn)換成弧閃電流的公式，可參考IEEE STD 1584相關(guān)章節(jié)。值得注意的是該轉(zhuǎn)換公式的獲得是基于大量弧閃實(shí)驗(yàn)耦合而成。由于弧閃發(fā)生的上一級(jí)開(kāi)關(guān)的動(dòng)作時(shí)限對(duì)于切斷弧閃電流的影響，因此轉(zhuǎn)換公式也結(jié)合考慮了該部分的影響。

我們很清楚，在電網(wǎng)的短路電流計(jì)算過(guò)程中，需要分別計(jì)算最大及最小運(yùn)行模式下的短路電流。因此，通過(guò)短路電流轉(zhuǎn)化計(jì)算過(guò)的的弧閃電流，也存在相對(duì)應(yīng)兩種模式下的值。

3.找出保護(hù)裝置特性和電弧持續(xù)時(shí)間

電弧故障切除時(shí)間很大程度上影響了事故人員所接受到的電弧能量總值。因此在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中，我們應(yīng)找到故障點(diǎn)上一級(jí)保護(hù)開(kāi)關(guān)的時(shí)間-電流曲線(xiàn)（TCC曲線(xiàn)）。該TCC曲線(xiàn)最好利用開(kāi)關(guān)提供商提供的軟件獲得。如果是對(duì)于一個(gè)非常簡(jiǎn)單的研究來(lái)說(shuō)，可使用保護(hù)裝置特性，在制造商數(shù)據(jù)中找到。

例如對(duì)于帶整體跳閘裝置的斷路器來(lái)說(shuō)，制造商的時(shí)間-電流曲線(xiàn)包括兩個(gè)跳閘時(shí)間和清理時(shí)間。對(duì)于繼電器操作的斷路器，繼電器曲線(xiàn)僅在延時(shí)中顯示繼電器操作時(shí)間，區(qū)域。

根據(jù)弧閃電流值，查詢(xún)上一級(jí)開(kāi)關(guān)的TCC曲線(xiàn)，就不難獲得該開(kāi)關(guān)的跳閘時(shí)間，即獲得了該弧閃電流的持續(xù)時(shí)間。該持續(xù)時(shí)間對(duì)于計(jì)算弧閃能量有著重要的意義。

根據(jù)IEEE STD 1584規(guī)定，還需要額外查詢(xún)85%的弧閃電流值說(shuō)對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)的跳閘時(shí)間，得到另外一組弧閃電流的持續(xù)時(shí)間。最終以100%弧閃電流及85%弧閃電流的對(duì)應(yīng)值，分別帶入計(jì)算過(guò)程。因此，再結(jié)合第2步獲的最大及最小運(yùn)行模式下的弧閃電流，此處應(yīng)有4個(gè)弧閃電流值。

4.選擇工作距離

電弧閃光保護(hù)總是基于人的面部和身體在工作距離，而不是手或手臂上的入射能量。燒傷的損傷程度取決于燒傷的皮膚百分比。頭部和身體占整個(gè)皮膚的很大比例。與四肢燒傷相比，這些部位的表面積和損傷對(duì)生命的威脅更大。

在不同的工作條件下，工作距離有相應(yīng)的規(guī)定，其數(shù)值在IEEE STD 1584中也有明確的定義。例如在1kV以下配電箱的操作過(guò)程中，人體與設(shè)備的操作距離選取為455mm，而裸露開(kāi)關(guān)的操作情況下，人體與此的操作距離選取為610mm。

5.確定弧閃的入射能量

電弧的入射能量是人員所處的位置接受到由電弧釋放的量。電弧入射能量的計(jì)算是通過(guò)已得的弧閃電流，持續(xù)時(shí)間，根據(jù)所處的操作形式選擇工作距離等參數(shù)，最終得到該次弧閃事故中，對(duì)人員造成的傷害總能量。值得注意的是，該模型是基于測(cè)量電弧電流的入射能量，并在特定測(cè)試條件下進(jìn)行理論計(jì)算。其中距離是方程式的基礎(chǔ)，基于測(cè)試儀器與電弧閃點(diǎn)源的測(cè)量距離，能夠估出最大事故能量和電弧閃光邊界距離。當(dāng)然實(shí)際的電弧入射能量可能比這些模型計(jì)算出的更嚴(yán)重或更不嚴(yán)重。

6.確定所有設(shè)備的保護(hù)邊界

IEEE STD 1584中指出，人體的臨界事故能量值為5.0 J/cm2入射能量，根據(jù)此入射能量，我們可以反向算出安全操作下的邊界臨界距離值。該計(jì)算得出的距離值意味著，當(dāng)操作人員與弧閃發(fā)生點(diǎn)距離小于該計(jì)算值，就可能發(fā)生二度燒傷。如若操作距離是固定情況下，入射能量必須控制在可能發(fā)生二度燒傷的最小值。I

7.確定設(shè)備操作的個(gè)人防護(hù)等級(jí)及其他保護(hù)措施

弧閃計(jì)算的目的是根據(jù)計(jì)算獲得的能量事故值，一方面確定操作設(shè)備時(shí)的個(gè)人防護(hù)等級(jí)，另一方面指導(dǎo)電氣安裝時(shí)應(yīng)注意的相關(guān)保護(hù)措施。

文件旨在為事故能量計(jì)算和電弧閃光保護(hù)提供指導(dǎo)。一旦計(jì)算結(jié)果出來(lái)，這些信息就可以作為制定出操作人員減少燒傷的不同等級(jí)的個(gè)人防護(hù)裝備（PPE）的。參照NFPA 70E中的相關(guān)條款，PPE被分為等級(jí)0至4，共5個(gè)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)在不同能量事故值中所應(yīng)該遵循的防護(hù)操作保護(hù)，但是PPE并不是完全的防護(hù)，只是屏蔽保護(hù)人員受到2度以下的燒傷。

而最新的弧光繼電器，弧光減少維護(hù)系統(tǒng)（ARMS）的應(yīng)用，是從檢測(cè)弧光，加快啟動(dòng)斷路器跳閘，動(dòng)作時(shí)間可以降低至幾毫秒以?xún)?nèi)。減少電弧的持續(xù)時(shí)間與入射能量，從而降低對(duì)人體與其他設(shè)備的傷害，亦可以降低操作人員PPE級(jí)別。

結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了工人可能接觸的三相交流系統(tǒng)下的電弧閃光入射能量和電弧閃光邊界的計(jì)算方法。它涵蓋了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析過(guò)程收集到最終結(jié)果，給出找到事故能量和閃光保護(hù)所需的邊界值，最終確定操作防護(hù)守則以及其他應(yīng)遵循的技術(shù)規(guī)范等。

參考文獻(xiàn)：

[1]IEEE STD 1584 Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations.

[2]NFPA 70E 2018 Standard for Electrical Safety in The Workplace.

作者簡(jiǎn)介：陳鵬麒（1985-），男，工程師，主要港口供配電設(shè)計(jì)等工作。