國內外弧閃風險評估的做法與執行區別

張永革，孔凡旭，楊 健，蔡連博，徐 洋

（海洋石油工程股份有限公司 設計院，天津 300451）

0 引言

弧閃是電氣作業事故傷亡的主要原因之一?；￠W發生時會在瞬間產生高溫，空氣迅速熱膨脹，釋放強烈的熱波、光波和壓力波。盤柜金屬構件被熱熔，隨著沖擊波一起擴散。弧閃一旦在盤柜內部發生，如果不采取有效限制措施，盤柜會燒毀。同時，可能對維檢人員造成燒傷，嚴重時造成殘疾或危及生命。在深海能源開發中，弧閃造成的影響更大。由于遠離陸地，受傷人員得不到及時救治，被破壞的設備維修和更換周期長，導致限產、停產而虧損。

美國、歐洲、中國等國家，對配電盤柜弧閃的起因、過程、影響因素等進行了大量的實驗與研究，逐漸形成了較為完善的標準體系[1]?；￠W的危害程度可以根據入射能量（單位：cal/cm2或J/cm2，1cal=4.2J）來量化，由實驗數據來擬合經驗公式，或由數學模型來推導計算公式[2]。以弧閃能量計算為核心，依據計算結果調整電力系統和設備參數，選擇設備和人員的保護方案，是弧閃風險評估的主要內容。在美國，2014年美國職業安全與健康管理局（Occupational Safety and Health Administration，OSHA）下發文件修訂了發輸配電標準，弧閃風險評估成為標準強制性內容。在歐洲，EN 50110要求項目在系統風險評估中應考慮弧閃風險評估，但不是強制性的。在中國，目前沒有標準要求弧閃風險評估，但是越來越多的企業意識到它的重要性。

1 國內外的標準體系

1.1 美國方面

美國是最早制定弧閃相關標準的國家，其標準體系也最為完善。OSHA發布的聯邦法規（CFR）[3]，強制性要求在美國的項目必須做危險工作場所風險評估。NFPA 70E[4]是美國國家消防協會（NFPA）發布的國家安全標準，主要用于協助OSHA制定電氣安全標準。由于OSHA要求在美國的公司執行NFPA 70E，NFPA 70E也成為強制性標準，其第130.3節要求企業做電氣場所風險分析，包括觸電和弧閃風險。

NFPA 70E和IEEE 1584[2]為弧閃風險評估提供了非常詳細的指導說明。IEEE 1584的2018版本，分析了大量的實驗數據和事故數據，提出了更加精確的經驗公式。ASTM[5-7]標準與個人防護設備（PPE）制造商相關，確定了各種PPE的標準試驗方法。NEC 110.16[8]和API RP 14F[9]要求配電裝置在設計上要考慮降低弧閃能量，安裝警示牌，設置維修/運行切換按鈕等。

1.2 歐洲方面

EN 50110[10]指出帶電維檢時，人員有可能受到弧閃傷害，且推薦使用PPE來保護身體。EN 50110要求在做系統風險評估時，應當考慮弧閃風險的評估，但它不是強制性的。IEC 61482-1-1（敞開式）和IEC 61482-1-2（封閉式）與PPE制造商有關[11]，確定了試驗方法。德國法定意外保險機構（DGUV）發布的DGUV[12]也是弧閃風險評估的指南，介紹了與IEEE 1584不同的計算方法。ISSA[13]提供PPE的選型指導。

與美國現有的評估指南相比，歐盟沒有復雜的強制性標準。

1.3 中國方面

GB/T 24612.1[14]參考了NFPA 70E的第110章和第120章，規定在電氣設備場所應對人員進行培訓。在8.2.1.2章提出應進行電弧危險分析，但分析的內容（電弧保護范圍、PPE選型）相比歐美標準而言較少，且沒有要求提交正式文檔。

DL/T 320-2010[15]中給出了PPE與入射能量的對應使用條件；PPE的材質、各項性能、設計、試驗、維護和檢驗等規定，引用了GB紡織品類和美國ASTM標準；給出了弧閃計算的經驗公式和Lee式理論計算公式。這些公式與IEEE 1584-2002一致，滯后于IEEE 1584-2018。附錄A中則給出了多種區域的預計弧閃能量計算值，設計人員可以根據系統參數，直接在表格中選取弧閃能量值。

1.4 其他方面

目前，國際項目一般使用美標體系開展評估工作，然而美標體系中OSHA 29 CFR 1910和NFPA 70E并不適用于船舶、汽車、飛機等交通工具，以及有軌電力設備、礦井電力設備、發電站、配電站等場所。但是，在海上工程中，這兩個標準也做參考引用。CCS、BV、ABS等船級社對弧閃風險評估都沒有提出明確要求，是否進行評估由業主決定。

在國內，國家電網各級公司也在內部力推弧閃分析的研究與保護應用。

2 弧閃風險評估

按照美標和歐標的規定，弧閃風險評估是一個涉及多個方面的工作，需要業主、承包方、設備廠家、第三方等分別或一起完成其中的各個步驟。評估團隊需要了解現場工作環境和操維流程，確定可接受風險水平，搭建模型來計算，對是否采取措施來降低弧閃能量做出決策等。

2.1 風險識別和可接受風險水平

評估的第一步是風險識別。雖然OSHA、NFPA 70E或EN 50110標準都要求進行評估，而只有NFPA 70E的附錄中有簡單的風險識別說明，該說明不足以為評估提供指導。根據ABB的經驗，風險識別可以按3步走：①確定可能發生弧閃的所有電氣設備；②確定人員操維電氣設備的流程；③確定可接受的風險水平。其中，①②可由業主與其他各方商討確定，③則由業主及其生產團隊來確定。

2.2 弧閃能量計算

弧閃能量計算較為繁瑣，手工計算不實際，一般使用仿真軟件來協助完成。計算方法主要有兩類：其一，來源于美標NFPA70E和IEEE1584。中國的DL/T 320參考于美標，所以與美標歸為同類；其二，來源于歐標DGUV。兩種計算方法所需的輸入參數相似，即不同工況下的短路電流、故障清除時間、電壓等級、工作距離等。不同之處在于電弧能量傳遞給人體的方式，由業主來決策使用哪種計算方式。

1）在美標中，IEEE std 1584的計算過程比較復雜。按照電壓等級使用不同的計算公式，先計算弧閃電流Iarc，再得出入射能量E和弧閃邊界AFB。式（1）～式（6）為IEEE std 1584-2002版本的主要公式。在2018版本中，公式結構更加復雜，本文不便于引敘，其附錄D中有計算案例供參考。2018版增加了插值法和系數修正過程，所謂插值法，即分別計算出0.6kV以下，0.6kV，2.7kV，14.3kV的節點弧閃電流、入射能量、弧閃邊界，再根據實際電壓大小，在其相鄰的兩個節點電壓中取插值。而系數修正過程為：計算修正系數VarCf，套用到插值法中再計算一遍，以得出接近實際的數值。

15kV以下，試驗擬合計算法：

15kV以上，Lee式模型推導計算法：

其中：Ibf為短路電流（kA）；K、K1、K2為盤柜結構常數；V為電壓（kV）；G為導體間隙（mm）；Ia為弧閃電流（kA）。En為電弧放電時間0.2 s，工作距離610 mm時的典型事故能量（J/cm2）；Cf為電壓系數；t為故障清除時間（s）；D為操作距離（mm）；x為距離指數；E為入射能量（J/cm2）；AFB為弧閃邊界（mm）。

2）在歐標中，計算方法則簡單很多。不計算弧閃電流和入射能量，而是計算出弧閃系數kp，進而得出預估弧閃能量WLB。另一方面，計算PPE的等效防護水平WLB?。比較兩者大小來確定保護方案，見式（7）～式（11）。如果式（11）成立，則可以選擇PPE來防護弧閃危害，否則需要采取1.3節的措施來降低弧閃能量。DGUV的附錄4中有計算案例供參考。

其中：UNn是電壓（kV）；Ik3pmax"是最大短路電流（kA）；SK"是短路容量（MVA）；R/X是系統阻抗比（無單位）；kp是弧閃系數（無單位）；tk是故障清除時間（s）；WLB是預估弧閃能量（kJ）；a是工作距離（mm）；WLBP是依據IEC 61482測試出PPE的標準防護水平（kJ）；kT是弧閃發射系數（無單位）；WLB?是該系統實際發生弧閃時PPE的等效防護水平（kJ）。

2.3 降低弧閃風險

當計算出的入射能量或預期弧閃能量超過可接受風險水平時，由業主決策采取哪些措施來降低弧閃風險，由承包方和設備廠商執行。表1給出許多知名安全組織（OSHA、ISO等）推廣和接受的危險控制系統，以及NFPA 70E為降低弧閃風險給出的建議。

表1 危險控制Table 1 Risk control

斷電通常無法執行。警告牌、培訓和使用PPE保護效果差，因為它們沒有降低風險本身，而只是控制暴露方式。優化系統設計和設備選擇可以有效地降低風險，常用技術如下：

1）降低短路電流：增加系統阻抗，將母線分段，安裝快速限流器、電抗器等。

2）縮短故障清除時間：運行/維護切換模式、區域選擇聯鎖、母線差動保護、快速接地開關及弧光&過流保護等。

3）增加工作距離：使用遠程裝置，限制接近距離，及其他方式等。

4）增大導體間距：使用專用弧閃柜型。

2.4 弧閃警示牌

美標歐標規定，可能發生弧閃的設備必須安裝警示牌。評估開始時，需要明確警示牌的責任劃分。比如，警示牌內容；哪方提供和安裝；安裝位置等。NFPA 70E、API 14F中有警示牌的相關要求。此外，警示牌應符合當地的要求，比如語言文字、單位等。國標中沒有警示牌的相關規定。

2.5 安全管理

安全管理包括程序更新、員工培訓和安裝警示牌。其中，要求對工作人員進行定期培訓，包括：如何識別危險，避免事故，警示牌閱讀，何處找到各自的PPE，如何使用和護理等。

2.6 PPE的選擇

在美國，PPE的選擇方法依據于NFPA 70E分兩種[16]：入射能量分析法和表格法。前者需要計算入射能量，根據結果選擇合適等級的PPE；后者不用繁瑣的計算，而是根據各項系統參數直接從表格中選擇。在1.2節提到，歐標中需要計算PPE的等效保護弧閃能量，這就需要依據IEC 61482對PPE進行測試。由于IEC 61482-1-1測試出能量單位為cal/cm2或kJ/m2，與美標的入射能量單位一致，所以開放式設備的弧閃能量計算需要使用美標NFPA 70E和IEEE 1584，而使用IEC 61482-1-2測試的能量單位為kJ，對應于歐標DGUV，所以封閉式設備計算時全部使用歐標。在國標DL/T 320中，PPE的級別劃分與美國相似，在PPE選型配置時有差異，比如國標中對耳塞沒有要求，而美標相反。

3 工程應用

可計算弧閃能量的軟件有兩類，一類是EasyPower/ETAP/ SKM-PTW/ Paladin Designbase（原EDSA）/ RENblad 1710等，執行美標IEEE 1584和NFPA 70E；另一類是BSD Arc Calculator，執行歐標DGUV。這些軟件一般內嵌弧閃模塊，計算結果互有差別[17]。

簡化的評估流程圖如圖1所示。美標NFPA 70E第130.5(D)條要求，弧閃風險評估的結論需要以文件形式歸檔。而在國際石化行業中，該文件有所簡化，稱之為弧閃計算報告，內容包括：項目介紹、系統工況、各項參數、軟件計算結果、PPE適用級別等。沙特阿美、巴西國家石油等國際先進石油公司，明確要求承包方或者委托第三方提供弧閃計算報告。該報告正逐漸成為標準設計文件，與潮流、短路、大電機啟動等計算報告一起，構成電力系統網絡穩定性研究的一部分。

國內海上石油項目中，工程設計通常參照美標，但在弧閃保護方面則有所取舍。常規項目中都不要求提供弧閃計算報告或弧閃風險評估，不計算弧閃能量，而是從系統配置和繼電保護方面限制短路電流，進而達到限制弧閃能量的目的。在電力行業，工程設計參照國標，也不要求弧閃計算，但在系統設計時，需考慮和降低弧閃風險。除此之外，嚴格且規范的操維流程也能減少弧閃事故的發生。

4 結束語

關于弧閃風險分析，本文詳細地闡述了國內外的標準體系和執行的區別。美國最早頒布了關于弧閃防護要求的標準，逐漸確定了弧閃計算，PPE的制造、實驗、選型，警示牌、安全培訓等技術要求，建立健全了弧閃風險評估的流程，世界領先，影響力大。其他國家，比如加拿大、墨西哥等國家正在以美標為參照，制定自己的標準。歐洲起步較早，也有了工業標準和指導文件。以德國為中心，歐標在周圍國家中的影響力逐年上升。中國起步晚，近十年參考美標和IEC標準制定了國標和行標，但是沒有得到廣泛的重視和應用，在PPE試驗、弧閃試驗和分析方面落后較多。