基于IEEE STD 1584的1kV以下弧閃分析計算探討

摘要：弧閃分析計算是從事海外電力設計工作中需要提供的一個重要文件，而此計算在國內并沒有強制要求，IEEE STD 1584對于弧閃分析計算做了非常詳盡的規定解釋，本文通過研讀IEEE STD 1584，提出一種切實有效的弧閃計算過程，此計算過程適用于1kV以下配電系統。并以港口工程實際供電系統為例，提出該系統的電氣設計與計算原則。

關鍵詞：弧閃分析計算;電氣設計;保護措施

區別于國內工程，國外項目的設計文件應包含完整的計算成果，其中包括供配電系統的短路電流計算，系統的接地電阻計算，照度模擬計算，正常情況下的壓降計算與電動機啟動時刻的壓降計算，配電網的繼電保護整定計算，以及弧閃分析計算。

以《菲律賓八打雁港口改造擴建工程》為例，該工程體量不大，但是基本涵蓋了港口設計的所有內容，其中供電專業負責紅線范圍內的照明，接地，電力線路設計。《PHILIPPINE ELECTRICAL CODE（菲律賓電氣規范）》于2018年正式頒布并要求按此實施，其中就明確了弧閃分析計算的相關要求。弧閃是指由電弧引起的能量釋放。在低壓配電系統中，特別是人員在操作配電箱開關的時，一旦產生過量的弧閃，對于人體是有一定危險性的。因此建立弧閃模型，通過計算來確定弧閃危險等級，并以此作為防護弧閃的重要依據。很明顯這是一個非常重要的設計成果文件，國外項目的咨詢審查工程師也已相繼要求設計院提供正確完整的計算流程。

為最大限度的保護電氣工作人員，國外相關實驗室進行了大量的實驗測試，分析事故模型，測量弧閃能量，提出了一種計算模型。《IEEE STD 1584》中就詳盡的介紹了電弧閃光的建模計算過程，提供了在發生電弧時計算入射能量的方法，并確定弧閃保護邊界，以便最大程度的降低人員暴露在入射能量下的燒傷級別。以下就該規范中弧閃計算的幾個重要的步驟進行介紹。

1.收集系統參數，建立系統模型

首先，設計師應收集現場數據，如變壓器、發電機、大型電機和開關設備上的銘牌數據，線路阻抗，長度等，并要保證，所有電氣來源均使用最新的信息，圖紙，程序等。而后根據以上信息畫出該系統的單線圖，基于該系統的單線圖，得到該運行模式下的短路電流。對于辦公室的工程師來說，能夠通過模型計算。從而估算出弧光的風險程度，來指導現場操作人員，以及相關產品制造，都是十分具有指導意義的。

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。在計算過程中，短路電流不能用來替代弧閃電流，而是應根據短路電流，通過轉化獲得該點的電弧故障電流。由短路電流轉換成弧閃電流的公式，可參考IEEE STD 1584相關章節。值得注意的是該轉換公式的獲得是基于大量弧閃實驗耦合而成。由于弧閃發生的上一級開關的動作時限對于切斷弧閃電流的影響，因此轉換公式也結合考慮了該部分的影響。

我們很清楚，在電網的短路電流計算過程中，需要分別計算最大及最小運行模式下的短路電流。因此，通過短路電流轉化計算過的的弧閃電流，也存在相對應兩種模式下的值。

3.找出保護裝置特性和電弧持續時間

電弧故障切除時間很大程度上影響了事故人員所接受到的電弧能量總值。因此在現場調查中，我們應找到故障點上一級保護開關的時間-電流曲線（TCC曲線）。該TCC曲線最好利用開關提供商提供的軟件獲得。如果是對于一個非常簡單的研究來說，可使用保護裝置特性，在制造商數據中找到。

例如對于帶整體跳閘裝置的斷路器來說，制造商的時間-電流曲線包括兩個跳閘時間和清理時間。對于繼電器操作的斷路器，繼電器曲線僅在延時中顯示繼電器操作時間，區域。

根據弧閃電流值，查詢上一級開關的TCC曲線，就不難獲得該開關的跳閘時間，即獲得了該弧閃電流的持續時間。該持續時間對于計算弧閃能量有著重要的意義。

根據IEEE STD 1584規定，還需要額外查詢85%的弧閃電流值說對應的開關的跳閘時間，得到另外一組弧閃電流的持續時間。最終以100%弧閃電流及85%弧閃電流的對應值，分別帶入計算過程。因此，再結合第2步獲的最大及最小運行模式下的弧閃電流，此處應有4個弧閃電流值。

4.選擇工作距離

電弧閃光保護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生命的威脅更大。

在不同的工作條件下，工作距離有相應的規定，其數值在IEEE STD 1584中也有明確的定義。例如在1kV以下配電箱的操作過程中，人體與設備的操作距離選取為455mm，而裸露開關的操作情況下，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。電弧入射能量的計算是通過已得的弧閃電流，持續時間，根據所處的操作形式選擇工作距離等參數，最終得到該次弧閃事故中，對人員造成的傷害總能量。值得注意的是，該模型是基于測量電弧電流的入射能量，并在特定測試條件下進行理論計算。其中距離是方程式的基礎，基于測試儀器與電弧閃點源的測量距離，能夠估出最大事故能量和電弧閃光邊界距離。當然實際的電弧入射能量可能比這些模型計算出的更嚴重或更不嚴重。

6.確定所有設備的保護邊界

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。該計算得出的距離值意味著，當操作人員與弧閃發生點距離小于該計算值，就可能發生二度燒傷。如若操作距離是固定情況下，入射能量必須控制在可能發生二度燒傷的最小值。I

7.確定設備操作的個人防護等級及其他保護措施

弧閃計算的目的是根據計算獲得的能量事故值，一方面確定操作設備時的個人防護等級，另一方面指導電氣安裝時應注意的相關保護措施。

文件旨在為事故能量計算和電弧閃光保護提供指導。一旦計算結果出來，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的個人防護裝備（PPE）的。參照NFPA 70E中的相關條款，PPE被分為等級0至4，共5個等級，分別對應在不同能量事故值中所應該遵循的防護操作保護，但是PPE并不是完全的防護，只是屏蔽保護人員受到2度以下的燒傷。

而最新的弧光繼電器，弧光減少維護系統（ARMS）的應用，是從檢測弧光，加快啟動斷路器跳閘，動作時間可以降低至幾毫秒以內。減少電弧的持續時間與入射能量，從而降低對人體與其他設備的傷害，亦可以降低操作人員PPE級別。

結束語

本文介紹了工人可能接觸的三相交流系統下的電弧閃光入射能量和電弧閃光邊界的計算方法。它涵蓋了現場數據的分析過程收集到最終結果，給出找到事故能量和閃光保護所需的邊界值，最終確定操作防護守則以及其他應遵循的技術規范等。

參考文獻：

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

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

作者簡介：陳鵬麒（1985-），男，工程師，主要港口供配電設計等工作。