船用低压配电板弧闪伤害分析

周特威，庄 伟，段 征

（中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海201108）

船用低压配电板弧闪伤害分析

周特威，庄 伟，段 征

（中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海201108）

为有效评估弧闪故障可能带来的伤害和危险，根据IEEE1584，给出了实用化的船用低压配电板燃弧伤害分析方法与步骤，并以实际工程为实例做了弧闪伤害评估分析，可为防护措施的采取提供可靠的依据。

船用低压配电板 弧闪故障 伤害分析

0 引言

船舶电力系统因容量相对较小，目前主要以低压电力系统为主，船用低压配电板是其主要配电设备。在船用低压配电板的安装、调试、维护和运行中，电弧故障是一种频发性的、灾难性的故障，将会给操作人员和设备的安全带来严重的威胁。在电力系统中，电弧（Electric Arc）是指电气设备中裸露带电导体之间（或与地之间）在空气中的电流闪络。电弧的出现往往伴随着大量的热辐射，巨大的爆炸声和高压冲击波。因此，电弧也被称为电弧故障（Arcing Fault）。故障造成的热辐射和高温可能导致严重的烧伤甚至死亡，这类危险被称为弧闪伤害（Arc Flash Hazard）[1-3]。目前，国外的船级社如英国的劳氏船级社（LR）对船用低压配电板等设备明确提出了需要进行燃弧危害计算分析的要求。国际电气和电子工程师协会IEEE 1584规范中对燃弧的计算分析方法也做出了明确的规定[4]。美国国家防火协会制定了关于雇员工作场所电气安全要求标准NFPA70E[5]，同样对燃弧危害计算及防护做出相关规定。

目前，国内的船级社规范对燃弧危害分析评估没有提出明确的要求[6]。国内船舶行业对于船用低压配电板的燃弧伤害计算也基本处于空白状态。但对低压配电板的燃弧故障进行计算分析，全面掌握故障的位置和危害程度，是预防和控制燃弧伤害的有效途径，对制定相应防范措施确保操作人员安全及船舶电网安全有重要的意义。在接下来的章节中，本文将依据IEEE1584《电弧危险计算实施导则》（Guide for Performing Arc Flash Hazard Calculations）结合实际工程介绍如何实施船用低压配电板的弧闪伤害分析。

1 船用低压配电板的实用化弧闪伤害分析方法

一般来说，电弧在电压较低、电流较小的情况下难以维持，电压低于208 V、容量低于125 kVA的设备不需要做弧闪伤害的评估。船用低压配电板额定电压一般在400～690 V，容量一般为数千kVA。配电板中安装了断路器及/或熔断器，弧闪故障可能在操作断路器或熔断器分断的时刻发生。即使此时配电板柜门是关闭的，弧闪故障也可能对操作人员造成伤害，所以有必要对船用低压配电板做弧闪伤害评估。评估主要包含如下8个步骤：

1）电气信息的收集。这些信息主要包括待评估设备在各个工况下的短路计算数据，继电保护特性及弧闪分析所需的系统和电气数据以及船舶电力系统的单线图。一般来说，配电板内发电机进线主开关、母联开关及主要的负载开关会流过较大的负荷电流，这些位置也更容易被操作人员接近。根据单线图可以很清楚的确认哪些位置需要做弧闪伤害的评估。

2）对系统的各个工况做短路计算。在低压系统中，单相与两相故障虽然更加常见，但根据经验，它们往往会迅速的发展为三相故障。弧闪伤害的评估计算以最严重的三相短路故障电流数值为依据来估计各个工况下待评估位置可能出现的伤害。

3）确定弧闪电流。低压船用配电板额定电压小于1 kV，弧闪电流可用式（1）计算。

其中Ibf为为三相金属性短路故障电流，单位是kA；V是系统电压，单位是kV；G是导体之间的间隙，单位是mm；K是系数，根据待评估设备的外壳类型选取不同数值，配电板具有钢制外壳，这里K值为-0.097[7]。值得注意的是，低压船电系统往往带有母线分段（如图1所示，该系统中母线分为两段），当系统中出现故障后，母联开关会经过短延时后分断，故障点的短路电流将会因为非故障母线段的切除而降低。这直接影响弧闪电流的计算值，最终也会影响对故障能量的估计结果。

4）确定燃弧时间。弧闪故障释放的能量与燃弧时间成正比。低压船舶电力系统中，馈线断路器、母联断路器和发电机进线断路器三者脱扣分别设定为瞬动、短延时和长延时动作，利用延时的配合构成完整的继电保护功能。考虑到脱扣器的动作特性曲线，对应不同大小的故障电流，切除故障的时间也不同。低压船舶电力系统的三相金属性短路电流值一般较大，远大于反时限动作区域的电流范围，脱扣器将在设定的延时时刻分断切除故障。

5）确定事故能量。事故能量是电弧电流、燃弧时间、设备外壳类型以及事故时离电弧的距离的函数。在IEEE1584中，事故能量还跟导体之间的间隙有关系。根据IEEE1584，首先利用式（2）估计标准化事故能量En，这个能量值是基于0.2s燃弧时间和610 mm电弧距离的情况给出的。

其中，系数K1与式（1）中K的意义相同，这里取值-0.555；系数K2的取值与系统的接地方式有关。船舶低压系统以不接地形式运行，这里K2取值为0。G的含义与式（1）相同，不再赘述。确定标准化能量后，利用式（3）评估事故释放的能量E。

其中Cf是计算因子，在电压低于1kV的系统中取值为1.5；t是燃弧时间，单位为s；D是工作人员与潜在的电弧产生位置之间的一般距离，单位是mm；x是距离因子，其值取决于待评估设备的罩壳类型和运行电压范围[7]。在船用低压配电板中一般仅对断路器进出线侧做弧闪伤害评估，所以这里x取值为1.473。

6）确定伤害/风险类别。根据步骤5）得到的待评估设备事故能量的估计值，结合NFPA 70E（2004）[8]的分类表格（如表1所示）可以确定弧闪故障的伤害/风险类别。

表1 NFPA 70E（2004）伤害/风险分类

7）确定弧闪保护边界。弧闪保护边界DB是弧闪故障电流的函数，如式（4）所示：

其中E为事故能量，EB为边界距离上的故障能量，对于裸露皮肤的情况，EB可以设为1.2Cal/cm²；x是距离因子，含义与式（3）中相同。在这个距离上，没有适当防护措施的工作人员如果暴露在弧闪故障中，虽然会导致二级烧伤，但依然可以治愈[7]。故障能量越大，弧闪防护边界越大。

8）弧闪伤害评估归档。弧闪伤害的评估结果一般以单线图的形式体现。将评估计算的结果（包含弧闪保护边界、事故能量以及危险等级）在单线图上标出，并用箭头指明评估弧闪伤害的位置。

图1 船舶电力系统单线图

2 实例分析

以某工程项目为例做低压配电板弧闪伤害评估分析。该项目中，船舶电力系统单线图如图1所示。该系统额定电压为400 V，由两台830 kW发电机和一台350 kW发电机为推进负载和作业负载供电，主要负载有左右主推进变压器（900 kVA），侧推变压器（250 kVA）和两台日用电变压器（60 kVA）。主配电板包含400 V母线和断路器设备（进线断路器P3DG、P6DG、P5DG，母联断路器P4BT，馈线断路器P2MPTR、1Q9、8Q9、P7MPTR、P7BTTR），如虚线框内所示。一般来说，进线断路器的出线侧，母联断路器和馈线断路器的进出线侧易发生弧闪故障，需要对这些位置做弧闪伤害评估。

弧闪伤害评估中需要的电气信息如下各表所示。船用低压配电板电气信息如表2所示：

表2 配电板电气信息

各断路器配备的保护装置型号及其短路保护动作时间设定信息如表3所示：

表3 继电保护设备及其设定

弧闪分析所需的配电板电气信息如表4所示：

表4 弧闪分析所需的设备信息

根据上述信息，结合短路计算数据（本文不涉及短路计算过程，仅引用数据说明燃弧分析的计算过程）可以计算弧闪故障电流。

以发电机ACB P3DG为例，其出线侧与BUS1若出现短路故障，短路电流的数值是相同的，但由于P3DG的动作时间较长（800 ms），在此之前，母联开关P4BT的保护装置已经对故障电路有所反应，在500 ms时断开，切断了来自BUS2的短路电流。根据上一节的描述可知，短路电流及其持续的时间不同将显著影响最终的评估结果。在故障后的0.5 s内，燃弧电流较大，释放的事故能量也较大；母联开关断开后的0.3 s内，燃弧电流显著降低，释放的事故能量也相应的变小。故障后0.8 s，短路故障被空气断路器P3DG的保护装置切除，燃弧故障也随之消失。根据分析公式（1）（2）（3）可得到针对P3DG出线侧的弧闪伤害评估计算结果，如表5所示。从表中可以看出，P3DG出线侧的短路故障释放的事故能量总量为103.8928 J/cm²，弧闪防护边界为261.5 inch，对未采取防护措施而在该距离工作的人员将带来3级风险/伤害。

对于馈线开关出线侧发生的弧闪故障来说，以P2MPTR为例，由于馈线断路器在很短的时间内（＜15 ms）就切除了故障。所以，虽然该点的弧闪电流数值较大，但释放出的能量却不高，结果如表6所示。事故能量为31.72 J/cm²，弧闪防护边界为117.36 inch，对于工作人员的风险/伤害等级为2级。

对系统中可能发生弧闪故障的位置做过伤害评估后，将全部计算结果以单线图的形式归档，便于查阅和更新，为安全防护措施的采取提供可靠的参考。如图2所示。

表5 P3DG出线侧的评估结果

表6 P2MPTR出线侧的评估结果

图2 船用低压配电板燃弧伤害分析结果

3 结论

船舶行业越来越重视对弧闪事故的分析，并采取措施来防护故障带来的伤害。本文以IEEE1584为基础，有针对性的分析了船舶低压配电板中可能出现弧闪伤害的位置，给出了实用化的伤害评估方法，并辅以计算实例分析，其结果可为电弧防护装备的选择提供可靠的依据。

[1] 李霁光. 电弧闪络的危害及其防护措施[J]. 石油化工自动化, 2013, 03： 65-67.

[2] 诸然, 李晓光. 电弧危险分析研究[J]. 电气应用, 2013, 15： 43-47.

[3] 莎拉·托特, 郁振山. 预防“弧闪”伤害[J]. 现代职业安全, 2015, 07： 98-99.

[4] 张建成. 工厂弧闪危险分析和个人防护——解读IEEE Std 1584—2002《弧闪危害计算执行指南》[J].电气技术, 2015, (10）： 100-103,110.

[5] 陈增发, 张泽. 电弧防护发展历史与防护服的选择[J]. 电力安全技术, 2008, 11： 68-70.

[6] 丘必养. 合理配用防电弧产品降低电弧伤害[J]. 中国高新技术企业, 2010, 30： 93-95.

[7] IEEE. IEEE 1584 Guide for Performing Arc Flash Calculations [S]. IEEE, 2004.

[8] NFPA. NFPA 70E Standard for Electrical Safety in the Workplace [S]. NFPA, 2009.

Hazard Analysis of Arc Flash Fault of Marine Low-voltage Switch Board

Zhou Tewei, Zhuang Wei, Duan Zheng

( No.711 Research Institute, CSIC, Shanghai, 201108, China)

In order to effectively evaluate the damage and danger caused by arcing fault, based on IEEE1584, practical arc flash hazard analysis method and procedure of marine low-voltage switch board are provided, and arc flash hazard analysis and assessment are carried out based on a practical project, which could provide reliable basis to the application of protective measures.

marine low-voltage switch board; arc flash fault; hazard analysis

TM501.2

A

1003-4862（2016）12-0058-04

2016-08-11

周特威(1982-)，男，工程师。研究方向：船舶电力推进系统。