国内外弧闪风险评估的做法与执行区别

张永革，孔凡旭，杨 健，蔡连博，徐 洋

（海洋石油工程股份有限公司 设计院，天津 300451）

0 引言

弧闪是电气作业事故伤亡的主要原因之一。弧闪发生时会在瞬间产生高温，空气迅速热膨胀，释放强烈的热波、光波和压力波。盘柜金属构件被热熔，随着冲击波一起扩散。弧闪一旦在盘柜内部发生，如果不采取有效限制措施，盘柜会烧毁。同时，可能对维检人员造成烧伤，严重时造成残疾或危及生命。在深海能源开发中，弧闪造成的影响更大。由于远离陆地，受伤人员得不到及时救治，被破坏的设备维修和更换周期长，导致限产、停产而亏损。

美国、欧洲、中国等国家，对配电盘柜弧闪的起因、过程、影响因素等进行了大量的实验与研究，逐渐形成了较为完善的标准体系[1]。弧闪的危害程度可以根据入射能量（单位：cal/cm2或J/cm2，1cal=4.2J）来量化，由实验数据来拟合经验公式，或由数学模型来推导计算公式[2]。以弧闪能量计算为核心，依据计算结果调整电力系统和设备参数，选择设备和人员的保护方案，是弧闪风险评估的主要内容。在美国，2014年美国职业安全与健康管理局（Occupational Safety and Health Administration，OSHA）下发文件修订了发输配电标准，弧闪风险评估成为标准强制性内容。在欧洲，EN 50110要求项目在系统风险评估中应考虑弧闪风险评估，但不是强制性的。在中国，目前没有标准要求弧闪风险评估，但是越来越多的企业意识到它的重要性。

1 国内外的标准体系

1.1 美国方面

美国是最早制定弧闪相关标准的国家，其标准体系也最为完善。OSHA发布的联邦法规（CFR）[3]，强制性要求在美国的项目必须做危险工作场所风险评估。NFPA 70E[4]是美国国家消防协会（NFPA）发布的国家安全标准，主要用于协助OSHA制定电气安全标准。由于OSHA要求在美国的公司执行NFPA 70E，NFPA 70E也成为强制性标准，其第130.3节要求企业做电气场所风险分析，包括触电和弧闪风险。

NFPA 70E和IEEE 1584[2]为弧闪风险评估提供了非常详细的指导说明。IEEE 1584的2018版本，分析了大量的实验数据和事故数据，提出了更加精确的经验公式。ASTM[5-7]标准与个人防护设备（PPE）制造商相关，确定了各种PPE的标准试验方法。NEC 110.16[8]和API RP 14F[9]要求配电装置在设计上要考虑降低弧闪能量，安装警示牌，设置维修/运行切换按钮等。

1.2 欧洲方面

EN 50110[10]指出带电维检时，人员有可能受到弧闪伤害，且推荐使用PPE来保护身体。EN 50110要求在做系统风险评估时，应当考虑弧闪风险的评估，但它不是强制性的。IEC 61482-1-1（敞开式）和IEC 61482-1-2（封闭式）与PPE制造商有关[11]，确定了试验方法。德国法定意外保险机构（DGUV）发布的DGUV[12]也是弧闪风险评估的指南，介绍了与IEEE 1584不同的计算方法。ISSA[13]提供PPE的选型指导。

与美国现有的评估指南相比，欧盟没有复杂的强制性标准。

1.3 中国方面

GB/T 24612.1[14]参考了NFPA 70E的第110章和第120章，规定在电气设备场所应对人员进行培训。在8.2.1.2章提出应进行电弧危险分析，但分析的内容（电弧保护范围、PPE选型）相比欧美标准而言较少，且没有要求提交正式文档。

DL/T 320-2010[15]中给出了PPE与入射能量的对应使用条件；PPE的材质、各项性能、设计、试验、维护和检验等规定，引用了GB纺织品类和美国ASTM标准；给出了弧闪计算的经验公式和Lee式理论计算公式。这些公式与IEEE 1584-2002一致，滞后于IEEE 1584-2018。附录A中则给出了多种区域的预计弧闪能量计算值，设计人员可以根据系统参数，直接在表格中选取弧闪能量值。

1.4 其他方面

目前，国际项目一般使用美标体系开展评估工作，然而美标体系中OSHA 29 CFR 1910和NFPA 70E并不适用于船舶、汽车、飞机等交通工具，以及有轨电力设备、矿井电力设备、发电站、配电站等场所。但是，在海上工程中，这两个标准也做参考引用。CCS、BV、ABS等船级社对弧闪风险评估都没有提出明确要求，是否进行评估由业主决定。

在国内，国家电网各级公司也在内部力推弧闪分析的研究与保护应用。

2 弧闪风险评估

按照美标和欧标的规定，弧闪风险评估是一个涉及多个方面的工作，需要业主、承包方、设备厂家、第三方等分别或一起完成其中的各个步骤。评估团队需要了解现场工作环境和操维流程，确定可接受风险水平，搭建模型来计算，对是否采取措施来降低弧闪能量做出决策等。

2.1 风险识别和可接受风险水平

评估的第一步是风险识别。虽然OSHA、NFPA 70E或EN 50110标准都要求进行评估，而只有NFPA 70E的附录中有简单的风险识别说明，该说明不足以为评估提供指导。根据ABB的经验，风险识别可以按3步走：①确定可能发生弧闪的所有电气设备；②确定人员操维电气设备的流程；③确定可接受的风险水平。其中，①②可由业主与其他各方商讨确定，③则由业主及其生产团队来确定。

2.2 弧闪能量计算

弧闪能量计算较为繁琐，手工计算不实际，一般使用仿真软件来协助完成。计算方法主要有两类：其一，来源于美标NFPA70E和IEEE1584。中国的DL/T 320参考于美标，所以与美标归为同类；其二，来源于欧标DGUV。两种计算方法所需的输入参数相似，即不同工况下的短路电流、故障清除时间、电压等级、工作距离等。不同之处在于电弧能量传递给人体的方式，由业主来决策使用哪种计算方式。

1）在美标中，IEEE std 1584的计算过程比较复杂。按照电压等级使用不同的计算公式，先计算弧闪电流Iarc，再得出入射能量E和弧闪边界AFB。式（1）～式（6）为IEEE std 1584-2002版本的主要公式。在2018版本中，公式结构更加复杂，本文不便于引叙，其附录D中有计算案例供参考。2018版增加了插值法和系数修正过程，所谓插值法，即分别计算出0.6kV以下，0.6kV，2.7kV，14.3kV的节点弧闪电流、入射能量、弧闪边界，再根据实际电压大小，在其相邻的两个节点电压中取插值。而系数修正过程为：计算修正系数VarCf，套用到插值法中再计算一遍，以得出接近实际的数值。

15kV以下，试验拟合计算法：

15kV以上，Lee式模型推导计算法：

其中：Ibf为短路电流（kA）；K、K1、K2为盘柜结构常数；V为电压（kV）；G为导体间隙（mm）；Ia为弧闪电流（kA）。En为电弧放电时间0.2 s，工作距离610 mm时的典型事故能量（J/cm2）；Cf为电压系数；t为故障清除时间（s）；D为操作距离（mm）；x为距离指数；E为入射能量（J/cm2）；AFB为弧闪边界（mm）。

2）在欧标中，计算方法则简单很多。不计算弧闪电流和入射能量，而是计算出弧闪系数kp，进而得出预估弧闪能量WLB。另一方面，计算PPE的等效防护水平WLBä。比较两者大小来确定保护方案，见式（7）～式（11）。如果式（11）成立，则可以选择PPE来防护弧闪危害，否则需要采取1.3节的措施来降低弧闪能量。DGUV的附录4中有计算案例供参考。

其中：UNn是电压（kV）；Ik3pmax"是最大短路电流（kA）；SK"是短路容量（MVA）；R/X是系统阻抗比（无单位）；kp是弧闪系数（无单位）；tk是故障清除时间（s）；WLB是预估弧闪能量（kJ）；a是工作距离（mm）；WLBP是依据IEC 61482测试出PPE的标准防护水平（kJ）；kT是弧闪发射系数（无单位）；WLBä是该系统实际发生弧闪时PPE的等效防护水平（kJ）。

2.3 降低弧闪风险

当计算出的入射能量或预期弧闪能量超过可接受风险水平时，由业主决策采取哪些措施来降低弧闪风险，由承包方和设备厂商执行。表1给出许多知名安全组织（OSHA、ISO等）推广和接受的危险控制系统，以及NFPA 70E为降低弧闪风险给出的建议。

表1 危险控制Table 1 Risk control

断电通常无法执行。警告牌、培训和使用PPE保护效果差，因为它们没有降低风险本身，而只是控制暴露方式。优化系统设计和设备选择可以有效地降低风险，常用技术如下：

1）降低短路电流：增加系统阻抗，将母线分段，安装快速限流器、电抗器等。

2）缩短故障清除时间：运行/维护切换模式、区域选择联锁、母线差动保护、快速接地开关及弧光&过流保护等。

3）增加工作距离：使用远程装置，限制接近距离，及其他方式等。

4）增大导体间距：使用专用弧闪柜型。

2.4 弧闪警示牌

美标欧标规定，可能发生弧闪的设备必须安装警示牌。评估开始时，需要明确警示牌的责任划分。比如，警示牌内容；哪方提供和安装；安装位置等。NFPA 70E、API 14F中有警示牌的相关要求。此外，警示牌应符合当地的要求，比如语言文字、单位等。国标中没有警示牌的相关规定。

2.5 安全管理

安全管理包括程序更新、员工培训和安装警示牌。其中，要求对工作人员进行定期培训，包括：如何识别危险，避免事故，警示牌阅读，何处找到各自的PPE，如何使用和护理等。

2.6 PPE的选择

在美国，PPE的选择方法依据于NFPA 70E分两种[16]：入射能量分析法和表格法。前者需要计算入射能量，根据结果选择合适等级的PPE；后者不用繁琐的计算，而是根据各项系统参数直接从表格中选择。在1.2节提到，欧标中需要计算PPE的等效保护弧闪能量，这就需要依据IEC 61482对PPE进行测试。由于IEC 61482-1-1测试出能量单位为cal/cm2或kJ/m2，与美标的入射能量单位一致，所以开放式设备的弧闪能量计算需要使用美标NFPA 70E和IEEE 1584，而使用IEC 61482-1-2测试的能量单位为kJ，对应于欧标DGUV，所以封闭式设备计算时全部使用欧标。在国标DL/T 320中，PPE的级别划分与美国相似，在PPE选型配置时有差异，比如国标中对耳塞没有要求，而美标相反。

3 工程应用

可计算弧闪能量的软件有两类，一类是EasyPower/ETAP/ SKM-PTW/ Paladin Designbase（原EDSA）/ RENblad 1710等，执行美标IEEE 1584和NFPA 70E；另一类是BSD Arc Calculator，执行欧标DGUV。这些软件一般内嵌弧闪模块，计算结果互有差别[17]。

简化的评估流程图如图1所示。美标NFPA 70E第130.5(D)条要求，弧闪风险评估的结论需要以文件形式归档。而在国际石化行业中，该文件有所简化，称之为弧闪计算报告，内容包括：项目介绍、系统工况、各项参数、软件计算结果、PPE适用级别等。沙特阿美、巴西国家石油等国际先进石油公司，明确要求承包方或者委托第三方提供弧闪计算报告。该报告正逐渐成为标准设计文件，与潮流、短路、大电机启动等计算报告一起，构成电力系统网络稳定性研究的一部分。

国内海上石油项目中，工程设计通常参照美标，但在弧闪保护方面则有所取舍。常规项目中都不要求提供弧闪计算报告或弧闪风险评估，不计算弧闪能量，而是从系统配置和继电保护方面限制短路电流，进而达到限制弧闪能量的目的。在电力行业，工程设计参照国标，也不要求弧闪计算，但在系统设计时，需考虑和降低弧闪风险。除此之外，严格且规范的操维流程也能减少弧闪事故的发生。

4 结束语

关于弧闪风险分析，本文详细地阐述了国内外的标准体系和执行的区别。美国最早颁布了关于弧闪防护要求的标准，逐渐确定了弧闪计算，PPE的制造、实验、选型，警示牌、安全培训等技术要求，建立健全了弧闪风险评估的流程，世界领先，影响力大。其他国家，比如加拿大、墨西哥等国家正在以美标为参照，制定自己的标准。欧洲起步较早，也有了工业标准和指导文件。以德国为中心，欧标在周围国家中的影响力逐年上升。中国起步晚，近十年参考美标和IEC标准制定了国标和行标，但是没有得到广泛的重视和应用，在PPE试验、弧闪试验和分析方面落后较多。