电弧闪络的危害及其防护措施

李霁光

(罗地亚中国投资有限公司，上海 201108)

电弧闪络的危害及其防护措施

李霁光

(罗地亚中国投资有限公司，上海 201108)

电弧闪络危害具有较大的隐藏风险，其严重性和触电一样可能会致命。主要阐述了电弧闪络的危害，列举了国际法规中关于电弧闪络的相关规定以及所能采用的相关防范措施和减少电弧危害的缓解技术；简单介绍了国内电气设计人员如何运用ETAP工程软件对电弧闪络进行分析，为防护措施提供了有效的理论依据。

电弧闪络 电弧安全界限 入射能量

从1992年至2001年,约有44363人因受到电气伤害而无法正常工作，其中非致命的电气伤害有27262人，另有17101人是由电弧闪络烧伤造成。每年有超过2000人进入烧伤中心被认定是严重的电气烧伤而接受治疗。

发生电气烧伤将导致长期无法正常工作。尽管烧伤的人数只占38%，但是烧伤需要长期的治疗和康复，其痛苦程度及庞大的医疗费用令伤者或企业难以承担。因此，研究电弧闪络的危害并采取必要的防护措施具有重要的意义。

1 电弧闪络的危害

电弧闪络危害对现场电气工作人员来说，是除触电外最大的隐藏风险，其严重性和触电一样可能会致命，但过去未被重视。

电弧闪络与触电相比有很大的不同。当一个人触电的时候，电流会在人体的敏感组织(主要是神经)间通过，从而产生影响。电弧闪络通常是在空气导电时产生，其主要成因是两个接触的导体再次分离时将电流拉出，从而产生电弧。当电弧产生时，形成的缺口充满了电离子，其数量迅速上升，尤其是在高压/低阻的供电情况下的电力输送线，这种现象更加明显。任何大于50V电路都有可能产生电弧闪络。

电弧闪络损耗能量的方式包括以下三个方面： 以EMI/RFI，红外线以及(最大衰弱)可见光(电弧闪络)的形式辐射发散；随状态变化(化学键被破坏、爆炸区内的挥发和电离化)而发生的变化；绝热膨胀(电弧爆炸)。

电弧闪络所造成的伤害主要包括以下几点：

1) 烧伤。电气伤害中，多达80%是源于由电弧闪络和点燃的可燃衣物所造成的烧伤。电弧灼伤是电气工作者除触电外最可能造成的伤害，因为严重的电弧发生点的温度是太阳表面温度的4倍(约2×104℃)，周围的材料物质被气化或烧熔高温后喷出，也有电弧强光、气浪推力与爆炸声响等伤害。

2) 暂时失明、失聪、震荡损伤、碎片伤害。除直接烧伤致命以外，电弧气浪压力(或推力)也是可能致命的伤害原因(有可能造成坠落)，严重的电弧事故受害者也遭受视力损害、听力损失以及其他系统损伤，所以对电弧伤害的完整防护应该是全面的全身保护配备系统。

2 国际法规关于电弧闪络的相关规定

美国、加拿大等国经过20多年的电弧相关研究，已有具体办法可以有效预防工作现场的电弧闪络危害，并且也相继更新了相关的电气法规，这些措施在NFPA-70E文件、IEEE1584文件、NEC法规以及NESC法规中，都相继纳入了如何预防电弧闪络事故的相关条文，以全面提升电气从业人员的工作安全，然而国内目前还无相关的措施。

2.1美国国家电气法规关于电弧闪络的规定

NEC是美国的国家电气法规，最新为2011年版。NFPA70 2005年版的第110.16节有规定，必须在有可能发生电弧闪络的设备上标示警告“电弧闪络危险”的标志。同时，对于电弧闪络保护的规定如下： 电气设备,如开关柜、配电盘、工业控制盘、仪表插座附件和马达控制中心,除了在居住用房外,对正在运行的设备很可能需要检查、调整、维修或维护的，应现场标志、警示有资格的工作人员在此处存在潜在的电弧闪络危险。该标志应设置在清晰可见的地方，以便有资格的工作人员在检查、调整、维修或维护设备前便可清楚潜在的危险性。

2.2美国消防协会关于电弧闪络的规定

NFPA 70E(2009年版)是编定NEC规范的美国消防协会，为补充NEC法规在电气工作安全规定方面的不足，而另编定的电气安全标准文件，在2000年版内容中就已对电气工作防范电弧灼伤等相关措施有一系列标准作法和建议，包括电弧危害评估、电弧计算与分类、防护配备标准以及保护衣着如何搭配应用等许多细节的实用建议。2004年版修订了许多新规定使其内容更充实。笔者认为该文件是目前国家在电气工作安全上(不仅是防范电弧灼伤)结合理论与实践的最佳标准版本。

美国消防协会修订标准NFPA 70E，并将其更名为“工作场所的电气安全标准”，该标准将与职业安全与健康法案规定(OSHA)和NEC标准相兼容。NFPA 70E 2009年版对带电运行的设备进行相应的安全操作实践提供了指导。标准要求对在施工、调试和运行阶段的带电设备，应该进行电弧闪络危害分析。当在一个相对安全的工作环境下,如果无法切断设备电源,则对此工作任务和工作条件下必须采用合适的保护措施以确保个人安全。

2.3电气与电子工程师协会关于电弧闪络的规定

IEEE 1584是IEEE专为计算电弧闪络的危险距离与入射能量而编制的指导应用文件，初版是2002年版，后来在2004年做了少许修正。该文件特别的地方是因为使用的计算公式较复杂，所以使用者如果需要也可搭配设计好的Excel软件程序。

IEEE 1584提供了一个非常全面的指南包括示例计算和技术。

3 电弧闪络的防护措施

3.1电弧安全界限(FPB)

理论上工作者距离电弧闪络点越接近，其灼伤越严重，防范的重点是要计算出在灼伤可治愈的情况下至少应保持的距离，该距离即为电弧安全界限。若要进入该界限内带电工作，则需再计算离电弧发生点的工作者身上所能承受的电弧能量，并且要穿戴能耐受所计算电弧能量的保护衣着系统。由于有关电弧能量的计算式都是以实验数据反向推导归纳成数学公式，因而不同的研究机构或者专家学者，所推导出的计算式不同。目前美国业界所普遍采用的是IEEE 1584和NFPA 70E的计算式。IEEE 1584文件的公式复杂，计算结果较为准确，而NFPA 70E的公式则较为简单易用，但这些都是数学推算值，仅能作为参考依据。

3.2电弧闪络入射能量

电弧的热效应比一般的火焰还要严重，可耐燃(或防感电)的材料未必可以抵抗电弧闪络入射能量。

电弧闪络事故的入射能量可以透过工程设计规划予以适度控制，关键在于降低设备的事故以及缩短事故发生时间。

3.3个人防护装备(PPE)

NFPA 70E中的表格130.7(C)(10)为防护衣物及个人防护装备矩阵表，表格130.7(C)(11)为防护衣物特性。上述两表可以作为个人防护设备选择依据。

3.4电弧闪络危害的防范措施

1) 根据NEC规定在有可能发生电弧闪络事故场所(如开关设备处)，贴警示标记并表示电弧闪络风险等级、FPB范围以及可能产生的最大电弧能量，包括个人穿用保护设备的种类。这些在现场的标示通常也应包含表示防范感电的最小带电工作安全距离等数据。

2) 根据NFPA 70E规定，进入工地工作之前要先进行风险评估，严格遵守在FPB范围外工作的规定，如要进入安全界限范围内工作则需穿着有效电弧额定的保护衣着系统。美国的电力公司一般采用两类简化式的抗燃衣着系统： 每日工作衣着；电气操作衣着或称抗电弧套服。

3.5减少电弧危害的缓解技术

1) 使用限流装置、熔断器、电抗器。

2) 使用多个较小的带有隔离装置的千伏安电源。然而这种使用多个小变压器的方法也有缺点，例如，元件数量显著增加，增加了潜在的故障点和需要维护的工作，在有限的资源条件下，意味着会降低维护标准和出现较高的故障概率。将变压器的容量限制到1000kVA以下，对于许多项目的设计会造成限制，即使如此，也会使人员暴露在可能产生弧闪的环境中。

3) 对所有的高压、低压、三相系统采用直接接地系统。对于所有小容量负荷和单相系统(例如照明等)，通过容量小于100kVA的中性点接地的变压器来供电。

4) 采用更快的电弧清除时间、接地故障保护、更精确的多功能继电保护系统。

5) 采用多区域和/或可选择区域进行继电保护。

6) 采用光感保护装置来检测和隔离电弧或者可以运用消弧电路来清除电弧。

7) 采用绝缘的、隔离的和独立的母线来阻止电弧的蔓延。尤其是在封闭的空间，降低了由于电弧的反射能量而造成的弧闪危害对工人的热量暴露，同时减少了在其他区域的附带损害。

8) 采用远程操作设备从而减少潜在的电弧闪络危害。

9) 通过DCS来远程操作开关柜断路器或通过远程控制盘来操作开关柜断路器，这样可以减少在具有潜在电弧闪络发生区域人员出现的可能性，也可减少使用机械操作的断路器。

10) 采用便携式/临时设备，可增加操作时本地交换机和潜在电弧闪络之间的分离距离。

保证现场工作人员的生命安全，不仅可以采用安全防护装备来防范电弧闪络的发生，也可以通过上述的缓解技术，来降低电弧闪络发生的可能性。

4 电气设计中的电弧闪络分析

在电气设计中，通常采用ETAP软件进行电弧闪络分析。ETAP电弧闪络分析是用于估计在发生三相短路故障时的电弧入射能量，并以此确定FPB。它是一个采用了相关原理并内嵌于ETAP的综合分析模块。该模块可以自动确认ETAP短路电流计算模块中所有工具使用的电弧短路电流，还可以计算独立的电弧电流和在ETAP继电保护中所有保护设备清除时间产生的电弧故障。另外，ETAP软件将会自动确定系统接地配置和其他需要确定的模块分析结果，因而减少了根据标准进行电弧闪络分析的时间。

通过ETAP弧闪分析，用户可以同时为单条或上百条母线进行电弧闪络分析，它具有一些内嵌工具可运用于所有母线，如： 快速电弧闪络入射能量计算器。用户在短路电流出现的设备场景中引起较高的入射能量时可以运用此计算器。ETAP软件还包含了所有在IEEE 1584和NFPA 70E标准中规定的典型边界和设备间隙，这将简化数据录入的过程。

ETAP拥有在IEEE 1584和NFPA 70E标准中推荐的分析功能，包括1kV系统中电弧电流的变化分析、改变故障电压的能力分析和选择三相故障电流不同等级的能力分析等。借助分析工具，ETAP电弧闪络分析将提供包括经过各个保护设备的电弧电流贡献、故障清除时间和母线或单个保护设备的危害性分析等内容的报告。该报告中还包含了系统中所有故障母线、电弧闪络保护边界和危害性等级的总结。

5 结束语

电弧闪络对现场电气操作人员可能造成致命的伤害，但是在目前国内大多数的电气设计中，并未对电弧闪络进行具体的分析计算，国内也未出台相关的标准，在实际的现场中，对于要进行操作的设备旁也并未有明确的警示标志，包括注明安全防护界限、电弧危害风险等级、人员防护装备的要求等，因而必须引起国内设计人员和施工人员及现场工作人员的高度重视。

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

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[4] MARROQUIN A. The Limitations of Arc Flash Hazard Tables [J]. Electrical Safety Measures, 2008： 13-16.

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[8] MARROQUIN A. Evaluating NFPA 70E Arc Flash Hazard Category Tables[J]. Electrical Products & Solutions, 2007(09)： 12-16.

稿件收到日期： 2013-02-16。

李霁光(1981—)，男，山东泽县人，2003年毕业于同济大学电气工程及自动化专业，获学士学位，现工作于罗地亚(中国)投资有限公司工程部。

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