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摘要：弧闪分析计算是从事海外电力设计工作中需要提供的一个重要文件，而此计算在国内并没有强制要求，IEEE STD 1584对于弧闪分析计算做了非常详尽的规定解释，本文通过研读IEEE STD 1584，提出一种切实有效的弧闪计算过程，此计算过程适用于1kV以下配电系统。并以港口工程实际供电系统为例，提出该系统的电气设计与计算原则。
关键词：弧闪分析计算;电气设计;保护措施
区别于国内工程，国外项目的设计文件应包含完整的计算成果，其中包括供配电系统的短路电流计算，系统的接地电阻计算，照度模拟计算，正常情况下的压降计算与电动机启动时刻的压降计算，配电网的继电保护整定计算，以及弧闪分析计算。
以《菲律宾八打雁港口改造扩建工程》为例，该工程体量不大，但是基本涵蓋了港口设计的所有内容，其中供电专业负责红线范围内的照明，接地，电力线路设计。《PHILIPPINE ELECTRICAL CODE（菲律宾电气规范）》于2018年正式颁布并要求按此实施，其中就明确了弧闪分析计算的相关要求。弧闪是指由电弧引起的能量释放。在低压配电系统中，特别是人员在操作配电箱开关的时，一旦产生过量的弧闪，对于人体是有一定危险性的。因此建立弧闪模型，通过计算来确定弧闪危险等级，并以此作为防护弧闪的重要依据。很明显这是一个非常重要的设计成果文件，国外项目的咨询审查工程师也已相继要求设计院提供正确完整的计算流程。
为最大限度的保护电气工作人员，国外相关实验室进行了大量的实验测试，分析事故模型，测量弧闪能量，提出了一种计算模型。《IEEE STD 1584》中就详尽的介绍了电弧闪光的建模计算过程，提供了在发生电弧时计算入射能量的方法，并确定弧闪保护边界，以便最大程度的降低人员暴露在入射能量下的烧伤级别。以下就该规范中弧闪计算的几个重要的步骤进行介绍。
1.收集系统参数，建立系统模型
首先，设计师应收集现场数据，如变压器、发电机、大型电机和开关设备上的铭牌数据，线路阻抗，长度等，并要保证，所有电气来源均使用最新的信息，图纸，程序等。而后根据以上信息画出该系统的单线图，基于该系统的单线图，得到该运行模式下的短路电流。对于办公室的工程师来说，能够通过模型计算。从而估算出弧光的风险程度，来指导现场操作人员，以及相关产品制造，都是十分具有指导意义的。
2.确定弧闪电流值
虽然电弧故障电流主要取决于短路故障电流，但两者又不尽相同，特别是在1000 V以下的介质电压下，电弧是具备一定的电阻特性的，因此电弧电流是略低于金属性的短路故障电流的。在计算过程中，短路电流不能用来替代弧闪电流，而是应根据短路电流，通过转化获得该点的电弧故障电流。由短路电流转换成弧闪电流的公式，可参考IEEE STD 1584相关章节。值得注意的是该转换公式的获得是基于大量弧闪实验耦合而成。由于弧闪发生的上一级开关的动作时限对于切断弧闪电流的影响，因此转换公式也结合考虑了该部分的影响。
我们很清楚，在电网的短路电流计算过程中，需要分别计算最大及最小运行模式下的短路电流。因此，通过短路电流转化计算过的的弧闪电流，也存在相对应两种模式下的值。
3.找出保护装置特性和电弧持续时间
电弧故障切除时间很大程度上影响了事故人员所接受到的电弧能量总值。因此在现场调查中，我们应找到故障点上一级保护开关的时间-电流曲线（TCC曲线）。该TCC曲线最好利用开关提供商提供的软件获得。如果是对于一个非常简单的研究来说，可使用保护装置特性，在制造商数据中找到。
例如对于带整体跳闸装置的断路器来说，制造商的时间-电流曲线包括两个跳闸时间和清理时间。对于继电器操作的断路器，继电器曲线仅在延时中显示继电器操作时间，区域。
根据弧闪电流值，查询上一级开关的TCC曲线，就不难获得该开关的跳闸时间，即获得了该弧闪电流的持续时间。该持续时间对于计算弧闪能量有着重要的意义。
根据IEEE STD 1584规定，还需要额外查询85%的弧闪电流值说对应的开关的跳闸时间，得到另外一组弧闪电流的持续时间。最终以100%弧闪电流及85%弧闪电流的对应值，分别带入计算过程。因此，再结合第2步获的最大及最小运行模式下的弧闪电流，此处应有4个弧闪电流值。
4.选择工作距离
电弧闪光保护总是基于人的面部和身体在工作距离，而不是手或手臂上的入射能量。烧伤的损伤程度取决于烧伤的皮肤百分比。头部和身体占整个皮肤的很大比例。与四肢烧伤相比，这些部位的表面积和损伤对生命的威胁更大。
在不同的工作条件下，工作距离有相应的规定，其数值在IEEE STD 1584中也有明确的定义。例如在1kV以下配电箱的操作过程中，人体与设备的操作距离选取为455mm，而裸露开关的操作情况下，人体与此的操作距离选取为610mm。
5.确定弧闪的入射能量
电弧的入射能量是人员所处的位置接受到由电弧释放的量。电弧入射能量的计算是通过已得的弧闪电流，持续时间，根据所处的操作形式选择工作距离等参数，最终得到该次弧闪事故中，对人员造成的伤害总能量。值得注意的是，该模型是基于测量电弧电流的入射能量，并在特定测试条件下进行理论计算。其中距离是方程式的基础，基于测试仪器与电弧闪点源的测量距离，能够估出最大事故能量和电弧闪光边界距离。当然实际的电弧入射能量可能比这些模型计算出的更严重或更不严重。
6.确定所有设备的保护边界
IEEE STD 1584中指出，人体的临界事故能量值为5.0 J/cm2入射能量，根据此入射能量，我们可以反向算出安全操作下的边界临界距离值。该计算得出的距离值意味着，当操作人员与弧闪发生点距离小于该计算值，就可能发生二度烧伤。如若操作距离是固定情况下，入射能量必须控制在可能发生二度烧伤的最小值。I
7.确定设备操作的个人防护等级及其他保护措施
弧闪计算的目的是根据计算获得的能量事故值，一方面确定操作设备时的个人防护等级，另一方面指导电气安装时应注意的相关保护措施。
文件旨在为事故能量计算和电弧闪光保护提供指导。一旦计算结果出来，这些信息就可以作为制定出操作人员减少烧伤的不同等级的个人防护装备（PPE）的。参照NFPA 70E中的相关条款，PPE被分为等级0至4，共5个等级，分别对应在不同能量事故值中所应该遵循的防护操作保护，但是PPE并不是完全的防护，只是屏蔽保护人员受到2度以下的烧伤。
而最新的弧光继电器，弧光减少维护系统（ARMS）的应用，是从检测弧光，加快启动断路器跳闸，动作时间可以降低至几毫秒以内。减少电弧的持续时间与入射能量，从而降低对人体与其他设备的伤害，亦可以降低操作人员PPE级别。
结束语
本文介绍了工人可能接触的三相交流系统下的电弧闪光入射能量和电弧闪光边界的计算方法。它涵盖了现场数据的分析过程收集到最终结果，给出找到事故能量和闪光保护所需的边界值，最终确定操作防护守则以及其他应遵循的技术规范等。
参考文献：
[1]IEEE STD 1584 Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations.
[2]NFPA 70E 2018 Standard for Electrical Safety in The Workplace.
作者简介：陈鹏麒（1985-），男，工程师，主要港口供配电设计等工作。
关键词：弧闪分析计算;电气设计;保护措施
区别于国内工程，国外项目的设计文件应包含完整的计算成果，其中包括供配电系统的短路电流计算，系统的接地电阻计算，照度模拟计算，正常情况下的压降计算与电动机启动时刻的压降计算，配电网的继电保护整定计算，以及弧闪分析计算。
以《菲律宾八打雁港口改造扩建工程》为例，该工程体量不大，但是基本涵蓋了港口设计的所有内容，其中供电专业负责红线范围内的照明，接地，电力线路设计。《PHILIPPINE ELECTRICAL CODE（菲律宾电气规范）》于2018年正式颁布并要求按此实施，其中就明确了弧闪分析计算的相关要求。弧闪是指由电弧引起的能量释放。在低压配电系统中，特别是人员在操作配电箱开关的时，一旦产生过量的弧闪，对于人体是有一定危险性的。因此建立弧闪模型，通过计算来确定弧闪危险等级，并以此作为防护弧闪的重要依据。很明显这是一个非常重要的设计成果文件，国外项目的咨询审查工程师也已相继要求设计院提供正确完整的计算流程。
为最大限度的保护电气工作人员，国外相关实验室进行了大量的实验测试，分析事故模型，测量弧闪能量，提出了一种计算模型。《IEEE STD 1584》中就详尽的介绍了电弧闪光的建模计算过程，提供了在发生电弧时计算入射能量的方法，并确定弧闪保护边界，以便最大程度的降低人员暴露在入射能量下的烧伤级别。以下就该规范中弧闪计算的几个重要的步骤进行介绍。
1.收集系统参数，建立系统模型
首先，设计师应收集现场数据，如变压器、发电机、大型电机和开关设备上的铭牌数据，线路阻抗，长度等，并要保证，所有电气来源均使用最新的信息，图纸，程序等。而后根据以上信息画出该系统的单线图，基于该系统的单线图，得到该运行模式下的短路电流。对于办公室的工程师来说，能够通过模型计算。从而估算出弧光的风险程度，来指导现场操作人员，以及相关产品制造，都是十分具有指导意义的。
2.确定弧闪电流值
虽然电弧故障电流主要取决于短路故障电流，但两者又不尽相同，特别是在1000 V以下的介质电压下，电弧是具备一定的电阻特性的，因此电弧电流是略低于金属性的短路故障电流的。在计算过程中，短路电流不能用来替代弧闪电流，而是应根据短路电流，通过转化获得该点的电弧故障电流。由短路电流转换成弧闪电流的公式，可参考IEEE STD 1584相关章节。值得注意的是该转换公式的获得是基于大量弧闪实验耦合而成。由于弧闪发生的上一级开关的动作时限对于切断弧闪电流的影响，因此转换公式也结合考虑了该部分的影响。
我们很清楚，在电网的短路电流计算过程中，需要分别计算最大及最小运行模式下的短路电流。因此，通过短路电流转化计算过的的弧闪电流，也存在相对应两种模式下的值。
3.找出保护装置特性和电弧持续时间
电弧故障切除时间很大程度上影响了事故人员所接受到的电弧能量总值。因此在现场调查中，我们应找到故障点上一级保护开关的时间-电流曲线（TCC曲线）。该TCC曲线最好利用开关提供商提供的软件获得。如果是对于一个非常简单的研究来说，可使用保护装置特性，在制造商数据中找到。
例如对于带整体跳闸装置的断路器来说，制造商的时间-电流曲线包括两个跳闸时间和清理时间。对于继电器操作的断路器，继电器曲线仅在延时中显示继电器操作时间，区域。
根据弧闪电流值，查询上一级开关的TCC曲线，就不难获得该开关的跳闸时间，即获得了该弧闪电流的持续时间。该持续时间对于计算弧闪能量有着重要的意义。
根据IEEE STD 1584规定，还需要额外查询85%的弧闪电流值说对应的开关的跳闸时间，得到另外一组弧闪电流的持续时间。最终以100%弧闪电流及85%弧闪电流的对应值，分别带入计算过程。因此，再结合第2步获的最大及最小运行模式下的弧闪电流，此处应有4个弧闪电流值。
4.选择工作距离
电弧闪光保护总是基于人的面部和身体在工作距离，而不是手或手臂上的入射能量。烧伤的损伤程度取决于烧伤的皮肤百分比。头部和身体占整个皮肤的很大比例。与四肢烧伤相比，这些部位的表面积和损伤对生命的威胁更大。
在不同的工作条件下，工作距离有相应的规定，其数值在IEEE STD 1584中也有明确的定义。例如在1kV以下配电箱的操作过程中，人体与设备的操作距离选取为455mm，而裸露开关的操作情况下，人体与此的操作距离选取为610mm。
5.确定弧闪的入射能量
电弧的入射能量是人员所处的位置接受到由电弧释放的量。电弧入射能量的计算是通过已得的弧闪电流，持续时间，根据所处的操作形式选择工作距离等参数，最终得到该次弧闪事故中，对人员造成的伤害总能量。值得注意的是，该模型是基于测量电弧电流的入射能量，并在特定测试条件下进行理论计算。其中距离是方程式的基础，基于测试仪器与电弧闪点源的测量距离，能够估出最大事故能量和电弧闪光边界距离。当然实际的电弧入射能量可能比这些模型计算出的更严重或更不严重。
6.确定所有设备的保护边界
IEEE STD 1584中指出，人体的临界事故能量值为5.0 J/cm2入射能量，根据此入射能量，我们可以反向算出安全操作下的边界临界距离值。该计算得出的距离值意味着，当操作人员与弧闪发生点距离小于该计算值，就可能发生二度烧伤。如若操作距离是固定情况下，入射能量必须控制在可能发生二度烧伤的最小值。I
7.确定设备操作的个人防护等级及其他保护措施
弧闪计算的目的是根据计算获得的能量事故值，一方面确定操作设备时的个人防护等级，另一方面指导电气安装时应注意的相关保护措施。
文件旨在为事故能量计算和电弧闪光保护提供指导。一旦计算结果出来，这些信息就可以作为制定出操作人员减少烧伤的不同等级的个人防护装备（PPE）的。参照NFPA 70E中的相关条款，PPE被分为等级0至4，共5个等级，分别对应在不同能量事故值中所应该遵循的防护操作保护，但是PPE并不是完全的防护，只是屏蔽保护人员受到2度以下的烧伤。
而最新的弧光继电器，弧光减少维护系统（ARMS）的应用，是从检测弧光，加快启动断路器跳闸，动作时间可以降低至几毫秒以内。减少电弧的持续时间与入射能量，从而降低对人体与其他设备的伤害，亦可以降低操作人员PPE级别。
结束语
本文介绍了工人可能接触的三相交流系统下的电弧闪光入射能量和电弧闪光边界的计算方法。它涵盖了现场数据的分析过程收集到最终结果，给出找到事故能量和闪光保护所需的边界值，最终确定操作防护守则以及其他应遵循的技术规范等。
参考文献：
[1]IEEE STD 1584 Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations.
[2]NFPA 70E 2018 Standard for Electrical Safety in The Workplace.
作者简介：陈鹏麒（1985-），男，工程师，主要港口供配电设计等工作。