電弧閃絡危害的介紹與計算(四) _Introduction and Calculation of Arc Flash Hazard -4

4.         IEEE 1584-2002準則計算方程式

目前電弧閃絡的相關計算公式，都是在實驗室內改變各項參數以實驗所得數據推導歸納成數學計算公式，現在最為美國業界所普遍採用的是IEEE 1584與NFPA 70E的計算式，本文介紹較為嚴謹的IEEE 1584計算方式。

電弧閃絡的計算是短路計算和保護電驛設定計算的再延伸，因此，進行電弧閃絡計算的先決要件，一定必須先取得短路電流值和電驛、斷路器等保護設備的跳脫時間，因此，除了了解計算公式，仍需具備電力系統觀念。

4.1    名詞定義(節錄)

電弧閃絡危害(arc flash hazard)：由電弧產生的能量釋放所造成的危險狀況。

電弧故障電流(arcing fault current, I_a)：流經離子電弧(electrical arc plasma)的故障電流。

直接短路故障電流(bolted fault current, I_B)：兩不同電位的導體接觸發生短路，短路兩導體之間的阻抗為零。

閃絡保護界線( flash protection boundary, FPB)：未作隔離或曝露在活電範圍內的距離限制，在此限制距離內人員有可能遭受二度灼傷。

電弧能量(incident energy, IE)：當發生電弧事故時，距離事故源的表面所遭受的能量值，單位為每平方公分焦耳(J/cm²)或每平方公分卡(cal/cm²)， 1cal/cm² =4.184J/cm²。

工作距離(working distance)：執行工作時，人員身體、頭部和可能的電弧源之間的距離。

4.2    計算步驟

IEEE 1584-2002就是計算閃絡保護界線(FPB)和電弧能量(IE)的準則，此標準將計算的過程共分為九個步驟，說明如下。

步驟一：收集系統設備參數資料

類似典型的短路計算和保護協調計算設定一樣，資料收集包括了最新的單線圖及市電電源、發電機、變壓器、電動機和電纜等各項設備參數，還需包含低壓饋線和配電盤的長度及配置，這些因素都會影響到最後結果的準確度。

步驟二：決定系統操作模式

簡單的輻射是配電系統架構只有一種操作模式，但是，比較複雜的系統會有不只一種操作模式，故障電流的大小也會因此有異，歸納如下。

1.     系統或開關盤有兩條或以上的電源進線

2.     聯絡斷路器的投入或開啟

3.     發電機與系統並聯或是備用

步驟三：決定直接短路故障電流(I_B)

輸入相關設備參數，計算每一個匯流排點做為可能工作的位置點，同時要考慮每一個操作模式可能帶來故障電流的改變。

步驟四：決定電弧故障電流(I_a)

求得直接短路故障電流(I_B)後，再依計算公式求得電弧故障電流。

計算公式如下：

若匯流排電壓<1000V

若匯流排電壓>1000V

其中：

I_a：電弧故障電流，單位kA。

K：參數，開放式架構為-0.153，箱體式架構為-0.097

I_B：匯流排三相故障電流，單位kA。

V：匯流排電壓，單位kV。

G：匯流排導體間隙，單位mm。

步驟五：找到保護電驛特性曲線和電弧持續時間

必須準備每一個保護裝置的時間電流曲線(TCC)，若無則需製造廠家提供。保護電驛驅動的斷路器必須再考慮斷路器的操作時間，參考表1所示。

表1斷路器的操作時間

斷路器等級和型式	操作時間(秒)
低壓模鑄式<1000V	0.025
低壓電力斷路器<1000V	0.050
中壓(1-35kV)	0.080
部分高壓(>35kV)	0.130

步驟六：系統電壓和設備等級

系統電壓和設備等級會影響最後計算的結果，詳表2所示。

表2典型匯流排間隙

設備等級	間隙(mm)
15 kV SWGR	152
5 kV SWGR	104
低壓 SWGR	32
低壓 MCC 和配電盤	25
電纜	13
其他	不需要

步驟七：選擇工作距離

表3工作距離

設備等級	工作距離(mm)
15 kV SWGR	910
5 kV SWGR	910
低壓 SWGR	610
低壓 MCC 和配電盤	455
電纜	455
其他	現場決定

步驟八：決定所有設備的電弧能量(Incident Energy, IE)

計算公式如下：

其中：

E_n：標準電弧能量，單位J/cm²。

K₁：參數，開放式架構為-0.792，箱體式架構為-0.555

K₂：參數，非接地和高接地電阻系統為0，接地系統為-0.113

G：匯流排導體間隙，單位mm。

其中：

E：電弧能量，單位J/cm²。

C_f：計算參數，>1kV為1.0，<=1kV為1.5

t：電弧時間，單位sec。

D：電弧點至人體間的距離，單位mm。

x：距離指數，詳表4。

表4 距離指數

系統電壓 (kV)	設備型式	導體間典型 間隙(mm)	距離x因數
0.208 – 1.0	Open Air	10-40	2.000
	SWGR	32	1.473
	MCC, Panel	25	1.641
	Cable	13	2.000
>1 - 5	Open Air	102	2.000
	SWGR	13-102	0.973
	Cable	13	2.000
>5 - 15	Open Air	13-153	2.000
	SWGR	153	0.973
	Cable	13	2.000

步驟九：決定所有設備的電弧保護界線

計算公式如下：

電弧閃絡危害的介紹與計算(三) _Introduction and Calculation of Arc Flash Hazard -3

3.         他山之石 - 美國法規標準

美國國家職業安全與健康管理局（The Occupational Safety and Health Administration ,OSHA）要求非住宅場所，雇主須提出電弧危害評估分析，確認電弧閃絡的危害距離與事件能量等計算結果，分類危害等級選擇適當的個人保護設備，最終須將評估得結果列印成標籤黏貼在電氣開關盤體上，一旦未符合法規需求，發生工安事故的雇主，除了設備損失外，法院判定雇主需付高額的賠償金，嚴重時可能被要求停工，損失會相當慘重，在官方依照法規要求之下，雇主們都已接受並遵從規範。

因此，欲了解計算的觀念及規範的精神，借助美國經驗是條可行的捷徑，畢竟目前全世界對電弧危害研究最積極最有成果的就是美國了，美國政府自西元2000年初期陸續將研究成果表現在各標準規章內，這些文件標準包含了OSHA、NESC、NEC、NFPA-70E及IEEE 1584等，分別略述如下。

3.1    OSHA（The Occupational Safety and Health Administration）即美國國家職業安全與健康管理局，其標準CFR Part 1910內規範了雇員在或靠近電氣設備工作時，提供安全的工作環境是屬於雇主的責任。

3.2    NESC（National Electrical Safety Code）即美國國家電氣安全規範，最新的是2012年版，其中第 410條A項3款條文規範要求當雇員工作在通電設備或其附近，有可能暴露在電弧的潛在危險下，雇主必須確實執行防範電弧危害的評估分析，雇主必須要求雇員穿著高於評估結果的防護配備進行施作。

3.3    NEC（National Electrical Code，即NFPA-70）亦即是美國國家電氣法規，最新的是2014年版。在第110.16節即有規定於可能潛藏電弧閃絡可能的電氣開關盤和控制盤上必須明顯標示「電弧閃絡危險」的標記，警告現場人員在進行維修檢查工作之前注意。

3.4    NFPA-70E（Standard for Electrical Safety in the Workplace），最新的是2015年版，防範電弧灼傷有一系列標準作法和建議，包括電弧危害評估、電弧計算與分類、防護配備標準以及保護衣著如何搭配應用等等許多細節的實務建議，其中防護配備除了保護衣著外，還包含耳塞、護目鏡、頭罩等等。

3.5    IEEE  1584（IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations）是執行電弧閃絡危害的距離與能量計算的指導手冊。於2002年出版初版，後來在2004年做了些微修正，目前未再進版，消息指出可能會於2015年再進版。主要是計算交流三相電力系統的閃絡保護界限（Flash Protection Boundary）及工作人員可能承受得電弧能量(Incident Energy, IE)再去選擇適當的個人保護設備（Personal Protective Equipment，PPE），雖然實驗的電壓範圍是從208V至15kV，理論上任何電壓皆可適用，目前尚未含蓋交流單相系統和直流系統的電弧閃絡計算。