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：