大型航标船配电系统电弧等级及个人防护浅谈

海上搜救应急处置后评估指标体系研究张然71
大型航标船配电系统电弧等级及个人防护浅谈
边晓阳韩毅
（交通运输部东海航海保障中心上海航标处上海201208）
摘要：文章简要介绍大型航标船配电系统开关柜内部故障电弧的特性，以某大型航标船配电系统参数为样例，通过分析计算该船主配电系统电弧等级，探讨大型航标作业船舶应
采取的电弧防护措施，为大型航标船开关柜内部故障电弧防护提出一些建议。

关键词：大型航标船主配电板电弧等级电弧防护
0 引言1
随着海洋强国和海事三化建设的逐步推进，航标相关履职任务的需求增加，航标船也向着大型化、高效化、多功能化的方向发展，对于大型航标船电力系统需求也不断加大，船舶配电系统开关柜内部故障电弧对电力系统安全稳定运行的影响日益突出。

据统计，在使用电气设备过程中发生的伤害事故中，电弧事故占比超过3/4，直接造成的永久残疾和死亡事故也是居高不下。

由此可见，电弧事故已经成为电气事故中的头号杀手。

因此，作为大型航标船管理使用单位，有必要认真分析电弧在大型航标船实际航行作业中发生的可能，充分认识到电弧的危害性，并做好相应防范措施。

1 船舶电弧的危害与防护
所谓电弧危害（Electric Arc Hazards），是指因电弧释放大量能量对人身的伤害或对设备造成的损坏。

船舶配电板内部故障电弧是一种电能大量意外释放的危险情况。

这种释放的形式表现为强光、热、声和由柜体材料气化产生的铜、铁、铝蒸汽组成的爆炸产物。

像伴随封闭式爆炸一样，伴随电弧也会产生强烈声波和压力波。

在现代船舶机舱环境中，绝缘材料老化，表面爬电，树枝状劣化和人为错误操作带电设备都将导致带电导体间的绝缘破坏，这时会产生电弧。

由下图1可见，某船配电板在发生电弧灾害后的损坏程度。

收稿日期：2020-06-20
作者简介：边晓阳（1992- ），男，河北省人，助理工程师，现从事航标保障管理工作。

图1 遭受电弧冲击后的某船配电板
1.1 船舶配电板电弧产生的原因
导致船舶开关柜内部电弧故障的原因有很多，如材料的老化导致绝缘性能的下降；设备内部在开关开断瞬间产生的过电压；不遵循规程的误操作；对安装、维护和操作人员培训不足；损坏或高温的安全联锁反应；严重的空气污染、高湿度、温度、腐蚀气体；腐蚀物质使连接部分过热导致连接松动；错误安装；缺少继电保护装置或保护不充分；没有充足的维护和测试程序，如绝缘电阻测量，红外检测和可以指示日益恶化情况的局部放电测量；缺少闭锁装置导致的隔离开关、断路器、接地开关的误动作；电缆终端问题，如设计缺陷，安装错误和绝缘失效；互感器的铁磁谐振电压；对接地故障的不充分保护和不正确的系统接地方式选择；电应力所致的老化；灰尘和小动物的进入，接触表面腐蚀导致过热，接触不良产生火花。

由于意外的外力，人为错误，操作不当致使连接线和导线折断；只处理当前的事故，事后不另行整改和不分析事故原因；过电流在松动节点产生火花；检修过程中遗忘零件和工具在设备内。

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1.2 电弧防护采取的措施
目前，虽然国内并没有强制性法规或标准要求电业操作人员必须穿戴电弧防护用品，但是加强电弧防护却是必然的趋势。

例如，在LR船级社的规范中，就明确提出，在安装以下可能产生电弧危害的电气设备（组合电机屏、侧推启动器、主配电板、应急配电板等）时，必须提供电弧计算的分析报告，同时对于电弧防护等级也做了明确地要求（参见：LR船检规范Part6,Chapter2,Section8）。

一般来说，穿戴防电弧服能对电弧伤害有很好的防护效果，防电弧服是采用高科技的材料制成，具有耐热、阻燃、不助燃、不熔融和H 级电绝缘等永久性的防火、绝缘等特点。

通过外在的服装来阻隔电弧燃烧产生的巨大能量，以达到保护人身的目的。

2 某大型航标船电弧计算
通过计算某大型航标船主配电板处故障时产生的电弧能量值，可为进一步提出该船电弧防护措施建议提供技术依据。

2.1 电弧危害等级计算依据
目前，对电弧计算主要有4份指导资料：一是NFPA 70E，2012年修订版；二是IEEE 1584 Guide，2002年修订版；三是IEEE 1584a，2004年修正版；四是IEEE P1584b/D2草案2，尚未获批。

其中NFPA70E 2012认为满足额定电压低于240V；仅由一台变压器供电；变压器的额定功率低于125 KV A 等。

条件可不进行电弧危害分析：额定电压低于240V的三相系统故障电弧计算可查阅IEEE1584 Guide。

本文中对于某大型航标船电弧计算，采用IEEE 1584 Guide，2002年修订中的方法,对该船主配电板的电弧危害进行计算分析。

2.2 电弧计算所需的基本参数
1）船舶电力系统概况。

AC400V,50HZ，三相三线制；电力供应配置为三台主发电机和一台应急发电机；AC400V主配电板由1个1250A的隔离开关分成两段汇流排，隔离开关正常处于闭合状态；
2）船舶发电机组数据。

发电机数量为3台；额定电压为AC400V；额定功率为360KW；额定电流为649.5A；
3）船舶等效电机数据。

最大工况等效电机EM1额定输出功率为209kW，额定电流301A；艏侧推M1额定输出功率为400kW,额定电流577.4A；
4）船舶工况概况。

-进出港工况为两台主发电机同时在线运行向400V主配电板供电；-航行工况为一台主发电机在线运行向400V主配电板供电；-作业工况为三台主发电机同时在线运行向400V主配电板供电；-停泊工况为一台主发电机在线运行向400V主配电板供电；-应急工况为一台应急发电机向应急配电板供电；
5）最大短路（故障）电流。

主配电板电弧危害的最大值出现在船舶配电系统发生最大短路电流时，因此需要计算出某大型航标船在最大用电工况下，主配电板发生的短路电流值。

根据船舶工况，可知某大型航标船在作业工况时，其发生的短路电流为最大。

在缺乏详细资料的情况下，船舶电力系统在主配电板附近短路时的最大短路电流，可以按照《钢质海船入级与建造规范》2.3.2.5条规定，做出如下估算：
å
å+
=
+
=m
I
g
I
Iacm
Iacg
ac N
N3
10
I（1）式（1）中Iac为最大对称短路电流有效值；
Ng
åI
10为所有并联运行的发电机额定电流之和；åNm I
10为所有同时投入运行的电动机额定电流之和。

根据本文2.2节中船舶发电机组和等效电机相关数据，代入式（1）中，可得
å
å+
=
+
=m
I
g
I
Iacm
Iacg
ac N
N3
10
I=10（649.5×3）+3（577.4+301）=22.12kA,因此某大型航标船主配电板处最大对称短路电流约为22.12kA。

2.3 某大型航标船电弧计算
2.3.1 电弧电流计算
IEEE 方程适用的电压等级为0.208~15kV，频率为50Hz或60Hz，短路电流为700~106000A，导体间隙为13~152mm的三相电力系统中。

当系统电压低于1kV时，电弧电流Ia满足
lgIa = K + 0.662 lgIbf + 0.096 6U+0.000526G+ 0.5588U（lgIbf）-0.00304G（lgIbf）（2）
式中：lg为log10,Ia为电弧电流，kA；G 为导体间隙，mm （见表1）；K在敞露空间中取-0.153，在柜体中取-0.097；U为系统电压，kV；Ibf为金属性三相短路电流，kA（此处即为主配电板最大短路电流Iac）。

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表1 设备类型与典型母线间隔
设备类型典型母线间隔/mm
15kV开关柜153
5kV开关柜104
低压开关柜32
低压MCC和配电板25
电缆13
上述式中所取参数依次为：G=32mm；
K=-0.0097；U=400V；Ibf=Iac=22.12kA，将参数代
入式（2）。

可得lgIa = -0.0097 + 0.662 lg22.12 + 0.096
6×400+0.000526×32+0.5588×400（lg22.12）
-0.00304×32（lg22.12），计算得出某大型航标船主
配电板短路时电弧电流Ia为10.43kA。

2.3.2 计算典型事故能量
典型条件为电弧放电时间0.2s，工作距离
610mm。

lgEn=K1+K2+1.081lgIa+0.0011G （3）
式中，En-典型电弧放电时间和工作距离的事
故能量，J/cm²；K1-常数，开放结构为-0.792，箱
型结构为-0.555；K2-常数，未接地及高压电阻接地
系统为0，接地系统为-0.113；G-导体间隙。

将相关参数代入式（3）中，可得
lgEn=-0.792+（-0.113）+1.081lg10.43+0.0011
×32，即En计算结果为2.94J/cm²。

计算事故能量
E=4.184CfEn（t/0.2）（610x/Dx）（4）
式中：E-事故能量，J/cm²；Cf-系数，1kV以
上为1.0，1kV以下为1.5；En-典型事故能量，J/cm
²；t-电弧时间，s；D-操作距离，mm；x-距离指数
（见表2）。

表2 典型导体间隙和距离指数
System voltage(kV)Equipment
type
Typical gap
Between
Conductors
(mm)
Distance x
factor Open air10¬40 2.000 Switchgear32 1.473 MCC and
panels
25 1.641
0.208-1
Cable13 2.000
Open air102 2.000
Switchgear13¬1020.973＞1-5
Cable13 2.000
Open air13¬153 2.000
Switchgear1530.973＞5-15
Cable13 2.000
将相关数据依次代入式（4）中，可得
E=4.184×1.5×2.94（0.1/0.2）（610×1.641/850×1.641），计算得出E=5.356J/cm²。

3 某大型航标船电弧危害防护的建议
3.1 理论依据
通过2.3节中电弧计算，我们发现某大型航标船主配电板处电弧事故能量为 5.356J/cm²，根据IEEE 1584a规定的电弧危害等级，见表3，可知其属于1类电弧风险。

表3 电弧危害等级
Min Incident
Energy,(J/cm2)
Max Incident
Energy,(J/cm2)
Risk Category 050
5.0011
6.6671
16.66833.3332
33.334104.1673
104.168166.6674
166.668and above Not Available 3.2 大型航标船电弧危害个人防护建议
1）设置电弧危险标志，见图2。

根据某大型航标船主配电板处电弧能量计算结果，应在主配电板醒目位置设置电弧危险标志，该标志应当包含下列三点信息：一是该设备的电压等级；二是禁止接近边界、限制接近边界、管制接近边界及弧光保护边界；三是弧光电流、防护衣物最少应承受的能量、个人保护装备等级。

图2 电弧危险标志
2）配备对应防护设备。

仅允许受训合格人员接近暴露活电设备部分的边界；设定限制接近边界，仅合格人员具有适当点击防护及个人防护设备才可接触活电部分的边界区域。

同时，进一步根据通过IEEE 1584 可计算弧光能量，并以5.02J/cm²（即1.2cal/cm²）为基准简单分为三个能量等级，在个人防护设备选用上只需计算弧光能量，选用合
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适的个人防护设备即可，如表4所示的弧光危险等
级与个人防护设备选用表。

表4 电弧危害与个人防护设备表
弧光能量防护衣物其他个人防护设备
＜1.2cal/cm2不融化或未经处理
的天然显微长袖或
衣裤相连工作服
防护面罩、安全眼
镜、听力保护耳塞
和皮革保护手套
介于1.2¬12cal/cm2AR等级长袖与长
裤，AR等级套装头
罩、面罩，AR等级
夹克、风雪大衣、
雨衣
硬彀帽、安全防护
眼镜、听力保护耳
塞、厚皮革手套及
皮革工作鞋
＞12cal/cm2AR等级长袖与长
裤，电弧闪光套装，
AR等级套装头罩，
AR等级夹克、风雪
大衣
硬彀帽、安全防护
眼镜、听力保护耳
塞、AR等级手套及
皮革工作鞋
3）加装弧光保护继电器。

短路电流与弧光燃烧时间为决定弧光能量的主要因素，在整个系统结构确定的情况下，短路电流为定值。

缩短弧光燃烧时间为减少弧光能量的主要方法，然而传统的过电流保护因为选择性保护，必须延长跳脱时间。

因此，在不更改设备设定的情况下，建议加装弧光保护继电器以降低燃烧时间。

4 结束语
随着大型航标船电力系统需求也不断加大及对人身安全管理水平的提高，对电弧对人员的危害重视程度也在不断提高。

电弧危害计算、电弧危害标牌及个人电弧防护用品应当成为海事履职船舶供配电设备带电检查、调整、维修或维护的应用规定。

在裸露于具有电弧事故能量级为一类危害[5 J/cm²（1.2 cal/cm²）]以上的地方工作时，均须穿着个人电弧防护用品作为身体保护。

参考文献
[1] 王林晖；电站个人电弧防护用品的选用[J]；中国新技术新产
品；2015
[2] 王修俭、丁力；配电箱电弧灼伤的危害分析[N]；国网旬阳县
供电公司；2017
[3] 李渊、淡淑恒；开关柜内部故障电弧危害及其防护综述[D]；
上海电力学院；2018
[4] 1584TM-2004: IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard
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