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1、 建筑节能 电气开关 等杂志发表技术论文。电力网高级工程师,IEEE 电气电子工程师协会会员,IEEE PES 电力与能源分会会员。杨绍江近三十来年,电气工业领域逐步意识到,弧闪事故对于工作在裸露带电导体附近的人员来说,是一种非常危险的伤害。弧闪事故不仅存在极大的触电危险,而且由于电弧造成周围空气电离释放出大量热能,还会对人体造成严重的烧伤。根据美国国家消防局(NFPA-National Fire Protection Association)的定义1,弧闪事故是一种和能量释放相关联的危险状态。而这一能量正是由电弧所释放出来的。弧闪事故是由带电导体间短路(相间短路或对地短路)或将绝缘击穿引起的
2、,使得周围空气电离释放出大量能量,且高温引发金属气化膨胀发生爆炸。02一.弧闪分析概述1、什么是弧闪事故(Arc Flash)2、弧闪事故的危害图 1-弧闪事故现场弧闪事故中心的温度可高达约19427。即便在弧闪事故的外部边沿,温度也可以达到约12760。这样高的温度足以使导体直接气化(铜的气化温度为2567)。在如此高温的状态下,金属导体都难以承受,所以极易熔化其它设备,引发火灾。2003到2007年我国发生的特重大电气2.1 弧闪事故对设备的损害03图 2-事故能量 I2t 与燃弧时间火灾中有43.89%是由于短路故障导致的2。而大量的调查显示85%以上的短路故障是电弧短路3。图2展示了事
3、故能量I2t与燃弧时间关系。该数据来源于开关柜制造厂家的试验数据。从图中可以看出当燃弧时间超过100ms后,电力电缆开始燃烧,当燃弧时间超过200ms后,铜母线开始燃烧,当燃弧时间超过约300ms后,在电动力及高温的作用下,导致金属或非金属构件脱落崩裂,严重的使配电柜解体,甚至柜体钢材都开始熔化燃烧。0100带弧光保护总跳闸时间7+(3580)电缆燃烧铜燃烧超过300ms钢燃I2t,kA2s200400ms2.2 弧闪事故对人体的伤害虽然弧闪事故来源于短路故障,但和短路故障又有明显的差异。理想的短路故障电流只在带电导体上产生和流动,但是弧闪事故却可以通过被短路的电流,电离周围空气向外蔓延。大量
4、的热能在有限空间的电柜内被集中释放,导致巨大声响的爆炸。因此一旦发生弧闪事故,事故点附近的操作人员不但面临着触电的危险,而且还有被严重烧伤以及遭受二次伤害的可能。此外对人体的视觉,听觉,嗅觉功能及神经系统等器官组织也可造成永久性伤害4。据美国C a p-S h e l l咨询公司统计:全美在工作场所内每天发生约5到10起弧闪爆炸事件。而美国劳工部(Department of Labor)统计:每年约有2,000人受到严重的电气灼伤4。法国每年平均电气事故125起,其中弧闪事故占77%。04根据美国相关组织所做的大量研究和分析,导致弧闪事故的直接原因就是短路事故,而区别于理想状态下短路事故的特点
5、是,故障电流不再仅仅流通于导体与导体,或导体与大地之间,而是可以将事故点周围的空气电离并向周围空间释放出能量从而引发弧闪事故。弧闪事故产生的原因包括人为原因及技术原因。(1)误入变配电站带电间隔(2)配电系统隔离开关误操作(3)未对工作区域进行接地(4)未对工作区域进行验电粉尘污染或绝缘损坏。在脏污环境、潮湿条件下,绝缘材料受潮,设备绝缘表面产生凝露和附着污秽,导致设备绝缘水平下降而造成事故。或由于电气设备绝缘材料爬电距离不足而引起绝缘击穿;或者由于绝缘材料材质缺陷,电气设备运行时间较长,在强电磁场作用下绝缘性能严重下降而导致绝缘击穿故障。电气开关触头接触不良。电气开关由于一些触头接触面积不足
6、,紧固螺栓松动,或配电柜断路器手车触头接触不良、错位,在大电流流过时引起过热、熔化进而导致相间、相对地击穿,而断路器没有灭弧装置或灭弧装置损坏、缺失,导致内部燃弧喷到断路器外部。设备正常检修后,电气维修工具或设备细小部件被遗漏在配电柜内。维护或维修后错误的接线和母线连接。小动物(尤其是老鼠)进入配电柜内。弧闪事故产生的人为原因指人为错误,即由于人为疏忽导致的接触,覆盖或移动,主要包括:弧闪事故产生的技术原因主要包括:3、弧闪事故产生的原因(1)(2)(3)(4)(5)05通过上文的阐述,可以了解到弧闪事故的危害性巨大。虽然如此,但通过有效的评估,找到适当的措施,可有效降低弧闪事故对人身或设备的
7、伤害或损毁。为此进行弧闪事故风险评估是大有必要的。通过弧闪事故分析,可以确定每一个配电柜发生弧闪事故时,所能释放出的最大能量值。如果无法避免带电操作,操作人员可穿戴相应等级的防护服进行自我保护。即使意外事故发生也可以最大程度的减少对人身的伤害。采取必要的措施后,不但操作人员的生命安全有了进一步的保证,而且还能够大幅度的避免相关医疗救助的费用。据统计,美国平均每年由弧闪事故导致烧伤的治疗费用约为150万美元。每年的相关诉讼费用约为8百万美元到1千万美元。4.1 减少人身伤害及相关费用由于发生弧闪事故时,有大量的能量集中释放,势必会对设备造成损害。轻微的事故可以导致部分元器件的烧毁或失效,必须进行
8、更换和维修,由此可导致部分或整条生产线停电若干小时,造成生产损失。2021 年 4月台积电晶圆 14 厂发生意外断电,损失金额在 10 亿新台币以内,约合人民币 2.3 亿元 5。2019 年 6 月由于日本四日市工厂的意外停电,影响西部数据和东芝存储器公司闪存制造厂的生产运营,预计此事件将导致西部数据 NAND Flash 晶圆供应量减少 6EB 当量,据估算将损失至少3.8 亿美金 6。而弧闪事故的破坏性比意外断电更加严重,弧闪事故可能导致整个(或相邻多个)配电柜的损毁甚至是配电站的火灾事故。一旦配电柜更换不及时,就可能导致数个星期的停电,影响生产。对于电子行业来说停电 1 分钟的损失就可
9、能高达 1 千万元人民币,连续停电数周的时间对电子行业来说简直是灭顶之灾。4.2 避免设备损毁导致的停电损失4.3 维护企业形象加强安全生产4、弧闪事故分析的目的06在日益重视安全生产的背景下,生产企业也在不断提高自身安全生产的能力,维护企业形象。用电安全不可避免的成为安全生产中非常重要的一部分。如果发生用电事故导致人身伤害甚至死亡,必将影响企业在安全生产上的形象,招致安全生产部门的查处。随着安全法的进一步落实,生产安全事故中的相关负责人甚至会受到刑事责任的追究。弧闪事故能量或入射能(Incident Energy)是工作人员面部或胸部,在一定距离内接收的由电弧释放的热量。采用焦耳/平方厘米(
10、J/cm2)或卡路里/平方厘米(cal/cm2)进行计算。如果人体皮肤接收到1.2cal/cm2热量,就可以导致2级烧伤。2级烧伤是一种轻度烧伤,不产生致命后果,可自行恢复。1、弧闪事故能量接近边界(Approach Boundary)是指人体距离裸露或部分裸露带电导体之间的距离。NEPA 70E 标准中对接近边界按照电压等级的不同进行了两种划分,分别为限制接近边界(Limited approach boundary)和受限接近边界(Restricted approach boundary),划分出不同危险等级的区域范围,明确不同权限人员所能进入的范围,确保人身安全。另 一 种 更 为 关 键
11、 的 指 标 就 是 弧 闪 保 护 边 界(Arc Flash Protection Boundary)。这一边界不是由电压等级决定的,而是由工作人员面部或胸部遭受到的弧闪入射能决定的。如果通过计算,操作人员在某一距离上其面部或胸部遭受到的弧闪入射能为 1.2cal/cm2时,该距离就是弧闪保护边界距离。如果以弧闪事故点为圆点,按照弧闪保护边界距离划出一个圆弧,那么进入到弧闪保护边界内的人员就有遭受到超过 1.2cal/cm2弧闪入射能的可能性,必须在配备相应等级防护服(PPE)的情况下才能进入到该边界内进行带电操作,无相关资质的人员不得擅自进入到该边界内。2、接近边界二.弧闪事故风险评估中
12、相关概念及工作流程IEEE 标准中(以下简称标准)7,根据不同电压等级和配电柜类型,推荐了典型的母线间距(Bus gaps)。该数值用于计算电弧电流及弧闪事故入射能。另外一个重要参数就是工作距离(Working distance)。工作距离指在进行电气操作时,电弧源距操作人员面部或胸部之间的距离。这个数值直接影响操作人员可能遭受到的弧闪事故能量。根据不同的电压等级与配电柜类型,标准中也给出了典型数值。07图 3-接近边界(Approach Boundary)示意图LimitedSpaceRestrictedSpaceENCLOSUREEXPOSED,ENERGIZEDCONDUCTOROR C
13、IRCUITPARTThe Flash ProtectionBoundary can begreater than or lessthan the limitedapproach boundaryLimited Approach BoundaryRestricted Approach Boundary(SHOCK)(SHOCK)ZERO DISTANCE3、母线间距和工作距离虽然弧闪事故入射能可以量化,但并未对事故进行危险等级划分。只在定义个人防护服(PPE)防护等级时进行了耐受等级的区分,亦可被视作弧闪事故危险等级的划分,如下图所示。目前虽然在市面上可以采购到耐受等级超40cal/cm2的防
14、护服(甚至是100cal/cm2以上的防护服),但施耐德电气绝不建议用户在超过40cal/cm2的工况下进行带电操作,而是应该采用相应措施将入射能降到40cal/cm2以下之后,在相对更安全的工况下,配备好相应防护措施后再进行带电操作。4、弧闪危险等级及个人防护服(PPE)08图 4-个人防护服(PPE)展示及性能要求简述根据IEEE-1584(2018版)标准规定,一个完整的弧闪事故风险评估项目包括十个步骤,如下所述。1级防护服防护能力最小值:4cal/cm22级防护服防护能力最小值:8cal/cm23级防护服防护能力最小值:25cal/cm24级防护服防护能力最小值:40cal/cm25、
15、弧闪事故风险评估工作流程收集配电系统及已安装信息弧闪事故风险评估需要收集的资料包括系统内各种可能电源(如市电,发电机)的详细参数;各电源最大最小运行方式下短路容量;各电气设备资料(如变压器,电动机等);各连接设备资料(如电缆);继电保护设备的保护定值,脱扣特性等等。其中保护定值与脱扣特性是分析燃弧时间的重要参数,而燃弧时间的长短又影响到弧闪事故中释放出的能量大小。分析配电系统运行方式一个配电系统可能不止一种运行方式,用户通常会利用多回路的网络结构,备用电源等方式提高供电可靠性。这就导致了在不同运行方式下,同一故障点同一类型故障的短路电流值不相同。因此要掌握各种可能的运行方式,计算出不同方式下的
16、短路电流,再分别进行弧闪入射能计算。步骤一步骤二1级防护服2级防护服3级防护服4级防护服09短路电流计算(bolted fault current)在必要信息收集完后,就可以进行短路电流计算。标准中的短路电流定义为不同电动势下,两导体短路或电气接触,且导体间电抗或电阻为零的情况下产生的故障电流。其中要关注的是两导体间的电抗或电阻为零,即没有经被电离的空气传导的一种“理想”状态下的电流。可采用ANSI或IEC标准计算。基于电压等级与设备类型确认母线距离及电柜大小电压等级与设备类型影响母线间距大小,母线间距大小及电柜尺寸都会影响弧闪事故中入射能的大小,因此确认好电压等级以及柜体形式、大小、和母线间
17、距都对评估结果有直接影响。步骤三步骤四确认设备电极排布方式IEEE-1584(2018版)内弧闪计算方法有了较大变动,添加了步骤五用以确定电弧事故发生处配电设备电极(或端头)排布方式。不同的电极排布(横向/纵向)以及电极所处电柜的类型的不同,也会对电弧电流的计算结果产生影响。具体的排布方式说明可参见标准。确认工作距离工作距离也是影响操作人员接收到弧闪事故入射能大小的参数之一。标准中根据电压等级与设备类型,推荐了典型的工作距离供计算参考。步骤五步骤六计算电弧电流(arc fault current)标准中定义的电弧电流,为一种通过电弧离子传导的故障电流。这种电流通过的路径中,电抗或电阻不再是零,
18、因此电弧电流要小于“理想”状态的短路电流(bolted fault current)。步骤七计算电弧持续时间(即电弧故障清除时间)通过对电弧电流,有效保护装置内保护定值及其脱扣特性的研究,确定保护装置的电弧故障清除时间。在判断电弧持续时间时有三点需要注意。步骤八10(1)(2)(3)采用电弧电流所流经的有效保护装置的完全动作时间。尤其在低压系统内,电弧电流基本上只有50%左右的三相短路电流大小,因此不同故障电流可能引发同一断路器的动作时间存在明显差异。标准规定,最大的燃弧时间为2秒。如果动作时间小于2秒,燃弧时间为实际动作时间;如果动作时间大于2秒,只按2秒计算。有效保护装置是弧闪事故发生点,
19、有效相邻上游保护装置。如图5所示,断路器A为配电柜1内一出线断路器。断路器B和C在配电柜2内。配电柜间为电缆连接。配电柜2内,断路器B下口发生弧闪事故(F1)。由于释放的能量可导致断路器B烧毁,所以对弧闪事故F1其有效保护装置(或有效故障清除装置)为断路器A,而不是断路器B。配电柜2内,断路器C下口发生弧闪事故(F2)。如果配电柜2内采用了有效的分隔措施,不会因为弧闪事故导致断路器B烧毁,那么对于弧闪事故(F2),其有效相邻上游保护装置(或有效故障清除装置)就是断路器B。另一种情况是断路器B和C分别安装在一排配电柜的主进线柜和出线柜内,并且配电柜分隔类型能够达到form4级以上,那么对于弧闪事
20、故(F2)其有效相邻上游保护装置也是断路器B。如果配电柜2为开放式电柜,内部无有效分隔,那么认为断路器 B 也 会 因 为 遭 受 燃 弧 破 坏 而 失 效。此 时 对 于 弧 闪 事 故(F2),其有效相邻上游保护装置(或有效故障清除装置)不再是断路器B,而是断路器A。图 5-弧闪事故位置与有效保护装置断路器B断路器C断路器A配电柜1配电柜2F1F2XXXX11计算弧闪事故中的入射能通过以上步骤的分析,计算出在工作距离处的入射能,推荐带电操作时所需要配备的防护服(PPE)等级。计算弧闪保护边界计算出弧闪事故在工作距离处的入射能后,还应以1.2cal/cm2为标准计算出弧闪保护边界。这个边界
21、有效界定了未做有效防护的其他人员,距相应电气设备的安全距离,确保人身安全。步骤九步骤十三.抑制弧闪弧闪入射能的方法即便当弧闪入射能没有超过40cal/cm2时,为了满足安全操作并降低劳动强度,也应该尽可能的采用相应措施降低弧闪入射能。那么最经济、最有效的方法就是调整有效保护装置内的保护设定值,尽可能的压缩故障清除时间,从而降低弧闪事故持续时间,依稀限制入射能大小。但是调整定值的方法也有其局限性,现场可能无法采用这种方式来抑制入射能。例如,在要求满足选择性的前提下,配电系统内越是处于上游的保护装置,其保护定值越难以降低;或是断路器保护设定值是不可调整。当无法通过调整保护定值主动降低弧闪入射能的情
22、况下,可以根据用户实际状况考虑其他方法降低弧闪入射能,或是避免在高弧闪入射能的情况下直接进行带电操作。下文为读者提供了一些方法供参考(但不限于此):1、抑制弧闪入射能方法的简介(1)(2)(3)通过计算认证后制定临时保护定值,进行带电操作前采用临时保护定值,用以降低弧闪入射能,操作结束后再回复正常定值。更换有效保护装置,采用定值可调整的保护装置。先分断上游低弧闪风险配电柜内断路器再分断下游高风险配电柜内断路器,先闭合下游高风险配电柜内断路器再闭合上游低风险配电柜内断路器,通过这种避免对高风险配电柜直接操作的方式,降低操作人员遭遇弧闪事故的几率。122020年国内某大型寄存器制造商,对生产现场的
23、中低压配电系统进行了一次全面的弧闪事故风险评估分析。通过计算分析,发现中低压保护系统内的现有保护定值存在严重问题,不但无法实现对相应设备的基本保护,实现上下级选择性,更无法有效控制弧闪事故的风险等级,不少配电柜的弧闪危险等级超标。无论是因为选择性问题导致越级跳闸停电范围被扩大,或是因为弧闪事故导致人员伤亡或配电柜损毁,该用户都将面临着难以估量停产损失或巨大的安全生产隐患。通过配电系统弧闪分析服务,在推荐定值下,保护系统内的选择性不但有所提高,而且大幅度的降低弧闪事故风险等级,确保现场维护人员能在有效的防护下进行安全操作,避免人身伤害事故的发生。下文中以该用户现场内一条典型的变压器出线为例,说明
24、如何通过合理的调整保护设定值用以抑制弧闪事故中的风险等级。该厂区中压配电系统电压等级为20kV,低压配电系统电压等级为380V。单线图中REL-DGEP-HV-101A为20kV主电站内到20kV分配电站CUB-EP-HV的出线保护装置。REL-CUB-EP-HV-101A2及REL-CUB-EP-HV-113A分别为20kV分配电站CUB-EP-HV内的主进保护及1250kVA变压器出线保护。通过时间-电流曲线展示出了从REL-DGEP-HV-101A到变压器低压侧主进保护断路器CB-CUB-EP-LV-201A这一回路中,各保护装置内保护定值曲线及上下级之间的保护配合。2、采用调整保护定值
25、方法抑制弧闪入射的案例介绍(4)(5)(6)添加远程分断/闭合操作装置,避免在高风险配电柜前直接操作。采用分隔类型更好的配电柜更换现有配电柜或配电箱。采用防电弧类型配电柜或防内燃弧型配电柜。13(1)(2)(3)继电保护REL-DGEP-HV-101A与REL-CUB-EP-HV-101A2之间无法实现选择性,一旦20kV分配电站CUB-EP-HV母线(即BUS-CUB-EP-HV-101A2)上发生相间短路事故,可能引发REL-DGEP-HV-101A的越级跳闸,从而导致停电范围的扩大。继电保护REL-DGEP-HV-101A与REL-CUB-EP-HV-101A2内短延时保护延时设定值为0
26、.15秒,而变压器出线保护REL-CUB-EP-HV-113A的瞬动保护延时设定值为0.04秒,0.15秒与0.04秒之间的时间级差过小,无法满足时间选择性,也可能因为变压器20kV侧的故障导致REL-DGEP-HV-101A越级跳闸,导致更大的停电范围的。变压器两侧的保护完全无法接受,即无法满足变压器过载保护(变压器两侧的过载保护曲线均与变压器耐受曲线交叉),也无法满足彼此间的选择性要求。更重要的是,在现有定值下,一旦变压器低压侧发生弧闪事故,事故的危险就会超过了标准中界定的合规防护服(PPE)的最大防护能力4级。操作人员进行带电操作时将会面临巨大为潜在风险,一旦发生弧闪事故甚至可能导致人员
27、伤亡。现有定值下存在如下问题:CB-CUB-EP-HV-101A2REL-CUB-EP-HV-101A2CB-CUB-EP-HV-113AREL-CUB-EP-HV-113ACAB-CUB-EP-HV-113ASTR-CUB-EP-LV-201ACB-CUB-EP-LV-201ABUS-CUB-EP-HV-101A2BUS-CUB-EP-LV-201ACAB-DGEP-HV-101AREL-DGEP-HV-101ACB-DGEP-HV-101ABUS-DGEP-HV-AREL-CUB-EP-HV-101A2CB-CUB-EP-LV-201AREL-DGEP-HV-101ACAB-CUB-EP-
28、HV-113ATX InrushTR-CUB-EP-LV-201AREL-CUB-EP-HV-113AREL-CUB-EP-HV-113A1001K10K100K1M10M0.010.0CURRENT IN AMPERESBUS-CUB-EP-LV-201A.tcc Ref.Voltage:380V BUS-CUB-EP-LV-201A.drwCurrent in Amps x 1 380 V x 0.019 20 kV TIME IN SECONDSREL-CUB-EP-HV-101A2CB-CUB-EP-LV-201AREL-DGEP-HV-101ACAB-CUB-E
29、P-HV-113ATR-CUB-EP-LV-201ASchneider Electric VAMP 57 VAMP 57 CT 1500/5 ASettings Phase I,(0.1-5A)0.46(690A)t,Definite Time 15(sec)I,(0.1-20A)1.23(1845A)t,Definite Time 1.2(sec)I,(0.1-40A)2.53(3795A)t,Definite Time 0.15(sec)Schneider Electric China Masterpact MT,5.0/6.0/7.0 P MT25H1(415V)Trip 2500.0
30、APlug 2500.0 ASettings Phase Ir(.xIn)et tr(0.5-24s)0.9(2250A);12 Isd(.xIr)8(18000A)tsd 0.4(Is T Off)Ii 10(25000A)MERLIN GERIN Sepam 1000 Series Sepam 1000 CT 1200/5 ASettings Phase Is IDMT 0.58(696A)Definite Time 10(sec)INST 1.54(1848A)INST Delay 1.2(sec)INST 3.17(3804A)INST Delay 0.15(sec)Schneider
31、 Electric MiCOM MiCOM P127 CT 150/5 ASettings Phase I1 Current Set x In 0.36(54A)Def Time-I1 TD 90(sec)I2 Current Set x In 1.44(216A)Def Time-I2 TD 0.9(sec)I3 Current Set x In 2.88(432A)Def Time-I3 TD 0.04(sec)REL-CUB-EP-HV-113AREL-CUB-EP-HV-101A2CB-CUB-EP-LV-201AREL-DGEP-HV-101ACAB-CUB-EP-HV-113ATR
32、-CUB-EP-LV-201ASchneider Electric VAMP 57 VAMP 57 CT 1500/5 ASettings Phase I,(0.1-5A)0.46(690A)t,Definite Time 15(sec)I,(0.1-20A)1.23(1845A)t,Definite Time 1.2(sec)I,(0.1-40A)2.53(3795A)t,Definite Time 0.15(sec)Schneider Electric China Masterpact MT,5.0/6.0/7.0 P MT25H1(415V)Trip 2500.0 APlug 2500.
33、0 ASettings Phase Ir(.xIn)et tr(0.5-24s)0.9(2250A);12 Isd(.xIr)8(18000A)tsd 0.4(Is T Off)Ii 10(25000A)MERLIN GERIN Sepam 1000 Series Sepam 1000 CT 1200/5 ASettings Phase Is IDMT 0.58(696A)Definite Time 10(sec)INST 1.54(1848A)INST Delay 1.2(sec)INST 3.17(3804A)INST Delay 0.15(sec)Schneider Electric M
34、iCOM MiCOM P127 CT 150/5 ASettings Phase I1 Current Set x In 0.36(54A)Def Time-I1 TD 90(sec)I2 Current Set x In 1.44(216A)Def Time-I2 TD 0.9(sec)I3 Current Set x In 2.88(432A)Def Time-I3 TD 0.04(sec)REL-CUB-EP-HV-113ACB-CUB-EP-LV-201ACAB-CUB-EP-HV-113ATX InrushTR-CUB-EP-LV-201AREL-CUB-EP-HV-113AREL-
35、DGEP-HV-101AREL-DGEP-HV-101AREL-CUB-EP-HV-101A2REL-CUB-EP-HV-101A21101001K10K100K1M0.010.0CURRENT IN AMPERESBUS-CUB-EP-LV-201A.tcc Ref.Voltage:20000V BUS-CUB-EP-LV-201A.drwCurrent in Amps x 52.632 380 V x 1 20 kV TIME IN SECONDSCB-CUB-EP-LV-201ACAB-CUB-EP-HV-113ATR-CUB-EP-LV-201ASchneider
36、 Electric China Masterpact MT,5.0/6.0/7.0 P MT25H1(415V)Trip 2500.0 APlug 2500.0 ASettings Phase Ir(.xIn)et tr(0.5-24s)0.8(2000A);4 Isd(.xIr)3(6000A)tsd 0.3(Is T Off)Ii 6(15000A)Schneider Electric MiCOM MiCOM P127 CT 150/5 ASettings Phase I1 Current Set x In 0.25(37.5A)IEC E Inv-I1 TMS 3 I2 Current
37、Set x In 1.2(180A)Def Time-I2 TD 0.5(sec)I3 Current Set x In 2.88(432A)Def Time-I3 TD 0.04(sec)REL-CUB-EP-HV-113AMERLIN GERIN Sepam 1000 Series Sepam 1000 CT 1200/5 ASettings Phase Is IDMT 0.58(696A)Definite Time 10(sec)INST 1.54(1848A)INST Delay 1.2(sec)INST 3.17(3804A)INST Delay 0.3(sec)REL-DGEP-H
38、V-101ASchneider Electric VAMP 57 VAMP 57 CT 1500/5 ASettings Phase I,(0.1-5A)0.46(690A)t,Definite Time 9(sec)I,(0.1-20A)1.23(1845A)t,Definite Time 0.9(sec)I,(0.1-40A)2.53(3795A)t,Definite Time 0.04(sec)REL-CUB-EP-HV-101A2CB-CUB-EP-LV-201ACAB-CUB-EP-HV-113ATR-CUB-EP-LV-201ASchneider Electric China Ma
39、sterpact MT,5.0/6.0/7.0 P MT25H1(415V)Trip 2500.0 APlug 2500.0 ASettings Phase Ir(.xIn)et tr(0.5-24s)0.8(2000A);4 Isd(.xIr)3(6000A)tsd 0.3(Is T Off)Ii 6(15000A)Schneider Electric MiCOM MiCOM P127 CT 150/5 ASettings Phase I1 Current Set x In 0.25(37.5A)IEC E Inv-I1 TMS 3 I2 Current Set x In 1.2(180A)
40、Def Time-I2 TD 0.5(sec)I3 Current Set x In 2.88(432A)Def Time-I3 TD 0.04(sec)REL-CUB-EP-HV-113AMERLIN GERIN Sepam 1000 Series Sepam 1000 CT 1200/5 ASettings Phase Is IDMT 0.58(696A)Definite Time 10(sec)INST 1.54(1848A)INST Delay 1.2(sec)INST 3.17(3804A)INST Delay 0.3(sec)REL-DGEP-HV-101ASchneider El
41、ectric VAMP 57 VAMP 57 CT 1500/5 ASettings Phase I,(0.1-5A)0.46(690A)t,Definite Time 9(sec)I,(0.1-20A)1.23(1845A)t,Definite Time 0.9(sec)I,(0.1-40A)2.53(3795A)t,Definite Time 0.04(sec)REL-CUB-EP-HV-101A214通过下表,基于不同保护定值下,对同一母线段上的弧闪事故风险评估结算结果进行进行比较。以20kV主站内出线保护REL-DGEP-HV-101A内现有保护设定值为基准,对下游各出线保护的现有保护
42、设定值进行了调整,做如下简单说明:备注:为了读者方便与下文中弧闪事故风险评估计算结果中呈现的短路电流及电弧电流相对照,以上两份时间-电流曲线图中采用了不同的参考电压。现有保护定值下时间-电流曲线图中采用380V为基准电压,而推荐定值下时间-电流曲线图中采用20kV为基准电压。(1)(2)(3)将REL-DGEP-HV-101A内短延时保护延时设定值改为0.3秒,而REL-CUB-EP-HV-101A2中短延时保护改为瞬动保护,0.04秒实际为继电保护装置自身的运算判断时长,同时对其他延时设定进行调整,以便通过时间级差实现REL-DGEP-HV-101A与REL-CUB-EP-HV-101A2的
43、选择性。变压器两侧的保护也进行了相应调整,为了能够实现过载保护,在REL-CUB-EP-HV-113A内采用IEC Inv(极反时限)曲线替代定时限曲线提供过载保护,避免和变压器耐受曲线的交叉,又可以和下游低压主进断路器实现相互配合。REL-CUB-EP-HV-113A内瞬动保护电流设定值无法完全避开变压器低压侧的最大短路电流,是为了抑制低压侧的弧闪事故风险等级,但即便发生越级跳闸事故,也不会导致停电范围被放大。REL-CUB-EP-HV-113A与上游主进保护REL-CUB-EP-HV-101A2都有瞬动保护,保护曲线重叠在一起,但是可以通过逻辑闭锁保护确保两个保护装置之间的选择性。15首先
44、在这里解释下,为何同一段母线会有两种计算结果。简单的说就是在弧闪分析中不能将本配电柜内安装的保护装置作为该电柜的有效保护装置(如2.5小节所述),因为弧闪事故中释放出的危险能量大,可能会直接损毁本柜内的保护装置,从而导致保护失效。因此对于进线柜,其有效保护装置被视为其上游出线保护装置(断路器或继电器);而对于出线BUS-CUB-EP-HV-101A2 Bus Name母线名Protective Device Name上游有效保护设备名称REL-DGEP-HV-101AREL-CUB-EP-HV-101A2REL-DGEP-HV-101AREL-CUB-EP-HV-101A2REL-CUB-EP
45、-HV-113ACB-CUB-EP-LV-201AREL-CUB-EP-HV-113ACB-CUB-EP-LV-201ABus Voltage母线电压(kV)Bus Bolted Fault 母线短路电流(kA)Bus Arcing Fault母线电弧电流(kA)Prot Dev Bolted Fault流过保护设备短路电流(kA)Prot Dev Arcing Fault流过保护设备电弧电流(kA)Trip/Delay Time延时设置(sec.)Breaker Opening Time分断装置机械分断时间(sec.)Total Arcing time电弧故障清除时间(sec.)Ground
46、接地Equip Type设备类型Gap母线间隙(mm)Arc Flash Boundary弧闪保护边界(cm)Working Distance典型工作距离(cm)Incident Energy入射能(cal/cm2)PPE Level 防护服级别Note备注该段母线进线柜该段母线各出线柜该段母线进线柜该段母线各出线柜该段母线进线柜该段母线各出线柜该段母线进线柜该段母线各出线柜BUS-CUB-EP-HV-101A2 BUS-CUB-EP-LV-201A BUS-CUB-EP-LV-201A 20.0019.3519.3518.6218.620.1500.07000.2200NoSWG1525.7
47、70.9247.5危险20.0019.3519.3518.6218.620.30.07000.3700NoSWG1527.360.9277.3危险20.0019.3519.350.730.730.040.07000.1100NoSWG1524.080.9223.7Level 3 20.0019.3519.350.730.730.040.07000.1100NoSWG1524.080.9223.7Level 30.3828.9917.6228.9917.620.90.07000.9700YesSWG323.920.6152.0危险0.3828.9917.6228.9917.620.50.0700
48、0.5700YesSWG323.020.6130.6Level 40.3828.9918.3928.9917.6220.00002.0000YesSWG325.590.61107.2危险0.3828.9918.3928.9917.620.40.00000.4000YesSWG322.340.6118.3Level 3 现有定值下计算结果推荐定值下计算结果现有定值下计算结果推荐定值下计算结果1617(1)(2)为 了 满 足 选 择 性,避 免 越 级 跳 闸 导 致 的 停 电 范 围 被 放 大,当REL-DGEP-HV-101A内短延时保护延时值从0.15秒提高到0.3秒后,母线BUS-C
49、UB-EP-HV-101A2上的进线柜内弧闪事故入射能被放大了。无论是现有定值下或推荐定值下都不满足风险控制的要求,危险等级均超过了标准限定的上限值。是不允许在这种超标的危险等级下带电操作。相比之下,当变压器两侧的保护设定值进行了优化后,低压侧主配电柜内无论是进线柜或出线柜内的弧闪事故入射能都被限制到了可接受的范围内,是可以在配备相应防护等级个人防护服(PPE)的情况下进行带电操作的。柜(与主进线柜为同一贯通的主母线),其有效保护装置可以视为进线柜内的保护装置(断路器或继电器)。因此对于同一条贯通的主母线,虽然母线上的短路电流 和电弧电流是相同的,但弧闪事故 点在不同位 置时(主进线柜内或出线
50、柜内),其计算出的弧闪入射能及风险等级可能一样也可能存在很大区别,这取决于其有效保护装置内的保护设定值。其次,为了保证故障电流一定能够触发断路器的保护功能,就要求故障电流必须大于考虑了正误差下的断路器电流保护启动值,通常最大正误差值为20%。在此案例中,现有定值下断路器CB-CUB-EP-LV-201A的短 延 时 保 护 电 流 设 定 值 为 18 k A,而 流 过 该 断 路 器 的 电 弧 电 流 为17.62kA,只有当故障电流在百分之百大于21.6kA(即18kA*120%)时才能认为可以触发短延时保护清除弧闪事故,电弧故障清除时间才能认为是0.4秒。而故障电流17.62kA不满
51、足这个条件,因此按照标准规定当实际电弧故障清除时间超过2秒时,直接采用2秒作为电弧故障清除时间进行计算。另外,电弧故障清除时间为保护装置延时设定值与分断设备固有的机械分断时间之和。本案例中,默认中压20kV断路器的固有机械分断时间为0.07秒,低压断路器的固有机械分断时间可忽略。通过结果比对可以看出通过对以上案例的分析,可以看出对保护定值进行合理优化,是抑制弧闪事故中入射能大小的一种最直接、最有效、也是最经济的方法。只有当无法通过调整保护定值来降低弧闪事故风险等级时,才会考虑其他可能会涉及到增加投资的方法。例如本案例中,母线 BUS-CUB-EP-HV-101A2上进线柜内的弧闪事故风险等级就
52、无法通过调整定值的方式得以控制,那么如何避免操作人员冒险进行带电操作呢?以下是可以供用户参考的典型方案。National Fire Protection Association,Inc.,NFPA 70E,Standard for Electrical Safety in the Workplace,2018 ed邸曼,张明,夏大维,齐梓博,20032007 年国内电气火灾事故的统计分析,第十一届中国科协年会论文集,公安部沈阳消防研究所,火灾现场勘验与物证鉴定公安部重点实验室,沈阳,110034电弧闪络危害简述,2010-11-22,http:/ for Performing Arc-Flas
53、h Hazard Calculation,IEEE industry Applications Society,2002edhttp:/ for Performing Arc-Flash Hazard Calculation,IEEE industry Applications Society,2018eda.b.c.通过对 BUS-CUB-EP-HV-101A2 进线柜上游出线断路器进行操作,避免在通电的情况下对 BUS-CUB-EP-HV-101A2 进线柜进行分合闸操作。预先在 BUS-CUB-EP-HV-101A2 进线柜上游保护装置内设定一组电流值较小的备用速断设定值,该备用速断设定
54、值也需要通过计算确保可以把下游弧闪事故危险等级控制在可接受范围内。在对 BUS-CUB-EP-HV-101A2进线柜进行带电操作时,先启用上游出线柜内的备用速断设定值,操作结束后再恢复到正常定值。通过改造,在 BUS-CUB-EP-HV-101A2 进线柜内安装远程分合闸控制系统,避免操作人员直接在柜前进行带电操作。参考文献1 2 3 4 5 6 7 18本手册采用生态纸印刷客户关爱中心热线:400 810 1315施耐德电气(中国)有限公司Schneider Electric(China)Co.,Ltd北京朝阳区望京东路6号施耐德电气大厦邮编:100102电话:(010)8434 6699传真:(010)8450 1130Schneider Electric Building,No.6,East Wangjing Rd.,Chaoyang DistrictBeijing 100102 P.R.C.Tel:(010)8434 6699Fax:(010)8450 1130www.schneider-由于标准和材料的变更,文中所属性和本资料中的图像只有经过我们的业务部门确认以后,才对我们有约束ECATA10682019 11