LV電盤電弧事故探討與經驗分享

1. 前言

工廠廠區電力供應經台電輸入後經高低壓變壓器將電壓轉換到低壓電站(圖1)後，透過低壓變電站配電盤供應至該變電站附近負載(圖2)，當低壓變電站配電盤盤內故障時可能造成生產機台與廠務設備停電進而影響生產。

圖1、台電電力系統供應架構^[26]

圖2、工廠廠內電力系統供應架構

低壓配電盤盤內發生短路故障時，短路電流可能將事故點附近銅排或材料分解成離子，離子化後的離子受到環境與電磁力影響會擴散到其他區域(圖3)造成事故擴大，若保護設備及時動作切斷故障點異常電流則異常事故會直接消失，若未達保護設備設定時間時電弧消失則事故可能因電壓變動導致電弧再度發生進而再發生電弧事故直至保護電驛動作或其他原因切斷事故點電壓進而停止此次事故。

圖3、電弧行進測試資料^[23]與實際案例(A為故障點，D為受影響位置)

2020/11至2021/05半年內廠務低壓配電盤連續出現三次弧閃事故，其中一次因弧閃移動更造成同一側盤其他迴路二次側過電流跳脫，擴大事故範圍(圖4)，本次研究目的為分析低壓配電盤弧閃與事故擴大原因，並提出改善方向以降低低壓配電盤盤內短路事故與盤內故障時事故擴大機會，進而降低生產與設備損失。

圖4、低壓配電盤弧閃與事故擴大案例

2. 電弧異常現象與文獻探討(Arc phenomenon and literature)

IEEE Std. C37.20.7-2006對於電弧的定義如下：開關內部電弧故障或電弧閃爍故障被定義為「意外放電事件發生在設備外殼範圍內，並藉由空氣釋放故障電能」。

低壓電力系統在正常狀況下無電弧異常原因為，一般狀況下空氣絕緣介電強度為3kv/mm，正常運轉電壓下導體間距高於產生電弧的距離，因此不會產生電弧。因空氣中的絕緣介電強度易受溫度影響而降低，當空氣中溫度上升至2000K~3000K時將令空氣介質轉換為導電性物質，產生熱游離(Thermal Ionization)現象，當空氣中溫度上升至6000K時將令空氣中的氧分子、氦氣分子與其他離子原子和電子轉換成電離電漿(Ionized Plasm)狀態，電離的空氣與來自電極的電離物質，在電極之間形成了導電的等離子通道此即為電弧的生成方式與現象。

電弧閃絡的主要物理特徵參考 圖5如下 : ①爆炸壓力波可達3m以上；②溫度可能超過20000℃，高於太陽表面溫度6000℃ 3倍以上；③爆炸噴熔引起的金屬破片散射速度高達1600km/hr；④爆炸噪音可達160dB；⑤具有火災蔓延風險。

圖5、電弧閃絡的主要物理特徵

依據NASA專門研究錫鬚事故網站(https://nepp.nasa.gov/whisker/index.html)揭露1998~2005年內，非NASA衛星故障之衛星控制處理器(SCP)因錫鬚引起的短路而故障事件共計8次(參考 表1非NASA衛星故障之衛星控制處理器因錫鬚引起的短路而故障事件)。同時該網站並提供一個500V bus bar，銅排間距20mm的錫鬚造成三次短路異常事故案例(參考圖6 : 500V bus bar，銅排間距20mm錫鬚造成三次短路異常事故案例與 圖7 : 500V bus bar，銅排間距20mm錫鬚圖片，https://nepp.nasa.gov/whisker/anecdote/2009busbar)，依以上案例，銅排間距20mm確實可能因錫鬚造成相間短路事故。

表1、非NASA衛星故障之衛星控制處理器因錫鬚引起的短路而故障事件

圖6、500V bus bar，銅排間距20mm錫鬚造成三次短路異常事故案例

圖7、500V bus bar，銅排間距20mm錫鬚圖片

觀察嚴重低壓配電盤弧閃事故案例有兩個明顯現象 :　①跳脫前故障電流成斷續現象(圖8)，所記錄到的故障電流波形最長連續時間僅達200ms低於電驛跳脫時間設定；②過電流故障範圍幾乎波及到事故盤側所有迴路(圖4)，針對以上兩種現象進行電弧特性分析，可以發現下列六種現象。

圖8、低壓配電盤弧閃與事故擴大案例部分電流波型

2.1 低壓電力系統電弧滅弧現象

當事故發生時空氣中充滿氣化後金屬離子引發電弧，每半週電流經過零點時斷弧，若不再起弧則形成斷弧現象，當其他相或位置產生事故或金屬離子因電磁力或風力擾動飄移、附著在絕緣物上，在電壓大小與導電條件符合發弧條件時將再產生電弧，導致斷續發生滅弧現象；對低壓系統而言有一個明顯的特徵為電壓越低則越容易斷弧。

Y2015 EPRI發表「Arc Flash Update for 480V Network Protectors : 2015 Technical Report」提高工業界對480V配電系統對電弧閃絡事件特性及危害認知文中說明 : ①短路電流可能超過1000kA；②清除故障時間可能很長，閃絡事故嚴重程度取決於設備特性，部分實驗架構下480V配電系統閃絡持續時間小於1.5Cycle。

國外電力公司PG&E與EPRI針對480V系統在開放空間進行的斷弧測試，參考 圖9 : 低壓系統斷弧現象實驗結果，導線或設備故障(Tool or Wire Fault )在3個Cycles內就被清除，若是接線錯誤等問題最多也是13個Cycles就被清除；當採用同一實驗架構其產生的電弧電流持續時間並不固定，參考 圖10 : 同一實驗架構的電弧電流持續時間以電錶箱的故障為例，其電弧持續時間範圍為1cycle~60cycles明顯顯示電弧斷弧時間的高度變動性。另外參考國外電力公司Cone Edison實際監視到的120V/208V地下電纜事故可以觀察到電弧斷續現象(圖11) :

圖9、低壓系統斷弧現象實驗結果^[21]

圖10、同一實驗架構的電弧電流持續時間^[21]

圖11、實際120V/208V 地下電纜事故電流波型^[20]

至於更低壓的208V系統EPRI亦曾進行實驗(圖12 : 208V電弧閃絡測試照片)，並發表於其Technical Update資料庫208V Arc Flash Testing : Network Protectors and Meters, Technical Update, September 2010的電弧閃爍技術報告，其中與電弧有關的結論簡述如下 : ①電弧會自動斷弧。②70%閃絡事件持續不到1.5cycles；最長持續6cycles；電錶箱內電弧閃絡皆在1.6cycles熄滅。雖然大部分在1cycle內斷弧但最長斷弧時間為6cycles，因此電弧斷弧時間能具有高度變動性。

圖12、208V電弧閃絡測試照片^[7]

2.2 電弧移動方向與快速移動現象

電弧本身是一種極度動態的電氣現象，在電流磁場作用力、氣體壓力、溫度、流動速度等影響因素下，電弧阻抗呈非線性變化關係，將影響故障電流振幅一併對電弧產生移行及息弧效應；參考 圖13所示，在平行線路上電弧因磁場作用力推動往負載側移動，當前進力量F及空氣阻力R相等時移動速度會固定，且電弧移動之速度與電流成正比 :

圖13、電弧往負載方向移動^[22]

參考 圖14Merlin Gerin實驗內容，在開闊空間下300V距離300mm的低壓匯流排流經15kA~20kA故障電流時其電弧速度達200mm/ms~250mm/ms :

圖14、電弧速度實驗記錄^[22]

當故障電弧沿匯流排導體移動時，若匯流排導體無間斷或其盤面幾何形狀與結構未突然改變，且電弧移動路徑無任何金屬障礙物或絕緣物，電弧移行幾乎不會造成損害，僅於弧跟移動路徑上留下些微毫米的電弧痕跡；反之若移動路徑上受阻礙或停止移行，即使電弧停留時間僅數毫秒亦可能對匯流排造成嚴重的金屬熔化絕緣物燃燒等熱破壞現象，參考 圖15 : 電弧移動痕跡。

圖15、電弧移動痕跡

2.3 匯流排受電磁力影響的扭曲現象

匯流排溫度與電流平方與持續時間成正比(I2Rt)，當故障點位於低壓ACB盤一次側，故障電弧往負載側(經ACB輸入銅排流往輸出銅排)流動，將導致ACB輸入銅排熔損與軟化使匯流排與ACB輸入側的接續點強度遭弱化；再因為故障電流磁場造成之機械應力與相間間距成反比且與電流大小成正比，將可能導致匯流排脫離ACB輸入側接續點，參考 圖16故障電流磁場造成之機械應力圖示與 圖17匯流排脫離ACB輸入側接續點脫離ACB圖示。

圖16、故障電流磁場造成之機械應力圖示

圖17、匯流排脫離ACB輸入側接續點脫離ACB圖示

2.4 電弧金屬蒸氣粉塵擴散現象

由於電弧溫度可達3000℃~20000℃因此會急速加溫空氣造成空氣快速膨脹並將因高溫熔解的金屬(銅熔點 : 1084.62℃；鋁熔點 : 660.32℃；鐵熔點 : 1,538℃)蒸氣隨著擴散氣流擴散到其他位置，在IEEE/NFPA及很多實驗發現，即使極小型電弧事故(斷路器在1Cycle內啟斷完成)電弧本身影響範圍也超過1公尺，同時融化的銅排噴射距離超過2公尺，圖18為操作電盤發生之電弧模擬狀況圖，圖19 440V 45kA故障電流電弧移動錄影截圖，顯示該故障電流下約1ms即有大弧度的電弧移動，圖20電弧氣體擴散實驗顯示在4ms內電弧可移動500mm(125m/s)，依此速度當匯流排相間短路故障時在主盤跳脫(約0.34秒內)前電弧行進距離達42.5m遠大於ACB Feeder盤的寬度(1m)與ACB盤高度(1.7m)(參考 圖21低壓盤相間故障保護協調圖與圖22低壓盤俯視圖)。由前面分析可發現當低壓配電某處發生匯流排故障時故障產生的電弧有機會行進至該側盤內的任一位置。

圖18、操作電盤發生之電弧模擬狀況

圖19、440V 45kA故障電流電弧移動錄影截圖

 影片來源：https://www.youtube.com/watch?v=SusRNbGqYGs

圖20、電弧氣體擴散實驗^[23]

圖21、低壓盤相間故障保護協調圖

圖22、低壓盤俯視圖

2.5 低壓電盤的絕緣障壁現象

低壓電盤採取絕緣障壁(Insulation Barrier)結構設計者，其絕緣障壁處即屬於電極末端，此處可視為局限空間。由於故障電流磁場作用力當電弧移行至絕緣障壁處將因無法穿越而停止於該處，並於該處發展出穩定電弧，穩定的電弧閃絡在其高電弧能量密度下容易進一步引發更大的故障電流與金屬材料與絕緣材料的熔化與汽化並可能擴大故障範圍。參考 圖23低壓電盤絕緣障壁影響實際案例 : Case1與Case3故障發生點位於配電盤最上方與最下方，故障電弧分別聚積於盤體最上方與最下方，故障時間容易達到保護電驛跳脫時間進而跳脫，Case2電弧無法聚積導致故障電弧形成斷弧現象，導致故障置保護電驛跳脫時間高於20秒，參考(圖8)低壓配電盤弧閃與事故擴大案例部分電流波型，低壓電盤的絕緣障壁現象與效果如下 :

圖23、低壓電盤絕緣障壁影響實際案例(Case1 Main盤PT線短路，Case2&Case3 FeederACB輸入側限縮部分(2cm)短路)

2.5.1 阻擋及穩定的電弧造成更大破壞

常見的絕緣障壁為匯流排終端或匯流排間隔器即ACB終端板，圖24為文獻記載的65ms持續電弧破壞結果，圖25為ACB 輸入端的電弧破壞實際案例。

圖24、65ms持續電弧破壞結果^[13]

圖25、ACB輸入端的電弧破壞實際案例

2.5.2 形成更大更穩定電流

由於絕緣障壁阻擋電弧前進，停留更久會積蓄更多金屬蒸氣因此降低電弧電阻增加導電率，電弧電流亦會越大且越穩定，參考 圖26 : 絕緣障壁對電弧電流影響，當有絕緣障壁阻擋時其電弧電流會大於無絕緣障壁流且與固定短路電流差異不大。

圖26、絕緣障壁對電弧電流影響^[13]

2.5.3 形成更金屬蒸氣或電漿雲擴散至他處

由於絕緣障壁阻擋電弧前進，亦將使絕緣壁障錶面之電弧電流更穩定，在能量密度集中作用下導致盤內金屬熔融相對嚴重，導致大量金屬融渣與導電性蒸氣隨著匯流排導線穿孔冷卻風到通風口等路徑噴濺及溢出至低壓盤其他區域。參考 圖27 絕緣障壁對電弧電流影響實驗：

圖27、絕緣障壁對電弧電流影響實驗^[13]

2.5.4 影響電弧擴張走向

電弧移行方向為往負載側移動，當遇到絕緣障壁時會因磁場作用力與金屬蒸氣流的影響略為往外擴張，若鄰近有其他線路導體或接地導體，電弧極可能擴展及連結至該導體。參考 圖28 : 絕緣障壁阻隔電弧並令其偏轉示意圖：

圖28、絕緣障壁對電弧電流影響實驗^[13]

低壓盤盤間有線路與同排管道，因次膨脹噴發後之金屬蒸氣言只管到行進，其傳遞距離會因空氣阻力受到限制，基本上距離越遠則動能越小，另外受絕緣壁障影響，參考 圖29 : 低壓盤嚴重故障時電弧擴展走向圖與 圖4低壓配電盤弧閃與事故擴大案例，其中編號1~11為ACB饋線盤迴路名稱，當Feeder 11故障時Feeder3、6、9因絕緣壁障影響金屬蒸氣聚積在末端導致電驛跳脫，Feeder1、2，因金屬蒸氣動能不足且無法聚積而未跳脫。

圖29、低壓盤嚴重故障時電弧擴展走向圖

2.6 匯流排絕緣包覆之影響

就電弧閃絡事件而言，匯流排採絕緣被覆之優點如下 : ①可以防範相間短路故障；②可以防範因錫鬚或物體掉落、生物(老鼠、蟑螂等生物)碰觸帶電銅排引起的電弧閃絡異常，參考圖30：老鼠引起的短路事故案例；③可以防止單相接地故障引發的相間與三相短路電弧故障；④電弧移行至絕緣區域並自行滅弧，參考 圖31：電纜被覆阻止電弧移行案例可以發現電弧被電纜被覆阻止而自行滅弧。

圖30、老鼠引起的短路事故案例

圖31、電纜被覆阻止電弧移行案例

參考國外低壓盤電弧閃絡相關測試案例，當匯流排屬於部分絕緣結構者，其電弧移動速度緩慢，並可能引起絕緣體燃燒，火災可能擴大設備損壞範圍。

電弧具有高度動態與於匯流排裸導體往負載側移行特性，因此對於易滅弧之低壓電弧而言，如擁有以下數個條件則其電弧持續時間可以較久 : ①電弧發生於較小空間；②電弧發生空間有良好的密閉性或電弧周圍有較多障壁；③電弧行走路徑被絕緣障壁(如絕緣間隔器、ACB之匯流排終端接續閘)所阻擋；④電弧停駐處有充分的金屬電即可提供充分的金屬蒸氣維持空間的導電性。

依據低壓Marcia Eblen, P.E. & Tom Short在IEEE發表的LOW-VOLTAGE ARC SUSTAINABILITY(ESW-2017-12)文章說明，關於低壓電弧持續性的影響因子如下：

1. 電極間距(Electrode Spacing) : 電極間距越大越容易斷弧在以480V系統在不同間距中發生10kA~40kA短路故障時測試故障持續時間的測試中，當同一短路電流電極間距越大時發生的短路事故次數越少，參考(表2)同一短路電流時電極間距越大時短路事故次數越少。
   表2、同一短路電流時電極間距越大時短路事故次數越少^[27]

   
2. 電極厚度(Thicker Electrodes) : 電極越薄與不穩定因電極熔或位移越容易斷弧
3. 密閉空間(Confined Space) : 越開放及越大空間越容易斷弧(空間越大金屬離子越不容易累積則越容易斷弧)
4. 末端障礙物(End Barriers) : 末端有絕緣或導體障礙物越容易持續(金屬離子被絕緣障礙物擋住時容易累積額短路或金屬離子接觸的導體變成短路路徑)
5. 平行匯流排(Parallel Bus Bars) : 匯流排寬邊平行電弧越容易持續(有更大的電弧電極截面)
6. 三相電弧故障(Three Phase Arcing) : 電弧數量越多越容易持續(一相電流為零時會斷弧此時，另一相短路電弧提供足夠金屬蒸氣在產生新的電弧)
7. 電弧電流大小(Arcing Current Magnitude) : 電弧電流越大，越容易斷弧(因電極會較快熔完，且推移電弧的電磁力也越大)

3. 研究方法

因應低壓配電盤弧閃異常事故，邀請具有豐富電力系統異常分析經驗的教授、台電人員、電機技師與配電盤盤廠專家(含配電盤盤廠安裝人員)至現場檢視異常事故現場，並同時整理事故迴路故障波形數據、進行不同迴路事故發生時間點比對與事故迴路故障電流波形分析。每兩周邀請北中南相關同仁，根據專家學者、配電盤盤廠專家與廠內同仁提出之需求進行現場資料收集與階段性報告，並於會議中討論，並取得異常報告共識。會議期間依需求進行異常迴路盤體開盤與現場再檢視以釐清事故原因。整體會議分為下列個步驟：

步驟一：進行事故當日工程狀況了解與施工人員訪談，並於現場檢視異常狀況與事故可能原因，決議成立專案小組進行事故原因調查：由教授、台電人員、電機技師、配電盤盤廠專家會勘現場並進行可能事故原因推估，並並於現場檢視後之會議中決定成立專案小組與預計參加專案小組人員與提出下次會議需準備之資料。

步驟二：擬定會議流程、預計會議次數與弟一次專案小組內專家所需提供之說明。

步驟三：配合事故迴路負載轉移完成進行事故盤開盤檢視以釐清事故原因與弧光行為：於事故迴路之A/B Line負載轉移完成後進行邀請專家學者、配電盤盤廠專家進行事故盤開盤檢視，檢視完成後進行會議由專家進行補充說明，以釐清事故原因與弧光行為並驗證專家推論，作為結案報告內容

步驟四：專家提出結案報告與建議。

4. 結果分析

4.1 事故原因說明

依據專家與參加會議人員之努力，參考已知實際案例知主盤故障電流波型參考 圖32：圖23中Case2與Case3主盤ACB故障電流波型確認，Case2之故障原因為：銅排錫鬚生長或事故盤上方施工擺放絕緣毯，使錫鬚飄落造成主銅排限縮間距5cm→2cm處發生RS相間短路，引發後續夾具對地故障與相間短路故障。

圖32、圖23中Case2與Case3主盤ACB故障電流波型

4.2 事故擴大原因說明

參考 圖8：低壓配電盤弧閃與事故擴大案例部分電流波型與 圖29：低壓盤嚴重故障時電弧擴展走向圖，故障迴路Feeder 11位於中間盤，主故障點的金屬蒸氣上下皆有輸出通道及容納空間，因此降低金屬蒸氣位於該處之穩定密度，導致電弧持續時間無法達到400ms以上之Relay跳脫時間延遲，使故障時間長達約20秒。

故障點位於Feeder之Input Bus Bar，末端為匯流排終端閘(絕緣障壁)，在主銅排限縮20mm(Spacer位置)間距處產生之電弧移行至此處時，會停駐於此，電弧持續汽化銅排及接點鋁件且機械與電磁應力造成Bus Bar彎曲彈離隔板，透過空氣膨脹升高之氣壓，將金屬蒸氣透過盤體間之網孔及PC隔板Bus Bar穿越孔，並推動至CT下游線路，引起該處發生夾具對地故障事故。

進入各Feeder CT下游的電弧金屬蒸氣，引起的起始故障皆為SN間故障，主要原因為，同排夾具造成銅排對地沿面距離較短(空間距離16.9mm、沿面距離17.8mm)，以及CT位置導引故障電弧金屬煙塵流向S相較為密集所致 。

4.3 既有盤建議事項

於20mm銅排區段架設隔離板，避免相間錫鬚直接接觸或掉落及累積於Spacer上，參考 圖33：ACB Spacer位置與隔離板安裝示意圖。

圖33、ACB Spacer位置與隔離板安裝示意圖

4.4 新設盤建議事項

a. 採用無鍍錫銅排。

b. 對於不易維護之盤體區域，線路及夾具距離由既有參考IEC 60664-1(表3)，建議參考較嚴格之UL 508A標準(表4)，最小電氣空氣隙間距25.4mm；最小相間沿面距離50.8mm；最小相對地沿面距離25.4mm之規範。

表3、依據IEC標準建立之決員額電電壓與絕緣物最小電爬距離^[14]

表4、ULA 508A之Feeder間即對地最空間即沿面距離表^[14]

c. 保護系統方案 : 可研議弧光保護電驛可行性。

5. 結論

新廠區的低壓配電盤規範已研擬進行以下改善^[28] ，避免事故產生與擴大 : ①要求母線銅排應以熱套管絕緣並且不做鍍錫處理以防範因錫鬚生長、物體掉落或生物(老鼠、蟑螂等生物)碰觸帶電銅排引起之相間短路與相對地故障；②須符合IEC 61439-2建議的Form4a(只有銅排之Main/Tie部分)與Form 4b(包含輸出電纜之Feeder部分)規範，當故障發生時可以對電弧建立絕緣障壁，以限制電弧中金屬離子擴散，並延長電弧持續時間，以達到保護功能作動時間，進而啟斷ACB達到隔離故障點與防止事故擴大目的。

低壓配電盤係工廠內配電系統末端設備，除非設計上已考慮不需保養，否則須定期進行螺絲鎖固或檢點、盤內清潔並增加帶電導體對地或相間絕緣距離(例如以耐燃級PC隔板遮蔽配電盤限縮(相間距離20mm)區域)以提高設備運轉之可靠性；然而因某些設備停電後須長時間進行復機或設備停電後重新開機時容易造成設備內卡片故障，因此導致設備負責單位不願意停機進行低壓配電盤清潔與改善，以免影響產能，解決方式為增加UPS或電力轉換開關使這些設備可利用電源轉供方式不進行停電作業。