摘要
電弧閃絡危害(arc flash hazard)一直是現場電氣工作人員除感電外的最大隱藏風險，其嚴重性和感電一樣可能會致命。根據 IEEE Std. 1584(IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations)所計算電弧閃絡的危害距離與事件能量，防範電弧危害的最小安全工作距離，都遠大於防範感電的活電工作最小安全距離，現場操作人員一般是很不容易做到在此防範電弧的最小安全界限範圍外來進行作業或現場操作開關。本文探討，建立工程管理辦法來達到積極防範，於電氣設備放置電弧危害標示，清楚披露環境危害因子，降低廠內電弧危害。透過不斷強化對電弧閃絡危害的認知與具體防禦作為，不僅為電力從業人員帶來安全保障，同時也在團隊中形塑了可貴的職安文化。
Arc flash hazard has always been the main hidden risk for on-site electrical workers in addition to electric shock, Its severity is as fatal as electric shock. According to IEEE Std. 1584(IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations), the hazard distance and event energy of arc flash, and the minimum distance of safe working to prevent arc hazard are far greater than the minimum distance of safe working to prevent electric shock. It is generally not easy for on-site operators to perform operations or operate switches outside the minimum safety limit for arc prevention. This article discusses the establishment of engineering management methods to achieve active prevention, such as placing arc hazard signs on electrical equipment, clearly disclosing environmental hazards, and reducing arc hazards in the plant. By continuously strengthening the awareness of arc flash hazards and specific defensive actions, it not only provides safety guarantees for electric employees, but also shapes a valuable occupational safety culture in the team.
1. 前言
電路或電氣設備發生短路、接地故障、閃絡現象時，皆會產生電弧而使人體遭受灼傷。這種電弧能量大、溫度高，在沒有完整的防護措施下，將造成嚴重的人員傷亡及設備損壞。為了兼顧供電之持續性與穩定性，必須在不停電的情況下操作或維護時，應制定標準作業程序(SOP)，並事先分析弧光危險距離、貼上警告標示及準備電弧個人防護具。而電氣作業人員則應確實遵循停電作業規定、電氣標準作業程序及穿戴電弧個人防護具，以預防電弧灼傷危害及避免感電事故之發生。
本文就以廠內活電接近作業安全管理機制，說明電弧危害防治之辦法，以降低操作人員在高風險活電接近作業時的淺在風險。
2. 文獻探討
2.1電弧閃絡之原理
在兩電極之間施加電壓，將彼此緩慢靠近，當兩電極之距離靠近到一定程度時，電極間會產生火花，此時導體電流由
一電極，透過已游離化氣體作為路徑，流到另一電極，所產生的高溫氣體導電現象，這就是所謂的電弧閃絡[1]。
電弧閃絡故障的弧光以100m/s的速度快速移動，是非常危險且具破壞性的。弧光快速移動沒有固定路徑，特別是引發燃燒效應時，設備與導線被高溫熔斷，接地故障可在0.1ms內快速的擴大變成三相接地故障。
2.2電弧閃絡之危害
電弧閃絡帶來諸多的傷害，人身安全方面，包括視力或聽力的損害、燒灼傷、肌肉骨骼或神經系統的損傷[2]、爆裂碎片造成切割傷、有毒氣體引發呼吸道受損等，嚴重者甚至需要進行皮膚移植與復健，再更嚴重的話，可能會導致死亡。而儀器設備方面的損害，包括配電盤體、斷路器、比流器、比壓器、監測儀表、電驛等設備。
2.3電弧閃絡之事故案例與成因
2011年六月某污水處理廠回收水單元電氣機房內，四名勞工執行沉水泵之線路查修工作，疑似因板手不慎觸碰到電源一次側(電壓460V)及箱體外殼而發生短路，產生的電弧造成三人灼傷，如圖1所示
另外，2011年九月，英國一間公司之勞工嘗試在交換機中插入保險絲，但未依規定進行斷電，因此在活電作業下發生電弧閃絡，勞工被近距離灼傷眼睛以及燒傷臉部，如圖2所示。
電弧閃絡短路的成因，主要可以分成兩個部分，第一個部分為外部的物體侵入或人為疏失，外部物體的侵入包括昆蟲或動物的入侵、雜質、灰塵汙染或濕氣結露滲透等；人為疏失則像是工具不慎觸碰電源、工具遺留盤內導致與電源接觸、不恰當的工作程序等。第二部分為設備故障，例如缺乏定期維護保養，導致設備或導電體絕緣劣化破壞。造成導電體絕緣劣化主要因素與其現象如表1。
圖1、污水處理廠開關盤電弧閃絡事故
圖2、電弧造成嚴重燒焦之眼鏡
| 主要因素 | 現象 |
|---|---|
| 電場劣化 | 部份放電、突波電壓 |
| 熱劣化 | 導電體溫升、熱分解、龜裂剝離 |
| 應力劣化 | 週溫、氧化、龜裂剝離 |
| 溫度變化、熱應力、龜裂剝離 | |
| 短路事故、電磁機械力 | |
| 環境劣化 | 濕氣、塵埃、吸濕、污染、絕緣電阻降低 |
2.4美國防火協會標準NFPA 70E
TSMC中科廠區主要參考NFPA 70E，依循規範內相關分析與指導，訂定一系列電弧危害防制辦法。
NFPA 70E是美國防火協會(NFPA)組織，對活電工作防範電弧閃絡危害等相關措施有一系列標準做法與建議[3]，主要有：①電弧閃絡接近邊界的部分，定義出管制接近邊界、限制接近邊界與弧光保護邊界；②個人保護配備方面，將危險等級 (Hazard/Risk Category)共分成四類，不同的危險等級須配合不同的個人防護具(Personal Protective Equipment, PPE)。
3．研究方法
3.1分析流程(圖3)
圖3、電弧閃絡分析流程圖
①取得系統資料與操作方式 : 收集系統單線圖及各元件參數，包括電壓等級、變壓器、導線間距、保護電驛、電容器、斷路器等。而操作方式則例如含一個或多個饋線、備用斷路器狀態、發電機是否上線等等，將影響短路電流的大小。
② 計算三相短路電流 : 根據系統單線圖，計算出三相短路電流。
③ 預測故障清除時間 : 電弧閃絡燃燒時間將影響電弧能量的大小，如保險絲由清除時間來決定，而斷路器則由跳脫時間來決定。
④ 確認工作距離 : 電弧閃絡發生點與人員之臉與胸接觸面之距離，採用規範典型值如 表2。
⑤ 計算弧光能量 : 將以上參數帶入NFPA 70E經驗公式並計算弧光能量，以決定適當之個人防護具。
⑥ 計算弧光保護邊界 : 以人可承受之最低弧光能量1.2cal/cm2帶入弧光能量公式，反推得到弧光保護邊界。
| 設備種類 | 典型工作距離(mm) |
|---|---|
| 15kV開關箱 | 910 |
| 5kV開關箱 | 910 |
| 低壓開關箱 | 610 |
| 低壓馬達控制中心及配電盤 | 455 |
| 電纜 | 455 |
| 其他 | 依現場情況而定 |
3.2能量模型
3.2.1 系統電壓600V以下
① 開放式無箱體設備的最大弧光能量(EMA)
其中，EMA=最大開放式無箱體設備弧光能量(cal/cm2)； DA=弧光故障點到人接觸面的距離(in.)，18 in.或以上；tA=弧光電流持續時間(sec)；F=短路電流(kA)，16~50kA。
② 20 in.箱體最大弧光能量(EMB)，單面開放式
3.2.2系統電壓600V以上，主要應用於開放式無箱體設備
其中，E=弧光能量(cal/cm2)；D=弧光故障點到人接觸面的距離(in.)；F=短路電流(kA)；V=相對相電壓(kV)；tA=弧光電流持續時間(sec.)。
3.3危險等級與個人防護具之選用
根據不同電壓等級、短路電流及電弧燃燒時間等參數，訂定查詢表格。透過該表取得個人防護具等級後，參考 表3選用對應之個人防護具。
| 個人防護具分級 | AR等級衣物 | 其他個人防護具 |
|---|---|---|
|
1. 最小弧光額定能量4cal/cm^2 |
- AR等級長袖上衣與長褲或AR等級衣褲相連工作服(coverall) - AR等級面罩或AR等級套裝頭罩AR等級夾克、風雪大衣 - (parka)、兩衣、硬殼帽內襯(視情況穿戴) |
- 硬殼帽 - 安全眼鏡或安全護目鏡 - 聽力保障(耳塞) - 厚(heavy-duty)皮革手套或皮革工作鞋(視情況穿戴) |
|
2. 最小弧光額定能量8cal/cm^2 |
- AR等級長袖上衣與長褲或AR等級衣褲相連工作服 - AR等級套裝頭罩或AR等級面罩與AR等級大絨帽(balaclava) - AR等級夾克、風雪大衣、雨衣、硬殼帽內襯(視情況穿戴) |
- 硬殼帽 - 安全眼鏡或安全護目鏡 - 聽力保障(耳塞) - 厚皮革手套 - 皮革工作鞋 |
|
3. 最小弧光額定能量25calm^2 |
- AR等級長袖上衣與長褲或AR等級衣褲相連工作服 - AR等級套裝夾克與套裝長褲 - AR等級套裝頭罩與手套 - AR等級夾克、風雪大衣、雨衣、硬殼帽內襯(視情況穿戴) |
- 硬殼帽 - 安全眼鏡或安全護目鏡 - 聽力保障(耳塞) - 皮革工作鞋 |
|
4. 最小弧光額定能量40calm^2 |
- AR等級長袖上衣與長褲或AR等級衣褲相連工作服 - AR等級套裝夾克與套裝長褲 - AR等級套裝頭罩與手套 - AR等級夾克、風雪大衣、雨衣、硬殼帽內襯(視情況穿戴) |
- 硬殼帽 - 安全眼鏡或安全護目鏡 - 聽力保障(耳塞) - 皮革工作鞋 |
3.4弧光危險距離之決定
3.4.1弧光危險距離之介紹
NFPA 70E規定的危險區域標示如 圖4所示，由中心點開始，分別為活電區、限制區(Restricted space)、管制區 (Limited space)，各區域之邊界定義：
① 弧光保護邊界(Arc flash boundary)：弧光能量等於1.2cal/ cm2時，人員與弧光發生處的距離。
② 管制接近邊界(Limited approach boundary)：可能暴露活電設備的邊界地區，僅受訓合格人員或合格人員陪同之無資格人員可接近。
③ 限制接近邊界(Restricted approach boundary)：可能接觸到活電設備的邊界地區，僅合格人員並配戴適當的個人防護具方可進入。
圖4、電弧閃絡接近邊界圖
3.4.2弧光保護邊界之計算
利用弧光保護邊界之定義，弧光能量等於1.2cal/cm2(5J/ cm2)時，人員與弧光發生處的距離。將E=1.2(cal/cm2)代入弧光能量分析的計算公式，反推得到的弧光危險距離即為弧光保護邊界。
系統電壓600V以下，開放式無箱體設備之弧光危險距離可由 式1反推，如 式4所示：
20 in.箱體之弧光危險距離可由式2反推，如式5所示：
系統電壓600V以上，開放式無箱體設備之弧光危險距離可由式3反推，如式6所示：
其中，DA=弧光故障點到人接觸面的距離(in.)；F=短路電流(kA)；V=相對相電壓(kV)；tA=弧光電流持續時間(sec.)。
4．結果分析
安全管理辦法導入-電弧閃絡危險警告標示
TSMC弧光危險警告標示遵從NFPA 70E詳細規範[4]，標示內包含下列三點，如圖5所示：
① 該設備之電壓等級
② 限制接近邊界、管制接近邊界及弧光保護邊界
③ 至少應包含下列一項：
-
弧光能量
-
防護衣物最少應承受之能量
-
個人防護具等級(Hazard/Risk Category and PPE Level)
圖5、TSMC中科廠區LV SWGR弧光危險警告標示圖
依據NFPA 70E規範，廠區內規定進入活電作業區前，請依電弧危害標示各邊界規定做好防護。當進入弧光保護邊界請依弧光能量著防護裝備，包含套裝頭罩、防電弧連身工作服、皮革手套、皮革工作鞋，如圖6所示，依照各種弧光能量穿著相對應的防護裝備(參閱表3)。而進入管制接近邊界之人員，需受訓合格或合格人員陪同，並穿著電弧防護裝備。最後，在限制接近邊界進行活電作業者，需再著感電防護具，包含電工安全帽、絕緣手套、絕緣工具、絕緣鞋/絕緣毯/絕緣梯等，並確認感電防護具經標準檢驗合格，以強化人員抗電弧能力。
圖6、進入弧光保護邊界請依弧光能量著防護裝備
中科廠區盤點廠務系統設備，包含電力、機械、氣化、水處理四大系統之盤面，共計3065套需要張貼電弧閃絡危險警告標示，如 圖7所示，系統類別橫跨UPS、LV SWGR、AAS、 PCW、UPW、SEX、GEX、BGS等，張貼原則為以下三點：
① 離盤門邊界及既有標示約3cm(以LV SWGR為例)，如圖8。
② 不遮蔽既有盤面標示(以UPS輸出盤為例)，如 圖9。
③ 統一張貼於盤門把手下方(以RTM為例)，如 圖10。
圖7、TSMC中科廠區需要張貼弧光危險警告標示之系統設備(部分清單)
圖8、LV SWGR盤面標示，距離邊界約3cm
圖9、UPS輸出盤張貼，不遮蔽既有盤面標示
圖10、統一張貼於盤門把手下方
5．結論
5.1電弧危害標示之成果
中科廠區內需要張貼電弧閃絡危險警告標示者，共計 3065套設備已全數張貼完畢，完成率100%。該3065套設備所屬單位之概況如 圖11所示。
5.2未來展望與建議
未來中科廠區內執行活電接近作業，將以盤面電弧閃絡危害標示，作為行事準則。在這些標示中，工作人員可以清
楚的獲得工作現場設備的弧光危險資訊，NFPA 70E規定的弧光保護邊界、管制接近邊界、限制接近邊界與危險等級等資訊，為了就是提醒工作人員在作業時能保持適當的安全距離並根據弧光警告標示穿著適當的個人防護具，如此一來便可降低電弧閃絡事故造的危害，減少生命與財產損失。
圖11、中科廠區張貼電弧閃絡危險警告標示之設備單位分布
參考文獻
- 李建基，「開關設備中的故障電弧及其防護」，電力設備，第5卷，第2期，第41-
- 曾元超，「電弧危害的防範」，台電月刊五月號，第545期，第31-36頁，2008。
- National Fire Protection Association. NFPA 70E : Standard for Electrical Safety in the Workplace. Ma, U.S.A. ; 2015.
- https://en.wikipedia.org/wiki/National_Electrical_Code
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