発電設備へのIEEE 1584の​​適用

Dec 26, 2023

アークフラッシュは、電気的故障によりアークが発生したときに放出される爆発的なエネルギーです。 このエネルギーの急速な放出は、アークの経路内の空気や金属に加えて過度の温度を引き起こし、膨張して爆発し、飛散する破片、音、紫外線、危険なガスの放出につながります。

発電施設の管理者は、メンテナンスおよび運用スタッフとともに、人員の安全性とシステムの信頼性を向上させるために、異常な障害状態時に電力システムがどのように動作するかを理解することが重要です。 また、原子力発電施設にとって、これらの事象が安全関連機器に及ぼす潜在的な影響を理解することは特に重要です。

1. 通電された機器で作業する必要がある場合、作業者は安全と規定に準拠した服装をしなければなりません。 厳格なテストに基づいた最新の研究は、更新された IEEE 1584 ガイドに反映されています。 提供：イートン

安全のためにはどのレベルの個人用保護具 (PPE) を着用する必要がありますか? 通電中の電気機器に対する正当な作業はさまざまな状況下で行われるため、電気作業者は安全性と規格準拠を考慮した服装をする必要があります (図 1)。 必要なメンテナンスを安全な方法で実行するには、関連する規定や規格、およびリアルタイム データに基づいたガイダンスが必要です。

アークフラッシュイベントは、大規模な損傷やダウンタイムを引き起こす可能性があります。 アークフラッシュ事象が発生した場合、施設管理者は、新しいモーター コントロール センター、開閉装置、またはその他の配電機器を調達するために、単に最寄りの大型小売店まで車で行くことはできません。 その代わりに、新しい機器の製造、出荷、設置に数か月かかる可能性があります。 その間、ダウンタイムは生産の損失に直接つながり、収益に悪影響を与える可能性があります。

さらに、発電施設、特に原子力発電施設の安全関連機器に対するアークフラッシュ現象の影響を理解することが重要です。 課題は、安全関連機器でアークフラッシュイベントが発生した場合だけでなく、安全関連ではない機器でイベントが発生した場合でも、安全関連機器への近接性や広範囲にわたる損傷も同様です。 アークフラッシュイベントが発生すると、影響範囲が他の機器に広がる可能性があります。

電気業界、特に原子力発電所はこの種の出来事の影響を受けており、機器の設計および設置方法の変化を推進しています。 たとえば、1975 年 3 月にアラバマ州ライムストーン郡にあるブラウンズフェリー原子力発電所で起こった出来事は、原子力発電施設の設計方法を変えました。

ブラウンズフェリーでは、ケーブル延伸室での大規模なケーブル火災が発生し、焼け落ちたケーブルのうち600本以上には、稼働中の2基の原子炉の一方または両方を安全に停止するための回路が組み込まれていた。 米国原子力規制委員会（NRC）とジョンズ・ホプキンス大学APL（応用物理研究所）の技術研究所によると、この事故による資本損失は1,000万ドルに加え、18か月のダウンタイム中に他の電源からの補助電力の支払いに2億ドルがかかったという。ダイジェスト。

ブラウンズフェリー事件で示されたように、アークフラッシュ現象は非常に破壊的です。 現実世界の出来事や研究から学んだ教訓は、発電業界にさまざまな変化をもたらしました。

2. IEEE 1584「アークフラッシュ危険計算実行のためのIEEEガイド」は、アーク故障に関連する入射熱エネルギーとアークフラッシュ境界の定量化において世界で最も広く受け入れられている文書です。 これは 2002 年にリリースされた最初の文書の表紙です。提供: IEEE

アーク フラッシュ、入射エネルギー、および高エネルギー アーク フラッシュ (HEAF) に関する最新の技術情報は、化石燃料、原子力、または代替エネルギー生成用途のいずれであっても、発電施設に携わるすべての人にとって重要です。 このテーマに関しては世界中で複数の研究活動が行われていますが、特に際立っているのは 2 つです。 1つ目は、「アークフラッシュ危険性計算を実行するためのIEEEガイド」と題されたIEEE 1584規格の研究開発です（図2）。 NRCは2回目の実施を行っている。 原子力産業内で経験された最近の出来事により、HEAF の出来事をさらに理解するために、このトピックに関するさらなる研究と議論が生まれています。

IEEE 1584 ガイドは、アーク故障に関連する入射熱エネルギーとアーク-フラッシュ境界を定量化する上で世界で最も広く受け入れられている文書であり、今後もその文書です。 この文書は、他のどの標準よりも多くのテストによってサポートされています。

IEEE 1584 は 2002 年に初めてリリースされ、業界が入射エネルギーの計算に使用する式を生成するために実施されたテストに基づいています。 (入射エネルギーは、電気アーク イベント中に発生する、機器から所定の距離におけるエネルギー量として定義されます。障害内を流れる電流の大きさと解消時間が増加するにつれて増加します。) 業界は、この問題を解決することに熱心でした。このインシデント エネルギーのトピックを中心に検討し、すべての発電事業者がインシデント エネルギー イベントに備える方法、できればその影響を軽減、軽減する方法を理解できるようにしてください。 ごく最近では、さらに多くの研究が行われ、新しい IEEE 1584-2018 が昨年リリースされました。

最新の研究は約 2,000 件の追加テストに基づいており、アークフラッシュ分析がまだ厳密な科学ではないことが改めて示されました。 これらの新しい計算式は、さまざまな現場条件に基づいて、改善された計算モデルを確立するために開発されました。 厳密なテストの結果、より多くの変数が得られました。これは、アークフラッシュ研究を実施する有資格者には、より多くの決定が必要になることを意味します。

イートンの分析では、アーク電流の大きさと入射エネルギー値が増加していることが示されています。 アーク電流が増加すると、消去時間が短縮され、入射エネルギー値が低下する可能性が高くなります (図 3)。 アーク電流が高くなると、電流が回路ブレーカーの瞬時領域またはヒューズの電流制限領域に入る可能性が高くなるため、より速いクリア時間は達成できます。

3. アクティブなアークフラッシュ軽減システムは、従来のアプローチよりもはるかに早くアーク発生を検出し、障害を解消します。 たとえば、ここに示されているイートンのアーク低減 VFI (真空故障遮断器) 変圧器は、強力なインテリジェンスと二次センシングを統合して、下流の機器の入射エネルギーを大幅に削減し、通電中の機器での作業が必要な場合の安全性を高めます。 提供：イートン

より高い入射エネルギー (平方センチメートルあたりのカロリー) の値は、電極の構成やアーク現象が発生する筐体のサイズなど、いくつかの重要なデータ ポイントによって影響されます。 最新の研究は、業界がこの現象をより深く理解するのに役立ちます。

バス作業の機器の種類と構成の重要性は、入射エネルギーに影響を与えます。 たとえば、バスの方向とエンクロージャのサイズという 2 つの重要なパラメータは、新しい機器よりも古い機器では確認するのが難しい場合がありますが、成功するためのツールは利用可能です。

業界は迅速に対応しています。 システム モデリング ソフトウェア アプリケーションなど、使用されているツールは、IEEE 1584 が提供する最新の機能を実装するために更新されています。 メーカーはまた、アーク電流と入射エネルギーを決定するのに重要な、機器に関連する重要なパラメーターのいくつかを業界が理解できるよう取り組んでいます。

屋外アプリケーション (最大 15 kV) のモデリングの改善は、公益事業にとって特に重要です。 IEEE 1584-2018 では、屋外垂直電極 (VOA) や屋外水平電極 (HOA) などの新しい電極構成により、屋外ユーティリティ機器のモデリングが改善されました。 これらは、これらの高電圧アプリケーションの条件をよりよく表しています。

ただし、公益事業の発電所には他の多くの産業施設と同様の配電システムがあり、IEEE 1584-2018 の詳細の残りの部分は引き続き適用されることを覚えておくことが重要です。 施設全体の事故エネルギーを理解することは、安全性と信頼性にとって重要です。 IEEE 1584-2018 の方程式は、システムを分析して入射エネルギーを決定する方法を提供します。

米国および世界中でのアークフラッシュ現象により、HEAF 現象に関する研究が加速しています。 HEAF 事象は米国と外国の両方の原子力発電所で発生しています。 原子力事業業界は、HEAF が電気機器、隣接する機器、およびケーブルに広範囲の損傷を引き起こす可能性があることを認識しています。 この大幅なエネルギー放出は、近くの可燃物の発火源として作用して火災を引き起こす可能性があり、安全上重要な近くの構造物、システム、コンポーネントの性能に影響を与える可能性があります。

HEAF イベントのテスト計画には、NRC 原子力規制研究局 (RES) が後援し、サンディア国立研究所 (SNL) で実施された一連の小規模エンクロージャ テストが含まれていました。 この取り組みとテストは十分に文書化されており、幅広い読者が利用できます。 発電機は、この分野で行われる研究から多くのことを学ぶことができます。

業界で利用可能なすべてのデータとツールがあれば、業界は、イベントが発生した場合に何が予想されるかを理解し、計画し、システムを設計するという作業をより適切に行うことができます。 ツールとテクノロジーは、イベントを方程式から設計するのに役立つシステム設計原則を通じて、これらのイベントを軽減するために利用できます。

電力システム内のエネルギーの放出に伴う損傷を軽減するには、次の領域を考慮することが重要です。

■ 電流制限過電流保護装置。 ヒューズおよびサーキットブレーカーのソリューションは、アーク電流がデバイスの電流制限領域にある場合にエネルギーを削減します。

■ アーク低減メンテナンススイッチ。 正当な通電作業が行われているときにスイッチをオンにして、アーク電流を過電流保護装置の速断領域に置くことができる機能。

■ アクティブなアークフラッシュ軽減システム。新しいアーク消弧開閉装置は、利用可能な入射エネルギーを大幅に削減し、従来のアプローチよりも 10 倍以上早くアークを消滅させることができるため、開閉装置は最小限の損傷またはまったく損傷なしでアークフラッシュイベントに耐えることができます。

■ 耐アーク装置。 内部でイベントが発生した場合に、エネルギーを収容し、計画された方向に導く装置。

■ リモート操作。 ネットワーク通信を介しても、へその緒を使用しても、過電流保護装置をリモートで開閉することで、人員を安全な場所に配置することができます。

■ 絶縁された機器。 機器内の絶縁されたバスは、イベントの可能性を軽減します。

■ 機器のバリア。 露出した通電部分を覆うために機器内にバリアを追加すると、偶発的な接触の可能性が減り、イベントの可能性を減らすことができます。

4. イートンのアークフラッシュ低減メンテナンス スイッチ技術を搭載したパワー ディフェンス サーキット ブレーカーは、通電作業が必要な場合に発生するエネルギーを削減します。 ここに示されている Eaton の Power Xpert Dashboard Lite (PXDBL) は、さまざまなアプリケーションで低電圧配電盤や配電盤と連携します。 提供：イートン

イベントの発生を認識し、そのイベントが歴史的に障害に関連する損害を引き起こさないように、クリア時間を短縮するテクノロジーが存在します (図 4)。 標準的な過電流保護デバイスを選択するだけで解決策が単純になる場合もあり、システムが本質的に電流制限を行うことになる場合もあれば、解決策がより複雑になる場合もあります。

障害状態時に電力システムがどのように動作するか、および関連する規定や規格を理解することは、作業員の安全とシステムの信頼性を向上させるために非常に重要です。 ■

—トーマス・A・ドミトロヴィッチは、イートンの電気事業の電気エンジニアです。 彼は、全米防火協会 (NFPA) コード作成パネル 2 のメンバーとして、国家電気規定 (NFPA 70) の継続的な開発に取り組んでいます。

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