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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:林國良
研究生(外文):Kuo-Liang Lin
論文名稱:配電系統電弧閃絡傷害之防範
論文名稱(外文):Mitigation of Arc Flash Hazard in Power Electric Distribution System
指導教授:曾國雄曾國雄引用關係
指導教授(外文):Kuo-Hsiung Tseng
口試委員:黃仁春周至如龍仁光
口試日期:2016-07-11
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北科技大學
系所名稱:電機工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2016
畢業學年度:104
語文別:中文
中文關鍵詞:保護協調個人電弧閃絡防護服裝配電系統灼傷電弧閃絡
外文關鍵詞:Protective CoordinationPersonal Protective EquipmentElectric DistributionBurnArc Flash
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本論文研究配電系統對於電氣工作人員可能造成之電弧閃絡事故傷害分析及各面向之防範策略;主要探討在配電系統高壓設備或線路發生電弧閃絡事故時之電弧故障電流、電弧閃絡事故能量,可採取之降低事故能量措施及工作人員應穿戴之個人電弧閃絡防護服裝;為方便工作人員分析系統電弧閃絡事故之傷害等級,採用保守原則計算電弧閃絡事故能量,並以簡化之評估方式製成表格,供工作人員選用適合之個人防護裝備,以防止人員遭受不可醫治之電弧閃絡傷害。
研究發現透過簡化的評估方式,於從事線路、變電所工作前,在維持上下游保護協調原則下,由配電調度中心遙控變更變電設備及配電饋線之過電流保護電驛設定,縮短電驛延時時間,或使用工具拉長工作距離,皆可有效減少電弧閃絡事故能量,降低人員所暴露之電弧閃絡傷害等級,將可有效降低工作人員電弧閃絡之傷害程度。
The purpose of this thesis is to apply engineering analyses to determine the arc flash hazard associated with the task in power electric distribution system, and to find the strategy to protect electric workers from electrical arc flash hazard. Most of the studies regarding arc fault current calculation, arc flash incident energy, arc flash boundary and measures to reduce the incident energy of medium voltage lines and parts(11.4kV and 22.8kV), the selection of personal protective equipment(PPE). Base on international rules and standards, this thesis create a 〝simplified conservative table method〞 to estimate arc flash hazard which electric workers exposed to, and determine the arc flash boundary and PPE requirement for the hazard. To help to reduce the possibility of injury, adjusting the setting of inverse time overcurrent relays more sensetivly from Dispatch and Control Center(DCC), with well protective coordination between upstream and downstream protective devices maintained, pior to working on or near exposed energized line or performing a switching operation, will reduce the risk to acceptable level. Increasing work distance by using live-line tools will also reduce the arc flash incident energy effectively, and will help to reduce the possibility of burn injury and provide more protection to improve personnel safety.
中文摘要 i

英文摘要 ii

誌謝 iii

目錄 iv

表目錄 vi

圖目錄 x

第一章 緒論 1

1.1 研究背景與動機 1

1.2 灼傷知識 3

1.3 研究目的 7

1.4 國內外法規及標準 8

1.4.1 NFPA 70E 9

1.4.2 NESC 17

1.4.3 IEEE Std 1584 19

1.4.4 NEC 20

1.4.5 OSHA-29 CFR Part 1910.269 & Part 1926 subpart V 20

1.5 研究方法與步驟 25

1.6 論文架構概述 28

第二章 電弧閃絡事故能量與防範方法 29

2.1 電弧閃絡的成因及物理現象 29

2.2 電弧閃絡造成的人員傷害 30

2.3 電弧閃絡事故能量 33

2.3.1 電弧故障電流計算 37

2.3.2 電弧閃絡事故能量計算 38

2.4 電弧閃絡邊界 40

2.5 電弧閃絡事故能量計算方法之比較 43

2.6 防範電弧閃絡事故的方法 48

2.6.1 縮短電弧閃絡持續時間 48

2.6.2 停電作業 49

2.6.3 同時減少電弧故障電流與電弧閃絡持續時間 50

2.6.4 增加工作距離 50

2.6.5 個人防護服裝及設備 51

第三章 高壓配電系統保護方式 57

3.1 高壓配電系統故障電流 57

3.2 台灣配電系統架構 58

3.3 故障電流計算 59

3.3.1 變電所主變壓器二次側故障電流計算 64

3.3.2 配電線路故障電流計算 65

3.4 現行台灣電業配電系統保護協調之規定 68

3.4.1 高壓配電保護設備協調時間間隔標準 68

3.4.2 高壓配電系統保護設備選用及設定原則 72

3.5 台灣配電範例系統保護協調 76

第四章 電弧閃絡傷害/風險之評估方式 87

4.1 現況電弧閃絡傷害/風險評估之難度 87

4.2 高壓配電設備電弧閃絡傷害/風險評估之關鍵變數 88

4.3 配電系統電弧閃絡傷害/風險評估 89

4.3.1 範例系統1之電弧閃絡傷害/風險評估 89

4.3.2 範例系統2之電弧閃絡傷害/風險評估 94

4.4 簡化配電系統電弧閃絡危害等級評估方式 99

4.4.1 線路由饋線斷路器(FCB)保護者之簡化評估方式 99

4.4.2 分歧線路由PF-125E保護者之簡化評估方式 118

4.4.3 分歧線路由LCB 600A保護者之簡化評估方式 119

4.4.4 分歧線路由LCB 200A保護者之簡化評估方式 120

4.4.5 分歧線路由65T保護者之簡化評估方式 121

4.4.6 分歧線路由40T保護者之簡化評估方式 122

4.5 設備之電弧閃絡風險標示 122

第五章 防範配電系統電弧閃絡傷害可採取之措施 125

5.1 縮短電弧閃絡持續時間 126

5.1.1 高壓配電系統過流電驛電弧保護模式 126

5.1.2 弧光保護電驛 134

5.1.3 變電所高壓匯流排差動保護電驛 135

5.2 增加人員工作距離 136

5.3 穿戴適合的電弧閃絡防護服裝 154

5.4 以管理手段防範電弧閃絡傷害 155

5.5 結果與討論 156

第六章 結論與建議 159

6.1 結論 159

6.2 主要貢獻 162

6.3 建議事項 163

參考文獻 167

附錄 研訂電業防範配電高壓電弧閃絡傷害之工作準則 171
[1]National Fire Protection Association, NFPA 70E: Standards for Electrical Safety in the Workplace. MA, USA, 2012.

[2]Ralph Lee, The Other Electrical Hazard:Electric Arc Blast Burns, IEEE Trans. Industrial Applications, Vol 1A-18, No. 3, May/June 1982, pp.246, 250.

[3]曾元超,「電弧危害的防範」,台電月刊5月號,2008,第31~36頁。

[4]Arc Flash Facts, https://www.galco.com/circuit/arc_flash_fast_facts.htm

[5]Tintinalli, Judith E. Emergency Medicine: A Comprehensive Study Guide (Emergency Medicine (Tintinalli)). New York: McGraw-Hill Companies. 2010.

[6]Garmel, edited by S.V. Mahadevan, Gus M. An introduction to clinical emergency medicine 2nd. Cambridge: Cambridge University Press., 2012, pp.216–219.

[7]American Burn Association, National Burn Repository, 2015(Report of Data From 2005-2014), Chicago, IL.pp.15, 56, 93-96.

[8]William D. Bolin, , Alexander C. Ray, "Simplifying NFPA 70E Compliance for Thousands of Simple Facilities", Industry Applications Society 60th Annual IEEE Petroleum and Chemical Industry Conference, Chicago, IL, USA, 23-25 Sept.2013, pp.5-6.

[9]Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE C2: National Electrical Safety Code(NESC), 2012, pp.261-268.

[10]Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE Std 1584, IEEE Guide for Performing Arc Flash Hazard Calculations, 2002.

[11]National Fire Protection Association, National Electrical Code (NEC), MA, USA, 2012.

[12]Occupational Safety and Health Administration, OSHA-29 CFR Part 1910 & Part 1926, DC, USA, 2015.

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[17]Dennis K. Neitzel, Electrical Safety Requirements, American Society of Safety Engineers, 2009, pp.3.

[18]Accident Search Results, Occupational Safety and Health Administration, https://www.osha.gov/pls/imis/accidentsearch.html

[19]Craig Clarke, Ilanchezhian Balasubramanian, A Guide to Establish an Arc Flash Safety Program for Electric Utilities, Eaton Corporation, pp.5-7.

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[22]Christopher Inshaw, Fred Toepfer, Arc Flash Compliance Practical Application Of NFPA-70 And IEEE Std 1584 Standards, Doble Engineering Company-73rd Annual International Doble Client Conference, 2006, pp.5-6,9.

[23]Christopher Inshaw Robert A. Wilson, "Arc flash hazard analysis and mitigation", Western Protective Relay Conference, October 20th, 2004, pp.3-10.

[24]台灣電力公司,配電技術手冊(二)架空配電線路設計,2013,第4-14頁、第9-8~9-28頁。

[25]台灣電力公司,自動線路開關應用於配電饋線自動化保護協調最適化研究,2009,第105-110頁。

[26]薛小生、黃郁東,工業配電,臺北,大中國圖書公司,1994,第353-354頁。

[27]Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE C37.112: IEEE Standard Inverse-Time Characteristic Equations for Overcurrent Relays, 1996.

[28]Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE Std 242: IEEE Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems(IEEE Buff Book), 2002.

[29]配電手冊(一)規劃設計篇,台灣電力公司,2009。

[30]Lauri Kumpulainen, John A. Kay, Mohammad Aurangzeb, "Maximal Protection: Lowering Incident Energy and Arc Blast Elements by Minimizing Arcing Time", Industry Applications Society 58th Annual IEEE Petroleum and Chemical Industry Conference (PCIC), Toronto, ON, Canada, 19-21 Sept. 2011, pp.3.

[31]陳金龍,配電盤弧光閃絡保護與危險等級分析之探討,碩士論文,國立臺灣科技大學電機工程系,臺北,2010,第44-47頁。
[32]Occupational Injuries From Arc Flash Events, The Fire Protection Research Foundation, Quincy, Massachusetts, U.S.A., 2015, pp.48.

[33]徐明定,電弧防護裝備選用實務,台電公司工業安全衛生處,2009,第8-12頁。
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