アーク放電とは何か？
アーク放電は、電流が相導体間の空気中を流れ、熱エネルギーが放射熱、対流熱、および伝導熱として放散される電気アーク事象と定義されます。アーク放電は爆発的な事象であり、危険な状態を引き起こし、作業員や近くにいる人に重傷を負わせたり、死に至らしめたり、可燃性物質に引火したり、機器に損傷を与えたりします。
作業中に非通電状態にならない、AC50 V または DC120 V(リップルフリー)以上で動作する電気機器は、アーク放電および感電防止について評価する必要があります。
この評価によって、事故のエネルギー、アーク放電の境界線、および安全ラベルが決定され、電気作業員に着用すべきPPEが通知されます。
アーク放電の原因は？
アーク放電爆発は、作業員が工具を落としたり、誤って触れたりすることによって起こるだけでなく、ほこりや結露の蓄積、材料の不具合、腐食、設置の不備など、あまり目立たないいくつかの要因によって起こることもある。
アーク放電の危険性が最も高い作業員の活動は、以下の3つである [3]：
- 故障または欠陥の可能性がある機器の運転後の復旧。
- ラッキング（パネルオープン）-ラッキングサーキットブレーカ、ラッキングハンドルでパネルオープン。
- 試運転-電気機器のスイッチを初めて入れること。
作業員の人的要因としては、リスクアセスメントを実施していない、あるいはリスクアセスメントが不適切であった、隔離やテストを怠った、経験や能力が不足していた、などが挙げられる。
アーク放電の最中に何が起こるのか？
アーク放電エネルギーは、アークによって放出されるアークプラズマ（5000℃を超える超高温のイオン化ガス）を流れる故障電流によって供給され、アーク電流が電気保護によって遮断された時点で初めて停止します。アーク放電爆発によって引き起こされる影響には、強烈な光、圧力波、音波、熱風、蒸気などいくつかありますが、放出されるアークプラズマが個人に対する主な危険です。
アーク放電による負傷の重症度を決定する主な要因は3つあります：
- アーク放電に作業者が近接していること。
- アーク電流の大きさとその結果生じる温度。
- 暴露時間、すなわちアークフォルトを除去するのにかかる時間。
電気機器上またはその近くで作業を行う必要がある労働者に対しては、危険の除去とリスクの低減を通じて、電気アーク放電の危険による有害な影響から労働者を保護するために、合理的に実施可能なすべての措置を講じることが不可欠である。
アーク放電の影響
アーク放電は暴力的な性質を持っているため、アーク放電に曝され、負傷した労働者は、壊滅的な打撃を受けたり、死に至ることさえあります。
ある技術調査によると、皮膚組織が摂氏96度の温度に0.1秒間（50/60Hzの電流を5/6サイクル）達するだけで、治癒不可能な火傷を引き起こすことが示されている[1]。
アーク放電が発生すると、非常に高い温度により、アークから最大約1.5mの距離で致命的な火傷を負い、最大約3mの距離で大火傷を負う可能性がある[1]。
アーク放電の危険から作業員を守る
アーク放電から作業者を守る最善の方法は、通電していない電気機器の上で作業することです。
これが実行不可能で、通電機器上で作業を行わなければならない場合は、安全関連の作業方法が実施されていなければならない。これには、通電作業許可証、個人用保護具、絶縁工具、書面による安全プログラム、作業説明会などが含まれます。
標準作業距離
IEEE 規格 1584-2018では、高圧（> 1kV）スイッチギヤ = 914.4mm（36 インチ）、低圧スイッチギヤ = 609.6mm（24 インチ）、LV MCC およびケーブルボックス = 457.2mm（18 インチ）の作業距離を規定しています。
規格やガイドにある代表的な作業距離を以下に示す。
アークフラッシュ調査手順
最新のIEEE Std 1584-2018では、アーク放電試験手順が規定されています。この規格は、16～50 kAの故障電流で600 Vの三相試験を含む試験測定の統計分析に基づくモデルから導き出された（外挿された）経験的方程式を提供しています[2]。
アーク放電危険度調査の主な計算結果は、電気系統の選択された場所におけるアーク放電境界およびアーク放電源から定められた作業距離でのアーク放電入射エネルギーである。調査結果は入射エネルギー分析を文書化し、作業員が全体的な電気安全リスク評価の一部として使用することができます。
注 IEEE Std 1584 には、アーク放電の危険を軽減する PPE に関する推奨事項はありません。
アーク放電調査の主な手順は以下のとおりである：
ステップ 1 -システム、保護装置、および機器のデータの収集
- 公称電圧、インピーダンス、X/R比などの短絡計算用システムデータ。
- アーク継続時間を決定するための保護装置データ（定格、TCC、装置設定など）。
- 入射エネルギーおよびアーク放電境界の機器データ。データには以下が含まれる：
- 作業距離 - 潜在的なアーク源と、作業を行う作業者の顔面および胸部との間の距離。
- 電極配置 - 電極の向きと配置。
- 導体/電極材料。
- エンクロージャ寸法 - 機器のエンクロージャの高さ、幅、奥行き。
- カスタムアーク放電境界を決定するための入射エネルギーレベルの研究
IEEE Std.1584-2018[参考文献4]の代表的な機器データを以下に示す。
ステップ2：オペレーション・モード／アレンジメントの決定
利用可能な短絡電流の最大値と最小値の両方を提供するすべての運転モードについて、利用可能な短絡電流を決定する。最悪の状態」での短絡電流は、さらなるアーク電流計算のために考慮される。IEEE1584-2018の動作モードの例がいくつかある：
- 1本以上のユーティリティ・フィーダーが稼働中
- ユーティリティ・インターフェイス変電所二次バス・タイ・サーキット・ブレーカが開または閉
- 一次フィーダーが1本または2本のユニット変電所
- 二次側を開閉する変圧器を2台備えたユニット変電所
- 1つまたは2つのフィーダ、1つまたは両方が通電しているMCC
- 商用電源と並行して、またはスタンバイ状態で稼働する発電機
- 可能な最大障害メガボルト・アンペア用に構成された電力系統の通常スイッチング
- 電力系統の通常スイッチングは、可能な限り最小の障害メガボルト・アンペア用に構成されている。
- 分離された電源（発電機）-ライン上の最大容量
- 個別派生ソース（ジェネレーター）-最低ライン数
- 全モータがオフの状態でのシャットダウンまたはスタートアップ - 故障の寄与を低減
ステップ3：ボルト締め故障電流の決定
短絡電流を計算する。計算にはシステムデータと運転モードを考慮する必要がある。
三相および単相短絡電流を考慮する必要がある。単相短絡電流は、単相アーク放電計算を行うために使用される。しかし、ほとんどの場合、三相短絡電流は通常、可能な限り最大の短絡エネルギーを与え、最悪のケースと見なすことができる。線対地故障として始まった装置または空気中のアーク放電故障は、空気が相を越えてイオン化するため、非常に急速に3相故障に移行する可能性があります。この上昇は、数サイクル以内に起こります。
ステップ4：アーク電流の計算
アーク電流は通常、ボルト締め故障電流よりも小さいが、HVの場合、アーク電流はボルト締め故障電流に近い。最大短絡は通常最悪のケースとして考慮されるにもかかわらず、アーク電流が少なければ少ないほど、入射エネルギーが大きくなり、 故障除去時間が大幅に長くなることが多い。 したがって、最大短絡と最小短絡の両方を 考慮する必要がある 。
懸念点におけるアーク電流の合計と、その電流のうち上流の保護デバイスを通過する部分を決定する必要があります。
過電流保護デバイスを通過するアーク電流の部分により、アーク継続時間が決定される。
複数のフィーダによって通電される場所の場合、各デバイスのクリア時間を決定するために、各保護デバイスを通過する全アーク電流の部分を決定する必要がある。
ステップ 5：アーク持続時間の計算
アーク継続時間は、アーク電流の上流通電源がアークフォルトへの電流またはエネルギーの供給を停止するまでの時間として定義され、最も一般的には時間過電流保護装置の動作時間に依存する。
直列に接続された過電流保護デバイスの場合、または複数のタイプの保護デバイスがアークフォルトを除去できる場所（時間過電流リレーまたは差動リレーなど）では、動作時間を比較して、どちらが先に動作するかを決定する必要があります。
アーク放電が発生した場所に人がどのくらいの時間留まる可能性があるかを考慮すると、アーク放電に曝された人は、物理的に可能であればすぐにその場を離れる可能性が高い。入射エネルギーを決定するための最大アーク継続時間は、通常2秒が妥当な想定です。
ステップ6：入射エネルギーの計算
入射エネルギー - 電弧発生時に発生する、発生源から一定距離離れた表面に印加される熱エネルギーの量。
入射エネルギーは作動距離で計算されます。入射エネルギーは、ポテンシャルアーク源からの距離が短くなるにつれて増加し、距離が長くなるにつれて減少します。
1つの機器の中に複数のアーク発生場所があることに注意することが重要である。入射エネルギー計算は、最も大きな入射エネルギーまたは「ワーストケース」条件を決定するために定義されたアーク発生場所のそれぞれで実行されるべきである。
検討中の各故障電流ケースについて、最小アーク電流とアーク電流変動補正係数に基づく適切なアーク継続時間を使用して、2 番目の入射エネルギーを計算する。計算された入射エネルギーとして、2 つの入射エネルギー値のうち高い方を選択する。
ステップ 7：アーク放電境界線の計算
アーク放電境界は、入射エネルギーが5.0J/cm2(1.2cal/cm2)と計算されるアーク発生源からの距離であり、これは第2度熱傷の発症を引き起こす可能性が高い。また、アーク放電境界の計算にカスタム入射エネルギーレベルを使用することも可能です。アーク放電境界線は、作業距離、アーク電流、アーク継続時間、電極ギャップなどに依存します。
ステップ8：計算された入射エネルギーに基づいてPPEを選択する
NFPA 70E-2021[5]および電気アーク放電危険管理ガイドライン[6]は、入射エネルギーに基づいて分類されたPPEのカテゴリーを提供している。計算された入射エネルギーに応じて適切なPPEを選択することになっている。
NFPA70E-2021[5]では、インシデントエネルギー解析法、PPEカテゴリー法、PPEカテゴリー法簡易カテゴリーの3つのカテゴリーを設けている。
入射エネルギーに対するPPEの分類[参考文献6]を以下に示す。
アークフラッシュ警告ラベル
アーク放電危険警告ラベルは、機器に貼付し、通電している機器の上で作業する可能性のある従業員が容易にアクセスできるようにする必要があります。
関連ガイドラインの基本要件は以下の通り。
電気アーク放電危険管理ガイドライン
以下の項目は、ラベルに記載すべき最低限の内容です：
- バス名または機器名
- バス電圧レベル
- 実施される活動
- 入射エネルギーレベル
- アーク放電の境界
- さまざまな活動や配電盤の状態（ドアが開いている／閉じているなど）に応じて必要なPPEレベル。
- PPE - 他のすべての制御が機能せず、アーク放電が発生した場合に、人を事故エネルギーから保護するもの。
NFPA 70E-2021（セクション 130.5 (H) 機器のラベリング）
ラベルには以下の内容を記載してください：
- 公称システム電圧
- アーク放電境界線
- で 以下のうち少なくとも1つ（両方は不可）：
- 利用可能な入射エネルギーと対応する作動距離。
- 機器の「PPE分類法」から得られるアーク放電PPE分類
- 衣服の最低アーク定格
- サイト別PPEレベル
アークフラッシュ危険警告ラベルの例[参考文献6]を以下に示す。
参考文献
[1] もうひとつの電気災害：IEEE Transactions on Industry Applications, 1982.
[2] Predicting Incident Energy to Better Manage Electric Arc Hazard on 600-V Power Distribution Systems, IEEE Transactions on Industry Applications, 2000.
[3] ENA NENS 09-2014、電気アーク危険に対する個人保護具の選択、使用および保守のための国家ガイドライン。
[4] IEEE Std.1584-2018、アーク放電ハザード計算のための IEEE ガイド。
[5] NFPA 70E-2021、職場における電気安全の基準。
[6] 電気アーク放電危険管理ガイドライン-2019。
