Google 資料中心出現電弧閃光凸顯出防護的必要性：該從何著手

資料中心、工業設施或大型的再生能源場 (如風能或太陽能發電場) 若出現電弧閃光，可能會造成危險。在愛荷華州康瑟爾布拉夫斯的 Google 資料中心最近發生電弧閃光事件，造成三人受傷¹。電弧閃光會造成電氣爆炸，並產生高達攝氏 19,000 度的高溫。從數字來看，甚至比太陽表面更熱。

雖然電弧閃光一直以來都是個嚴重的問題，但直到 2020 年 1 月，美國國家電工標準 (NEC) 才進行更新，將這類防護納入規範。新添加降低電弧能量的要求，要求採用額定值達 1200 A 以上的斷路器。更新後的 NEC 規範中有個關鍵要件，就是若電路上的保險絲，清除時間小於 0.07 秒，就必須使用電弧閃光保護設備。即使保險絲額定值正確，但礙於重大傷害的風險，還是會多採用一層防護，例如電弧閃光保護繼電器。

在此考量下，讓我們談談電弧閃光的動力學、回顧美國勞工部職業安全與健康管理局 (OSHA) 的要求、比較短路故障與電弧故障、概述 IEEE 電弧閃光危險計算方法，並查看 Littelfuse 提出的幾種電弧閃光保護情況和相關保護繼電器。

OSHA 要求工作電壓達 50 V 以上的設備都要評估是否使用電弧閃光保護。此評估會決定安全邊界 (禁止、限制和受限存取)，並判定必須穿戴的個人防護裝備 (PPE)。在評估電弧閃光的機率與相關全措施時，有必要區分短路故障和電弧故障。

短路與電弧故障的電流

在額定電壓低於 1,000 V 的系統中，短路故障的定義是阻抗為零的故障。電弧故障的電流則依據電弧阻抗值決定。這些系統中的保護裝置必須設定成，可在更高、更嚴重的短路故障電流下跳脫。

保護裝置的清除時間也很重要。必須在更快清除、安全和系統操作之間權衡取捨。更快跳脫可以增進人員的安全。但是，如果系統含有多個保護裝置，更快的跳脫會阻礙裝置間協調運作，並對整個設施帶來更大的不良影響。以微處理器 (MPU) 為基礎的電弧故障繼電器本質上就可提供快速的反應時間，可用於跳脫斷路器，以加快電弧閃光保護，同時還可支援協調運作，將整個設施的中斷降至最少 (圖 1)。

圖 1：為了加快對故障情況的反應，可以使用電弧故障保護繼電器將斷路器 (CB) 跳脫。(圖片來源： Littelfuse)

IEEE 電弧閃光危險計算

工業場所通常都會採用依據 IEEE 1584-2018 標準的電弧閃光危險計算方法，以符合 OSHA 法規。IEEE 1584 可以預測電弧電流和入射能量位準，進而判定必要的 PPE 並制訂安全工作距離。採用以下列多項參數為主的實證衍生模型：

• 208 至 15,000 VAC，三相、頻率介於 50 至 60 Hz
• 700 至 106,000 A 短路故障電流
• 常見的設備外殼尺寸，以及接地與否的導線配置
• 導線間的間隙以及涉及三相的故障

開關設備保護

設施的設計人員可採用 Littelfuse 的 PGR-8800 系列來提供開關設備保護。PGR-8800-00 (圖 2) 是一款基於 MPU 的繼電器，可利用 PGA-LS10 視線點感測器監測開關設備，提供電弧保護和故障地點判定。此外，背面的匯流排條可通過 PGA-LS20 或 PGA-LS30 光纖感測器進行監測。PGR-8800-00 可在不到 1 ms 的時間內感測到電弧閃光的光。包括一個可調整的跳脫臨界值，可針對環境光條件進行補償，並將誤跳脫降至最低。

圖 2：PGR-8800-00 可以使用多種感測器在不到 1 ms 的時間內識別電弧閃光事件。(圖片來源： Littelfuse Inc.)

保護發電機

Littelfuse 的 AF0100 電弧閃光繼電器可用於保護發電機。此設計可搭配 PGA-LS20 / PGA-LS30 光學感測器以及 PGA-LS10 點感測器使用。可以關閉發電機並跳脫斷路器，將故障裝置與公用設施的連接斷開。可在劇烈振動和空間受限的環境中運作。

多區域保護

設施的設計人員可以結合多個 AF0500 繼電器，以涵蓋多個區域，具有無限的可擴充性。此外，AF0500 繼電器可以連接成本較低的 AF0100 繼電器，在多區域電弧保護系統中達到最佳化的成本／效能權衡 (圖 3)。

圖 3：AF0500 繼電器可以單獨使用，也可以結合其他 AF0500 繼電器使用，也可以搭配 AF0100 繼電器，將多區域安裝的效能最佳化。(圖片來源：Littelfuse)

結論

NEC 和 OSHA 都確認電弧閃光事件會有相關危險，並針對工業環境制訂必須遵守的要求。IEEE 1584 通常用於評估電弧和短路閃光的電流位準機率，並可判定必要的保護。如本文所示，市售的電弧保護繼電器可在多種應用場景中提供增強保護。

參考資料：

1：Google 資料中心事件凸顯電弧閃光的風險