A Practical Arc Flash Risk Assessment Strategy

8th August 2012

Part 1: A Practical Arc Flash Risk Assessment Strategy

Overview

1. Why Assess the Risk ?

2.Condition Assessment Overview

3. Assessment Tool Features

4. Risk Assessment Outcomes

1. Why Assess the Risk ?

1. Why Assess the Risk ?Where should I spend the money and effort ? PPE quick and easy but may not be effective for all faults

New switchboards effective but costly, time consuming to install

Remote switching good but racking/charging still a danger

Protection mods improve detection but degrade security supply

Protection mods still require fast and capable circuit breakers

Arc faults present significant danger to man and machine

OHS Regulations require risk assessment

Aust Stds require arc flash consideration in design

Available procedures target consequence and PPE

1. Why Assess the Risk ?

Any assessment of risk must include both ‘likelihood’ and ‘consequence’ factors

Arc Flash Evaluation provides a measure for ‘consequence’ of arcing faults

A physical condition assessment of the switchgear can provide a measure of ‘likelihood’ of arcing faults occurring

Combining arc flash evaluation and physical condition assessment can help determine overall risk.

1. Why Assess the Risk ?

1. Why Assess the Risk ?

Arc Flash Probability

Arc Flash Exposure Consequence

Minor Moderate Major Severe Critical

Most Likely Moderate High Extreme Extreme Extreme

More Likely Moderate High High Extreme Extreme

Likely Low Moderate High High Extreme

Unlikely Low Low Moderate High High

Very Unlikely Low Low Low Moderate Moderate

2. Condition Assessment Overview

SKM currently use a simple methodology for condition assessment of multiple SwBds:

visual inspection of the switchboard and environment,  Review of operating history, maintenance records & 

drawings Interview of responsible site personnel

Allows multiple SwBds to be assessed and ranked quickly.

Approx 50 criteria elements evaluated for each swbd installation.

This is a Fault Exposure Likelihood assessment tool,  NOT a maintenance tool Does NOT use statistical methods BUT operational/maintenance issues are recorded

Other methodologies could be equally valid.

2. Condition Assessment Overview

3. Assessment Tool Features

Major Switchboard Consideration Groups     (affecting safety & condition):

Age & Fault Rating (Considered most Critical) Environment  (Affecting SwBd Deterioration) Design and Installation (Capability & Design Safety) Service History  (Maintenance/Documentation) Operational History  (Loading/Switching/Failures) Protection Systems  (Type/Condition)

Desirable Protocol Considerations: Must allow for visual inspection only

Simple identifiable checklist items

Minimal interpretation confusion

Easy criteria evaluation

Simplified item scoring

Score to include weighting for important items/elements.

Note:  This is Not an exact science.  Can be Tailored

3. Assessment Tool Features

Criteria Scoring– Three level process:

1. Criteria Element compliance score: 0, 1, 2;  (best to worst)2. Criteria Element weighting multiplier: 0% to 100%;3. Weighted compliance score totalled for each switchboard;

– Possible scoring range:  0 to 200.

Example Critical weighting criteria:• Age 15%• System/Design Fault 15%• Failure History 10%• Loading 5%• Spares Availability 5%• Balance 54 Elements 50%

3. Condition Assessment Audit Protocol

Toolkit Sample Checksheet.pdf

3. Assessment Tool Features

Toolkit Sample Criteria Review.pdf

3. Assessment Tool Features

4. Risk Assessment Outcomes SwBd condition “Likelihood” now quantified as a numerical 

value

Multiple SwBd condition values can now be compared and ranked for attention.

Condition “Likelihood” and arc flash “Consequence” can now be combined into a Risk Matrix for mitigation planning.

The actual task can now also be considered vs the “risk”

Exposure Risk Assessment Matrix Example.pdf

4. Risk Assessment Outcomes

Questions and Discussion

Part 2: Recent WA Case Study

Introduction1. Hazard Recognition

2. Management Resolve 

3. Protocol Agreed

4. Condition Assessed

5. Arc Flash Assessed

6. Critical Learnings

1. Management Hazard Recognition 

Aging switchboards

Rising fault levels

Deterioration in mechanisms

Higher maintenance costs & delays

Operator concerns

Occurrence of actual arc faults

Personnel injury from new switchboards

2. Management Decision

Progressive replacement or upgrade of all suspect swbds. 

Highest risk boards to be identified for schedule & finance

Safety & Condition Assessments to be undertaken• Stage 1 ‐ Physical condition assessment  (Likelihood)• Stage 2 ‐ Arc Flash assessment                (Consequences)

Assess for condition/safety/reliability NOT life extension

3. Stage 1 ‐ Audit Protocol Agreed Criteria and Checklists developed based on:

Past experience of switchgear and minerals processing Recent condition audits for similar process site Knowledge of client requirements

Main Protocol Considerations: 150+ switchboards, 12 week time frame Multiple rotating inspection teams Must allow for visual inspection only Simple identifiable checklist items Minimal interpretation confusion Easy criteria evaluation with simplified scoring Weighted scoring for critical items/elements.

This matched the capability of the in‐house Assessment model

Minor Changes made:

Check Lists were refined to suit client preferences

Plant Criticality factor included

Priority Ranking for Condition Assessment modified

3. Stage 1 ‐ Audit Protocol Agreed

3. Stage 1 ‐ Audit Protocol Agreed

Client Preferred Condition Priority Ranking

• Group A – Unacceptable safety/commercial issues – replacement 0‐2yrs.

• Group B – Major commercial/safety risk issues – replacement 2‐5yrs.

• Group C – Minor commercial/safety risk issues – replacement 5yrs +.

• Group D – Safe to operate, but not arc fault contained. Address by risk mitigation.

• Group E – Safe to operate, no upgrade works required.

3. Stage 1 ‐ Audit Protocol Agreed

Switchgear Condition Assesment Checksheet Rev 6_SKM Logo.pdf

3. Stage 1 ‐ Audit Protocol Agreed

Condition Assessment Checksheet Rev 6_wer.pdf

3. Stage 1 ‐ Audit Completed

Qualification data incorporated in spreadsheet;

Spreadsheet data sorted by: SKM Final Ranking order 

(Qualitative);

Plant Productivity Priority (Criticality);

Assessment Score (Quantitative).

Total of 174 HV & LV switchboards inspected

Combined ranking assessment:

Upgrade Order & Summary Overview.pdf Detailed Ranking Assessment Logo.pdf

3. Stage 1 ‐ Audit CompletedWhat did we find ?

Condition Assessment Summary:– Switchboards inspected 174– Priority group A 0‐2yrs 37– Priority group B 2‐5yrs 58– Priority group C 5+ yrs 56– Priority group D mitigation 22– Priority group E safe 0– Non grouped decomm 1

– High Thermally loaded >80% 3– High Fault level >90% 32– High Fault level >100% 17

4. Stage 2 ‐ Arc Flash Evaluation Results

Principal Findings of Arc Flash Assessment  – 173 swbds

No definable relationship between voltage and arc flash “consequences”were observed but Very High (Cat4+) more common at HV

Sorted by Voltage

Seven (7) switchboards initially required higher than Category 4 PPE (40 cal) at 0.5m – Reduced by modifying settings

4. Stage 2 ‐ Arc Flash Evaluation Results

Safe working distance without PPE 6.0 m for 92% of switchboards

13 Switchboards unsafe to approach at more than 10m without PPE. (probable accuracy limitations)

Note 1: Assumes primary protection operates correctly

(Otherwise Double Jeopardy Rating Applies)

Note 2: Assumes live bus work or power terminals are exposed.

Note 3:  IEEE 1584 has accuracy limitations

5.  Arc Flash Critical Learning’sCritical Learning from Arc Flash studies for PPE Consideration:

Category 3 (25 Cal) PPE adequate for approximately 80% of all switchboards at 500mm.

Specified ratings for some swbds assume normal operating configuration. (but care required)

Most  common personnel injury due to Arc Flash is to face, arms and hands.

LV arc faults are just as dangerous as HV faults

6. Risk Assessment OutcomesThe following outcomes have been achieved to date:

All Client swbds audited for condition & arc flash hazards.

Prioritised upgrade list prepared for funding & scheduling.

Dedicated Switchboards Project Team established

Several high risk switchboards already replaced

Others in process

Five year plan in place with forward funding 

6. Risk Assessment Outcomes

Short term mitigation for 11 Cat 4+ swbds implemented to reduce arcing time or current:

Enabled/adjusted high set element (instantaneous element) to trip for the calculated Arcing current

Changed out relays in some instances with relays having a ‘hi‐set’element.

Modified system configuration to reduce parallel feeds

Note: Protection setting mods for max arc flash protection can reduce reliability of supply by limiting grading.

6.  Risk Assessment Outcomes Action profile raised with workforce.

Increase control of unauthorised access

Flame Resistant clothing trialled by volunteers

PPE  Workshops undertaken • Cat 2 FR clothing made standard for all EW’s• Arc flash records to be strictly maintained• Short form records to be located in subs• Isolations to be implemented in accordance to risk• Preferred signage for swbds agreed• Training program was developed

6.  Risk Assessment Outcomes

ProbabilityConsequence

InsignificantCat 0

MinorCat 1

ModerateCat 2

MajorCat 3

SevereCat 4

Group A (0-2 Yrs) Moderate High Extreme Extreme Extreme

Group B (2-5 Yrs) Moderate High High Extreme Extreme

Group C (5+ Yrs) Low Moderate High High Extreme

Group D (Mitigate) Low Low Moderate High High

Group E (Safe) Low Low Low Moderate Moderate

6. Risk Assessment Outcomes

Switchboard Sticker Layout _2_.pdf

WHERE TO FROM HERE ??

Case Discussion

Was this an accident waiting to happen or “Just one of those things” ??

Case Discussion

• What have YOU done?• What could YOU do on

your site?

Case Discussion Poor Capability

Thermal and magnetic stresses

Containment of arcing fault

Poor Operability (User Interface) Manual racking and/or spring 

charging

Open panel access requirement

Poor Maintenance What went wrong and why ?

Why was breaker fault not discovered and repaired ? 

Poor Regulatory Compliance Arc fault containment design

Safety interlocks

Switchroom clearances

Safe working environment

Residual Risk Uncommunicated Was arc flash energy considered ?

Was residual risk of containment communicated ?

Adequate PPE and signage

Procedures