电力安全电弧防护服防护性能测量Genevieve Laverty最近几年，对电弧事故的本质以及电弧对周边工人形成的潜在影响的 认知取得很大进展。很多工人均处于潜在危害之下，包括电力行业职 工、化工厂工人、炼油厂工人以及那些在设施内明显带电作业的工人。 尽管消除危害永远是追求的根本目标，但是采用具有足够能力的个人 防护装备对于电弧伤害的防护作用绝对不能忽视。动力工程专刊 2001年二月号在过去十年里，对电弧事故本质 及其对电弧附近的人身伤害等方面的 认知取得了显著进展。除了触电和电 击等显著伤害外，还有其它形式的伤 害，也许影响相对不直观，如电弧事 故中形成的热效应。说这些伤害较不 直观，原因是电弧产生较大比例的热 辐射肉眼不可见，尽管如此，却可能 会对人体皮肤造成二度和三度灼伤， 导致更严重甚至致命的伤害。偶然性电弧事件定义为一种非主 观和非预期的事故。相对于爆燃情况， 偶然性电弧事故更常见，电弧事故非 常迅速，由于断路器等安全设施在事 故发生时自动引发，因此电弧持续时 间往往不到1秒。电弧产生的总能量可能是严重爆 燃事故的3到4倍以上，这种高能量 强度在短时间内作用在小范围皮肤 上，可能对附近工人形成致命影响。 另外一个显著不同就是爆燃肉眼可 见，因为爆燃过程中会产生烟雾，其 热能一半通过对流传递（火焰），一半 通过辐射传递。而对于电弧形成的热 量，90%以上为辐射热，也就是说即使 电弧没有产生火焰，或者产生少量火 焰，也会造成严重伤害。电弧产生的热能会点燃或者熔化 工人的防护服，会导致服装开裂，从 而对皮肤产生严重伤害。灼伤可以分 为三类：一度灼伤表现为疼痛，皮肤 发红，但没有形成水泡；二度灼伤表 现为皮肤形成水泡，表皮必须再生； 三度灼伤会彻底破坏表皮，皮肤本身 无法再生，形成结疤组织。绝大多数欧洲国家每年记录电弧 事故数量、事故发生中装置的类型以 及电弧条件，包括事故电压。例如， 1997年瑞典尽管已经建立非常完善的 安全管理制度，但依然报导了 48例电 弧事故。大约1/3事故发生在配电网 络，另外1/3事故发生在加工工业领 域。大约90%的事故发生在低电压情 况下，例如1000V以下。其中一半以16上发生在开关部件，包括电缆分配箱惟10B6420图1 Stoll曲线:传感器温度随之间变 化升高的典型曲线51015time, 4图2杜邦热人试验同时，在过去2-3年时间内，英 国发生很多地下电缆相关的致命重 灼伤事故。在1987-1998之间，英国 健康和安全执行局总共接收到的报 告包括10起死亡，727起重伤，以 及1197起超过3天的事假，主要事 故原因均出于低压电缆。在同一时 期，在地面挖掘作业过程中导致的 电缆损害事故超过68250起。一般工业界对咼压电系统所能 产生的伤害较为重视，从而对这些 危害进行了评估，采取措施，并使 用人体防护装备（PPE）进行防护。 但是，整个欧洲对于工业工人面对 低压电导致的电弧伤害，警惕性较 低，易造成二度或三度灼伤。这些 人员不仅包括电力工人，而且也包 括石油化工、天然气、水设施以及 炼油厂中的雇员。在不同国家，电 弧事故导致的成本估计为20万英镑，其中包括事故受害者的医疗费 用、误工费用、设备损坏费用、法律成本和赔偿费用。因此，雇主评 价在特定环境下的风险程度并给 工人提供正确的人员防护是十分 有益的。在很多情况下，这也是EC 指令89/686的要求。必须强调的是，给工人提供个 人防护装备的同时必须关注安全 操作惯例，最终目标是消除危险 源。在电气装置附近工作时，首先 避免带电作业。对于无法避免带电 作业时，根据具体工作环境的风险 评估，必须使用合适的个人防护装 备。使用个人防护装备进行电弧热 效应防护，可以为使用者增加逃逸 时间，降低灼伤等级，从而增加事 故受害者的生存机会。灼伤程度测量在19世纪60年代2，3，Stoll和Chianta的研究有助于人体皮肤和 组织对热能的响应给出定量结果。当人体组织温度从36.5C提高到大 约44C,开始发生皮肤灼伤，皮肤 灼伤等级取决于温度的升高程度。例如，在50C,皮肤伤害速度比 45C快100倍。在72C几乎立刻发 生表皮损伤。考虑到电弧的高强度 热能会产生大约13000C的高温， 是太阳表面温度的2倍多4。因此, 事故附近人体造成2度或3度灼伤 的风险非常高。Stoll和Chianta以及其他工作者研究早期，就发展了温度传感器 用来测量人体皮肤对高温的反应 情况，描述在可控实验室条件下， 2度灼伤的起始温度。这些传感器 是已知热容的铜片，后面粘附热电 偶，向计算机程序传递温度变化信图3杜邦电弧试验分析。一种这样的人体模型是杜 邦热人模型（图2），全身配有 122个传感器，燃烧时产生一定 时间的明火，软件将温度升高数 据转化为2度和3度灼伤预测百 分比。由于电弧热能远高于典型明火， 因此发展了专门装备产生可控 电弧。一种这样的装置就是杜邦 电弧-人（图3），该装置安装在 日内瓦杜邦欧洲技术中心附近。根据美国标准 ASTM F19585和F19596,这些测试装置可以 帮助最终用户对织物和服装系 统进行定性和定量评价，获得产 品对电弧热效应的防护性能。图 4给出了织物和防护服测试装 置示意图。形成图像输出。图1给出了 Stoll曲线的典型输出 结果，即在传感器一侧的温度升 高速度（摄氏度）。测试可以在台 式测量仪上进行，使用可控的对 流热源，辐射热源或者是两者结 合的热源。一旦热源的热能水平 已知，将织物放置到传感器前方， 由于织物能够阻止热量传输到传 感器，从而可以测量出织物的热 防护性能。本防护参数单位为卡/ 平方厘米（cal/cm2），该数值越大， 说明织物的热防护性能越高。这 样就可以对不同织物的热防护性 能进行评价。除去在台式测量仪上进行织物性 能测试外，本理论还可以扩展使 用，检测人体模型上的服装系统。 该模型与热量传感器连接方式相 似，带有计算机软件，用于定量图 4 依据 ASTM F1958和F1959，织物和防护服测试装置布置图电弧防护服必须具有永久 阻燃性能，暴露于电弧时绝对不 能够熔化或点燃以及持续燃烧。 不能开裂，能够对电弧热能起到 隔离作用。很多日常工作服均能 被点燃并燃烧，增加了工人灼伤 范围。容易点燃的织物包括棉、 粘胶和羊毛，能够点燃并熔化的 织物包括聚酯和尼龙。如今，有 大量的工人还使用这些织物制 备的防护服。在电弧事故中，防 护服不能够对大量的热能进行 防护，从而造成严重灼伤甚至丧 命，因此应该使用耐热和阻燃纤 维制备的防护服，提高电弧危害 的防护水平，这方面还有很多工 作要做。电弧热效应防护雇主在这方面进行改进，首 先必须对具体工作环境进行风 险评价，要考虑到最大的电弧电 流、电弧电压、电弧距离以及电 弧持续时间等造成的最苛刻的 情况，同时还要考虑工人和事故 电弧源之间的常规距离。采用这 些输入数据就可以计算出那些 具体工况下的电弧热能，卡/平 方厘米（cal/cm2）。同时，对织物进行多次电弧 暴露测试，使用已有的电弧测试 装置，测量织物的热防护性能， 单位为卡/平方厘米（cal/cm2）。 在具体的电弧防护情况下，这个 热防护性能参数称为电弧热性 能值（ATPV ）。这个数值定义为 使用者出现2度灼伤前能够承受 的最大事故热能。显然ATPV值 越大，织物的热防护性能越好。雇主结合风险评价以及不 同织物的ATPV测量结果，就可 以为工人选择正确的防护服。例 如，在最恶劣的条件下，如果风 险评价电弧产生的热能为 6卡/ 平方厘米（cal/cm2），则防护服 的ATPV值至少为6卡/平方厘 米（cal/cm2）。电力安全事故热能测量值，cal/cm2服装级别服装描述（层数）总重量，g/m22度灼伤的防 护测量水平，cal/cm20-20非阻燃（1层）150-240N/A2-51阻燃衬衫、裤子（1层） 非阻燃内衣+阻燃衬衫150-2705-75-82A和裤子（2层） 阻燃内衣+阻燃衬衫和300-4008-185-162B裤子（2层）非阻燃内衣+阻燃衬衫340-48016-228-253和裤子+阻燃连体服（3层）非阻燃内衣+阻燃衬衫540-68025-5025-404和裤子+双层外衣（4层）800-100040-60表1电弧危害用防护服导则杜邦在可控实验室条件 下已经进行了 8000多次电弧 测试，制定了导则表（表1）， 该表给出了不同工作条件7_9 下可以使用的工作服。例如， 按照此表，最坏条件下电弧热 能为6卡/平方厘米（cal/cm2） 工作环境中使用的工作服总 类为2A。对于这种情况，一 般的棉质内衣（未处理）+单 层阻燃服就可以为电弧热能 进行有效防护，多次测试表 明，这种工作服一般具有的 ATPV最小值为8卡/平方厘 米（cal/cm2）。随着工作服的重量增加， ATPV也增加。另外，双层轻 薄织物相对于单层厚重织物 具有相对较高的电弧防护性 能，并且是单层轻薄织物防护 服防护能力的2倍以上。其主 要作用是2层织物间的空气 起到了隔离效果。例如， 220g/m2的Protera舒适型防 护服的ATPV值为8.7 cal/cm2，这种布料的双层防护 服 ATPV 值不是 17.4 cal/cm2（2X 8.7），而是 33.1 cal/cm。热防护 性能增加了 15.7l/cm2。回到上个范例，最坏条件下 电弧能量值为 6卡/平方厘米 （cal/cm2）:这个能量等级可以通 过不同方式获得，因为能量计算 结果中结合了电弧电流、电弧电 压、电弧持续时间、电弧间距以 及工人和电弧之间的距离等综合 因素。6卡/平方厘米（cal/cm2） 可以米用表2中给出的方式获 得，其中电弧电流是4kA，电弧 持续时间为 0.5s，电弧电压为 300V，电弧间距为 15cm，工人 与电弧之间的距离为30cm （表示 肘部到指尖的距离，这是一个典 型的低压操作工况）。从表2可以 看出，如果电弧电流或电弧持续 时间增加，电弧热能将显著提高。对于电弧间距，结果相同。 工人和电弧之间的距离平方与电 弧热能成反比，并且非常关键； 将工作距离减少一半，即工人靠 近电弧，电弧能量相对于原来的 工作距离将增加到4倍。动力工程专刊 2001年二月号注：电压=300V，到电弧的距离=30cm，电极间距=15cm表2工况和电弧能量范例电流，kA持续时间，s电弧能量估计值，cal/cm2推荐服装等级40.55.92A41.011.82B80.514.12B81.028.14120.522.83121.045.64150.529.74151.059.34电力安全采用其它方式，改变工作方法和工作规范，例如增加工人与带电设备的距离，可以大幅度降低电弧热效应。 此外，有一点也非常明 确，在较高的电弧能量水平下， 工人也不能够 仅仅依靠PPE就能够获得足够的热防护能力， 还应当增加自身和带电设备之间的距离。在电弧实验室装备上进行的服装