4电弧防护性能测试

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。

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

动力工程专刊2001年二月号

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上发生在开关部件，包括电缆分配箱。

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。

一般工业界对高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36.5℃提高到大约44℃，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50℃，皮肤伤害速度比45℃快100倍。在72℃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13000℃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

息，

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。

动力工程专刊2001年二月号

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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）

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监控传感器

监控传感器

人体模型位置 人体模型位置