電弧傷害機(jī)理及其防護(hù)服裝測(cè)評(píng)技術(shù)研究現(xiàn)狀

朱 雯 唐 虹 張成蛟 薛 霜

（1.南通大學(xué)，江蘇南通，226019；2.際華集團(tuán)股份有限公司，北京，100000）

電弧是呈現(xiàn)弧狀白光并產(chǎn)生高溫氣體的放電現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電弧燃爆事件每天發(fā)生5次到10次［1］。電弧發(fā)生時(shí)伴隨的高溫、沖擊波以及有毒氣體都會(huì)對(duì)操作人員造成嚴(yán)重傷害。電弧防護(hù)服作為有效的防護(hù)裝備，對(duì)保護(hù)相關(guān)作業(yè)人員的生命安全有著十分重要的作用。目前對(duì)于電弧傷害機(jī)理的研究主要側(cè)重于電弧入射能級(jí)，而對(duì)防電弧紡織品測(cè)評(píng)技術(shù)的系統(tǒng)性研究還比較匱乏。本文主要回顧和總結(jié)了國(guó)內(nèi)外對(duì)電弧傷害機(jī)理的研究進(jìn)展以及防電弧紡織品測(cè)評(píng)技術(shù)，并展望了防電弧紡織品的發(fā)展趨勢(shì)，以期對(duì)進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供參考。

1 電弧發(fā)生機(jī)理及形式

1.1 電弧發(fā)生機(jī)理

電弧故障基本是電氣設(shè)備內(nèi)不受約束的自由燃燒電弧，主要分為壓縮、膨脹、排放以及熱效應(yīng)4個(gè)階段［2］，整個(gè)過程持續(xù)不到1 s；隨著每個(gè)階段的進(jìn)行，其損害程度逐漸增加。電弧產(chǎn)生時(shí)會(huì)發(fā)生壓力事件，一方面從擴(kuò)展的電弧通道傳播沖擊波和聲波，另一方面，在封閉的空間內(nèi)發(fā)生電弧燃爆會(huì)對(duì)外殼進(jìn)行整體加壓［3］；當(dāng)電弧電流足夠大時(shí)，會(huì)在封閉的容積中產(chǎn)生較高的壓力，破壞建筑物和機(jī)械設(shè)備，造成附近人員受傷甚至死亡；即使沒有外殼，由高能電弧產(chǎn)生的沖擊波和電弧閃光也可能造成人員傷亡。

1.2 電弧形式

電弧形式由設(shè)備配置、電弧持續(xù)時(shí)間、電壓和故障電流水平?jīng)Q定，主要分為4種［4］。第一種，輻射電弧，也稱開放式電弧，絕大部分的能量以較小的對(duì)流百分比方式通過紫外線、紅外線以及可見光進(jìn)行輻射。第二種，噴射電弧，大多發(fā)生在電源線的末端或者任何開放式母線工作的末端，是最危險(xiǎn)的一類電弧，它的等離子體會(huì)迅速撞擊人體并損壞電弧防護(hù)服。第三種，盒裝電弧，多發(fā)生在設(shè)備中，如斷路器等。由于電弧運(yùn)動(dòng)，工人也會(huì)接觸到或多或少的能量。第四種，“追蹤”電弧，常見于線路或變電站工作中，可以在防護(hù)服中傳播，灼傷人體。

2 測(cè)評(píng)技術(shù)研究

2.1 電弧閃光測(cè)試技術(shù)研究

電弧閃光是電力工作人員安全的重要考慮因素，電弧閃光分析的目的是確保工人具有足夠的安全防護(hù)，多采用基于Arcpro程序的2007 NESC中的假設(shè)方法，處理給定工作場(chǎng)景中可能預(yù)期的入射能量［5］。LEE R H［6］的研究量化了潛在的燒傷危險(xiǎn)以及電弧事件的壓力影響，將人體的可治愈灼傷閾值定為1.2 cal/cm2。DOUGHTY R L等人［7］在研究中詳細(xì)介紹了與低壓電弧閃光事件相關(guān)的入射能級(jí)，量化了低壓系統(tǒng)中電弧能量的計(jì)算。

目前，NFPA 70E—2018《工作場(chǎng)所電氣安全標(biāo)準(zhǔn)》和IEEE 1584—2018《執(zhí)行電弧閃光危險(xiǎn)計(jì)算指南》具有相同的目標(biāo)，即一定要保護(hù)在通電的電氣設(shè)備上或附近工作的人。NFPA 70E-2018用于計(jì)算低壓系統(tǒng)（600 V及以下）的可用入射能量方程見公式（1）和公式（2）。

式中：EMA、EMB分別為最大打開空氣入射能量、最大20英寸立方箱的入射能量，單位均為cal/cm2；DA、DB為與電弧電極的距離，單位為英寸；tA、tB為電弧持續(xù)時(shí)間，單位為s；F為短路電流，單位為kA。方程是基于理論概念和使用非常有限的測(cè)試數(shù)據(jù)得出的，因此對(duì)于其預(yù)測(cè)的精確度有待改善。IEEE 1584-2018對(duì)于電弧能量計(jì)算的方程見公式（3）和公式（4）。

式中：En為歸一化入射能量，單位為cal/cm2；對(duì)于開放式配置K1為0.792，盒式配置K1為0.555；對(duì)于未接地和高電阻接地系統(tǒng)K2為0，接地系統(tǒng) K2為 0.113；Ia為電弧電流，單位為kI；G為導(dǎo)體之間的間隙；E為入射能量，單位為cal/cm2；Cf為計(jì)算因子（高于1 kV電壓為1，低于1 kV電壓為1.5）；t為電弧放電時(shí)間，單位為s；D為可能的弧點(diǎn)到人的距離，單位為mm；X為距離指數(shù)。

該方程與NFPA 70E—2018的計(jì)算模型相比更為復(fù)雜，可適應(yīng)更大范圍的電壓和故障電流水平，對(duì)于開關(guān)設(shè)備和其他盒裝電弧情況通常使用該方法。由于復(fù)雜的隨機(jī)性和涉及的大量變量，這兩種模型都很難預(yù)測(cè)真實(shí)的電弧閃光曝光量［8］，工作條件的變化和遇到的實(shí)際設(shè)備配置情況都使得電弧發(fā)生的情況更為復(fù)雜。

SHORT T A等人［9］對(duì)架空電弧閃光場(chǎng)景以及架空式開關(guān)中的電弧閃光進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：在不同電弧長(zhǎng)度、電弧運(yùn)動(dòng)的情況下，電弧入射能量有所差異，指出：評(píng)估特定設(shè)備或電弧閃光場(chǎng)景可以更好地完善電弧閃光分析方法。NEAL T E等人［10］在露天環(huán)境中將電極對(duì)準(zhǔn)測(cè)溫裝置，并在具有從外殼后部進(jìn)入的電極外殼中進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：入射能量比垂直電極的入射能量高2倍至3倍。WILKINS R等人［11］通過對(duì)絕緣電極在電弧閃光測(cè)試中的研究表明：絕緣屏障可防止向下的電弧運(yùn)動(dòng)，對(duì)電弧具有穩(wěn)定作用，并產(chǎn)生強(qiáng)大的水平等離子云流，與水平電極產(chǎn)生的模式類似。與目前使用的標(biāo)準(zhǔn)裝置相比，該方法還能產(chǎn)生較短的電弧長(zhǎng)度、較高的電弧電流和較高的最大入射能量密度，比實(shí)際測(cè)試設(shè)備更為貼合電弧閃光場(chǎng)景。EBLEN M L等人［12］通過測(cè)量實(shí)際480 V公用事業(yè)設(shè)備上的電弧閃光入射能量，確定了最終實(shí)用的直流輸電設(shè)備的可持續(xù)性，表明外殼的形狀和磁場(chǎng)決定了釋放電弧能量的方式。以上不同電弧閃光的測(cè)試方法都是為了更準(zhǔn)確模擬真實(shí)的電弧場(chǎng)景，以確定最適合電力工作人員的電弧防護(hù)服。

2.2 服裝防護(hù)性能測(cè)試方法研究

電弧閃光個(gè)人防護(hù)裝備的電弧等級(jí)由ASTM F1959/F1959M—2014《測(cè)定服裝材料電弧額定值的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》和ASTM F2178—2012《測(cè)定眼睛或者面部防護(hù)產(chǎn)品的耐電弧熱性能和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》確定，JORDAN T等人［13］通過開發(fā)相關(guān)軟件，計(jì)算了工作區(qū)域所需電弧防護(hù)裝備的防護(hù)等級(jí)。NEAL T E等人［14］的早期測(cè)試表明，放置在向外對(duì)流中的個(gè)人防護(hù)設(shè)備標(biāo)本與美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)確定的標(biāo)稱電弧等級(jí)明顯不同。為了更好地量化當(dāng)前使用的系統(tǒng)所提供的保護(hù)，需要在向外對(duì)流中進(jìn)行更多的個(gè)人防護(hù)裝備測(cè)試，而考慮織物重疊的緩解效果，也可以減輕工作人員衣服過多或保護(hù)不足的問題。ASTM F1959/F1959M—2014《測(cè)定服裝材料電弧額定值的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》和IEC 61482-1-2-2014《現(xiàn)場(chǎng)工作防止電弧熱危害的防護(hù)服第1-2部分：測(cè)試方法方法2：使用約束和定向電弧確定材料和衣服的電弧防護(hù)等級(jí)》都建立了服裝防護(hù)性能測(cè)試裝置，如圖1所示。試驗(yàn)臺(tái)將在兩個(gè)不銹鋼電極間產(chǎn)生一條垂直的300 mm長(zhǎng)的電弧，通過位于樣品后面的熱傳感器測(cè)量通過材料傳遞的熱能，其缺陷在于受害人在真正電弧故障中所面臨的危險(xiǎn)與測(cè)試臺(tái)所產(chǎn)生的危害之間存在著顯著差異。為了消除這個(gè)缺陷，SWEETING D［15］指出，有必要使用平行的銅和鋁電極制定測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行彈出測(cè)試，該方法可以在電弧貼近皮膚時(shí)給人體一定的保護(hù)。

圖1 電弧防護(hù)性能測(cè)試裝置示意圖

李紅彥等人［16］系統(tǒng)介紹了現(xiàn)有的電弧服防護(hù)性能標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，主要包括開弧測(cè)試和盒式測(cè)試。開弧測(cè)試是基于系統(tǒng)電路中引發(fā)的開放式電弧，通過測(cè)量入射能量對(duì)電弧量級(jí)ATPV值和材料破裂閾能EBT值進(jìn)行測(cè)定；盒式測(cè)試是在封閉空間中，基于特定的試驗(yàn)條件測(cè)量電弧服的防護(hù)性能。兩種測(cè)試方法都能準(zhǔn)確測(cè)量服裝的電弧防護(hù)性能，為工作人員的服裝選擇提供實(shí)際依據(jù)；但在實(shí)際電弧發(fā)生時(shí)，工作人員依舊會(huì)被電弧燒傷。因此，對(duì)于更加完善的電弧服防護(hù)性能測(cè)試方法還有待進(jìn)一步研究。

3 發(fā)展趨勢(shì)

雖然目前有關(guān)電弧入射能量以及電弧服測(cè)評(píng)技術(shù)的研究取得了較大的進(jìn)展，能夠測(cè)量服裝的防護(hù)性能，但各自模擬的環(huán)境較為理想化，而實(shí)際的電弧發(fā)生情況受很多現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響。因此，今后的研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面。

第一，基于實(shí)際電弧發(fā)生場(chǎng)景的多重因素，今后對(duì)于電弧入射能量模型的預(yù)測(cè)應(yīng)考慮電弧運(yùn)動(dòng)形式、實(shí)際作業(yè)設(shè)備等不可量化的因素。電弧產(chǎn)生的速度非?？?，而且持續(xù)的時(shí)間很短，因此測(cè)試設(shè)備應(yīng)更符合真實(shí)的電弧燃爆環(huán)境，而且對(duì)于影響電弧入射能量的因素也需應(yīng)用于電弧閃光測(cè)試中，以此減少電弧能量對(duì)人體的傷害。

第二，研究針對(duì)各種電弧形式的服裝防護(hù)性能測(cè)試方法。實(shí)際電弧發(fā)生場(chǎng)景中，電弧的形式變化不一，即使作業(yè)人員穿著特定的電弧防護(hù)服，依舊有被嚴(yán)重?zé)齻奈ｋU(xiǎn)，因此對(duì)不同電弧形式的測(cè)試方法研究顯得十分重要。服裝的防護(hù)性能不僅與服裝面料性能、結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與服裝系統(tǒng)形成的空氣層有關(guān)，目前對(duì)于不同層數(shù)、結(jié)構(gòu)的電弧防護(hù)服整體研究還存在不足。此外，需要針對(duì)不同作業(yè)環(huán)境以及作業(yè)人員不同的工作姿勢(shì)下電弧防護(hù)服的防護(hù)性能進(jìn)行研究。

4 結(jié)語

從單一環(huán)境電弧入射能量方程的研究到多種工作環(huán)境下電弧入射能量預(yù)測(cè)的研究，從不同電弧形式的發(fā)現(xiàn)到電弧防護(hù)性能測(cè)試方法的建立，電弧發(fā)生的機(jī)理及服裝防護(hù)性能測(cè)試技術(shù)的研究取得了很大的進(jìn)展。通過總結(jié)電弧的產(chǎn)生機(jī)理及形式，了解了兩種標(biāo)準(zhǔn)下計(jì)算電弧入射能量的方程模型以及不同測(cè)評(píng)技術(shù)的研究現(xiàn)狀。目前，對(duì)電弧的研究主要基于建立不同的測(cè)試裝置對(duì)電弧閃光情況進(jìn)行測(cè)試，并日益完善，而對(duì)于紡織品的防護(hù)性能的測(cè)評(píng)技術(shù)研究還比較少，建立多種電弧形式下的測(cè)試方法勢(shì)在必行。另一方面，服裝整體系統(tǒng)以及人體動(dòng)作姿勢(shì)對(duì)防護(hù)服防護(hù)性能的影響也將成為未來的研究方向。對(duì)電弧機(jī)理以及測(cè)評(píng)技術(shù)的研究，不僅可以為電弧防護(hù)服的選擇提供準(zhǔn)確的指導(dǎo)，減少電力作業(yè)人員被電弧燒傷的危險(xiǎn)，而且能夠提高電弧防護(hù)服的防護(hù)性能。