電弧閃絡(luò)危害中美相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比研究

許學(xué)兵 張磊 章光 劉迪輝 陳亞

(1.武漢理工大學(xué) 武漢 430070； 2.上?；磳幤髽I(yè)管理咨詢有限公司 上海 201402；3.湖南大學(xué) 長(zhǎng)沙 410082; 4.通用電氣傳感與檢測(cè)(常州)有限公司 江蘇常州 213164)

0 引言

據(jù)推測(cè)我國(guó)電弧閃絡(luò)傷害事故每年超過15 000起，造成人員傷亡事故和巨大的財(cái)產(chǎn)損失。對(duì)電弧閃絡(luò)危害的認(rèn)知與預(yù)防在電氣安全管理中與對(duì)電擊危害的認(rèn)知與預(yù)防具有同等重要的地位。

1 關(guān)于電弧危害

1.1 電弧危害總述

電弧閃絡(luò)爆炸具有隱蔽性、突然性、瞬時(shí)性、不可預(yù)測(cè)性。一次電弧閃絡(luò)事故，短路電流釋放的巨大熱能、沖擊波、脈沖聲能、瞬間耀光、高速飛散的熔融殘塊、高溫熔融金屬霧粒、毒氣，對(duì)于電力/電氣操作人員而言，威脅巨大。

電弧閃絡(luò)爆炸弧根溫度瞬間可達(dá)19 000 ℃，通過輻射可對(duì)人體造成嚴(yán)重?zé)苽?，并由于衣物被引燃而進(jìn)一步加重?zé)苽膰?yán)重程度。每年美國(guó)因嚴(yán)重電弧燒傷而住進(jìn)燒傷中心的達(dá)2 000余人。電弧閃絡(luò)毀傷效應(yīng)如下。

熱效應(yīng)：低壓系統(tǒng)中電弧燃燒溫度高達(dá)3 000～5 000 ℃，中壓系統(tǒng)高達(dá)19 000 ℃，為太陽(yáng)表面溫度的4倍，可熔融地球上任何物質(zhì)，對(duì)工作距離內(nèi)、電弧閃絡(luò)危害界限內(nèi)的人員造成II、III度灼燙傷。高溫致衣物燃燒，尤其是化纖衣服燃燒后的熔滴，使人體灼燙傷嚴(yán)重性進(jìn)一步加劇。電弧熱效應(yīng)比一般火焰熱效應(yīng)要嚴(yán)重。一般火焰能量為30 cal/cm2，不存在飛散物、爆炸聲、沖擊波超壓等。電弧閃絡(luò)能量為一般火焰能量的3～4倍，達(dá)100 cal/cm2，且釋放時(shí)間短，功率(高達(dá)8～60 MW)較一般火焰大得多，其強(qiáng)大的沖擊波超壓、劇烈的爆炸聲、高速飛散物，均可造成嚴(yán)重傷害。一般火焰能量50%為對(duì)流熱、50%為輻射熱；電弧90%為輻射熱，使得電弧熱效應(yīng)威脅更具隱蔽性。高溫導(dǎo)致金屬(銅牌、鋁排、線纜、端子、金屬柜體局部、元器件)熔融、燒毀，絕緣碳化，空氣被加熱。高溫還可引燃周圍的可燃物質(zhì)，嚴(yán)重的可造成火災(zāi)、爆炸事故。

機(jī)械效應(yīng)：因高溫致空氣膨脹，柜內(nèi)氣體壓力驟升250 kPa，易引起柜體超壓爆炸?？諝鈮嚎s產(chǎn)生的沖擊波達(dá)9.77 N/cm2，對(duì)電弧鄰近人員產(chǎn)生嚴(yán)重機(jī)械打擊傷害。高速氣流將人體掀起、拋下造成摔傷，鄰近建筑物因沖擊波超壓坍塌致鄰近人員砸傷、擠壓傷害，致柜內(nèi)固定元器件振動(dòng)松脫。因高溫熔融的設(shè)備邊角殘片高速飛散造成打擊傷害。

弧光效應(yīng)：電弧光光強(qiáng)可達(dá)9 000 Lux，是人眼感受到的最大光強(qiáng)的30倍，可致人暫時(shí)甚至永久性失明，而強(qiáng)烈的可見光、紅外線、紫外線光譜還可毀損重要眼組織如角膜、視網(wǎng)膜。

聲能毀傷效應(yīng)：電弧閃絡(luò)爆炸的巨響，聲壓級(jí)達(dá)到165 dB，遠(yuǎn)超人體承受的脈沖噪聲閾值140 dB，對(duì)未加聽力保護(hù)的人可致耳膜破裂。

其他效應(yīng)：高達(dá)1 000 ℃的熾熱熔融金屬微粒，進(jìn)入呼吸道造成吸入性傷害。金屬熔融液滴的噴射速度超過444 m/s(1 600 km/h)，其高溫可引燃工人衣物造成燒灼傷。金屬材料、橡膠、塑料等絕緣材料燃燒產(chǎn)生100余種有毒氣體(如一氧化碳、氯化氫、氰化氫、鋁/銅蒸汽)，吸入可致人中毒。

1.2 電弧分類

電弧閃光爆炸產(chǎn)生的機(jī)制較復(fù)雜，按產(chǎn)生的主要原因電弧可分為擊穿電弧、觸頭分合電弧、短路電弧。

患有先天性甲減的患者會(huì)出現(xiàn)凝血因子Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、ⅩⅠ異常的情況，當(dāng)腹直肌力量較小時(shí)，腹壓也會(huì)隨之減小，進(jìn)而出現(xiàn)繼發(fā)性宮縮乏力，導(dǎo)致孕婦出現(xiàn)產(chǎn)后出血[10-11]。患有甲亢的孕婦宮縮強(qiáng)烈，如果胎兒偏小，就會(huì)縮短產(chǎn)程，孕婦容易有軟產(chǎn)道裂傷出現(xiàn)，也會(huì)誘發(fā)產(chǎn)后出血癥狀。

1.2.1 擊穿電弧

兩電極距離過近，電流通過(擊穿)某些絕緣介質(zhì)(如空氣)所產(chǎn)生的瞬間火花即電弧。正常情況下，空氣介電常數(shù)為3 kV/mm，擊穿空氣絕緣介質(zhì)的因素與電壓成反比，電壓大則擊穿所需距離更小。反之，電極間的距離越小，所需擊穿電壓(電場(chǎng)強(qiáng)度)更小。典型例子：雷雨天氣時(shí)云層間的雷電;汽車火花塞高壓放電點(diǎn)燃被壓縮的空氣與油氣混合氣體;誤入帶電間隔未與高壓電保持安全距離被放電;電纜絕緣層破損后電纜間空氣間隙不夠放電;電氣連接不良，觸頭松動(dòng)，內(nèi)部金屬導(dǎo)體斷裂、腐蝕氧化、連接損壞。

1.2.2 觸頭分合電弧

任何機(jī)械式開關(guān)裝置(除半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備、二極管、晶體管、超導(dǎo)體或類似無(wú)觸點(diǎn)設(shè)備外)，其電路電壓不低于10～20 V，電流不小于80～100 mA，在開關(guān)電器、手車斷路器分/合瞬間，動(dòng)、靜觸頭無(wú)限接近時(shí)，觸頭間形成非常大的電場(chǎng)，觸頭內(nèi)電子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下發(fā)生電離，動(dòng)、靜觸頭之間構(gòu)成回路進(jìn)而產(chǎn)生電弧。實(shí)際上任何移動(dòng)觸頭甚至固定觸頭都會(huì)產(chǎn)生火花，例如電動(dòng)機(jī)電刷、螺釘接線端子、電線接頭、插座觸頭、焊接設(shè)備等，存在易燃易爆氣體危險(xiǎn)場(chǎng)所有被這些火花引燃的風(fēng)險(xiǎn)。框架式斷路器、塑殼斷路器設(shè)計(jì)多有滅弧功能，滅弧介質(zhì)如空氣、真空、油、六氟化硫等。帶負(fù)荷分合閘有嚴(yán)重的電弧風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.3 短路電弧

產(chǎn)生于電弧電流流過帶電導(dǎo)體之間并與負(fù)載并聯(lián)，多為導(dǎo)體絕緣破損，金屬物件等造成的相對(duì)地、相間短路、相與結(jié)構(gòu)物之間短路引起。當(dāng)電弧電流約100 A、電弧電壓60 V時(shí)，電弧功率約為6 kW，可直接引燃周邊的可燃物。一般而言，短路電弧能量大，電弧產(chǎn)生時(shí)，電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置會(huì)動(dòng)作，迅速切斷電路；串聯(lián)電弧能量相對(duì)較小，繼電保護(hù)裝置不會(huì)動(dòng)作，存在時(shí)間長(zhǎng)。在TN系統(tǒng)中發(fā)生的接地故障電弧，電流從帶電導(dǎo)體流入大地引起，接地電弧產(chǎn)生的故障電流通過PE線流回電源側(cè)。常用剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置對(duì)接地故障電弧提供保護(hù)。典型例子：驗(yàn)電時(shí)表針同時(shí)碰觸A、B相發(fā)生相間短路；帶電作業(yè)，未有效絕緣屏護(hù)，金屬工具墜落使A、B、C三相搭接造成三相金屬性短路。

2 中美兩國(guó)法規(guī)比較

2.1 電弧危害的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)研究

李霽光[1]介紹了NEC(NFPA 70—2005)《美國(guó)國(guó)家電氣安全規(guī)范》第110.16節(jié)對(duì)電弧閃絡(luò)標(biāo)簽張貼的要求，NFPA 70E—2009《工作場(chǎng)所的電氣安全標(biāo)準(zhǔn)》有關(guān)帶電運(yùn)行設(shè)備的安全實(shí)踐要求，IEEE 1584—2002版的2004修訂版《電弧閃絡(luò)危害計(jì)算指南》。

諸然等[2]列表介紹了NFPA 70、NFAP 70E、IEEE 1584—2002標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)預(yù)防電弧危險(xiǎn)的要求，并介紹了NESC—2007《美國(guó)電氣安全標(biāo)準(zhǔn)》要求雇主開展電弧危險(xiǎn)分析及雇主要求嚴(yán)格穿戴防電弧PPE，介紹了GB/T 24612.1—2009《電氣設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)所的安全要求 第1部分：總則》，要求進(jìn)行電弧危險(xiǎn)分析，以確定電弧閃絡(luò)危險(xiǎn)界限和防電弧PPE穿戴的要求，并指出該標(biāo)準(zhǔn)未包含怎樣開展電弧危險(xiǎn)分析的內(nèi)容。

2.2 美國(guó)有關(guān)電弧危害法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)(見表1)

1981年美國(guó)工程師拉爾夫李撰寫的一份報(bào)告《另一個(gè)電氣危害：電弧閃絡(luò)爆炸傷害》掀起了美國(guó)對(duì)電擊傷害之外的電弧危害的研究熱潮。40多年來(lái)，以美國(guó)為首的西方國(guó)家建立了完善的電弧毀傷事故理論、毀傷計(jì)算、預(yù)防降低電弧風(fēng)險(xiǎn)、電弧事故報(bào)告分析機(jī)制。早在2000年電力行業(yè)就全面確立了成熟的防護(hù)電弧閃絡(luò)事故的相關(guān)措施，包括立法如美國(guó)聯(lián)邦職業(yè)安全與健康管理局頒布的OSHA 29CRF 1910.269《職業(yè)健康與安全標(biāo)準(zhǔn) 發(fā)電；輸電和配電》，OSHA 29CFR 1910.335《職業(yè)健康與安全標(biāo)準(zhǔn) 電氣安全》, 美國(guó)消防協(xié)會(huì)制定的NFPA 70《美國(guó)電氣法規(guī)》(NEC)，NESC《國(guó)家電氣安全標(biāo)準(zhǔn)》，NFPA 70E《工作場(chǎng)所的電氣安全標(biāo)準(zhǔn)》，美國(guó)電氣電子工程師協(xié)會(huì)發(fā)布的IEEE 1584《電弧閃絡(luò)危害計(jì)算指南》，先后規(guī)定了作業(yè)場(chǎng)所電氣安全強(qiáng)制要求，對(duì)電弧危害進(jìn)行評(píng)估，電弧危害計(jì)算、評(píng)估、防護(hù)，電弧防護(hù)裝備的選用，電弧閃絡(luò)危險(xiǎn)標(biāo)簽等要求。美國(guó)ANSI等出臺(tái)了系列電弧防護(hù)服制造、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，因限于篇幅，不在本文范圍內(nèi)介紹。

表1 電弧危害美國(guó)相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)歷程

2.3 中國(guó)相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)(見表2)

我國(guó)對(duì)電弧危害的關(guān)注起步較早，2004年GB 19517—2004《國(guó)家電氣設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范》要求采取措施防止電弧等電能和非電能作用造成的危險(xiǎn)。GB/T 22696.2—2008《電氣設(shè)備的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)降低 第2部分 風(fēng)險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)》 4.3.4.2要求防止電弧引起的危險(xiǎn)。GB/T 24612—2009《電氣設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)所的安全要求 第1部分：總則》明確規(guī)定應(yīng)開展電弧危害分析并在有電弧危害場(chǎng)所使用防電弧PPE，以避免操作人員受到電弧傷害。但就如何開展電弧危害的計(jì)算、評(píng)估，上述標(biāo)準(zhǔn)未給出方法或流程。而且，GB 6441—1986《企業(yè)職工傷亡事故分類標(biāo)準(zhǔn)》的事故類別中未分類電弧燒灼傷，就全國(guó)而言電弧事故缺乏系統(tǒng)的報(bào)告和分析，客觀上造成公眾對(duì)電弧的危害嚴(yán)重性長(zhǎng)期存在認(rèn)知不足的問題。

表2 電弧危害中國(guó)相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)歷程

DL/T 320—2010、DL/T 320—2019 《個(gè)人電弧防護(hù)用品通用技術(shù)要求》規(guī)定了電氣作業(yè)場(chǎng)所防電弧PPE的生產(chǎn)、試驗(yàn)和使用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。盡管該附錄給出了計(jì)算電弧入射能量的公式，但由于是引用的IEEE 1584—2002版標(biāo)準(zhǔn)，DL/T 320—2019中的公式和示例與IEEE 1584—2018標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的新計(jì)算公式不符。

3 結(jié)語(yǔ)

電弧按產(chǎn)生機(jī)制可分為擊穿電弧、觸頭分合電弧、短路電弧。為切實(shí)減少和降低電弧閃絡(luò)危害事故，保護(hù)人們生命財(cái)產(chǎn)安全，通過中美兩國(guó)電弧危害方面法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)的比較，我國(guó)在電弧閃絡(luò)危害防護(hù)方面的改善方向包括不限于：電弧閃絡(luò)事故分類、匯報(bào)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、計(jì)算公式等法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的修訂完善，以及電弧閃絡(luò)安全研究實(shí)驗(yàn)和教學(xué)，電弧閃絡(luò)分析評(píng)價(jià)軟件研究開發(fā)，產(chǎn)學(xué)界進(jìn)一步學(xué)習(xí)、研究、貫徹電弧閃絡(luò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。具體如下：

(1)關(guān)于電弧閃絡(luò)傷害事故：建議國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 6441—1984《企業(yè)職工傷亡事故分類標(biāo)準(zhǔn)》所列受傷性質(zhì)“燒傷”，進(jìn)一步細(xì)分為電弧燒傷、化學(xué)燒傷腐蝕、熱力燒傷、其他燒傷。

(2)關(guān)于電弧閃絡(luò)事故分類與事故匯報(bào)：GB 6441—1986《企業(yè)職工傷亡事故分類標(biāo)準(zhǔn)》 “事故類別”包含觸電。建議標(biāo)準(zhǔn)適時(shí)修訂，包含電弧傷害，沒有電弧燒灼傷、電弧非熱力傷害，以及帶負(fù)荷分閘等不安全電氣作業(yè)行為，明確生產(chǎn)安全事故報(bào)告中應(yīng)分類報(bào)告電弧閃絡(luò)傷害事故。

(3)關(guān)于電弧閃絡(luò)危害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)：GB/T 22696.1～5《電氣設(shè)備的安全 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)降低》以及GB/T 24612—2009 《電氣設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)所的安全要求第1部分：總則》，建議適時(shí)修訂，將電弧閃絡(luò)危害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法與程序及示例納入標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容。

(4)關(guān)于電弧閃絡(luò)計(jì)算公式：DL/T 320—2019《個(gè)人電弧防護(hù)用品通用技術(shù)要求》，標(biāo)準(zhǔn)所附的電弧計(jì)算公式，等效采用IEEE 1584—2002的電弧計(jì)算方法，建議再版修訂DL/T 320—2019時(shí)，等效采用IEEE 1584—2018標(biāo)準(zhǔn)中的電弧計(jì)算公式和要求。

(5)建議產(chǎn)學(xué)界更多的開展電弧閃絡(luò)安全特性、電弧防護(hù)、電弧PPE防護(hù)等方面的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究工作，并將電弧閃絡(luò)危害納入電氣安全教學(xué)內(nèi)容。

(6)建議參考美國(guó)經(jīng)驗(yàn)，國(guó)家扶持、積極研究和開發(fā)電弧閃絡(luò)分析評(píng)價(jià)軟件，并培養(yǎng)相關(guān)專業(yè)人才。

(7)建議企業(yè)界進(jìn)一步學(xué)習(xí)貫徹上述國(guó)標(biāo)，辨識(shí)/分析/評(píng)估和控制電弧閃絡(luò)危害，匯報(bào)電弧閃絡(luò)傷害事故。

(8)建議國(guó)家要求一些行業(yè)(比如電力)、規(guī)模企業(yè)先行開展電弧閃絡(luò)危害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，在過渡期間和條件不具備的企業(yè)，可以暫按電弧PPE分級(jí)法執(zhí)行。