4电弧防护性能测试.doc

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。图2 杜邦热人试验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。图1 Stoll曲线:传感器温度随之间变化升高的典型曲线必须强调的是，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。图3 杜邦电弧试验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。人体模型位置人体模型位置监控传感器监控传感器图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）。表1 电弧危害用防护服导则事故热能测量值，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）150-2705-75-82A非阻燃内衣+阻燃衬衫和裤子（2层）300-4008-185-162B阻燃内衣+阻燃衬衫和裤子（2层）340-48016-228-253非阻燃内衣+阻燃衬衫和裤子+阻燃连体服（3层）540-68025-5025-404非阻燃内衣+阻燃衬衫和裤子+双层外衣（4层）800-100040-60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79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(28.7)，而是33.1 cal/cm2。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）可以采用表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。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测试属于织物体系ATPV值的补充试验，这是一个定性测试方法，可以对ATPV值已知的服装进行目测检查，服装测试表明是否会产生点燃、熔化或开裂现象，同时，如果热点偶连接了合适的计算机软件，就能够生成Stoll曲线图。服装的对应曲线位于Stoll曲线参考值的上方或下方。如果曲线在参考曲线的上方，就表明服装使用者在测试条件下不能对2度灼伤产生有效防护。如果曲线位于Stoll曲线下方，就表明服装使用者在测试条件下能针对电弧热量具备防护能力。结论电弧事故风险真实存在，代价高昂，不仅会造成经济损失，而且还足以致人于死地。和其它风险状况相同，工厂雇主有责任对工作环境进行风险评价，在可能发生电弧事故的场所，为工人提供合适的人身防护装备1。对于任何工作任务，必须选择满足最恶劣暴露条件下的防护服。防护不足会造成一定程度的灼伤。但也应当避免过分防护，因为这样会导致服装重量大，行动不便，造成穿着不舒适，影响工作效率。厚重的服装，会增加服装内的温度，从而工人会由于闷热将衬衫上面的扣子解开或者将袖子挽起，甚至脱掉防护服。因此，对于理想的方案应该综合考虑服装重量和织物层数，取得热防护性能和舒适性能之间的最佳平衡。服装设计还会导致整体舒适感和热防护性能的不同：宽松的服装由于空气的隔离效果，会产生附加的热防护性能，织物体系还必须具有耐久性。这样，性价比高，雇主更容易接受PPE。本质阻燃面料，如杜邦的Protera能够满足不同条件的需求，具有本质阻燃性，在电弧热量作用下，不会点燃、熔化或持续燃烧，同时可以耐热开裂，从而对使用者起到热防护效果。本文是以2000年5月在马德里举办的ICOLIM 2000学术会议发布的论文为基础的。参考文献1 统一各成员国有关个人保护设备法律的1989年12月理事会指令89/686/EEC2 STOLL, A. M., 和 CHIANTA, M. A.: Method and rating system for evaluation of thermal protection, 航空航天医药， 1969年9月, 40, (11)3 STOLL, A. M., 和 CHIANTA, M. A.: Burn production and prevention in convective and radiant heat transfer, 航空航天医药, 1968年10月, 39, (10)4 LEE, R. H.: The other electrical hazard: electric arc blast burns, IEEE工业应用汇刊s, 5月/6月 1982, IA-18, (3)5 “使用人体模型电弧暴露法测定服装用 不耐火