淺談故障電弧對人身的傷害及其防護(hù)

1、淺談故障電弧對人身的傷害及其防護(hù)1前言早在 1998 年，我當(dāng)時(shí)在一家外企從事推廣變電站保護(hù)及自動(dòng)化系統(tǒng)方 面的推廣工作，一位供電局的朋友告訴我他們局的開關(guān)柜弧光短路故 障時(shí)有發(fā)生，并且有一位同事不幸因此而死亡， 并問我國外是否有 10kv 中壓母線方面的保護(hù)，這就是我最初接觸到的故障電弧傷害事件，也 就是我們現(xiàn)在推廣電弧光保護(hù)系統(tǒng)的主要原因。從網(wǎng)上得到的消息， 去年 9 月國內(nèi)某供電局在 220kV 變電站進(jìn)行檢修時(shí)，配電房進(jìn)線柜內(nèi) 部故障發(fā)生爆炸，附近的 6 名工作人員被電弧火球燒傷，配電房外一 變壓器因短路燒毀， 變電站停電。 事故造成該市局部地區(qū)大面積停電 1 小時(shí)。去年底，我的一位朋

2、友告訴我一個(gè)令我非常吃驚的消息，我以 前公司的一位部門經(jīng)理在為用戶檢查有問題的開關(guān)柜時(shí)的電纜箱突然 爆炸，他的面部嚴(yán)重被燒傷而毀容，在醫(yī)院住了幾個(gè)月。故障電弧真 是無情啊！ 電弧燒傷的電氣工作中較常見的傷害事故。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在檢修及調(diào)試 低壓電器設(shè)備中， 電弧燒傷比其它傷害事故要多， 約占總事故的 60%。 低壓系統(tǒng)中電弧燃燒的溫度高達(dá)3000-5000 °而中壓系統(tǒng)那么高達(dá)20000°,為太陽外表溫度的4倍。電弧燃燒期間所產(chǎn)生壓力效應(yīng)、燃 燒效應(yīng)熱效應(yīng)、輻射和聲響效應(yīng)以及有毒氣體，均對人體產(chǎn)生嚴(yán)重 的傷害。尤其是電弧的熱效應(yīng)對人的傷害,它產(chǎn)生很大比例的輻射熱 能,而它是人眼

3、所看不見的,它可能造成皮膚的二度和三度燒傷,它 對人的傷害是嚴(yán)重的、甚至是致命的。我現(xiàn)在從事的正好是和故障電弧防護(hù)相關(guān)的工作，推廣電弧光保護(hù)系 統(tǒng)，它同時(shí)可為配電設(shè)備和附近工作提供有效的保護(hù)。通過和國外廠 家和研究機(jī)構(gòu)的交流，對故障電弧對人身的傷害及對設(shè)備的損害有一 些的認(rèn)識，在些希望將所了解信息提供應(yīng)各位朋友，希望對搞運(yùn)行的 朋友在保障平安方面有所幫助。2開關(guān)柜的故障電弧特性 根據(jù)國外的研究和試驗(yàn)結(jié)果，故障電弧的形成可分為以下四個(gè)階段： 第1階段為壓縮階段，持續(xù)時(shí)間約515ms。在這一階段溫度上升，并 產(chǎn)生動(dòng)態(tài)壓力波。第2階段為膨脹階段，持續(xù)時(shí)間約515ms。在這一階段短暫的時(shí)間內(nèi)，因燃弧區(qū)

4、和周圍空氣之間存在壓力差，開始產(chǎn)生氣流。第 3 階段為排放階段，這一階段可能持續(xù)幾百毫秒。在這一階段由于電弧能量繼續(xù)輸入燃弧點(diǎn)，產(chǎn)生空氣流、氣流和微粒流。這種強(qiáng)力高 速氣流的熱量及所帶的熾熱微粒，內(nèi)部電弧開始形成對外部的影響。第 4 階段為熱效應(yīng)階段，亦即為燃弧的最后階段。在這一階段最終包圍短路電弧的空氣幾乎到達(dá)電弧的溫度。從這一階段開始，大局部燃弧能量作用于開關(guān)設(shè)備的固體零部件。此時(shí)開關(guān)設(shè)備有燒穿的危險(xiǎn)。 故障去除后，這一階段隨之結(jié)束。開關(guān)柜發(fā)生內(nèi)部弧光故障產(chǎn)生的能量可高達(dá)860MW，它主要與電弧的燃燒時(shí)間以及短路電流的平方值成正比，其它因素那么包括柜體幾何尺寸以及所使用的材料等等。電弧燃燒

5、持續(xù)時(shí)間超過100ms,所釋放的能量開始急劇增加，大約150ms左右電纜開始燃燒，200ms左右銅 排燃燒,到了 250ms 左右鋼材開始燃燒。所以,從保護(hù)設(shè)備的角度來 說,目前采用變壓器后備過流保護(hù)長達(dá) 秒的動(dòng)作時(shí)間,對于為 開關(guān)柜內(nèi)部弧光短路來說其保護(hù)效果是很差的,往往是開關(guān)柜燒得面 目全非保護(hù)才動(dòng)作,事后故障電弧起始點(diǎn)地沒有方法確定了,而在這 一期間電弧燃燒釋放的巨大的能量對附近工作人員的傷害也是不可避 免的了,特別是在開關(guān)柜門翻開維修的情形。 障電弧燃燒產(chǎn)生巨大能量的結(jié)果將產(chǎn)生壓力效應(yīng)、 燃燒效應(yīng)熱效應(yīng)、 輻射和聲響效應(yīng)。中壓開關(guān)柜在發(fā)生內(nèi)部電弧故障時(shí),電弧溫度可達(dá) 到20, 000&

6、#176;C，燃燒的電弧將周圍的空氣加熱，引致空氣膨脹，并在開 關(guān)柜內(nèi)部產(chǎn)生巨大的壓力。開關(guān)柜的門可能被炸開,配電房建筑物的 墻或天花板可能會倒塌。此外,壓力也會使某些不牢固的部件從開關(guān) 柜中拋出。電弧將使電極材料熔化和蒸發(fā),這些熱量通過輻射形式使 可燃性材料 如運(yùn)行維護(hù)人員的服裝 著火,非可燃性材料熱分解。 同時(shí)高 溫高壓氣體 ,伴隨電弧效應(yīng)產(chǎn)生熾熱的金屬和非金屬材料顆粒由柜體逸 出,造成人身傷害 ,甚至引起火災(zāi)。發(fā)生弧光故障時(shí)產(chǎn)生的明亮的弧光 還可能引起運(yùn)行維護(hù)人員暫時(shí)性的失明,連同巨大的聲響效應(yīng)更可能 引起休克,而這也將增加弧光故障傷害的危險(xiǎn)性。3.故障電弧效應(yīng)對人身的傷害 開關(guān)柜發(fā)生內(nèi)

7、部故障時(shí),電弧燃燒所釋放的巨大的能量產(chǎn)生的各種有 害效應(yīng)，將對設(shè)備及附近人員造成嚴(yán)重的傷害。在對人的傷害方面， 巨大而集中的輻射能量從開關(guān)設(shè)備中向外爆發(fā)，所產(chǎn)生的壓力波可能 損壞人的聽力；高強(qiáng)度的閃光損壞人的視力；超高溫的電弧火球可能 嚴(yán)重?zé)齻ぷ魅藛T的身體；壓力波也可能使某些松脫的材料比方損 壞設(shè)備的碎片、工具和其它物件等拋出對人造成傷害。還有電弧燃 燒所產(chǎn)生的有毒氣體一氧化碳、鋁及銅蒸汽等對人的呼吸系統(tǒng)也 造成傷害。在開關(guān)柜故障中，除了明顯的觸電死亡和身體電擊的危險(xiǎn)外，另一個(gè) 可能更敏感的危險(xiǎn)是電弧的熱效應(yīng)對人的傷害。之所以說敏感，是因 為故障電弧產(chǎn)生很大比例的輻射熱能，而它是人眼所看不見

8、的，它可 能造成皮膚的二度和三度燒傷，它對人的傷害是嚴(yán)重的、甚至是致命 的。開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障是一種不可預(yù)測的偶發(fā)事故。與大多數(shù)人非常熟 悉的火災(zāi)情況相比，電弧故障是一種開展非?？斓氖录?，這是由于保 護(hù)裝置自動(dòng)啟動(dòng)切除故障的原因，持續(xù)時(shí)間一般小于 1 秒。發(fā)生電弧 故障所產(chǎn)生的總能量， 可能大于一場嚴(yán)重火災(zāi)產(chǎn)生的能量的三、 四倍， 并且它是在一個(gè)非常短的時(shí)間內(nèi)高度集中釋放的能量，因而可能對附 近工作人員造成致命的危害。另一個(gè)顯著的差異是，在火災(zāi)情形由于 產(chǎn)生火焰， 我們可以看到明顯的沖擊， 其熱能大致為 50%的對流熱即 火焰和 50%的輻射熱。而在電弧故障情形，可能存在高達(dá) 90%的輻 射熱

9、，它意味著可能即使是事件引起輕微的、甚至看不到火焰，都可 能對附近人員造成嚴(yán)重的傷害。電弧故障所產(chǎn)生的輻射熱，可能引燃 附近工作人員的衣服或熔化、引起衣服裂開，從而造成皮膚的嚴(yán)重?zé)?傷。4.故障電弧傷害的防護(hù)措施 無論是中壓設(shè)備還是低壓設(shè)備，故障電弧是偶發(fā)事件，對維護(hù)操作工 作人員來說是防不勝防的，單單強(qiáng)調(diào)執(zhí)行操作規(guī)程是不夠的。為防止 故障電弧可能造成的傷害，為經(jīng)常和電打交道的朋友提供以下建議供 參考：1嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程是必不可少的，但應(yīng)該注意，在各種環(huán)境及心情 不佳的情況下，發(fā)生誤操作等違反規(guī)程的事情還是可能發(fā)生的，危險(xiǎn) 還是存在的，當(dāng)然最好是在不帶電的情形下工作 2盡量防止帶電工作注意：有

10、些時(shí)候帶電工作是不可防止的，或者 只是本間隔停電，而旁邊間隔是帶電的，因此一樣地存在著危險(xiǎn) 3 穿戴電弧防護(hù)裝備 防護(hù)手套、防護(hù)外套、防護(hù)面罩及防護(hù)眼鏡等 ， 在興旺國家已應(yīng)用較廣泛。應(yīng)注意的是，這里提到的防護(hù)準(zhǔn)備是對某 一工作環(huán)境有針對性地選用的，其防護(hù)對象的電弧的熱輻射，實(shí)際應(yīng) 用中考慮到工作場所的電壓等級、短路電流大小、工作點(diǎn)與可能發(fā)生 電弧點(diǎn)的距離等等，計(jì)算出工作人員可能遭受輻射的強(qiáng)度，然后選擇 相應(yīng)防護(hù)等級的裝備，才能有效的到達(dá)防護(hù)作用。采用個(gè)人防護(hù)裝備 的目的，是在發(fā)生電弧故障時(shí)為工作人員提供逃離的時(shí)間，并減少電 弧熱效應(yīng)的燒傷程度，從而增加了事故受害者的生存時(shí)機(jī)。此外應(yīng)注10意到目前的電弧防護(hù)裝備，是沒有針對電弧壓力效應(yīng)及碎片的沖擊提 供防護(hù)的，所以穿戴電弧防護(hù)裝備也不是萬無一失的 4配置高速電弧光保護(hù)。采用可靠、高速的電弧光保護(hù)可以說為現(xiàn)場 工作人員提供最好的保護(hù)，它在一些國家已成為標(biāo)準(zhǔn)配置，根據(jù)近 年來的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，它在保護(hù)配電設(shè)備及工作人員方面是非常有效的， 在南非就曾經(jīng)挽救多名工作人員。利用其幾毫秒以內(nèi)的動(dòng)作時(shí)間，電 弧光保護(hù)系統(tǒng)在電弧排放階段開始時(shí)就啟動(dòng)斷路器跳閘切斷供應(yīng)燃弧 點(diǎn)的短路電流