淺談故障電弧對(duì)人身的傷害及其防護(hù)

1、淺談故障電弧對(duì)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(kāi)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(wèn)我國(guó)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(guó)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(wèn)題的開(kāi)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(wú)情啊！ 電弧燒傷的電氣工作中較常見(jiàn)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(yáng)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(duì)人體產(chǎn)生嚴(yán)重 的傷害。尤其是電弧的熱效應(yīng)對(duì)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(jiàn)的,它可能造成皮膚的二度和三度燒傷,它 對(duì)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(guò)和國(guó)外廠 家和研究機(jī)構(gòu)的交流，對(duì)故障電弧對(duì)人身的傷害及對(duì)設(shè)備的損害有一 些的認(rèn)識(shí)，在些希望將所了解信息提供應(yīng)各位朋友，希望對(duì)搞運(yùn)行的 朋友在保障平安方面有所幫助。2開(kāi)關(guān)柜的故障電弧特性 根據(jù)國(guó)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(kāi)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(kāi)始形成對(duì)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(kāi)始，大局部燃弧能量作用于開(kāi)關(guān)設(shè)備的固體零部件。此時(shí)開(kāi)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(kāi)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(guò)100ms,所釋放的能量開(kāi)始急劇增加，大約150ms左右電纜開(kāi)始燃燒，200ms左右銅 排燃燒,到了 250ms 左右鋼材開(kāi)始燃燒。所以,從保護(hù)設(shè)備的角度來(lái) 說(shuō),目前采用變壓器后備過(guò)流保護(hù)長(zhǎng)達(dá) 秒的動(dòng)作時(shí)間,對(duì)于為 開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部弧光短路來(lái)說(shuō)其保護(hù)效果是很差的,往往是開(kāi)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(méi)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(duì)附近工作人員的傷害也是不可避 免的了,特別是在開(kāi)關(guān)柜門翻開(kāi)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(kāi)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(kāi) 關(guān)柜內(nèi)部產(chǎn)生巨大的壓力。開(kāi)關(guān)柜的門可能被炸開(kāi),配電房建筑物的 墻或天花板可能會(huì)倒塌。此外,壓力也會(huì)使某些不牢固的部件從開(kāi)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(guò)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(duì)人身的傷害 開(kāi)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(duì)設(shè)備及附近人員造成嚴(yán)重的傷害。在對(duì)人的傷害方面， 巨大而集中的輻射能量從開(kāi)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(tīng)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(duì)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(duì)人的呼吸系統(tǒng)也 造成傷害。在開(kāi)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(duì)人的傷害。之所以說(shuō)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(jiàn)

8、的，它可 能造成皮膚的二度和三度燒傷，它對(duì)人的傷害是嚴(yán)重的、甚至是致命 的。開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電弧故障是一種不可預(yù)測(cè)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(kāi)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(chǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(kāi)，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(wú)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(duì)維護(hù)操作工 作人員來(lái)說(shuō)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(guó)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(duì)某 一工作環(huán)境有針對(duì)性地選用的，其防護(hù)對(duì)象的電弧的熱輻射，實(shí)際應(yīng) 用中考慮到工作場(chǎng)所的電壓等級(jí)、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(jí)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(méi)有針對(duì)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(wàn)無(wú)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(shuō)為現(xiàn)場(chǎng) 工作人員提供最好的保護(hù)，它在一些國(guó)家已成為標(biāo)準(zhǔn)配置，根據(jù)近 年來(lái)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(kāi)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