电弧伤害机理及其防护服装测评技术研究现状

朱 雯 唐 虹 张成蛟 薛 霜

（1.南通大学，江苏南通，226019；2.际华集团股份有限公司，北京，100000）

电弧是呈现弧状白光并产生高温气体的放电现象。据统计，电弧燃爆事件每天发生5次到10次［1］。电弧发生时伴随的高温、冲击波以及有毒气体都会对操作人员造成严重伤害。电弧防护服作为有效的防护装备，对保护相关作业人员的生命安全有着十分重要的作用。目前对于电弧伤害机理的研究主要侧重于电弧入射能级，而对防电弧纺织品测评技术的系统性研究还比较匮乏。本文主要回顾和总结了国内外对电弧伤害机理的研究进展以及防电弧纺织品测评技术，并展望了防电弧纺织品的发展趋势，以期对进一步推动我国相关领域的发展提供参考。

1 电弧发生机理及形式

1.1 电弧发生机理

电弧故障基本是电气设备内不受约束的自由燃烧电弧，主要分为压缩、膨胀、排放以及热效应4个阶段［2］，整个过程持续不到1 s；随着每个阶段的进行，其损害程度逐渐增加。电弧产生时会发生压力事件，一方面从扩展的电弧通道传播冲击波和声波，另一方面，在封闭的空间内发生电弧燃爆会对外壳进行整体加压［3］；当电弧电流足够大时，会在封闭的容积中产生较高的压力，破坏建筑物和机械设备，造成附近人员受伤甚至死亡；即使没有外壳，由高能电弧产生的冲击波和电弧闪光也可能造成人员伤亡。

1.2 电弧形式

电弧形式由设备配置、电弧持续时间、电压和故障电流水平决定，主要分为4种［4］。第一种，辐射电弧，也称开放式电弧，绝大部分的能量以较小的对流百分比方式通过紫外线、红外线以及可见光进行辐射。第二种，喷射电弧，大多发生在电源线的末端或者任何开放式母线工作的末端，是最危险的一类电弧，它的等离子体会迅速撞击人体并损坏电弧防护服。第三种，盒装电弧，多发生在设备中，如断路器等。由于电弧运动，工人也会接触到或多或少的能量。第四种，“追踪”电弧，常见于线路或变电站工作中，可以在防护服中传播，灼伤人体。

2 测评技术研究

2.1 电弧闪光测试技术研究

电弧闪光是电力工作人员安全的重要考虑因素，电弧闪光分析的目的是确保工人具有足够的安全防护，多采用基于Arcpro程序的2007 NESC中的假设方法，处理给定工作场景中可能预期的入射能量［5］。LEE R H［6］的研究量化了潜在的烧伤危险以及电弧事件的压力影响，将人体的可治愈灼伤阈值定为1.2 cal/cm2。DOUGHTY R L等人［7］在研究中详细介绍了与低压电弧闪光事件相关的入射能级，量化了低压系统中电弧能量的计算。

目前，NFPA 70E—2018《工作场所电气安全标准》和IEEE 1584—2018《执行电弧闪光危险计算指南》具有相同的目标，即一定要保护在通电的电气设备上或附近工作的人。NFPA 70E-2018用于计算低压系统（600 V及以下）的可用入射能量方程见公式（1）和公式（2）。

式中：EMA、EMB分别为最大打开空气入射能量、最大20英寸立方箱的入射能量，单位均为cal/cm2；DA、DB为与电弧电极的距离，单位为英寸；tA、tB为电弧持续时间，单位为s；F为短路电流，单位为kA。方程是基于理论概念和使用非常有限的测试数据得出的，因此对于其预测的精确度有待改善。IEEE 1584-2018对于电弧能量计算的方程见公式（3）和公式（4）。

式中：En为归一化入射能量，单位为cal/cm2；对于开放式配置K1为0.792，盒式配置K1为0.555；对于未接地和高电阻接地系统K2为0，接地系统 K2为 0.113；Ia为电弧电流，单位为kI；G为导体之间的间隙；E为入射能量，单位为cal/cm2；Cf为计算因子（高于1 kV电压为1，低于1 kV电压为1.5）；t为电弧放电时间，单位为s；D为可能的弧点到人的距离，单位为mm；X为距离指数。

该方程与NFPA 70E—2018的计算模型相比更为复杂，可适应更大范围的电压和故障电流水平，对于开关设备和其他盒装电弧情况通常使用该方法。由于复杂的随机性和涉及的大量变量，这两种模型都很难预测真实的电弧闪光曝光量［8］，工作条件的变化和遇到的实际设备配置情况都使得电弧发生的情况更为复杂。

SHORT T A等人［9］对架空电弧闪光场景以及架空式开关中的电弧闪光进行测试，结果表明：在不同电弧长度、电弧运动的情况下，电弧入射能量有所差异，指出：评估特定设备或电弧闪光场景可以更好地完善电弧闪光分析方法。NEAL T E等人［10］在露天环境中将电极对准测温装置，并在具有从外壳后部进入的电极外壳中进行测试，结果表明：入射能量比垂直电极的入射能量高2倍至3倍。WILKINS R等人［11］通过对绝缘电极在电弧闪光测试中的研究表明：绝缘屏障可防止向下的电弧运动，对电弧具有稳定作用，并产生强大的水平等离子云流，与水平电极产生的模式类似。与目前使用的标准装置相比，该方法还能产生较短的电弧长度、较高的电弧电流和较高的最大入射能量密度，比实际测试设备更为贴合电弧闪光场景。EBLEN M L等人［12］通过测量实际480 V公用事业设备上的电弧闪光入射能量，确定了最终实用的直流输电设备的可持续性，表明外壳的形状和磁场决定了释放电弧能量的方式。以上不同电弧闪光的测试方法都是为了更准确模拟真实的电弧场景，以确定最适合电力工作人员的电弧防护服。

2.2 服装防护性能测试方法研究

电弧闪光个人防护装备的电弧等级由ASTM F1959/F1959M—2014《测定服装材料电弧额定值的标准试验方法》和ASTM F2178—2012《测定眼睛或者面部防护产品的耐电弧热性能和标准规范的标准试验方法》确定，JORDAN T等人［13］通过开发相关软件，计算了工作区域所需电弧防护装备的防护等级。NEAL T E等人［14］的早期测试表明，放置在向外对流中的个人防护设备标本与美国材料与试验协会确定的标称电弧等级明显不同。为了更好地量化当前使用的系统所提供的保护，需要在向外对流中进行更多的个人防护装备测试，而考虑织物重叠的缓解效果，也可以减轻工作人员衣服过多或保护不足的问题。ASTM F1959/F1959M—2014《测定服装材料电弧额定值的标准试验方法》和IEC 61482-1-2-2014《现场工作防止电弧热危害的防护服第1-2部分：测试方法方法2：使用约束和定向电弧确定材料和衣服的电弧防护等级》都建立了服装防护性能测试装置，如图1所示。试验台将在两个不锈钢电极间产生一条垂直的300 mm长的电弧，通过位于样品后面的热传感器测量通过材料传递的热能，其缺陷在于受害人在真正电弧故障中所面临的危险与测试台所产生的危害之间存在着显著差异。为了消除这个缺陷，SWEETING D［15］指出，有必要使用平行的铜和铝电极制定测试标准，并进行弹出测试，该方法可以在电弧贴近皮肤时给人体一定的保护。

图1 电弧防护性能测试装置示意图

李红彦等人［16］系统介绍了现有的电弧服防护性能标准测试方法，主要包括开弧测试和盒式测试。开弧测试是基于系统电路中引发的开放式电弧，通过测量入射能量对电弧量级ATPV值和材料破裂阈能EBT值进行测定；盒式测试是在封闭空间中，基于特定的试验条件测量电弧服的防护性能。两种测试方法都能准确测量服装的电弧防护性能，为工作人员的服装选择提供实际依据；但在实际电弧发生时，工作人员依旧会被电弧烧伤。因此，对于更加完善的电弧服防护性能测试方法还有待进一步研究。

3 发展趋势

虽然目前有关电弧入射能量以及电弧服测评技术的研究取得了较大的进展，能够测量服装的防护性能，但各自模拟的环境较为理想化，而实际的电弧发生情况受很多现场环境的影响。因此，今后的研究应重点关注以下几个方面。

第一，基于实际电弧发生场景的多重因素，今后对于电弧入射能量模型的预测应考虑电弧运动形式、实际作业设备等不可量化的因素。电弧产生的速度非常快，而且持续的时间很短，因此测试设备应更符合真实的电弧燃爆环境，而且对于影响电弧入射能量的因素也需应用于电弧闪光测试中，以此减少电弧能量对人体的伤害。

第二，研究针对各种电弧形式的服装防护性能测试方法。实际电弧发生场景中，电弧的形式变化不一，即使作业人员穿着特定的电弧防护服，依旧有被严重烧伤的危险，因此对不同电弧形式的测试方法研究显得十分重要。服装的防护性能不仅与服装面料性能、结构有关，还与服装系统形成的空气层有关，目前对于不同层数、结构的电弧防护服整体研究还存在不足。此外，需要针对不同作业环境以及作业人员不同的工作姿势下电弧防护服的防护性能进行研究。

4 结语

从单一环境电弧入射能量方程的研究到多种工作环境下电弧入射能量预测的研究，从不同电弧形式的发现到电弧防护性能测试方法的建立，电弧发生的机理及服装防护性能测试技术的研究取得了很大的进展。通过总结电弧的产生机理及形式，了解了两种标准下计算电弧入射能量的方程模型以及不同测评技术的研究现状。目前，对电弧的研究主要基于建立不同的测试装置对电弧闪光情况进行测试，并日益完善，而对于纺织品的防护性能的测评技术研究还比较少，建立多种电弧形式下的测试方法势在必行。另一方面，服装整体系统以及人体动作姿势对防护服防护性能的影响也将成为未来的研究方向。对电弧机理以及测评技术的研究，不仅可以为电弧防护服的选择提供准确的指导，减少电力作业人员被电弧烧伤的危险，而且能够提高电弧防护服的防护性能。