电弧闪络危害中美相关法规标准对比研究

许学兵 张磊 章光 刘迪辉 陈亚

(1.武汉理工大学 武汉 430070； 2.上海淮宁企业管理咨询有限公司 上海 201402；3.湖南大学 长沙 410082; 4.通用电气传感与检测(常州)有限公司 江苏常州 213164)

0 引言

据推测我国电弧闪络伤害事故每年超过15 000起，造成人员伤亡事故和巨大的财产损失。对电弧闪络危害的认知与预防在电气安全管理中与对电击危害的认知与预防具有同等重要的地位。

1 关于电弧危害

1.1 电弧危害总述

电弧闪络爆炸具有隐蔽性、突然性、瞬时性、不可预测性。一次电弧闪络事故，短路电流释放的巨大热能、冲击波、脉冲声能、瞬间耀光、高速飞散的熔融残块、高温熔融金属雾粒、毒气，对于电力/电气操作人员而言，威胁巨大。

电弧闪络爆炸弧根温度瞬间可达19 000 ℃，通过辐射可对人体造成严重烧灼伤，并由于衣物被引燃而进一步加重烧灼伤的严重程度。每年美国因严重电弧烧伤而住进烧伤中心的达2 000余人。电弧闪络毁伤效应如下。

热效应：低压系统中电弧燃烧温度高达3 000～5 000 ℃，中压系统高达19 000 ℃，为太阳表面温度的4倍，可熔融地球上任何物质，对工作距离内、电弧闪络危害界限内的人员造成II、III度灼烫伤。高温致衣物燃烧，尤其是化纤衣服燃烧后的熔滴，使人体灼烫伤严重性进一步加剧。电弧热效应比一般火焰热效应要严重。一般火焰能量为30 cal/cm2，不存在飞散物、爆炸声、冲击波超压等。电弧闪络能量为一般火焰能量的3～4倍，达100 cal/cm2，且释放时间短，功率(高达8～60 MW)较一般火焰大得多，其强大的冲击波超压、剧烈的爆炸声、高速飞散物，均可造成严重伤害。一般火焰能量50%为对流热、50%为辐射热；电弧90%为辐射热，使得电弧热效应威胁更具隐蔽性。高温导致金属(铜牌、铝排、线缆、端子、金属柜体局部、元器件)熔融、烧毁，绝缘碳化，空气被加热。高温还可引燃周围的可燃物质，严重的可造成火灾、爆炸事故。

机械效应：因高温致空气膨胀，柜内气体压力骤升250 kPa，易引起柜体超压爆炸。空气压缩产生的冲击波达9.77 N/cm2，对电弧邻近人员产生严重机械打击伤害。高速气流将人体掀起、抛下造成摔伤，邻近建筑物因冲击波超压坍塌致邻近人员砸伤、挤压伤害，致柜内固定元器件振动松脱。因高温熔融的设备边角残片高速飞散造成打击伤害。

弧光效应：电弧光光强可达9 000 Lux，是人眼感受到的最大光强的30倍，可致人暂时甚至永久性失明，而强烈的可见光、红外线、紫外线光谱还可毁损重要眼组织如角膜、视网膜。

声能毁伤效应：电弧闪络爆炸的巨响，声压级达到165 dB，远超人体承受的脉冲噪声阈值140 dB，对未加听力保护的人可致耳膜破裂。

其他效应：高达1 000 ℃的炽热熔融金属微粒，进入呼吸道造成吸入性伤害。金属熔融液滴的喷射速度超过444 m/s(1 600 km/h)，其高温可引燃工人衣物造成烧灼伤。金属材料、橡胶、塑料等绝缘材料燃烧产生100余种有毒气体(如一氧化碳、氯化氢、氰化氢、铝/铜蒸汽)，吸入可致人中毒。

1.2 电弧分类

电弧闪光爆炸产生的机制较复杂，按产生的主要原因电弧可分为击穿电弧、触头分合电弧、短路电弧。

患有先天性甲减的患者会出现凝血因子Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、ⅩⅠ异常的情况，当腹直肌力量较小时，腹压也会随之减小，进而出现继发性宫缩乏力，导致孕妇出现产后出血[10-11]。患有甲亢的孕妇宫缩强烈，如果胎儿偏小，就会缩短产程，孕妇容易有软产道裂伤出现，也会诱发产后出血症状。

1.2.1 击穿电弧

两电极距离过近，电流通过(击穿)某些绝缘介质(如空气)所产生的瞬间火花即电弧。正常情况下，空气介电常数为3 kV/mm，击穿空气绝缘介质的因素与电压成反比，电压大则击穿所需距离更小。反之，电极间的距离越小，所需击穿电压(电场强度)更小。典型例子：雷雨天气时云层间的雷电;汽车火花塞高压放电点燃被压缩的空气与油气混合气体;误入带电间隔未与高压电保持安全距离被放电;电缆绝缘层破损后电缆间空气间隙不够放电;电气连接不良，触头松动，内部金属导体断裂、腐蚀氧化、连接损坏。

1.2.2 触头分合电弧

任何机械式开关装置(除半导体开关设备、二极管、晶体管、超导体或类似无触点设备外)，其电路电压不低于10～20 V，电流不小于80～100 mA，在开关电器、手车断路器分/合瞬间，动、静触头无限接近时，触头间形成非常大的电场，触头内电子在强电场作用下发生电离，动、静触头之间构成回路进而产生电弧。实际上任何移动触头甚至固定触头都会产生火花，例如电动机电刷、螺钉接线端子、电线接头、插座触头、焊接设备等，存在易燃易爆气体危险场所有被这些火花引燃的风险。框架式断路器、塑壳断路器设计多有灭弧功能，灭弧介质如空气、真空、油、六氟化硫等。带负荷分合闸有严重的电弧风险。

1.2.3 短路电弧

产生于电弧电流流过带电导体之间并与负载并联，多为导体绝缘破损，金属物件等造成的相对地、相间短路、相与结构物之间短路引起。当电弧电流约100 A、电弧电压60 V时，电弧功率约为6 kW，可直接引燃周边的可燃物。一般而言，短路电弧能量大，电弧产生时，电力系统的继电保护装置会动作，迅速切断电路；串联电弧能量相对较小，继电保护装置不会动作，存在时间长。在TN系统中发生的接地故障电弧，电流从带电导体流入大地引起，接地电弧产生的故障电流通过PE线流回电源侧。常用剩余电流动作保护装置对接地故障电弧提供保护。典型例子：验电时表针同时碰触A、B相发生相间短路；带电作业，未有效绝缘屏护，金属工具坠落使A、B、C三相搭接造成三相金属性短路。

2 中美两国法规比较

2.1 电弧危害的法规、标准研究

李霁光[1]介绍了NEC(NFPA 70—2005)《美国国家电气安全规范》第110.16节对电弧闪络标签张贴的要求，NFPA 70E—2009《工作场所的电气安全标准》有关带电运行设备的安全实践要求，IEEE 1584—2002版的2004修订版《电弧闪络危害计算指南》。

诸然等[2]列表介绍了NFPA 70、NFAP 70E、IEEE 1584—2002标准中有关预防电弧危险的要求，并介绍了NESC—2007《美国电气安全标准》要求雇主开展电弧危险分析及雇主要求严格穿戴防电弧PPE，介绍了GB/T 24612.1—2009《电气设备应用场所的安全要求 第1部分：总则》，要求进行电弧危险分析，以确定电弧闪络危险界限和防电弧PPE穿戴的要求，并指出该标准未包含怎样开展电弧危险分析的内容。

2.2 美国有关电弧危害法规标准(见表1)

1981年美国工程师拉尔夫李撰写的一份报告《另一个电气危害：电弧闪络爆炸伤害》掀起了美国对电击伤害之外的电弧危害的研究热潮。40多年来，以美国为首的西方国家建立了完善的电弧毁伤事故理论、毁伤计算、预防降低电弧风险、电弧事故报告分析机制。早在2000年电力行业就全面确立了成熟的防护电弧闪络事故的相关措施，包括立法如美国联邦职业安全与健康管理局颁布的OSHA 29CRF 1910.269《职业健康与安全标准 发电；输电和配电》，OSHA 29CFR 1910.335《职业健康与安全标准 电气安全》, 美国消防协会制定的NFPA 70《美国电气法规》(NEC)，NESC《国家电气安全标准》，NFPA 70E《工作场所的电气安全标准》，美国电气电子工程师协会发布的IEEE 1584《电弧闪络危害计算指南》，先后规定了作业场所电气安全强制要求，对电弧危害进行评估，电弧危害计算、评估、防护，电弧防护装备的选用，电弧闪络危险标签等要求。美国ANSI等出台了系列电弧防护服制造、验收标准，因限于篇幅，不在本文范围内介绍。

表1 电弧危害美国相关法规标准演进历程

2.3 中国相关法规标准(见表2)

我国对电弧危害的关注起步较早，2004年GB 19517—2004《国家电气设备安全技术规范》要求采取措施防止电弧等电能和非电能作用造成的危险。GB/T 22696.2—2008《电气设备的安全风险评估和风险降低 第2部分 风险分析和风险评价》 4.3.4.2要求防止电弧引起的危险。GB/T 24612—2009《电气设备应用场所的安全要求 第1部分：总则》明确规定应开展电弧危害分析并在有电弧危害场所使用防电弧PPE，以避免操作人员受到电弧伤害。但就如何开展电弧危害的计算、评估，上述标准未给出方法或流程。而且，GB 6441—1986《企业职工伤亡事故分类标准》的事故类别中未分类电弧烧灼伤，就全国而言电弧事故缺乏系统的报告和分析，客观上造成公众对电弧的危害严重性长期存在认知不足的问题。

表2 电弧危害中国相关法规标准演进历程

DL/T 320—2010、DL/T 320—2019 《个人电弧防护用品通用技术要求》规定了电气作业场所防电弧PPE的生产、试验和使用的标准规范。尽管该附录给出了计算电弧入射能量的公式，但由于是引用的IEEE 1584—2002版标准，DL/T 320—2019中的公式和示例与IEEE 1584—2018标准内的新计算公式不符。

3 结语

电弧按产生机制可分为击穿电弧、触头分合电弧、短路电弧。为切实减少和降低电弧闪络危害事故，保护人们生命财产安全，通过中美两国电弧危害方面法规与标准的比较，我国在电弧闪络危害防护方面的改善方向包括不限于：电弧闪络事故分类、汇报、风险评价、计算公式等法规标准的修订完善，以及电弧闪络安全研究实验和教学，电弧闪络分析评价软件研究开发，产学界进一步学习、研究、贯彻电弧闪络国家标准。具体如下：

(1)关于电弧闪络伤害事故：建议国家标准GB 6441—1984《企业职工伤亡事故分类标准》所列受伤性质“烧伤”，进一步细分为电弧烧伤、化学烧伤腐蚀、热力烧伤、其他烧伤。

(2)关于电弧闪络事故分类与事故汇报：GB 6441—1986《企业职工伤亡事故分类标准》 “事故类别”包含触电。建议标准适时修订，包含电弧伤害，没有电弧烧灼伤、电弧非热力伤害，以及带负荷分闸等不安全电气作业行为，明确生产安全事故报告中应分类报告电弧闪络伤害事故。

(3)关于电弧闪络危害风险评价：GB/T 22696.1～5《电气设备的安全 风险评估和风险降低》以及GB/T 24612—2009 《电气设备应用场所的安全要求第1部分：总则》，建议适时修订，将电弧闪络危害风险评估的方法与程序及示例纳入标准内容。

(4)关于电弧闪络计算公式：DL/T 320—2019《个人电弧防护用品通用技术要求》，标准所附的电弧计算公式，等效采用IEEE 1584—2002的电弧计算方法，建议再版修订DL/T 320—2019时，等效采用IEEE 1584—2018标准中的电弧计算公式和要求。

(5)建议产学界更多的开展电弧闪络安全特性、电弧防护、电弧PPE防护等方面的系统实验研究工作，并将电弧闪络危害纳入电气安全教学内容。

(6)建议参考美国经验，国家扶持、积极研究和开发电弧闪络分析评价软件，并培养相关专业人才。

(7)建议企业界进一步学习贯彻上述国标，辨识/分析/评估和控制电弧闪络危害，汇报电弧闪络伤害事故。

(8)建议国家要求一些行业(比如电力)、规模企业先行开展电弧闪络危害风险评估，在过渡期间和条件不具备的企业，可以暂按电弧PPE分级法执行。