浅谈故障电弧对人身的伤害及其防护

一位供电局的朋友告诉我他们局的开关柜弧光短路故障时有发生，并且有一位同事不幸因此而死亡，并问我国外是否有10kv中压母线方面的保护，这就是我最初接触到的故障电弧伤害事件，也就是我们现在推广电弧光保护系统的主要原因。从网上得到的消息，去年9月国内某供电局在220kV变电站进行检修时，配电房进线柜内部故障发生爆炸，附近的6名工作人员被电弧火球烧伤，配电房外一变压器因短路烧毁，变电站停电。事故造成该市部分地区大面积停电1小时。去年底，我的一位朋友告诉我一个令我非常吃惊的消息，我以前公司的一位部门经理在为用户检查有问题的开关柜时的电缆箱突然爆炸，他的面部严重被烧伤而毁容，在医院住了几个月。故障电弧真是无情啊！
电弧烧伤的电气工作中较常见的伤害事故。根据统计，在检修及调试低压电器设备中，电弧烧伤比其它伤害事故要多，约占总事故的60%。低压系统中电弧燃烧的温度高达3000-5000°C；而中压系统则高达20000°C，为太阳表面温度的4倍。电弧燃烧期间所产生压力效应、燃烧效应（热效应）、辐射和声响效应以及有毒气体，均对人体产生严重的伤害。尤其是电弧的热效应对人的伤害，它产生很大比例的辐射热能，而它是人眼所看不见的，它可能造成皮肤的二度和三度烧伤，它对人的伤害是严重的、甚至是致命的。
我现在从事的正好是和故障电弧防护相关的工作，推广电弧光保护系统，它同时可为配电设备和附近工作提供有效的保护。通过和国外厂家和研究机构的交流，对故障电弧对人身的伤害及对设备的损害有一些的认识，在些希望将所了解信息提供给各位朋友，希望对搞运行的朋友在保障安全方面有所帮助。
2．开关柜的故障电弧特性
根据国外的研究和试验结果，故障电弧的形成可分为以下四个阶段：
第1阶段为压缩阶段，持续时间约5~15ms。在这一阶段温度上升，并产生动态压力波。
第2阶段为膨胀阶段，持续时间约5~15ms。在这一阶段短暂的时间内，因燃弧区和周围空气之间存在压力差，开始产生气流。
第3阶段为排放阶段，这一阶段可能持续几百毫秒。在这一阶段由于电弧能量继续输入燃弧点，产生空气流、气流和微粒流。这种强力高速气流的热量及所带的炽热微粒，内部电弧开始形成对外部的影响。
第4阶段为热效应阶段，亦即为燃弧的最后阶段。在这一阶段最终包围短路电弧的空气几乎达到电弧的温度。从这一阶段开始，大部分燃弧能量作用于开关设备的固体零部件。此时开关设备有烧穿的危险。故障清除后，这一阶段随之结束。
开关柜发生内部弧光故障产生的能量可高达8~60MW，它主要与电弧的燃烧时间以及短路电流的平方值成正比，其它因素则包括柜体几何尺寸以及所使用的材料等等。电弧燃烧持续时间超过100ms，所释放的能量开始急剧增加，大约150ms左右电缆开始燃烧，200ms左右铜排燃烧，到了250ms左右钢材开始燃烧。所以，从保护设备的角度来说，目前采用变压器后备过流保护长达1.2-2.0秒的动作时间，对于为开关柜内部弧光短路来说其保护效果是很差的，往往是开关柜烧得面目全非保护才动作，事后故障电弧起始点地没有办法确定了，而在这一期间电弧燃烧释放的巨大的能量对附近工作人员的伤害也是不可避免的了，特别是在开关柜门打开维修的情形。
障电弧燃烧产生巨大能量的结果将产生压力效应、燃烧效应（热效应）、辐射和声响效应。中压开关柜在发生内部电弧故障时，电弧温度可达到20，000°C，燃烧的电弧将周围的空气加热，引致空气膨胀，并在开关柜内部产生巨大的压力。开关柜的门可能被炸开，配电房建筑物的墙或天花板可能会倒塌。此外，压力也会使某些不牢固的部件从开关柜中抛出。电弧将使电极材料熔化和蒸发，这些热量通过辐射形式使可燃性材料(如运行维护人员的服装)着火,非可燃性材料热分解。同时高温高压气体,伴随电弧效应产生炽热的金属和非金属材料颗粒由柜体逸出,造成人身伤害,甚至引起火灾。发生弧光故障时产生的明亮的弧光,还可能引起运行维护人员暂时性的失明，连同巨大的声响效应更可能引起休克，而这也将增加弧光故障伤害的危险性。

3.故障电弧效应对人身的伤害
开关柜发生内部故障时，电弧燃烧所释放的巨大的能量产生的各种有害效应，将对设备及附近人员造成严重的伤害。在对人的伤害方面，巨大而集中的辐射能量从开关设备中向外爆发，所产生的压力波可能损坏人的听力；高强度的闪光损坏人的视力；超高温的电弧火球可能严重烧伤工作人员的身体；压力波也可能使某些松脱的材料（比如损坏设备的碎片、工具和其它物件等）抛出对人造成伤害。还有电弧燃烧所产生的有毒气体（一氧化碳、铝及铜蒸汽等）对人的呼吸系统也造成伤害。
在开关柜故障中，除了明显的触电死亡和身体电击的危险外，另一个可能更敏感的危险是电弧的热效应对人的伤害。之所以说敏感，是因为故障电弧产生很大比例的辐射热能，而它是人眼所看不见的，它可能造成皮肤的二度和三度烧伤，它对人的伤害是严重的、甚至是致命的。
开关柜内部电弧故障是一种不可预测的偶发事故。与大多数人非常熟悉的火灾情况相比，电弧故障是一种发展非常快的事件，这是由于保护装置自动启动切除故障的原因，持续时间一般小于1秒。发生电弧故障所产生的总能量，可能大于一场严重火灾产生的能量的三、四倍，并且它是在一个非常短的时间内高度集中释放的能量，因而可能对附近工作人员造成致命的危害。另一个显著的差别是，在火灾情形由于产生火焰，我们可以看到明显的冲击，其热能大致为50%的对流热（即火焰）和50%的辐射热。而在电弧故障情形，可能存在高达90%的辐射热，它意味着可能即使是事件引起轻微的、甚至看不到火焰，都可能对附近人员造成严重的伤害。电弧故障所产生的辐射热，可能引燃附近工作人员的衣服或熔化、引起衣服裂开，从而造成皮肤的严重烧伤。
4.故障电弧伤害的防护措施
无论是中压设备还是低压设备，故障电弧是偶发事件，对维护操作工作人员来说是防不胜防的，单单强调执行操作规程是不够的。为防止故障电弧可能造成的伤害，为经常和电打交道的朋友提供以下建议供参考：
1）严格执行操作规程是必不可少的，但应该注意，在各种环境及心情不佳的情况下，发生误操作等违反规程的事情还是可能发生的，危险还是存在的，当然最好是在不带电的情形下工作……）

2）尽量避免带电工作（注意：有些时候带电工作是不可避免的，或者只是本间隔停电，而旁边间隔是带电的，因此一样地存在着危险……）
3）穿戴电弧防护装备（防护手套、防护外套、防护面罩及防护眼镜等），在发达国家已应用较广泛。应注意的是，这里提到的防护准备是对某一工作环境有针对性地选用的，其防护对象的电弧的热辐射，实际应用中考虑到工作场所的电压等级、短路电流大小、工作点与可能发生电弧点的距离等等，计算出工作人员可能遭受辐射的强度，然后选择相应防护等级的装备，才能有效的达到防护作用。采用个人防护装备的目的，是在发生电弧故障时为工作人员提供逃离的时间，并减少电弧热效应的烧伤程度，从而增加了事故受害者的生存机会。此外应注意到目前的电弧防护装备，是没有针对电弧压力效应及碎片的冲击提供防护的，所以穿戴电弧防护装备也不是万无一失的…….
4）配置高速电弧光保护。采用可靠、高速的电弧光保护可以说为现场工作人员提供最好的保护，它在一些国家已成为标准配置，根据近10年来的运行经验，它在保护配电设备及工作人员方面是非常有效的，在南非就曾经挽救多名工作人员。利用其几毫秒以内的动作时间，电弧光保护系统在电弧排放阶段开始时就启动断路器跳闸切断供给燃弧点的短路电流的话，故障电弧释放的能量将大大减少，从而也大大降低电弧效应对设备及人员的伤害。另一方面，采用电弧光保护也具有显著的经济效益，根据国外的应用经验，一般弧光短路故障约需要2天到3个星期才能恢复供电，采用电弧光保护一般在几个小时以内就可以恢复供电。生命无价，又能顾及到企业的经济效益，或者这就是电弧光保护在国外能被广泛接受的原因吧。

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