李紅彥　孫成勛　朱寶余　管曼好

(1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學研究院　長春 130021；2.東華大學服裝學院功能防護服裝研究中心　上海 200051)

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電弧防護服性能測試及影響因素研究*

李紅彥1孫成勛1朱寶余1管曼好2

(1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學研究院長春 130021；2.東華大學服裝學院功能防護服裝研究中心上海 200051)

摘要針對電力行業(yè)電弧引發(fā)的事故，電弧防護服相關(guān)標準開始制定并逐步完善?，F(xiàn)有電弧防護性能的標準測試方法包括開弧測試和盒式測試，針對不同形式的電弧，測試方式仍在不斷發(fā)展。電弧防護性能的最常用的衡量指標是電弧熱性能值A(chǔ)TPV。對于不同工作場所電弧服的選擇是基于對工作現(xiàn)場的危害評級。最后文章總結(jié)了電弧防護服性能影響因素的研究，包括電弧防護性、熱濕舒適性和作業(yè)適應(yīng)性。未來的電弧防護服的開發(fā)會朝向更安全、低成本、更舒適的方向進行。

關(guān)鍵詞電弧防護服防護性能測試方法影響因素

0引言

過去人們對電力工人作業(yè)的電安全防護主要集中在對于電擊傷的預(yù)防。目前對于電擊傷的防護主要是通過絕緣手套、絕緣袖套、絕緣毯、絕緣鞋等防護裝備達到防護目的。值得注意的是，除電擊傷害外，大量嚴重的電力事故與短路和開關(guān)電路時產(chǎn)生的電弧有關(guān)。從20世紀80年代起，電弧危害區(qū)別于電擊傷害，作為一種獨立的災(zāi)害逐漸引起重視，各國開始進行電弧防護的研究并制定相關(guān)標準。

1電弧傷害種類及機理

電危害的3種主要形式即為電擊傷、電弧閃光和電弧爆炸。電弧的危害表現(xiàn)在當電流經(jīng)過未接地的導體之間或經(jīng)過未接地導體與接地導體之間的空氣時，溫度會達到19426 ℃，高溫會直接燒傷皮膚或引燃服裝。同時高溫還會引起環(huán)境中氣體和金屬的爆炸性擴張，由此會產(chǎn)生強大的作用力、噪聲、金屬碎片或熔融液滴。金屬熔融液滴的噴射速度超過1 600 km/h，足以滲透到人體。其中，電弧所引起的對人體的危害主要是熱傷害[1]。圖1所示為國際社會保障協(xié)會(ISSA)發(fā)布的電弧燒傷的分布頻率圖[2]?？梢钥吹酱蟛糠止と藳]有進行適當?shù)氖植亢兔娌糠雷o，同時盡管軀干部分的燒傷頻率相對較低，但這些燒傷可能帶來致命的危害。

圖1　電弧熱傷害分布圖

2電弧防護服標準發(fā)展

19世紀80、90年代，杜克能源公司和阿莫林公司內(nèi)部開始了對電弧防護服的研究。美國職業(yè)安全和健康署(OSHA)利用杜克公司早期的研究成果發(fā)布了OSHA標準，與此同時，90年代中期美國材料試驗協(xié)會(ASTM)發(fā)布了電弧測試方法，引發(fā)了眾多國家對電弧防護服的研究。1995年，美國國家防火協(xié)會(NFPA)70E確定了電弧傷害邊界，美國國家電氣安全規(guī)范(NESC)中增加了電安全的相關(guān)要求。OSHA 1 910.269，NFPA 70E，NESC以及加拿大標準協(xié)會(CSA) Z462中均規(guī)定了電弧防護服的相關(guān)要求。巴西、秘魯、俄羅斯、南非、新西蘭、澳大利亞以及我國也正在制定電弧防護服的相關(guān)法規(guī)。目前我國已發(fā)布了《個人電弧防護用品通用技術(shù)要求》(DL/T 320—2010)。而針對目前國際上選擇電弧個體防護裝備的統(tǒng)一標準仍然缺失的問題，ISSA最新修訂的《暴露于故障電弧熱影響下的個體防護裝備選擇指南》提供了統(tǒng)一的解決方案，總結(jié)了電弧危害、電弧測試標準和個體防護裝備要求。

3電弧防護性能測試及服裝選擇

3.1電弧防護性能評價指標

同時，電弧防破裂值EBT(Breakopen Threshold Energy)也是作為電弧防護性能的一個評價指標，定義為入射到材料或材料系統(tǒng)上，有50%可能性導致試樣破裂的能量值。多數(shù)情況下，服裝材料的EBT值要高于其ATPV值。但仍存在一些材料的EBT值要低于ATPV值，甚至無法測出ATPV值。這些材料的電弧防護性能就需用其EBT值來表征。

3.2電弧防護性能測試方法

目前對于電弧防護性能的測試有2種已標準化的方法。第一種為開弧測試法，該方法是基于中壓系統(tǒng)的電路中引發(fā)的開放式電弧，通過測量入射能來對電弧防護性能進行評定，即對ATPV和EBT兩個指標的值進行測定。這種測試方法所采用的電弧也稱輻射電弧，大部分能量以紫外光、紅外光和可見光的形式進行輻射，只包含一小部分對流[3]。由于開弧測試方法較成熟且可重復性好，因此該方法是國際上的通用方法。

第二種為盒式測試法，該方法將防護等級劃分為兩個級別，基于給定的實驗條件測試防護性能是否達到某一個電弧防護等級。這種測試方法的電弧熱暴露中，除了輻射影響外，還很大程度上受對流和電極的影響，用以模擬樣品暴露于盒式電弧的情況下，即磁力和設(shè)備外殼將電弧從開路、開關(guān)裝置或電機控制中心等開口部位推出[3]。盒式測試方法適用于封閉系統(tǒng)，尤其是低壓電力設(shè)備。

這2種測試方法的共同點在于都是通過測量入射能以及基于stoll曲線來評估二級燒傷。但這兩種測試方法采用的是不同的測試裝置、電弧配置和類型、測試參數(shù)、測試步驟和結(jié)果參數(shù)，所形成的熱暴露和熱傳遞不同，測試結(jié)果并不能進行物理上的比較以及數(shù)學上的轉(zhuǎn)換。有研究[1]試圖建立了兩種測試方法結(jié)果之間的經(jīng)驗關(guān)系，研究結(jié)果表明，盒式測試中的防護等級2級通常與ATPV>125.6 J/cm2等價，防護等級1級與ATPV值4到30等價，盒式測試等級覆蓋了大部分的ATPV范圍。

3.3電弧防護性能測試的研究進展

實踐發(fā)現(xiàn)，在運用以上2種測試方法選擇電弧防護服時，電力工人仍會出現(xiàn)嚴重燒傷。經(jīng)過研究表明[4]，還存在另外兩種類型的電?。簢娚潆娀『汀白粉櫋彪娀?。有研究[3]對該4種類型的電弧進行了模擬，通過著裝假人研究了暴露于不同類型電弧下服裝的狀態(tài)。噴射電弧多發(fā)生在電力線的終端或有電極伸出的設(shè)備中。由于它會直接擊中工人并迅速毀壞防護服，因此是最危險的一類電弧，如圖2所示。ASTM F18正在考慮為這種類型的電弧提出相應(yīng)的測試方法?！白粉櫋彪娀〈蟛糠职l(fā)生在4 160 V及以上的高壓電力線或變電站的情況下。在這種情況下，電弧會在衣下空間產(chǎn)生，通常是經(jīng)由人體或服裝中的汗液進行傳導。由圖3可以看到，在10 ms時，電弧沿著手—胸部—手路徑從服裝中爆破出來。

隨著國家文化事業(yè)的改革和發(fā)展，高校圖書館的服務(wù)功能正在發(fā)生深刻變化，如今的高校圖書館已經(jīng)突破了傳統(tǒng)的以圖書借閱為主的單一服務(wù)功能，正在向多元化服務(wù)的方向發(fā)展，除了簡單的校內(nèi)文獻信息資源服務(wù)外，還具有社會教育、社會信息服務(wù)等職能.與其它類型的圖書館相比，高校圖書館在硬件設(shè)施和軟件條件方面都具有明顯的優(yōu)勢.

4 ms　　　11 ms　　　31 ms　　　120 ms后

1 ms　　　2 ms　　　4 ms　　　10 ms

3.4電弧防護服選擇

圖4所示為電弧事故調(diào)查中對燒傷案例的分析。對電弧事故的調(diào)查表明，2/3的工人發(fā)生燒傷的原因是選擇電弧防護裝備時未首先進行災(zāi)害評估，說明了作業(yè)前通過災(zāi)害評級進行防護服選擇的重要性。

圖4　電弧燒傷案例調(diào)查分析

目前，電危害分為四級。NFPA 70E中規(guī)定在一、二級危害中穿著日常工作服，包括防電弧長袖襯衫和防電弧長褲或者防電弧連身衣褲，最小電弧防護值為33.5 J/m2；在三、四級危害中穿著防電弧套裝，包括防電弧襯衫和長褲、防電弧連體衣褲、防電弧外套和長褲，套裝中服裝可根據(jù)需要進行選擇，但需保證服裝系統(tǒng)的最小電弧防護值達到167.5 J/m2。內(nèi)層貼身穿著的服裝不應(yīng)采用醋酸纖維、聚酰胺纖維、聚酯纖維、聚丙烯纖維、聚氨基甲酸酯纖維等熔融纖維，避免高溫造成纖維融化，對人體造成燙傷?！秱€人電弧防護用品通用技術(shù)要求》(DL/T 320—2010)對各級危害所需電弧防護服的防護值進行規(guī)定，未針對各級別規(guī)定具體穿著服裝。此外，在ASTM F1891中規(guī)定了滿足電弧防護的雨衣的相關(guān)要求，歐盟 (EU) EN471提出了高可視性的電弧服裝，用于在道路上和移動的工作區(qū)域中作業(yè)的工人。目前有研究人員通過開發(fā)相關(guān)軟件來計算確定工作區(qū)域所需電弧防護裝備的防護等級[5]。

另外，在選擇電弧防護服裝時還應(yīng)考慮覆蓋性、合體性等因素。需對所有可燃著的服裝部位和可能受到電弧傷害的身體部位進行遮蓋，袖口在腕部應(yīng)收緊，領(lǐng)口在頸部也應(yīng)封閉；應(yīng)選擇較寬松的服裝，這是由于空氣層的存在，寬松的服裝可以提供一定的熱阻，但服裝不應(yīng)由于寬松而影響作業(yè)活動。

4電弧防護服性能影響因素研究

電弧防護服的性能要求除了必須滿足的電弧防護性能外，還包括服裝的熱濕舒適性、作業(yè)適應(yīng)性等要求。

4.1附著物對服裝防護性能的影響

通常電弧防護服性能的測試是在新服裝或已洗滌過后的服裝上進行。而日常工作會使服裝被污染物玷污，因此有學者[6]研究了潮濕污染物、導電和非導電性粉塵及易燃液體等幾類污染物及污染物組合對電弧防護性能的影響。研究表明，汗液等潮濕的污染物會降低防護服的防護性能，但能有效避免阻燃材料燃燒。潮濕的非阻燃服裝仍會被引燃，同時更可能引起亞種的熱燒傷。

相關(guān)學者[3]后續(xù)又研究了材料中水分(汗液)對暴露于電弧下多層服裝系統(tǒng)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著服裝濕度的增加，EBT值即防破裂水平上升，但ATPV值也即防燒傷能力下降，原因可能是水分增加了熱導率。同時，盡管電弧量級有所降低，但材料在早期硫化前可以承受更多的能量。

4.2電弧形式和距離對服裝防護性能的影響

不同形式的電弧電極會導致電極之間電弧電流不同的電磁作用，從而引起不同的電弧現(xiàn)象。有學者[4]通過對垂直開弧、垂直盒式電弧以及水平平行放置開放噴射電弧進行研究，研究了針對每種形式的電弧，電弧電極和測試襯衫之間距離固定的情況下不同的電弧電流水平以及對于同一電弧電流水平，變化的電弧電極與測試襯衫之間的距離對棉襯衫點火閾值的影響。

研究表明，點火閾值對不同的電磁作用有顯著的依賴性。噴射電弧相對于其它形式的電弧，更容易發(fā)生著火現(xiàn)象而且著火速度更快；在越高的電弧電流下，著火時間越低于人可以進行移動的反應(yīng)時間。當著裝人體暴露于噴射電弧時，所需的電弧邊界距離要大于由NFPA 70E以及美國電氣和電子工程師協(xié)會IEEE 1584中所計算的水平，這表明在風險分析中需要考慮不同的電弧形式。研究人員還基于棉襯衫點火閾值的比較，建立了不同電弧形式之間的關(guān)系。

4.3影響電弧防護服熱濕舒適性因素

對于電力作業(yè)工人，除電弧帶來的熱危害以外，還會面臨夏季野外等高溫環(huán)境、高強度作業(yè)所帶來的人體大量產(chǎn)熱。有研究[7]就高溫(23.9～46.1 ℃)和低相對濕度(8%～37%)的環(huán)境條件下對電力線路工人作業(yè)時的熱應(yīng)力和應(yīng)變進行了評估研究。研究人員詳細記錄了任務(wù)類型、努力程度及動作姿勢等信息，并將所有任務(wù)分為9類進行分析。研究結(jié)果顯示，挖掘任務(wù)體力消耗最大，人體平均代謝速率最大，熱應(yīng)力和熱應(yīng)變也最大；在所調(diào)查的電力員工中，電纜工和學徒線路工兩類工種作業(yè)人員表現(xiàn)出最大的熱應(yīng)激。該研究的方法和結(jié)果對改善電力工人作業(yè)服熱濕舒適性有一定的指導意義。

有研究人員[8]針對電力工人作業(yè)時的熱壓力設(shè)計了透濕通風的防電弧襯衫，在保證電弧防護性能的前提下，通過在服裝上設(shè)計通風口以增大對流散熱和蒸發(fā)散熱。如圖5所示，在襯衫后背部設(shè)計開口式的披肩以增大熱散失。

圖5　透濕通風的防電弧襯衫背部設(shè)計

4.4影響電弧防護服作業(yè)適應(yīng)性因素

關(guān)于電力系統(tǒng)野外作業(yè)服的設(shè)計[9]對戶外、高空作業(yè)的電弧防護服的開發(fā)具有一定的價值。研究指出，野外作業(yè)不帶電，運動量大，但長期以來野外作業(yè)服與電力系統(tǒng)其它崗位的勞保服沒有大的區(qū)別。研究者提出提高服裝的視覺識別程度及防風性是野外作業(yè)服的設(shè)計重點，并針對身體活動范圍大、勞動強度大的特點著重細部結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計，如增大胸圍量適應(yīng)劇烈的戶外運動，后肩育克部位設(shè)計褶裥以滿足肩背部的大范圍活動，可裝卸式多功能褲袋適時減輕運動強度，膝部斷縫、內(nèi)绱護膝增強服裝的耐磨性等。在面料選擇上，提出應(yīng)考慮到材料的耐光性、透氣性，認為可選用防水透濕、吸汗快干、耐磨易洗滌的腈棉織物。

5結(jié)語

本文對電力行業(yè)電弧防護服的研究發(fā)展歷程進行了回顧，包括電弧危害的產(chǎn)生機制，電弧防護服相關(guān)標準的制定，電弧防護性能的測試、相應(yīng)指標及電弧服的選擇，最后總結(jié)了影響電弧防護服性能的因素。目前的電弧防護服主要是針對熱危害，未來需要將其它的電弧危害，如紫外輻射、金屬碎片撞擊等納入到防護因素中。同時，在現(xiàn)行的標準中仍有一些性能評估和裝備選擇等重要問題尚未解決，包括在洗滌之后、穿著條件下以及有污染物的狀態(tài)下電弧防護性能的穩(wěn)健性，如模擬熱液體，即研究有溫度

的汗液對電弧服防護性能的影響，防護服的舒適性、熱壓力以及如何選擇內(nèi)衣物等問題。未來的電弧防護服的開發(fā)會朝向更安全、低成本、更舒適的方向進行。

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Research Progress of Arc-rated Clothing in Electric Power Industry

LI Hongyan1SUN Chengxun1ZHU Baoyu1GUAN Manhao2

(1．ElectricPowerResearchInstitute,StateGridJilinProvincialElectricPowerLtd.Changchun130021)

AbstractVarious standards on arc-rated clothing have been established and improved based on the accidents happened. There are two main test methods for evaluating the protective performance of a material or a multilayer system of materials and more test methods are still being developed. The most commonly used measure gauge for characterizing the protective performance of materials and arc-rated clothing is the arc thermal performance value (ATPV). The selection of proper arc-rated clothing is based on the arc ratings of electrical hazards. At last, studies on the affecting factors of arc-rated clothing’s performance are summarized, including protective performance, thermal comfort and ergonomics. Further development will focus on safer, low-cost, and more comfortable aspects.

Key Wordsarc-rated clothingprotective performancetest methodinfluence factor

(收稿日期：2015-03-16)

通訊作者管曼好，女，1992年生，博士研究生，主要研究方向為服裝舒適性與功能。

作者簡介李紅彥，男，1983年生，碩士研究生，主要研究方向為環(huán)境衛(wèi)生與職業(yè)衛(wèi)生學。

*基金項目：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項基金(14D110715/17/18)。