電弧閃絡危害中美相關法規標準對比研究

許學兵 張磊 章光 劉迪輝 陳亞

(1.武漢理工大學 武漢 430070； 2.上海淮寧企業管理咨詢有限公司 上海 201402；3.湖南大學 長沙 410082; 4.通用電氣傳感與檢測(常州)有限公司 江蘇常州 213164)

0 引言

據推測我國電弧閃絡傷害事故每年超過15 000起，造成人員傷亡事故和巨大的財產損失。對電弧閃絡危害的認知與預防在電氣安全管理中與對電擊危害的認知與預防具有同等重要的地位。

1 關于電弧危害

1.1 電弧危害總述

電弧閃絡爆炸具有隱蔽性、突然性、瞬時性、不可預測性。一次電弧閃絡事故，短路電流釋放的巨大熱能、沖擊波、脈沖聲能、瞬間耀光、高速飛散的熔融殘塊、高溫熔融金屬霧粒、毒氣，對于電力/電氣操作人員而言，威脅巨大。

電弧閃絡爆炸弧根溫度瞬間可達19 000 ℃，通過輻射可對人體造成嚴重燒灼傷，并由于衣物被引燃而進一步加重燒灼傷的嚴重程度。每年美國因嚴重電弧燒傷而住進燒傷中心的達2 000余人。電弧閃絡毀傷效應如下。

熱效應：低壓系統中電弧燃燒溫度高達3 000～5 000 ℃，中壓系統高達19 000 ℃，為太陽表面溫度的4倍，可熔融地球上任何物質，對工作距離內、電弧閃絡危害界限內的人員造成II、III度灼燙傷。高溫致衣物燃燒，尤其是化纖衣服燃燒后的熔滴，使人體灼燙傷嚴重性進一步加劇。電弧熱效應比一般火焰熱效應要嚴重。一般火焰能量為30 cal/cm2，不存在飛散物、爆炸聲、沖擊波超壓等。電弧閃絡能量為一般火焰能量的3～4倍，達100 cal/cm2，且釋放時間短，功率(高達8～60 MW)較一般火焰大得多，其強大的沖擊波超壓、劇烈的爆炸聲、高速飛散物，均可造成嚴重傷害。一般火焰能量50%為對流熱、50%為輻射熱；電弧90%為輻射熱，使得電弧熱效應威脅更具隱蔽性。高溫導致金屬(銅牌、鋁排、線纜、端子、金屬柜體局部、元器件)熔融、燒毀，絕緣碳化，空氣被加熱。高溫還可引燃周圍的可燃物質，嚴重的可造成火災、爆炸事故。

機械效應：因高溫致空氣膨脹，柜內氣體壓力驟升250 kPa，易引起柜體超壓爆炸。空氣壓縮產生的沖擊波達9.77 N/cm2，對電弧鄰近人員產生嚴重機械打擊傷害。高速氣流將人體掀起、拋下造成摔傷，鄰近建筑物因沖擊波超壓坍塌致鄰近人員砸傷、擠壓傷害，致柜內固定元器件振動松脫。因高溫熔融的設備邊角殘片高速飛散造成打擊傷害。

弧光效應：電弧光光強可達9 000 Lux，是人眼感受到的最大光強的30倍，可致人暫時甚至永久性失明，而強烈的可見光、紅外線、紫外線光譜還可毀損重要眼組織如角膜、視網膜。

聲能毀傷效應：電弧閃絡爆炸的巨響，聲壓級達到165 dB，遠超人體承受的脈沖噪聲閾值140 dB，對未加聽力保護的人可致耳膜破裂。

其他效應：高達1 000 ℃的熾熱熔融金屬微粒，進入呼吸道造成吸入性傷害。金屬熔融液滴的噴射速度超過444 m/s(1 600 km/h)，其高溫可引燃工人衣物造成燒灼傷。金屬材料、橡膠、塑料等絕緣材料燃燒產生100余種有毒氣體(如一氧化碳、氯化氫、氰化氫、鋁/銅蒸汽)，吸入可致人中毒。

1.2 電弧分類

電弧閃光爆炸產生的機制較復雜，按產生的主要原因電弧可分為擊穿電弧、觸頭分合電弧、短路電弧。

患有先天性甲減的患者會出現凝血因子Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、ⅩⅠ異常的情況，當腹直肌力量較小時，腹壓也會隨之減小，進而出現繼發性宮縮乏力，導致孕婦出現產后出血[10-11]。患有甲亢的孕婦宮縮強烈，如果胎兒偏小，就會縮短產程，孕婦容易有軟產道裂傷出現，也會誘發產后出血癥狀。

1.2.1 擊穿電弧

兩電極距離過近，電流通過(擊穿)某些絕緣介質(如空氣)所產生的瞬間火花即電弧。正常情況下，空氣介電常數為3 kV/mm，擊穿空氣絕緣介質的因素與電壓成反比，電壓大則擊穿所需距離更小。反之，電極間的距離越小，所需擊穿電壓(電場強度)更小。典型例子：雷雨天氣時云層間的雷電;汽車火花塞高壓放電點燃被壓縮的空氣與油氣混合氣體;誤入帶電間隔未與高壓電保持安全距離被放電;電纜絕緣層破損后電纜間空氣間隙不夠放電;電氣連接不良，觸頭松動，內部金屬導體斷裂、腐蝕氧化、連接損壞。

1.2.2 觸頭分合電弧

任何機械式開關裝置(除半導體開關設備、二極管、晶體管、超導體或類似無觸點設備外)，其電路電壓不低于10～20 V，電流不小于80～100 mA，在開關電器、手車斷路器分/合瞬間，動、靜觸頭無限接近時，觸頭間形成非常大的電場，觸頭內電子在強電場作用下發生電離，動、靜觸頭之間構成回路進而產生電弧。實際上任何移動觸頭甚至固定觸頭都會產生火花，例如電動機電刷、螺釘接線端子、電線接頭、插座觸頭、焊接設備等，存在易燃易爆氣體危險場所有被這些火花引燃的風險。框架式斷路器、塑殼斷路器設計多有滅弧功能，滅弧介質如空氣、真空、油、六氟化硫等。帶負荷分合閘有嚴重的電弧風險。

1.2.3 短路電弧

產生于電弧電流流過帶電導體之間并與負載并聯，多為導體絕緣破損，金屬物件等造成的相對地、相間短路、相與結構物之間短路引起。當電弧電流約100 A、電弧電壓60 V時，電弧功率約為6 kW，可直接引燃周邊的可燃物。一般而言，短路電弧能量大，電弧產生時，電力系統的繼電保護裝置會動作，迅速切斷電路；串聯電弧能量相對較小，繼電保護裝置不會動作，存在時間長。在TN系統中發生的接地故障電弧，電流從帶電導體流入大地引起，接地電弧產生的故障電流通過PE線流回電源側。常用剩余電流動作保護裝置對接地故障電弧提供保護。典型例子：驗電時表針同時碰觸A、B相發生相間短路；帶電作業，未有效絕緣屏護，金屬工具墜落使A、B、C三相搭接造成三相金屬性短路。

2 中美兩國法規比較

2.1 電弧危害的法規、標準研究

李霽光[1]介紹了NEC(NFPA 70—2005)《美國國家電氣安全規范》第110.16節對電弧閃絡標簽張貼的要求，NFPA 70E—2009《工作場所的電氣安全標準》有關帶電運行設備的安全實踐要求，IEEE 1584—2002版的2004修訂版《電弧閃絡危害計算指南》。

諸然等[2]列表介紹了NFPA 70、NFAP 70E、IEEE 1584—2002標準中有關預防電弧危險的要求，并介紹了NESC—2007《美國電氣安全標準》要求雇主開展電弧危險分析及雇主要求嚴格穿戴防電弧PPE，介紹了GB/T 24612.1—2009《電氣設備應用場所的安全要求 第1部分：總則》，要求進行電弧危險分析，以確定電弧閃絡危險界限和防電弧PPE穿戴的要求，并指出該標準未包含怎樣開展電弧危險分析的內容。

2.2 美國有關電弧危害法規標準(見表1)

1981年美國工程師拉爾夫李撰寫的一份報告《另一個電氣危害：電弧閃絡爆炸傷害》掀起了美國對電擊傷害之外的電弧危害的研究熱潮。40多年來，以美國為首的西方國家建立了完善的電弧毀傷事故理論、毀傷計算、預防降低電弧風險、電弧事故報告分析機制。早在2000年電力行業就全面確立了成熟的防護電弧閃絡事故的相關措施，包括立法如美國聯邦職業安全與健康管理局頒布的OSHA 29CRF 1910.269《職業健康與安全標準 發電；輸電和配電》，OSHA 29CFR 1910.335《職業健康與安全標準 電氣安全》, 美國消防協會制定的NFPA 70《美國電氣法規》(NEC)，NESC《國家電氣安全標準》，NFPA 70E《工作場所的電氣安全標準》，美國電氣電子工程師協會發布的IEEE 1584《電弧閃絡危害計算指南》，先后規定了作業場所電氣安全強制要求，對電弧危害進行評估，電弧危害計算、評估、防護，電弧防護裝備的選用，電弧閃絡危險標簽等要求。美國ANSI等出臺了系列電弧防護服制造、驗收標準，因限于篇幅，不在本文范圍內介紹。

表1 電弧危害美國相關法規標準演進歷程

2.3 中國相關法規標準(見表2)

我國對電弧危害的關注起步較早，2004年GB 19517—2004《國家電氣設備安全技術規范》要求采取措施防止電弧等電能和非電能作用造成的危險。GB/T 22696.2—2008《電氣設備的安全風險評估和風險降低 第2部分 風險分析和風險評價》 4.3.4.2要求防止電弧引起的危險。GB/T 24612—2009《電氣設備應用場所的安全要求 第1部分：總則》明確規定應開展電弧危害分析并在有電弧危害場所使用防電弧PPE，以避免操作人員受到電弧傷害。但就如何開展電弧危害的計算、評估，上述標準未給出方法或流程。而且，GB 6441—1986《企業職工傷亡事故分類標準》的事故類別中未分類電弧燒灼傷，就全國而言電弧事故缺乏系統的報告和分析，客觀上造成公眾對電弧的危害嚴重性長期存在認知不足的問題。

表2 電弧危害中國相關法規標準演進歷程

DL/T 320—2010、DL/T 320—2019 《個人電弧防護用品通用技術要求》規定了電氣作業場所防電弧PPE的生產、試驗和使用的標準規范。盡管該附錄給出了計算電弧入射能量的公式，但由于是引用的IEEE 1584—2002版標準，DL/T 320—2019中的公式和示例與IEEE 1584—2018標準內的新計算公式不符。

3 結語

電弧按產生機制可分為擊穿電弧、觸頭分合電弧、短路電弧。為切實減少和降低電弧閃絡危害事故，保護人們生命財產安全，通過中美兩國電弧危害方面法規與標準的比較，我國在電弧閃絡危害防護方面的改善方向包括不限于：電弧閃絡事故分類、匯報、風險評價、計算公式等法規標準的修訂完善，以及電弧閃絡安全研究實驗和教學，電弧閃絡分析評價軟件研究開發，產學界進一步學習、研究、貫徹電弧閃絡國家標準。具體如下：

(1)關于電弧閃絡傷害事故：建議國家標準GB 6441—1984《企業職工傷亡事故分類標準》所列受傷性質“燒傷”，進一步細分為電弧燒傷、化學燒傷腐蝕、熱力燒傷、其他燒傷。

(2)關于電弧閃絡事故分類與事故匯報：GB 6441—1986《企業職工傷亡事故分類標準》 “事故類別”包含觸電。建議標準適時修訂，包含電弧傷害，沒有電弧燒灼傷、電弧非熱力傷害，以及帶負荷分閘等不安全電氣作業行為，明確生產安全事故報告中應分類報告電弧閃絡傷害事故。

(3)關于電弧閃絡危害風險評價：GB/T 22696.1～5《電氣設備的安全 風險評估和風險降低》以及GB/T 24612—2009 《電氣設備應用場所的安全要求第1部分：總則》，建議適時修訂，將電弧閃絡危害風險評估的方法與程序及示例納入標準內容。

(4)關于電弧閃絡計算公式：DL/T 320—2019《個人電弧防護用品通用技術要求》，標準所附的電弧計算公式，等效采用IEEE 1584—2002的電弧計算方法，建議再版修訂DL/T 320—2019時，等效采用IEEE 1584—2018標準中的電弧計算公式和要求。

(5)建議產學界更多的開展電弧閃絡安全特性、電弧防護、電弧PPE防護等方面的系統實驗研究工作，并將電弧閃絡危害納入電氣安全教學內容。

(6)建議參考美國經驗，國家扶持、積極研究和開發電弧閃絡分析評價軟件，并培養相關專業人才。

(7)建議企業界進一步學習貫徹上述國標，辨識/分析/評估和控制電弧閃絡危害，匯報電弧閃絡傷害事故。

(8)建議國家要求一些行業(比如電力)、規模企業先行開展電弧閃絡危害風險評估，在過渡期間和條件不具備的企業，可以暫按電弧PPE分級法執行。