电弧防护服性能测试及影响因素研究*

李红彦　孙成勋　朱宝余　管曼好

(1.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院　长春 130021；2.东华大学服装学院功能防护服装研究中心　上海 200051)



电弧防护服性能测试及影响因素研究*

李红彦1孙成勋1朱宝余1管曼好2

(1.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院长春 130021；2.东华大学服装学院功能防护服装研究中心上海 200051)

摘要针对电力行业电弧引发的事故，电弧防护服相关标准开始制定并逐步完善。现有电弧防护性能的标准测试方法包括开弧测试和盒式测试，针对不同形式的电弧，测试方式仍在不断发展。电弧防护性能的最常用的衡量指标是电弧热性能值ATPV。对于不同工作场所电弧服的选择是基于对工作现场的危害评级。最后文章总结了电弧防护服性能影响因素的研究，包括电弧防护性、热湿舒适性和作业适应性。未来的电弧防护服的开发会朝向更安全、低成本、更舒适的方向进行。

关键词电弧防护服防护性能测试方法影响因素

0引言

过去人们对电力工人作业的电安全防护主要集中在对于电击伤的预防。目前对于电击伤的防护主要是通过绝缘手套、绝缘袖套、绝缘毯、绝缘鞋等防护装备达到防护目的。值得注意的是，除电击伤害外，大量严重的电力事故与短路和开关电路时产生的电弧有关。从20世纪80年代起，电弧危害区别于电击伤害，作为一种独立的灾害逐渐引起重视，各国开始进行电弧防护的研究并制定相关标准。

1电弧伤害种类及机理

电危害的3种主要形式即为电击伤、电弧闪光和电弧爆炸。电弧的危害表现在当电流经过未接地的导体之间或经过未接地导体与接地导体之间的空气时，温度会达到19426 ℃，高温会直接烧伤皮肤或引燃服装。同时高温还会引起环境中气体和金属的爆炸性扩张，由此会产生强大的作用力、噪声、金属碎片或熔融液滴。金属熔融液滴的喷射速度超过1 600 km/h，足以渗透到人体。其中，电弧所引起的对人体的危害主要是热伤害[1]。图1所示为国际社会保障协会(ISSA)发布的电弧烧伤的分布频率图[2]。可以看到大部分工人没有进行适当的手部和面部防护，同时尽管躯干部分的烧伤频率相对较低，但这些烧伤可能带来致命的危害。

图1　电弧热伤害分布图

2电弧防护服标准发展

19世纪80、90年代，杜克能源公司和阿莫林公司内部开始了对电弧防护服的研究。美国职业安全和健康署(OSHA)利用杜克公司早期的研究成果发布了OSHA标准，与此同时，90年代中期美国材料试验协会(ASTM)发布了电弧测试方法，引发了众多国家对电弧防护服的研究。1995年，美国国家防火协会(NFPA)70E确定了电弧伤害边界，美国国家电气安全规范(NESC)中增加了电安全的相关要求。OSHA 1 910.269，NFPA 70E，NESC以及加拿大标准协会(CSA) Z462中均规定了电弧防护服的相关要求。巴西、秘鲁、俄罗斯、南非、新西兰、澳大利亚以及我国也正在制定电弧防护服的相关法规。目前我国已发布了《个人电弧防护用品通用技术要求》(DL/T 320—2010)。而针对目前国际上选择电弧个体防护装备的统一标准仍然缺失的问题，ISSA最新修订的《暴露于故障电弧热影响下的个体防护装备选择指南》提供了统一的解决方案，总结了电弧危害、电弧测试标准和个体防护装备要求。

3电弧防护性能测试及服装选择

3.1电弧防护性能评价指标

同时，电弧防破裂值EBT(Breakopen Threshold Energy)也是作为电弧防护性能的一个评价指标，定义为入射到材料或材料系统上，有50%可能性导致试样破裂的能量值。多数情况下，服装材料的EBT值要高于其ATPV值。但仍存在一些材料的EBT值要低于ATPV值，甚至无法测出ATPV值。这些材料的电弧防护性能就需用其EBT值来表征。

3.2电弧防护性能测试方法

目前对于电弧防护性能的测试有2种已标准化的方法。第一种为开弧测试法，该方法是基于中压系统的电路中引发的开放式电弧，通过测量入射能来对电弧防护性能进行评定，即对ATPV和EBT两个指标的值进行测定。这种测试方法所采用的电弧也称辐射电弧，大部分能量以紫外光、红外光和可见光的形式进行辐射，只包含一小部分对流[3]。由于开弧测试方法较成熟且可重复性好，因此该方法是国际上的通用方法。

第二种为盒式测试法，该方法将防护等级划分为两个级别，基于给定的实验条件测试防护性能是否达到某一个电弧防护等级。这种测试方法的电弧热暴露中，除了辐射影响外，还很大程度上受对流和电极的影响，用以模拟样品暴露于盒式电弧的情况下，即磁力和设备外壳将电弧从开路、开关装置或电机控制中心等开口部位推出[3]。盒式测试方法适用于封闭系统，尤其是低压电力设备。

这2种测试方法的共同点在于都是通过测量入射能以及基于stoll曲线来评估二级烧伤。但这两种测试方法采用的是不同的测试装置、电弧配置和类型、测试参数、测试步骤和结果参数，所形成的热暴露和热传递不同，测试结果并不能进行物理上的比较以及数学上的转换。有研究[1]试图建立了两种测试方法结果之间的经验关系，研究结果表明，盒式测试中的防护等级2级通常与ATPV>125.6 J/cm2等价，防护等级1级与ATPV值4到30等价，盒式测试等级覆盖了大部分的ATPV范围。

3.3电弧防护性能测试的研究进展

实践发现，在运用以上2种测试方法选择电弧防护服时，电力工人仍会出现严重烧伤。经过研究表明[4]，还存在另外两种类型的电弧：喷射电弧和“追踪”电弧。有研究[3]对该4种类型的电弧进行了模拟，通过着装假人研究了暴露于不同类型电弧下服装的状态。喷射电弧多发生在电力线的终端或有电极伸出的设备中。由于它会直接击中工人并迅速毁坏防护服，因此是最危险的一类电弧，如图2所示。ASTM F18正在考虑为这种类型的电弧提出相应的测试方法。“追踪”电弧大部分发生在4 160 V及以上的高压电力线或变电站的情况下。在这种情况下，电弧会在衣下空间产生，通常是经由人体或服装中的汗液进行传导。由图3可以看到，在10 ms时，电弧沿着手—胸部—手路径从服装中爆破出来。

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4 ms　　　11 ms　　　31 ms　　　120 ms后

1 ms　　　2 ms　　　4 ms　　　10 ms

3.4电弧防护服选择

图4所示为电弧事故调查中对烧伤案例的分析。对电弧事故的调查表明，2/3的工人发生烧伤的原因是选择电弧防护装备时未首先进行灾害评估，说明了作业前通过灾害评级进行防护服选择的重要性。

图4　电弧烧伤案例调查分析

目前，电危害分为四级。NFPA 70E中规定在一、二级危害中穿着日常工作服，包括防电弧长袖衬衫和防电弧长裤或者防电弧连身衣裤，最小电弧防护值为33.5 J/m2；在三、四级危害中穿着防电弧套装，包括防电弧衬衫和长裤、防电弧连体衣裤、防电弧外套和长裤，套装中服装可根据需要进行选择，但需保证服装系统的最小电弧防护值达到167.5 J/m2。内层贴身穿着的服装不应采用醋酸纤维、聚酰胺纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚氨基甲酸酯纤维等熔融纤维，避免高温造成纤维融化，对人体造成烫伤。《个人电弧防护用品通用技术要求》(DL/T 320—2010)对各级危害所需电弧防护服的防护值进行规定，未针对各级别规定具体穿着服装。此外，在ASTM F1891中规定了满足电弧防护的雨衣的相关要求，欧盟 (EU) EN471提出了高可视性的电弧服装，用于在道路上和移动的工作区域中作业的工人。目前有研究人员通过开发相关软件来计算确定工作区域所需电弧防护装备的防护等级[5]。

另外，在选择电弧防护服装时还应考虑覆盖性、合体性等因素。需对所有可燃着的服装部位和可能受到电弧伤害的身体部位进行遮盖，袖口在腕部应收紧，领口在颈部也应封闭；应选择较宽松的服装，这是由于空气层的存在，宽松的服装可以提供一定的热阻，但服装不应由于宽松而影响作业活动。

4电弧防护服性能影响因素研究

电弧防护服的性能要求除了必须满足的电弧防护性能外，还包括服装的热湿舒适性、作业适应性等要求。

4.1附着物对服装防护性能的影响

通常电弧防护服性能的测试是在新服装或已洗涤过后的服装上进行。而日常工作会使服装被污染物玷污，因此有学者[6]研究了潮湿污染物、导电和非导电性粉尘及易燃液体等几类污染物及污染物组合对电弧防护性能的影响。研究表明，汗液等潮湿的污染物会降低防护服的防护性能，但能有效避免阻燃材料燃烧。潮湿的非阻燃服装仍会被引燃，同时更可能引起亚种的热烧伤。

相关学者[3]后续又研究了材料中水分(汗液)对暴露于电弧下多层服装系统性能的影响。研究发现，随着服装湿度的增加，EBT值即防破裂水平上升，但ATPV值也即防烧伤能力下降，原因可能是水分增加了热导率。同时，尽管电弧量级有所降低，但材料在早期硫化前可以承受更多的能量。

4.2电弧形式和距离对服装防护性能的影响

不同形式的电弧电极会导致电极之间电弧电流不同的电磁作用，从而引起不同的电弧现象。有学者[4]通过对垂直开弧、垂直盒式电弧以及水平平行放置开放喷射电弧进行研究，研究了针对每种形式的电弧，电弧电极和测试衬衫之间距离固定的情况下不同的电弧电流水平以及对于同一电弧电流水平，变化的电弧电极与测试衬衫之间的距离对棉衬衫点火阈值的影响。

研究表明，点火阈值对不同的电磁作用有显著的依赖性。喷射电弧相对于其它形式的电弧，更容易发生着火现象而且着火速度更快；在越高的电弧电流下，着火时间越低于人可以进行移动的反应时间。当着装人体暴露于喷射电弧时，所需的电弧边界距离要大于由NFPA 70E以及美国电气和电子工程师协会IEEE 1584中所计算的水平，这表明在风险分析中需要考虑不同的电弧形式。研究人员还基于棉衬衫点火阈值的比较，建立了不同电弧形式之间的关系。

4.3影响电弧防护服热湿舒适性因素

对于电力作业工人，除电弧带来的热危害以外，还会面临夏季野外等高温环境、高强度作业所带来的人体大量产热。有研究[7]就高温(23.9～46.1 ℃)和低相对湿度(8%～37%)的环境条件下对电力线路工人作业时的热应力和应变进行了评估研究。研究人员详细记录了任务类型、努力程度及动作姿势等信息，并将所有任务分为9类进行分析。研究结果显示，挖掘任务体力消耗最大，人体平均代谢速率最大，热应力和热应变也最大；在所调查的电力员工中，电缆工和学徒线路工两类工种作业人员表现出最大的热应激。该研究的方法和结果对改善电力工人作业服热湿舒适性有一定的指导意义。

有研究人员[8]针对电力工人作业时的热压力设计了透湿通风的防电弧衬衫，在保证电弧防护性能的前提下，通过在服装上设计通风口以增大对流散热和蒸发散热。如图5所示，在衬衫后背部设计开口式的披肩以增大热散失。

图5　透湿通风的防电弧衬衫背部设计

4.4影响电弧防护服作业适应性因素

关于电力系统野外作业服的设计[9]对户外、高空作业的电弧防护服的开发具有一定的价值。研究指出，野外作业不带电，运动量大，但长期以来野外作业服与电力系统其它岗位的劳保服没有大的区别。研究者提出提高服装的视觉识别程度及防风性是野外作业服的设计重点，并针对身体活动范围大、劳动强度大的特点着重细部结构的功能设计，如增大胸围量适应剧烈的户外运动，后肩育克部位设计褶裥以满足肩背部的大范围活动，可装卸式多功能裤袋适时减轻运动强度，膝部断缝、内绱护膝增强服装的耐磨性等。在面料选择上，提出应考虑到材料的耐光性、透气性，认为可选用防水透湿、吸汗快干、耐磨易洗涤的腈棉织物。

5结语

本文对电力行业电弧防护服的研究发展历程进行了回顾，包括电弧危害的产生机制，电弧防护服相关标准的制定，电弧防护性能的测试、相应指标及电弧服的选择，最后总结了影响电弧防护服性能的因素。目前的电弧防护服主要是针对热危害，未来需要将其它的电弧危害，如紫外辐射、金属碎片撞击等纳入到防护因素中。同时，在现行的标准中仍有一些性能评估和装备选择等重要问题尚未解决，包括在洗涤之后、穿着条件下以及有污染物的状态下电弧防护性能的稳健性，如模拟热液体，即研究有温度

的汗液对电弧服防护性能的影响，防护服的舒适性、热压力以及如何选择内衣物等问题。未来的电弧防护服的开发会朝向更安全、低成本、更舒适的方向进行。

参考文献

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[9]练小丽. 电力系统工装设计开发----论华北地区电力工装色彩与款式设计[D]. 天津: 天津工业大学, 2001.

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)

通讯作者管曼好，女，1992年生，博士研究生，主要研究方向为服装舒适性与功能。

作者简介李红彦，男，1983年生，硕士研究生，主要研究方向为环境卫生与职业卫生学。

*基金项目：中央高校基本科研业务费专项基金(14D110715/17/18)。