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40。 電力

章節編輯:  多米尼克·福利奧特

 


 

目錄 

數字和表格

電——生理效應
多米尼克·福利奧特

靜電
克勞德·門吉

預防和標準
倫佐科米尼

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1. 1988 年觸電率的估計
2. 靜電學中的基本關係-方程組
3. 所選聚合物的電子親和力
4. 典型的可燃性下限
5. 與特定工業運營相關的特定費用
6. 對靜電放電敏感的設備示例

人物

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星期一,二月28 2011 19:19

電生理效應

研究電氣事故的危害、電生理學和預防需要了解幾個技術和醫學概念。

以下電生物學術語的定義摘自國際電工詞彙(電生物學)(國際電工委員會)(IEC)(891)的第 1979 章。

An 電擊 是由外部電流直接或間接通過身體引起的生理病理學效應。 它包括直接和間接接觸以及單極和雙極電流。

據說遭受電擊的個人——活著的或死去的——都遭受了 電氣化; 期限 電刑 應保留用於隨後死亡的情況。 雷擊 是由閃電引起的致命電擊 (Gourbiere et al. 1994)。

國際勞工組織 (ILO)、歐盟 (EU)、 國際能源生產商和分銷商聯盟 (UNIPEDE)、國際社會保障協會 (ISSA) 和國際電工委員會 TC64 委員會。 各國數據收集技術、保險政策和致命事故定義的差異阻礙了對這些統計數據的解釋。 然而,以下對觸電率的估計是可能的(表 1)。

表 1. 觸電率估計 - 1988 年

 

觸電
每百萬居民

Total
死亡

美國*

2.9

714

France

2.0

115

Germany

1.6

99

奧地利

0.9

11

日本

0.9

112

Sweden

0.6

13

 

* 根據美國國家消防協會(美國馬薩諸塞州)的數據,這些美國統計數據更多地反映了廣泛的數據收集和法律報告要求,而不是更危險的環境。 美國的統計數據包括因接觸公用事業輸電系統和消費品引起的觸電死亡。 1988 年,消費品導致 290 人死亡(每百萬居民中有 1.2 人死亡)。 1993 年,各種原因導致的觸電死亡人數下降到 550 人(每百萬居民中有 2.1 人死亡); 38% 與消費品相關(每百萬居民 0.8 人死亡)。

 

觸電死亡的數量正在緩慢減少,無論是絕對數量還是更引人注目的是,作為電力總消耗的函數。 大約一半的電氣事故源於職業,另一半發生在家中和休閒活動中。 據統計,在法國,1968 年至 1991 年間的平均死亡人數為每年 151 人。 國家健康與醫學研究所 (插入)。

電氣化的物理和病理生理學基礎

電氣專家將電氣接觸分為兩組:直接接觸,涉及與帶電部件的接觸,以及間接接觸,涉及接地接觸。 每一種都需要完全不同的預防措施。

從醫學的角度來看,電流通過身體的路徑是預後和治療的關鍵決定因素。 例如,兒童的嘴與延長線插頭的雙極接觸會導致極其嚴重的口腔灼傷——但如果兒童與地面絕緣良好,則不會導致死亡。

在高壓很常見的職業環境中,攜帶高壓的有源組件與靠得太近的工人之間也可能產生電弧。 特定的工作環境也會影響電氣事故的後果:例如,工人可能會跌倒或在受到其他相對無害的電擊時做出不當行為。

電氣事故可能由工作場所存在的整個電壓範圍引起。 每個工業部門都有自己的一組條件,能夠導致直接、間接、單極、雙極、電弧或感應接觸,並最終導致事故。 雖然描述所有涉及電力的人類活動當然超出了本文的範圍,但提醒讀者以下主要類型的電氣工作是有用的,這些工作已成為第預防:

  1. 涉及帶電工作的活動(極其嚴格的協議的應用已成功減少此類工作中的電氣化次數)
  2. 涉及在無動力電線上工作的活動,以及
  3. 在帶電電線附近進行的活動(這些活動最需要注意,因為它們通常由非電工人員進行)。

 

病理生理學

焦耳直流定律的所有變量——

W=V x I x t = RI2t

(電流產生的熱量與電阻和電流的平方成正比)——兩者密切相關。 在交流電的情況下,還必須考慮頻率的影響 (Folliot 1982)。

生物體是電導體。 當生物體內的兩點之間存在電位差時,就會發生帶電。 重要的是要強調,電氣事故的危險不僅僅來自於接觸帶電導體,而是來自同時接觸帶電導體和處於不同電位的另一個物體。

電流路徑上的組織和器官可能會受到功能性運動刺激,在某些情況下是不可逆的,或者可能會遭受暫時或永久性傷害,通常是由於燒傷。 這些傷害的程度取決於釋放的能量或通過它們的電量。 因此,電流的傳輸時間對於確定損傷程度至關重要。 (例如,電鰻和鰩魚會產生極不愉快的放電,能夠導致意識喪失。然而,儘管電壓為 600V,電流約為 1A,主體電阻約為 600 歐姆,但這些魚無法誘發意識喪失。致死電擊,因為放電持續時間太短,大約為幾十微秒。)因此,在高電壓(>1,000V)下,死亡通常是由於燒傷的程度。 在較低的電壓下,死亡是電量的函數(問=我 x t), 到達心臟, 由接觸點的類型、位置和麵積決定。

以下各節討論了電氣事故導致的死亡機制、最有效的即時治療方法以及決定傷害嚴重程度的因素——即電阻、強度、電壓、頻率和波形。

工業電氣事故的死亡原因

在極少數情況下,窒息可能是死亡原因。 這可能是由於長時間的隔膜破傷風、與頭部接觸時呼吸中樞受到抑制,或者非常高的電流密度,例如雷擊造成的 (Gourbiere et al. 1994)。 如果可以在三分鐘內提供護理,受害人可能會通過幾口口對口人工呼吸而甦醒。

另一方面,繼發於心室顫動的外周循環衰竭仍然是主要的死亡原因。 這總是在沒有同時進行心臟按摩和口對口人工呼吸的情況下發生。 這些應該教給所有電工的干預措施應該保持到緊急醫療救助到達為止,這幾乎總是需要三分鐘以上。 世界各地的許多電病理學家和工程師研究了心室顫動的原因,以設計更好的被動或主動保護措施(國際電工委員會 1987;1994)。 心肌的隨機去同步化需要特定頻率、強度和傳輸時間的持續電流。 最重要的是,電信號必須在所謂的 心動週期的脆弱期, 對應於心電圖 T 波的開始。

國際電工委員會(1987 年;1994 年)製作了曲線,描述了電流強度和傳輸時間對身體顫動概率(以百分比表示)和體重 70 公斤的健康男性的手足電流路徑的影響。 這些工具適用於 15 至 100 Hz 頻率範圍內的工業電流,目前正在研究更高的頻率。 對於小於 10 毫秒的渡越時間,電信號曲線下的面積是電能的合理近似值。

各種電氣參數的作用

電參數(電流、電壓、電阻、時間、頻率)和波形中的每一個都是傷害的重要決定因素,無論是就其本身而言還是由於它們的相互作用。

已經為交流電以及上面定義的其他條件建立了電流閾值。 帶電過程中的電流強度是未知的,因為它是接觸時組織電阻的函數 (I = V/R), 但通常在大約 1 mA 的水平上是可察覺的。 相對較低的電流會導致肌肉收縮,從而阻止受害者鬆開通電物體。 該電流的閾值是凝結度、接觸面積、接觸壓力和個體差異的函數。 幾乎所有男人以及幾乎所有女人和兒童都可以在高達 6 mA 的電流下放手。 在 10 mA 時,觀察到 98.5% 的男性和 60% 的女性以及 7.5% 的兒童可以放手。 只有 7.5% 的男性,沒有女性或兒童可以在 20mA 時放手。 沒有人可以在 30mA 或更大時放手。

大約 25 mA 的電流可能會導致最強大的呼吸肌隔膜出現破傷風。 如果接觸持續三分鐘,心臟驟停也可能隨之而來。

心室顫動在大約 45 mA 的水平下成為一種危險,成人在接觸 5 秒後的概率為 5%。 在心臟手術期間,不可否認的是一種特殊情況,電流為 20 至 100 × 10 - 6直接應用於心肌就足以誘發纖維性顫動。 這種心肌敏感性是對電子醫療設備應用嚴格標準的原因。

所有其他事情(V, R,頻率)相等,電流閾值還取決於波形、動物種類、重量、心臟中的電流方向、電流傳輸時間與心動週期的比率、電流到達的心動週期中的點,以及個人因素。

事故涉及的電壓是眾所周知的。 在直接接觸的情況下,心室顫動和燒傷的嚴重程度與電壓成正比,因為

V = RI W = V x I x t

高壓電擊引起的燒傷與許多並發症有關,其中只有一些是可以預測的。 因此,事故受害者必須由知識淵博的專家來照顧。 熱量釋放主要發生在肌肉和神經血管束中。 組織損傷後的血漿滲漏會導致休克,在某些情況下會迅速而劇烈。 對於給定的表面積,電熱灼傷(由電流引起的灼傷)總是比其他類型的灼傷更嚴重。 電熱燒傷既有外部燒傷又有內部燒傷,雖然最初可能不明顯,但會引起血管損傷並產生嚴重的繼發性影響。 這些包括內部狹窄和血栓,由於它們引起的壞死,通常需要截肢。

組織破壞還導致肌紅蛋白等色素蛋白的釋放。 在擠壓傷的受害者中也觀察到這種釋放,儘管在高壓燒傷的受害者中釋放的程度非常顯著。 繼發於缺氧和高鉀血症引起的酸中毒的腎小管中的肌紅蛋白沉澱被認為是無尿的原因。 該理論經實驗證實但未被普遍接受,是建議立即鹼化治療的基礎。 推薦的做法是靜脈內鹼化,這也可以糾正繼發於細胞死亡的低血容量和酸中毒。

在間接接觸的情況下,接觸電壓 (五) 和傳統的電壓限制也必須考慮在內。

接觸電壓是人同時接觸由於絕緣不良而存在電壓差的兩個導體時所承受的電壓。 產生的電流強度取決於人體和外部電路的電阻。 不應允許該電流上升到安全水平以上,也就是說它必須符合安全時間-電流曲線。 在不引起電病理效應的情況下可以無限期耐受的最高接觸電壓稱為 常規電壓限制 或者,更直觀地, 安全電壓。

電氣事故期間電阻的實際值是未知的。 串聯電阻的變化——例如,衣服和鞋子——可以解釋在表面上類似的電氣事故中觀察到的大部分變化,但對涉及雙極接觸和高壓電氣化的事故結果影響很小。 在涉及交流電的情況下,電容和電感現象的影響必須添加到基於電壓和電流的標準計算中 (R=V/I).

人體的電阻是皮膚電阻的總和 (R) 在兩個接觸點和身體的內阻 (R). 皮膚電阻隨環境因素而變化,正如 Biegelmeir(國際電工委員會 1987 年;1994 年)指出的那樣,皮膚電阻部分是接觸電壓的函數。 壓力、接觸面積、接觸點的皮膚狀態以及個體因素等其他因素也會影響阻力。 因此,試圖根據皮膚抵抗力的估計來採取預防措施是不現實的。 相反,預防應該基於使設備和程序適應人類,而不是相反。 為了簡化問題,IEC 定義了四種類型的環境——乾燥、潮濕、濕潤和浸泡——並定義了對每種情況下的預防活動規劃有用的參數。

導致電氣事故的電信號的頻率是眾所周知的。 在歐洲,它幾乎總是 50 赫茲,而在美洲,它通常是 60 赫茲。 在極少數涉及德國、奧地利和瑞士等國家的鐵路的情況下,它可能是 16 2/3 赫茲,理論上代表強直發作和心室顫動的更大風險的頻率。 應該記住,顫動不是肌肉反應,而是由重複刺激引起的,最大靈敏度約為 10 Hz。 這解釋了為什麼對於給定電壓,極低頻交流電在燒傷以外的其他影響方面被認為比直流電危險三到五倍。

前面描述的閾值與電流頻率成正比。 因此,在 10 kHz 時,檢測閾值高十倍。 IEC 正在研究針對 1,000 Hz 以上頻率修訂的纖顫危險曲線(International Electrotechnical Commission 1994)。

超過一定頻率後,控制電流滲入人體的物理定律就會完全改變。 與釋放能量相關的熱效應成為主要效應,因為電容和電感現像開始占主導地位。

導致電氣事故的電信號的波形通常是已知的。 在涉及接觸電容器或半導體的事故中,它可能是傷害的重要決定因素。

觸電臨床研究

傳統上,電氣化分為低電壓(50 至 1,000 V)和高電壓(>1,000 V)電壓事件。

低電壓是一種熟悉的、實際上無處不在的危險和衝擊,因為它在家庭、休閒、農業和醫院環境以及工業中都會遇到。

回顧低壓觸電的範圍,從最輕微到最嚴重,我們必須從不復雜的觸電開始。 在這些情況下,受害者能夠自行擺脫傷害,保持意識並保持正常通風。 心臟影響僅限於伴有或不伴有輕微心電圖異常的單純竇性心動過速。 儘管此類事故的後果相對較小,但心電圖檢查仍然是一種適當的醫療和醫療法律預防措施。 這些潛在的嚴重事件的技術調查被認為是對臨床檢查的補充(Gilet 和 Choquet 1990)。

涉及更強和更持久的電接觸電擊的電擊受害者可能會感到不安或失去知覺,但或多或​​少會很快完全恢復; 治療加速康復。 檢查通常會發現神經肌肉張力亢進、高反射通氣問題和充血,最後一種情況通常繼發於口咽阻塞。 心血管疾病繼發於缺氧或缺氧,或者可能表現為心動過速、高血壓,在某些情況下甚至會出現梗塞。 患有這些疾病的患者需要住院治療。

偶爾會在接觸後幾秒鐘內失去知覺的受害者出現蒼白或紫紺、停止呼吸、幾乎無法察覺脈搏並表現出急性腦損傷的瞳孔散大。 雖然通常是由於心室顫動,但這種明顯死亡的確切發病機制是無關緊要的。 重要的一點是迅速開始明確的治療,因為一段時間以來人們就知道這種臨床狀態永遠不會導致實際死亡。 這些電擊病例的預後——完全康復是可能的——取決於急救的速度和質量。 據統計,這很可能由非醫務人員執行,因此需要對所有電工進行基本干預培訓,以確保生存。

在明顯死亡的情況下,必須優先進行緊急治療。 然而,在其他情況下,必須注意暴力破傷風、跌倒或受害人從空中投射造成的多重創傷。 一旦危及生命的直接危險得到解決,就應處理創傷和燒傷,包括由低壓接觸引起的創傷和燒傷。

涉及高壓的事故會導致嚴重的燒傷,就像低壓事故所描述的那樣。 電能向熱的轉換發生在內部和外部。 在電力公司 EDF-GDF 的醫療部門對法國電力事故進行的一項研究中,幾乎 80% 的受害者被燒傷。 這些可以分為四組:

  1. 電弧燒傷,通常涉及裸露的皮膚,在某些情況下並發於燃燒的衣服造成的燒傷
  2. 由高壓接觸引起的多處、廣泛和深度的電熱灼傷
  3. 經典燒傷,由燃燒的衣服和燃燒物質的噴射引起,以及
  4. 混合燒傷,由電弧、燃燒和電流引起。

 

根據事故的具體情況,按要求進行後續和補充檢查。 用於建立預後或用於醫學法律目的的策略當然取決於觀察到的或預期的並發症的性質。 在高壓電氣化 (Folliot 1982) 和雷擊 (Gourbiere et al. 1994) 中,酶學以及色素蛋白和凝血參數的分析是必不可少的。

電擊傷的恢復過程很可能會受到早期或晚期並發症的影響,尤其是那些涉及心血管、神經和腎臟系統的並發症。 這些並發症本身就足以讓高壓電受害者住院治療。 一些並發症可能會留下功能或美容後遺症。

如果電流路徑使得大量電流到達心臟,就會出現心血管並發症。 在存在或不存在臨床相關性的情況下,最常觀察到的和最良性的這些是功能障礙。 心律失常——竇性心動過速、期前收縮、撲動和房顫(按此順序)——是最常見的心電圖異常,可能會留下永久性後遺症。 傳導障礙更為罕見,並且在沒有既往心電圖的情況下很難與觸電事故相關聯。

心力衰竭、瓣膜損傷和心肌燒傷等更嚴重的疾病也有報導,但即使在高壓事故的受害者中也很少見。 明確的心絞痛甚至梗死病例也有報導。

在高壓電化後的一周內可能會觀察到外周血管損傷。 已經提出了幾種致病機制:動脈痙攣、電流對血管中層和肌肉層的作用以及血液凝固參數的改變。

可能會出現多種神經系統並發症。 最早出現的是中風,無論受害者最初是否經歷過意識喪失。 這些並發症的生理病理學涉及顱外傷(應確定其存在)、電流對頭部的直接影響或腦血流的改變和遲發性腦水腫的誘發。 此外,外傷或電流的直接作用可能導致髓質和繼發性外周並發症。

感覺障礙涉及眼睛和聽覺前庭或耳蝸系統。 重要的是盡快檢查角膜、晶狀體和眼底,並跟踪電弧和直接頭部接觸的受害者以了解延遲影響。 白內障可能會在幾個月的無症狀期後發展。 前庭功能紊亂和聽力損失主要是由於爆炸效應以及通過電話線傳輸的雷擊受害者的電擊創傷(Gourbiere 等人,1994 年)。

移動急救實踐的改進大大降低了高壓電受害者腎臟並發症的發生率,尤其是少尿症。 早期和仔細的補液和靜脈內鹼化是嚴重燒傷患者的首選治療方法。 已經報導了一些蛋白尿和持續性鏡下血尿的病例。

臨床肖像和診斷問題

電擊的臨床特徵因電的工業應用的多樣性以及電的醫療應用的頻率和種類的增加而變得複雜。 然而,長期以來,電氣事故完全是由雷擊引起的 (Gourbiere et al. 1994)。 雷擊可能涉及相當大的電量:三分之一的雷擊受害者死亡。 雷擊的影響(燒傷和明顯的死亡)與工業用電造成的影響相當,可歸因於電擊、電能轉化為熱能、爆炸效應和閃電的電氣特性。

雷擊在男性中的發生率是女性的三倍。 這反映了不同雷電風險的工作模式。

接觸電手術刀的接地金屬表面導致的燒傷是在醫源性電氣化受害者中觀察到的最常見的影響。 電子醫療設備中可接受的漏電流大小因設備而異。 至少,應遵循製造商的規格和使用建議。

作為本節的總結,我們想討論涉及孕婦的電擊特例。 這可能導致孕婦、胎兒或兩者死亡。 在一個值得注意的案例中,一個活胎兒在其母親因 15 V 電擊觸電死亡後 220 分鐘成功通過剖腹產分娩(Folliot 1982)。

電擊致流產的病理生理機制有待進一步研究。 它是由受電壓梯度影響的胚胎心臟管中的傳導障礙引起的,還是由繼發於血管收縮的胎盤撕裂引起的?

像這種幸好罕見的電氣事故的發生是要求通知所有因電引起的傷害案例的另一個原因。

陽性和法醫診斷

發生電擊的情況通常足夠清楚,可以進行明確的病因學診斷。 然而,情況並非總是如此,即使在工業環境中也是如此。

電擊後循環衰竭的診斷極其重要,因為它要求旁觀者在電流被切斷後立即開始基本的急救。 沒有脈搏的呼吸停止是開始心臟按摩和口對口人工呼吸的絕對指徵。 以前,這些僅在出現瞳孔散大(瞳孔擴大)時執行,這是急性腦損傷的診斷標誌。 然而,目前的做法是一旦不再檢測到脈搏就開始這些干預。

由於心室顫動導致的意識喪失可能需要幾秒鐘的時間才能發展,因此受害者可以遠離導致事故的設備。 這可能具有一定的醫學法律意義——例如,當發現一名事故受害者距離配電櫃或其他電壓源數米而沒有電擊痕跡時。

不能過分強調沒有電灼傷並不排除觸電的可能性。 如果在電氣環境中或能夠產生危險電壓的設備附近發現受試者的屍檢顯示沒有明顯的 Jelinek 損傷並且沒有明顯的死亡跡象,則應考慮觸電。

如果在室外發現屍體,則通過排除法診斷為雷擊。 應在身體周圍 50 米半徑範圍內尋找雷擊跡象。 維也納電病理學博物館 (Museum of Electropathology of Vienna) 舉辦了一場引人注目的此類標誌展覽,包括碳化植被和玻璃化沙子。 受害者佩戴的金屬物品可能會熔化。

儘管通過電氣方式自殺在行業中仍然很少見,但由於共同疏忽導致的死亡仍然是一個可悲的現實。 在非標準場地尤其如此,尤其是那些涉及在苛刻條件下安裝和運行臨時電氣設施的場地。

考慮到“預防和標準”一文中描述的有效預防措施的可用性,電氣事故理應不再發生。

 

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星期一,二月28 2011 19:25

靜電

所有材料的不同之處在於電荷可以通過它們的程度。 導體 讓電荷流動,同時 絕緣體 阻礙指控的動議。 靜電學是專門研究電荷或靜止帶電體的領域。 靜電 當不動的電荷在物體上累積時會產生這種結果。 如果電荷流動,就會產生電流,電流就不再是靜止的。 移動電荷產生的電流通常被外行稱為電,本章的其他文章將對此進行討論。 靜電 是用於指定導致正電荷和負電荷分離的任何過程的術語。 傳導是用稱為 電導率, 而絕緣體的特點是 電阻率. 導致帶電的電荷分離可能是機械過程的結果——例如,物體之間的接觸和摩擦,或兩個表面的碰撞。 表面可以是兩個固體或一個固體和一個液體。 不太常見的是,機械過程可以是固體或液體表面的破裂或分離。 本文重點介紹接觸和摩擦。

電氣化過程

摩擦產生靜電的現象(摩擦起電)已為人所知數千年。 兩種材料之間的接觸足以引起帶電。 摩擦只是一種增加接觸面積並產生熱量的相互作用——摩擦 是描述兩個接觸物體運動的總稱; 施加的壓力、其剪切速度和產生的熱量是摩擦產生的電荷的主要決定因素。 有時摩擦也會導致固體顆粒的撕裂。

當接觸的兩個固體是金屬(金屬-金屬接觸)時,電子會從一個固體遷移到另一個固體。 每種金屬都具有不同的初始電勢(費米電勢),自然界總是朝著平衡方向發展——也就是說,自然現象會消除電勢的差異。 這種電子遷移導致接觸電勢的產生。 因為金屬中的電荷流動性很強(金屬是極好的導體),所以電荷甚至會在兩種金屬分離之前的最後一個接觸點重新結合。 因此,不可能通過將兩種金屬放在一起然後將它們分開來引起起電。 電荷將始終流動以消除電位差。

金屬 絕緣子 在真空中幾乎無摩擦接觸,金屬中電子的能級接近絕緣體的能級。 表面或大量雜質會導致這種情況發生,並且還會在分離時防止電弧(兩個帶電體 - 電極之間的放電)。 轉移到絕緣體的電荷與金屬的電子親和力成正比,每個絕緣體也具有與之相關的電子親和力或電子吸引力。 因此,正離子或負離子從絕緣體轉移到金屬也是可能的。 表 1 中的等式 1 描述了接觸和分離後表面上的電荷。


表 1. 靜電學中的基本關係 - 方程組

公式 1:通過金屬和絕緣體接觸充電

一般來說,表面電荷密度() 接觸和分離之後 

可以表示為:

哪裡

e 是電子的電荷
NE 是絕緣體表面的能態密度
fi 是絕緣體的電子親和力,並且
fm 是金屬的電子親和力

公式 2:兩個絕緣體接觸後充電

以下等式 1 的一般形式適用於電荷轉移
在具有不同能量狀態的兩個絕緣體之間(僅限完全清潔的表面):

哪裡 NE1NE2 是兩個絕緣體表面的能態密度, 

 Ø1Ø 2 是兩個絕緣體的電子親和力。

公式 3:最大表面電荷密度

介電強度(EG) 周圍氣體的電荷上限
可能在平坦的絕緣表面上產生。 在空氣中, EG 約為 3 MV/m。
最大表面電荷密度由下式給出:

方程式 4:球形粒子的最大電荷

當名義上的球形顆粒因電暈效應而帶電時,最大
每個粒子可以獲得的電荷由 Pauthenier 的極限給出:

哪裡

q最大 是最大費用
a 是粒子半徑
eI 是相對介電常數和

方程式 5:導體放電

帶電荷的絕緣導體的電勢 Q 是(誰)給的 V = Q/C
儲存的能量:

公式 6:帶電導體電勢的時間過程

在由恆定電流充電的導體中(IG), 的時間過程
潛力描述為:

哪裡 Rf 是導體的漏電阻

公式 7:帶電導體的最終電位

對於長時間的課程, t >Rf C,這減少到:

存儲的能量由下式給出:

公式 8:帶電導體的儲能


當兩個絕緣體接觸時,由於其表面能的不同狀態,會發生電荷轉移(方程式 2,表 1)。 轉移到絕緣體表面的電荷可以在材料內部更深地遷移。 濕度和表面污染可以極大地改變電荷的行為。 特別是表面濕度通過增加表面傳導來增加表面能態密度,這有利於電荷複合,並促進離子遷移。 大多數人會從他們的日常生活經歷中認識到這一點,因為他們在乾燥條件下往往會受到靜電的影響。 一些聚合物(塑料)的含水量會隨著充電而變化。 水含量的增加或減少甚至可能會反轉電荷流的方向(其極性)。

相互接觸的兩個絕緣體的極性(相對正性和負性)取決於每種材料的電子親和力。 絕緣體可以按其電子親和力排名,表 2 中列出了一些說明性​​值。絕緣體的電子親和力是預防計劃的重要考慮因素,本文稍後將對此進行討論。

表 2. 所選聚合物的電子親和力*

收費

材料

電子親和力 (EV)

-

PVC(聚氯乙烯)

4.85

 

聚酰胺

4.36

 

聚碳酸酯

4.26

 

PTFE(聚四氟乙烯)

4.26

 

PETP(聚對苯二甲酸乙二醇酯)

4.25

 

聚苯乙烯

4.22

+

聚酰胺

4.08

* 一種材料與上面列出的材料接觸時會帶正電荷,當它與下面列出的材料接觸時會帶負電荷。 然而,絕緣體的電子親和力是多因素的。

 

儘管已經嘗試建立一個摩擦電系列來對材料進行排序,以便那些在與材料接觸時獲得正電荷的材料在該系列中比那些在接觸時獲得負電荷的材料更高,但尚未建立普遍認可的系列。

當固體和液體相遇(形成 固液界面), 由於液體中存在的離子遷移而發生電荷轉移。 這些離子來自可能存在的雜質的離解或電化學氧化還原反應。 由於在實踐中不存在完全純淨的液體,因此液體中總會有至少一些正離子和負離子可與液-固界面結合。 發生這種結合的機制有很多種(例如,金屬表面的靜電粘附、化學吸收、電解注入、極性基團的解離,如果容器壁是絕緣的,還包括液-固反應。)

由於溶解(離解)的物質一開始是電中性的,它們將產生相等數量的正電荷和負電荷。 只有當正電荷或負電荷優先附著在固體表面時才會發生帶電。 如果發生這種情況,就會形成一個非常緻密的層,稱為亥姆霍茲層。 因為亥姆霍茲層帶電,它會吸引相反極性的離子。 這些離子將聚集成一個更擴散的層,稱為 Gouy 層,位於緻密亥姆霍茲層表面的頂部。 Gouy 層的厚度隨著液體的電阻率而增加。 導電液體形成非常薄的古伊層。

如果液體流動,該雙層將分離,亥姆霍茲層仍與界面結合,而古伊層則被流動的液體夾帶。 這些帶電層的運動產生電位差( 澤塔 電勢),移動電荷感應的電流稱為 流動電流. 液體中積累的電荷量取決於離子向界面擴散的速率和液體的電阻率 (r)。 然而,流動電流隨時間是恆定的。

高度絕緣或導電的液體都不會帶電——首先是因為存在的離子很少,其次是因為在導電性非常好的液體中,離子會非常迅速地重新結合。 實際上,帶電只發生在電阻率大於 10 的液體中7Ωm 或小於 1011Ωm,觀察到的最高值 r 109 到1011 歐姆。

流動的液體會在它們流經的絕緣表面引起電荷積累。 表面電荷密度增加的程度受以下因素限制:(1) 液體中的離子在液-固界面重新結合的速度有多快,(2) 液體中的離子通過絕緣體傳導的速度有多快,或 ( 3) 是否發生穿過絕緣體的表面電弧或整體電弧並由此釋放電荷。 湍流和粗糙表面上的流動有利於帶電。

當高電壓(比如幾千伏)施加到半徑較小的帶電體(電極)(例如,電線)時,帶電體附近的電場很高,但隨著距離。 如果存儲的電荷發生放電,則放電將僅限於電場強於周圍大氣介電強度的區域,這種現象稱為電暈效應,因為電弧也會發光。 (人們在親身經歷過靜電電擊時,可能確實看到過小火花的形成。)

絕緣表面上的電荷密度也可以通過高強度電場產生的移動電子來改變。 這些電子會從與它們接觸的大氣中的任何氣體分子中產生離子。 當身體上的電荷為正時,帶電的身體會排斥已產生的任何正離子。 帶負電的物體產生的電子在遠離電極時會失去能量,它們會附著在大氣中的氣體分子上,從而形成負離子,並繼續遠離電荷點。 這些正離子和負離子可以停留在任何絕緣表面上,並會改變表面的電荷密度。 這種類型的電荷比摩擦產生的電荷更容易控制並且更均勻。 以這種方式可能產生的電荷的範圍是有限的。 表 3 中的等式 1 以數學方式描述了該限制。

要產生更高的電荷,必須增加環境的介電強度,方法是創建真空或對絕緣膜的另一表面進行金屬化。 後一種策略將電場吸入絕緣體中,從而降低周圍氣體中的場強。

當導體在電場中 (E) 接地(見圖 1)時,可以通過感應產生電荷。 在這些條件下,電場引起極化——導體的負離子和正離子的重心分離。 僅在一個點臨時接地的導體在與地面斷開連接時會攜帶淨電荷,這是由於該點附近的電荷遷移所致。 這解釋了為什麼位於均勻場中的導電粒子在電極之間振盪,在每個接觸點充電和放電。

圖 1. 通過感應對導體充電的機制

ELE030F1

與靜電相關的危害

靜電積聚造成的不良影響範圍很廣,從觸摸帶電物體(如門把手)時的不適,到靜電引起的爆炸可能導致的非常嚴重的傷害甚至死亡。 靜電放電對人體的生理影響範圍從不舒服的刺痛到劇烈的反射動作。 這些影響是由放電電流產生的,尤其是由皮膚上的電流密度產生的。

在本文中,我們將介紹一些使表面和物體帶電(電氣化)的實用方法。 當感應電場超過周圍環境承受電荷的能力(即超過環境的介電強度)時,就會發生放電。 (在空氣中,介電強度由 Paschen 曲線描述,並且是壓力與帶電體之間距離的乘積的函數。)

破壞性排放可以採取以下形式:

  • 橋接兩個帶電體(兩個金屬電極)的火花或電弧
  • 橋接金屬電極和絕緣體或什至兩個絕緣體的局部或刷狀放電; 這些放電被稱為部分放電,因為導電路徑不會完全短路兩個金屬電極,但通常是多個和刷狀
  • 電暈放電,也稱為點效應,出現在小半徑帶電體或電極周圍的強電場中。

 

絕緣導體具有淨電容 C 相對於地面。 表 5 中的等式 1 表示電荷和電勢之間的這種關係。

穿著絕緣鞋的人是絕緣導體的常見例子。 人體是靜電導體,相對於地的典型電容約為 150 pF,電勢高達 30 kV。 由於人是絕緣導體,他們會經歷靜電放電,例如當手接近門把手或其他金屬物體時有時會產生或多或少的疼痛感。 當電位達到大約 2 kV 時,將經歷相當於 0.3 mJ 的能量,儘管這個閾值因人而異。 更強的放電可能導致無法控制的運動,從而導致跌倒。 在工人使用工具的情況下,不自主的反射運動可能會導致受害者和可能在附近工作的其他人受傷。 表 6 中的方程式 8 至 1 描述了電勢的時間過程。

當感應電場的強度超過空氣的介電強度時,就會產生實際的電弧。 由於導體中電荷的快速遷移,基本上所有電荷都流向放電點,將所有儲存的能量釋放成火花。 當使用易燃或易爆物質或在易燃條件下工作時,這可能會產生嚴重影響。

接地電極接近帶電絕緣表面會改變電場並在電極中感應出電荷。 隨著表面相互靠近,場強增加,最終導致帶電絕緣表面局部放電。 由於絕緣表面的電荷流動性不強,只有一小部分錶面參與放電,因此這種放電釋放的能量遠低於電弧。

電荷和轉移的能量似乎與金屬電極的直徑成正比,最大約為 20 毫米。 絕緣體的初始極性也會影響電荷和轉移的能量。 帶正電錶面的局部放電比帶負電錶面的局部放電能量低。 無法確定, 先驗,與涉及導電錶面的情況形成對比的是,從絕緣表面放電轉移的能量。 事實上,由於絕緣表面不是等電位的,因此甚至無法定義所涉及的電容。

沿面放電

我們在等式 3(表 1)中看到,空氣中絕緣表面的表面電荷密度不能超過 2,660 pC/cm2.

如果我們考慮絕緣板或厚度的薄膜 a,擱置在金屬電極上或具有一個金屬面,很容易證明當電荷沉積在非金屬面上時,電場被電極上的感應電荷吸入絕緣體。 結果,空氣中的電場非常微弱,比其中一個面不是金屬時的電場要低。 在這種情況下,空氣的介電強度不會限制絕緣表面上的電荷積累,並且有可能達到非常高的表面電荷密度(> 2,660 pC / cm2). 這種電荷積累增加了絕緣體的表面電導率。

當電極接近絕緣表面時,會發生沿面放電,其中大部分帶電錶面已變為導電狀態。 由於涉及的表面積很大,因此這種類型的放電會釋放大量能量。 在薄膜的情況下,空氣場非常弱,電極和薄膜之間的距離必須不超過薄膜厚度才能發生放電。 當帶電絕緣體與其金屬底塗層分離時,也可能發生沿面放電。 在這種情況下,空氣場突然增加,絕緣體的整個表面放電以重新建立平衡。

靜電放電以及火災和爆炸危險

在爆炸性環境中,劇烈的放熱氧化反應,涉及能量轉移到大氣中,可能由以下原因觸發:

  • 明火
  • 電火花
  • 強無線電源附近的無線電頻率火花
  • 碰撞產生的火花(例如,金屬和混凝土之間)
  • 靜電放電。

 

我們只對最後一種情況感興趣。 各種液體的閃點(液體蒸氣與明火接觸時著火的溫度)和各種蒸氣的自燃溫度在本手冊的化學部分給出 百科全書. 與靜電放電相關的火災危險可參考氣體、蒸氣和固體或液體氣溶膠的可燃性下限進行評估。 如表 3 所示,此限制可能會有很大差異。

表 3. 典型的可燃性下限

限制

一些粉末

幾焦耳

非常細的硫和鋁氣溶膠

幾毫焦耳

碳氫化合物和其他有機液體的蒸氣

200 微焦耳

氫氣和乙炔

20 微焦耳

炸藥

1微焦耳

 

只有當易燃物質的濃度在其爆炸上限和下限之間時,空氣和易燃氣體或蒸氣的混合物才會爆炸。 在此範圍內,最小點火能 (MIE)——靜電放電點燃混合物所必須具備的能量——高度依賴於濃度。 最小點火能量一直被證明取決於能量釋放的速度,進而取決於放電持續時間。 電極半徑也是一個因素:

  • 小直徑電極(幾毫米的數量級)導致電暈放電而不是火花。
  • 對於較大直徑的電極(幾厘米的數量級),電極塊用於冷卻火花。

 

通常,最低的 MIE 是通過剛好足以防止電暈放電的大電極獲得的。

MIE 還取決於電極間距離,並且在淬火距離(“distance de pincement”)處最低,在該距離處反應區中產生的能量超過電極處的熱損失。 實驗證明,每種易燃物質都有一個最大安全距離,對應於可能發生爆炸的最小電極間距離。 對於碳氫化合物,這小於 1 毫米。

粉末爆炸的概率取決於濃度,最高概率與 200 至 500 g/m 數量級的濃度相關3. MIE 還取決於粒徑,越細的粉末越容易爆炸。 對於氣體和氣溶膠,MIE 隨溫度降低。

工業實例

許多通常用於處理和運輸化學品的過程會產生靜電荷。 這些包括:

  • 從袋子裡倒粉末
  • 篩選
  • 管道運輸
  • 液體攪拌,尤其是在存在多相、懸浮固體或不可混溶液體液滴的情況下
  • 液體噴灑或霧化。

 

靜電荷產生的後果包括機械問題、對操作員的靜電放電危害,如果使用含有易燃溶劑或蒸汽的產品,甚至會爆炸(見表 4)。

表 4. 與特定工業運營相關的特定費用

手術

具體費用
(q/m) (碳/公斤)

篩選

10-8 - 10-11

筒倉填充或清空

10-7 - 10-9

蜗杆輸送機運輸

10-6 - 10-8

研磨

10-6 - 10-7

微粉化

10-4 - 10-7

氣動運輸

10-4 - 10-6

 

液態碳氫化合物,如油、煤油和許多常見溶劑,有兩個特性使它們對靜電問題特別敏感:

  • 高電阻率,使它們能夠積累高水平的電荷
  • 易燃蒸氣,這會增加低能量放電引發火災和爆炸的風險。

 

電荷可能在運輸過程中產生(例如,通過管道、泵或閥門)。 通過精細過濾器(例如飛機油箱加註過程中使用的過濾器)可能會導致產生每立方米數百微庫侖的電荷密度。 在儲罐流動填充過程中,顆粒沉降和帶電霧或泡沫的產生也可能產生電荷。

1953 年至 1971 年間,靜電導致了 35 起煤油罐加註期間或之後的火災和爆炸,更多事故發生在卡車油罐加註期間。 過濾器的存在或填充過程中的飛濺(由於泡沫或薄霧的產生)是最常見的風險因素。 油輪上也發生過事故,尤其是在清洗油罐時。

防靜電原理

所有與靜電有關的問題都源於:

  • 電荷的產生
  • 這些電荷在絕緣體或絕緣導體上的積累
  • 這些電荷產生的電場,進而導致力或破壞性放電。

 

預防措施旨在避免靜電電荷的積累,選擇的策略是首先避免產生電荷。 如果這不可能,則應採取旨在使電荷接地的措施。 最後,如果放電不可避免,則應保護敏感物體免受放電的影響。

抑製或減少靜電荷的產生

這是應該採取的第一種靜電預防方法,因為這是從源頭上消除問題的唯一預防措施。 然而,如前所述,只要兩種材料(其中至少一種是絕緣的)接觸並隨後分離,就會產生電荷。 實際上,電荷的產生甚至可能發生在材料與自身接觸和分離時。 事實上,電荷的產生涉及材料的表層。 由於表面濕度或表面污染的最細微差異都會導致靜電荷的產生,因此不可能完全避免電荷的產生。

要減少接觸表面產生的電荷量:

  • 如果材料具有非常不同的電子親和力——也就是說,如果它們在摩擦電系列中相距很遠,請避免讓它們相互接觸。 例如,避免玻璃和聚四氟乙烯 (PTFE) 之間或 PVC 和聚酰胺(尼龍)之間的接觸(見表 2)。
  • 降低材料之間的流動速率。 這降低了固體材料之間的剪切速度。 例如,可以降低塑料薄膜擠出、輸送機上破碎材料的運動或管道中液體的流速。

 

沒有確定流量的明確安全限制。 英國標準BS-5958-Part 2  不良靜電控制實務守則 建議速度(以米每秒)和管道直徑(以米為單位)的乘積對於電導率小於 0.38 pS/m(以皮西門子每米為單位)的液體小於 5,對於液體小於 0.5電導率高於 5 pS/m。 該標準僅對以不大於 7 m/s 的速度輸送的單相液體有效。

應該注意的是,降低剪切力或流速不僅會減少電荷的產生,而且有助於消散所產生的任何電荷。 這是因為較低的流速導致停留時間高於與鬆弛區相關的停留時間,鬆弛區的流速通過增加管道直徑等策略降低。 這反過來又增加了接地。

靜電接地

靜電防護的基本規則是消除物體之間的電位差。 這可以通過連接它們或將它們接地(接地)來完成。 然而,絕緣導體會積聚電荷,因此可能會因感應而帶電,這是它們獨有的現象。 來自導體的放電可能會以高能且危險的火花形式出現。

該規則與關於防止觸電的建議一致,該建議還要求電氣設備的所有可觸及金屬部件按照法國標準接地 低壓電氣裝置 (NFC 15-100)。 為了最大限度的靜電安全,我們在這里關注的是,這條規則應該推廣到所有導電元件。 這包括金屬桌框、門把手、電子元件、化學工業中使用的罐以及用於運輸碳氫化合物的車輛底盤。

從靜電安全的角度來看,理想的世界是萬物都是導體並永久接地,從而將所有電荷轉移到大地。 在這種情況下,一切都將永久等勢,因此電場和放電風險將為零。 然而,由於以下原因,幾乎不可能實現這一理想:

  • 並非所有必須處理的產品都是導體,許多產品不能通過使用添加劑來導電。 農產品和醫藥產品以及高純度液體就是其中的例子。
  • 理想的最終產品特性,例如透光性或低導熱性,可能會排除使用導電材料。
  • 金屬手推車、無繩電子工具、車輛甚至人工操作員等移動設備不可能永久接地。

 

防止靜電放電

應該牢記本節僅涉及保護靜電敏感設備免受不可避免的放電、減少電荷產生和消除電荷。 保護設備的能力並不能消除首先防止靜電荷積累的基本必要性。

如圖 2 所示,所有靜電問題都涉及靜電放電源(最初帶電的物體)、接收放電的目標以及放電傳播的環境(介電放電)。 應該注意的是,目標或環境都可能對靜電敏感。 表 5 列出了一些敏感元素的例子。

圖 2. 靜電放電問題示意圖

ELE030F2

表 6. 對靜電放電敏感的設備示例

敏感元件

包機成本結構範例

資源

觸摸門把手或汽車底盤的操作員 A
帶電的電子元件接觸
接地物體

目標

接觸帶電操作員的電子元件或材料

環境

由靜電放電點燃的爆炸性混合物

 

工人保護

有理由相信自己帶電的工人(例如,在乾燥天氣下車或穿著某些類型的鞋子行走時),可以採取多種保護措施,例如:

  • 用鑰匙或工具等金屬片接觸接地導體,降低皮膚處的電流密度。
  • 通過向耗散物體放電來降低電流的峰值,如果有的話(桌面或特殊設備,例如帶串聯電阻的保護腕帶)。

 

爆炸性環境中的保護

在爆炸性環境中,環境本身對靜電放電很敏感,放電可能導致著火或爆炸。 在這些情況下的保護措施包括用含氧量低於爆炸下限的氣體混合物或惰性氣體(例如氮氣)替換空氣。 惰性氣體已用於化學和製藥行業的筒倉和反應容器中。 在這種情況下,需要採取充分的預防措施以確保工人獲得充足的空氣供應。

 

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星期一,二月28 2011 19:43

預防和標準

電力設施的危害及預防措施

構成電氣裝置的許多組件表現出不同程度的穩健性。 然而,無論它們固有的脆弱性如何,它們都必須在嚴苛的條件下可靠地運行。 不幸的是,即使在最好的情況下,電氣設備也會出現可能導致人身傷害或材料損壞的故障。

電氣裝置的安全運行是良好初始設計的結果,而不僅僅是安全系統的改造。 這是以下事實的必然結果:雖然電流以光速流動,但所有機電和電子系統都表現出反應延遲,這主要是由熱慣性、機械慣性和維護條件引起的。 這些延遲,無論其起源如何,都足夠長,足以導致人員受傷和設備損壞(Lee、Capelli-Schellpfeffer 和 Kelly 1994;Lee、Cravalho 和 Burke 1992;Kane 和 Sternheim 1978)。

由合格人員安裝和維護設備至關重要。 應該強調的是,技術措施對於確保設施的安全運行和保護人員和設備都是必要的。

電氣危害簡介

電氣裝置的正確運行要求保護機器、設備、電路和線路免受內部(即在裝置內產生)和外部因素造成的危害(Andreoni 和 Castagna 1983)。

內部原因包括:

  • 過電壓
  • 短路
  • 修改電流波形
  • 感應
  • 干擾
  • 過電流
  • 腐蝕,導致電流洩漏到地面
  • 加熱導電和絕緣材料,這可能會導致操作員灼傷、有毒氣體排放、部件起火以及在易燃環境中爆炸
  • 絕緣液體洩漏,例如油
  • 產生可能導致形成爆炸性混合物的氫氣或其他氣體。

 

每個危險設備組合都需要特定的保護措施,其中一些是法律或內部技術法規強制要求的。 製造商有責任了解能夠降低風險的具體技術策略。

外部原因包括:

  • 機械因素(跌落、顛簸、振動)
  • 物理和化學因素(自然或人工輻射、極端溫度、油、腐蝕性液體、濕度)
  • 風、冰、閃電
  • 植被(樹木和根,幹的和濕的)
  • 動物(在城市和農村環境中); 這些可能會損壞電源線的絕緣層,從而導致短路或誤接觸

最後但並非最不重要,

  • 粗心、魯莽或不了解風險和操作程序的成人和兒童。

 

其他外部原因包括高壓線、無線電接收器、焊機(能夠產生瞬態過電壓)和螺線管等來源的電磁干擾。

最常見的問題原因來自故障或不標準:

  • 機械、熱或化學防護設備
  • 通風系統、機器冷卻系統、設備、線路或電路
  • 協調工廠不同部分使用的絕緣子
  • 熔斷器和自動斷路器的配合。

 

單個保險絲或自動斷路器無法在兩個不同的電路上提供足夠的過電流保護。 熔斷器或自動斷路器可以提供相位中性故障保護,但相位接地故障保護需要自動剩餘電流斷路器。

  • 使用電壓繼電器和放電器來協調保護系統
  • 安裝保護系統中的傳感器和機械或電氣部件
  • 不同電壓下的電路分離(導體之間必須保持足夠的氣隙;連接應絕緣;變壓器應配備接地屏蔽和適當的過電壓保護裝置,並具有完全隔離的初級和次級線圈)
  • 顏色代碼或其他適當的規定以避免錯誤識別電線
  • 將有源相誤認為中性導體會導致設備外部金屬部件帶電
  • 抗電磁干擾的防護設備。

 

這些對於用於數據傳輸或保護和/或控制信號交換的儀器和線路尤為重要。 線路之間或使用的過濾器和屏蔽之間必須保持足夠的間隙。 光纖電纜有時用於最關鍵的情況。

當設備處於惡劣的操作條件下時,與電氣安裝相關的風險會增加,最常見的原因是潮濕環境中的電氣危險。

在潮濕或潮濕的環境中,在金屬和絕緣表面上形成的薄液體導電層會產生新的、不規則的和危險的電流路徑。 滲水會降低絕緣效率,而且,如果水滲入絕緣層,會導致漏電和短路。 這些影響不僅會損壞電氣裝置,還會大大增加人員風險。 這一事實證明需要針對惡劣環境(如露天場所、農業設施、建築工地、浴室、礦山和地窖以及一些工業環境)中的工作制定特殊標準。

可提供防雨、防側濺或完全浸沒的設備。 理想情況下,設備應封閉、絕緣且防腐蝕。 金屬外殼必須接地。 這些潮濕環境中的失效機制與在潮濕大氣中觀察到的相同,但影響可能更嚴重。

多塵環境中的電氣危險

進入機器和電氣設備的細粉塵會導致磨損,尤其是移動部件。 導電灰塵也可能導致短路,而絕緣灰塵可能會中斷電流並增加接觸電阻。 設備外殼周圍積聚的細塵或粗塵是潛在的濕氣和水庫。 乾粉塵是絕熱體,減少熱量散發,增加局部溫度; 這可能會損壞電路並引起火災或爆炸。

在進行粉塵作業的工業或農業場所必須安裝防水和防爆系統。

爆炸性環境或含有爆炸性材料的場所的電氣危險

爆炸,包括含有爆炸性氣體和粉塵的大氣中的爆炸,可能由打開和關閉帶電電路或任何其他能夠產生足夠能量火花的瞬態過程引發。

這種危險存在於以下場所:

  • 可能積聚氣體(尤其是甲烷)的礦山和地下場所
  • 化學工業
  • 鉛電池儲藏室,氫氣可能積聚的地方
  • 可能產生天然有機粉末的食品工業
  • 合成材料工業
  • 冶金,尤其是涉及鋁和鎂的冶金。

 

在存在這種危險的地方,應盡量減少電路和設備的數量——例如,通過拆除電動機和變壓器或用氣動設備代替它們。 不能拆卸的電氣設備必須封閉,避免可燃性氣體和粉塵接觸火花,並在外殼內保持正壓惰性氣體氣氛。 有爆炸危險的場所必須使用防爆外殼和防火電纜。 針對一些高危行業(如石油、化工等)開發了全系列的防爆設備。

由於防爆設備的成本很高,工廠通常被劃分為電氣危險區。 在這種方法中,在高風險區域使用特殊設備,而在其他區域接受一定程度的風險。 制定了各種行業特定標準和技術解決方案; 這些通常涉及接地、組件隔離和分區屏障安裝的某種組合。

等電位連接

如果可以同時觸摸的所有導體(包括大地)都處於相同電位,則不會對人類造成危險。 等電位連接系統是實現這種理想條件的一種嘗試(Andreoni 和 Castagna 1983;Lee、Cravalho 和 Burke 1992)。

在等電位連接中,非輸電電氣設備的每根外露導體和同一場所內每根可觸及的外來導體均與保護接地導體相連。 應該記住,雖然非輸電設備的導體在正常運行期間是不帶電的,但它們可能會在絕緣失效後帶電。 通過降低接觸電壓,等電位連接可防止金屬部件達到對人體和設備都有害的電壓。

在實踐中,可能證明有必要將同一台機器在多個點連接到等電位聯結電網。 接觸不良的區域,例如,由於潤滑劑和油漆等絕緣體的存在,應仔細識別。 同樣,優良作法是將所有本地和外部服務管道(例如,水、氣和供暖)連接到等電位連接電網。

接地

在大多數情況下,有必要盡量減少安裝導體與地之間的電壓降。 這是通過將導體連接到接地保護導體來實現的。

有兩種類型的接地連接:

  • 功能接地——例如,將三相繫統的中性導體接地,或將變壓器次級線圈的中點接地
  • 保護性接地——例如,將設備上的每根導體接地。 這種類型的接地的目的是通過為故障電流(尤其是那些可能影響人體的電流)創建優先路徑來最小化導體電壓。

 

在正常工作條件下,沒有電流流過接地連接。 然而,在電路意外啟動的情況下,流過低電阻接地連接的電流高到足以熔化保險絲或未接地的導體。

大多數標准允許的等電位電網中的最大故障電壓在乾燥環境中為 50 V,在潮濕環境中為 25 V,在醫學實驗室和其他高風險環境中為 12 V。 儘管這些值只是指導方針,但應強調確保工作場所、公共場所,尤其是住宅充分接地的必要性。

接地的效率主要取決於高而穩定的接地漏電流的存在,但也取決於等電位網格的充分電流耦合,以及通向網格的導體的直徑。 由於接地洩漏的重要性,必須非常準確地對其進行評估。

接地連接必須與等電位電網一樣可靠,並且必須定期驗證其是否正常運行。

隨著接地電阻的增加,接地導體和導體周圍大地的電勢都接近電路的電勢; 在導體周圍的大地的情況下,產生的電勢與導體的距離成反比。 為了避免危險的跨步電壓,接地導體必須適當屏蔽並設置在地下足夠的深度。

作為設備接地的替代方案,標准允許使用雙重絕緣設備。 該設備推薦用於住宅環境,通過提供兩個獨立的絕緣系統,最大限度地減少了絕緣故障的可能性。 不能依賴雙重絕緣設備來充分防止接口故障,例如與鬆動但帶電的插頭相關的接口故障,因為某些國家/地區的插頭和壁式插座標準不涉及此類插頭的使用。

斷路器

減少對人體和設備的電氣危害的最可靠方法是盡量縮短故障電流和電壓增加的持續時間,最好是在電能開始增加之前。 電氣設備中的保護系統通常包括三個繼電器:一個用於防止接地故障的剩餘電流繼電器、一個磁繼電器和一個用於防止過載和短路的熱繼電器。

在剩餘電流斷路器中,電路中的導體纏繞在一個環上,該環檢測進出受保護設備的電流的矢量和。 矢量和在正常操作期間等於零,但在故障情況下等於洩漏電流。 當漏電流達到斷路器的閾值時,斷路器跳閘。 低至 30 毫安的電流即可觸發剩餘電流斷路器,延遲低至 30 毫秒。

導體可以安全承載的最大電流是其橫截面積、絕緣和安裝的函數。 如果超過最大安全負載或散熱受限,則會導致過熱。 如果發生過大電流、接地故障、過載或短路,過電流裝置(如保險絲和磁熱式斷路器)會自動斷開電路。 當電流超過導體的容量時,過流裝置應中斷電流。

選擇能夠同時保護人員和設備的保護設備是電氣裝置管理中最重要的問題之一,不僅必須考慮導體的載流能力,還必須考慮電路和所連接設備的特性他們。

承載非常高電流負載的電路必須使用特殊的大容量保險絲或斷路器。

保險絲

有多種類型的保險絲可供選擇,每種都針對特定應用而設計。 使用錯誤類型或容量錯誤的保險絲可能會導致人身傷害和設備損壞。 過度熔斷經常會導致線路或設備過熱,進而可能引起火災。

在更換保險絲之前,鎖定、標記和測試電路,以驗證電路是否斷開。 測試可以挽救生命。 接下來,確定任何短路或過載的原因,並用相同類型和容量的保險絲更換熔斷的保險絲。 切勿在帶電電路中插入保險絲。

斷路器

儘管斷路器長期以來一直用於大電流容量的高壓電路,但它們越來越多地用於許多其他種類的電路。 有多種類型可供選擇,提供立即和延遲啟動以及手動或自動操作的選擇。

斷路器分為兩大類:熱斷路器和磁斷路器。

熱斷路器僅對溫度升高作出反應。 因此,斷路器環境溫度的變化將影響斷路器的跳閘點。

另一方面,磁性斷路器僅對通過電路的電流量做出反應。 這種類型的斷路器更適用於溫度波動較大需要使斷路器過載或斷路器經常跳閘的情況。

在與承載大電流負載的線路接觸的情況下,保護電路不能防止人身傷害或設備損壞,因為它們僅用於保護電源線和系統免受故障引起的過電流的影響。

由於與大地接觸的電阻,通過同時接觸線路和大地的物體的電流通常小於跳閘電流。 流經人體的故障電流可能會因人體電阻進一步降低到不會使斷路器跳閘的程度,因此非常危險。 幾乎不可能設計出一種電力系統,既能防止任何使電力線出現故障的物體受到傷害或損壞,又能保持有用的能量傳輸系統,因為相關電路保護裝置的跳閘閾值遠高於人體危險水平。

標準和法規

國際標準和法規的框架如圖 1 所示(Winckler 1994)。 行對應於標準的地理範圍,世界(國際)、大陸(區域)或國家,而列對應於標準的應用領域。 IEC 和國際標準化組織 (ISO) 都共享一個傘狀結構,即聯合主席協調組 (JPCG); 歐洲對應的是聯合總統小組 (JPG)。

圖 1 國際標準和法規框架

ELE040F1

每個標準化機構定期舉行國際會議。 各個機構的組成反映了標準化的發展。

歐洲標準化委員會 (CENELEC) 由簽署 1957 年建立歐洲經濟共同體的羅馬條約的國家的電氣工程委員會創建。 六個創始成員後來加入了歐洲自由貿易協會 (EFTA) 的成員,目前的 CENELEC 成立於 13 年 1972 月 XNUMX 日。

與國際電工委員會 (IEC) 不同,CENELEC 側重於在成員國實施國際標準,而不是創建新標準。 尤其重要的是要記住,雖然成員國採用 IEC 標準是自願的,但採用 CENELEC 標準和法規在歐盟是強制性的。 超過 90% 的 CENELEC 標準源自 IEC 標準,其中超過 70% 是相同的。 CENELEC 的影響力也引起了東歐國家的興趣,其中大部分在 1991 年成為附屬成員。

國際測試與材料協會是今天眾所周知的 ISO 的前身,成立於 1886 年,一直活躍到第一次世界大戰,此後它不再作為國際協會發揮作用。 一些國家組織,如美國材料與試驗協會 (ASTM),得以倖存。 1926 年,國際標準協會 (ISA) 在紐約成立,一直活躍到第二次世界大戰。 ISA 於 1946 年被 ISO 取代,ISO 負責除電氣工程和電信以外的所有領域。 這 歐洲正常化委員會 (CEN) 是 ISO 的歐洲等價物,具有與 CENELEC 相同的功能,儘管只有 40% 的 CEN 標準源自 ISO 標準。

當前的國際經濟整合浪潮催生了標準化領域對通用技術數據庫的需求。 這個過程目前正在世界的幾個地方進行,新的標準化機構很可能會在歐洲以外的地方發展起來。 CANENA 是由北美自由貿易協定 (NAFTA) 國家(加拿大、墨西哥和美國)創建的區域標準化機構。 美國的房屋佈線受國家電氣規範 ANSI/NFPA 70-1996 管轄。 該守則也在北美和南美的其他幾個國家使用。 它提供了超出電力公用系統連接點的房屋佈線安裝的安裝要求。 它涵蓋在公共和私人建築內部或之上安裝電導體和設備,包括移動房屋、休閒車和浮動建築、牲畜場、嘉年華、停車場和其他場地,以及工業變電站。 它不包括除浮動建築物之外的船舶或船隻的安裝——鐵路滾動站、飛機或汽車。 國家電氣規範也不適用於通常由國家電氣安全規範監管的其他領域,例如通信公用設備的安裝和電力公用設施的安裝。

電氣裝置操作的歐洲和美國標準

歐洲標準 EN 50110-1, 電氣裝置的操作 (1994a) 由 CENELEC Task Force 63-3 編寫,是適用於電氣裝置的操作和工作活動的基本文件。 該標準為所有 CENELEC 國家設定了最低要求; 其他國家標准在標準 (EN 50110-2) 的單獨子部分中進行了描述。

該標準適用於為發電、輸電、轉換、分配和使用電力而設計的裝置,以及在常見電壓水平下運行的裝置。 雖然典型裝置在低壓下運行,但該標準也適用於超低壓和高壓裝置。 安裝可以是永久的和固定的(例如,工廠或辦公大樓的配電安裝)或移動的。

標準中規定了在電氣裝置上或附近工作的安全操作和維護程序。 適用的工作活動包括非電氣工作,例如架空線路或地下電纜附近的施工,以及所有類型的電氣工作。 某些電氣裝置,例如飛機和船舶上的電氣裝置,不受該標準的約束。

美國的等效標準是美國國家標準協會 (1990) 的國家電氣安全規範 (NESC)。 NESC 適用於公用事業設施和功能,從電力和通信信號的產生點,通過輸電網,到交付給客戶設施的點。 某些裝置,包括礦山和船舶中的裝置,不受 NESC 的約束。 NESC 指南旨在確保從事電力供應和通信線路及相關設備的安裝、操作或維護的工人的安全。 這些指南構成了特定條件下職業和公共安全的最低可接受標準。 該代碼不作為設計規範或說明手冊。 形式上,NESC 必須被視為適用於美國的國家安全規範。

歐洲和美國標準的廣泛規則規定了電氣裝置工作的安全性能。

歐洲標準 (1994a)

定義

該標準僅為最常見的術語提供定義; 國際電工委員會 (1979) 提供了更多信息。 就本標準而言,電氣裝置是指涉及電能產生、傳輸、轉換、分配和使用的所有設備。 這包括所有能源,包括電池和電容器(ENEL 1994;EDF-GDF 1991)。

基本原則

安全操作:在電氣裝置上、在電氣裝置上或附近安全工作的基本原則是需要在開始工作之前評估電氣風險。

人員: 如果工人不完全熟悉並且不嚴格遵守,那麼在電氣裝置上、使用電氣裝置或在電氣裝置附近工作的最佳規則和程序也毫無價值。 在電氣裝置上、使用電氣裝置或在電氣裝置附近工作的所有人員都應接受適用於其工作的安全要求、安全規則和公司政策的指導。 如果作品較長或複雜,則應重複此說明。 應要求工人遵守這些要求、規則和說明。

組織: 每個電氣裝置都應由指定的電氣裝置控制人員負責。 在涉及多個裝置的企業的情況下,每個裝置的指定控制人員必須相互合作。

每項工作活動均應由指定的工作控制人員負責。 如果工作包含子任務,則將指定負責每個子任務的安全的人員,每個人都向協調員報告。 同一人可以擔任指定的工作控制人員和指定的電氣裝置控制人員。

通訊: 這包括人與人之間所有的信息傳輸方式,即口語(包括電話、無線電和語音)、書面(包括傳真)和視覺方式(包括儀表板、視頻、信號和燈光)。

應提供電氣裝置安全運行所需的所有信息的正式通知,例如網絡佈置、開關設備狀態和安全裝置的位置。

工地: 電氣裝置應提供足夠的工作空間、通道和照明,在其上、與之一起或附近進行任何工作。

工具、設備和程序:工具、設備和程序應符合相關歐洲、國家和國際標準(如果存在)的要求。

圖紙和報告: 安裝的圖紙和報告應是最新的並且隨時可用。

標牌: 在設施運行和任何工作期間,應根據需要顯示適當的標牌,提醒人們注意特定的危險。

標準作業程序

經營活動: 操作活動旨在改變電氣裝置的電氣狀態。 有兩種類型:

  • 旨在改變電氣裝置的電氣狀態的操作,例如,為了使用設備、連接、斷開、啟動或停止裝置或裝置的一部分以執行工作。 這些活動可以在本地或通過遠程控制進行。
  • 停工前斷開或停工後重新連接,由合格或受過培訓的工人執行。

 

功能檢查: 這包括測量、測試和檢查程序。

測量被定義為用於收集電氣裝置中物理數據的整個活動範圍。 測量應由合格的專業人員進行。

測試包括旨在驗證電氣裝置的運行或電氣、機械或熱狀況的所有活動。 測試應由合格的工人進行。

檢查是驗證電氣裝置是否符合適用的指定技術和安全法規。

工作程序

一般: 電氣裝置的指定控制人和工作的指定控制人均應確保工人在開始工作之前和完成工作時收到具體和詳細的指示。

在開始工作之前,指定的工作控制人員應將擬定工作的性質、地點和對電氣安裝的後果通知指定的電氣安裝控制人員。 該通知最好以書面形式發出,尤其是在工作複雜的情況下。

工作活動可分為三類:固定工作、帶電工作和在帶電設施附近工作。 為每種類型的工作制定了旨在防止電擊、短路和電弧的措施。

感應: 在受電流感應影響的電線上工作時,應採取以下預防措施:

  • 適當間隔接地; 這將導體和大地之間的電位降低到安全水平
  • 工地等電位連接; 這可以防止工人將自己引入感應迴路。

 

天氣狀況: 當看到閃電或聽到雷聲時,不得在室外裝置或直接連接到架空線路的室內裝置上開始或繼續工作。

死活

以下基本工作實踐將確保工作現場的電氣裝置在工作期間保持斷電狀態。 除非有明確的禁忌症,否則應按所列順序應用這些做法。

完全斷開: 進行工作的安裝部分應與所有電源隔離,並防止重新連接。

防止重新連接: 用於隔離工作電氣裝置的所有斷路裝置均應鎖定,最好通過鎖定操作機構。

驗證安裝是否已死: 應在工地或盡可能靠近工地的電氣裝置的所有極點驗證沒有電流。

接地和短路: 在所有高壓和部分低壓工地,所有待作業部件斷開後均應接地並短接。 接地和短路系統應先接地; 待接地的組件必須在系統接地後才能連接到系統。 就實際而言,接地和短路系統應從工地可見。 低壓和高壓裝置有其特定的要求。 在這些類型的安裝中,工地的所有側面和進入工地的所有導體都必須接地和短路。

防止相鄰的帶電部件: 如果工地附近的電氣裝置的某些部分不能斷電​​,則需要採取額外的保護措施。 在獲得指定的工作控制人員的許可之前,工人不得開始工作,而指定的工作控制人員必須獲得指定的電氣裝置控制人員的授權。 工作完成後,工人應離開工地,存放工具和設備,拆除接地和短路系統。 然後,指定的工作控制人員應通知指定的電氣裝置控制人員,該裝置可以重新連接。

帶電工作

一般: 帶電工作是在有電流流動的區域內進行的工作。 EN 50179 標準中提供了有關帶電工作區尺寸的指南。應採取旨在防止電擊、電弧和短路的保護措施。

培訓和資格: 應制定具體的培訓計劃,以培養和保持合格或經過培訓的工人從事帶電工作的能力。 完成該計劃後,工人將獲得資格評級和授權,可以在特定電壓下執行特定的帶電工作。

資質維護: 進行帶電工作的能力應通過實踐或新培訓來保持。

工作技巧: 目前,有三種公認的技術,其區別在於它們適用於不同類型的帶電部件和防止觸電、電弧和短路所需的設備:

  • 熱棒工作
  • 絕緣手套工作
  • 徒手工作。

 

每種技術都需要不同的準備、設備和工具,最合適的技術的選擇將取決於相關工作的特點。

工具和設備: 應規定工具、設備和系統的特性、儲存、維護、運輸和檢驗。

天氣狀況: 限制適用於惡劣天氣條件下的帶電工作,因為絕緣性能、能見度和工人流動性都會降低。

工作組織: 工作準備充分; 複雜的工作應提前提交書面準備。 一般的安裝,以及具體要進行工作的部分,應保持與所需準備相一致的狀態。 指定的工作控制人員應將工作的性質、安裝地點以及預計的工作持續時間告知電氣安裝的指定控制人員。 開始工作前,應向工人解釋工作性質、相關安全措施、每個工人的角色以及要使用的工具和設備。

超低電壓、低電壓和高電壓裝置存在具體做法。

在帶電部件附近工作

一般: 在標稱電壓高於 50 VAC 或 120 VDC 的帶電部件附近工作時,應僅在採取安全措施確保無法接觸帶電部件或無法進入帶電區域時進行。 屏風、屏障、外殼或絕緣覆蓋物可用於此目的。

在工作開始之前,指定的工作控制人員應指導工人,特別是那些不熟悉帶電部件附近工作的工人,在工地上要遵守的安全距離、要遵循的主要安全實踐,以及需要確保整個工作人員安全的行為。 應準確界定和標記工地邊界,並提請注意異常工作條件。 應根據需要重複此信息,尤其是在工作條件發生變化後。

工人應確保其身體的任何部位或任何物體均不得進入帶電區。 處理長物體時應特別小心,例如工具、電纜末端、管道和梯子。

用屏風、屏障、外殼或絕緣覆蓋物保護: 這些保護裝置的選擇和安裝應確保充分保護免受可預測的電氣和機械壓力。 設備應在工作期間得到適當維護並保持安全。

保養

一般: 維護的目的是將電氣裝置保持在所需的狀態。 維護可以是預防性的(即定期進行以防止故障並保持設備正常工作)或糾正性的(即更換有缺陷的部件)。

維護工作可分為兩個風險類別:

  • 涉及電擊危險的工作,必須遵守適用於帶電工作和在帶電部件附近工作的程序
  • 設備設計允許在沒有完整的帶電工作程序的情況下進行一些維護工作的工作

 

人員: 從事這項工作的人員應具備足夠的資格或經過培訓,並應配備適當的測量和測試工具和設備。

維修工作: 修復工作包括以下步驟:故障定位; 故障排除和/或更換部件; 重新調試安裝的修復部分。 這些步驟中的每一個都可能需要特定的程序。

置換工作: 一般而言,高壓裝置中的保險絲更換應作為停工進行。 保險絲的更換應由合格的工人按照適當的工作程序進行。 燈具和啟動器等可拆卸部件的更換應按空工進行。 在高壓裝置中,維修程序也適用於更換工作。

對人員進行電氣危險培訓

有效的工作組織和安全培訓是每個成功的組織、預防計劃和職業健康與安全計劃的關鍵要素。 工人必須接受適當的培訓才能安全有效地完成工作。

實施員工培訓的責任在於管理層。 管理層必須認識到,員工必須達到一定水平,組織才能實現其目標。 為了達到這些水平,必須制定工人培訓政策,進而製定具體的培訓計劃。 計劃應包括培訓和資格階段。

現場工作計劃應包括以下要素:

訓練: 在一些國家,項目和培訓設施必須得到帶電工作委員會或類似機構的正式批准。 課程主要基於實踐經驗,輔以技術指導。 培訓採取室內或室外模型裝置的實際工作形式,類似於要執行的實際工作。

任職資格: 帶電作業程序非常苛刻,必須在正確的地方使用正確的人。 如果有不同技能水平的合格人員,這是最容易實現的。 指定的工作控制人員應該是合格的工人。 如果需要監督,也應由合格人員執行。 工人只能在其電壓和復雜性與其資質或培訓水平相符的裝置上工作。 在一些國家,資格由國家標準規定。

最後,應指導和培訓工人掌握必要的救生技術。 讀者可參閱有關急救的章節以獲取更多信息。

 

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內容

電力參考

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