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  • 潜水员水下电气安全

       1930 年代后,美海军潜水员就开始广泛使用水下电力装置,诸如照明、焊接、焊缝检测仪、控制磁铁、通讯设备和摄像机等等。此外,潜水员所处的环境还存在各种各样的电力设备,如海底电缆、船体退磁系统、外加电流系统和无人遥控潜水器等。

        据报道,幸运的是在美海军史上仅一例在华盛顿海军工厂的深水潜校的一次约3米水深的开放式训练水槽内,进行水下焊接的学员在水下训练时发生水下用电死亡事故。
        尽管发生了这次不幸的事故,但如果采取适当的预防措施和个人保护,水下焊接仍是一个相对比较安全的工作。
        尽管美海军至今仅这一例水下用电的死亡报告, 但是潜水员使用的电动设备及所处的环境都很特殊,随着水下用电需求量的不断增加,因此,仍应高度警惕水下用电的潜在危险。
    水下电气安全的机理
        为制定适当的预防措施和个人保护,我们需要了解安全流速和水下暴露时间,水下身体阻抗及欧姆定律。水下用电安全惯例AODC规范(1987年为美国海军采用)规定了人体安全直流电流为40毫安。暴露大于此极限电流时,会引发心室颤动、紊乱、心脏的无效收缩。引发颤动的概率会随着通过胸腔电流的增加而增加。目前关于水下电击的研究几乎空白。尽管在空气中已进行了大量的研究,但仅部分成果可应用于潜水员使用和靠近水下电动设备时的危险预防。
    空气中和水下使用电动设备具有两个基本不同点。首先,空气具有相对较强的绝缘性,能保护人体避免电击,除非他接触了线路故障而成为电路的一部分。
        其次,干燥的环境中的保护措施实质是通过皮肤进行保护,因为人的皮肤的阻抗比体内高得多。干燥的空气的阻抗大约是1兆欧。空气中干燥身体两肢之间的阻抗大约是3500欧。而在水中时(纯净的或咸的),皮肤的阻抗就会低得多。因为海水是相对较好的导体,所以潜水员不得接触线路故障而成为电路的一部分。海水阻抗大约是1欧姆。潜水员水中两肢之间的阻抗与电压的关系是:当电压大于50伏时,阻抗大约为500欧; 当电压小于50伏时,阻抗大约为750欧。
        唯一例外的是,胸腔区域的前后之间的阻抗恒为100欧姆,而与电压无关。它是以一个150磅重的人为标准的,不同体重的人具有不同的阻抗值。
        电流对人体的影响并不是由电源是交流还是直流来决定的。而应当考虑,电流流入和流出体内的方式(通过附属物流入或流出人体,对胸腔而言)、电流的强度等。在水下时,这些因素都会引起阻抗的变化。
        例如,如果电流通过腿流入和流出,潜水员可能感觉到引起削弱腿灵活性的肌肉收缩; 但当以相同电流通过胸腔时,潜水员可能感觉到引起窒息或者心室颤动的肌肉收缩,导致死亡。
        人体对电击的敏感程度跟流入体内的电流成正比。据欧姆定律,电流是由电压和电路的阻抗决定的 (I为电流, E为电压,R为阻抗)。因此,流入体内的电流可通过人体阻抗来确定,因为电路任何点上的电压是一个常数。
        交流电比直流电危险得多,因为交流电会引起更剧烈的肌肉收缩,60赫兹的交流电对人体最危险。频率大于60赫兹时,肌肉收缩的程度会减少,窒息和心室颤动发生的概率也变小。但是,随着频率的不断增加,热量也随之产生,严重烧伤的概率也随之增加。
        对潜水员来说,直流电的安全极限是10毫安。已知两肢体之间的阻抗为750欧姆,由欧姆定律得,直流安全电压为7.5伏特。60赫兹的交流电,不仅直接接触时非常危险,而且接触此频率水下电场时也非常危险。在盐水中,2伏特的电场就能引起麻痹; 不到2伏特的电场就能引起5毫安的胸部电流。
        最危险的潜在电力危险是,人体仅部分在水中,例如船体湿甲板上或者潮间带的工人。此时,水变成了接地极,使用的设备则是接地极的一个电极,如果电路存在故障,此时人体就成为了电路的一部分。
    水下电气设备使用中的安全控制
        电气设备水下使用中的安全控制,涉及的方面很多,如电气设备本质安全的基本要求和操作规程等方方面面,我们在水下电气设备的设计、采购和使用中都应该遵循其详细的要求,本文在此不一一重复,仅对我们实际操作中容易忽视的几个方面予以强调。
    1. 在使用任何水下电气设备和水下用电的作业前,都应该进行工作安全分析并遵循相应的设备和作业检查程序。
    2. 潜水作业前,应对可能对潜水员造成危害的工作中的阴极保护系统、高强度声纳等进行电气隔离、锁定并标示。
    3. 焊接或切割作业时,潜水头盔及领盘的外部都应涂抹绝缘漆或包裹绝缘橡胶。
    4. 进行水下焊接和切割和辅助海底设备作业的潜水员应穿戴绝缘手套。
    5. 潜水员与ROV协同作业时,潜水员必须采取相应的安全防护措施。如:潜水员应穿着完全绝缘的潜水服。
    6. 此外还有一点,初级动力取自380V(440)三相交流电源系统,应通过隔离变压器降至所需电压,并在系统电路中装置接地故障开关(GFI),以下将对此作进一步的阐述。
    接地故障开关在预防电击中的要求
        电击的发生通常有三种情况。首先,电路电流必须大于直流40毫安或交流10毫安,并持续时间在20秒以上。其次,电路系统出现故障。再次,人体必须暴露于故障处。
        预防电击最好的方法是将人与任何潜在故障隔离。一种最常用的办法是使用接地故障开关(GFI)。国家电子规范论文第100集定义GFI为:"当接地电流超过预定值时用来保护人体安全的一种过流保护装置。
        美国海军海洋局罗勃特默里指出,潜水员的身体表面和当潜水员暴露于电源故障时,可以适当使用接地故障开关来保护人身安全。
        美海军医学局,AODC,国际电子技术委员会第479条规定了通过人体电流的安全值:持续时间不超过20秒时,交流是500毫安,直流是570毫安。基于此,AODC指出,落地接地开关的动作电流应不超过30毫安,且动作相应时间不超过20毫秒,但目前市场上所供应的落地接地开关大多数都没有达到上述要求,水下使用时同样不能达到上述要求。
       船舶和码头常使用各种各样的电源,可能有不同的接地参考点。因此要预知电流流向是一件困难的事情,以致引起潜在的电击危险。
        因为潜水站所连接的电源类型不易确定,AOCD指出,在电源和接地故障断开开关之间安装一个隔离变压器和确定一个新接地参考点。如果接地故障开关动作,在接地装置重新设定前,带连锁的设备不能解锁。如果设备有故障,接地故障开关将与设备连锁,故障将会暴露于整个电源,且其动作时间将持续时间超过20秒以上。
    水下焊接中分离的氢气和氧气的危害
        这里还有一个安全问题必须注意。在水下,不到3伏的电压,氢和氧就会以气体的形式从水分子中分离出来。在进行水下焊接时,必须特别注意,因为分离的氢分子和氧分子会聚集在顶部装置。
        就其本身而言,这些气体分子是无害的。然而,如果让它们再次结合,则会发生爆炸。如果聚集着充满的气体或者大量的烃,这个爆炸是致命的。

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