侯 喆 馬 暢 琚澤立 蒲 路 段雄英

（1.國網陜西省電力公司電力科學研究院，陜西西安，710054；2.大連理工大學，遼寧大連，116024）

近年來，隨著經濟社會的不斷發(fā)展，人們對電能的需求越來越大，并且用戶和企業(yè)對電能的可靠性要求也越來越嚴格。為了保證供電的可靠性和持續(xù)性，減少停電時間，在電網的檢修作業(yè)中，帶電作業(yè)成為一種運維檢修手段被廣泛應用。但同時帶電作業(yè)的增加使得檢修工作人員暴露在電力事故危險的可能性增加。有資料表明，電力事故中電弧事故的發(fā)生幾率最高，電弧燃爆每天發(fā)生5 次到10 次［1］。

電弧是一種呈現(xiàn)弧狀白光并產生高溫氣體的放電現(xiàn)象［2］。當絕緣或隔離不足以承受施加的電壓時，電流從通電導體到另一導體間的氣隙中就會發(fā)生電弧閃光。電弧一旦形成，空氣和導電材料（如銅和鋁）的電離就會產生高溫等離子體和分子云。此外，在電弧產生過程中，電流產生連續(xù)的排斥磁力，使等離子體云急劇膨脹，這種膨脹再加上快速加熱，往往以爆炸的形式釋放。隨著持續(xù)的電弧形成，電能不斷地轉換為強烈的熱、光和壓力；此外熔化的金屬液滴和有毒氣體也是電弧帶來的重大危險［3?4］。盡管電弧閃光事件本身可能只持續(xù)幾個周期，但它可以對人體造成持久的影響，包括燒傷、衰弱性傷害，甚至死亡。有資料表明，皮膚暴露于1.2 cal/cm2的入射能量下1 s，就會造成二級燒傷［5］。

為了減少電弧事故對電力工作人員的傷害，穿著防電弧服是必要的。防電弧服材料在面對電弧時具有耐熱性、阻燃性，材料本身會在高溫情況下迅速炭化，形成致密的炭化膜，阻擋外部熱量向人體傳遞，給工作人員反應時間，以便撤離電弧發(fā)生點［6］。

目前防電弧服所使用的材料都是具有優(yōu)異耐高溫、阻燃的高分子材料。聚酰亞胺纖維的分子主鏈上含有酰亞胺環(huán)基團［7］，具有優(yōu)異的耐高溫性能、阻燃性、耐輻射性、化學穩(wěn)定性及力學性能，近年來已經在航空、航天、微電子、液晶、軌道交通等領域得到了廣泛應用。在紡織領域中，已經有聚酰亞胺滅火消防服外層織物［8］，但在防電弧服的應用方面研究還較少。本研究測試了3 種聚酰亞胺織物的防電弧性能，探討其在電弧防護領域應用的可行性，為聚酰亞胺材料在電力系統(tǒng)安全防護領域的應用提供理論參考。

1 試驗部分

1.1 聚酰亞胺織物規(guī)格

選用了3 種織物，分別為織物1、織物2 和織物3。其中，織物1 為純聚酰亞胺織物，經紗和緯紗均為聚酰亞胺18.4 tex×2 股線，經密285 根/10 cm，緯密210 根/10 cm，單位面積質量200 g/m2?？椢? 的經紗和緯紗均為聚酰亞胺/芳綸1414/導電纖維85/13/2 16.4 tex×2 股線，經密500 根/10 cm，緯密190 根/10 cm，單位面積質量200 g/m2?？椢? 的經紗和緯紗均為聚酰亞胺/阻燃粘膠/腈氯綸40/30/30 17.3 tex×2 股線，經密320 根/10 cm，緯密240 根/10 cm，單位面積質量220 g/m2。

1.2 電弧試驗平臺

1.2.1 大電流回路試驗系統(tǒng)

目前針對防電弧服的測試標準有ASTM F1959/F1959M—14e1《Standard Test Method for Determining the Arc Rating of Materials for Cloth?ing》和IEC 61482?1?1—2019《Live Working ?Pro?tective Clothing Against the Thermal Hazards of an Electric Arc?Part 1?1：Test Methods?Method 1:Determination of the Arc Rating (ELIM,ATPV and/or EBT) of Clothing Materials and of Protec?tive Clothing Using an Open Arc》。本研究結合大連理工大學高壓大電流實驗室，電弧試驗平臺采用大電流回路試驗系統(tǒng)。電弧試驗平臺回路的電路圖如圖1 所示。

圖1 電弧試驗回路系統(tǒng)電路圖

電弧試驗回路系統(tǒng)采用LC 放電回路原理，左側回路通過電源變壓器給電容器組充電存儲電能，充電結束后斷開左側開關。右側回路是由電容和電感組成的LC 放電回路，利用回路開關控制電容放電產生大電流。通過調節(jié)電容、電感值改變試驗回路頻率，通過改變充電電壓值或儲能電容數量改變回路電流大小。參照ASTM F1959 中的規(guī)定進行電極結構設計，包括絕緣桿和銅電極，熔斷絲作為起弧裝置。在電弧試驗平臺下分別進行4 kA、8 kA 和10 kA 電流等級試驗。

1.2.2 電弧能量測量裝置

根據ASTM F1959/F1959M—14e1 和IEC 61482?1?1—2019 中所述，采用銅熱量計進行電弧能量測量。銅熱量計的結構如圖2 所示，包括銅片、隔熱板（通常采用硅酸鈣板）、熱電偶。

圖2 銅熱量計

采用銅熱量計測量電弧能量的基本思路是電弧產生的熱量通過熱對流、輻射使銅熱量計的銅片產生溫升，熱電偶與銅片相接，感知銅片的溫度變化，經過硬件數據處理模塊得到銅片的溫度變化量，結合銅片的物理特性計算出銅熱量計接收到的電弧能量。電弧熱能計算見式（1）。

式中：Q為銅熱量計測得的入射能量（J/cm2或cal/cm2），mass為銅熱量計銅片的質量（g），為溫度上升期間銅片的平均熱容量［J/（g·℃）］，Tinitial為銅熱量計銅片的初始溫度（℃），Tfinal為一定時間熱暴露后銅片的溫度（℃），area為銅熱量計銅片的面積（cm2）。

2 試驗結果與討論分析

2.1 不同電流等級下電弧能量

電弧能量主要與電流大小有關，其次與電弧電極間距、電壓有關。本研究在相同電壓、電極間距情況下，通過改變電流大小改變電弧能量。在相同的測量距離下，利用銅熱量計測量出不同電流等級下電弧產生的溫升，進而能夠計算出電弧能量。表1 為試驗室電弧試驗平臺在不同電流等級時銅熱量計所測得的溫升，時間均為10 s。

表1 不同電流等級下銅熱量計的溫升

Stoll 和Chinanta 兩位研究學者通過對動物皮膚進行大量的燒傷試驗研究，找出了一種能夠預測人體二級燒傷的方法，即Stoll 二級燒傷準則［9］。兩位學者把二級燒傷時所需要的熱量值根據ASTM E457—2008《Standard Test Method for Measuring Heat?Transfer Rate Using a Thermal Capacitance (Slug) Calorimeter》中轉換公式見式（2），將不同入射能量下造成人體皮膚二級燒傷所需時間轉換成銅熱量計的溫度上升值，得到Stoll 曲線。

式中：ρC為銅的體積質量（kg/m3），CP為銅的比熱容［J/（kg·℃）］，ΔT為溫度上升值（℃），Δt為時間變化量（s）。

當銅熱量計所測得的溫度上升曲線與Stoll曲線相交，則在此電弧能量下會對人體造成二級燒傷，反之則不會。Stoll 曲線二級燒傷熱時間和銅熱量計溫升值的數據如表2 所示。

由表2 可知，如果在10 s 內，銅熱量計的溫升大于17.3 ℃，則銅熱量計的溫升曲線會與Stoll 曲線相交，對人體造成二級燒傷。而試驗測得的10 s 溫升數據分別是20.0 ℃、46.3 ℃、66.5 ℃，均大于17.3 ℃，說明在電流等級為4 kA、8 kA和10 kA 時，如果人體不穿防護服，電弧的能量會對人體造成二級燒傷。

表2 Stoll 二級燒傷準則數據表

2.2 聚酰亞胺織物的防護性能

2.2.1 阻燃性能

將3 種織物分別在4 kA、8 kA 和10 kA 的電流等級下做電弧燒蝕試驗，結果發(fā)現(xiàn)，3 種織物均無續(xù)燃、無熔融現(xiàn)象。這是因為聚酰亞胺纖維本身具有耐高溫和阻燃性，可以滿足DL/T 320—2019《個人電弧防護用品通用技術要求》中對防電弧服用品的阻燃性能要求。

2.2.2 熱防護性能

根據表1 可知，在不同電流等級下電弧產生的能量不同，對銅熱量計造成的溫升也不同。為探究3 種織物的熱防護性能，將其分別覆蓋在銅熱量計的表面進行電弧試驗，每組試驗做5 次，每次試驗記錄前10 s 的溫度，取平均值，計算溫升結果如表3 所示。

表3 3 種織物覆蓋的銅熱量計溫升

由表3 可知，在具有織物覆蓋的情況下，銅熱量計的溫升與直接暴露在電弧下相比有了明顯減少，說明聚酰亞胺織物可以在一定電弧能量下保護人體安全，減少燒傷。在同等電弧能量的作用下，織物3 的隔熱性最好，與織物2 相比，兩者的差距不大，在1 ℃之內，相比于織物1，兩者最大溫差在3.5 ℃。

雖然織物1 在10 kA 的電弧能量下溫升最高，但仍低于Stoll 曲線在10 s 時達到二級燒傷所需的溫度。因此認為聚酰亞胺織物一定程度上可用作防電弧服的隔熱材料。

2.2.3 破裂性能

以上試驗銅熱量計所測得的溫升數據，每次測量都會更換新的織物樣品，也即測量所使用的織物樣品都只經過了一次電弧作用。為了探究在電弧作用下3 種織物的破裂性能，以8 kA 電流等級為例，觀察在電弧作用5 次下，3 種聚酰亞胺織物的破裂情況，結果如表4 所示。

表4 3 種織物的破裂測試結果

由表4 可知，在與電弧距離4.0 cm 的試驗條件下，3 種織物均未發(fā)生破裂現(xiàn)象。在與電弧距離1.5 cm 的條件下進行試驗，發(fā)現(xiàn)織物3 在第3次電弧作用下發(fā)生了破裂，織物1 和織物2 均是在第5 次電弧作用下破裂?？椢? 和織物2 雖然都是在第5 次電弧作用下破裂，但是兩者的破裂程度不同，織物1 破裂程度更嚴重。在與電弧距離1.0 cm 的條件下進行試驗，發(fā)現(xiàn)織物3 在第2次電弧作用下發(fā)生了破裂，織物1 在第3 次電弧作用下發(fā)生破裂，而織物2 在第4 次電弧作用下發(fā)生破裂。

可以看出，在相同電弧能量的作用下，織物2的破裂閾能相比其他兩種織物更高，織物3 破裂閾能最低。因為織物2 中聚酰亞胺和芳綸1414均是高強度纖維，可以顯著增加織物強力，所以在面對電弧燃爆時有更高的破裂閾能，而織物3 中聚酰亞胺的含量相對較低，因此織物具有的破裂閾能也較低。

3 結論

（1）采用電弧試驗平臺和銅熱量計進行電弧能量的測量，發(fā)現(xiàn)所搭建的試驗平臺產生的電弧能量能夠造成人體二級燒傷，在此平臺下進行材料的電弧試驗具有可行性。

（2）在相同的電弧能量作用下，3 種聚酰亞胺織物表現(xiàn)出來的隔熱性，織物2 和織物3 相似，織物1 稍差。

（3）在相同的電弧能量作用下，織物2 的破裂閾值最高，其次是織物1，最后是織物3。

（4）織物1 在10 kA 的電弧能量下溫升低于Stoll 曲線在10 s 時達到二級燒傷所需的溫度。因此認為聚酰亞胺織物一定程度上可用作防電弧服。