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        防電弧紡織材料測(cè)試系統(tǒng)的研究

        2022-07-15 06:04:06員雪峰
        棉紡織技術(shù) 2022年7期
        關(guān)鍵詞:電弧平板面料

        張 靜 周 媛 叢 林 員雪峰 張 超

        (山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院,山東濟(jì)南, 250102)

        電弧是高壓電器在短路或介質(zhì)被擊穿情況下的瞬間放電,瞬間釋放的巨大熱量能直接燒傷皮膚或引燃服裝,對(duì)工作人員造成致命的傷害,因此開(kāi)展防電弧面料的研究、開(kāi)發(fā)高性能電弧防護(hù)服具有重要意義[1]。紡織面料電弧防護(hù)服具備很好的耐熱性、阻燃性、不熔融、H 級(jí)電絕緣和永久性防火等性能,可將人體皮膚與電弧熱能的接觸傷害降至最低,從而保護(hù)在電力行業(yè)從事運(yùn)行、調(diào)試、檢測(cè)和維護(hù)等的相關(guān)工作人員,故對(duì)紡織面料電弧防護(hù)性能相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試和分析至關(guān)重要[2]。目前我國(guó)電力行業(yè)中使用最多的是美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)的防電弧服,制約國(guó)產(chǎn)防電弧面料廣泛應(yīng)用的重要原因是面料的測(cè)試大都需要送檢國(guó)外,在美國(guó)和加拿大進(jìn)行檢測(cè),周期長(zhǎng)且測(cè)試費(fèi)用昂貴,嚴(yán)重影響了國(guó)內(nèi)防電弧織物的開(kāi)發(fā),測(cè)試裝置的開(kāi)發(fā)迫在眉睫[3]。

        近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)防電弧材料的開(kāi)發(fā)研究主要集中在新型材料和涂層織物方面,在電弧防護(hù)性能測(cè)試系統(tǒng)方面缺乏深入的研究。周永濤等人基于燃弧發(fā)生裝置構(gòu)建防電弧紡織材料測(cè)試系統(tǒng),可用于研究電弧對(duì)材料織物結(jié)構(gòu)、性能的影響,已經(jīng)在山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院建立,可進(jìn)行防電弧服面料檢測(cè)試驗(yàn),填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)電弧防護(hù)性能測(cè)試機(jī)構(gòu)的空白[4]。

        本研究從國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試方法和測(cè)試能力方面對(duì)我院建立的防電弧紡織材料測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了闡明,以期為國(guó)內(nèi)電弧防護(hù)面料的研發(fā)和測(cè)試提供參考和檢測(cè)平臺(tái),從而有力地促進(jìn)國(guó)內(nèi)防電弧服產(chǎn)品質(zhì)量提升,推動(dòng)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,減少生產(chǎn)企業(yè)、經(jīng)銷(xiāo)商在境外檢測(cè)機(jī)構(gòu)的支出,為保護(hù)電力行業(yè)相關(guān)工作人員的人身安全所需的特種防護(hù)提供有力的技術(shù)保障。

        1 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)

        在電弧防護(hù)性能測(cè)試方面,美國(guó)和歐洲早已經(jīng)制定了防電弧紡織材料測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),加拿大和西班牙也建立了比較完備的電弧防護(hù)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)室[5]。我國(guó)對(duì)電弧防護(hù)的認(rèn)知相對(duì)較晚,隨著電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 320—2010《個(gè)人電弧防護(hù)用品通用技術(shù)要求》的制定[6],電力從業(yè)人員的電弧防護(hù)意識(shí)才逐漸提高。

        目前在紡織面料電弧防護(hù)性能測(cè)試方面的標(biāo)準(zhǔn)主要有ASTM F1959/F1959M—14《Standard Test Method for Determining the Arc Rating of Materials for Clothing》、IEC 61482—1—1:2019《Live Working—Protective Clothing Against the Thermal Hazards of an Electric Arc—Part 1—1:Test Methods—Method 1:Determination of the Arc Rating(ELIM,ATPVand/orEBT)of Cloth?ing Materials and of Protective Clothing Using an Open Arc》、IEC 61482—1—2:2014《Live Work?ing—Protective Clothing Against the Thermal Hazards of an Electric Arc—Part 1—2:Test Meth?ods—Method 2:Determination of Arc Protection Class of Material and Clothing by Using a Con?strained and Directed Arc(Box Test)》。前兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都是采用開(kāi)放空間中產(chǎn)生的電弧對(duì)紡織面料進(jìn)行性能測(cè)試的,兩者的主要差異在于:IEC 61482—1—1:2019 測(cè)試試樣需要采用ISO 6330:2012《Textiles—Domestic Washing and Drying Proce?dures for Textile Testing》水洗方式處理,而ASTM F1959/F1959M—14 測(cè)試試樣則需要采用AATCC Test Method 135—2018《Dimensional Changes of Fabrics after Home Laundering》水 洗方式處理。在IEC 61482—1—2:2014 中采用有約束的定向電弧進(jìn)行測(cè)試。

        本研究涉及的防電弧紡織材料測(cè)試系統(tǒng)是按照ASTM F1959/F1959M—14 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行構(gòu)建的,該標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)的面料電弧性能測(cè)試方法目前被歐洲和我國(guó)廣泛采用,分別利用織物前、后的熱流計(jì)測(cè)試入射電弧能量和透過(guò)織物電弧能量,進(jìn)而分析得到電弧防護(hù)性能。最常用的指標(biāo)有電弧熱防護(hù)性能值(ATPV值)和材料破裂閾能值(EBT值)。ATPV值反映面料強(qiáng)力作用大于熱防護(hù)性能,當(dāng)已經(jīng)達(dá)到產(chǎn)生二級(jí)燒傷的入射能量時(shí)面料沒(méi)有破裂;EBT值反映熱防護(hù)性能優(yōu)于面料強(qiáng)力,當(dāng)未達(dá)到造成二級(jí)燒傷的入射能量時(shí),面料出現(xiàn)破裂[7]。將面料防護(hù)性能按照表1 中的規(guī)定分為4 個(gè)級(jí)別,不同的防護(hù)級(jí)別需同時(shí)達(dá)到電弧防護(hù)性能(AT?PV值、EBT值)和單位面積質(zhì)量的要求。

        表1 防護(hù)級(jí)別、單位面積質(zhì)量、電弧防護(hù)性能的要求

        通常當(dāng)外界入射能量小于該面料的ATPV值時(shí),面料能有效阻隔和減少透過(guò)的能量,避免造成人體Ⅱ度及以上的灼傷。ATPV值和EBT值存在細(xì)微差別,但無(wú)顯著差異,本研究通過(guò)搭建的防電弧紡織材料測(cè)試系統(tǒng),進(jìn)行至少7 次燃弧試驗(yàn),得到至少20 個(gè)有效測(cè)試結(jié)果,從而獲得ATPV值來(lái)表征紡織面料的電弧防護(hù)性能。

        2 測(cè)試方法

        本研究采用的面料電弧防護(hù)性能測(cè)試方法是在斯托爾曲線模型下,電弧閃爆能量有50%可能造成人體Ⅱ度燒傷的能量值,通過(guò)測(cè)試過(guò)程中穿透測(cè)試面料的總熱量來(lái)評(píng)估其電弧防護(hù)性能。

        2.1 設(shè)備

        測(cè)試設(shè)備由電源總線、電弧控制器、記錄儀、電弧電極、3 組平板傳感器和監(jiān)控傳感器組成。由于電弧閃爆的不確定性,在各傳感器上可以觀察到不同的熱傳遞值。3 組平板傳感器等間隔排列,每組間隔120°;每組平板傳感器的尺寸為(20.3±1.3)cm×(54.6±1.3)cm,其兩側(cè)各安裝一個(gè)監(jiān)控傳感器;每組平板傳感器和監(jiān)控傳感器都是固定在熱絕緣材料上的,安裝有調(diào)節(jié)距離和鎖定功能的滑動(dòng)裝置;每組平板傳感器距電弧電極中心線的距離r1和監(jiān)控傳感器距電弧電極中心線的距離r2都應(yīng)調(diào)整在20 cm~60 cm。監(jiān)控傳感器和3 組平板傳感器布局見(jiàn)圖1。

        圖1 監(jiān)控傳感器和3 組平板傳感器布局圖

        該系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備滿足以下條件:安裝的平板傳感器和監(jiān)控傳感器都是由銅塞熱量計(jì)組成,銅塞熱量計(jì)背面配備了熱電偶,不受氣流沖刷影響;單位面積電氣用銅片在某一時(shí)間間隔傳入的熱量等于其蓄積的熱量,測(cè)出電氣用銅片平均溫度變化率即可計(jì)算電弧能量;電弧電極由直徑19 mm的不銹鋼棒制成,長(zhǎng)度45.0 cm;電極間熔絲通過(guò)熔斷絲連接電極的正負(fù)兩極產(chǎn)生電弧,熔斷絲在測(cè)試過(guò)程中被熔化,熔斷絲為銅導(dǎo)線,其直徑不大于0.5 mm;電源滿足在30.5 cm 的間隙產(chǎn)生電弧放電的電極距離(即電極間距);電源回路為頻率50 Hz 的交流電,電弧電流在4 000 A~25 000 A之間,電弧持續(xù)時(shí)間在0.05 s~1.50 s。采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄測(cè)試所需的電壓、電流、周期和熱量計(jì)的數(shù)值。

        2.2 制樣

        測(cè)試面料連續(xù)洗滌3 次后進(jìn)行烘干,平鋪在制樣臺(tái)上,并適當(dāng)按壓使其恢復(fù)平整。洗滌后作為測(cè)試樣品,樣品的長(zhǎng)度方向是沿著面料的經(jīng)向或緯向進(jìn)行裁剪的,洗滌后的樣品尺寸長(zhǎng)度不小于61.0 cm、寬度不小于30.5 cm,允許在洗滌過(guò)程中出現(xiàn)織物收縮。從測(cè)試樣品中隨機(jī)選出3 個(gè)樣品用來(lái)測(cè)定送檢面料的單位面積質(zhì)量,不同防護(hù)級(jí)別的電弧防護(hù)面料在單位面積質(zhì)量上的要求是不一樣的,需要滿足表1 的規(guī)定。

        2.3 試驗(yàn)程序

        滿足試驗(yàn)條件[電弧電流(8±1)kA,電極間距30.5 cm,電弧電極的中心線至樣品表面距離調(diào)整在20 cm~60 cm 之間]后開(kāi)始測(cè)試。試驗(yàn)步驟:首先,在同一面料上裁取21 個(gè)樣品,每次用3個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)試,分別裝夾在3 組平板雙傳感器上;再用一定范圍內(nèi)的入射能量進(jìn)行至少7 次測(cè)試來(lái)評(píng)估面料的電弧防護(hù)等級(jí)。每塊平板對(duì)應(yīng)一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的總?cè)肷淠芰渴怯蓡挝粫r(shí)間內(nèi)2 個(gè)監(jiān)控傳感器測(cè)定的結(jié)果平均而得。

        測(cè)試過(guò)程中需要滿足以下幾點(diǎn):測(cè)定ATPV值需要至少20 個(gè)入射能量的平均值;平板傳感器在電弧閃爆時(shí)測(cè)得的入射能量至少有15%超過(guò)斯托爾曲線預(yù)測(cè)的二度燒傷標(biāo)準(zhǔn);平板傳感器在電弧閃爆時(shí)測(cè)得的入射能量至少有15%低于斯托爾曲線預(yù)測(cè)的二度燒傷標(biāo)準(zhǔn);平板傳感器在電弧閃爆時(shí)測(cè)定的入射能量至少有50%落在最終ATPV值的±20%公差范圍內(nèi),此范圍內(nèi)的值會(huì)同時(shí)存在超過(guò)和不超過(guò)斯托爾標(biāo)準(zhǔn)的情況。

        值得注意的是,為滿足上述要求可采用迭代法。在最開(kāi)始兩次電弧閃爆后,如果6 個(gè)測(cè)試結(jié)果既有高于斯托爾曲線標(biāo)準(zhǔn),又有低于斯托爾曲線標(biāo)準(zhǔn)時(shí),可確定ATPV值的一個(gè)預(yù)估值,用此預(yù)估值作為后續(xù)測(cè)試的參考,使得測(cè)試結(jié)果有50% 落在樣品最終ATPV值的20% 公差范圍內(nèi)。也就是說(shuō),21 個(gè)測(cè)得數(shù)據(jù)中應(yīng)至少有11 個(gè)的入射能量值在最終ATPV值的20%公差范圍內(nèi),才認(rèn)為所有數(shù)據(jù)有效,不用再增加測(cè)試次數(shù)。

        除此之外,通過(guò)增加或減少電弧持續(xù)時(shí)間來(lái)獲得不同入射能量以及尋找ATPV值都需要豐富的經(jīng)驗(yàn)積累,這是整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。

        3 測(cè)試能力

        2021 年6 月該研究涉及的防電弧紡織材料測(cè)試系統(tǒng)在我院茌平園區(qū)高壓試驗(yàn)系統(tǒng)投運(yùn)后,經(jīng)反復(fù)模擬,試驗(yàn)電弧能夠滿足測(cè)試要求,面料測(cè)試試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖2,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄的電弧波形圖數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

        圖2 阻燃布料測(cè)試試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

        表2 電弧波形圖數(shù)據(jù)

        從表2 可以看出,電弧電流在(8±1)kA 之間,電弧持續(xù)時(shí)間在0.05 s~1.5 s 之間,電流峰值與有效值之比小于2.3,性能測(cè)試所需的試驗(yàn)條件滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

        測(cè)試過(guò)程中,采用零度合閘使每次測(cè)試電流在重復(fù)電弧閃爆時(shí)與目標(biāo)值的偏離不超過(guò)2%,從而來(lái)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

        根據(jù)電壓、電流、電弧持續(xù)時(shí)間和操作距離等相關(guān)影響因素,計(jì)算預(yù)計(jì)可能的電弧危害能量。用式(1)計(jì)算入射能量。其中,式(1)典型條件為燃弧時(shí)間0.2 s,最可能電弧源距人610 mm。

        式中:En為典型攝入能量(cal/cm2);K1為常數(shù)(開(kāi)放空間為-0.792,封閉空間為-0.555);K2為常數(shù)(未接地或者高阻抗接地系統(tǒng)為0;接地系統(tǒng)為-0.113);G為導(dǎo)體間距離(mm)。

        當(dāng)Ibf=8.058 kA 時(shí),lgIa=0.004 02+0.983×lgIbf=0.894 8,K1=-0.792,K2=-0.113,G=305 時(shí),利用公式(1)可計(jì)算得到0.2 s/610 mm 典型條件下的攝入能量En=2.499 cal/cm2。

        然后用式(2)計(jì)算實(shí)際攝入能量:

        式中:Cf為換算因子(系統(tǒng)電壓高于1 kV 為1.0,低于1 kV 為1.5);t為燃弧時(shí)間(s);D為操作距離即燃弧點(diǎn)到人體實(shí)際距離(mm);x為距離指數(shù)。

        當(dāng)Cf=1.0,t=0.181 s,D=200 mm,x=2時(shí),可得到實(shí)際攝入能量E=21.041 cal/cm2。通過(guò)對(duì)至少20 組測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,將測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行邏輯回歸分析,可確定ATPV值用來(lái)評(píng)估面料的電弧防護(hù)性能。

        通過(guò)測(cè)試,驗(yàn)證確定了防電弧紡織材料測(cè)試系統(tǒng)在電弧紡織材料試驗(yàn)方面具備檢測(cè)能力,能夠提供測(cè)試所需的試驗(yàn)環(huán)境和條件,在電弧閃爆時(shí)可以有效測(cè)得電弧能量,從而有助于評(píng)估紡織面料電弧防護(hù)性能,為電防護(hù)服行業(yè)的發(fā)展提供測(cè)試服務(wù)和技術(shù)保障。

        4 結(jié)語(yǔ)

        電力行業(yè)是直接關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的基礎(chǔ)性行業(yè),保證電力生產(chǎn)的安全運(yùn)行就是保證經(jīng)濟(jì)社會(huì)的平穩(wěn)發(fā)展,電力從業(yè)人員的人身安全關(guān)系到企業(yè)發(fā)展乃至社會(huì)穩(wěn)定。

        該研究涉及的測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)可通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)電壓、試驗(yàn)電流、功率因數(shù)、通電時(shí)間、合閘角度等的精確控制,能夠滿足防電弧性能測(cè)試的需要,是目前國(guó)內(nèi)已具備防護(hù)服防電弧等級(jí)檢測(cè)能力的實(shí)驗(yàn)室,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)電弧防護(hù)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)室的空白,改變防電弧面料只能依靠國(guó)外檢測(cè)的局面,促進(jìn)我國(guó)防電弧面料的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和檢測(cè),對(duì)提高其質(zhì)量及防護(hù)水平具有重要意義。

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