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        防電弧紡織材料測試系統(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)量檢驗研究院,山東濟南, 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,對工作人員造成致命的傷害,因此開展防電弧面料的研究、開發(fā)高性能電弧防護服具有重要意義[1]。紡織面料電弧防護服具備很好的耐熱性、阻燃性、不熔融、H 級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,從而保護在電力行業(yè)從事運行、調(diào)試、檢測和維護等的相關(guān)工作人員,故對紡織面料電弧防護性能相關(guān)指標(biāo)進行測試和分析至關(guān)重要[2]。目前我國電力行業(yè)中使用最多的是美國杜邦公司生產(chǎn)的防電弧服,制約國產(chǎn)防電弧面料廣泛應(yīng)用的重要原因是面料的測試大都需要送檢國外,在美國和加拿大進行檢測,周期長且測試費用昂貴,嚴重影響了國內(nèi)防電弧織物的開發(fā),測試裝置的開發(fā)迫在眉睫[3]。

        近年來,國內(nèi)外學(xué)者對防電弧材料的開發(fā)研究主要集中在新型材料和涂層織物方面,在電弧防護性能測試系統(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試系統(tǒng),可用于研究電弧對材料織物結(jié)構(gòu)、性能的影響,已經(jīng)在山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院建立,可進行防電弧服面料檢測試驗,填補了國內(nèi)電弧防護性能測試機構(gòu)的空白[4]。

        本研究從國內(nèi)外標(biāo)準、測試方法和測試能力方面對我院建立的防電弧紡織材料測試系統(tǒng)進行了闡明,以期為國內(nèi)電弧防護面料的研發(fā)和測試提供參考和檢測平臺,從而有力地促進國內(nèi)防電弧服產(chǎn)品質(zhì)量提升,推動產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,減少生產(chǎn)企業(yè)、經(jīng)銷商在境外檢測機構(gòu)的支出,為保護電力行業(yè)相關(guān)工作人員的人身安全所需的特種防護提供有力的技術(shù)保障。

        1 國內(nèi)外標(biāo)準

        在電弧防護性能測試方面,美國和歐洲早已經(jīng)制定了防電弧紡織材料測試標(biāo)準,加拿大和西班牙也建立了比較完備的電弧防護性能測試實驗室[5]。我國對電弧防護的認知相對較晚,隨著電力行業(yè)標(biāo)準DL/T 320—2010《個人電弧防護用品通用技術(shù)要求》的制定[6],電力從業(yè)人員的電弧防護意識才逐漸提高。

        目前在紡織面料電弧防護性能測試方面的標(biāo)準主要有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)》。前兩個標(biāo)準都是采用開放空間中產(chǎn)生的電弧對紡織面料進行性能測試的,兩者的主要差異在于:IEC 61482—1—1:2019 測試試樣需要采用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行測試。

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

        表1 防護級別、單位面積質(zhì)量、電弧防護性能的要求

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

        2 測試方法

        本研究采用的面料電弧防護性能測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,通過測試過程中穿透測試面料的總熱量來評估其電弧防護性能。

        2.1 設(shè)備

        測試設(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組成,銅塞熱量計背面配備了熱電偶,不受氣流沖刷影響;單位面積電氣用銅片在某一時間間隔傳入的熱量等于其蓄積的熱量,測出電氣用銅片平均溫度變化率即可計算電弧能量;電弧電極由直徑19 mm的不銹鋼棒制成,長度45.0 cm;電極間熔絲通過熔斷絲連接電極的正負兩極產(chǎn)生電弧,熔斷絲在測試過程中被熔化,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)時間在0.05 s~1.50 s。采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄測試所需的電壓、電流、周期和熱量計的數(shù)值。

        2.2 制樣

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

        2.3 試驗程序

        滿足試驗條件[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]后開始測試。試驗步驟:首先,在同一面料上裁取21 個樣品,每次用3個樣品進行測試,分別裝夾在3 組平板雙傳感器上;再用一定范圍內(nèi)的入射能量進行至少7 次測試來評估面料的電弧防護等級。每塊平板對應(yīng)一個時間點的總?cè)肷淠芰渴怯蓡挝粫r間內(nèi)2 個監(jiān)控傳感器測定的結(jié)果平均而得。

        測試過程中需要滿足以下幾點:測定ATPV值需要至少20 個入射能量的平均值;平板傳感器在電弧閃爆時測得的入射能量至少有15%超過斯托爾曲線預(yù)測的二度燒傷標(biāo)準;平板傳感器在電弧閃爆時測得的入射能量至少有15%低于斯托爾曲線預(yù)測的二度燒傷標(biāo)準;平板傳感器在電弧閃爆時測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)的值會同時存在超過和不超過斯托爾標(biāo)準的情況。

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

        除此之外,通過增加或減少電弧持續(xù)時間來獲得不同入射能量以及尋找ATPV值都需要豐富的經(jīng)驗積累,這是整個試驗過程中的難點和關(guān)鍵點。

        3 測試能力

        2021 年6 月該研究涉及的防電弧紡織材料測試系統(tǒng)在我院茌平園區(qū)高壓試驗系統(tǒng)投運后,經(jīng)反復(fù)模擬,試驗電弧能夠滿足測試要求,面料測試試驗現(xiàn)場見圖2,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄的電弧波形圖數(shù)據(jù)見表2。

        圖2 阻燃布料測試試驗現(xiàn)場

        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,性能測試所需的試驗條件滿足標(biāo)準規(guī)定。

        測試過程中,采用零度合閘使每次測試電流在重復(fù)電弧閃爆時與目標(biāo)值的偏離不超過2%,從而來滿足標(biāo)準要求。

        根據(jù)電壓、電流、電弧持續(xù)時間和操作距離等相關(guān)影響因素,計算預(yù)計可能的電弧危害能量。用式(1)計算入射能量。其中,式(1)典型條件為燃弧時間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,lgIa=0.004 02+0.983×lgIbf=0.894 8,K1=-0.792,K2=-0.113,G=305 時,利用公式(1)可計算得到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)計算實際攝入能量:

        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為燃弧時間(s);D為操作距離即燃弧點到人體實際距離(mm);x為距離指數(shù)。

        當(dāng)Cf=1.0,t=0.181 s,D=200 mm,x=2時,可得到實際攝入能量E=21.041 cal/cm2。通過對至少20 組測定數(shù)據(jù)進行計算,將測試數(shù)據(jù)結(jié)果進行邏輯回歸分析,可確定ATPV值用來評估面料的電弧防護性能。

        通過測試,驗證確定了防電弧紡織材料測試系統(tǒng)在電弧紡織材料試驗方面具備檢測能力,能夠提供測試所需的試驗環(huán)境和條件,在電弧閃爆時可以有效測得電弧能量,從而有助于評估紡織面料電弧防護性能,為電防護服行業(yè)的發(fā)展提供測試服務(wù)和技術(shù)保障。

        4 結(jié)語

        電力行業(yè)是直接關(guān)系到國計民生的基礎(chǔ)性行業(yè),保證電力生產(chǎn)的安全運行就是保證經(jīng)濟社會的平穩(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)展乃至社會穩(wěn)定。

        該研究涉及的測試系統(tǒng)平臺可通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)對試驗電壓、試驗電流、功率因數(shù)、通電時間、合閘角度等的精確控制,能夠滿足防電弧性能測試的需要,是目前國內(nèi)已具備防護服防電弧等級檢測能力的實驗室,填補了國內(nèi)電弧防護性能測試實驗室的空白,改變防電弧面料只能依靠國外檢測的局面,促進我國防電弧面料的開發(fā)、生產(chǎn)和檢測,對提高其質(zhì)量及防護水平具有重要意義。

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