趙琦 尹環(huán)環(huán) 劉亞

摘 要：有效評(píng)價(jià)防電弧紡織材料是產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用的關(guān)鍵，國(guó)內(nèi)之前尚無電弧防護(hù)性能測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試能力，在防電弧紡織材料電弧防護(hù)等級(jí)測(cè)試方面還是空白。本文簡(jiǎn)要分析電弧的危害和防電弧織物的特性，重點(diǎn)介紹了防電弧紡織材料電弧直接測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建，通過直接測(cè)試系統(tǒng)的控制來滿足防電弧面料的電弧試驗(yàn)參數(shù)，該測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用在全國(guó)尚屬首例。該系統(tǒng)為國(guó)內(nèi)防電弧織物的開發(fā)提供試驗(yàn)支持，促進(jìn)國(guó)內(nèi)紡織業(yè)開發(fā)出更高等級(jí)的防電弧紡織材料。

關(guān)鍵詞：電弧，燃弧發(fā)生系統(tǒng)，防電弧紡織材料，電弧熱防護(hù)性能值（ATPV）

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.19.036

Research on Arc Direct Test System of Arc-proof Clothing for High Voltage System

ZHAO Qi* YIN Huan-huan LIU Ya

（Shandong Institute for Product Quality Inspection）

Abstract： Effective evaluation of anti-arc textile materials is the key to product development and application. There is no test system and test ability of ARC protection performance in China， and there is no test on arc protection grade of arcproof textile materials. This paper briefl y analyzes the hazards of arc and the characteristics of anti-arc fabrics， focuses on the construction of arc direct test system for anti-arc textile materials， and meets the arc test parameters of anti-arc fabrics through the control of direct test systems，which is the fi rst case to apply the test system in China. which provides test support for the development of domestic anti-arc fabrics， and promotes the development of higher grades of anti-arc textile materials in the domestic textile industry.

Keywords： arc， high-voltage ARC ignition system， arc-proof textile materials， arc thermal performance value （ATPV）

0 引 言

電弧事故難以預(yù)測(cè)，且電弧事故常造成重大人身傷害[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，電工在不停電作業(yè)過程中發(fā)生的電弧事故，裸露在外的頭頸部和手部燒傷比例超過60%。大多事故是由于帶電部位絕緣隔離措施不全，人員作業(yè)方式方法不當(dāng)、工器具選用不合適和動(dòng)作幅度過大等原因造成設(shè)備短路。作業(yè)人員裸露在外的頭頸部和手部最接近電弧發(fā)生的位置，燒傷機(jī)率也最大。因此在操作過程中使用防電弧服可以有效地避免熱灼傷及飛濺物的傷害。

目前國(guó)際上選擇電弧個(gè)體防護(hù)裝備的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)仍然缺失，ISSA最新修訂的《暴露于故障電弧熱影響下的個(gè)體防護(hù)裝備選擇指南》（以下簡(jiǎn)稱《指南》）提供了統(tǒng)一的解決方案，總結(jié)了電弧危害、電弧測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和個(gè)體防護(hù)裝備要求[2]。加拿大和西班牙建立了電弧防護(hù)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，國(guó)內(nèi)陜西元豐紡織技術(shù)研究有限公司、南通大學(xué)等機(jī)構(gòu)在防電弧紡織材料開發(fā)方面進(jìn)行了一定的研究[3～7]。但國(guó)內(nèi)目前尚無電弧防護(hù)性能直接測(cè)試系統(tǒng)和裝置，在防電弧織物防護(hù)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)方面還是空白。本文以《指南》為依據(jù)，搭建了防電弧紡織材料電弧直接測(cè)試系統(tǒng)，通過直接測(cè)試系統(tǒng)的控制來滿足防電弧面料的電弧試驗(yàn)參數(shù)。該系統(tǒng)為國(guó)內(nèi)防電弧織物的開發(fā)提供試驗(yàn)支持，目前在全國(guó)尚屬首例。

1 電弧防護(hù)紡織材料標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

有效評(píng)價(jià)防電弧紡織材料是產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用的關(guān)鍵，目前國(guó)際上常用的防電弧紡織材料試驗(yàn)方法有兩種：ASTM F1959《防護(hù)服材料確定防電弧等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》和IEC 61482-1-1《帶電作業(yè)-防電弧熱危害的防護(hù)服-1-1部分：試驗(yàn)方法；方法1：服裝用阻燃材料的電弧等級(jí)測(cè)定（ATPV或Ebt50）》。

ASTM F1959該標(biāo)準(zhǔn)建立的面料電弧性能測(cè)試方法目前被歐洲和我國(guó)廣泛采用，最常用的指標(biāo)有兩個(gè)：一是ATPV（Arc Thermal Performance Value），即電弧熱性能值，定義為入射到材料或多層材料系統(tǒng)上有50%可能性導(dǎo)致皮膚二級(jí)燒傷的能量值。ATPV值越大，其電弧防護(hù)性能越好。電弧防護(hù)產(chǎn)品在發(fā)生電弧時(shí)，可有效減少入射電弧能量，降低電弧對(duì)人體可能的傷害能力[8]。二是Ebt（Breakopen Threshold Energy），即破裂值，定義為入射到材料或材料系統(tǒng)上，有50%可能性導(dǎo)致試樣破裂的能量值。

ASTM F1959、IEC 61482-1-1電弧防護(hù)性能評(píng)價(jià)方法主要評(píng)價(jià)紡織品對(duì)電弧熱的防護(hù)效果，兩者方法基本相同：利用開放空間中產(chǎn)生的電弧對(duì)面料進(jìn)行測(cè)試，采集透過布料后的電弧能量，通過斯托爾曲線判斷是否會(huì)產(chǎn)生二級(jí)燒傷，利用統(tǒng)計(jì)方法得到ATPV和面料的破裂閾值（EBT）。一般至少需要7次燃弧實(shí)驗(yàn)得到至少20個(gè)有效測(cè)試結(jié)果才能統(tǒng)計(jì)得到ATPV。二者的主要差異在于：IEC 61482-1-1測(cè)試試樣需要采用ISO 6330水洗方式處理，而ASTM F1959測(cè)試試樣則需要采用AATCC 135水洗方式處理。

我國(guó)的防電弧織物相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行有效的只有電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 320-2019，該標(biāo)準(zhǔn)既規(guī)定了電弧危害評(píng)估方法和電弧防護(hù)用品的選配方法，又對(duì)防電弧服、防電弧手套、防電弧面罩等提出了技術(shù)要求，其中對(duì)防電弧服織物的阻燃性能、高溫尺寸穩(wěn)定性能、機(jī)械性能和電弧防護(hù)性等提出了具體要求[9]。由于國(guó)內(nèi)之前尚無電弧防護(hù)性能測(cè)試系統(tǒng)和裝置，在防電弧織物防護(hù)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)方面還是空白，所以國(guó)內(nèi)沒有單獨(dú)建立該項(xiàng)目測(cè)試的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。DL/T 320標(biāo)準(zhǔn)中描述的試驗(yàn)方法基本等同采納ASTM F 1959標(biāo)準(zhǔn)（包括AATCC 135水洗方式處理）。但ASTM F1959/F1959M-2012《測(cè)定防護(hù)服材料耐電弧熱性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》中只介紹了試驗(yàn)方法、試驗(yàn)參數(shù)，出于技術(shù)壟斷，未公布如何搭建直接測(cè)試系統(tǒng)的方案。

2 防電弧紡織材料直接測(cè)試系統(tǒng)

防電弧紡織材料直接測(cè)試系統(tǒng)的搭建可進(jìn)行電弧作用對(duì)材料織物機(jī)構(gòu)、性能的影響研究，建立電弧防護(hù)性能直接評(píng)價(jià)能力，對(duì)我國(guó)高等電弧防護(hù)紡織材料的開發(fā)工作尤為重要，在打破歐美壟斷的技術(shù)壁壘下，有利于提升我國(guó)應(yīng)急救援防護(hù)材料的整體競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)行業(yè)的發(fā)展具有重要意義[10]。直接測(cè)試系統(tǒng)由燃弧發(fā)生系統(tǒng)和熱通量測(cè)試系統(tǒng)兩部分組成。

燃弧發(fā)生系統(tǒng)主要由沖擊發(fā)電機(jī)、保護(hù)斷路器、操作斷路器、選相合閘開關(guān)、調(diào)節(jié)電抗器、調(diào)節(jié)電阻器、調(diào)壓變壓器、引弧裝置等組成，可對(duì)試驗(yàn)電壓、試驗(yàn)電流、峰值電流、通電時(shí)間、合閘角度等試驗(yàn)參數(shù)實(shí)現(xiàn)精確的控制，完全滿足防電弧服性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的要求。

系統(tǒng)采用一臺(tái)3200 MVA的短路沖擊發(fā)電機(jī)做為供電電源，實(shí)際有功功率可達(dá)1600 MVA，為50 Hz/60 Hz雙頻發(fā)電機(jī)。沖擊發(fā)電機(jī)出線端依次連接保護(hù)斷路器、操作斷路器、選相合閘開關(guān)、調(diào)節(jié)電抗器、調(diào)節(jié)電阻器、調(diào)壓變壓器、引弧裝置。斷路器用來實(shí)現(xiàn)對(duì)通電時(shí)間的控制，通過調(diào)節(jié)電抗器（調(diào)節(jié)阻值范圍6～390 mΩ）來滿足試驗(yàn)電流，調(diào)節(jié)電阻器（調(diào)節(jié)阻值范圍1.64～160 mΩ）來滿足回路功率因數(shù)，選相合閘開關(guān)實(shí)現(xiàn)了對(duì)峰值電流的調(diào)節(jié)，調(diào)壓變壓器實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)電壓的調(diào)節(jié)，引弧裝置用來引燃電弧。系統(tǒng)的二次線路再通過分壓器及分流器、積分器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)測(cè)量。具體原理圖如圖1 所示。

ASTM F1959/F1959M-2012《測(cè)定防護(hù)服材料耐電弧熱性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》中標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求：（1）頻率為60 Hz；（2）電弧電流在4 kA到25 kA之間，電弧持續(xù)時(shí)間為0.05～1.5 s；（3）峰值電流為2.3倍的電弧電流[11-12]。防電弧紡織材料直接測(cè)試系統(tǒng)可完全滿足以上測(cè)試條件。在試驗(yàn)中，通過直徑不大于0.5 mm的銅導(dǎo)線熔絲連接引弧裝置的正負(fù)兩極產(chǎn)生電弧，在測(cè)試過程中融化從而產(chǎn)生足夠的能量來完成測(cè)試。

熱通量測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定面料暴露于電弧閃爆時(shí)及閃爆后，透過面料的熱量。該測(cè)試設(shè)備由電源總線、記錄儀、三組雙傳感器平板和監(jiān)控傳感器組成。

以某防電弧紡織材料產(chǎn)品為例，進(jìn)行燃弧系統(tǒng)測(cè)試。圖2為電弧閃爆前、閃爆中、閃爆后的測(cè)試，記錄三個(gè)狀態(tài)下每個(gè)熱量計(jì)上傳感器的讀數(shù)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過HBM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄測(cè)試所需要的電壓、電流、時(shí)間和熱量計(jì)的數(shù)值以及面料的測(cè)后狀態(tài)。圖3為電弧閃爆的示波圖，記錄測(cè)試的電壓、電流和時(shí)間，通過直接測(cè)試系統(tǒng)可有效控制燃弧時(shí)間、能量限值等參數(shù)，詳見表1。

銅塞熱量計(jì)來測(cè)定試樣的暴露熱能和熱交換值，利用銅的已知熱物理特性來確定傳輸?shù)胶屯高^試樣的各種熱能。通過測(cè)試過程中穿透測(cè)試面料的總熱量進(jìn)行評(píng)估，驗(yàn)證防電弧紡織材料的電弧防護(hù)性能。

4 結(jié) 語

本研究構(gòu)建的防電弧性能直接測(cè)試系統(tǒng)是采用開放空間中產(chǎn)生的電弧對(duì)面料進(jìn)行測(cè)試，已滿足產(chǎn)品測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中燃弧持續(xù)時(shí)間、發(fā)生燃弧能量的可調(diào)整區(qū)間等關(guān)鍵參數(shù)。該系統(tǒng)為國(guó)內(nèi)防電弧織物的開發(fā)提供試驗(yàn)支持，該測(cè)試在全國(guó)尚屬首例，有助于研究防護(hù)材料在電弧作用下的宏觀變化規(guī)律，研究電弧防護(hù)機(jī)理，促進(jìn)開發(fā)出更高等級(jí)的防電弧紡織材料。

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作者簡(jiǎn)介

趙琦，高級(jí)工程師，碩士，主要從事高、低壓電器產(chǎn)品的檢驗(yàn)工作。

（責(zé)任編輯：袁文靜）