防電弧紡織材料測試系統(tǒng)的構(gòu)建

周永濤 王秀麗 周 媛 叢 林 孫啟龍

（1.山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，山東濟(jì)南，250102；2.南通大學(xué)，江蘇南通，226019）

隨著電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展，保障其安全性尤為重要，其中人身安全關(guān)乎員工利益、企業(yè)發(fā)展乃至社會(huì)穩(wěn)定，電弧引起的事故是威脅人身安全的事故之一［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電弧燃爆事件平均每天發(fā)生5次到10次［2］。目前在電弧防護(hù)性能測試方面，美國和歐洲等國制定了防電弧紡織材料測試標(biāo) 準(zhǔn)ASTM F1959/F1959M—2014《Standard Test Method for Determining the Arc Rating of Materials for Clothing》［3］、NFPA 70E《Standard for Electrical Safety Requirements for Employee Workplaces》［4］、IEC61482《Live Working—Protec?tive Clothing against the Thermal Hazards of an Electric Arc—Part 1?2：Test Methods—Method 2：Determination of Arc Protection Class of Material and Clothing by Using a Constrained and Directed Arc（Box Test）》［5］等，加拿大和西班牙建立了電弧防護(hù)性能測試實(shí)驗(yàn)室。國內(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［6?10］，但由于國內(nèi)測試機(jī)構(gòu)沒有相關(guān)測試能力且缺少相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)，我國防電弧紡織材料的開發(fā)主要是對國外產(chǎn)品的模仿，缺乏深入的研究，在電弧防護(hù)性能測試系統(tǒng)方面的研究也較欠缺，不利于進(jìn)一步研究防電弧紡織材料在電弧作用下的微觀、宏觀變化規(guī)律，揭示電弧防護(hù)機(jī)理。

本研究基于燃弧發(fā)生裝置構(gòu)建防電弧紡織材料測試系統(tǒng)，測試系統(tǒng)包括燃弧發(fā)生系統(tǒng)和熱通量測試系統(tǒng)兩大部分。測試系統(tǒng)搭建后可進(jìn)行電弧作用對材料織物結(jié)構(gòu)、性能的影響研究，建立電弧防護(hù)性能間接評價(jià)體系，對我國高等級電弧防護(hù)紡織材料的開發(fā)工作尤為必要，同時(shí)有利于提升我國應(yīng)急救援特種防護(hù)材料的整體競爭力，對行業(yè)的發(fā)展具有重大意義。

1 電弧及其危害

電弧是電流通過某些絕緣介質(zhì)（如空氣）所產(chǎn)生的瞬間火花，呈現(xiàn)弧狀白光并產(chǎn)生高溫高導(dǎo)電的游離氣體，同時(shí)釋放大量能量對人身造成傷害或?qū)υO(shè)備造成損壞。電弧事故對工作人員的危害主要是熱灼傷，還有觸電傷害、熔融金屬燙傷、爆炸及壓力波沖擊等［11］。電弧防護(hù)用品在發(fā)生電弧時(shí)，能夠有效減少入射的電弧能量，降低電弧對人體可能的傷害能力［12］。因此，電弧防護(hù)用品紡織材料的性能至關(guān)重要。

2 燃弧發(fā)生裝置

燃弧發(fā)生裝置可用在紡織材料的電弧試驗(yàn)中，確定材料、織物或織物系統(tǒng)在接觸電弧熱能時(shí)的傳熱響應(yīng)，可用于測量工作人員暴露在產(chǎn)生熱流率2 cal/（cm2·s）～600 cal/（cm2·s）的電弧 下防電弧紡織材料的電弧額定值，用于描述材料的特性，以應(yīng)對電弧的對流和輻射能。

本測試標(biāo)準(zhǔn)為ASTM F1959/F1959M—2014《Standard Test Method for Determining the Arc Rating of Materials for Clothing》，可以通過材料、織物或織物系統(tǒng)暴露于電弧產(chǎn)生的熱能確定熱傳遞響應(yīng)。利用透過織物的電弧能量與斯托爾曲線相比，對熱傳遞響應(yīng)進(jìn)行評估，得到近似人體組織二級燒傷耐受預(yù)測模型。

本研究提供一種紡織材料防電弧性能測試試驗(yàn)裝置及方法，用于測定材料或材料組合的電弧額定值。本試驗(yàn)方法保持試樣處于垂直靜止?fàn)顟B(tài)，不涉及運(yùn)動(dòng)，除了為將試樣暴露于電弧下而進(jìn)行的移動(dòng)。燃弧發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 燃弧發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)示意圖

該裝置排放大量能量。此外，電弧產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的光，應(yīng)采取措施保護(hù)在該區(qū)域的工作人員。為防止觸電和接觸熔融金屬，工作人員應(yīng)站在防護(hù)欄后面或保持安全距離。如果試驗(yàn)是在室內(nèi)進(jìn)行的，則應(yīng)有通風(fēng)裝置，以便將燃燒煙霧帶離該區(qū)域。氣流會(huì)干擾電弧，減少量熱計(jì)表面的熱流。室外試驗(yàn)應(yīng)以適當(dāng)方式進(jìn)行，以防止試樣暴露于濕氣和風(fēng)中。每次試驗(yàn)后，應(yīng)立即關(guān)閉測試設(shè)備的接通電源和實(shí)驗(yàn)室其他用來產(chǎn)生電弧的設(shè)備。測試儀器和其他實(shí)驗(yàn)室設(shè)備應(yīng)隔離接地。

3 防電弧紡織材料測試系統(tǒng)

防電弧紡織材料測試系統(tǒng)包括燃弧發(fā)生系統(tǒng)和熱通量測試系統(tǒng)兩大部分。

3.1 燃弧發(fā)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

燃弧發(fā)生系統(tǒng)主要包括試驗(yàn)控制模塊和燃弧發(fā)生模塊兩部分。試驗(yàn)控制模塊是對原有低壓成套設(shè)備通斷試驗(yàn)控制系統(tǒng)進(jìn)行的技術(shù)升級改造，通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對試驗(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。具體的設(shè)計(jì)試驗(yàn)參數(shù)：試驗(yàn)電壓100 V～1 500 V，精度±3%；試驗(yàn)電流4 kA～25 k A，精度±2%；功率因數(shù)0.2～0.5，精 度 ±0.05%；通 電 時(shí) 間50 ms～1 500 ms，精度±10 ms；合閘角度0°，精度±3°。燃弧發(fā)生模塊由沖擊變壓器、母線干線系統(tǒng)、萬能式斷路器、選相開關(guān)等組成。試驗(yàn)時(shí)，通過銅絲使導(dǎo)體相間短路，模擬產(chǎn)生要求能量和時(shí)間的電弧。

3.2 熱通量測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熱通量測試系統(tǒng)主要包括試驗(yàn)支架和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)兩部分，如圖2所示。試驗(yàn)支架主體采用槽鋼/方管制成，包括電極、絕緣支撐、樣品夾具等3部分，尺寸1 000 mm×1 000 mm×2 400 mm；電極采用標(biāo)稱直徑19 mm、長度45.0 cm的不銹鋼（合金303型或304型）棒制成，電極上下可調(diào)，以滿足電極與夾具之間距離要求；絕緣支撐采用耐受35 kV的高壓絕緣子，按照120°均勻分布；樣品夾具與試驗(yàn)支架采用可移動(dòng)滑軌連接，使夾具能夠前后、上下調(diào)節(jié)。

圖2 電弧熱通量測試系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)采用NIPCI?6232型多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了安全高效的隔離和性能優(yōu)越的定時(shí)、放大和校準(zhǔn)技術(shù)，提供精確測量和精準(zhǔn)控制，其技術(shù)參數(shù)如下。模擬輸入通道數(shù)為6路差分通道，通道類型為電壓輸入，多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換器為16位，最大采樣率為250 kS/s，時(shí)間精度為采樣率的0.005%，時(shí)間分辨率為50 ns；模擬輸出通道數(shù)為2路。

數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、監(jiān)測與控制模塊、矩陣運(yùn)算模塊、燒傷預(yù)測分析處理模塊和系統(tǒng)資源管理模塊構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)6路溫度信號的采集處理電弧過程、計(jì)算皮膚燒傷程度、A T?P V和Ebt50計(jì)算評估，評估服裝/面料的電弧防護(hù)性能。主要構(gòu)成模塊及功能如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)主要構(gòu)成模塊及功能

本系統(tǒng)構(gòu)建提出的基于燃弧發(fā)生裝置的防電弧紡織材料測試系統(tǒng)，目前國內(nèi)測試機(jī)構(gòu)還沒有相關(guān)測試能力，但在加拿大Kinectrics公司高電流實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)完成了此類設(shè)計(jì)，能夠按照ASTM F 1959/F1959M—2014進(jìn)行防電弧紡織材料的電弧防護(hù)性能測試試驗(yàn)。李俠等人在電弧爆燃對間位芳綸/阻燃粘膠織物性能的影響研究也是基于此測試系統(tǒng)委托加拿大Kinectrics公司高電流實(shí)驗(yàn)室完成的電弧爆燃試驗(yàn)［13］。

4 結(jié)語

我國電力系統(tǒng)人員眾多，僅國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)公司就有超過200萬工作人員，防電弧紡織材料的性能對保障相關(guān)從業(yè)人員的人身安全至關(guān)重要。目前國內(nèi)測試機(jī)構(gòu)尚無電弧防護(hù)性能測試裝置和相關(guān)測試能力，送樣到國外進(jìn)行測試周期長且價(jià)格昂貴。為進(jìn)行性能測試，開發(fā)高等級防電弧紡織材料，測試系統(tǒng)的研究迫在眉睫。

本研究構(gòu)建的基于燃弧發(fā)生裝置的防電弧紡織材料測試系統(tǒng)是采用開放空間中產(chǎn)生的電弧對面料進(jìn)行測試，理念是基于ASTM F1959/F 1959M—2014測試標(biāo)準(zhǔn)在現(xiàn)有低壓成套設(shè)備通斷試驗(yàn)控制系統(tǒng)上進(jìn)行技術(shù)升級改造。目前我們已完成燃弧發(fā)生系統(tǒng)的改造，制成了燃弧發(fā)生裝置和熱通量測試系統(tǒng)的試驗(yàn)支架，下一步將建立數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。目前還存在燃弧發(fā)生的持續(xù)時(shí)間較短、發(fā)生燃弧能量的可調(diào)整區(qū)間有限和電弧能量測試的傳感器靈敏度不夠等問題，在后續(xù)工作中需要進(jìn)一步完善。

基于燃弧發(fā)生裝置的防電弧紡織材料測試系統(tǒng)的構(gòu)建有助于研究防護(hù)材料在電弧作用下的微觀、宏觀變化規(guī)律，揭示電弧防護(hù)機(jī)理，建立電弧防護(hù)材料性能間接評價(jià)系統(tǒng)，從而開發(fā)高等級防電弧紡織材料，促進(jìn)我國應(yīng)急救援特種防護(hù)材料性能提升。