防電弧紡織材料測(cè)試系統(tǒng)的研究

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，因此開展防電弧面料的研究、開發(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)防電弧織物的開發(fā)，測(cè)試裝置的開發(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(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。