電弧防護面料防護性能影響因素研究進展

孫 曉,王 君,陳 濤,高 陽,呂天光

(1.國網山東省電力公司，濟南 250000；2.國網吉林省電力有限公司電力科學研究院，長春 130021;3.山東大學電氣工程學院,濟南 250061)

電弧是一種氣體放電現象。空氣介質被擊穿時產生電弧，產生原因通常有電路接觸不良、絕緣失效、接地不良、開關不良等[1-2]。一般根據電弧的電極形狀、電壓大小、熱量傳遞方式等可以把電弧分為開放電弧、定向電弧、移動電弧、噴射電弧和追蹤電弧[3]。電弧在極短的時間內以輻射、對流等形式釋放出巨大的熱量，使電弧通路周圍的空氣被加熱，金屬電極材料被瞬間氣化，進而壓縮周圍空氣產生超壓，被壓縮的空氣形成沖擊波攜帶著熾熱空氣和金屬蒸汽進一步向周遭快速擴散[2,4-5]。一般在電弧事故中，所產生的高熱量是嚴重爆燃事故的3～4倍，瞬時溫度可以高達13000 ℃左右[6-7]，燒傷是電弧事故中的主要危害[8]，其主要原因有：a)高熱量直接導致裸露皮膚燒傷；b)高熱量點燃可燃性衣物造成燒傷；c)高熱量和沖擊波共同導致阻燃服裝破裂，皮膚裸露產生燒傷；d)高熱量透過阻燃服裝，導致皮膚被燒傷[9]。嚴重的電弧燒傷常導致人員死亡，產生巨額的醫療費[10-11]。根據美國芝加哥的CapSchell公司的統計數據，美國每天都會發生5～10次電弧事故，導致每天有10～15名工作人員因電弧燒傷而住院，造成每天1～2人死亡[12]。中國僅南方電網和國家電網的從業人員數就高達300萬，此外中國電弧防護裝備水平遠低于美國，因此中國因電弧事故造成的人員傷亡數可能遠大于美國。Doan等[13]研究了40例電弧事故受害者的燒傷情況，結果表明：在服裝沒有被引燃的電弧事故中身體燒傷面積往往小于25%。根據美國燒傷協會不同年齡段電弧燒傷者生存率的統計數據，身體燒傷面積小于25%的傷者生存率均高于90%，表明穿著電弧防護服可以有效提高生存率。

電弧事故難以預測，無法杜絕，而電弧防護用品作為人體的最后一道防線，可在電弧事故發生時為工作人員提供逃離的時間，可有效減少電弧事故中的人員傷亡[14-15]。因此，為保證電弧威脅中工作人員的安全，需根據作業環境和內容配置電弧防護服[16-17]。早在20年前美國杜邦公司便開始電弧防護服的研究，在材料開發、產品設計與生產、標準制定等方面均處于領先地位[18]。中國目前電弧防護服的研究與開發多為模仿國外產品，存在電弧防護服功能性和舒適性差，對電弧防護面料的防護性能影響因素缺乏系統研究等問題[19-20]。針對這一現狀，本文系統總結了電弧防護面料的性能參數等對防護性能的影響，為安全、高效的電弧防護服的開發和使用提供參考。

1 電弧防護面料及其防護性能參數

電弧防護服的主要材料為電弧防護面料，其主要的纖維原料有間位芳綸、對位芳綸、阻燃粘膠纖維、阻燃腈氯綸、阻燃棉、阻燃尼龍等[21]。國內外標準如：電力行業標準DL/T 320-2019《個人電弧防護用品通用技術要求》、美國材料與試驗協會標準ASTM F1506-20a《暴露于火焰和電弧危害中工人穿著的阻燃和電弧防護服標準性能規范》和國際電工委員會標準IEC61482-2-2018《帶電作業-電弧防護服-第2部分：要求》規定了面料的電弧防護、阻燃、機械等相關性能要求，其中電弧防護性能參數主要有兩個體系：

a)基于美國材料與試驗協會標準ASTM F1959/F1959M-2014《確定服裝材料電弧等級的標準試驗方法》和國際電工委員會標準IEC 61482-1-1-2019《帶電作業-電弧防護服-第1-1部分測試方法-方法1：利用開放電弧確定材料和防護服的電弧等級》的電弧熱防護性能值(ATPV)即入射的電弧能量有50%的可能導致熱能透過織物造成二度燒傷的能量值；破裂閾值(Ebt)即入射的電弧能量有50%的可能導致織物破裂的能量值。

b)基于國際電工委員會標準IEC 61482-1-2-2019《帶電作業-電弧防護服-第1-2部分測試方法-方法2：通過使用受限和定向電弧確定材料和服裝的電弧防護等級》的1級和2級。該標準檢測方法為合格性檢測，1級指在電流4 kA、電壓400 V、放電時間0.5 s的定向電弧作用下，織物后皮膚不產生二度以上燒傷的防護水平；2級指在電流7 kA、電壓400 V、放電時間0.5 s的定向電弧作用下，織物后皮膚不產生二度以上燒傷的防護水平。

體系a)中電弧能量達到ATPV值和Ebt值均有50%的可能導致二級燒傷和面料破裂，而體系b)中達到1級和2級的防護面料在相應的電弧作用下不發生二度燒傷，理論上說體系b)的評價根據安全性。此外，體系a)可明確給出電弧防護面料量化的電弧防護值，而體系b)只能判斷面料是否合格，所以體系a)被認為更加科學，得到了美洲、亞洲等大規模應用。

影響電弧防護面料防護性能的因素較多，包括：纖維組成、厚度、透氣性、顏色、組織結構等性能參數以及使用過程中沾染的汗液、油污、粉塵等，他們對電弧防護性能具有較大影響，研究電弧防護性能影響因素對提升電弧防護面料設計水平和使用水平具有重要意義。

2 織物結構性能參數對電弧防護性能的影響

2.1 纖維組成對電弧防護性能的影響

中國電力行業標準DL/T 320-2019《個人電弧防護用品通用技術要求》規定：電弧防護面料需采用本質阻燃纖維原料制備。常使用的纖維原料有間位芳綸、對位芳綸、阻燃粘膠纖維、阻燃腈氯綸等。纖維原料對電弧防護性能影響尚未得到系統研究。Zhu等[22]以間位芳綸、阻燃粘膠纖維、對位芳綸和導電纖維為主要原料制備了混紡比為93/0/5/2、70/23/5/2、46/47/5/2和23/70/5/2，面密度為 180 g/m2的電弧防護面料，其ATPV值如圖1所示，隨著間位芳綸纖維增加ATPV值呈現增加趨勢。朱雯等[23]選用14種電弧防護面料，對面料力學、阻燃和電弧防護性能進行聚類分析，結果表明: 電弧防護性能與織物熱防護性能、斷裂強力及撕破強力相關性較大，以間位芳綸為主成分的面料力學性能較好。

圖1 不同混紡比間位芳綸/阻燃粘膠纖維/對位芳綸/導電纖維面料的ATPV值Fig.1 ATPV values of meta-aramid/flame-retardant viscose fiber/para-aramid/conductive fiber fabrics with different blending ratios

阻燃腈氯綸可以有效提高面料的電弧防護性能，目前美國DuPont公司ProteraTM電弧防護面料由阻燃腈氯綸、間位芳綸、對位芳綸、導電纖維按照混紡比65/28/5/2組成，具有良好的防護效果[24-25]。王濤等[26]制備了阻燃粘膠纖維與阻燃腈氯綸混紡比分別為0/100、20/80、40/60、60/40、80/20和100/0 6款平紋織物，阻燃性能測試結果表明：隨著阻燃腈氯綸混比的增加，陰燃時間呈增加趨勢。總的來說，阻燃腈氯綸在電弧防護中具有良好表現，但是其強度較低且存在陰燃問題，可能導致其摻入量過大時面料的阻燃性能和Ebt值不滿足標準要求。沈劍等[27]制備了阻燃腈氯綸/阻燃粘膠/第三纖維組分混紡比為48/37/15的電弧防護面料，研究了第三組分為間位芳綸、對位芳綸、聚酰亞胺和芳砜綸時面料的電弧防護性能，結果表明：第三組分為間位芳綸時ATPV值與面密度比值顯著低于第三組分為對位芳綸、聚酰亞胺和芳砜綸的面料。李凍等[28]探索了聚芳噁二唑(POD)纖維在電弧防護方面的應用，研究表明：隨著POD纖維含量的增加，紗線斷裂強度和熱力損失率先降低后上升，斷裂伸長率呈下降趨勢；當POD纖維含量為20%時，混紡紗線斷裂強度和熱力損失率最低；但是并未測試當POD纖維面料的電弧防護性能。

除上述本質阻燃類電弧防護面料以外，棉纖維純紡或含棉纖維混紡的后阻燃整理類面料在國外市場也得到了廣泛的應用。張生輝等[29]制備了2款阻燃腈氯綸、對位芳綸和間位芳綸混紡電弧防護面料和1款棉與錦綸混紡電弧防護面料，對比其性能發現：前2款面料強力性能優異，符合中國電力行業標準和美國標準的要求，而后者撕破強力較低，達不到我國標準要求，但可以達到美國標準要求。

2.2 面密度對電弧防護性能的影響

面料的面密度對電弧防護性能影響較大。隨著面料面密度的增加，一方面織物的隔熱性能得到提升；另一方面面料對電弧產生的熾熱氣流阻擋作用也逐漸增強；這都能夠減少透過面料的熱量，從而提升其ATPV值[30]。此外，隨著面料面密度的增加，面料厚度增加，強度增強，使其產生破裂的Ebt值也能夠得到提升。李凍等[31]比較了2款原料組成為阻燃腈氯綸/間位芳綸/對位芳綸23/35/42，面密度分別為180 g/m2和230 g/m2的電弧防護面料性能，結果表明：后者的ATPV值比前者增加了42%。李俠等[32]測試了4種面密度為200～290 g/m2電弧防護面料的ATPV值、Ebt值等性能指標，測試結果如圖2所示，面料的面密度與其ATPV值呈正相關關系。Zhu等[22]以間位芳綸、阻燃粘膠纖維、對位芳綸、導電纖維為主要原料制備了混紡比為46/47/5/2，面密度分別為180、210、240和270 g/m2的電弧防護面料，其ATPV和Ebt與面密度之間關系如圖2所示，隨著面密度的增加，ATPV和Ebt均呈現增加趨勢。

圖2 不同面密度間位芳綸/阻燃粘膠纖維/對位芳綸/導電纖維混紡面料的ATPV值和Ebt值Fig.2 ATPV value and Ebt value of different areal density meta-aramid/flame retardant viscose fiber/para-aramid/conductive fiber blended fabrics

2.3 組織結構對電弧防護性能的影響

李俠等[33]研究了電弧爆燃對電弧防護面料的破壞機理，圖3為2種2/1斜紋組織電弧防護面料在不同能量電弧暴露后的表面及截面破壞情況圖。由圖3可見電弧對電弧防護面料的破壞首先發生在迎弧面的浮線處，為了減少電弧對經紗或緯紗單一紗線的集中破壞，可采用經緯紗浮線長度差異較小的平紋、1/2斜紋和2/1斜紋組織，但是平紋組織面料撕裂強度低，所以1/2斜紋和2/1斜紋組織更加適用于電弧防護面料。由電弧防護面料截面圖可見，即使入射能量達到了面料的ATPV值(2種面料的c試樣入射能量均已達到ATPV值)，面料受損深度仍然較小，面料背面并未受顯著影響，因此可采用雙層組織增加面料的熱阻隔性能，提升其ATPV值。孫凱飛等[34]以阻燃粘膠為主體纖維，混入阻燃腈氯綸、間位芳綸、對位芳綸、聚酰亞胺等多種纖維，設計了2種單層和2種雙層電弧防護面料，測試了各試樣的ATPV值、Ebt值等性能指標，結果表明：以阻燃粘膠、芳綸和導電纖維混紡紗制成的雙層組織結構面料性能較理想，ATPV值和Ebt值顯著高于單層面料。杜邦公司[35]發明了1款結構類似消防服外層面料的電弧防護面料，采用了雙層結構，兩層之間相互連接形成了一系列袋狀結構，經電弧熱暴露后，暴露面受熱收縮，袋狀結構鼓脹形成隔熱層，具有良好的防護性能，與相同面密度2/1斜紋組織相比，ATPV值提高1倍。

圖3 電弧防護面料在不同能量電弧暴露后的表面及截面破壞情況圖Fig.3 Surface and cross-section morphology of arc protection fabrics exposed to arc with different energies

2.4 透氣性對電弧防護性能的影響

面料的透氣性和面密度存在顯著的相關關系，一般面密度越大面料的透氣性越小[36]，但是也存在特殊情況，如單層織物和雙層織物面密度相同時，雙層織物的透氣性顯著高于單層織物，涂層面料透氣性顯著低于普通面料，所以本文對透氣性的影響進行單獨討論。透氣性和電弧防護性能之間具有直接關系，電弧爆燃產生強烈的沖擊波，與相對靜態燃燒不同，沖擊波攜帶的高能熱空氣更容易透過面料產生燒傷，透過的熾熱氣體量越多，越容易導致燒傷，李躍等[37]利用高壓氣流模擬電弧爆燃產生的沖擊波，測試了沖擊氣流作用下透過面料的氣體體積，透過面料的氣體體積與ATPV值關系如圖4所示，由圖4可見10種電弧防護面料中有8種，隨著沖擊氣流作用下透氣量增加，面料的ATPV值減小。2個試樣不符合上述規律，其中1個為雙層組織，雖然面密度較大，但是組織結構相對松散，在氣流沖擊下透過氣體較多，但是其雙層結構可有效降低熱傳導量，從而擁有較高電弧防護性能值；另一試樣與所得規律相偏離的原因尚不明，但是實驗樣本數只有10種面料，樣本數量仍有待提高。此外，隨著電弧的電流、電壓、產生方式等因素的變化，電弧能量傳輸也呈現不同方式，除對流熱以外輻射熱也是重要的熱傳輸方式，這也是上述模擬實驗產生偏差的主要原因[38]。

圖4 電弧防護面料ATPV值與沖擊氣流作用下的透氣量之間關系Fig.4 Relationship between ATPV value of the arc protection fabric and air permeability under the impact of the airflow

除常規電弧防護面料以外，透氣性差的涂層或覆膜結構電弧防護面料常用作電弧防護雨衣材料，在歐美國家也得到了應用。該面料在破裂之前可有效防護對流熱。Doughty等[39]系統總結了美國電弧防護雨衣材料的演變過程，美國電力行業早期主要使用熔融基材(滌綸、尼龍織物)的PVC、氯丁橡膠、聚氨酯涂層面料，該類面料的Ebt值略微高于 5 cal/cm2；而目前美國電力行業基本都使用非熔融基材(對位芳綸織物最為常見)雨衣，性能顯著優于前者。Hoagland等[40]研究了氯丁橡膠/間位芳綸織物和PVC/間位芳綸和對位芳綸混紡織物等復合面料的電弧防護性能，結果表明復合面料比常規含有間位芳綸的電弧防護面料更具保護性，但成本也有所增加。

2.5 顏色對電弧防護性能的影響

2013年Arcwear公司[41]分析了35個原料為純棉和棉錦混紡(混紡比88/12、80/20、75/25)斜紋面料，對面料的ATPV值與面密度比值進行比較，對比結果如圖5所示，表明顏色對電弧防護性能存在影響，總的趨勢為：黃色和橙色面料防護性能最低，海軍藍色面料防護性能最高，寶藍色、卡其色、灰色和淺灰色面料防護性能介于它們之間，靛藍色的牛仔斜紋布面密度較大，ATPV值與面密度比值與其他顏色偏差較大，但也呈現出較大值。該研究利用不同織物“ATPV值與面密度比值”進行比較只是權宜之計，不同面密度的織物“ATPV值與面密度比值”是否具有可比性尚待研究。

○:88/12錦棉混紡，□:純棉，◇:80/20或75/25錦棉混紡；Y:黃色，O:橙色，N:海軍藍色，K:卡其色，G:灰色，RB:寶藍色，LG:江灰色，BD:深藍色，ID:靛藍牛仔布圖5 純棉和棉錦混紡面料的ATPV值與面密度比值Fig.5 Ratio of ATPV value to areal density of pure cotton and cotton-polyamide blended fabric

湯曉蘭等[42]采用相同的紡、織工藝制備相同規格的芳綸1414/芳綸1313/阻燃粘膠纖維混紡比為5/50/45，面密度為180 ～190 g/m2的4種混紡電弧防護面料，顏色分別為藏青、天藍、橙色和熒光黃。對其電弧防護性能的研究結果表明：面料顏色對電弧防護性能具有顯著影響，其中藏青色面料的電弧防護性能最好。上述研究都表明顏色對電弧防護性能存在影響，但是存在樣本較少的問題，此外，顏色對電弧防護性能的影響機理尚不清晰。結合防電弧織物在紫外線作用下的性能變化相關研究結論[43-45]，可以認為：“深色面料對電弧產生的熱輻射具有較高的吸收性能，快速吸收能量使得面料表面快速升溫，導致面料表面收縮緊密化、面料表面碳化變厚或纖維分解產生大量難燃氣體，這些變化可以消耗一部分能量，還可以阻止高熱沖擊氣流的滲透，所以可以提升電弧防護性能”。

3 汗液、油污、粉塵沾染對電弧防護性能的影響

電弧防護服不單單使用在電力領域，還廣泛應用于石化、采礦等領域，使用工況復雜，常沾染各種污染物。此外，電弧防護服在使用過程中難免沾染人體汗液，特別是在夏季的高溫天，大量的汗液很容易浸透防護服及其內部棉或其他纖維素纖維內衣。Klausing等[46]系統研究了汗液對電弧防護面料防護性能的影響，結果表明：面密度為267 g/m2的橙色棉/錦88/12電弧防護面料，吸收水分增重124%時ATPV值由10.4 cal/cm2下降到5.5 cal/cm2，而面密度為261 g/m2的海軍藍色棉/錦88/12電弧防護面料，吸收水分增重100%時ATPV值由8.7 cal/cm2增加到12 cal/cm2，二者呈現出完全相反的變化趨勢，研究者解釋后者的原因是顏色和水分的共同作用引起了ATPV值增加。Hoagland等[47]研究了模擬汗液(1%的氯化鈉水溶液)、柴油、齒輪油、液壓油、鈀粉、炭粉、干石灰、干水泥、泥漿、濕水泥等沾染物對電弧防護性能的影響，結果如圖6所示，潮濕沾染物降低電弧防護性能；干燥污染物影響較小。浸透了汗液的防護服及內衣還容易在高于4160 V電壓作用下形成電弧通路，在防護服或內衣下產生傷害巨大的“追蹤電弧”。Hoagland等[48]利用模擬實驗在衣物內部產生了“追蹤電弧”，這種電弧極易導致嚴重燒傷，然而含有大量模擬汗液的內衣卻沒有出現燒焦破裂的現象，相對保存完整。主要原因是液體蒸發消耗了大量的熱量，導致內衣未受到嚴重破壞。這種現象對電弧事故調查帶來了一定的困擾[49]。總的來說汗液對面料電弧防護性能的影響可以總結為以下3點：a)汗液受熱后產生高溫蒸汽易導致燙傷，同時汗液往往導致織物的熱傳導率升高，透過織物的熱量增多從而導致燒傷；b)汗液受熱蒸發，可帶走部分熱量，從而減少透過織物的熱量；c)面料大量吸水后，棉、阻燃粘膠、天絲等纖維素纖維吸濕膨脹，面料緊度增加，對流熱更加難以穿透面料，也可能使透過織物的熱量減少。所以汗液對面料防護性能的影響是多角度，無法一概而論。

圖6 不同沾染物對電弧防護面料ATPV值的影響情況Fig.6 Influence of different contaminants on the ATPV value of arc protection fabrics

4 結論與建議

4.1 結論

本文介紹了電弧防護性能參數，探討了纖維組成、厚度、織物組織結構、透氣性、顏色等織物結構性能參數和使用過程中沾染的汗液、油污、粉體等因素對電弧防護性的影響情況，得到如下結論：

a)纖維組成、面密度、織物組織結構、透氣性、顏色對電弧防護性能具有顯著影響，間位芳綸和阻燃腈氯綸的使用可以提高ATPV值，但根據現有文獻，并不能得到混紡比與ATPV值或Ebt值的確切關系；組成相同的電弧防護面料隨著面密度增加，ATPV值和Ebt值呈顯著增加趨勢；一般情況下隨織物的透氣性增加織物的ATPV值減小，不透氣的涂層面料具有更高的ATPV值；藏青色、海軍藍色等深色織物相對橙色、熒光黃等淺色織物具有較高的電弧防護性能。

b)使用過程中電弧防護服沾染的濕潤污染物或汗液對電弧防護性能有負面影響，在高電壓電弧事故中易產生“追蹤電弧”，在不破壞或者輕度破壞內衣和防護服的情況下，導致嚴重燒傷。

4.2 建議

根據本文的結論，對電弧防護織物的設計開發提出以下建議：

a)雙層織物較同面密度的單層織物可以在保證良好的透氣性的情況下，具有較高的ATPV值。2021年中國防電弧服新國標《防護服裝 防電弧服》發布[50]，標準中提出了與美國消防協會標準NFPA 70E：2018《工作場所電氣安全標準》接軌的技術要求，由ATPV值和Ebt值雙達標要求調整為ATPV值和Ebt值之間較小值達標即可，這將有助于雙層電弧防護織物的開發應用。

b)深色織物具有較好的防電弧性能；1/2斜紋和2/1斜紋組織可減少電弧對經紗或緯紗單一紗線的集中破壞；若使用單位對織物顏色和織物組織無特殊要求時，可以優先推薦深色的1/2斜紋和2/1斜紋電弧防護織物。

c)應積極開發單向導濕整理技術，賦予內衣及防護服單向導濕性能，盡量把汗液導流至外部，或在面料表面構建超疏水結構，減少污染物的附著，從而提高其使用水平。