防電弧紡織材料電弧直接測試系統的研究

趙琦 尹環環 劉亞

摘 要：有效評價防電弧紡織材料是產品開發和應用的關鍵，國內之前尚無電弧防護性能測試系統和測試能力，在防電弧紡織材料電弧防護等級測試方面還是空白。本文簡要分析電弧的危害和防電弧織物的特性，重點介紹了防電弧紡織材料電弧直接測試系統的構建，通過直接測試系統的控制來滿足防電弧面料的電弧試驗參數，該測試系統的應用在全國尚屬首例。該系統為國內防電弧織物的開發提供試驗支持，促進國內紡織業開發出更高等級的防電弧紡織材料。

關鍵詞：電弧，燃弧發生系統，防電弧紡織材料，電弧熱防護性能值（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

電弧事故難以預測，且電弧事故常造成重大人身傷害[1]。據不完全統計，電工在不停電作業過程中發生的電弧事故，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，人員作業方式方法不當、工器具選用不合適和動作幅度過大等原因造成設備短路。作業人員裸露在外的頭頸部和手部最接近電弧發生的位置，燒傷機率也最大。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。

目前國際上選擇電弧個體防護裝備的統一標準仍然缺失，ISSA最新修訂的《暴露于故障電弧熱影響下的個體防護裝備選擇指南》（以下簡稱《指南》）提供了統一的解決方案，總結了電弧危害、電弧測試標準和個體防護裝備要求[2]。加拿大和西班牙建立了電弧防護性能測試實驗室，國內陜西元豐紡織技術研究有限公司、南通大學等機構在防電弧紡織材料開發方面進行了一定的研究[3～7]。但國內目前尚無電弧防護性能直接測試系統和裝置，在防電弧織物防護性能測試標準方面還是空白。本文以《指南》為依據，搭建了防電弧紡織材料電弧直接測試系統，通過直接測試系統的控制來滿足防電弧面料的電弧試驗參數。該系統為國內防電弧織物的開發提供試驗支持，目前在全國尚屬首例。

1 電弧防護紡織材料標準對比

有效評價防電弧紡織材料是產品開發和應用的關鍵，目前國際上常用的防電弧紡織材料試驗方法有兩種：ASTM F1959《防護服材料確定防電弧等級的標準試驗方法》和IEC 61482-1-1《帶電作業-防電弧熱危害的防護服-1-1部分：試驗方法；方法1：服裝用阻燃材料的電弧等級測定（ATPV或Ebt50）》。

ASTM F1959該標準建立的面料電弧性能測試方法目前被歐洲和我國廣泛采用，最常用的指標有兩個：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上有50%可能性導致皮膚二級燒傷的能量值。ATPV值越大，其電弧防護性能越好。電弧防護產品在發生電弧時，可有效減少入射電弧能量，降低電弧對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上，有50%可能性導致試樣破裂的能量值。

ASTM F1959、IEC 61482-1-1電弧防護性能評價方法主要評價紡織品對電弧熱的防護效果，兩者方法基本相同：利用開放空間中產生的電弧對面料進行測試，采集透過布料后的電弧能量，通過斯托爾曲線判斷是否會產生二級燒傷，利用統計方法得到ATPV和面料的破裂閾值（EBT）。一般至少需要7次燃弧實驗得到至少20個有效測試結果才能統計得到ATPV。二者的主要差異在于：IEC 61482-1-1測試試樣需要采用ISO 6330水洗方式處理，而ASTM F1959測試試樣則需要采用AATCC 135水洗方式處理。

我國的防電弧織物相關技術標準，現行有效的只有電力行業標準DL/T 320-2019，該標準既規定了電弧危害評估方法和電弧防護用品的選配方法，又對防電弧服、防電弧手套、防電弧面罩等提出了技術要求，其中對防電弧服織物的阻燃性能、高溫尺寸穩定性能、機械性能和電弧防護性等提出了具體要求[9]。由于國內之前尚無電弧防護性能測試系統和裝置，在防電弧織物防護性能測試標準方面還是空白，所以國內沒有單獨建立該項目測試的國家標準。DL/T 320標準中描述的試驗方法基本等同采納ASTM F 1959標準（包括AATCC 135水洗方式處理）。但ASTM F1959/F1959M-2012《測定防護服材料耐電弧熱性能的標準試驗方法》中只介紹了試驗方法、試驗參數，出于技術壟斷，未公布如何搭建直接測試系統的方案。

2 防電弧紡織材料直接測試系統

防電弧紡織材料直接測試系統的搭建可進行電弧作用對材料織物機構、性能的影響研究，建立電弧防護性能直接評價能力，對我國高等電弧防護紡織材料的開發工作尤為重要，在打破歐美壟斷的技術壁壘下，有利于提升我國應急救援防護材料的整體競爭力，對行業的發展具有重要意義[10]。直接測試系統由燃弧發生系統和熱通量測試系統兩部分組成。

燃弧發生系統主要由沖擊發電機、保護斷路器、操作斷路器、選相合閘開關、調節電抗器、調節電阻器、調壓變壓器、引弧裝置等組成，可對試驗電壓、試驗電流、峰值電流、通電時間、合閘角度等試驗參數實現精確的控制，完全滿足防電弧服性能測試標準的要求。

系統采用一臺3200 MVA的短路沖擊發電機做為供電電源，實際有功功率可達1600 MVA，為50 Hz/60 Hz雙頻發電機。沖擊發電機出線端依次連接保護斷路器、操作斷路器、選相合閘開關、調節電抗器、調節電阻器、調壓變壓器、引弧裝置。斷路器用來實現對通電時間的控制，通過調節電抗器（調節阻值范圍6～390 mΩ）來滿足試驗電流，調節電阻器（調節阻值范圍1.64～160 mΩ）來滿足回路功率因數，選相合閘開關實現了對峰值電流的調節，調壓變壓器實現對試驗電壓的調節，引弧裝置用來引燃電弧。系統的二次線路再通過分壓器及分流器、積分器和數據采集系統，實現了對試驗數據的精準測量。具體原理圖如圖1 所示。

ASTM F1959/F1959M-2012《測定防護服材料耐電弧熱性能的標準試驗方法》中標準技術要求：（1）頻率為60 Hz；（2）電弧電流在4 kA到25 kA之間，電弧持續時間為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試系統可完全滿足以上測試條件。在試驗中，通過直徑不大于0.5 mm的銅導線熔絲連接引弧裝置的正負兩極產生電弧，在測試過程中融化從而產生足夠的能量來完成測試。

熱通量測試系統測定面料暴露于電弧閃爆時及閃爆后，透過面料的熱量。該測試設備由電源總線、記錄儀、三組雙傳感器平板和監控傳感器組成。

以某防電弧紡織材料產品為例，進行燃弧系統測試。圖2為電弧閃爆前、閃爆中、閃爆后的測試，記錄三個狀態下每個熱量計上傳感器的讀數。

3 試驗數據分析

通過HBM數據采集系統記錄測試所需要的電壓、電流、時間和熱量計的數值以及面料的測后狀態。圖3為電弧閃爆的示波圖，記錄測試的電壓、電流和時間，通過直接測試系統可有效控制燃弧時間、能量限值等參數，詳見表1。

銅塞熱量計來測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到和透過試樣的各種熱能。通過測試過程中穿透測試面料的總熱量進行評估，驗證防電弧紡織材料的電弧防護性能。

4 結 語

本研究構建的防電弧性能直接測試系統是采用開放空間中產生的電弧對面料進行測試，已滿足產品測試標準中燃弧持續時間、發生燃弧能量的可調整區間等關鍵參數。該系統為國內防電弧織物的開發提供試驗支持，該測試在全國尚屬首例，有助于研究防護材料在電弧作用下的宏觀變化規律，研究電弧防護機理，促進開發出更高等級的防電弧紡織材料。

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作者簡介

趙琦，高級工程師，碩士，主要從事高、低壓電器產品的檢驗工作。

（責任編輯：袁文靜）