防電弧紡織材料測試系統(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、檢測和維護(hù)等的相關(guān)工作人員，故對紡織面料電弧防護(hù)性能相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測試和分析至關(guān)重要［2］。目前我國電力行業(yè)中使用最多的是美國杜邦公司生產(chǎn)的防電弧服，制約國產(chǎn)防電弧面料廣泛應(yīng)用的重要原因是面料的測試大都需要送檢國外，在美國和加拿大進(jìn)行檢測，周期長且測試費(fèi)用昂貴，嚴(yán)重影響了國內(nèi)防電弧織物的開發(fā)，測試裝置的開發(fā)迫在眉睫［3］。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對防電弧材料的開發(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試系統(tǒng)，可用于研究電弧對材料織物結(jié)構(gòu)、性能的影響，已經(jīng)在山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院建立，可進(jìn)行防電弧服面料檢測試驗，填補(bǔ)了國內(nèi)電弧防護(hù)性能測試機(jī)構(gòu)的空白［4］。

本研究從國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)、測試方法和測試能力方面對我院建立的防電弧紡織材料測試系統(tǒng)進(jìn)行了闡明，以期為國內(nèi)電弧防護(hù)面料的研發(fā)和測試提供參考和檢測平臺，從而有力地促進(jìn)國內(nèi)防電弧服產(chǎn)品質(zhì)量提升，推動產(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 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)

在電弧防護(hù)性能測試方面，美國和歐洲早已經(jīng)制定了防電弧紡織材料測試標(biāo)準(zhǔn)，加拿大和西班牙也建立了比較完備的電弧防護(hù)性能測試實(shí)驗室［5］。我國對電弧防護(hù)的認(rèn)知相對較晚，隨著電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 320—2010《個人電弧防護(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)意識才逐漸提高。

目前在紡織面料電弧防護(hù)性能測試方面的標(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）》。前兩個標(biāo)準(zhǔn)都是采用開放空間中產(chǎn)生的電弧對紡織面料進(jìn)行性能測試的，兩者的主要差異在于：IEC 61482—1—1：2019 測試試樣需要采用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)行測試。

本研究涉及的防電弧紡織材料測試系統(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)的面料電弧性能測試方法目前被歐洲和我國廣泛采用，分別利用織物前、后的熱流計測試入射電弧能量和透過織物電弧能量，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)生二級燒傷的入射能量時面料沒有破裂；EBT值反映熱防護(hù)性能優(yōu)于面料強(qiáng)力，當(dāng)未達(dá)到造成二級燒傷的入射能量時，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 個級別，不同的防護(hù)級別需同時達(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，面料能有效阻隔和減少透過的能量，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，但無顯著差異，本研究通過搭建的防電弧紡織材料測試系統(tǒng)，進(jìn)行至少7 次燃弧試驗，得到至少20 個有效測試結(jié)果，從而獲得ATPV值來表征紡織面料的電弧防護(hù)性能。

2 測試方法

本研究采用的面料電弧防護(hù)性能測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，通過測試過程中穿透測試面料的總熱量來評估其電弧防護(hù)性能。

2.1 設(shè)備

測試設(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組成，銅塞熱量計背面配備了熱電偶，不受氣流沖刷影響；單位面積電氣用銅片在某一時間間隔傳入的熱量等于其蓄積的熱量，測出電氣用銅片平均溫度變化率即可計算電弧能量；電弧電極由直徑19 mm的不銹鋼棒制成，長度45.0 cm；電極間熔絲通過熔斷絲連接電極的正負(fù)兩極產(chǎn)生電弧，熔斷絲在測試過程中被熔化，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)時間在0.05 s～1.50 s。采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄測試所需的電壓、電流、周期和熱量計的數(shù)值。

2.2 制樣

測試面料連續(xù)洗滌3 次后進(jìn)行烘干，平鋪在制樣臺上，并適當(dāng)按壓使其恢復(fù)平整。洗滌后作為測試樣品，樣品的長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度不小于61.0 cm、寬度不小于30.5 cm，允許在洗滌過程中出現(xiàn)織物收縮。從測試樣品中隨機(jī)選出3 個樣品用來測定送檢面料的單位面積質(zhì)量，不同防護(hù)級別的電弧防護(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 試驗程序

滿足試驗條件［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］后開始測試。試驗步驟：首先，在同一面料上裁取21 個樣品，每次用3個樣品進(jìn)行測試，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 次測試來評估面料的電弧防護(hù)等級。每塊平板對應(yīng)一個時間點(diǎn)的總?cè)肷淠芰渴怯蓡挝粫r間內(nèi)2 個監(jiān)控傳感器測定的結(jié)果平均而得。

測試過程中需要滿足以下幾點(diǎn)：測定ATPV值需要至少20 個入射能量的平均值；平板傳感器在電弧閃爆時測得的入射能量至少有15%超過斯托爾曲線預(yù)測的二度燒傷標(biāo)準(zhǔn)；平板傳感器在電弧閃爆時測得的入射能量至少有15%低于斯托爾曲線預(yù)測的二度燒傷標(biāo)準(zhǔn)；平板傳感器在電弧閃爆時測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)的值會同時存在超過和不超過斯托爾標(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 個測試結(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，可確定ATPV值的一個預(yù)估值，用此預(yù)估值作為后續(xù)測試的參考，使得測試結(jié)果有50% 落在樣品最終ATPV值的20% 公差范圍內(nèi)。也就是說，21 個測得數(shù)據(jù)中應(yīng)至少有11 個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，不用再增加測試次數(shù)。

除此之外，通過增加或減少電弧持續(xù)時間來獲得不同入射能量以及尋找ATPV值都需要豐富的經(jīng)驗積累，這是整個試驗過程中的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。

3 測試能力

2021 年6 月該研究涉及的防電弧紡織材料測試系統(tǒng)在我院茌平園區(qū)高壓試驗系統(tǒng)投運(yùn)后，經(jīng)反復(fù)模擬，試驗電弧能夠滿足測試要求，面料測試試驗現(xiàn)場見圖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 阻燃布料測試試驗現(xiàn)場

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，性能測試所需的試驗條件滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

測試過程中，采用零度合閘使每次測試電流在重復(fù)電弧閃爆時與目標(biāo)值的偏離不超過2%，從而來滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

根據(jù)電壓、電流、電弧持續(xù)時間和操作距離等相關(guān)影響因素，計算預(yù)計可能的電弧危害能量。用式（1）計算入射能量。其中，式（1）典型條件為燃弧時間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，lgIa=0.004 02+0.983×lgIbf=0.894 8，K1=-0.792，K2=-0.113，G=305 時，利用公式（1）可計算得到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，可得到實(shí)際攝入能量E=21.041 cal/cm2。通過對至少20 組測定數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，將測試數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行邏輯回歸分析，可確定ATPV值用來評估面料的電弧防護(hù)性能。

通過測試，驗證確定了防電弧紡織材料測試系統(tǒng)在電弧紡織材料試驗方面具備檢測能力，能夠提供測試所需的試驗環(huán)境和條件，在電弧閃爆時可以有效測得電弧能量，從而有助于評估紡織面料電弧防護(hù)性能，為電防護(hù)服行業(yè)的發(fā)展提供測試服務(wù)和技術(shù)保障。

4 結(jié)語

電力行業(yè)是直接關(guān)系到國計民生的基礎(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)展乃至社會穩(wěn)定。

該研究涉及的測試系統(tǒng)平臺可通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對試驗電壓、試驗電流、功率因數(shù)、通電時間、合閘角度等的精確控制，能夠滿足防電弧性能測試的需要，是目前國內(nèi)已具備防護(hù)服防電弧等級檢測能力的實(shí)驗室，填補(bǔ)了國內(nèi)電弧防護(hù)性能測試實(shí)驗室的空白，改變防電弧面料只能依靠國外檢測的局面，促進(jìn)我國防電弧面料的開發(fā)、生產(chǎn)和檢測，對提高其質(zhì)量及防護(hù)水平具有重要意義。