防电弧纺织材料测试系统的研究

张 静 周 媛 丛 林 员雪峰 张 超

（山东省产品质量检验研究院，山东济南， 250102）

电弧是高压电器在短路或介质被击穿情况下的瞬间放电，瞬间释放的巨大热量能直接烧伤皮肤或引燃服装，对工作人员造成致命的伤害，因此开展防电弧面料的研究、开发高性能电弧防护服具有重要意义［1］。纺织面料电弧防护服具备很好的耐热性、阻燃性、不熔融、H 级电绝缘和永久性防火等性能，可将人体皮肤与电弧热能的接触伤害降至最低，从而保护在电力行业从事运行、调试、检测和维护等的相关工作人员，故对纺织面料电弧防护性能相关指标进行测试和分析至关重要［2］。目前我国电力行业中使用最多的是美国杜邦公司生产的防电弧服，制约国产防电弧面料广泛应用的重要原因是面料的测试大都需要送检国外，在美国和加拿大进行检测，周期长且测试费用昂贵，严重影响了国内防电弧织物的开发，测试装置的开发迫在眉睫［3］。

近年来，国内外学者对防电弧材料的开发研究主要集中在新型材料和涂层织物方面，在电弧防护性能测试系统方面缺乏深入的研究。周永涛等人基于燃弧发生装置构建防电弧纺织材料测试系统，可用于研究电弧对材料织物结构、性能的影响，已经在山东省产品质量检验研究院建立，可进行防电弧服面料检测试验，填补了国内电弧防护性能测试机构的空白［4］。

本研究从国内外标准、测试方法和测试能力方面对我院建立的防电弧纺织材料测试系统进行了阐明，以期为国内电弧防护面料的研发和测试提供参考和检测平台，从而有力地促进国内防电弧服产品质量提升，推动产业快速发展，减少生产企业、经销商在境外检测机构的支出，为保护电力行业相关工作人员的人身安全所需的特种防护提供有力的技术保障。

1 国内外标准

在电弧防护性能测试方面，美国和欧洲早已经制定了防电弧纺织材料测试标准，加拿大和西班牙也建立了比较完备的电弧防护性能测试实验室［5］。我国对电弧防护的认知相对较晚，随着电力行业标准DL/T 320—2010《个人电弧防护用品通用技术要求》的制定［6］，电力从业人员的电弧防护意识才逐渐提高。

目前在纺织面料电弧防护性能测试方面的标准主要有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）》。前两个标准都是采用开放空间中产生的电弧对纺织面料进行性能测试的，两者的主要差异在于：IEC 61482—1—1：2019 测试试样需要采用ISO 6330：2012《Textiles—Domestic Washing and Drying Proce⁃dures for Textile Testing》水洗方式处理，而ASTM F1959/F1959M—14 测试试样则需要采用AATCC Test Method 135—2018《Dimensional Changes of Fabrics after Home Laundering》水 洗方式处理。在IEC 61482—1—2：2014 中采用有约束的定向电弧进行测试。

本研究涉及的防电弧纺织材料测试系统是按照ASTM F1959/F1959M—14 标准进行构建的，该标准依据的面料电弧性能测试方法目前被欧洲和我国广泛采用，分别利用织物前、后的热流计测试入射电弧能量和透过织物电弧能量，进而分析得到电弧防护性能。最常用的指标有电弧热防护性能值（ATPV值）和材料破裂阈能值（EBT值）。ATPV值反映面料强力作用大于热防护性能，当已经达到产生二级烧伤的入射能量时面料没有破裂；EBT值反映热防护性能优于面料强力，当未达到造成二级烧伤的入射能量时，面料出现破裂［7］。将面料防护性能按照表1 中的规定分为4 个级别，不同的防护级别需同时达到电弧防护性能（AT⁃PV值、EBT值）和单位面积质量的要求。

表1 防护级别、单位面积质量、电弧防护性能的要求

通常当外界入射能量小于该面料的ATPV值时，面料能有效阻隔和减少透过的能量，避免造成人体Ⅱ度及以上的灼伤。ATPV值和EBT值存在细微差别，但无显著差异，本研究通过搭建的防电弧纺织材料测试系统，进行至少7 次燃弧试验，得到至少20 个有效测试结果，从而获得ATPV值来表征纺织面料的电弧防护性能。

2 测试方法

本研究采用的面料电弧防护性能测试方法是在斯托尔曲线模型下，电弧闪爆能量有50%可能造成人体Ⅱ度烧伤的能量值，通过测试过程中穿透测试面料的总热量来评估其电弧防护性能。

2.1 设备

测试设备由电源总线、电弧控制器、记录仪、电弧电极、3 组平板传感器和监控传感器组成。由于电弧闪爆的不确定性，在各传感器上可以观察到不同的热传递值。3 组平板传感器等间隔排列，每组间隔120°；每组平板传感器的尺寸为（20.3±1.3）cm×（54.6±1.3）cm，其两侧各安装一个监控传感器；每组平板传感器和监控传感器都是固定在热绝缘材料上的，安装有调节距离和锁定功能的滑动装置；每组平板传感器距电弧电极中心线的距离r1和监控传感器距电弧电极中心线的距离r2都应调整在20 cm～60 cm。监控传感器和3 组平板传感器布局见图1。

图1 监控传感器和3 组平板传感器布局图

该系统测试设备满足以下条件：安装的平板传感器和监控传感器都是由铜塞热量计组成，铜塞热量计背面配备了热电偶，不受气流冲刷影响；单位面积电气用铜片在某一时间间隔传入的热量等于其蓄积的热量，测出电气用铜片平均温度变化率即可计算电弧能量；电弧电极由直径19 mm的不锈钢棒制成，长度45.0 cm；电极间熔丝通过熔断丝连接电极的正负两极产生电弧，熔断丝在测试过程中被熔化，熔断丝为铜导线，其直径不大于0.5 mm；电源满足在30.5 cm 的间隙产生电弧放电的电极距离（即电极间距）；电源回路为频率50 Hz 的交流电，电弧电流在4 000 A～25 000 A之间，电弧持续时间在0.05 s～1.50 s。采用数据采集系统记录测试所需的电压、电流、周期和热量计的数值。

2.2 制样

测试面料连续洗涤3 次后进行烘干，平铺在制样台上，并适当按压使其恢复平整。洗涤后作为测试样品，样品的长度方向是沿着面料的经向或纬向进行裁剪的，洗涤后的样品尺寸长度不小于61.0 cm、宽度不小于30.5 cm，允许在洗涤过程中出现织物收缩。从测试样品中随机选出3 个样品用来测定送检面料的单位面积质量，不同防护级别的电弧防护面料在单位面积质量上的要求是不一样的，需要满足表1 的规定。

2.3 试验程序

满足试验条件［电弧电流（8±1）kA，电极间距30.5 cm，电弧电极的中心线至样品表面距离调整在20 cm～60 cm 之间］后开始测试。试验步骤：首先，在同一面料上裁取21 个样品，每次用3个样品进行测试，分别装夹在3 组平板双传感器上；再用一定范围内的入射能量进行至少7 次测试来评估面料的电弧防护等级。每块平板对应一个时间点的总入射能量是由单位时间内2 个监控传感器测定的结果平均而得。

测试过程中需要满足以下几点：测定ATPV值需要至少20 个入射能量的平均值；平板传感器在电弧闪爆时测得的入射能量至少有15%超过斯托尔曲线预测的二度烧伤标准；平板传感器在电弧闪爆时测得的入射能量至少有15%低于斯托尔曲线预测的二度烧伤标准；平板传感器在电弧闪爆时测定的入射能量至少有50%落在最终ATPV值的±20%公差范围内，此范围内的值会同时存在超过和不超过斯托尔标准的情况。

值得注意的是，为满足上述要求可采用迭代法。在最开始两次电弧闪爆后，如果6 个测试结果既有高于斯托尔曲线标准，又有低于斯托尔曲线标准时，可确定ATPV值的一个预估值，用此预估值作为后续测试的参考，使得测试结果有50% 落在样品最终ATPV值的20% 公差范围内。也就是说，21 个测得数据中应至少有11 个的入射能量值在最终ATPV值的20%公差范围内，才认为所有数据有效，不用再增加测试次数。

除此之外，通过增加或减少电弧持续时间来获得不同入射能量以及寻找ATPV值都需要丰富的经验积累，这是整个试验过程中的难点和关键点。

3 测试能力

2021 年6 月该研究涉及的防电弧纺织材料测试系统在我院茌平园区高压试验系统投运后，经反复模拟，试验电弧能够满足测试要求，面料测试试验现场见图2，数据采集系统记录的电弧波形图数据见表2。

图2 阻燃布料测试试验现场

表2 电弧波形图数据

从表2 可以看出，电弧电流在（8±1）kA 之间，电弧持续时间在0.05 s～1.5 s 之间，电流峰值与有效值之比小于2.3，性能测试所需的试验条件满足标准规定。

测试过程中，采用零度合闸使每次测试电流在重复电弧闪爆时与目标值的偏离不超过2%，从而来满足标准要求。

根据电压、电流、电弧持续时间和操作距离等相关影响因素，计算预计可能的电弧危害能量。用式（1）计算入射能量。其中，式（1）典型条件为燃弧时间0.2 s，最可能电弧源距人610 mm。

式中：En为典型摄入能量（cal/cm2）；K1为常数（开放空间为-0.792，封闭空间为-0.555）；K2为常数（未接地或者高阻抗接地系统为0；接地系统为-0.113）；G为导体间距离（mm）。

当Ibf=8.058 kA 时，lgIa=0.004 02+0.983×lgIbf=0.894 8，K1=-0.792，K2=-0.113，G=305 时，利用公式（1）可计算得到0.2 s/610 mm 典型条件下的摄入能量En=2.499 cal/cm2。

然后用式（2）计算实际摄入能量：

式中：Cf为换算因子（系统电压高于1 kV 为1.0，低于1 kV 为1.5）；t为燃弧时间（s）；D为操作距离即燃弧点到人体实际距离（mm）；x为距离指数。

当Cf=1.0，t=0.181 s，D=200 mm，x=2时，可得到实际摄入能量E=21.041 cal/cm2。通过对至少20 组测定数据进行计算，将测试数据结果进行逻辑回归分析，可确定ATPV值用来评估面料的电弧防护性能。

通过测试，验证确定了防电弧纺织材料测试系统在电弧纺织材料试验方面具备检测能力，能够提供测试所需的试验环境和条件，在电弧闪爆时可以有效测得电弧能量，从而有助于评估纺织面料电弧防护性能，为电防护服行业的发展提供测试服务和技术保障。

4 结语

电力行业是直接关系到国计民生的基础性行业，保证电力生产的安全运行就是保证经济社会的平稳发展，电力从业人员的人身安全关系到企业发展乃至社会稳定。

该研究涉及的测试系统平台可通过控制系统实现对试验电压、试验电流、功率因数、通电时间、合闸角度等的精确控制，能够满足防电弧性能测试的需要，是目前国内已具备防护服防电弧等级检测能力的实验室，填补了国内电弧防护性能测试实验室的空白，改变防电弧面料只能依靠国外检测的局面，促进我国防电弧面料的开发、生产和检测，对提高其质量及防护水平具有重要意义。