防电弧纺织材料电弧直接测试系统的研究

赵琦 尹环环 刘亚

摘 要：有效评价防电弧纺织材料是产品开发和应用的关键，国内之前尚无电弧防护性能测试系统和测试能力，在防电弧纺织材料电弧防护等级测试方面还是空白。本文简要分析电弧的危害和防电弧织物的特性，重点介绍了防电弧纺织材料电弧直接测试系统的构建，通过直接测试系统的控制来满足防电弧面料的电弧试验参数，该测试系统的应用在全国尚属首例。该系统为国内防电弧织物的开发提供试验支持，促进国内纺织业开发出更高等级的防电弧纺织材料。

关键词：电弧，燃弧发生系统，防电弧纺织材料，电弧热防护性能值（ATPV）

DOI编码：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

电弧事故难以预测，且电弧事故常造成重大人身伤害[1]。据不完全统计，电工在不停电作业过程中发生的电弧事故，裸露在外的头颈部和手部烧伤比例超过60%。大多事故是由于带电部位绝缘隔离措施不全，人员作业方式方法不当、工器具选用不合适和动作幅度过大等原因造成设备短路。作业人员裸露在外的头颈部和手部最接近电弧发生的位置，烧伤机率也最大。因此在操作过程中使用防电弧服可以有效地避免热灼伤及飞溅物的伤害。

目前国际上选择电弧个体防护装备的统一标准仍然缺失，ISSA最新修订的《暴露于故障电弧热影响下的个体防护装备选择指南》（以下简称《指南》）提供了统一的解决方案，总结了电弧危害、电弧测试标准和个体防护装备要求[2]。加拿大和西班牙建立了电弧防护性能测试实验室，国内陕西元丰纺织技术研究有限公司、南通大学等机构在防电弧纺织材料开发方面进行了一定的研究[3～7]。但国内目前尚无电弧防护性能直接测试系统和装置，在防电弧织物防护性能测试标准方面还是空白。本文以《指南》为依据，搭建了防电弧纺织材料电弧直接测试系统，通过直接测试系统的控制来满足防电弧面料的电弧试验参数。该系统为国内防电弧织物的开发提供试验支持，目前在全国尚属首例。

1 电弧防护纺织材料标准对比

有效评价防电弧纺织材料是产品开发和应用的关键，目前国际上常用的防电弧纺织材料试验方法有两种：ASTM F1959《防护服材料确定防电弧等级的标准试验方法》和IEC 61482-1-1《带电作业-防电弧热危害的防护服-1-1部分：试验方法；方法1：服装用阻燃材料的电弧等级测定（ATPV或Ebt50）》。

ASTM F1959该标准建立的面料电弧性能测试方法目前被欧洲和我国广泛采用，最常用的指标有两个：一是ATPV（Arc Thermal Performance Value），即電弧热性能值，定义为入射到材料或多层材料系统上有50%可能性导致皮肤二级烧伤的能量值。ATPV值越大，其电弧防护性能越好。电弧防护产品在发生电弧时，可有效减少入射电弧能量，降低电弧对人体可能的伤害能力[8]。二是Ebt（Breakopen Threshold Energy），即破裂值，定义为入射到材料或材料系统上，有50%可能性导致试样破裂的能量值。

ASTM F1959、IEC 61482-1-1电弧防护性能评价方法主要评价纺织品对电弧热的防护效果，两者方法基本相同：利用开放空间中产生的电弧对面料进行测试，采集透过布料后的电弧能量，通过斯托尔曲线判断是否会产生二级烧伤，利用统计方法得到ATPV和面料的破裂阈值（EBT）。一般至少需要7次燃弧实验得到至少20个有效测试结果才能统计得到ATPV。二者的主要差异在于：IEC 61482-1-1测试试样需要采用ISO 6330水洗方式处理，而ASTM F1959测试试样则需要采用AATCC 135水洗方式处理。

我国的防电弧织物相关技术标准，现行有效的只有电力行业标准DL/T 320-2019，该标准既规定了电弧危害评估方法和电弧防护用品的选配方法，又对防电弧服、防电弧手套、防电弧面罩等提出了技术要求，其中对防电弧服织物的阻燃性能、高温尺寸稳定性能、机械性能和电弧防护性等提出了具体要求[9]。由于国内之前尚无电弧防护性能测试系统和装置，在防电弧织物防护性能测试标准方面还是空白，所以国内没有单独建立该项目测试的国家标准。DL/T 320标准中描述的试验方法基本等同采纳ASTM F 1959标准（包括AATCC 135水洗方式处理）。但ASTM F1959/F1959M-2012《测定防护服材料耐电弧热性能的标准试验方法》中只介绍了试验方法、试验参数，出于技术垄断，未公布如何搭建直接测试系统的方案。

2 防电弧纺织材料直接测试系统

防电弧纺织材料直接测试系统的搭建可进行电弧作用对材料织物机构、性能的影响研究，建立电弧防护性能直接评价能力，对我国高等电弧防护纺织材料的开发工作尤为重要，在打破欧美垄断的技术壁垒下，有利于提升我国应急救援防护材料的整体竞争力，对行业的发展具有重要意义[10]。直接测试系统由燃弧发生系统和热通量测试系统两部分组成。

燃弧发生系统主要由冲击发电机、保护断路器、操作断路器、选相合闸开关、调节电抗器、调节电阻器、调压变压器、引弧装置等组成，可对试验电压、试验电流、峰值电流、通电时间、合闸角度等试验参数实现精确的控制，完全满足防电弧服性能测试标准的要求。

系统采用一台3200 MVA的短路冲击发电机做为供电电源，实际有功功率可达1600 MVA，为50 Hz/60 Hz双频发电机。冲击发电机出线端依次连接保护断路器、操作断路器、选相合闸开关、调节电抗器、调节电阻器、调压变压器、引弧装置。断路器用来实现对通电时间的控制，通过调节电抗器（调节阻值范围6～390 mΩ）来满足试验电流，调节电阻器（调节阻值范围1.64～160 mΩ）来满足回路功率因数，选相合闸开关实现了对峰值电流的调节，调压变压器实现对试验电压的调节，引弧装置用来引燃电弧。系统的二次线路再通过分压器及分流器、积分器和数据采集系统，实现了对试验数据的精准测量。具体原理图如图1 所示。

ASTM F1959/F1959M-2012《测定防护服材料耐电弧热性能的标准试验方法》中标准技术要求：（1）频率为60 Hz；（2）电弧电流在4 kA到25 kA之间，电弧持续时间为0.05～1.5 s；（3）峰值电流为2.3倍的电弧电流[11-12]。防电弧纺织材料直接测试系统可完全满足以上测试条件。在试验中，通过直径不大于0.5 mm的铜导线熔丝连接引弧装置的正负两极产生电弧，在测试过程中融化从而产生足够的能量来完成测试。

热通量测试系统测定面料暴露于电弧闪爆时及闪爆后，透过面料的热量。该测试设备由电源总线、记录仪、三组双传感器平板和监控传感器组成。

以某防电弧纺织材料产品为例，进行燃弧系统测试。图2为电弧闪爆前、闪爆中、闪爆后的测试，记录三个状态下每个热量计上传感器的读数。

3 試验数据分析

通过HBM数据采集系统记录测试所需要的电压、电流、时间和热量计的数值以及面料的测后状态。图3为电弧闪爆的示波图，记录测试的电压、电流和时间，通过直接测试系统可有效控制燃弧时间、能量限值等参数，详见表1。

铜塞热量计来测定试样的暴露热能和热交换值，利用铜的已知热物理特性来确定传输到和透过试样的各种热能。通过测试过程中穿透测试面料的总热量进行评估，验证防电弧纺织材料的电弧防护性能。

4 结 语

本研究构建的防电弧性能直接测试系统是采用开放空间中产生的电弧对面料进行测试，已满足产品测试标准中燃弧持续时间、发生燃弧能量的可调整区间等关键参数。该系统为国内防电弧织物的开发提供试验支持，该测试在全国尚属首例，有助于研究防护材料在电弧作用下的宏观变化规律，研究电弧防护机理，促进开发出更高等级的防电弧纺织材料。

参考文献

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[9]沈剑，刘鹏，张光旭.防电弧阻燃面料的开发与研究[J].上海纺织科技，2018，46（7）：12-14.

[10]周永涛，王秀丽，周媛，等.防电弧纺织材料测试系统的构建[J].棉纺织技术，2021：49（7）：63-66.

[11]Standard Test Method for Determining the Arc Rating of Materials for Clothing ：ASTM F1959/F1959M-2013[S]. US-ASTM，2013

[12]Live working-Protective clothing against the thermal hazards of an electric arc Part 1-1： Test methods– Method 1： Determination of the arc rating （ATPV or EBT50） of flame resistant materials for clothing：IEC 61482-1-1[S].2009 IEC， Geneva， Switzerland，2009.

作者简介

赵琦，高级工程师，硕士，主要从事高、低压电器产品的检验工作。

（责任编辑：袁文静）