电力设备与材料着火危险试验标准体系研究

刘秀珍，刘鑫

（中国电器科学研究院股份有限公司 工业产品环境适应性全国重点实验室，广州 510663）

引言

随着经济社会的快速发展，我国电力需求越来越大，高电压、大电流、高储能和易燃易爆电力设备着火的风险也越来越大。近年来，电力行业相继发生了多起变压器、电容器、干式电抗器、换流阀并联电抗器的火灾事故事件，多起火灾有着设备高度同质化的特点，给电力行业防范重大电气火灾敲响了警钟。

2022年4月，国家市场监督管理总局、国务院国资委、国家能源局三部门发布“关于全面加强电力设备产品质量安全治理工作的指导意见”指出，电力工业是国民经济的重要基础性产业，电力设备质量直接影响到电力系统的安全稳定运行和电力可靠供应，关系人民群众生命财产安全和经济社会发展[1]。“十四五”推动高质量发展的国家标准体系建设规划中提出了建设重点领域国家标准体系，加快完善电力装备等高端装备领域的标准体系[2]。因此，完善电力设备的着火风险和着火危险评价，从设备层面提升防火能力，可大幅度降低产品着火的风险与后果，对提高电力设备产品质量、保障电力设备安全有着重要意义，也是我国加快构建推动高质量发展国家标准体系的重要内容。

电力设备与材料着火危险试验标准研制旨在规范电力设备与材料着火危险评定的相关要求，指导行业设计、制造、试验和选型，进而提高我国电力设备和材料的防火设计和生产技术水平。

1 电力设备与材料着火现状

电气设备与材料着火主要是由电力设备故障引起的电弧火花及短路、过载、静电、接触不良、电气设备绝缘损坏及过高的接触电阻导致的温升异常等，从而造成附近可燃物发生起燃，进而引发火灾[3]。此外，起燃原因还有很多种可能，包括不正确的安装、使用和维护。例如，短时过负荷或长期过负荷运行、未在规定条件下运行、散热不良或通风系统故障。电气火灾也可能由外部非电气火源引起。

电力设备火灾除了具有高温、高压、带电，危险性大，灭火困难等共性特点，往往还和设备的材料的差异和关键结构件的类型有关，例如变压器着火的储油柜会造成火上浇油，电缆着火往往发生在空间狭小的隧道，火焰蔓延速度非常快等特点。此外，电气设备中绝缘材料的老化引起绝缘性能和阻燃性能下降也是电气设备着火的重要因素。

电力设备用材料主要包括变压器、干式电抗器、换流阀并联电抗器等电力设备普遍使用的绝缘纸板、环氧树脂、玻璃钢、硅橡胶、绝缘板、导线绝缘、矿物质油等。这类材料，不同的设备，材料的种类、性质、使用环境，与传统的塑料和固体非金属材料都存在很大的差异。

2 电力设备与材料着火标准存在的不足

目前常使用的标准有国际标准UL94《用作仪表和设备部件的塑料的燃烧性测定》、国标GB/T 22472《仪表和设备部件用塑料的燃烧性测定》和GB/T 5169.16《电工电子产品着火危险试验 第16 部分：试验火焰 50 W 水平与垂直火焰试验方法》等，主要针对传统的塑料和固体绝缘材料的燃烧性测定有相关的规定，标准在试样要求、试样处理等方面无法完全适用于电力设备和材料。存在的问题主要有：

1）除上述标准外，国内外没有其他关于设备材料的燃烧性能测定的相关标准，电力设备用材料的燃烧等级评定的标准更无相关标准作为参考；

2）由于现有标准针对广义的塑料材料和固体非金属材料，电力设备用材料的种类、性质、使用环境与传统的塑料和固体非金属材料存在很大的差异，现有标准在试样要求、试样处理等方面无法完全适用于电力设备用材料；

3）现有的标准往往只考虑材料的初始燃烧性能，未考虑电气设备火灾事故特征以及长期服役的老化条件，即使考虑老化条件，也比较单一，导致从长期服役方面提升电力设备防火能力存在空白。

3 标准体系设计

3.1 目的

设计针对特定电气设备与材料着火危险试验方法，确定电力设备或材料的哪些性能对着火存在影响，以及设备或其部件、材料对起燃、火势发展和火灾影响的作用，目的在于对电力设备用材料、元件及零部件进行筛选，以及即使发生了可以预见的误用、故障和失效，也能将潜在的着火风险降低到容许的水平[4]。

3.2 主要内容

3.2.1 着火试验方法开发

目前，实验室涉及到的电工设备和材料起燃方法的选择主要考虑两种引燃源，一是内部引燃源，主要模拟产品内部电阻发热或由电阻自身发热而产生的小火焰，二是电工电子设备和系统外部的火焰或过热。例如ISO 871 规定的用热空气炉测定塑料闪燃温度和自燃温度的方法，IEC 60695-2-11、IEC 60695-2-12和IEC 60695-2-13 用到的灼热丝/ 热丝试验方法，IEC 60695-11-5、IEC 60695-11-10 和IEC 60695-11-20提供的火焰试验方法，以及IEC 60695-11-11模拟的由非接触小火焰热通量引起的起燃试验方法[5]。电力设备火灾往往由于电弧放电引起，这类火灾对设备和材料的防火性能和着火危险试验提出了新的要求，以热灼丝/热丝试验、火焰试验等非电气引燃源试验为主，不符合含油电工电子产品内部电弧故障引发的电气火灾的工程实际，无法有效指导电气引燃源的着火危险试验，需要探索能更加真实考察电力设备耐受电弧能量着火试验，形成系统的试验原理、试验方法。

3.2.2 针对特定电力设备类型评价导则

电力设备的种类多、涉及多种技术路线的产品，产品间材料性能差异大，着火的特异性导致对着火危险试验的试样要求、试验方法、着火危险等级的评定方法以及等级要求也不一样。因此，制定针对特定电气设备与材料燃烧的试验设备、检测装置和评定标准，可用于材料的筛选和预防火灾危险，指导行业规范性地开展相关试验，可以大幅降低设备起火的风险与后果，解决电力设备与材料的着火危险规范性的难题。此外，随着新型电力系统的加入和完善，电网设备将面临更复杂的工况，为降低新能源接入后恶劣的电网工况导致设备起火或发生重大火灾，需要解决电力设备和材料选型时的着火风险判定问题。

3.2.3 长期服役着火危险试验技术

绝缘材料老化引起绝缘性能和阻燃性能下降是电气设备起火的重要因素。现有的标准UL746B 给出了通过测定材料的相对温度指数对聚合物进行长期性能影响（包括燃烧性能）[6]，但研究的老化条件（热老化）单一，未考虑电力设备综合使用环境和火灾事故特征。因此，如何在考虑设备使用环境，运用综合多因素耦合加速老化试验和着火危险试验方法下，研究电力设备用的主要绝缘材料在全生命周期下的燃烧性能变化，开发电力设备与材料长期服役着火危险评价方法，可实现对设备预期安全使用寿命事故风险精准预测。

3.3 标准层级设计

针对电力设备与材料着火危险试验标准体系的构架层级，结合国内外行业需求及技术水平现状，可以从国际标准、国家标准和行业标准三大块推进该体系建设。着火试验方法、长期服役着火危险试验技术的基础研究，可以填补国际、国家在该领域的技术空白，而针对特定电气设备、元件和材料的着火危险试验评价，可以满足行业需求，提高电气产品的质量。

电力设备与材料着火危险试验标准体系设计框架见图1。

图1 电力设备与材料着火危险试验标准体系框架图

4 发展与展望

1）现有着火危险标准体系主要是采用UL 和IEC 的基础通用标准，在针对电力设备和材料着火危险评定标准层次的较明显的不足，电力设备与材料着火危险试验标准研制可以解决国内外电力设备与材料的着火风险无实施规程可参考的行业难题，完善电工电子产品着火危险试验标准体系。

2）在国际标准化工作方面，国内外暂时没有其他关于设备材料的燃烧性能测定的相关标准，而我国是世界电力设备和电力制造大国，电力行业技术也已达到世界先进水平。研究电力设备与材料着火危险标准化技术，尤其是试验方法的开发，可以作为国际标准化活动切入点，提升我国的国际影响力。

3）电力设备行业受“十四五”规划、“碳达峰和碳中和”以及“新型电力系统建设”等规划的支持，未来海上风电、光伏等新能源的大规模接入，海上平台及设备对火灾风险提出了很高的要求，如何实现电气设备更低的着火风险是推动“双碳”目标实现迫切需求，也是我国完善电力装备标准体系，推动电力设备行业高质量发展的现实需求。