防電弧紡織材料測試系統的構建

周永濤 王秀麗 周 媛 叢 林 孫啟龍

（1.山東省產品質量檢驗研究院，山東濟南，250102；2.南通大學，江蘇南通，226019）

隨著電力系統的飛速發展，保障其安全性尤為重要，其中人身安全關乎員工利益、企業發展乃至社會穩定，電弧引起的事故是威脅人身安全的事故之一［1］。據統計，電弧燃爆事件平均每天發生5次到10次［2］。目前在電弧防護性能測試方面，美國和歐洲等國制定了防電弧紡織材料測試標 準ASTM F1959/F1959M—2014《Standard Test Method for Determining the Arc Rating of Materials for Clothing》［3］、NFPA 70E《Standard for Electrical Safety Requirements for Employee Workplaces》［4］、IEC61482《Live Working—Protec?tive Clothing against the Thermal Hazards of an Electric Arc—Part 1?2：Test Methods—Method 2：Determination of Arc Protection Class of Material and Clothing by Using a Constrained and Directed Arc（Box Test）》［5］等，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［6?10］，但由于國內測試機構沒有相關測試能力且缺少相應國家標準，我國防電弧紡織材料的開發主要是對國外產品的模仿，缺乏深入的研究，在電弧防護性能測試系統方面的研究也較欠缺，不利于進一步研究防電弧紡織材料在電弧作用下的微觀、宏觀變化規律，揭示電弧防護機理。

本研究基于燃弧發生裝置構建防電弧紡織材料測試系統，測試系統包括燃弧發生系統和熱通量測試系統兩大部分。測試系統搭建后可進行電弧作用對材料織物結構、性能的影響研究，建立電弧防護性能間接評價體系，對我國高等級電弧防護紡織材料的開發工作尤為必要，同時有利于提升我國應急救援特種防護材料的整體競爭力，對行業的發展具有重大意義。

1 電弧及其危害

電弧是電流通過某些絕緣介質（如空氣）所產生的瞬間火花，呈現弧狀白光并產生高溫高導電的游離氣體，同時釋放大量能量對人身造成傷害或對設備造成損壞。電弧事故對工作人員的危害主要是熱灼傷，還有觸電傷害、熔融金屬燙傷、爆炸及壓力波沖擊等［11］。電弧防護用品在發生電弧時，能夠有效減少入射的電弧能量，降低電弧對人體可能的傷害能力［12］。因此，電弧防護用品紡織材料的性能至關重要。

2 燃弧發生裝置

燃弧發生裝置可用在紡織材料的電弧試驗中，確定材料、織物或織物系統在接觸電弧熱能時的傳熱響應，可用于測量工作人員暴露在產生熱流率2 cal/（cm2·s）～600 cal/（cm2·s）的電弧 下防電弧紡織材料的電弧額定值，用于描述材料的特性，以應對電弧的對流和輻射能。

本測試標準為ASTM F1959/F1959M—2014《Standard Test Method for Determining the Arc Rating of Materials for Clothing》，可以通過材料、織物或織物系統暴露于電弧產生的熱能確定熱傳遞響應。利用透過織物的電弧能量與斯托爾曲線相比，對熱傳遞響應進行評估，得到近似人體組織二級燒傷耐受預測模型。

本研究提供一種紡織材料防電弧性能測試試驗裝置及方法，用于測定材料或材料組合的電弧額定值。本試驗方法保持試樣處于垂直靜止狀態，不涉及運動，除了為將試樣暴露于電弧下而進行的移動。燃弧發生裝置的結構示意圖如圖1所示。

圖1 燃弧發生裝置結構示意圖

該裝置排放大量能量。此外，電弧產生非常強烈的光，應采取措施保護在該區域的工作人員。為防止觸電和接觸熔融金屬，工作人員應站在防護欄后面或保持安全距離。如果試驗是在室內進行的，則應有通風裝置，以便將燃燒煙霧帶離該區域。氣流會干擾電弧，減少量熱計表面的熱流。室外試驗應以適當方式進行，以防止試樣暴露于濕氣和風中。每次試驗后，應立即關閉測試設備的接通電源和實驗室其他用來產生電弧的設備。測試儀器和其他實驗室設備應隔離接地。

3 防電弧紡織材料測試系統

防電弧紡織材料測試系統包括燃弧發生系統和熱通量測試系統兩大部分。

3.1 燃弧發生系統設計

燃弧發生系統主要包括試驗控制模塊和燃弧發生模塊兩部分。試驗控制模塊是對原有低壓成套設備通斷試驗控制系統進行的技術升級改造，通過控制系統實現對試驗電壓、試驗電流、功率因數、通電時間、合閘角度等的精確控制。具體的設計試驗參數：試驗電壓100 V～1 500 V，精度±3%；試驗電流4 kA～25 k A，精度±2%；功率因數0.2～0.5，精 度 ±0.05%；通 電 時 間50 ms～1 500 ms，精度±10 ms；合閘角度0°，精度±3°。燃弧發生模塊由沖擊變壓器、母線干線系統、萬能式斷路器、選相開關等組成。試驗時，通過銅絲使導體相間短路，模擬產生要求能量和時間的電弧。

3.2 熱通量測試系統設計

熱通量測試系統主要包括試驗支架和數據采集分析系統兩部分，如圖2所示。試驗支架主體采用槽鋼/方管制成，包括電極、絕緣支撐、樣品夾具等3部分，尺寸1 000 mm×1 000 mm×2 400 mm；電極采用標稱直徑19 mm、長度45.0 cm的不銹鋼（合金303型或304型）棒制成，電極上下可調，以滿足電極與夾具之間距離要求；絕緣支撐采用耐受35 kV的高壓絕緣子，按照120°均勻分布；樣品夾具與試驗支架采用可移動滑軌連接，使夾具能夠前后、上下調節。

圖2 電弧熱通量測試系統

數據采集分析系統采用NIPCI?6232型多功能數據采集系統，該系統結合了安全高效的隔離和性能優越的定時、放大和校準技術，提供精確測量和精準控制，其技術參數如下。模擬輸入通道數為6路差分通道，通道類型為電壓輸入，多通道模/數轉換器為16位，最大采樣率為250 kS/s，時間精度為采樣率的0.005%，時間分辨率為50 ns；模擬輸出通道數為2路。

數據采集分析系統主要由數據采集模塊、監測與控制模塊、矩陣運算模塊、燒傷預測分析處理模塊和系統資源管理模塊構成，實現6路溫度信號的采集處理電弧過程、計算皮膚燒傷程度、A T?P V和Ebt50計算評估，評估服裝/面料的電弧防護性能。主要構成模塊及功能如圖3所示。

圖3 數據采集分析系統主要構成模塊及功能

本系統構建提出的基于燃弧發生裝置的防電弧紡織材料測試系統，目前國內測試機構還沒有相關測試能力，但在加拿大Kinectrics公司高電流實驗室已經完成了此類設計，能夠按照ASTM F 1959/F1959M—2014進行防電弧紡織材料的電弧防護性能測試試驗。李俠等人在電弧爆燃對間位芳綸/阻燃粘膠織物性能的影響研究也是基于此測試系統委托加拿大Kinectrics公司高電流實驗室完成的電弧爆燃試驗［13］。

4 結語

我國電力系統人員眾多，僅國家電網和南方電網公司就有超過200萬工作人員，防電弧紡織材料的性能對保障相關從業人員的人身安全至關重要。目前國內測試機構尚無電弧防護性能測試裝置和相關測試能力，送樣到國外進行測試周期長且價格昂貴。為進行性能測試，開發高等級防電弧紡織材料，測試系統的研究迫在眉睫。

本研究構建的基于燃弧發生裝置的防電弧紡織材料測試系統是采用開放空間中產生的電弧對面料進行測試，理念是基于ASTM F1959/F 1959M—2014測試標準在現有低壓成套設備通斷試驗控制系統上進行技術升級改造。目前我們已完成燃弧發生系統的改造，制成了燃弧發生裝置和熱通量測試系統的試驗支架，下一步將建立數據采集分析系統。目前還存在燃弧發生的持續時間較短、發生燃弧能量的可調整區間有限和電弧能量測試的傳感器靈敏度不夠等問題，在后續工作中需要進一步完善。

基于燃弧發生裝置的防電弧紡織材料測試系統的構建有助于研究防護材料在電弧作用下的微觀、宏觀變化規律，揭示電弧防護機理，建立電弧防護材料性能間接評價系統，從而開發高等級防電弧紡織材料，促進我國應急救援特種防護材料性能提升。