聚酰亞胺織物的防電弧性能分析

侯 喆 馬 暢 琚澤立 蒲 路 段雄英

（1.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，陜西西安，710054；2.大連理工大學(xué)，遼寧大連，116024）

近年來，隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，人們對電能的需求越來越大，并且用戶和企業(yè)對電能的可靠性要求也越來越嚴(yán)格。為了保證供電的可靠性和持續(xù)性，減少停電時間，在電網(wǎng)的檢修作業(yè)中，帶電作業(yè)成為一種運維檢修手段被廣泛應(yīng)用。但同時帶電作業(yè)的增加使得檢修工作人員暴露在電力事故危險的可能性增加。有資料表明，電力事故中電弧事故的發(fā)生幾率最高，電弧燃爆每天發(fā)生5 次到10 次［1］。

電弧是一種呈現(xiàn)弧狀白光并產(chǎn)生高溫氣體的放電現(xiàn)象［2］。當(dāng)絕緣或隔離不足以承受施加的電壓時，電流從通電導(dǎo)體到另一導(dǎo)體間的氣隙中就會發(fā)生電弧閃光。電弧一旦形成，空氣和導(dǎo)電材料（如銅和鋁）的電離就會產(chǎn)生高溫等離子體和分子云。此外，在電弧產(chǎn)生過程中，電流產(chǎn)生連續(xù)的排斥磁力，使等離子體云急劇膨脹，這種膨脹再加上快速加熱，往往以爆炸的形式釋放。隨著持續(xù)的電弧形成，電能不斷地轉(zhuǎn)換為強烈的熱、光和壓力；此外熔化的金屬液滴和有毒氣體也是電弧帶來的重大危險［3?4］。盡管電弧閃光事件本身可能只持續(xù)幾個周期，但它可以對人體造成持久的影響，包括燒傷、衰弱性傷害，甚至死亡。有資料表明，皮膚暴露于1.2 cal/cm2的入射能量下1 s，就會造成二級燒傷［5］。

為了減少電弧事故對電力工作人員的傷害，穿著防電弧服是必要的。防電弧服材料在面對電弧時具有耐熱性、阻燃性，材料本身會在高溫情況下迅速炭化，形成致密的炭化膜，阻擋外部熱量向人體傳遞，給工作人員反應(yīng)時間，以便撤離電弧發(fā)生點［6］。

目前防電弧服所使用的材料都是具有優(yōu)異耐高溫、阻燃的高分子材料。聚酰亞胺纖維的分子主鏈上含有酰亞胺環(huán)基團［7］，具有優(yōu)異的耐高溫性能、阻燃性、耐輻射性、化學(xué)穩(wěn)定性及力學(xué)性能，近年來已經(jīng)在航空、航天、微電子、液晶、軌道交通等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在紡織領(lǐng)域中，已經(jīng)有聚酰亞胺滅火消防服外層織物［8］，但在防電弧服的應(yīng)用方面研究還較少。本研究測試了3 種聚酰亞胺織物的防電弧性能，探討其在電弧防護領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，為聚酰亞胺材料在電力系統(tǒng)安全防護領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論參考。

1 試驗部分

1.1 聚酰亞胺織物規(guī)格

選用了3 種織物，分別為織物1、織物2 和織物3。其中，織物1 為純聚酰亞胺織物，經(jīng)紗和緯紗均為聚酰亞胺18.4 tex×2 股線，經(jīng)密285 根/10 cm，緯密210 根/10 cm，單位面積質(zhì)量200 g/m2?？椢? 的經(jīng)紗和緯紗均為聚酰亞胺/芳綸1414/導(dǎo)電纖維85/13/2 16.4 tex×2 股線，經(jīng)密500 根/10 cm，緯密190 根/10 cm，單位面積質(zhì)量200 g/m2?？椢? 的經(jīng)紗和緯紗均為聚酰亞胺/阻燃粘膠/腈氯綸40/30/30 17.3 tex×2 股線，經(jīng)密320 根/10 cm，緯密240 根/10 cm，單位面積質(zhì)量220 g/m2。

1.2 電弧試驗平臺

1.2.1 大電流回路試驗系統(tǒng)

目前針對防電弧服的測試標(biāo)準(zhǔn)有ASTM F1959/F1959M—14e1《Standard Test Method for Determining the Arc Rating of Materials for Cloth?ing》和IEC 61482?1?1—2019《Live Working ?Pro?tective Clothing Against the Thermal Hazards of an Electric Arc?Part 1?1：Test Methods?Method 1:Determination of the Arc Rating (ELIM,ATPV and/or EBT) of Clothing Materials and of Protec?tive Clothing Using an Open Arc》。本研究結(jié)合大連理工大學(xué)高壓大電流實驗室，電弧試驗平臺采用大電流回路試驗系統(tǒng)。電弧試驗平臺回路的電路圖如圖1 所示。

圖1 電弧試驗回路系統(tǒng)電路圖

電弧試驗回路系統(tǒng)采用LC 放電回路原理，左側(cè)回路通過電源變壓器給電容器組充電存儲電能，充電結(jié)束后斷開左側(cè)開關(guān)。右側(cè)回路是由電容和電感組成的LC 放電回路，利用回路開關(guān)控制電容放電產(chǎn)生大電流。通過調(diào)節(jié)電容、電感值改變試驗回路頻率，通過改變充電電壓值或儲能電容數(shù)量改變回路電流大小。參照ASTM F1959 中的規(guī)定進行電極結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括絕緣桿和銅電極，熔斷絲作為起弧裝置。在電弧試驗平臺下分別進行4 kA、8 kA 和10 kA 電流等級試驗。

1.2.2 電弧能量測量裝置

根據(jù)ASTM F1959/F1959M—14e1 和IEC 61482?1?1—2019 中所述，采用銅熱量計進行電弧能量測量。銅熱量計的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，包括銅片、隔熱板（通常采用硅酸鈣板）、熱電偶。

圖2 銅熱量計

采用銅熱量計測量電弧能量的基本思路是電弧產(chǎn)生的熱量通過熱對流、輻射使銅熱量計的銅片產(chǎn)生溫升，熱電偶與銅片相接，感知銅片的溫度變化，經(jīng)過硬件數(shù)據(jù)處理模塊得到銅片的溫度變化量，結(jié)合銅片的物理特性計算出銅熱量計接收到的電弧能量。電弧熱能計算見式（1）。

式中：Q為銅熱量計測得的入射能量（J/cm2或cal/cm2），mass為銅熱量計銅片的質(zhì)量（g），為溫度上升期間銅片的平均熱容量［J/（g·℃）］，Tinitial為銅熱量計銅片的初始溫度（℃），Tfinal為一定時間熱暴露后銅片的溫度（℃），area為銅熱量計銅片的面積（cm2）。

2 試驗結(jié)果與討論分析

2.1 不同電流等級下電弧能量

電弧能量主要與電流大小有關(guān)，其次與電弧電極間距、電壓有關(guān)。本研究在相同電壓、電極間距情況下，通過改變電流大小改變電弧能量。在相同的測量距離下，利用銅熱量計測量出不同電流等級下電弧產(chǎn)生的溫升，進而能夠計算出電弧能量。表1 為試驗室電弧試驗平臺在不同電流等級時銅熱量計所測得的溫升，時間均為10 s。

表1 不同電流等級下銅熱量計的溫升

Stoll 和Chinanta 兩位研究學(xué)者通過對動物皮膚進行大量的燒傷試驗研究，找出了一種能夠預(yù)測人體二級燒傷的方法，即Stoll 二級燒傷準(zhǔn)則［9］。兩位學(xué)者把二級燒傷時所需要的熱量值根據(jù)ASTM E457—2008《Standard Test Method for Measuring Heat?Transfer Rate Using a Thermal Capacitance (Slug) Calorimeter》中轉(zhuǎn)換公式見式（2），將不同入射能量下造成人體皮膚二級燒傷所需時間轉(zhuǎn)換成銅熱量計的溫度上升值，得到Stoll 曲線。

式中：ρC為銅的體積質(zhì)量（kg/m3），CP為銅的比熱容［J/（kg·℃）］，ΔT為溫度上升值（℃），Δt為時間變化量（s）。

當(dāng)銅熱量計所測得的溫度上升曲線與Stoll曲線相交，則在此電弧能量下會對人體造成二級燒傷，反之則不會。Stoll 曲線二級燒傷熱時間和銅熱量計溫升值的數(shù)據(jù)如表2 所示。

由表2 可知，如果在10 s 內(nèi)，銅熱量計的溫升大于17.3 ℃，則銅熱量計的溫升曲線會與Stoll 曲線相交，對人體造成二級燒傷。而試驗測得的10 s 溫升數(shù)據(jù)分別是20.0 ℃、46.3 ℃、66.5 ℃，均大于17.3 ℃，說明在電流等級為4 kA、8 kA和10 kA 時，如果人體不穿防護服，電弧的能量會對人體造成二級燒傷。

表2 Stoll 二級燒傷準(zhǔn)則數(shù)據(jù)表

2.2 聚酰亞胺織物的防護性能

2.2.1 阻燃性能

將3 種織物分別在4 kA、8 kA 和10 kA 的電流等級下做電弧燒蝕試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3 種織物均無續(xù)燃、無熔融現(xiàn)象。這是因為聚酰亞胺纖維本身具有耐高溫和阻燃性，可以滿足DL/T 320—2019《個人電弧防護用品通用技術(shù)要求》中對防電弧服用品的阻燃性能要求。

2.2.2 熱防護性能

根據(jù)表1 可知，在不同電流等級下電弧產(chǎn)生的能量不同，對銅熱量計造成的溫升也不同。為探究3 種織物的熱防護性能，將其分別覆蓋在銅熱量計的表面進行電弧試驗，每組試驗做5 次，每次試驗記錄前10 s 的溫度，取平均值，計算溫升結(jié)果如表3 所示。

表3 3 種織物覆蓋的銅熱量計溫升

由表3 可知，在具有織物覆蓋的情況下，銅熱量計的溫升與直接暴露在電弧下相比有了明顯減少，說明聚酰亞胺織物可以在一定電弧能量下保護人體安全，減少燒傷。在同等電弧能量的作用下，織物3 的隔熱性最好，與織物2 相比，兩者的差距不大，在1 ℃之內(nèi)，相比于織物1，兩者最大溫差在3.5 ℃。

雖然織物1 在10 kA 的電弧能量下溫升最高，但仍低于Stoll 曲線在10 s 時達到二級燒傷所需的溫度。因此認為聚酰亞胺織物一定程度上可用作防電弧服的隔熱材料。

2.2.3 破裂性能

以上試驗銅熱量計所測得的溫升數(shù)據(jù)，每次測量都會更換新的織物樣品，也即測量所使用的織物樣品都只經(jīng)過了一次電弧作用。為了探究在電弧作用下3 種織物的破裂性能，以8 kA 電流等級為例，觀察在電弧作用5 次下，3 種聚酰亞胺織物的破裂情況，結(jié)果如表4 所示。

表4 3 種織物的破裂測試結(jié)果

由表4 可知，在與電弧距離4.0 cm 的試驗條件下，3 種織物均未發(fā)生破裂現(xiàn)象。在與電弧距離1.5 cm 的條件下進行試驗，發(fā)現(xiàn)織物3 在第3次電弧作用下發(fā)生了破裂，織物1 和織物2 均是在第5 次電弧作用下破裂。織物1 和織物2 雖然都是在第5 次電弧作用下破裂，但是兩者的破裂程度不同，織物1 破裂程度更嚴(yán)重。在與電弧距離1.0 cm 的條件下進行試驗，發(fā)現(xiàn)織物3 在第2次電弧作用下發(fā)生了破裂，織物1 在第3 次電弧作用下發(fā)生破裂，而織物2 在第4 次電弧作用下發(fā)生破裂。

可以看出，在相同電弧能量的作用下，織物2的破裂閾能相比其他兩種織物更高，織物3 破裂閾能最低。因為織物2 中聚酰亞胺和芳綸1414均是高強度纖維，可以顯著增加織物強力，所以在面對電弧燃爆時有更高的破裂閾能，而織物3 中聚酰亞胺的含量相對較低，因此織物具有的破裂閾能也較低。

3 結(jié)論

（1）采用電弧試驗平臺和銅熱量計進行電弧能量的測量，發(fā)現(xiàn)所搭建的試驗平臺產(chǎn)生的電弧能量能夠造成人體二級燒傷，在此平臺下進行材料的電弧試驗具有可行性。

（2）在相同的電弧能量作用下，3 種聚酰亞胺織物表現(xiàn)出來的隔熱性，織物2 和織物3 相似，織物1 稍差。

（3）在相同的電弧能量作用下，織物2 的破裂閾值最高，其次是織物1，最后是織物3。

（4）織物1 在10 kA 的電弧能量下溫升低于Stoll 曲線在10 s 時達到二級燒傷所需的溫度。因此認為聚酰亞胺織物一定程度上可用作防電弧服。