防電弧紡織材料測試系統的研究

張 靜 周 媛 叢 林 員雪峰 張 超

（山東省產品質量檢驗研究院，山東濟南， 250102）

電弧是高壓電器在短路或介質被擊穿情況下的瞬間放電，瞬間釋放的巨大熱量能直接燒傷皮膚或引燃服裝，對工作人員造成致命的傷害，因此開展防電弧面料的研究、開發高性能電弧防護服具有重要意義［1］。紡織面料電弧防護服具備很好的耐熱性、阻燃性、不熔融、H 級電絕緣和永久性防火等性能，可將人體皮膚與電弧熱能的接觸傷害降至最低，從而保護在電力行業從事運行、調試、檢測和維護等的相關工作人員，故對紡織面料電弧防護性能相關指標進行測試和分析至關重要［2］。目前我國電力行業中使用最多的是美國杜邦公司生產的防電弧服，制約國產防電弧面料廣泛應用的重要原因是面料的測試大都需要送檢國外，在美國和加拿大進行檢測，周期長且測試費用昂貴，嚴重影響了國內防電弧織物的開發，測試裝置的開發迫在眉睫［3］。

近年來，國內外學者對防電弧材料的開發研究主要集中在新型材料和涂層織物方面，在電弧防護性能測試系統方面缺乏深入的研究。周永濤等人基于燃弧發生裝置構建防電弧紡織材料測試系統，可用于研究電弧對材料織物結構、性能的影響，已經在山東省產品質量檢驗研究院建立，可進行防電弧服面料檢測試驗，填補了國內電弧防護性能測試機構的空白［4］。

本研究從國內外標準、測試方法和測試能力方面對我院建立的防電弧紡織材料測試系統進行了闡明，以期為國內電弧防護面料的研發和測試提供參考和檢測平臺，從而有力地促進國內防電弧服產品質量提升，推動產業快速發展，減少生產企業、經銷商在境外檢測機構的支出，為保護電力行業相關工作人員的人身安全所需的特種防護提供有力的技術保障。

1 國內外標準

在電弧防護性能測試方面，美國和歐洲早已經制定了防電弧紡織材料測試標準，加拿大和西班牙也建立了比較完備的電弧防護性能測試實驗室［5］。我國對電弧防護的認知相對較晚，隨著電力行業標準DL/T 320—2010《個人電弧防護用品通用技術要求》的制定［6］，電力從業人員的電弧防護意識才逐漸提高。

目前在紡織面料電弧防護性能測試方面的標準主要有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）》。前兩個標準都是采用開放空間中產生的電弧對紡織面料進行性能測試的，兩者的主要差異在于：IEC 61482—1—1：2019 測試試樣需要采用ISO 6330：2012《Textiles—Domestic Washing and Drying Proce?dures for Textile Testing》水洗方式處理，而ASTM F1959/F1959M—14 測試試樣則需要采用AATCC Test Method 135—2018《Dimensional Changes of Fabrics after Home Laundering》水 洗方式處理。在IEC 61482—1—2：2014 中采用有約束的定向電弧進行測試。

本研究涉及的防電弧紡織材料測試系統是按照ASTM F1959/F1959M—14 標準進行構建的，該標準依據的面料電弧性能測試方法目前被歐洲和我國廣泛采用，分別利用織物前、后的熱流計測試入射電弧能量和透過織物電弧能量，進而分析得到電弧防護性能。最常用的指標有電弧熱防護性能值（ATPV值）和材料破裂閾能值（EBT值）。ATPV值反映面料強力作用大于熱防護性能，當已經達到產生二級燒傷的入射能量時面料沒有破裂；EBT值反映熱防護性能優于面料強力，當未達到造成二級燒傷的入射能量時，面料出現破裂［7］。將面料防護性能按照表1 中的規定分為4 個級別，不同的防護級別需同時達到電弧防護性能（AT?PV值、EBT值）和單位面積質量的要求。

表1 防護級別、單位面積質量、電弧防護性能的要求

通常當外界入射能量小于該面料的ATPV值時，面料能有效阻隔和減少透過的能量，避免造成人體Ⅱ度及以上的灼傷。ATPV值和EBT值存在細微差別，但無顯著差異，本研究通過搭建的防電弧紡織材料測試系統，進行至少7 次燃弧試驗，得到至少20 個有效測試結果，從而獲得ATPV值來表征紡織面料的電弧防護性能。

2 測試方法

本研究采用的面料電弧防護性能測試方法是在斯托爾曲線模型下，電弧閃爆能量有50%可能造成人體Ⅱ度燒傷的能量值，通過測試過程中穿透測試面料的總熱量來評估其電弧防護性能。

2.1 設備

測試設備由電源總線、電弧控制器、記錄儀、電弧電極、3 組平板傳感器和監控傳感器組成。由于電弧閃爆的不確定性，在各傳感器上可以觀察到不同的熱傳遞值。3 組平板傳感器等間隔排列，每組間隔120°；每組平板傳感器的尺寸為（20.3±1.3）cm×（54.6±1.3）cm，其兩側各安裝一個監控傳感器；每組平板傳感器和監控傳感器都是固定在熱絕緣材料上的，安裝有調節距離和鎖定功能的滑動裝置；每組平板傳感器距電弧電極中心線的距離r1和監控傳感器距電弧電極中心線的距離r2都應調整在20 cm～60 cm。監控傳感器和3 組平板傳感器布局見圖1。

圖1 監控傳感器和3 組平板傳感器布局圖

該系統測試設備滿足以下條件：安裝的平板傳感器和監控傳感器都是由銅塞熱量計組成，銅塞熱量計背面配備了熱電偶，不受氣流沖刷影響；單位面積電氣用銅片在某一時間間隔傳入的熱量等于其蓄積的熱量，測出電氣用銅片平均溫度變化率即可計算電弧能量；電弧電極由直徑19 mm的不銹鋼棒制成，長度45.0 cm；電極間熔絲通過熔斷絲連接電極的正負兩極產生電弧，熔斷絲在測試過程中被熔化，熔斷絲為銅導線，其直徑不大于0.5 mm；電源滿足在30.5 cm 的間隙產生電弧放電的電極距離（即電極間距）；電源回路為頻率50 Hz 的交流電，電弧電流在4 000 A～25 000 A之間，電弧持續時間在0.05 s～1.50 s。采用數據采集系統記錄測試所需的電壓、電流、周期和熱量計的數值。

2.2 制樣

測試面料連續洗滌3 次后進行烘干，平鋪在制樣臺上，并適當按壓使其恢復平整。洗滌后作為測試樣品，樣品的長度方向是沿著面料的經向或緯向進行裁剪的，洗滌后的樣品尺寸長度不小于61.0 cm、寬度不小于30.5 cm，允許在洗滌過程中出現織物收縮。從測試樣品中隨機選出3 個樣品用來測定送檢面料的單位面積質量，不同防護級別的電弧防護面料在單位面積質量上的要求是不一樣的，需要滿足表1 的規定。

2.3 試驗程序

滿足試驗條件［電弧電流（8±1）kA，電極間距30.5 cm，電弧電極的中心線至樣品表面距離調整在20 cm～60 cm 之間］后開始測試。試驗步驟：首先，在同一面料上裁取21 個樣品，每次用3個樣品進行測試，分別裝夾在3 組平板雙傳感器上；再用一定范圍內的入射能量進行至少7 次測試來評估面料的電弧防護等級。每塊平板對應一個時間點的總入射能量是由單位時間內2 個監控傳感器測定的結果平均而得。

測試過程中需要滿足以下幾點：測定ATPV值需要至少20 個入射能量的平均值；平板傳感器在電弧閃爆時測得的入射能量至少有15%超過斯托爾曲線預測的二度燒傷標準；平板傳感器在電弧閃爆時測得的入射能量至少有15%低于斯托爾曲線預測的二度燒傷標準；平板傳感器在電弧閃爆時測定的入射能量至少有50%落在最終ATPV值的±20%公差范圍內，此范圍內的值會同時存在超過和不超過斯托爾標準的情況。

值得注意的是，為滿足上述要求可采用迭代法。在最開始兩次電弧閃爆后，如果6 個測試結果既有高于斯托爾曲線標準，又有低于斯托爾曲線標準時，可確定ATPV值的一個預估值，用此預估值作為后續測試的參考，使得測試結果有50% 落在樣品最終ATPV值的20% 公差范圍內。也就是說，21 個測得數據中應至少有11 個的入射能量值在最終ATPV值的20%公差范圍內，才認為所有數據有效，不用再增加測試次數。

除此之外，通過增加或減少電弧持續時間來獲得不同入射能量以及尋找ATPV值都需要豐富的經驗積累，這是整個試驗過程中的難點和關鍵點。

3 測試能力

2021 年6 月該研究涉及的防電弧紡織材料測試系統在我院茌平園區高壓試驗系統投運后，經反復模擬，試驗電弧能夠滿足測試要求，面料測試試驗現場見圖2，數據采集系統記錄的電弧波形圖數據見表2。

圖2 阻燃布料測試試驗現場

表2 電弧波形圖數據

從表2 可以看出，電弧電流在（8±1）kA 之間，電弧持續時間在0.05 s～1.5 s 之間，電流峰值與有效值之比小于2.3，性能測試所需的試驗條件滿足標準規定。

測試過程中，采用零度合閘使每次測試電流在重復電弧閃爆時與目標值的偏離不超過2%，從而來滿足標準要求。

根據電壓、電流、電弧持續時間和操作距離等相關影響因素，計算預計可能的電弧危害能量。用式（1）計算入射能量。其中，式（1）典型條件為燃弧時間0.2 s，最可能電弧源距人610 mm。

式中：En為典型攝入能量（cal/cm2）；K1為常數（開放空間為-0.792，封閉空間為-0.555）；K2為常數（未接地或者高阻抗接地系統為0；接地系統為-0.113）；G為導體間距離（mm）。

當Ibf=8.058 kA 時，lgIa=0.004 02+0.983×lgIbf=0.894 8，K1=-0.792，K2=-0.113，G=305 時，利用公式（1）可計算得到0.2 s/610 mm 典型條件下的攝入能量En=2.499 cal/cm2。

然后用式（2）計算實際攝入能量：

式中：Cf為換算因子（系統電壓高于1 kV 為1.0，低于1 kV 為1.5）；t為燃弧時間（s）；D為操作距離即燃弧點到人體實際距離（mm）；x為距離指數。

當Cf=1.0，t=0.181 s，D=200 mm，x=2時，可得到實際攝入能量E=21.041 cal/cm2。通過對至少20 組測定數據進行計算，將測試數據結果進行邏輯回歸分析，可確定ATPV值用來評估面料的電弧防護性能。

通過測試，驗證確定了防電弧紡織材料測試系統在電弧紡織材料試驗方面具備檢測能力，能夠提供測試所需的試驗環境和條件，在電弧閃爆時可以有效測得電弧能量，從而有助于評估紡織面料電弧防護性能，為電防護服行業的發展提供測試服務和技術保障。

4 結語

電力行業是直接關系到國計民生的基礎性行業，保證電力生產的安全運行就是保證經濟社會的平穩發展，電力從業人員的人身安全關系到企業發展乃至社會穩定。

該研究涉及的測試系統平臺可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，能夠滿足防電弧性能測試的需要，是目前國內已具備防護服防電弧等級檢測能力的實驗室，填補了國內電弧防護性能測試實驗室的空白，改變防電弧面料只能依靠國外檢測的局面，促進我國防電弧面料的開發、生產和檢測，對提高其質量及防護水平具有重要意義。