電力設(shè)備與材料著火危險試驗標準體系研究

劉秀珍，劉鑫

（中國電器科學(xué)研究院股份有限公司 工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性全國重點實驗室，廣州 510663）

引言

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，我國電力需求越來越大，高電壓、大電流、高儲能和易燃易爆電力設(shè)備著火的風(fēng)險也越來越大。近年來，電力行業(yè)相繼發(fā)生了多起變壓器、電容器、干式電抗器、換流閥并聯(lián)電抗器的火災(zāi)事故事件，多起火災(zāi)有著設(shè)備高度同質(zhì)化的特點，給電力行業(yè)防范重大電氣火災(zāi)敲響了警鐘。

2022年4月，國家市場監(jiān)督管理總局、國務(wù)院國資委、國家能源局三部門發(fā)布“關(guān)于全面加強電力設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量安全治理工作的指導(dǎo)意見”指出，電力工業(yè)是國民經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，電力設(shè)備質(zhì)量直接影響到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行和電力可靠供應(yīng)，關(guān)系人民群眾生命財產(chǎn)安全和經(jīng)濟社會發(fā)展[1]。“十四五”推動高質(zhì)量發(fā)展的國家標準體系建設(shè)規(guī)劃中提出了建設(shè)重點領(lǐng)域國家標準體系，加快完善電力裝備等高端裝備領(lǐng)域的標準體系[2]。因此，完善電力設(shè)備的著火風(fēng)險和著火危險評價，從設(shè)備層面提升防火能力，可大幅度降低產(chǎn)品著火的風(fēng)險與后果，對提高電力設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量、保障電力設(shè)備安全有著重要意義，也是我國加快構(gòu)建推動高質(zhì)量發(fā)展國家標準體系的重要內(nèi)容。

電力設(shè)備與材料著火危險試驗標準研制旨在規(guī)范電力設(shè)備與材料著火危險評定的相關(guān)要求，指導(dǎo)行業(yè)設(shè)計、制造、試驗和選型，進而提高我國電力設(shè)備和材料的防火設(shè)計和生產(chǎn)技術(shù)水平。

1 電力設(shè)備與材料著火現(xiàn)狀

電氣設(shè)備與材料著火主要是由電力設(shè)備故障引起的電弧火花及短路、過載、靜電、接觸不良、電氣設(shè)備絕緣損壞及過高的接觸電阻導(dǎo)致的溫升異常等，從而造成附近可燃物發(fā)生起燃，進而引發(fā)火災(zāi)[3]。此外，起燃原因還有很多種可能，包括不正確的安裝、使用和維護。例如，短時過負荷或長期過負荷運行、未在規(guī)定條件下運行、散熱不良或通風(fēng)系統(tǒng)故障。電氣火災(zāi)也可能由外部非電氣火源引起。

電力設(shè)備火災(zāi)除了具有高溫、高壓、帶電，危險性大，滅火困難等共性特點，往往還和設(shè)備的材料的差異和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的類型有關(guān)，例如變壓器著火的儲油柜會造成火上澆油，電纜著火往往發(fā)生在空間狹小的隧道，火焰蔓延速度非常快等特點。此外，電氣設(shè)備中絕緣材料的老化引起絕緣性能和阻燃性能下降也是電氣設(shè)備著火的重要因素。

電力設(shè)備用材料主要包括變壓器、干式電抗器、換流閥并聯(lián)電抗器等電力設(shè)備普遍使用的絕緣紙板、環(huán)氧樹脂、玻璃鋼、硅橡膠、絕緣板、導(dǎo)線絕緣、礦物質(zhì)油等。這類材料，不同的設(shè)備，材料的種類、性質(zhì)、使用環(huán)境，與傳統(tǒng)的塑料和固體非金屬材料都存在很大的差異。

2 電力設(shè)備與材料著火標準存在的不足

目前常使用的標準有國際標準UL94《用作儀表和設(shè)備部件的塑料的燃燒性測定》、國標GB/T 22472《儀表和設(shè)備部件用塑料的燃燒性測定》和GB/T 5169.16《電工電子產(chǎn)品著火危險試驗 第16 部分：試驗火焰 50 W 水平與垂直火焰試驗方法》等，主要針對傳統(tǒng)的塑料和固體絕緣材料的燃燒性測定有相關(guān)的規(guī)定，標準在試樣要求、試樣處理等方面無法完全適用于電力設(shè)備和材料。存在的問題主要有：

1）除上述標準外，國內(nèi)外沒有其他關(guān)于設(shè)備材料的燃燒性能測定的相關(guān)標準，電力設(shè)備用材料的燃燒等級評定的標準更無相關(guān)標準作為參考；

2）由于現(xiàn)有標準針對廣義的塑料材料和固體非金屬材料，電力設(shè)備用材料的種類、性質(zhì)、使用環(huán)境與傳統(tǒng)的塑料和固體非金屬材料存在很大的差異，現(xiàn)有標準在試樣要求、試樣處理等方面無法完全適用于電力設(shè)備用材料；

3）現(xiàn)有的標準往往只考慮材料的初始燃燒性能，未考慮電氣設(shè)備火災(zāi)事故特征以及長期服役的老化條件，即使考慮老化條件，也比較單一，導(dǎo)致從長期服役方面提升電力設(shè)備防火能力存在空白。

3 標準體系設(shè)計

3.1 目的

設(shè)計針對特定電氣設(shè)備與材料著火危險試驗方法，確定電力設(shè)備或材料的哪些性能對著火存在影響，以及設(shè)備或其部件、材料對起燃、火勢發(fā)展和火災(zāi)影響的作用，目的在于對電力設(shè)備用材料、元件及零部件進行篩選，以及即使發(fā)生了可以預(yù)見的誤用、故障和失效，也能將潛在的著火風(fēng)險降低到容許的水平[4]。

3.2 主要內(nèi)容

3.2.1 著火試驗方法開發(fā)

目前，實驗室涉及到的電工設(shè)備和材料起燃方法的選擇主要考慮兩種引燃源，一是內(nèi)部引燃源，主要模擬產(chǎn)品內(nèi)部電阻發(fā)熱或由電阻自身發(fā)熱而產(chǎn)生的小火焰，二是電工電子設(shè)備和系統(tǒng)外部的火焰或過熱。例如ISO 871 規(guī)定的用熱空氣爐測定塑料閃燃溫度和自燃溫度的方法，IEC 60695-2-11、IEC 60695-2-12和IEC 60695-2-13 用到的灼熱絲/ 熱絲試驗方法，IEC 60695-11-5、IEC 60695-11-10 和IEC 60695-11-20提供的火焰試驗方法，以及IEC 60695-11-11模擬的由非接觸小火焰熱通量引起的起燃試驗方法[5]。電力設(shè)備火災(zāi)往往由于電弧放電引起，這類火災(zāi)對設(shè)備和材料的防火性能和著火危險試驗提出了新的要求，以熱灼絲/熱絲試驗、火焰試驗等非電氣引燃源試驗為主，不符合含油電工電子產(chǎn)品內(nèi)部電弧故障引發(fā)的電氣火災(zāi)的工程實際，無法有效指導(dǎo)電氣引燃源的著火危險試驗，需要探索能更加真實考察電力設(shè)備耐受電弧能量著火試驗，形成系統(tǒng)的試驗原理、試驗方法。

3.2.2 針對特定電力設(shè)備類型評價導(dǎo)則

電力設(shè)備的種類多、涉及多種技術(shù)路線的產(chǎn)品，產(chǎn)品間材料性能差異大，著火的特異性導(dǎo)致對著火危險試驗的試樣要求、試驗方法、著火危險等級的評定方法以及等級要求也不一樣。因此，制定針對特定電氣設(shè)備與材料燃燒的試驗設(shè)備、檢測裝置和評定標準，可用于材料的篩選和預(yù)防火災(zāi)危險，指導(dǎo)行業(yè)規(guī)范性地開展相關(guān)試驗，可以大幅降低設(shè)備起火的風(fēng)險與后果，解決電力設(shè)備與材料的著火危險規(guī)范性的難題。此外，隨著新型電力系統(tǒng)的加入和完善，電網(wǎng)設(shè)備將面臨更復(fù)雜的工況，為降低新能源接入后惡劣的電網(wǎng)工況導(dǎo)致設(shè)備起火或發(fā)生重大火災(zāi)，需要解決電力設(shè)備和材料選型時的著火風(fēng)險判定問題。

3.2.3 長期服役著火危險試驗技術(shù)

絕緣材料老化引起絕緣性能和阻燃性能下降是電氣設(shè)備起火的重要因素。現(xiàn)有的標準UL746B 給出了通過測定材料的相對溫度指數(shù)對聚合物進行長期性能影響（包括燃燒性能）[6]，但研究的老化條件（熱老化）單一，未考慮電力設(shè)備綜合使用環(huán)境和火災(zāi)事故特征。因此，如何在考慮設(shè)備使用環(huán)境，運用綜合多因素耦合加速老化試驗和著火危險試驗方法下，研究電力設(shè)備用的主要絕緣材料在全生命周期下的燃燒性能變化，開發(fā)電力設(shè)備與材料長期服役著火危險評價方法，可實現(xiàn)對設(shè)備預(yù)期安全使用壽命事故風(fēng)險精準預(yù)測。

3.3 標準層級設(shè)計

針對電力設(shè)備與材料著火危險試驗標準體系的構(gòu)架層級，結(jié)合國內(nèi)外行業(yè)需求及技術(shù)水平現(xiàn)狀，可以從國際標準、國家標準和行業(yè)標準三大塊推進該體系建設(shè)。著火試驗方法、長期服役著火危險試驗技術(shù)的基礎(chǔ)研究，可以填補國際、國家在該領(lǐng)域的技術(shù)空白，而針對特定電氣設(shè)備、元件和材料的著火危險試驗評價，可以滿足行業(yè)需求，提高電氣產(chǎn)品的質(zhì)量。

電力設(shè)備與材料著火危險試驗標準體系設(shè)計框架見圖1。

圖1 電力設(shè)備與材料著火危險試驗標準體系框架圖

4 發(fā)展與展望

1）現(xiàn)有著火危險標準體系主要是采用UL 和IEC 的基礎(chǔ)通用標準，在針對電力設(shè)備和材料著火危險評定標準層次的較明顯的不足，電力設(shè)備與材料著火危險試驗標準研制可以解決國內(nèi)外電力設(shè)備與材料的著火風(fēng)險無實施規(guī)程可參考的行業(yè)難題，完善電工電子產(chǎn)品著火危險試驗標準體系。

2）在國際標準化工作方面，國內(nèi)外暫時沒有其他關(guān)于設(shè)備材料的燃燒性能測定的相關(guān)標準，而我國是世界電力設(shè)備和電力制造大國，電力行業(yè)技術(shù)也已達到世界先進水平。研究電力設(shè)備與材料著火危險標準化技術(shù)，尤其是試驗方法的開發(fā)，可以作為國際標準化活動切入點，提升我國的國際影響力。

3）電力設(shè)備行業(yè)受“十四五”規(guī)劃、“碳達峰和碳中和”以及“新型電力系統(tǒng)建設(shè)”等規(guī)劃的支持，未來海上風(fēng)電、光伏等新能源的大規(guī)模接入，海上平臺及設(shè)備對火災(zāi)風(fēng)險提出了很高的要求，如何實現(xiàn)電氣設(shè)備更低的著火風(fēng)險是推動“雙碳”目標實現(xiàn)迫切需求，也是我國完善電力裝備標準體系，推動電力設(shè)備行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的現(xiàn)實需求。