防电弧纺织材料测试系统的构建

周永涛 王秀丽 周 媛 丛 林 孙启龙

（1.山东省产品质量检验研究院，山东济南，250102；2.南通大学，江苏南通，226019）

随着电力系统的飞速发展，保障其安全性尤为重要，其中人身安全关乎员工利益、企业发展乃至社会稳定，电弧引起的事故是威胁人身安全的事故之一［1］。据统计，电弧燃爆事件平均每天发生5次到10次［2］。目前在电弧防护性能测试方面，美国和欧洲等国制定了防电弧纺织材料测试标 准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电弧防护性能测试实验室。国内陕西元丰纺织技术研究有限公司、南通大学等机构在防电弧纺织材料开发方面进行了一定的研究［6⁃10］，但由于国内测试机构没有相关测试能力且缺少相应国家标准，我国防电弧纺织材料的开发主要是对国外产品的模仿，缺乏深入的研究，在电弧防护性能测试系统方面的研究也较欠缺，不利于进一步研究防电弧纺织材料在电弧作用下的微观、宏观变化规律，揭示电弧防护机理。

本研究基于燃弧发生装置构建防电弧纺织材料测试系统，测试系统包括燃弧发生系统和热通量测试系统两大部分。测试系统搭建后可进行电弧作用对材料织物结构、性能的影响研究，建立电弧防护性能间接评价体系，对我国高等级电弧防护纺织材料的开发工作尤为必要，同时有利于提升我国应急救援特种防护材料的整体竞争力，对行业的发展具有重大意义。

1 电弧及其危害

电弧是电流通过某些绝缘介质（如空气）所产生的瞬间火花，呈现弧状白光并产生高温高导电的游离气体，同时释放大量能量对人身造成伤害或对设备造成损坏。电弧事故对工作人员的危害主要是热灼伤，还有触电伤害、熔融金属烫伤、爆炸及压力波冲击等［11］。电弧防护用品在发生电弧时，能够有效减少入射的电弧能量，降低电弧对人体可能的伤害能力［12］。因此，电弧防护用品纺织材料的性能至关重要。

2 燃弧发生装置

燃弧发生装置可用在纺织材料的电弧试验中，确定材料、织物或织物系统在接触电弧热能时的传热响应，可用于测量工作人员暴露在产生热流率2 cal/（cm2·s）～600 cal/（cm2·s）的电弧 下防电弧纺织材料的电弧额定值，用于描述材料的特性，以应对电弧的对流和辐射能。

本测试标准为ASTM F1959/F1959M—2014《Standard Test Method for Determining the Arc Rating of Materials for Clothing》，可以通过材料、织物或织物系统暴露于电弧产生的热能确定热传递响应。利用透过织物的电弧能量与斯托尔曲线相比，对热传递响应进行评估，得到近似人体组织二级烧伤耐受预测模型。

本研究提供一种纺织材料防电弧性能测试试验装置及方法，用于测定材料或材料组合的电弧额定值。本试验方法保持试样处于垂直静止状态，不涉及运动，除了为将试样暴露于电弧下而进行的移动。燃弧发生装置的结构示意图如图1所示。

图1 燃弧发生装置结构示意图

该装置排放大量能量。此外，电弧产生非常强烈的光，应采取措施保护在该区域的工作人员。为防止触电和接触熔融金属，工作人员应站在防护栏后面或保持安全距离。如果试验是在室内进行的，则应有通风装置，以便将燃烧烟雾带离该区域。气流会干扰电弧，减少量热计表面的热流。室外试验应以适当方式进行，以防止试样暴露于湿气和风中。每次试验后，应立即关闭测试设备的接通电源和实验室其他用来产生电弧的设备。测试仪器和其他实验室设备应隔离接地。

3 防电弧纺织材料测试系统

防电弧纺织材料测试系统包括燃弧发生系统和热通量测试系统两大部分。

3.1 燃弧发生系统设计

燃弧发生系统主要包括试验控制模块和燃弧发生模块两部分。试验控制模块是对原有低压成套设备通断试验控制系统进行的技术升级改造，通过控制系统实现对试验电压、试验电流、功率因数、通电时间、合闸角度等的精确控制。具体的设计试验参数：试验电压100 V～1 500 V，精度±3%；试验电流4 kA～25 k A，精度±2%；功率因数0.2～0.5，精 度 ±0.05%；通 电 时 间50 ms～1 500 ms，精度±10 ms；合闸角度0°，精度±3°。燃弧发生模块由冲击变压器、母线干线系统、万能式断路器、选相开关等组成。试验时，通过铜丝使导体相间短路，模拟产生要求能量和时间的电弧。

3.2 热通量测试系统设计

热通量测试系统主要包括试验支架和数据采集分析系统两部分，如图2所示。试验支架主体采用槽钢/方管制成，包括电极、绝缘支撑、样品夹具等3部分，尺寸1 000 mm×1 000 mm×2 400 mm；电极采用标称直径19 mm、长度45.0 cm的不锈钢（合金303型或304型）棒制成，电极上下可调，以满足电极与夹具之间距离要求；绝缘支撑采用耐受35 kV的高压绝缘子，按照120°均匀分布；样品夹具与试验支架采用可移动滑轨连接，使夹具能够前后、上下调节。

图2 电弧热通量测试系统

数据采集分析系统采用NIPCI⁃6232型多功能数据采集系统，该系统结合了安全高效的隔离和性能优越的定时、放大和校准技术，提供精确测量和精准控制，其技术参数如下。模拟输入通道数为6路差分通道，通道类型为电压输入，多通道模/数转换器为16位，最大采样率为250 kS/s，时间精度为采样率的0.005%，时间分辨率为50 ns；模拟输出通道数为2路。

数据采集分析系统主要由数据采集模块、监测与控制模块、矩阵运算模块、烧伤预测分析处理模块和系统资源管理模块构成，实现6路温度信号的采集处理电弧过程、计算皮肤烧伤程度、A T⁃P V和Ebt50计算评估，评估服装/面料的电弧防护性能。主要构成模块及功能如图3所示。

图3 数据采集分析系统主要构成模块及功能

本系统构建提出的基于燃弧发生装置的防电弧纺织材料测试系统，目前国内测试机构还没有相关测试能力，但在加拿大Kinectrics公司高电流实验室已经完成了此类设计，能够按照ASTM F 1959/F1959M—2014进行防电弧纺织材料的电弧防护性能测试试验。李侠等人在电弧爆燃对间位芳纶/阻燃粘胶织物性能的影响研究也是基于此测试系统委托加拿大Kinectrics公司高电流实验室完成的电弧爆燃试验［13］。

4 结语

我国电力系统人员众多，仅国家电网和南方电网公司就有超过200万工作人员，防电弧纺织材料的性能对保障相关从业人员的人身安全至关重要。目前国内测试机构尚无电弧防护性能测试装置和相关测试能力，送样到国外进行测试周期长且价格昂贵。为进行性能测试，开发高等级防电弧纺织材料，测试系统的研究迫在眉睫。

本研究构建的基于燃弧发生装置的防电弧纺织材料测试系统是采用开放空间中产生的电弧对面料进行测试，理念是基于ASTM F1959/F 1959M—2014测试标准在现有低压成套设备通断试验控制系统上进行技术升级改造。目前我们已完成燃弧发生系统的改造，制成了燃弧发生装置和热通量测试系统的试验支架，下一步将建立数据采集分析系统。目前还存在燃弧发生的持续时间较短、发生燃弧能量的可调整区间有限和电弧能量测试的传感器灵敏度不够等问题，在后续工作中需要进一步完善。

基于燃弧发生装置的防电弧纺织材料测试系统的构建有助于研究防护材料在电弧作用下的微观、宏观变化规律，揭示电弧防护机理，建立电弧防护材料性能间接评价系统，从而开发高等级防电弧纺织材料，促进我国应急救援特种防护材料性能提升。