近年来，随着经济社会的不断发展，人们对电能的需求越来越大，并且用户和企业对电能的可靠性要求也越来越严格。为了保证供电的可靠性和持续性，减少停电时间，在电网的检修作业中，带电作业成为一种运维检修手段被广泛应用。但同时带电作业的增加使得检修工作人员暴露在电力事故危险的可能性增加。有资料表明，电力事故中电弧事故的发生几率最高，电弧燃爆每天发生5次到10次［1］。电弧是一种呈现弧状白光并产生高温气体的放电现象［2］。当绝缘或隔离不足以承受施加的电压时，电流从通电导体到另一导体间的气隙中就会发生电弧闪光。电弧一旦形成，空气和导电材料（如铜和铝）的电离就会产生高温等离子体和分子云。此外，在电弧产生过程中，电流产生连续的排斥磁力，使等离子体云急剧膨胀，这种膨胀再加上快速加热，往往以爆炸的形式释放。随着持续的电弧形成，电能不断地转换为强烈的热、光和压力；此外熔化的金属液滴和有毒气体也是电弧带来的重大危险［3⁃4］。尽管电弧闪光事件本身可能只持续几个周期，但它可以对人体造成持久的影响，包括烧伤、衰弱性伤害，甚至死亡。有资料表明，皮肤暴露于1.2 cal/cm2的入射能量下1 s，就会造成二级烧伤［5］。为了减少电弧事故对电力工作人员的伤害，穿着防电弧服是必要的。防电弧服材料在面对电弧时具有耐热性、阻燃性，材料本身会在高温情况下迅速炭化，形成致密的炭化膜，阻挡外部热量向人体传递，给工作人员反应时间，以便撤离电弧发生点［6］。目前防电弧服所使用的材料都是具有优异耐高温、阻燃的高分子材料。聚酰亚胺纤维的分子主链上含有酰亚胺环基团［7］，具有优异的耐高温性能、阻燃性、耐辐射性、化学稳定性及力学性能，近年来已经在航空、航天、微电子、液晶、轨道交通等领域得到了广泛应用。在纺织领域中，已经有聚酰亚胺灭火消防服外层织物［8］，但在防电弧服的应用方面研究还较少。本研究测试了3种聚酰亚胺织物的防电弧性能，探讨其在电弧防护领域应用的可行性，为聚酰亚胺材料在电力系统安全防护领域的应用提供理论参考。1 试验部分1.1　聚酰亚胺织物规格选用了3种织物，分别为织物1、织物2和织物3。其中，织物1为纯聚酰亚胺织物，经纱和纬纱均为聚酰亚胺18.4 tex×2股线，经密285根/10 cm，纬密210根/10 cm，单位面积质量200 g/m2。织物2的经纱和纬纱均为聚酰亚胺/芳纶1414/导电纤维85/13/2 16.4 tex×2股线，经密500根/10 cm，纬密190根/10 cm，单位面积质量200 g/m2。织物3的经纱和纬纱均为聚酰亚胺/阻燃粘胶/腈氯纶40/30/30 17.3 tex×2股线，经密320根/10 cm，纬密240根/10 cm，单位面积质量220 g/m2。1.2　电弧试验平台1.2.1　大电流回路试验系统目前针对防电弧服的测试标准有ASTM F1959/F1959M—14e1《Standard Test Method for Determining the Arc Rating of Materials for Clothing》和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,ATPV and/or EBT) of Clothing Materials and of Protective Clothing Using an Open Arc》。本研究结合大连理工大学高压大电流实验室，电弧试验平台采用大电流回路试验系统。电弧试验平台回路的电路图如图1所示。.F001图1电弧试验回路系统电路图电弧试验回路系统采用LC放电回路原理，左侧回路通过电源变压器给电容器组充电存储电能，充电结束后断开左侧开关。右侧回路是由电容和电感组成的LC放电回路，利用回路开关控制电容放电产生大电流。通过调节电容、电感值改变试验回路频率，通过改变充电电压值或储能电容数量改变回路电流大小。参照ASTM F1959中的规定进行电极结构设计，包括绝缘杆和铜电极，熔断丝作为起弧装置。在电弧试验平台下分别进行4 kA、8 kA和10 kA电流等级试验。1.2.2　电弧能量测量装置根据ASTM F1959/F1959M—14e1和IEC 61482⁃1⁃1—2019中所述，采用铜热量计进行电弧能量测量。铜热量计的结构如图2所示，包括铜片、隔热板（通常采用硅酸钙板）、热电偶。.F002图2铜热量计采用铜热量计测量电弧能量的基本思路是电弧产生的热量通过热对流、辐射使铜热量计的铜片产生温升，热电偶与铜片相接，感知铜片的温度变化，经过硬件数据处理模块得到铜片的温度变化量，结合铜片的物理特性计算出铜热量计接收到的电弧能量。电弧热能计算见式（1）。Q=mass×C¯P×(Tfinal-Tinitial)area （1）式中：Q为铜热量计测得的入射能量（J/cm2或cal/cm2），mass为铜热量计铜片的质量（g），C¯P为温度上升期间铜片的平均热容量［J/（g·℃）］，Tinitial为铜热量计铜片的初始温度（℃），Tfinal为一定时间热暴露后铜片的温度（℃），area为铜热量计铜片的面积（cm2）。2 试验结果与讨论分析2.1　不同电流等级下电弧能量电弧能量主要与电流大小有关，其次与电弧电极间距、电压有关。本研究在相同电压、电极间距情况下，通过改变电流大小改变电弧能量。在相同的测量距离下，利用铜热量计测量出不同电流等级下电弧产生的温升，进而能够计算出电弧能量。表1为试验室电弧试验平台在不同电流等级时铜热量计所测得的温升，时间均为10 s。.T001表1不同电流等级下铜热量计的温升电流等级/kATinitial/℃Tfinal/℃温升/℃429.449.420.0829.275.546.31031.998.466.5Stoll和Chinanta两位研究学者通过对动物皮肤进行大量的烧伤试验研究，找出了一种能够预测人体二级烧伤的方法，即Stoll二级烧伤准则［9］。两位学者把二级烧伤时所需要的热量值根据ASTM E457—2008《Standard Test Method for Measuring Heat⁃Transfer Rate Using a Thermal Capacitance (Slug) Calorimeter》中转换公式见式（2），将不同入射能量下造成人体皮肤二级烧伤所需时间转换成铜热量计的温度上升值，得到Stoll曲线。P=ρCCPΔTΔt=5.685ΔTΔt （2）式中：ρC为铜的体积质量（kg/m3），CP为铜的比热容［J/（kg·℃）］，ΔT为温度上升值（℃），Δt为时间变化量（s）。当铜热量计所测得的温度上升曲线与Stoll曲线相交，则在此电弧能量下会对人体造成二级烧伤，反之则不会。Stoll曲线二级烧伤热时间和铜热量计温升值的数据如表2所示。.T002表2Stoll二级烧伤准则数据表时间/s二级烧伤所需热量/（kW·m-2）总热量/（kW·m-2）铜热量计温升/℃150.0508.9231.06110.8323.06912.2419.07513.3516.08014.1614.08515.1713.08815.5811.59216.2910.69516.8109.89817.3由表2可知，如果在10 s内，铜热量计的温升大于17.3 ℃，则铜热量计的温升曲线会与Stoll曲线相交，对人体造成二级烧伤。而试验测得的10 s温升数据分别是20.0 ℃、46.3 ℃、66.5 ℃，均大于17.3 ℃，说明在电流等级为4 kA、8 kA和10 kA时，如果人体不穿防护服，电弧的能量会对人体造成二级烧伤。2.2　聚酰亚胺织物的防护性能2.2.1　阻燃性能将3种织物分别在4 kA、8 kA和10 kA的电流等级下做电弧烧蚀试验，结果发现，3种织物均无续燃、无熔融现象。这是因为聚酰亚胺纤维本身具有耐高温和阻燃性，可以满足DL/T 320—2019《个人电弧防护用品通用技术要求》中对防电弧服用品的阻燃性能要求。2.2.2　热防护性能根据表1可知，在不同电流等级下电弧产生的能量不同，对铜热量计造成的温升也不同。为探究3种织物的热防护性能，将其分别覆盖在铜热量计的表面进行电弧试验，每组试验做5次，每次试验记录前10 s的温度，取平均值，计算温升结果如表3所示。.T003表33种织物覆盖的铜热量计温升织物电流等级/kATinitial/℃Tfinal/℃温升/℃织物1429.331.42.1织物1829.438.89.4织物11030.543.513.0织物2429.131.01.9织物2829.236.16.9织物21030.040.110.1织物3429.330.51.2织物3829.335.56.2织物31029.539.09.5由表3可知，在具有织物覆盖的情况下，铜热量计的温升与直接暴露在电弧下相比有了明显减少，说明聚酰亚胺织物可以在一定电弧能量下保护人体安全，减少烧伤。在同等电弧能量的作用下，织物3的隔热性最好，与织物2相比，两者的差距不大，在1 ℃之内，相比于织物1，两者最大温差在3.5 ℃。虽然织物1在10 kA的电弧能量下温升最高，但仍低于Stoll曲线在10 s时达到二级烧伤所需的温度。因此认为聚酰亚胺织物一定程度上可用作防电弧服的隔热材料。2.2.3　破裂性能以上试验铜热量计所测得的温升数据，每次测量都会更换新的织物样品，也即测量所使用的织物样品都只经过了一次电弧作用。为了探究在电弧作用下3种织物的破裂性能，以8 kA电流等级为例，观察在电弧作用5次下，3种聚酰亚胺织物的破裂情况，结果如表4所示。.T004表43种织物的破裂测试结果与电弧间距/cm织物1织物2织物34.0无破裂无破裂无破裂1.5第5次破裂第5次破裂第3次破裂1.0第3次破裂第4次破裂第2次破裂由表4可知，在与电弧距离4.0 cm的试验条件下，3种织物均未发生破裂现象。在与电弧距离1.5 cm的条件下进行试验，发现织物3在第3次电弧作用下发生了破裂，织物1和织物2均是在第5次电弧作用下破裂。织物1和织物2虽然都是在第5次电弧作用下破裂，但是两者的破裂程度不同，织物1破裂程度更严重。在与电弧距离1.0 cm的条件下进行试验，发现织物3在第2次电弧作用下发生了破裂，织物1在第3次电弧作用下发生破裂，而织物2在第4次电弧作用下发生破裂。可以看出，在相同电弧能量的作用下，织物2的破裂阈能相比其他两种织物更高，织物3破裂阈能最低。因为织物2中聚酰亚胺和芳纶1414均是高强度纤维，可以显著增加织物强力，所以在面对电弧燃爆时有更高的破裂阈能，而织物3中聚酰亚胺的含量相对较低，因此织物具有的破裂阈能也较低。3 结论（1）采用电弧试验平台和铜热量计进行电弧能量的测量，发现所搭建的试验平台产生的电弧能量能够造成人体二级烧伤，在此平台下进行材料的电弧试验具有可行性。（2）在相同的电弧能量作用下，3种聚酰亚胺织物表现出来的隔热性，织物2和织物3相似，织物1稍差。（3）在相同的电弧能量作用下，织物2的破裂阈值最高，其次是织物1，最后是织物3。（4）织物1在10 kA的电弧能量下温升低于Stoll曲线在10 s时达到二级烧伤所需的温度。因此认为聚酰亚胺织物一定程度上可用作防电弧服。