电弧防护面料防护性能影响因素研究进展

孙 晓,王 君,陈 涛,高 阳,吕天光

(1.国网山东省电力公司，济南 250000；2.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春 130021;3.山东大学电气工程学院,济南 250061)

电弧是一种气体放电现象。空气介质被击穿时产生电弧，产生原因通常有电路接触不良、绝缘失效、接地不良、开关不良等[1-2]。一般根据电弧的电极形状、电压大小、热量传递方式等可以把电弧分为开放电弧、定向电弧、移动电弧、喷射电弧和追踪电弧[3]。电弧在极短的时间内以辐射、对流等形式释放出巨大的热量，使电弧通路周围的空气被加热，金属电极材料被瞬间气化，进而压缩周围空气产生超压，被压缩的空气形成冲击波携带着炽热空气和金属蒸汽进一步向周遭快速扩散[2,4-5]。一般在电弧事故中，所产生的高热量是严重爆燃事故的3～4倍，瞬时温度可以高达13000 ℃左右[6-7]，烧伤是电弧事故中的主要危害[8]，其主要原因有：a)高热量直接导致裸露皮肤烧伤；b)高热量点燃可燃性衣物造成烧伤；c)高热量和冲击波共同导致阻燃服装破裂，皮肤裸露产生烧伤；d)高热量透过阻燃服装，导致皮肤被烧伤[9]。严重的电弧烧伤常导致人员死亡，产生巨额的医疗费[10-11]。根据美国芝加哥的CapSchell公司的统计数据，美国每天都会发生5～10次电弧事故，导致每天有10～15名工作人员因电弧烧伤而住院，造成每天1～2人死亡[12]。中国仅南方电网和国家电网的从业人员数就高达300万，此外中国电弧防护装备水平远低于美国，因此中国因电弧事故造成的人员伤亡数可能远大于美国。Doan等[13]研究了40例电弧事故受害者的烧伤情况，结果表明：在服装没有被引燃的电弧事故中身体烧伤面积往往小于25%。根据美国烧伤协会不同年龄段电弧烧伤者生存率的统计数据，身体烧伤面积小于25%的伤者生存率均高于90%，表明穿着电弧防护服可以有效提高生存率。

电弧事故难以预测，无法杜绝，而电弧防护用品作为人体的最后一道防线，可在电弧事故发生时为工作人员提供逃离的时间，可有效减少电弧事故中的人员伤亡[14-15]。因此，为保证电弧威胁中工作人员的安全，需根据作业环境和内容配置电弧防护服[16-17]。早在20年前美国杜邦公司便开始电弧防护服的研究，在材料开发、产品设计与生产、标准制定等方面均处于领先地位[18]。中国目前电弧防护服的研究与开发多为模仿国外产品，存在电弧防护服功能性和舒适性差，对电弧防护面料的防护性能影响因素缺乏系统研究等问题[19-20]。针对这一现状，本文系统总结了电弧防护面料的性能参数等对防护性能的影响，为安全、高效的电弧防护服的开发和使用提供参考。

1 电弧防护面料及其防护性能参数

电弧防护服的主要材料为电弧防护面料，其主要的纤维原料有间位芳纶、对位芳纶、阻燃粘胶纤维、阻燃腈氯纶、阻燃棉、阻燃尼龙等[21]。国内外标准如：电力行业标准DL/T 320-2019《个人电弧防护用品通用技术要求》、美国材料与试验协会标准ASTM F1506-20a《暴露于火焰和电弧危害中工人穿着的阻燃和电弧防护服标准性能规范》和国际电工委员会标准IEC61482-2-2018《带电作业-电弧防护服-第2部分：要求》规定了面料的电弧防护、阻燃、机械等相关性能要求，其中电弧防护性能参数主要有两个体系：

a)基于美国材料与试验协会标准ASTM F1959/F1959M-2014《确定服装材料电弧等级的标准试验方法》和国际电工委员会标准IEC 61482-1-1-2019《带电作业-电弧防护服-第1-1部分测试方法-方法1：利用开放电弧确定材料和防护服的电弧等级》的电弧热防护性能值(ATPV)即入射的电弧能量有50%的可能导致热能透过织物造成二度烧伤的能量值；破裂阈值(Ebt)即入射的电弧能量有50%的可能导致织物破裂的能量值。

b)基于国际电工委员会标准IEC 61482-1-2-2019《带电作业-电弧防护服-第1-2部分测试方法-方法2：通过使用受限和定向电弧确定材料和服装的电弧防护等级》的1级和2级。该标准检测方法为合格性检测，1级指在电流4 kA、电压400 V、放电时间0.5 s的定向电弧作用下，织物后皮肤不产生二度以上烧伤的防护水平；2级指在电流7 kA、电压400 V、放电时间0.5 s的定向电弧作用下，织物后皮肤不产生二度以上烧伤的防护水平。

体系a)中电弧能量达到ATPV值和Ebt值均有50%的可能导致二级烧伤和面料破裂，而体系b)中达到1级和2级的防护面料在相应的电弧作用下不发生二度烧伤，理论上说体系b)的评价根据安全性。此外，体系a)可明确给出电弧防护面料量化的电弧防护值，而体系b)只能判断面料是否合格，所以体系a)被认为更加科学，得到了美洲、亚洲等大规模应用。

影响电弧防护面料防护性能的因素较多，包括：纤维组成、厚度、透气性、颜色、组织结构等性能参数以及使用过程中沾染的汗液、油污、粉尘等，他们对电弧防护性能具有较大影响，研究电弧防护性能影响因素对提升电弧防护面料设计水平和使用水平具有重要意义。

2 织物结构性能参数对电弧防护性能的影响

2.1 纤维组成对电弧防护性能的影响

中国电力行业标准DL/T 320-2019《个人电弧防护用品通用技术要求》规定：电弧防护面料需采用本质阻燃纤维原料制备。常使用的纤维原料有间位芳纶、对位芳纶、阻燃粘胶纤维、阻燃腈氯纶等。纤维原料对电弧防护性能影响尚未得到系统研究。Zhu等[22]以间位芳纶、阻燃粘胶纤维、对位芳纶和导电纤维为主要原料制备了混纺比为93/0/5/2、70/23/5/2、46/47/5/2和23/70/5/2，面密度为 180 g/m2的电弧防护面料，其ATPV值如图1所示，随着间位芳纶纤维增加ATPV值呈现增加趋势。朱雯等[23]选用14种电弧防护面料，对面料力学、阻燃和电弧防护性能进行聚类分析，结果表明: 电弧防护性能与织物热防护性能、断裂强力及撕破强力相关性较大，以间位芳纶为主成分的面料力学性能较好。

图1 不同混纺比间位芳纶/阻燃粘胶纤维/对位芳纶/导电纤维面料的ATPV值Fig.1 ATPV values of meta-aramid/flame-retardant viscose fiber/para-aramid/conductive fiber fabrics with different blending ratios

阻燃腈氯纶可以有效提高面料的电弧防护性能，目前美国DuPont公司ProteraTM电弧防护面料由阻燃腈氯纶、间位芳纶、对位芳纶、导电纤维按照混纺比65/28/5/2组成，具有良好的防护效果[24-25]。王涛等[26]制备了阻燃粘胶纤维与阻燃腈氯纶混纺比分别为0/100、20/80、40/60、60/40、80/20和100/0 6款平纹织物，阻燃性能测试结果表明：随着阻燃腈氯纶混比的增加，阴燃时间呈增加趋势。总的来说，阻燃腈氯纶在电弧防护中具有良好表现，但是其强度较低且存在阴燃问题，可能导致其掺入量过大时面料的阻燃性能和Ebt值不满足标准要求。沈剑等[27]制备了阻燃腈氯纶/阻燃粘胶/第三纤维组分混纺比为48/37/15的电弧防护面料，研究了第三组分为间位芳纶、对位芳纶、聚酰亚胺和芳砜纶时面料的电弧防护性能，结果表明：第三组分为间位芳纶时ATPV值与面密度比值显著低于第三组分为对位芳纶、聚酰亚胺和芳砜纶的面料。李冻等[28]探索了聚芳噁二唑(POD)纤维在电弧防护方面的应用，研究表明：随着POD纤维含量的增加，纱线断裂强度和热力损失率先降低后上升，断裂伸长率呈下降趋势；当POD纤维含量为20%时，混纺纱线断裂强度和热力损失率最低；但是并未测试当POD纤维面料的电弧防护性能。

除上述本质阻燃类电弧防护面料以外，棉纤维纯纺或含棉纤维混纺的后阻燃整理类面料在国外市场也得到了广泛的应用。张生辉等[29]制备了2款阻燃腈氯纶、对位芳纶和间位芳纶混纺电弧防护面料和1款棉与锦纶混纺电弧防护面料，对比其性能发现：前2款面料强力性能优异，符合中国电力行业标准和美国标准的要求，而后者撕破强力较低，达不到我国标准要求，但可以达到美国标准要求。

2.2 面密度对电弧防护性能的影响

面料的面密度对电弧防护性能影响较大。随着面料面密度的增加，一方面织物的隔热性能得到提升；另一方面面料对电弧产生的炽热气流阻挡作用也逐渐增强；这都能够减少透过面料的热量，从而提升其ATPV值[30]。此外，随着面料面密度的增加，面料厚度增加，强度增强，使其产生破裂的Ebt值也能够得到提升。李冻等[31]比较了2款原料组成为阻燃腈氯纶/间位芳纶/对位芳纶23/35/42，面密度分别为180 g/m2和230 g/m2的电弧防护面料性能，结果表明：后者的ATPV值比前者增加了42%。李侠等[32]测试了4种面密度为200～290 g/m2电弧防护面料的ATPV值、Ebt值等性能指标，测试结果如图2所示，面料的面密度与其ATPV值呈正相关关系。Zhu等[22]以间位芳纶、阻燃粘胶纤维、对位芳纶、导电纤维为主要原料制备了混纺比为46/47/5/2，面密度分别为180、210、240和270 g/m2的电弧防护面料，其ATPV和Ebt与面密度之间关系如图2所示，随着面密度的增加，ATPV和Ebt均呈现增加趋势。

图2 不同面密度间位芳纶/阻燃粘胶纤维/对位芳纶/导电纤维混纺面料的ATPV值和Ebt值Fig.2 ATPV value and Ebt value of different areal density meta-aramid/flame retardant viscose fiber/para-aramid/conductive fiber blended fabrics

2.3 组织结构对电弧防护性能的影响

李侠等[33]研究了电弧爆燃对电弧防护面料的破坏机理，图3为2种2/1斜纹组织电弧防护面料在不同能量电弧暴露后的表面及截面破坏情况图。由图3可见电弧对电弧防护面料的破坏首先发生在迎弧面的浮线处，为了减少电弧对经纱或纬纱单一纱线的集中破坏，可采用经纬纱浮线长度差异较小的平纹、1/2斜纹和2/1斜纹组织，但是平纹组织面料撕裂强度低，所以1/2斜纹和2/1斜纹组织更加适用于电弧防护面料。由电弧防护面料截面图可见，即使入射能量达到了面料的ATPV值(2种面料的c试样入射能量均已达到ATPV值)，面料受损深度仍然较小，面料背面并未受显著影响，因此可采用双层组织增加面料的热阻隔性能，提升其ATPV值。孙凯飞等[34]以阻燃粘胶为主体纤维，混入阻燃腈氯纶、间位芳纶、对位芳纶、聚酰亚胺等多种纤维，设计了2种单层和2种双层电弧防护面料，测试了各试样的ATPV值、Ebt值等性能指标，结果表明：以阻燃粘胶、芳纶和导电纤维混纺纱制成的双层组织结构面料性能较理想，ATPV值和Ebt值显著高于单层面料。杜邦公司[35]发明了1款结构类似消防服外层面料的电弧防护面料，采用了双层结构，两层之间相互连接形成了一系列袋状结构，经电弧热暴露后，暴露面受热收缩，袋状结构鼓胀形成隔热层，具有良好的防护性能，与相同面密度2/1斜纹组织相比，ATPV值提高1倍。

图3 电弧防护面料在不同能量电弧暴露后的表面及截面破坏情况图Fig.3 Surface and cross-section morphology of arc protection fabrics exposed to arc with different energies

2.4 透气性对电弧防护性能的影响

面料的透气性和面密度存在显著的相关关系，一般面密度越大面料的透气性越小[36]，但是也存在特殊情况，如单层织物和双层织物面密度相同时，双层织物的透气性显著高于单层织物，涂层面料透气性显著低于普通面料，所以本文对透气性的影响进行单独讨论。透气性和电弧防护性能之间具有直接关系，电弧爆燃产生强烈的冲击波，与相对静态燃烧不同，冲击波携带的高能热空气更容易透过面料产生烧伤，透过的炽热气体量越多，越容易导致烧伤，李跃等[37]利用高压气流模拟电弧爆燃产生的冲击波，测试了冲击气流作用下透过面料的气体体积，透过面料的气体体积与ATPV值关系如图4所示，由图4可见10种电弧防护面料中有8种，随着冲击气流作用下透气量增加，面料的ATPV值减小。2个试样不符合上述规律，其中1个为双层组织，虽然面密度较大，但是组织结构相对松散，在气流冲击下透过气体较多，但是其双层结构可有效降低热传导量，从而拥有较高电弧防护性能值；另一试样与所得规律相偏离的原因尚不明，但是实验样本数只有10种面料，样本数量仍有待提高。此外，随着电弧的电流、电压、产生方式等因素的变化，电弧能量传输也呈现不同方式，除对流热以外辐射热也是重要的热传输方式，这也是上述模拟实验产生偏差的主要原因[38]。

图4 电弧防护面料ATPV值与冲击气流作用下的透气量之间关系Fig.4 Relationship between ATPV value of the arc protection fabric and air permeability under the impact of the airflow

除常规电弧防护面料以外，透气性差的涂层或覆膜结构电弧防护面料常用作电弧防护雨衣材料，在欧美国家也得到了应用。该面料在破裂之前可有效防护对流热。Doughty等[39]系统总结了美国电弧防护雨衣材料的演变过程，美国电力行业早期主要使用熔融基材(涤纶、尼龙织物)的PVC、氯丁橡胶、聚氨酯涂层面料，该类面料的Ebt值略微高于 5 cal/cm2；而目前美国电力行业基本都使用非熔融基材(对位芳纶织物最为常见)雨衣，性能显著优于前者。Hoagland等[40]研究了氯丁橡胶/间位芳纶织物和PVC/间位芳纶和对位芳纶混纺织物等复合面料的电弧防护性能，结果表明复合面料比常规含有间位芳纶的电弧防护面料更具保护性，但成本也有所增加。

2.5 颜色对电弧防护性能的影响

2013年Arcwear公司[41]分析了35个原料为纯棉和棉锦混纺(混纺比88/12、80/20、75/25)斜纹面料，对面料的ATPV值与面密度比值进行比较，对比结果如图5所示，表明颜色对电弧防护性能存在影响，总的趋势为：黄色和橙色面料防护性能最低，海军蓝色面料防护性能最高，宝蓝色、卡其色、灰色和浅灰色面料防护性能介于它们之间，靛蓝色的牛仔斜纹布面密度较大，ATPV值与面密度比值与其他颜色偏差较大，但也呈现出较大值。该研究利用不同织物“ATPV值与面密度比值”进行比较只是权宜之计，不同面密度的织物“ATPV值与面密度比值”是否具有可比性尚待研究。

○:88/12锦棉混纺，□:纯棉，◇:80/20或75/25锦棉混纺；Y:黄色，O:橙色，N:海军蓝色，K:卡其色，G:灰色，RB:宝蓝色，LG:江灰色，BD:深蓝色，ID:靛蓝牛仔布图5 纯棉和棉锦混纺面料的ATPV值与面密度比值Fig.5 Ratio of ATPV value to areal density of pure cotton and cotton-polyamide blended fabric

汤晓兰等[42]采用相同的纺、织工艺制备相同规格的芳纶1414/芳纶1313/阻燃粘胶纤维混纺比为5/50/45，面密度为180 ～190 g/m2的4种混纺电弧防护面料，颜色分别为藏青、天蓝、橙色和荧光黄。对其电弧防护性能的研究结果表明：面料颜色对电弧防护性能具有显著影响，其中藏青色面料的电弧防护性能最好。上述研究都表明颜色对电弧防护性能存在影响，但是存在样本较少的问题，此外，颜色对电弧防护性能的影响机理尚不清晰。结合防电弧织物在紫外线作用下的性能变化相关研究结论[43-45]，可以认为：“深色面料对电弧产生的热辐射具有较高的吸收性能，快速吸收能量使得面料表面快速升温，导致面料表面收缩紧密化、面料表面碳化变厚或纤维分解产生大量难燃气体，这些变化可以消耗一部分能量，还可以阻止高热冲击气流的渗透，所以可以提升电弧防护性能”。

3 汗液、油污、粉尘沾染对电弧防护性能的影响

电弧防护服不单单使用在电力领域，还广泛应用于石化、采矿等领域，使用工况复杂，常沾染各种污染物。此外，电弧防护服在使用过程中难免沾染人体汗液，特别是在夏季的高温天，大量的汗液很容易浸透防护服及其内部棉或其他纤维素纤维内衣。Klausing等[46]系统研究了汗液对电弧防护面料防护性能的影响，结果表明：面密度为267 g/m2的橙色棉/锦88/12电弧防护面料，吸收水分增重124%时ATPV值由10.4 cal/cm2下降到5.5 cal/cm2，而面密度为261 g/m2的海军蓝色棉/锦88/12电弧防护面料，吸收水分增重100%时ATPV值由8.7 cal/cm2增加到12 cal/cm2，二者呈现出完全相反的变化趋势，研究者解释后者的原因是颜色和水分的共同作用引起了ATPV值增加。Hoagland等[47]研究了模拟汗液(1%的氯化钠水溶液)、柴油、齿轮油、液压油、钯粉、炭粉、干石灰、干水泥、泥浆、湿水泥等沾染物对电弧防护性能的影响，结果如图6所示，潮湿沾染物降低电弧防护性能；干燥污染物影响较小。浸透了汗液的防护服及内衣还容易在高于4160 V电压作用下形成电弧通路，在防护服或内衣下产生伤害巨大的“追踪电弧”。Hoagland等[48]利用模拟实验在衣物内部产生了“追踪电弧”，这种电弧极易导致严重烧伤，然而含有大量模拟汗液的内衣却没有出现烧焦破裂的现象，相对保存完整。主要原因是液体蒸发消耗了大量的热量，导致内衣未受到严重破坏。这种现象对电弧事故调查带来了一定的困扰[49]。总的来说汗液对面料电弧防护性能的影响可以总结为以下3点：a)汗液受热后产生高温蒸汽易导致烫伤，同时汗液往往导致织物的热传导率升高，透过织物的热量增多从而导致烧伤；b)汗液受热蒸发，可带走部分热量，从而减少透过织物的热量；c)面料大量吸水后，棉、阻燃粘胶、天丝等纤维素纤维吸湿膨胀，面料紧度增加，对流热更加难以穿透面料，也可能使透过织物的热量减少。所以汗液对面料防护性能的影响是多角度，无法一概而论。

图6 不同沾染物对电弧防护面料ATPV值的影响情况Fig.6 Influence of different contaminants on the ATPV value of arc protection fabrics

4 结论与建议

4.1 结论

本文介绍了电弧防护性能参数，探讨了纤维组成、厚度、织物组织结构、透气性、颜色等织物结构性能参数和使用过程中沾染的汗液、油污、粉体等因素对电弧防护性的影响情况，得到如下结论：

a)纤维组成、面密度、织物组织结构、透气性、颜色对电弧防护性能具有显著影响，间位芳纶和阻燃腈氯纶的使用可以提高ATPV值，但根据现有文献，并不能得到混纺比与ATPV值或Ebt值的确切关系；组成相同的电弧防护面料随着面密度增加，ATPV值和Ebt值呈显著增加趋势；一般情况下随织物的透气性增加织物的ATPV值减小，不透气的涂层面料具有更高的ATPV值；藏青色、海军蓝色等深色织物相对橙色、荧光黄等浅色织物具有较高的电弧防护性能。

b)使用过程中电弧防护服沾染的湿润污染物或汗液对电弧防护性能有负面影响，在高电压电弧事故中易产生“追踪电弧”，在不破坏或者轻度破坏内衣和防护服的情况下，导致严重烧伤。

4.2 建议

根据本文的结论，对电弧防护织物的设计开发提出以下建议：

a)双层织物较同面密度的单层织物可以在保证良好的透气性的情况下，具有较高的ATPV值。2021年中国防电弧服新国标《防护服装 防电弧服》发布[50]，标准中提出了与美国消防协会标准NFPA 70E：2018《工作场所电气安全标准》接轨的技术要求，由ATPV值和Ebt值双达标要求调整为ATPV值和Ebt值之间较小值达标即可，这将有助于双层电弧防护织物的开发应用。

b)深色织物具有较好的防电弧性能；1/2斜纹和2/1斜纹组织可减少电弧对经纱或纬纱单一纱线的集中破坏；若使用单位对织物颜色和织物组织无特殊要求时，可以优先推荐深色的1/2斜纹和2/1斜纹电弧防护织物。

c)应积极开发单向导湿整理技术，赋予内衣及防护服单向导湿性能，尽量把汗液导流至外部，或在面料表面构建超疏水结构，减少污染物的附着，从而提高其使用水平。