电力作业环境下专用防电弧面料的研发与应用
引言
随着我国电力工业的迅猛发展，高压输变电系统日益复杂，电力作业人员在带电作业、设备检修和应急抢修等过程中面临更高的电弧闪络风险。电弧事故具有突发性强、能量释放剧烈、持续时间短但破坏力大的特点。据国家电网公司统计，每年因电弧事故造成的人员伤亡和设备损失不容忽视。美国国家消防协会（NFPA）发布的《NFPA 70E：电气安全工作规范》明确指出，电弧事故是电力作业中最危险的职业危害之一，必须通过个人防护装备（PPE）进行有效防护。
在此背景下，研发适用于电力作业环境的专用防电弧面料，成为提升作业人员安全防护水平的关键技术路径。防电弧面料不仅需具备优异的阻燃性能，还需在高温、高热、强辐射等极端条件下保持结构稳定、不熔滴、不助燃，并具备良好的透气性与舒适性，以保障作业人员在长时间穿戴中的生理健康。
本文系统阐述电力作业环境下专用防电弧面料的研发背景、技术原理、关键性能指标、国内外研究进展、典型产品参数及其在实际电力系统中的应用案例，旨在为电力行业安全防护材料的选型与研发提供科学依据。
一、电弧危害机理与防护需求
1.1 电弧的物理特性
电弧是电流通过空气或其他介质时产生的高温等离子体放电现象。在电力系统中，短路、误操作或设备老化可能引发电弧闪络。根据IEEE 1584标准，电弧温度可达15,000°C以上，远超太阳表面温度（约5,500°C），释放能量在毫秒级内可达到数千焦耳。
电弧危害主要包括：
- 热辐射伤害：造成皮肤二度或三度烧伤；
- 冲击波伤害：气压骤增导致耳膜破裂或内脏损伤；
- 碎片飞溅：金属熔融物高速喷射，造成机械性创伤；
- 有毒气体释放：绝缘材料燃烧产生CO、HF等有害气体。
1.2 防护标准与等级划分
国际上广泛采用ASTM F1959/F1959M（美国材料与试验协会标准）和IEC 61482-1-1（国际电工委员会标准）对防电弧服装进行测试与分级。中国国家标准GB/T 18664-2023《呼吸防护用品的选择、使用与维护》及GB 8965.1-2020《防护服装 阻燃防护 第1部分：通用技术条件》也对电弧防护提出了明确要求。
防电弧服装按电弧防护能力（Arc Thermal Performance Value, ATPV）或能量断裂阈值（EBT）划分等级，常见等级如下表所示：
| 防护等级（ATPV） | 能量值（cal/cm²） | 适用场景 |
|---|---|---|
| Level 1 | 4.0–8.0 | 低压配电操作（<1kV） |
| Level 2 | 8.0–25.0 | 中压设备维护（1–35kV） |
| Level 3 | 25.0–40.0 | 高压开关柜操作（35–110kV） |
| Level 4 | >40.0 | 超高压变电站、主变检修 |
注：1 cal/cm² ≈ 41.868 J/m²
二、防电弧面料的技术原理与材料体系
2.1 阻燃机制
防电弧面料的核心在于其阻燃性能。阻燃机制主要包括：
- 气相阻燃：释放自由基捕获剂（如卤素、磷系化合物），中断燃烧链反应；
- 凝聚相阻燃：形成炭层隔离热源与氧气；
- 吸热冷却：材料分解吸热，降低表面温度。
现代防电弧面料多采用本质阻燃纤维，即纤维本身具有不可燃特性，而非依赖后整理阻燃剂。此类纤维在高温下不熔融、不滴落，避免二次烫伤。
2.2 主要纤维材料体系
目前应用于防电弧面料的高性能纤维主要包括以下几类：
| 纤维类型 | 商品名（代表） | 原产地 | 极限氧指数（LOI） | 分解温度（°C） | 特点 |
|---|---|---|---|---|---|
| 芳纶1313 | Nomex® | 美国杜邦 | 29–30 | 500（分解） | 优异热稳定性，耐化学腐蚀 |
| 芳纶1414 | Kevlar® | 美国杜邦 | 28–29 | 550（分解） | 高强度，抗撕裂，但耐光性差 |
| 聚苯并咪唑（PBI） | PBI Gold® | 美国PBI Industries | 41 | >500 | 极高LOI，自熄性强，成本高 |
| 阻燃粘胶（FR-Viscose） | Viscoray® | 奥地利兰精 | 30–32 | 350–400 | 柔软舒适，吸湿性好 |
| 聚酰亚胺纤维 | PI Fiber | 中国中复神鹰 | 38 | 520 | 国产高性能替代材料 |
数据来源：杜邦公司技术手册（2022）、《中国化纤》期刊（2023年第4期）
其中，Nomex® IIIA（93% Nomex + 5% Kevlar + 2% 抗静电纤维）是目前国际电力行业最广泛使用的防电弧面料基材，其综合性能优异，已被纳入美国OSHA（职业安全与健康管理局）推荐清单。
三、防电弧面料的研发进展
3.1 国外研究现状
美国杜邦公司自1967年推出Nomex®以来，持续优化其防电弧性能。2018年，杜邦发布Nomex® IV，在保持原有阻燃性能基础上，提升了面料的耐磨性与抗紫外线能力，适用于户外高压作业环境。
德国Sioen Industries开发的ArcGuard®系列面料，采用多层复合结构，外层为高密度芳纶织物，中间层为气凝胶隔热层，内层为吸湿排汗阻燃粘胶，实测ATPV可达58 cal/cm²，满足Level 4防护需求（Sioen, 2021）。
日本东丽公司研发的Protaron®纤维，通过分子结构改性提升芳纶的导热系数，使热量更均匀分散，减少局部灼伤风险，已在东京电力公司试点应用（Toray, 2020）。
3.2 国内研发突破
我国在防电弧面料领域起步较晚，但近年来发展迅速。中复神鹰碳纤维公司联合东华大学开发出国产聚酰亚胺防电弧面料，经国家纺织制品质量监督检验中心检测，LOI达38%，ATPV为26.5 cal/cm²，已通过IEC 61482-1-1垂直燃烧测试。
山东海龙股份有限公司研制的FR-Viscose/Nomex混纺面料（比例70/30），在保持高舒适性的同时，ATPV达18.3 cal/cm²，成本较纯Nomex降低约35%，已在国家电网山东分公司批量应用（《纺织学报》，2022）。
此外，中国科学院宁波材料技术与工程研究所开发出纳米阻燃涂层技术，将磷酸锆（ZrP）纳米片层通过溶胶-凝胶法沉积于棉织物表面，使普通棉布的ATPV从0提升至6.2 cal/cm²，为低成本防电弧服装提供了新思路（Zhang et al., 2023, ACS Applied Materials & Interfaces）。
四、典型防电弧面料产品参数对比
以下为国内外主流防电弧面料产品的关键性能参数对比：
| 产品名称 | 厂商 | 纤维组成 | 克重（g/m²） | ATPV（cal/cm²） | EBT（cal/cm²） | 撕破强度（N） | 透气量（mm/s） | 洗涤耐久性（次） |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Nomex® IIIA | 美国杜邦 | 93% Nomex, 5% Kevlar, 2% Antistatic | 200 | 12.0 | 14.5 | 18.5 | 120 | 100 |
| PBI Gold® | 美国PBI | 100% PBI | 220 | 25.0 | 23.8 | 16.0 | 95 | 120 |
| ArcGuard® Pro | 比利时Sioen | 芳纶/阻燃涤纶混纺 | 250 | 42.0 | 40.5 | 22.0 | 80 | 150 |
| Protaron® | 日本东丽 | 改性芳纶 | 190 | 15.5 | 16.2 | 20.0 | 130 | 100 |
| 国产PI防电弧面料 | 中复神鹰 | 100% 聚酰亚胺 | 210 | 26.5 | 25.8 | 17.8 | 105 | 110 |
| FR-Viscose/Nomex混纺 | 山东海龙 | 70% FR-Viscose, 30% Nomex | 180 | 18.3 | 17.9 | 15.2 | 150 | 80 |
注：测试标准依据ASTM F1959/F1959M；洗涤耐久性指经工业洗涤100次后ATPV下降不超过20%
从上表可见，国产聚酰亚胺面料在ATPV指标上已接近甚至超过部分进口产品，具备替代潜力。而混纺面料在透气性和成本方面优势明显，适合长时间作业场景。
五、防电弧面料的应用实践
5.1 在国家电网系统的应用
国家电网公司自2015年起推行“本质安全型作业班组”建设，强制要求10kV及以上电压等级作业人员穿戴符合GB 8965.1-2020标准的防电弧服装。截至2023年，全国已有超过30万套防电弧服投入使用。
在江苏苏州500kV变电站检修中，采用Sioen ArcGuard® Pro面料制作的全身防护服（含头罩、手套、靴套），成功抵御了一次预估能量为38 cal/cm²的模拟电弧测试，作业人员无任何热损伤（《电网技术》，2023年第6期）。
5.2 在南方电网的定制化方案
南方电网针对热带高湿环境，联合东华大学开发了高透气防电弧套装，采用FR-Viscose/Nomex混纺面料，克重控制在180g/m²以下，实测在35°C、80%湿度环境下连续作业4小时，体感温度比传统Nomex服装低2.3°C，显著提升舒适性。
5.3 在轨道交通电力维护中的拓展应用
广州地铁集团将防电弧面料应用于接触网检修人员防护服，结合反光条与智能温控模块，实现“安全+智能”双重升级。该系统已通过中国铁路总公司技术评审，并在广深港高铁线路试点运行。
六、未来发展趋势
6.1 智能化集成
下一代防电弧服装正向智能化方向发展。例如，美国3M公司推出的SmartArc®系统，在服装内嵌微型热电偶与无线传输模块，实时监测体表温度与外部热流密度，一旦检测到电弧风险，立即触发报警并记录事故数据（3M, 2022）。
6.2 绿色环保材料
欧盟《REACH法规》对阻燃剂中多溴联苯醚（PBDE）等有害物质的限制日益严格。生物基阻燃纤维如阻燃莱赛尔（FR-Lyocell）正在研发中，其原料来源于可持续木材，降解率可达90%以上（European Commission, 2023）。
6.3 多功能复合结构
通过层压、涂层、纳米复合等技术，开发兼具防电弧、防静电、防化、防切割的多功能防护面料。例如，中国航天科工集团研制的“天盾”复合防护材料，采用芳纶+碳纳米管+陶瓷微珠三层结构，ATPV达50 cal/cm²，同时具备电磁屏蔽功能，适用于特种电力作业环境。
参考文献
- 杜邦公司. Nomex® Product Guide 2022. DuPont Personal Protection, 2022.
- NFPA. NFPA 70E: Standard for Electrical Safety in the Workplace. National Fire Protection Association, 2021.
- IEC. IEC 61482-1-1:2019 – Protective clothing against thermal hazards of an electric arc. International Electrotechnical Commission, 2019.
- ASTM. ASTM F1959/F1959M – Standard Test Method for Determining the Arc Thermal Performance Value of Materials for Wearing Apparel. ASTM International, 2020.
- Zhang, L., Wang, X., et al. "Zirconium Phosphate Nanosheets for Flame-Retardant Cotton Fabrics." ACS Applied Materials & Interfaces, 2023, 15(12), 15678–15687.
- 东华大学. 《高性能纤维与防护服装》. 中国纺织出版社, 2021.
- 国家电网公司. 《电力作业人员个人防护装备配置规范》. Q/GDW 11680-2017, 2017.
- Sioen Industries. ArcGuard® Technical Datasheet. 2021.
- Toray Industries. Protaron® Fiber for Electrical Safety. Technical Brochure, 2020.
- 中国科学院宁波材料所. “纳米阻燃涂层在纺织品中的应用研究进展.” 《材料导报》, 2023, 37(5): 45-52.
- 国家标准化管理委员会. GB 8965.1-2020《防护服装 阻燃防护 第1部分：通用技术条件》. 2020.
- European Commission. REACH Regulation (EC) No 1907/2006 on chemicals and their safe use. 2023 Update.
- 3M Company. SmartArc® System for Arc Flash Monitoring. Product White Paper, 2022.
- 《电网技术》编辑部. “500kV变电站防电弧防护系统应用评估.” 《电网技术》, 2023, 47(6): 2310–2316.
- 百度百科. “电弧”、“芳纶”、“阻燃纤维”词条. https://baike.baidu.com, 2023年更新.
（全文约3,680字）
