劉秀珍，劉鑫

（中國(guó)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(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510663）

引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，我國(guó)電力需求越來(lái)越大，高電壓、大電流、高儲(chǔ)能和易燃易爆電力設(shè)備著火的風(fēng)險(xiǎn)也越來(lái)越大。近年來(lái)，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(diǎn)，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(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局、國(guó)務(wù)院國(guó)資委、國(guó)家能源局三部門(mén)發(fā)布“關(guān)于全面加強(qiáng)電力設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量安全治理工作的指導(dǎo)意見(jiàn)”指出，電力工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(yùn)行和電力可靠供應(yīng)，關(guān)系人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展[1]?！笆奈濉蓖苿?dòng)高質(zhì)量發(fā)展的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)規(guī)劃中提出了建設(shè)重點(diǎn)領(lǐng)域國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)體系，加快完善電力裝備等高端裝備領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)體系[2]。因此，完善電力設(shè)備的著火風(fēng)險(xiǎn)和著火危險(xiǎn)評(píng)價(jià)，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(xiǎn)與后果，對(duì)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(guó)加快構(gòu)建推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)體系的重要內(nèi)容。

電力設(shè)備與材料著火危險(xiǎn)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)研制旨在規(guī)范電力設(shè)備與材料著火危險(xiǎn)評(píng)定的相關(guān)要求，指導(dǎo)行業(yè)設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和選型，進(jìn)而提高我國(guó)電力設(shè)備和材料的防火設(shè)計(jì)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(guò)載、靜電、接觸不良、電氣設(shè)備絕緣損壞及過(guò)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(jìn)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(hù)。例如，短時(shí)過(guò)負(fù)荷或長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷運(yùn)行、未在規(guī)定條件下運(yùn)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(xiǎn)性大，滅火困難等共性特點(diǎn)，往往還和設(shè)備的材料的差異和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的類(lèi)型有關(guān)，例如變壓器著火的儲(chǔ)油柜會(huì)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?？斓忍攸c(diǎn)。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(shù)脂、玻璃鋼、硅橡膠、絕緣板、導(dǎo)線(xiàn)絕緣、礦物質(zhì)油等。這類(lèi)材料，不同的設(shè)備，材料的種類(lèi)、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(biāo)準(zhǔn)存在的不足

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

1）除上述標(biāo)準(zhǔn)外，國(guó)內(nèi)外沒(méi)有其他關(guān)于設(shè)備材料的燃燒性能測(cè)定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，電力設(shè)備用材料的燃燒等級(jí)評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)更無(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)作為參考；

2）由于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)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(lèi)、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(biāo)準(zhǔn)在試樣要求、試樣處理等方面無(wú)法完全適用于電力設(shè)備用材料；

3）現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)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(zhǎng)期服役方面提升電力設(shè)備防火能力存在空白。

3 標(biāo)準(zhǔn)體系設(shè)計(jì)

3.1 目的

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

3.2 主要內(nèi)容

3.2.1 著火試驗(yàn)方法開(kāi)發(fā)

目前，實(shí)驗(yàn)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(guò)熱。例如ISO 871 規(guī)定的用熱空氣爐測(cè)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(yàn)方法，IEC 60695-11-5、IEC 60695-11-10 和IEC 60695-11-20提供的火焰試驗(yàn)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(yàn)方法[5]。電力設(shè)備火災(zāi)往往由于電弧放電引起，這類(lèi)火災(zāi)對(duì)設(shè)備和材料的防火性能和著火危險(xiǎn)試驗(yàn)提出了新的要求，以熱灼絲/熱絲試驗(yàn)、火焰試驗(yàn)等非電氣引燃源試驗(yàn)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(shí)際，無(wú)法有效指導(dǎo)電氣引燃源的著火危險(xiǎn)試驗(yàn)，需要探索能更加真實(shí)考察電力設(shè)備耐受電弧能量著火試驗(yàn)，形成系統(tǒng)的試驗(yàn)原理、試驗(yàn)方法。

3.2.2 針對(duì)特定電力設(shè)備類(lèi)型評(píng)價(jià)導(dǎo)則

電力設(shè)備的種類(lèi)多、涉及多種技術(shù)路線(xiàn)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(duì)著火危險(xiǎn)試驗(yàn)的試樣要求、試驗(yàn)方法、著火危險(xiǎn)等級(jí)的評(píng)定方法以及等級(jí)要求也不一樣。因此，制定針對(duì)特定電氣設(shè)備與材料燃燒的試驗(yàn)設(shè)備、檢測(cè)裝置和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，可用于材料的篩選和預(yù)防火災(zāi)危險(xiǎn)，指導(dǎo)行業(yè)規(guī)范性地開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)，可以大幅降低設(shè)備起火的風(fēng)險(xiǎn)與后果，解決電力設(shè)備與材料的著火危險(xiǎn)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(shí)的著火風(fēng)險(xiǎn)判定問(wèn)題。

3.2.3 長(zhǎng)期服役著火危險(xiǎn)試驗(yàn)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?，F(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)UL746B 給出了通過(guò)測(cè)定材料的相對(duì)溫度指數(shù)對(duì)聚合物進(jìn)行長(zhǎng)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(yùn)用綜合多因素耦合加速老化試驗(yàn)和著火危險(xiǎn)試驗(yàn)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(kāi)發(fā)電力設(shè)備與材料長(zhǎng)期服役著火危險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備預(yù)期安全使用壽命事故風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)層級(jí)設(shè)計(jì)

針對(duì)電力設(shè)備與材料著火危險(xiǎn)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)架層級(jí)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外行業(yè)需求及技術(shù)水平現(xiàn)狀，可以從國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)三大塊推進(jìn)該體系建設(shè)。著火試驗(yàn)方法、長(zhǎng)期服役著火危險(xiǎn)試驗(yàn)技術(shù)的基礎(chǔ)研究，可以填補(bǔ)國(guó)際、國(guó)家在該領(lǐng)域的技術(shù)空白，而針對(duì)特定電氣設(shè)備、元件和材料的著火危險(xiǎn)試驗(yàn)評(píng)價(jià)，可以滿(mǎn)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(xiǎn)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系設(shè)計(jì)框架見(jiàn)圖1。

圖1 電力設(shè)備與材料著火危險(xiǎn)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系框架圖

4 發(fā)展與展望

1）現(xiàn)有著火危險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)體系主要是采用UL 和IEC 的基礎(chǔ)通用標(biāo)準(zhǔn)，在針對(duì)電力設(shè)備和材料著火危險(xiǎn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)層次的較明顯的不足，電力設(shè)備與材料著火危險(xiǎn)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)研制可以解決國(guó)內(nèi)外電力設(shè)備與材料的著火風(fēng)險(xiǎn)無(wú)實(shí)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(xiǎn)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系。

2）在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作方面，國(guó)內(nèi)外暫時(shí)沒(méi)有其他關(guān)于設(shè)備材料的燃燒性能測(cè)定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，而我國(guó)是世界電力設(shè)備和電力制造大國(guó)，電力行業(yè)技術(shù)也已達(dá)到世界先進(jìn)水平。研究電力設(shè)備與材料著火危險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，尤其是試驗(yàn)方法的開(kāi)發(fā)，可以作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)切入點(diǎn)，提升我國(guó)的國(guó)際影響力。

3）電力設(shè)備行業(yè)受“十四五”規(guī)劃、“碳達(dá)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(lái)海上風(fēng)電、光伏等新能源的大規(guī)模接入，海上平臺(tái)及設(shè)備對(duì)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)提出了很高的要求，如何實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備更低的著火風(fēng)險(xiǎn)是推動(dòng)“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)迫切需求，也是我國(guó)完善電力裝備標(biāo)準(zhǔn)體系，推動(dòng)電力設(shè)備行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求。