電力設備與材料著火危險試驗標準體系研究

劉秀珍，劉鑫

（中國電器科學研究院股份有限公司 工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應性全國重點實驗室，廣州 510663）

引言

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，我國電力需求越來越大，高電壓、大電流、高儲能和易燃易爆電力設備著火的風險也越來越大。近年來，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)電抗器的火災事故事件，多起火災有著設備高度同質(zhì)化的特點，給電力行業(yè)防范重大電氣火災敲響了警鐘。

2022年4月，國家市場監(jiān)督管理總局、國務院國資委、國家能源局三部門發(fā)布“關于全面加強電力設備產(chǎn)品質(zhì)量安全治理工作的指導意見”指出，電力工業(yè)是國民經(jīng)濟的重要基礎性產(chǎn)業(yè)，電力設備質(zhì)量直接影響到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行和電力可靠供應，關系人民群眾生命財產(chǎn)安全和經(jīng)濟社會發(fā)展[1]。“十四五”推動高質(zhì)量發(fā)展的國家標準體系建設規(guī)劃中提出了建設重點領域國家標準體系，加快完善電力裝備等高端裝備領域的標準體系[2]。因此，完善電力設備的著火風險和著火危險評價，從設備層面提升防火能力，可大幅度降低產(chǎn)品著火的風險與后果，對提高電力設備產(chǎn)品質(zhì)量、保障電力設備安全有著重要意義，也是我國加快構建推動高質(zhì)量發(fā)展國家標準體系的重要內(nèi)容。

電力設備與材料著火危險試驗標準研制旨在規(guī)范電力設備與材料著火危險評定的相關要求，指導行業(yè)設計、制造、試驗和選型，進而提高我國電力設備和材料的防火設計和生產(chǎn)技術水平。

1 電力設備與材料著火現(xiàn)狀

電氣設備與材料著火主要是由電力設備故障引起的電弧火花及短路、過載、靜電、接觸不良、電氣設備絕緣損壞及過高的接觸電阻導致的溫升異常等，從而造成附近可燃物發(fā)生起燃，進而引發(fā)火災[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。例如，短時過負荷或長期過負荷運行、未在規(guī)定條件下運行、散熱不良或通風系統(tǒng)故障。電氣火災也可能由外部非電氣火源引起。

電力設備火災除了具有高溫、高壓、帶電，危險性大，滅火困難等共性特點，往往還和設備的材料的差異和關鍵結(jié)構件的類型有關，例如變壓器著火的儲油柜會造成火上澆油，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。此外，電氣設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備著火的重要因素。

電力設備用材料主要包括變壓器、干式電抗器、換流閥并聯(lián)電抗器等電力設備普遍使用的絕緣紙板、環(huán)氧樹脂、玻璃鋼、硅橡膠、絕緣板、導線絕緣、礦物質(zhì)油等。這類材料，不同的設備，材料的種類、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 電力設備與材料著火標準存在的不足

目前常使用的標準有國際標準UL94《用作儀表和設備部件的塑料的燃燒性測定》、國標GB/T 22472《儀表和設備部件用塑料的燃燒性測定》和GB/T 5169.16《電工電子產(chǎn)品著火危險試驗 第16 部分：試驗火焰 50 W 水平與垂直火焰試驗方法》等，主要針對傳統(tǒng)的塑料和固體絕緣材料的燃燒性測定有相關的規(guī)定，標準在試樣要求、試樣處理等方面無法完全適用于電力設備和材料。存在的問題主要有：

1）除上述標準外，國內(nèi)外沒有其他關于設備材料的燃燒性能測定的相關標準，電力設備用材料的燃燒等級評定的標準更無相關標準作為參考；

2）由于現(xiàn)有標準針對廣義的塑料材料和固體非金屬材料，電力設備用材料的種類、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)有標準在試樣要求、試樣處理等方面無法完全適用于電力設備用材料；

3）現(xiàn)有的標準往往只考慮材料的初始燃燒性能，未考慮電氣設備火災事故特征以及長期服役的老化條件，即使考慮老化條件，也比較單一，導致從長期服役方面提升電力設備防火能力存在空白。

3 標準體系設計

3.1 目的

設計針對特定電氣設備與材料著火危險試驗方法，確定電力設備或材料的哪些性能對著火存在影響，以及設備或其部件、材料對起燃、火勢發(fā)展和火災影響的作用，目的在于對電力設備用材料、元件及零部件進行篩選，以及即使發(fā)生了可以預見的誤用、故障和失效，也能將潛在的著火風險降低到容許的水平[4]。

3.2 主要內(nèi)容

3.2.1 著火試驗方法開發(fā)

目前，實驗室涉及到的電工設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，二是電工電子設備和系統(tǒng)外部的火焰或過熱。例如ISO 871 規(guī)定的用熱空氣爐測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/ 熱絲試驗方法，IEC 60695-11-5、IEC 60695-11-10 和IEC 60695-11-20提供的火焰試驗方法，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方法[5]。電力設備火災往往由于電弧放電引起，這類火災對設備和材料的防火性能和著火危險試驗提出了新的要求，以熱灼絲/熱絲試驗、火焰試驗等非電氣引燃源試驗為主，不符合含油電工電子產(chǎn)品內(nèi)部電弧故障引發(fā)的電氣火災的工程實際，無法有效指導電氣引燃源的著火危險試驗，需要探索能更加真實考察電力設備耐受電弧能量著火試驗，形成系統(tǒng)的試驗原理、試驗方法。

3.2.2 針對特定電力設備類型評價導則

電力設備的種類多、涉及多種技術路線的產(chǎn)品，產(chǎn)品間材料性能差異大，著火的特異性導致對著火危險試驗的試樣要求、試驗方法、著火危險等級的評定方法以及等級要求也不一樣。因此，制定針對特定電氣設備與材料燃燒的試驗設備、檢測裝置和評定標準，可用于材料的篩選和預防火災危險，指導行業(yè)規(guī)范性地開展相關試驗，可以大幅降低設備起火的風險與后果，解決電力設備與材料的著火危險規(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)設備將面臨更復雜的工況，為降低新能源接入后惡劣的電網(wǎng)工況導致設備起火或發(fā)生重大火災，需要解決電力設備和材料選型時的著火風險判定問題。

3.2.3 長期服役著火危險試驗技術

絕緣材料老化引起絕緣性能和阻燃性能下降是電氣設備起火的重要因素。現(xiàn)有的標準UL746B 給出了通過測定材料的相對溫度指數(shù)對聚合物進行長期性能影響（包括燃燒性能）[6]，但研究的老化條件（熱老化）單一，未考慮電力設備綜合使用環(huán)境和火災事故特征。因此，如何在考慮設備使用環(huán)境，運用綜合多因素耦合加速老化試驗和著火危險試驗方法下，研究電力設備用的主要絕緣材料在全生命周期下的燃燒性能變化，開發(fā)電力設備與材料長期服役著火危險評價方法，可實現(xiàn)對設備預期安全使用壽命事故風險精準預測。

3.3 標準層級設計

針對電力設備與材料著火危險試驗標準體系的構架層級，結(jié)合國內(nèi)外行業(yè)需求及技術水平現(xiàn)狀，可以從國際標準、國家標準和行業(yè)標準三大塊推進該體系建設。著火試驗方法、長期服役著火危險試驗技術的基礎研究，可以填補國際、國家在該領域的技術空白，而針對特定電氣設備、元件和材料的著火危險試驗評價，可以滿足行業(yè)需求，提高電氣產(chǎn)品的質(zhì)量。

電力設備與材料著火危險試驗標準體系設計框架見圖1。

圖1 電力設備與材料著火危險試驗標準體系框架圖

4 發(fā)展與展望

1）現(xiàn)有著火危險標準體系主要是采用UL 和IEC 的基礎通用標準，在針對電力設備和材料著火危險評定標準層次的較明顯的不足，電力設備與材料著火危險試驗標準研制可以解決國內(nèi)外電力設備與材料的著火風險無實施規(guī)程可參考的行業(yè)難題，完善電工電子產(chǎn)品著火危險試驗標準體系。

2）在國際標準化工作方面，國內(nèi)外暫時沒有其他關于設備材料的燃燒性能測定的相關標準，而我國是世界電力設備和電力制造大國，電力行業(yè)技術也已達到世界先進水平。研究電力設備與材料著火危險標準化技術，尤其是試驗方法的開發(fā)，可以作為國際標準化活動切入點，提升我國的國際影響力。

3）電力設備行業(yè)受“十四五”規(guī)劃、“碳達峰和碳中和”以及“新型電力系統(tǒng)建設”等規(guī)劃的支持，未來海上風電、光伏等新能源的大規(guī)模接入，海上平臺及設備對火災風險提出了很高的要求，如何實現(xiàn)電氣設備更低的著火風險是推動“雙碳”目標實現(xiàn)迫切需求，也是我國完善電力裝備標準體系，推動電力設備行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的現(xiàn)實需求。