原文发表在《高压电器》2025年第1期。
https://www.chndoi.org/Resolution/Handler?doi=10.13296/j.1001-1609.hva.2025.01.010
聚酰亚胺防护材料对气体电弧辐射温度场的影响特性研究
琚泽立1，张一博2，汤牧涵3，侯喆1，腾森1，廖敏夫3，段雄英3
(1. 国网陕西省电力公司电力科学研究院，西安 710054；2. 国网陕西省电力有限公司， 西安 710032；3. 大连理工大学电气工程学院，辽宁 大连 116024)
一 内容简介
在城市电网中，电弧导致的电气灼烧伤害愈发频繁。聚酰亚胺作为电弧防护材料具有耐高温、高阻热性，是保护带电作业人员生命安全的有效装备，但目前对于聚酰亚胺电弧防护材料的阻热实际效果研究相对较少。文中建立了有聚酰亚胺材料影响下的气体电弧温度场仿真模型，得到了燃弧过程中聚酰亚胺对电弧辐射温度场分布的影响。在实验室搭建了气体电弧发生装置，改变电弧电流大小、电弧电极间距、铜量热计测量点距电弧中心点距离，通过铜量热计测量温升得到聚酰亚胺防护材料对气体电弧辐射温度场的变化规律。仿真和试验结果表明，聚酰亚胺对气体电弧的辐射温度场具有明显的阻隔作用，其在不同的电弧辐射条件下均可以展现出良好的隔热性，证明了聚酰亚胺材料在带电作业环境中对气体电弧辐射具有优异的防护性能。
二 主要内容
随着城市建设的高速发展，电力生产的稳定运行愈发重要。一旦发生电气故障，导致运行中断，就可能造成巨大的经济损失。根据统计，近半数的电气故障由电力网络中的电弧燃爆引发，故障电弧产生的过程通过辐射释放出高温，极易对带电作业的工作人员、周边电气设备和线路造成伤害。
在电气防护领域，电弧防护服是效果明显的电弧防护装备。采用的防护材料普遍具备耐高温、高阻热性、化学性稳定等优点，对保护电气领域人身安全具有重要作用，主流的电弧防护材料包括聚酰亚胺、芳纶、腈氯纶等。很多研究者对空气电弧的辐射温度特性进行了理论和实验研究，得到了很多有益的结果。如于然、付周兴等人使用MATLAB构建电弧的数学模型，这种模型可以反映电弧的实际特性，但是MATLAB无法将电弧形态视图化显示。西安交通大学的吴翊等人使用Fluent软件建立三维电弧模型，描述气体电弧运动的相关特性并初步探讨了电弧辐射温度特性。付光晶等人使用Comsol软件对交流电弧的特性进行研究，但因仿真无法完成起弧的局限性，选择了特定数值的电流，结果有一定局限性。因此，气体电弧辐射温度场建模及理论仿真还需要进一步优化。
同时目前针对电弧防护服的聚酰亚胺防护材料影响气体电弧辐射温度场特性的探究还比较少，这实际制约了电弧防护服的参数优化和性能提高。文中创新性地将聚酰亚胺材料与电弧模型进行联合仿真，在得到不同条件下气体电弧辐射温度场特性基础上，针对聚酰亚胺防护材料的阻热效果，进行气体电弧辐射温度场仿真和试验分析，为聚酰亚胺电弧防护材料在电弧灼伤防护领域的优化应用提供理论和数据支撑。
1 气体电弧辐射温度场仿真
1.1 仿真几何模型
1.2 仿真数学模型
1.3 仿真结果及分析
2 气体电弧辐射温度特性试验装置
2.1 电弧发生试验装置
2.2 电弧辐射温度场测量装置
3 聚酰亚胺对气体电弧辐射温度场影响试验
3.1 聚酰亚胺影响电弧辐射温度场试验结果
3.2 试验结果分析
三 结论
1)建立了有无聚酰亚胺材料的气体电弧辐射温度场仿真模型，搭建了改变电弧电极间距、电弧电流大小、铜量热计与电弧中心间的距离3种电弧条件下的有无聚酰亚胺材料对气体电弧辐射温度场影响试验装置，仿真和试验得到气体电弧的辐射的温度场特性以及聚酰亚胺材料对气体电弧辐射温度场的影响规律。发现当电弧电流越高，电极触头间距离越近，铜量热计位置距离电弧越近，气体电弧辐射的温度越高，造成电弧灼烧的风险越大。其中电弧电流对电弧热辐射影响最为显著，电弧电流每增加1 kA，铜热量计的温升平均增长36.84%。
2)当在铜量热计上覆盖聚酰亚胺材料时，仿真和试验结果表明，聚酰亚胺材料对电弧辐射温度场分布影响明显，电弧温度辐射大部分被材料阻隔，少数温度辐射扩散入材料内部。相较于无聚酰亚胺时，有聚酰亚胺材料状态下，铜量热计的温升可下降超过70%，说明聚酰亚胺材料对气体电弧辐射温度场的扩散具有明显的阻隔性，可作为非常有前景的防电弧服防护材料应用于多种条件的带电作业中。
作者简介
琚泽立(1983—)，男，硕士，正高级工程师，研究方向为配电及电缆设备的运维检修、带电检测、状态诊断及评价、电气设备的安全防护技术等(E-mail：1678038@qq.com)。
段雄英(1974—)，女，博士，教授，博士生导师，研究方向为智能开关电器理论及应用、电力设备火灾检测与防护、电力设备在线检测与绝缘诊断等(通信作者)(E-mail：xyduan@dlut.edu.cn)。
本文索引
琚泽立，张一博，汤牧涵，等. 聚酰亚胺防护材料对气体电弧辐射温度场的影响特性研究[J]. 高压电器，2025, 61(1)：89-95.
JU Zeli，ZHANG Yibo，TANG Muhan，et al. Study on influence characteristics of polyimide protective material on gas arc radiation temperature field[J]. High Voltage Apparatus，2025, 61(1)：89-95.
《高压电器》，CN 61-1127/TM，ISSN 1001-1609，邮发代号：52-36，1958年创刊，月刊，国内外公开发行，刊名由当时的人大常委会副委员长、中国科学院院长郭沫若同志亲笔题写。陕西省科技期刊精品期刊。
《高压电器》入选的数据库有：中文核心期刊、中国科技核心期刊、中国科学引文数据库（CSCD）核心刊、RCCSE中国核心学术期刊、世界期刊影响力指数（WJCI）报告。另外，《高压电器》还被国际著名的Scopus数据库收录，同时被俄罗斯的《文摘杂志》（AJ，VINITI）、英国的《科学文摘》（SA）及日本科学技术振兴机构数据库（JST）等著名期刊检索机构列为来源期刊。
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