絕緣電線過載發(fā)煙規(guī)律的實驗研究

王學寶，楊 洋

（1.中國人民武裝警察部隊學院消防工程系，河北 廊坊065000；2.重慶市消防總隊，重慶401520）

0 前言

隨著我國工業(yè)化水平的提高，作為經(jīng)濟發(fā)展基礎產(chǎn)業(yè)的電力工業(yè)也得到高速發(fā)展，電線電纜的用量迅速增加。目前大量使用的電線電纜中，大部分電線電纜的絕緣及護套材料是由聚氯乙烯（PVC）、交聯(lián)聚乙烯（PE-X）、乙丙橡膠（EPR）等可燃聚合物材料組成的。特別是在一些電線電纜敷設密集的場所，一旦發(fā)生火災，火將沿著電線電纜燃燒而迅速蔓延，極容易造成重大人員傷亡和經(jīng)濟損失。火災事故調(diào)查資料顯示，我國每年因電線電纜引發(fā)的火災占所有電氣火災的50%以上［1-2］。電線電纜火災除了會造成直接火災損失外，還會產(chǎn)生諸如氯化氫、一氧化碳等大量有害氣體，這些氣體不但會使人窒息、中毒，而且會生成強酸性霧，對機器設備和建筑結構造成腐蝕，嚴重降低設備的安全性和建筑的使用壽命，造成二次危害［3-5］。

由于電線電纜火災事故發(fā)生頻繁，危害性大，電線電纜防火工作及其火災特性的研究已引起人們的重視。然而，就目前的情況來看，大部分研究工作集中在低煙無鹵阻燃線纜和耐火線纜的開發(fā)和選用等方面［6-9］，對電線電纜火災特性的研究和相關標準的制定也僅限于在外部火焰燃燒或輻射熱源作用的條件下進行的［10-18］，而對電線電纜在自身過載、短路等內(nèi)因作用下的火災特性的研究卻很少。其中，對電線電纜在過載條件下的煙氣釋放規(guī)律的研究國內(nèi)外還未見報道。

本研究通過實驗對目前我國民用建筑中常用的普通電線處于過載狀態(tài)下的發(fā)煙規(guī)律進行初步的研究，對過載電流、導體材料、標稱截面和電線軟硬類型等條件對電線過載時煙氣釋放規(guī)律的影響進行探討。

1 實驗部分

1.1 主要原料

銅芯PVC絕緣硬線（BV）、鋁芯PVC絕緣硬線（BLV）、銅芯PVC絕緣軟線（RV），電線規(guī)格如表1所示，北京市天華偉業(yè)線纜有限公司。

表1 實驗用電線的規(guī)格Tab.1 Types of cable for the experiment

1.2 主要設備及儀器

升流器，SL-1000，天津市新科華電力電器設備有限公司；

交流電鉗型電表，F(xiàn)LUKE312，美國Fluke公司；

紅外測溫儀，AR872S，香港?，攦x器儀表有限公司；

煙密度測試儀，YM-3，南京上元分析儀器廠。

1.3 性能測試與結構表征

電線試樣長度為110cm，兩端各剝?nèi)ゼs5cm絕緣層。

電線過載煙密度測定：將電線試樣置于煙密度儀煙箱內(nèi)，并使之與箱體保持絕緣，試樣兩端通過煙密度儀煙箱下方縫隙與升流器接線柱連接；試樣在煙密度儀煙箱內(nèi)應保持100cm的有效長度；通過煙密度儀測試電線在環(huán)境溫度為25℃，明敷過載時的煙密度；最大煙密度值按照GB／T 8627—1999進行測定；

溫度的測定：利用紅外測溫儀測量實驗結束時電線外層絕緣材料表面的溫度。

2 結果與討論

2.1 不同倍數(shù)的過載電流對電線過載發(fā)煙的影響

取標稱截面為4mm2的BV電線試樣，分別通上其額定電流2.75、3、3.25、3.5、3.75、4倍的電流，使其處于過載狀態(tài)，測試結果如圖1所示。

從圖1可以看出，過載電流對電線煙氣釋放影響顯著。電線在過載條件下，產(chǎn)生的煙氣對光源的吸收率隨過載電流的增大而增大，開始發(fā)煙的時間隨過載電流的增大而提前。其中，在測試時間內(nèi)，通以4倍額定電流的電線最終達到的最大煙密度值最大，達41.67%，測試開始約40s后就可見煙氣產(chǎn)生。測試結束時，整條電線的絕緣護套發(fā)泡，多處燒焦露出銅芯。通以2.75倍額定電流的電線最終達到的最大煙密度值最小，只有8%，且整個測試過程中，只見少量煙氣產(chǎn)生，除導線溫度升高外，無明顯外觀變化。

圖1 通過不同倍數(shù)的額定電流時電線發(fā)煙的煙密度曲線Fig.1 Smoke density curves for the cables under overload condition

BV電線的絕緣材料的主要成分是PVC，工作溫度為70℃。而在電線過載條件下，線芯發(fā)熱超過正常的工作溫度，導致絕緣材料急劇老化分解，釋放出煙氣。在相同條件下，隨著通過電流的增大，電線的發(fā)熱功率也逐漸增大，所能達到的最高溫度也越高，所以發(fā)煙量增大。如表2所示，通以4倍額定電流的電線，測試過程中最高溫度達144.13℃，是正常工作溫度的1倍多，所以電線絕緣材料老化分解劇烈，煙氣釋放量最大。由此可知，過載電流越大，電線越容易產(chǎn)生有毒煙氣。

表2 通過不同倍數(shù)的額定電流時電線的最高溫度Tab.2 Maximum temperature of the cables under overload condition

2.2 不同導體材料對電線過載發(fā)煙的影響

取標稱截面為4mm2的BV和BLV電線試樣，分別測試二者在通過其3倍額定電流時的煙密度，結果如圖2所示。

從圖2可看到，在通過相同倍數(shù)過載電流時，相同截面積的BV電線發(fā)煙量要大于BLV電線。其中，BV電線的最大煙密度值達到13%。測試開始較長時間后，兩者才有煙氣產(chǎn)生，并且2種電線產(chǎn)生的煙氣對光源的吸收率均以較接近的增長率增長。測試結束后，2種電線的絕緣材料均無明顯外觀變化。

圖2 不同導體材料的電線過載時的煙密度曲線Fig.2 Smoke density curves for the cables with different conductor under overload condition

BV電線和BLV電線的線芯材料主要是銅和鋁，2種電線過載時的煙密度差異主要是由于二者發(fā)熱功率的差異所致。電線在過載條件下的升溫，由線芯產(chǎn)生的熱量和電線的散熱共同決定。線芯產(chǎn)生的熱量一部分貯存在線芯本身和絕緣材料內(nèi)，使二者溫度升高，其余的熱量通過對流及輻射傳遞給周圍環(huán)境。2種電線均包有PVC絕緣層，且絕緣層較薄，可以認為電線的表面溫度與線芯相同［19］。在實驗時間內(nèi)（0～240s內(nèi)），電線的溫度迅速上升，電線產(chǎn)生的熱量遠大于向環(huán)境傳遞的熱量。因此，可以近似地認為，線芯產(chǎn)生的熱量大部分用于線芯和絕緣材料的升溫，傳遞給周圍環(huán)境的熱量很少，也就是電線的升溫主要由線芯的發(fā)熱功率決定。

電線的發(fā)熱功率可以由式（1）計算得到。

式中 Ⅰ——電流（25℃時，標稱截面為4mm2的BV和BLV電線的額定電流分別是42A和32A），A

ρ——電阻率，Ω·mm2／m

L——電線長度，m

S——電線截面積，mm2由式（1）可知，銅線的熱功率計算為（為了簡化計算，假設實驗時間內(nèi)，電流和電線電阻都是常數(shù)，下同）：

銅線通過的電流Ⅰ＝3Ⅰ0＝126A；銅線的電阻率ρ＝0.01851Ω·mm2／m；長度L＝1m；截面積S＝4mm2，得：

鋁線的熱功率計算為：

鋁線通過的電流Ⅰ＝3Ⅰ0＝96A，鋁線的電阻率ρ＝0.02940Ω·mm2／m；長度L＝1m；截面積S＝4mm2，得：

由此可以看到，在通以3倍額定電流時，銅線的熱功率是比導線大的。實驗中所用的BV電線和BLV電線截面積相同，散熱面積也是相同的，所以，在線徑相同的情況下，BV電線更容易使自身溫度升高，其絕緣材料更容易熱解產(chǎn)生有毒煙氣。

2.3 標稱截面對電線過載發(fā)煙的影響

分別測試標稱截面為1.5、2.5、4mm2的BV 電線通過3倍額定電流時的煙密度，結果如圖3所示。

圖3 不同標稱截面的電線過載時的煙密度曲線Fig.3 Smoke density curves for the cables with different nominal sectional area under overload condition

從圖3可知，通過3倍額定電流時，隨著電線截面積的增大，其開始發(fā)煙的時間推遲，在測試時間內(nèi)，電線最終達到的最大煙密度值變小。其中，實驗結束時，1.5mm2BV電線的最大煙密度值達23.33%，溫度為95.17℃，電線局部的絕緣護套變黑，線芯外露。

電線通過電流時產(chǎn)生的熱量一部分提高自身的溫度，一部分散發(fā)到周圍環(huán)境中，其溫升可由熱平衡方程式（4）得到［20］：

式中 t——電線的通電時間，s

m——電線的質(zhì)量，kg

C——電線的比熱（線芯和絕緣層的整體比熱），J／（kg·℃）

Kzh——電線的總放熱系數(shù)，W／m2·℃

ρ′——電線的密度（線芯和絕緣層的整體密度），kg／m3

τ——電線對周圍環(huán)境的溫升，℃

F——電線的散熱面積，m2

與2.2節(jié)類似，在實驗時間內(nèi)，近似地認為線芯產(chǎn)生的熱量幾乎全部用于電線自身的溫升，且電線的表面溫度與線芯相同。忽略電線傳遞給周圍環(huán)境的熱量，即：

所以電線的溫升滿足式（6）：

另外，對于單位質(zhì)量的線芯來說，截面積越小，其線芯相對的比表面積越大，也就是過載時小截面電線的絕緣材料會從線芯吸收更多的熱量，導致更高的溫升。由表3也可以看到，實驗結束時，線徑越小的電線溫度越高。由此可見，線徑小的電線在過載時，更容易產(chǎn)生熱量聚積而導致發(fā)煙，火災危險性更大。

表3 不同標稱截面的電線過載時的最高溫度Tab.3 Maximum temperature of the cables with different nominal sectional area under overload condition

2.4 軟線／硬線對電線過載發(fā)煙的影響

分別測試標稱截面為2.5mm2的BV和RV電線通過3倍額定電流時的煙密度，結果如圖4所示。由圖4可以看到，在實驗開始后75s內(nèi)，RV電線的發(fā)煙量急劇增加，在實驗結束時，其最大煙密度值高達51.67%，而BV電線在實驗開始后前50s，產(chǎn)煙量不大，相比RV電線，其整個測試時間內(nèi)，煙密度曲線增長比平緩較。

圖4 BV和RV電線過載時的煙密度曲線Fig.4 Smoke density curves for BV and RV cables under overload condition

標稱截面為2.5mm2的BV和RV電線的額定電流相同，RV電線線芯為多根細線組成，BV電線線芯為單根。相比BV電線來說，RV電線線芯的散熱面積要大得多，過載產(chǎn)熱時，RV電線線芯向絕緣層傳遞的熱量要多且迅速，導致RV電線絕緣層分解更為劇烈，因此，產(chǎn)煙量更大。實驗結束時，RV電線的外表溫度高達131.8℃，BV電線的外表溫度為93.8℃，前者比后者高出近40℃。因此，過載時，相同線徑的軟線比硬線更容易產(chǎn)生有毒煙氣。

3 結論

（1）電線處于過載狀態(tài)時，其絕緣材料的煙氣釋放量隨著過載電流的增大而增大；

（2）相比鋁芯電線，相同線徑的銅芯電線在過載時其絕緣材料更容易熱解而釋放有毒煙氣；線徑小的電線在過載時更容易產(chǎn)生熱量聚積而導致發(fā)煙，火災危險性更大；

（3）處于過載狀態(tài)時，相同線徑的軟線比硬線更容易產(chǎn)生有毒煙氣。

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