RVVB護套線過電流誘發(fā)短路故障發(fā)生概率與起火燃燒過程分析*

孫 燁，李 陽，王樸真，楊 雯，林慶文

(1.中國人民警察大學(xué) 研究生二隊，河北 廊坊 065000；2.中國人民警察大學(xué) 物證鑒定中心，河北 廊坊 065000；3.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

RVVB護套線，即銅芯聚氯乙烯絕緣護套扁形電源線，多用作家用電器、照明等設(shè)備的電源連接線，是火災(zāi)現(xiàn)場中最為常見的1類電源線。當設(shè)備發(fā)生過電壓、過負荷等故障時，會誘發(fā)此護套線發(fā)生過電流故障。由于其特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，當發(fā)生過電流故障時，會因線芯發(fā)熱導(dǎo)致絕緣炭化，而在實際火災(zāi)現(xiàn)場中常表現(xiàn)為短路故障。由于過電流故障發(fā)生時，誘發(fā)的短路對設(shè)備及電氣系統(tǒng)的沖擊過大，因此需借助專門的設(shè)備開展研究，以更加準確地查明短路發(fā)生的根本原因。過電流故障發(fā)生時，隨電流值升高，線芯發(fā)熱速率不斷增大，絕緣炭化程度不斷加劇，致使在某一時間內(nèi)護套線發(fā)生短路概率與短路后起火燃燒過程發(fā)生規(guī)律性變化。通過研究此規(guī)律性變化，有助于調(diào)查人員分析電氣火災(zāi)發(fā)生的根本原因，以及誘發(fā)火災(zāi)的過程。

過電流故障會導(dǎo)致電源線內(nèi)部的線芯發(fā)熱，并且這種發(fā)熱會導(dǎo)致熱塑性絕緣護套軟化、下垂；當電源線溫度足夠高時，會使絕緣層完全失效誘發(fā)短路故障，造成火災(zāi)[1]。Béland[2-3]指出，在火災(zāi)環(huán)境下銅導(dǎo)線產(chǎn)生電弧是1種大概率事件；Hirschler[4]綜述電纜絕緣燃燒的實驗方法和煙氣、熱釋放速率等參數(shù)的評價標準，但認為已有研究不能全面地反映火災(zāi)特性；Babrauskas[5]提出，回路中過多負載、散熱不利、雜散電流、過高電壓等4種要素是直接導(dǎo)致電氣線路中出現(xiàn)過電流故障的根本因素；Hagimoto等[6]模擬火災(zāi)熱煙氣層的熱輻射，研究PVC(聚氯乙烯)電源線的直接短接短路和電弧短接短路故障發(fā)生的概率；舒中俊等[7]利用過電流對PVC絕緣導(dǎo)線和阻燃PVC絕緣導(dǎo)線進行不同程度的老化實驗，建立絕緣失效和擊穿時間與過電流值的函數(shù)關(guān)系；Novak等[8]研究熱輻射作用下銅芯非金屬護套電源線發(fā)生短路故障的時間、電壓和電流值；Fisher等[9]在120 V交流無負載通電條件下，找到銅芯非金屬護套線短路發(fā)生時間與絕緣電阻之間的關(guān)系；He等[10-11]在過電流條件下研究銅導(dǎo)線絕緣熔滴形成、滴落頻率和速度、生煙量等特性；王博等[12-13]在不同電流條件下進一步對ZR-BV單芯銅導(dǎo)線的過電流故障過程和熔痕特征進行研究；王樸真等[14]研究RVVB電源線在熱輻射條件下，不同短路類型的發(fā)生時間、位置及其熔痕特征的影響；榮彥超等[15]利用Matlab的圖像色溫識別技術(shù)，對單芯銅線熔體凝固時的色彩變化進行分析，建立測算短路熔痕凝固速率的方法。

綜上，目前國內(nèi)外關(guān)于過電流和短路故障的相關(guān)研究，多以單一故障的發(fā)生過程和痕跡特征，以及電源線在熱輻射條件下的研究為主，主要集中在故障發(fā)生原因、絕緣失效、短路熔痕等方面，而對過電流誘發(fā)短路的過程研究還有待深入。本文選用RVVB護套線，搭建與真實場景相同的故障電路，通過改變流經(jīng)護套線的不同電流值，真實模擬設(shè)備電源線因過電流誘發(fā)短路故障的過程，使用高速攝像機記錄護套線發(fā)生短路瞬間現(xiàn)象，準確分析過電流誘發(fā)短路概率與過電流值的關(guān)系，觀察短路后絕緣燃燒的過程，計算短路引起燃燒的概率，為準確認定電氣故障引發(fā)火災(zāi)提供理論支持和數(shù)據(jù)支撐。

1 實驗

1.1 實驗材料

選用1.0 mm2RVVB護套線(由江蘇南京南拓電線電纜有限公司生產(chǎn))，如圖1所示。線芯由PVC絕緣層包裹，最外層護套同樣為PVC材料，額定電流為8 A，其他參數(shù)見表1。

圖1 1.0 mm2 RVVB護套線Fig.1 1.0 mm2 RVVB sheathed wire

表1 RVVB護套線參數(shù)Table 1 Parameters of RVVB sheathed wire

1.2 實驗設(shè)備

電氣火災(zāi)故障模擬及痕跡制備裝置(由中國人民警察大學(xué)自主設(shè)計)，電流調(diào)節(jié)范圍為30～300 A，電壓調(diào)節(jié)范圍為0～660 V(交流電50 Hz)；Canon70D型數(shù)碼照相機，用于記錄實驗過程；Phantom 640高速攝像機，用于記錄短路發(fā)生瞬間現(xiàn)象。

1.3 實驗方法

截取總長度為340 mm的護套線若干段，在兩端各剝?nèi)?0 mm絕緣層(實際實驗長度為300 mm)后，經(jīng)由DELIXI(HDBE-63 C型)斷路器連接至電氣火災(zāi)故障模擬及痕跡制備裝置和可調(diào)式電阻器(中國人民警察大學(xué)自主設(shè)計，最大功率為13 000 W)，并在適當位置架設(shè)普通相機和高速攝像機，實驗裝置示意如圖2所示。

圖2 過電流誘發(fā)短路實驗裝置Fig.2 Experimental apparatus of short circuit induced by over current

設(shè)定實驗電路的輸出電壓為220 V交流電，根據(jù)預(yù)研實驗結(jié)果，8，16 A時護套線不會發(fā)生短路故障，因此調(diào)節(jié)可調(diào)式電阻器，選取24，32，40，48 A等電流值分別進行過電流實驗，每次實驗以護套線發(fā)生短路故障或時長達1 h為限，記錄其短路時間，各電流值分別進行20次平行實驗。

為便于分析，將護套線發(fā)生短路和絕緣起火燃燒過程的時間分別標定為：

T1：過電流開始作用于護套線至護套線發(fā)生初次短路的時間(s)；

T2：護套線短路引燃絕緣層至火焰蔓延到最大距離的時間，因電弧產(chǎn)生及發(fā)展速率極快，故T2用毫秒(ms)表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 過電流誘發(fā)護套線發(fā)生短路概率

對8，16，24，32，40，48 A電流值下，護套線發(fā)生短路故障的實驗次數(shù)進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表2。分析表2數(shù)據(jù)可知：當電流值為8，16 A時，護套線僅出現(xiàn)線芯發(fā)熱變紅、絕緣炭化等現(xiàn)象，但不會誘發(fā)短路故障；而I=24 A時，護套線發(fā)生短路故障的實驗次數(shù)為8次，即發(fā)生概率為40%；當電流值達到32，40，48 A時，護套線發(fā)生短路的實驗次數(shù)均為20次，即發(fā)生概率均達到100%。但在實驗過程中均未發(fā)現(xiàn)斷路器動作。

表2 不同電流值誘發(fā)護套線發(fā)生短路故障的實驗次數(shù)統(tǒng)計Table 2 Statistics on experimental times of short circuit fault of sheathed wire induced by different current values

若在同一根護套線實驗過程中，只發(fā)生1次拉弧現(xiàn)象，稱此護套線發(fā)生的是單次短路故障；若護套線出現(xiàn)反復(fù)拉弧現(xiàn)象，則稱護套線發(fā)生多次短路故障。統(tǒng)計24，32，40，48 A電流值下，過電流誘發(fā)護套線發(fā)生單次短路和多次短路的實驗次數(shù)，如圖3所示。由圖3可知，I=24 A時，由于線芯各部位溫度升高的速率比較平均，護套線絕緣層軟化、熱解、炭化的程度會比較均勻，護套線不同部位形成的電弧產(chǎn)生條件較為一致，因此護套線發(fā)生單次短路和多次短路的次數(shù)均為4次，概率同為20%；當32 A≤I<48 A時，護套線局部位置受過電流作用明顯，會出現(xiàn)較其他位置線芯溫升更快、絕緣熱解程度更大的情況，因此護套線發(fā)生單次短路的次數(shù)比發(fā)生多次短路的次數(shù)多；但護套線發(fā)生多次短路的概率會隨電流值的增大而變大，在I=48 A時單次短路與多次短路的發(fā)生次數(shù)均為10次，即發(fā)生多次短路的概率達到50%。

圖3 不同電流值護套線發(fā)生單次和多次短路的次數(shù)Fig.3 Times of single short circuit and multiple short circuit of sheathed wire under different current values

2.2 過電流值與初次短路發(fā)生時間的關(guān)系

對24，32，40，48 A過電流條件下，護套線發(fā)生初次短路的時間(T1)進行統(tǒng)計，如圖4所示。由圖4可知，隨著電流值的增大，護套線發(fā)生初次短路的時間縮短，I=24 A時發(fā)生短路的平均時間為781.5 s，而I=48 A時發(fā)生短路的平均時間僅為39.3 s；對護套線發(fā)生初次短路的平均時間進行擬合，可得到初次短路平均時間與電流值的擬合關(guān)系，如式(1)所示：

圖4 不同電流值護套線發(fā)生初次短路時間Fig.4 Time of first short circuit of sheathed wire under different current values

T1=9 729.7e-I/9.7-32.3

(1)

式中：T1為護套線發(fā)生初次短路時間，s；I為電流值，A。

其擬合修正系數(shù)R2=0.999 8，擬合優(yōu)度接近于1，表明初次短路平均時間隨電流值增大，呈指數(shù)遞減的變化趨勢，如圖4(a)所示。電流值分別為32，40，48 A時的初次短路時間分布，如圖4(b)～(d)所示。對各電流值下初次短路時間的分布情況進行分析可知：護套線發(fā)生初次短路的時間范圍隨電流值的增大而縮小，在I=24 A時護套線發(fā)生短路的時間范圍為653～973 s，跨度大，數(shù)據(jù)較分散；32，40 A的時間范圍分別為282～370 s，104～131 s；而I=48 A時短路發(fā)生時間的范圍為28～54 s，較為集中。

2.3 過電流誘發(fā)護套線短路的起火燃燒過程

護套線發(fā)生短路后能否出現(xiàn)起火燃燒現(xiàn)象取決于短路發(fā)生瞬間的電弧能量、絕緣層預(yù)混氣體濃度以及殘留炭化絕緣層等因素。因護套線絕緣材料PVC為易熱降解的聚合物，因此當線芯持續(xù)發(fā)熱時，絕緣層受熱會產(chǎn)生可燃揮發(fā)物，短路電弧的高能量會將其引燃，從而使護套線發(fā)生燃燒現(xiàn)象。對24，32，40，48 A過電流條件下，護套線在發(fā)生短路后出現(xiàn)起火燃燒的實驗次數(shù)進行統(tǒng)計，如圖5所示。由圖5可知，I=24 A時，護套線在短路后有5次發(fā)生燃燒現(xiàn)象，占短路發(fā)生次數(shù)的62.5%，而電流值為32，40，48 A時，護套線在短路后發(fā)生燃燒的次數(shù)分別為16，18，20次，其概率分別達到80%，90%，100%。圖5中實線為數(shù)據(jù)擬合曲線，虛線為短路起火后發(fā)生燃燒的80%置信區(qū)間，因此短路后發(fā)生燃燒的次數(shù)與電流值的擬合關(guān)系如式(2)所示：

圖5 護套線發(fā)生短路后出現(xiàn)起火燃燒現(xiàn)象的實驗次數(shù)Fig.5 Number of experiments on phenomena of ignition and combustion after short circuit of sheathed wire

N=-57.6e-I/22.9+27.8

(2)

式中：N為護套線短路后發(fā)生燃燒的次數(shù)，次；I為電流值，A。

其擬合修正系數(shù)R2=0.954 62，表明在此區(qū)間內(nèi)短路后引發(fā)絕緣層燃燒的概率，隨電流值的增大呈良好的指數(shù)遞增關(guān)系。因此I=48 A時，導(dǎo)線不需要任何外界引燃物，僅自身就能引發(fā)火災(zāi)；而在24，32，40 A條件下，護套線短路后分別有37.5%，20%，10%的概率不會發(fā)生燃燒現(xiàn)象，這是由于護套線發(fā)生短路故障后，線路中的電弧能量不足以引燃故障點處的可燃預(yù)混氣體和殘留炭化絕緣層，此時若要引起火災(zāi)，還需要周圍有比表面積大的可燃物。故隨著過電流值的增大，護套線發(fā)生起火燃燒的概率增大，因護套線短路故障引發(fā)火災(zāi)的危險性隨之增大。

在不同電流值下，護套線未由過電流故障轉(zhuǎn)化為短路故障時，護套線主要發(fā)生線芯發(fā)熱變紅，絕緣熱解軟化、膨脹下垂、炭化發(fā)黑等變化；當護套線發(fā)生短路故障時，短路瞬間產(chǎn)生的電弧能量會將故障點附近的絕緣熱解預(yù)混氣體以及尚未完全炭化的絕緣層點燃，引燃相鄰絕緣層，從而使火焰沿護套線開始蔓延。短路電弧引燃護套線絕緣層至全線燃燒的過程，如圖6所示。圖6中的時間為護套線短路電弧引燃絕緣層后，火焰沿護套線水平方向蔓延至全線的時間(T2)。由圖6可知，在I=48 A時，護套線發(fā)生短路3 ms后，絕緣層出現(xiàn)明火燃燒現(xiàn)象；406 ms時護套線會發(fā)生激烈的持續(xù)拉弧現(xiàn)象；1 618 ms時，火焰蔓延至護套線兩端，形成全線燃燒現(xiàn)象。

圖6 48 A時護套線發(fā)生短路后的燃燒現(xiàn)象Fig.6 Combustion phenomenon of sheathed wire after short circuit at 48 A

3 結(jié)論

1)當電流值為8，16 A時，護套線不會發(fā)生短路故障；I=24 A時護套線會發(fā)生短路故障，且發(fā)生概率為40%；在32 A≤I<48 A時，護套線發(fā)生多次短路的概率隨電流值的增大而增大，I=48 A時發(fā)生單次與多次短路的次數(shù)均為10次，即發(fā)生多次短路的概率達到50%。

2)護套線發(fā)生初次短路的平均時間，隨電流值增大呈指數(shù)遞減的變化趨勢，I=24 A時護套線發(fā)生短路的平均時間為781.5 s，而I=48 A時僅為39.3 s；發(fā)生初次短路的時間范圍隨電流值增大而縮小，I=24 A時護套線發(fā)生短路的時間范圍為653～973 s，較為分散，而I=48 A時為28～54 s，更為集中。

3)護套線誘發(fā)短路故障后，因短路電弧能量較高，會將絕緣層引燃，發(fā)生沿護套線水平方向蔓延的燃燒現(xiàn)象，且護套線短路后發(fā)生燃燒的概率與電流值呈指數(shù)遞增關(guān)系；在I=48 A時其概率達到100%，且火焰在短路發(fā)生后1 618 ms內(nèi)可蔓延至護套線兩端，因此由護套線短路故障引發(fā)火災(zāi)的危險性隨之增大。