BVR多芯銅導(dǎo)線過(guò)電流故障下燃燒及火焰?zhèn)鞑パ芯?

楊 碩，李 陽(yáng)，王 勇，吳 凡，林慶文

(1.中國(guó)人民警察大學(xué) 研究生院，河北 廊坊 065000； 2.中國(guó)人民警察大學(xué) 物證鑒定中心，河北 廊坊 065000)

0 引言

過(guò)電流故障是電氣火災(zāi)常見故障之一[1]。當(dāng)斷路器故障保護(hù)失效，會(huì)出現(xiàn)3～7倍過(guò)電流[2]，導(dǎo)致導(dǎo)線絕緣燃燒，并迅速蔓延，危險(xiǎn)性極大。BVR導(dǎo)線是1種聚氯乙烯多芯銅導(dǎo)線，常用于家用照明和電器連接控制線，受室內(nèi)線路斷路器故障、斷路保護(hù)器規(guī)格設(shè)置不合理、保險(xiǎn)絲隨意設(shè)置等因素影響，無(wú)法及時(shí)形成斷路保護(hù)，使用電設(shè)備出現(xiàn)過(guò)電流狀態(tài)，誘發(fā)BVR導(dǎo)線過(guò)電流故障，最終引發(fā)火災(zāi)事故。相關(guān)學(xué)者通過(guò)對(duì)單股導(dǎo)線進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，多股銅導(dǎo)線具有多股結(jié)構(gòu)，橫截面周長(zhǎng)遠(yuǎn)大于同規(guī)格單股導(dǎo)線，因電發(fā)熱趨膚性，多股銅導(dǎo)線發(fā)生過(guò)電流故障時(shí)呈現(xiàn)特有發(fā)熱規(guī)律，影響火災(zāi)行為。

目前，關(guān)于導(dǎo)線過(guò)電流研究主要從導(dǎo)線線芯種類、線徑、絕緣種類出發(fā)，針對(duì)電氣故障或外加輻射熱條件下導(dǎo)線故障發(fā)生過(guò)程，研究其絕緣燃燒及火焰蔓延現(xiàn)象，并進(jìn)行數(shù)學(xué)模型分析：Babrauskas[3]綜述典型電氣故障誘發(fā)PVC導(dǎo)線絕緣起火過(guò)程；Huang等[4]研究未通電狀態(tài)下PE導(dǎo)線引燃及火焰蔓延過(guò)程，建立數(shù)學(xué)模型分析導(dǎo)線著火過(guò)程、火焰蔓延時(shí)導(dǎo)線溫度分布及絕緣火焰穩(wěn)態(tài)蔓延行為；Fisher[5]從PVC熱解模型出發(fā)，研究輻射熱條件下導(dǎo)線空載、彎曲形變、通電等工況熱解擊穿時(shí)間，了解導(dǎo)線故障發(fā)生過(guò)程；趙艷紅[6]研究不同規(guī)格銅導(dǎo)線過(guò)電流條件下引燃能力；Hu等[7]研究不同規(guī)格PE銅導(dǎo)線在不同傾角和環(huán)境大氣壓力條件下火焰蔓延速度；文獻(xiàn)[8-9]研究不同線芯及絕緣層厚度PVC絕緣導(dǎo)線在不同過(guò)電流條件下熔融滴落，發(fā)現(xiàn)在一定距離內(nèi)出現(xiàn)明火的熔融態(tài)絕緣液滴維持自身燃燒，并引燃其他可燃物；Kobayashi等[10]通過(guò)研究不同線芯和絕緣導(dǎo)線對(duì)火焰蔓延過(guò)程影響得到，不同絕緣類型對(duì)火焰蔓延過(guò)程影響較??；Orcajo等[11]通過(guò)對(duì)過(guò)電流故障機(jī)理進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)電流故障通常作為原發(fā)性故障導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生；汪穎等[12]使用堆棧技術(shù)處理電纜電流信號(hào)，提取行波等特征量識(shí)別電纜故障，定位故障發(fā)生點(diǎn)；Meinier等[13]研究外部熱源與電纜間距對(duì)電纜火災(zāi)特性影響，確定絕緣材料在燃燒中起重要作用；王博等[14]研究ZR-VB單芯銅導(dǎo)線不同過(guò)電流值時(shí)發(fā)熱、熔斷及燃燒現(xiàn)象與不同過(guò)電流值形成的金相組織；Wang等[15]研究導(dǎo)線老化熱穩(wěn)定性及老化程度對(duì)火焰蔓延行為影響。綜上，研究主要集中于聚氯乙烯單芯銅導(dǎo)線，當(dāng)發(fā)生過(guò)電流故障時(shí)，受趨膚效應(yīng)影響電流主要集中在線芯導(dǎo)體外表面引起發(fā)熱及燃燒現(xiàn)象，導(dǎo)體內(nèi)部電流較??；當(dāng)多芯銅導(dǎo)線發(fā)生過(guò)電流故障，電流集中在絕緣外圈線芯外表面，導(dǎo)線線芯排列方式使線芯導(dǎo)體發(fā)熱規(guī)律更為復(fù)雜。

本文模擬BVR銅導(dǎo)線在不同電流下過(guò)電流故障，采用堆棧技術(shù)分析導(dǎo)線受熱形變，并利用高速攝像機(jī)記錄故障導(dǎo)線發(fā)熱、熔斷及絕緣燃燒現(xiàn)象，研究導(dǎo)線發(fā)熱形變、熔斷時(shí)間及燃燒時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c電流值變化關(guān)系，為火災(zāi)調(diào)查認(rèn)定起火原因提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用BVR 2.5 mm2多芯聚氯乙烯絕緣銅導(dǎo)線，導(dǎo)線截面如圖1所示，導(dǎo)線參數(shù)見表1。

圖1 BVR 2.5 mm2導(dǎo)線截面

表1 導(dǎo)線參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

將導(dǎo)線截成長(zhǎng)度550 mm若干，導(dǎo)線兩側(cè)剝?nèi)ゼs20 mm絕緣層，連接至電氣火災(zāi)故障模擬及痕跡制備裝置輸出端口，試驗(yàn)裝置如圖2所示。試驗(yàn)臺(tái)輸出電壓220 V，導(dǎo)線額定電流Ie=34 A，以0.5Ie為區(qū)間逐步增大電流值，通過(guò)觀察不同過(guò)電流值導(dǎo)線發(fā)熱及熔斷現(xiàn)象，確定多芯銅導(dǎo)線熔斷電流值4.5Ie～7.0Ie，共153，170，187，204，221，238 A 6組工況條件，每組進(jìn)行5次平行試驗(yàn)。分別利用普通攝像機(jī)和高速攝像機(jī)記錄導(dǎo)線發(fā)熱形變過(guò)程及導(dǎo)線熔斷、燃燒瞬間狀態(tài)。

圖2 試驗(yàn)裝置示意

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 導(dǎo)線發(fā)熱形變及熔斷現(xiàn)象分析

當(dāng)過(guò)電流發(fā)生時(shí)，導(dǎo)線發(fā)熱軟化，在重力作用下發(fā)生彎曲變形。選取過(guò)電流開始、絕緣起泡、絕緣脫離本體、導(dǎo)線熔斷前4個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)照片，進(jìn)行堆棧處理，將導(dǎo)線初始水平位置至彎曲變形最低點(diǎn)距離記為導(dǎo)線形變程度，過(guò)電流導(dǎo)線發(fā)熱形變?nèi)鐖D3所示。導(dǎo)線額定電流34 A，試驗(yàn)臺(tái)最大試驗(yàn)電流238 A，統(tǒng)計(jì)34～238 A導(dǎo)線最大形變，如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)電流為34，51，68 A時(shí)，導(dǎo)線沒(méi)有發(fā)生形變；當(dāng)電流為85 A時(shí)，導(dǎo)線開始發(fā)生形變，形變程度4 mm，導(dǎo)線形變程度隨電流增加而增大；當(dāng)電流值為136～238 A時(shí)，導(dǎo)線向下彎曲，形變程度47～63 mm，隨過(guò)電流值增加，導(dǎo)線平均形變程度變化較小。

圖3 過(guò)電流導(dǎo)線發(fā)熱形變

圖4 不同過(guò)電流時(shí)導(dǎo)線形變程度

當(dāng)I=136 A時(shí)，導(dǎo)線沒(méi)有發(fā)生熔斷現(xiàn)象；當(dāng)I=153 A時(shí)，導(dǎo)線發(fā)生熔斷現(xiàn)象。根據(jù)導(dǎo)線斷路電弧發(fā)生機(jī)理，導(dǎo)線最后1根線芯熔斷將發(fā)生斷路電弧，用相機(jī)記錄導(dǎo)線發(fā)生熔斷時(shí)斷路電弧發(fā)光瞬間，記為導(dǎo)線熔斷時(shí)間點(diǎn)。對(duì)I為153～238 A過(guò)電流條件下導(dǎo)線熔斷時(shí)間統(tǒng)計(jì)，如圖5所示。由圖5可知，隨電流增加，導(dǎo)線平均熔斷時(shí)間整體呈下降趨勢(shì)，平均熔斷時(shí)間由66 s降至16 s；當(dāng)I為153～170 A時(shí)，下速度最快；當(dāng)I為170～238 A時(shí)，下降速度緩慢。電流趨膚性使多芯導(dǎo)線最外圈線芯溫度高于內(nèi)圈線芯溫度，且外圈線芯溫度高于絕緣層，外圈線芯對(duì)絕緣層與內(nèi)圈線芯同時(shí)進(jìn)行熱傳導(dǎo)，當(dāng)線芯溫度大于銅的熔點(diǎn)，導(dǎo)線在重力作用下發(fā)生熔斷，使導(dǎo)線平均熔斷時(shí)間出現(xiàn)梯度現(xiàn)象。

圖5 不同過(guò)電流時(shí)導(dǎo)線熔斷時(shí)間

對(duì)裸露多芯銅導(dǎo)線進(jìn)行過(guò)電流實(shí)驗(yàn)，并在通電10 s時(shí)進(jìn)行紅外拍攝，得到不同過(guò)電流值裸露多芯銅導(dǎo)線表面溫度如圖6所示。由圖6可知，隨電流值增加，表面溫度升高，當(dāng)電流為153，170，187，204，221，238 A時(shí)，線芯表面最高溫度分別為289.4 ℃，418.0 ℃，485.3 ℃，606.3 ℃，694.1 ℃，801.1 ℃。裸露多芯銅導(dǎo)線表面溫度分布如圖7所示。由圖7可知，多芯銅導(dǎo)線過(guò)電流時(shí)導(dǎo)線最外層線芯溫度最高；靠近線芯內(nèi)部溫度較低。

圖6 通電第10 s時(shí)不同過(guò)電流值裸露多芯銅導(dǎo)線表面溫度

圖7 裸露多芯銅導(dǎo)線過(guò)電流表面溫度分布示意

假設(shè)發(fā)生過(guò)電流時(shí)，外圈線芯發(fā)熱，忽略內(nèi)部線芯電流作用。研究電流值與導(dǎo)線溫度關(guān)系，分析該條件下導(dǎo)線熔斷電流值，并根據(jù)形狀因子法進(jìn)行計(jì)算，如式(1)～(2)所示：

(1)

(2)

式中：r為多股導(dǎo)線中單根線芯半徑，m；r1為最外層線芯理想等溫面半徑，m；R表示整根導(dǎo)線半徑，m；T為簡(jiǎn)化后絕緣層單位長(zhǎng)度熱阻，Ω；λ為材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(K· m)；S為形狀因子；n′為圖8中小圓個(gè)數(shù)。因簡(jiǎn)化假設(shè)并考慮電流趨膚效應(yīng)，n′=12，即最外圈線芯股數(shù)。

圖8 形狀因子法

為建立相對(duì)理想化條件，簡(jiǎn)化導(dǎo)線過(guò)電流傳熱模型并作如下假設(shè)：

1)單一成分假設(shè)：將導(dǎo)線絕緣層視為純PVC物質(zhì)，忽視雜質(zhì)或添加劑影響；

2)常物性假設(shè)，即線芯與絕緣層熱物理參數(shù)(如密度、熱導(dǎo)率、電阻值等)與溫度無(wú)關(guān)，且整個(gè)過(guò)程保持恒定不變；

3)導(dǎo)線筆直且足夠長(zhǎng)，僅存在徑向溫差；

4)忽略線芯內(nèi)部熱傳遞過(guò)程，同時(shí)刻導(dǎo)線所有股芯間不存在溫度梯度，溫度瞬間達(dá)到相同且保持恒定；

5)忽略導(dǎo)線銅制線芯與絕緣間接觸熱阻。

將多芯銅導(dǎo)線過(guò)電流故障視為有內(nèi)熱源的一維徑向熱傳導(dǎo)過(guò)程，導(dǎo)線熱擴(kuò)散方程如式(3)所示：

(3)

邊界條件如式(4)～(5)所示：

(4)

T(r2)=Ts

(5)

式中：qs為絕緣外表面處傳熱速率，W；r2為絕緣層外半徑，m；Ts為絕緣層外表面溫度，K；k為空氣導(dǎo)熱率，W/(m·K-1)。

對(duì)式(3)積分得到溫度分布通解，將邊界條件代入，如式(6)所示：

qs=nqc

(6)

式中：qc為單根線芯發(fā)熱功率，W。

將式(6)代入式(5)得導(dǎo)線平均溫度，如式(7)所示：

Ts=T∞+qcRcond

(7)

(8)

式中：T∞為環(huán)境溫度，K；Rcond為絕緣層單位長(zhǎng)度熱阻，Ω；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)；ε為表面發(fā)射率。

當(dāng)I=136 A時(shí)，線芯溫度接近銅的熔點(diǎn)；當(dāng)I=153 A時(shí)，線芯平均溫度遠(yuǎn)大于銅的熔點(diǎn)，因此，只有當(dāng)I≥153 A才能使導(dǎo)線熔斷，與試驗(yàn)結(jié)果一致，即認(rèn)為多芯銅導(dǎo)線在過(guò)電流故障時(shí)主要由外圈線芯發(fā)熱導(dǎo)致線芯熔斷。

2.2 導(dǎo)線絕緣熱解燃燒現(xiàn)象分析

當(dāng)I=153 A時(shí)，5組試驗(yàn)導(dǎo)線均發(fā)生熔斷現(xiàn)象，如圖9所示。以其中1組為例，過(guò)電流條件下，24 s時(shí)導(dǎo)線絕緣受熱起泡，開始產(chǎn)生熱解氣體；28.3 s時(shí)絕緣開始部分熔融脫落，熱解氣體釋放速率最快；30.2 s時(shí)仍有少量絕緣附著在線芯上釋放熱解氣體，熱解氣體明顯減少；31.2 s時(shí)導(dǎo)線發(fā)生熔斷，線芯周圍幾乎無(wú)熱解氣體；32.5 s時(shí)導(dǎo)線跌落斷成數(shù)段。

圖9 導(dǎo)線熔斷現(xiàn)象

當(dāng)I=204 A時(shí)，5組試驗(yàn)導(dǎo)線均發(fā)生熔斷，斷路電弧引燃周圍熱解氣體發(fā)生燃燒，如圖10所示。以其中1組為例，過(guò)電流條件下，17 s時(shí)導(dǎo)線絕緣開始產(chǎn)生熱解氣體；19.1 s時(shí)絕緣成熔融狀即將脫落，產(chǎn)生大量熱解氣體；20.5 s時(shí)導(dǎo)線發(fā)生熔斷，產(chǎn)生斷路電弧引燃熱解氣體，在熔斷點(diǎn)出現(xiàn)弧光與火光混合發(fā)光現(xiàn)象；21.3 s時(shí)導(dǎo)線跌落，整根跌落導(dǎo)線均在燃燒，并產(chǎn)生大量黑色煙氣；28.7 s時(shí)燃燒基本結(jié)束。

圖10 導(dǎo)線熔斷絕緣燃燒現(xiàn)象

過(guò)電流開始后，聚氯乙烯絕緣受線芯熱作用開始熱解，帶有絕緣護(hù)套導(dǎo)線燃燒前期先出現(xiàn)熱解，為燃燒提供適宜條件[16-17]。絕緣熱解第1階段溫度為240 ℃，熱解釋放大量氣體；絕緣熱解第2階段溫度為420 ℃，以絕緣揮發(fā)為主；絕緣熱解第3階段溫度為680 ℃，熱解后的炭化區(qū)域小范圍燃燒；導(dǎo)線熔斷溫度約1 083 ℃，導(dǎo)線熔斷時(shí)間與絕緣熱解第1、2階段結(jié)束時(shí)間存在一定時(shí)間差。當(dāng)153 A≤I≤187 A時(shí)，絕緣熱解第1階段已經(jīng)基本結(jié)束，不再釋放大量熱解氣體，且空氣中可燃?xì)怏w濃度不足以被斷路電弧引燃，此時(shí)導(dǎo)線發(fā)生熔斷但絕緣不燃燒；當(dāng)204 A≤I≤238 A時(shí)，導(dǎo)線升溫速率加快，導(dǎo)線熔斷時(shí)絕緣仍處于第1階段或正在向第2階段過(guò)渡，絕緣熱解釋放大量熱解氣體，且在熔斷產(chǎn)生斷路電弧時(shí)，熱解氣體濃度可以被斷路電弧引燃，此時(shí)導(dǎo)線發(fā)生熔斷且絕緣燃燒。

2.3 導(dǎo)線燃燒火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象分析

當(dāng)導(dǎo)線熔斷后引燃周圍熱解氣體燃燒時(shí)，火焰前沿傳播現(xiàn)象如圖11所示。導(dǎo)線熔斷瞬間，部分熱解氣體被引燃，火焰由熔斷點(diǎn)蔓延至導(dǎo)線兩側(cè)，整根導(dǎo)線出現(xiàn)明火燃燒。

圖11 絕緣燃燒火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象

以每秒1 000幀拍攝頻率對(duì)燃燒現(xiàn)象進(jìn)行錄制，利用視頻截幀技術(shù)提取相鄰兩幀圖像，標(biāo)注火焰前沿位置，火焰前沿傳播現(xiàn)象如圖12所示。計(jì)算圖像中火焰前沿經(jīng)過(guò)單位像素長(zhǎng)度，并換算為實(shí)際長(zhǎng)度(50 mm實(shí)際長(zhǎng)度=2.8單位像素長(zhǎng)度)，得到不同過(guò)電流條件下絕緣燃燒線速率，對(duì)數(shù)據(jù)求平均值得到火焰?zhèn)鞑ニ俣龋姳?，不同電流值對(duì)應(yīng)火焰?zhèn)鞑ニ俣热鐖D13所示。當(dāng)I為204～238 A發(fā)生過(guò)電流故障時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S電流增大而減小，由204 A的2.2 m/s下降至238 A的0.6 m/s。

圖12 火焰前沿傳播現(xiàn)象

圖13 火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

表2 絕緣燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

圖14 火焰?zhèn)鞑ツＰ图皽囟确植?/p>

此時(shí)熱解產(chǎn)物質(zhì)量流量用Arrhenius方程表示，如式(9)所示：

(9)

此時(shí)，有式(10)：

(10)

根據(jù)邊界條件，將絕緣燃燒火焰?zhèn)鞑シ殖?個(gè)區(qū)域：1)引燃區(qū)域，線芯受火焰直接作用。2)熱解區(qū)域，火焰前沿還未到達(dá)，絕緣僅發(fā)生熱解、不燃燒。

對(duì)于引燃區(qū)域(0

(11)

(12)

對(duì)于熱解區(qū)域(L/2

(13)

式中：hp為絕緣層換熱系數(shù)，W/m2·K-1。將式(13)代入式(10)，引入邊界條件，得到方程通解如式(14)所示：

(14)

其中，有式(15)：

(15)

根據(jù)該模型假設(shè)，導(dǎo)線線芯及絕緣等相關(guān)物質(zhì)熱物性參數(shù)視為常數(shù)，即不同實(shí)驗(yàn)組僅電流值不同，分別為204，221，238 A。綜上，導(dǎo)線絕緣熱解質(zhì)量與電流呈正向相關(guān)函數(shù)關(guān)系，且隨過(guò)電流程度增大，絕緣熱解質(zhì)量流呈跳躍式增長(zhǎng)。在熔斷發(fā)生、產(chǎn)生斷路電弧引燃前，過(guò)電流程度加強(qiáng)有更多絕緣熱解通過(guò)擴(kuò)散逸失，使熔斷發(fā)生時(shí)線芯周圍預(yù)混氣體濃度更低，從而在出現(xiàn)明火蔓延時(shí)，高過(guò)電流值條件下熱解區(qū)域處于低質(zhì)量流密度。此時(shí)火焰徑向傳播可視為引燃區(qū)域向熱解區(qū)域傳播過(guò)程，受質(zhì)量流變化產(chǎn)生區(qū)域傳播變化，所以火焰蔓延速度隨過(guò)電流值增大而減小。在理論層面闡述多股銅導(dǎo)線發(fā)生絕緣燃燒時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣纫?guī)律，印證試驗(yàn)宏觀現(xiàn)象。

3 結(jié)論

1)當(dāng)I=136 A時(shí)，導(dǎo)線不會(huì)發(fā)生熔斷，當(dāng)高溫線芯直接接觸周圍可燃物時(shí)引發(fā)火災(zāi)。

2)當(dāng)I=153 A時(shí)，導(dǎo)線發(fā)生熔斷，熔斷后不會(huì)引發(fā)導(dǎo)線燃燒，只有斷開后高溫線芯接觸到下方可燃物后，方可引發(fā)火災(zāi)，且熔斷時(shí)間隨過(guò)電流增大而縮短，由153 A時(shí)66 s降至238 A時(shí)16 s。

3)當(dāng)I=204 A時(shí)，導(dǎo)線發(fā)生熔斷，熔斷后斷路電弧引燃周圍熱解氣體，火焰前沿迅速蔓延至導(dǎo)線兩端，平均火焰前沿傳播速度達(dá)2.2 m/s，明火平均持續(xù)燃燒時(shí)間達(dá)8.2 s，整根導(dǎo)線無(wú)需外界可燃物，即可發(fā)生明火燃燒。