接地故障引起電力電纜轟燃的機理與監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

湯 峻， 周 飛， 酈君婷， 謝富偉

（1.國網(wǎng)蘇州市供電公司，蘇州 215000；2.南京協(xié)勝智能科技有限公司，南京 211100）

0 引 言

由于人們對城市環(huán)境優(yōu)美的追求和供電可靠性的需求越來越高，同時，電力電纜生產(chǎn)技術(shù)水平提高，電纜應(yīng)用成本下降，城市10 kV 配電網(wǎng)愈來愈多地采用電纜供電。 交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜具有低廉的價格和較高的阻燃性，已成為目前最常用的中壓10 kV 配電網(wǎng)電纜。 試驗證明：當交聯(lián)聚乙烯電纜平放時，將其一端用火焰源加熱，電纜可以燃燒，但當火焰源移開后，燃燒逐漸停止；而當電纜垂直懸掛，若密集排列，在其底部用火焰源加熱至燃燒，火焰源移開后，雖燃燒可以持續(xù)一段時間，但還是逐漸減弱，最終熄滅；只有適當將其間隔排列，火焰源加熱至燃燒，移開火焰源后，電纜才能持續(xù)燃燒。 可見，交聯(lián)聚乙烯材料在通常條件下燃燒時，具有自熄性，屬難燃材料。 一般說來，大多數(shù)電力電纜是水平排列，不具備持續(xù)燃燒的條件，然而，由于單相接地故障而引起的電力電纜轟燃事故卻是時有發(fā)生［1?4］。2020 年 5 月 4 日凌晨 00 ∶02，位于陜西西安高新區(qū)錦業(yè)一路的創(chuàng)業(yè)新大陸地下隧道綜合體工程施工現(xiàn)場內(nèi)電纜橋架起火，造成多條電纜線路故障。 可見，材料的燃燒性能并不能完全代表它在真實火災(zāi)中對火反應(yīng)的行為，因此，有必要開展單相接地故障引燃電力電纜機理的研究，提出相應(yīng)的預(yù)警方法，建立相應(yīng)的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，避免或杜絕電力電纜火災(zāi)事故的發(fā)生。

1 接地故障引燃電力電纜的機理

燃燒是有氧化劑參加的化學(xué)反應(yīng)，交聯(lián)聚乙烯材料的燃燒是一個十分復(fù)雜的過程。 文獻［5］對電纜在火災(zāi)中的燃燒過程和燃燒行為及機理做了深入的研究：交聯(lián)聚乙烯材料從外部熱源獲得熱量時溫度升高，當溫度升高至105 ～115 ℃時，交聯(lián)聚乙烯材料熔融［6］；繼續(xù)加熱，交聯(lián)聚乙烯材料溫度達到熱分解溫度300～510 ℃時［7］，就開始分解并產(chǎn)生揮發(fā)性產(chǎn)物，并“失重”。 根據(jù)交聯(lián)聚乙烯分子的結(jié)構(gòu)和組成，熱分解揮發(fā)物中有甲烷、乙烷、丙烷、甲醛等可燃氣體，和二氧化碳、氮氣等不可燃氣體。 這些可燃性揮發(fā)物從聚合物表面釋放出來，并擴散與空氣中的氧化劑混合，若遇火焰則被點燃，產(chǎn)生有焰燃燒。 燃燒時產(chǎn)生的熱量一部分被燃燒產(chǎn)物和周圍的冷環(huán)境帶走，而另一部分則反饋給聚合物材料表面，使聚合物進一步受熱進行熱降解和熱氧化降解，從而連續(xù)產(chǎn)生可燃性揮發(fā)產(chǎn)物，并擴散到有焰燃燒反應(yīng)區(qū)。 在這燃燒階段，決定其是否繼續(xù)燃燒或逐漸熄滅的因素是燃燒的“凈熱”，即聚合物單位質(zhì)量被反饋（通過熱傳導(dǎo)或是熱輻射）的熱量與加熱單位鄰接聚合物到熱降解并能產(chǎn)生可燃性揮發(fā)物所需要的熱量之差。 凈熱是正值時，則燃燒釋放熱量反供給正在降解的聚合物，使之產(chǎn)生更多的分解產(chǎn)物，最終造成燃燒繼續(xù)進行；凈值是負值時，則燃燒放出的熱量不足以使鄰近聚合物繼續(xù)熔融、熱分解產(chǎn)生揮發(fā)物，離開熱源后燃燒將停止。

根據(jù)交聯(lián)聚乙烯材料絕緣電纜的燃燒機理，聚合物燃燒要經(jīng)過3 個過程：一是從外部熱源獲得熱量，使聚合物溫度升高而熔融；二是聚合物持續(xù)被加熱，當其溫度達到熱分解溫度時，開始分解并產(chǎn)生揮發(fā)性產(chǎn)物，包括可燃性氣體和不可燃性氣體，并“失重”，最后才有火焰點燃可燃性氣體導(dǎo)致電纜的燃燒。 這個過程的前兩個階段都是吸熱過程，需要從聚合物的外部吸收大量的熱量。 當一個火焰源（像單相接地故障點電?。┏掷m(xù)燃燒，點燃了電纜，若電纜是水平布置，由于電纜燃燒的熱量主要通過熱傳導(dǎo)方式傳播、加熱電纜，這些熱量是不足以使尚未燃燒的電纜熔融、并熱分解出揮發(fā)性混合物的，即單靠接地故障點的電弧熱量不能延燃水平放置電纜；若垂直并間隔排列的多根電纜，也由于燃燒火焰熱量傳遞到未燃燒電纜，使其熔融和熱分解可揮發(fā)性混合物的過程需要時間，即聚合物的難燃性，電纜也不可能迅速大范圍的燃燒。 可見，電纜迅速的大范圍延燃應(yīng)該有其他的原因。 如由于電纜中的導(dǎo)體由于長時間過電流加熱了電纜絕緣材料，進而使電纜絕緣材料大面積熔融、并熱分解出可燃性氣體。 我國10 kV 配電網(wǎng)大多采用中性點非有效接地方式，允許帶故障運行2 h，故障電流持續(xù)時間長。 根據(jù)電纜的結(jié)構(gòu)，電纜有比較薄的銅箔屏蔽層，單相接地故障狀態(tài)下零序電流流過銅箔，推斷由于屏蔽層截面積小，零序電流嚴重過流而使電纜絕緣材料長時間預(yù)熱，致使電纜熔融、熱分解出可燃性氣體，當可燃性氣體的濃度達到一定值后，單相接地故障點的電弧引發(fā)瞬間大面積轟燃，形成“電纜火災(zāi)”。 這與文獻［1］的描述實際事件是相符的：“排管或隧道中的電纜，如單相接地時間過長，容易引起可燃性氣體積聚而導(dǎo)致火災(zāi)。 例如某35 kV 電纜在隧道內(nèi)發(fā)生單相接地，60 min后發(fā)展成隧道火災(zāi)，燒毀電纜四十余條，引起嚴重的擴大事故”。 這里說的“60 min 后發(fā)展成隧道火災(zāi)”顯然不是由單相接地故障電弧點逐漸蔓延到整個隧道，而應(yīng)該是“60 min 后很快形成隧道火災(zāi)”，即被點燃的是電纜早已受熱熔融、并熱分解出的揮發(fā)性混合物中的可燃物和空氣中氧氣的混合物。 這里的60 min 應(yīng)該就是發(fā)生單相接地故障后，電纜受熱熔融、并熱分解放出足夠可燃性氣體的時間。 顯然，這個“熱源”應(yīng)該與接地故障電流有關(guān)。 據(jù)此可以推斷接地故障引燃電力電纜的機理應(yīng)該是：由于電纜相屏蔽層中長時間流過接地故障電流，因電流密度過高，電纜導(dǎo)體發(fā)熱熔融了電纜絕緣材料，并進一步熱分解出可燃性氣體，最終被單相接地故障點的電弧點燃。

2 接地故障引燃電力電纜的預(yù)警模型

根據(jù)以上對接地故障導(dǎo)致電力電纜轟燃的機理分析，電纜轟燃的必要條件是大電流流經(jīng)電纜地線、發(fā)熱，并且不斷加熱電纜絕緣材料，致使其熔融、釋放出可燃氣體。 這個過程是一個熱積累過程，由于電纜絕緣材料的單一性，可視為一個均質(zhì)等溫體，由能量守恒定律，物質(zhì)在單位時間內(nèi)發(fā)出的熱功率與其散發(fā)出的熱功率之差等于單位時間物質(zhì)溫度的升高［8?9］，即溫升，得：

3 接地故障引燃電力電纜的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

已有成功采用光纖、光柵在線監(jiān)測電力電纜溫度的案例［10?11］，但這種方法不僅成本高，而且安裝施工不便，尤其像直埋電力電纜，安裝施工幾乎不可能，本工作通過監(jiān)測地線的電流，依據(jù)式（5）模型，間接監(jiān)測運行中電纜的溫升。

實際運行的電纜一般規(guī)定交聯(lián)聚乙烯電力電纜的導(dǎo)體最高持續(xù)工作允許溫度為90 ℃［12］。 為保證電纜的使用壽命，導(dǎo)體溫度不能長時間地超過絕緣材料的長期耐受溫度［13］。 文獻［14］研究得出結(jié)論：以交聯(lián)聚乙烯電纜為例，當其工作溫度超過允許值的8%時，其使用壽命將減半；若其溫度超過允許值的 15% ，電纜壽命將只剩下 1／4［14］。 考慮電力電纜的運行環(huán)境溫度為30 ℃ ，本監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)置60 ℃ 為“輕”預(yù)警值；交聯(lián)聚乙烯電力電纜的導(dǎo)體最高短時暫態(tài)允許溫度250 ℃［12］，及電力電纜的運行環(huán)境溫度為30 ℃ ，再考慮到事件的處理延時，則本監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)置180 ℃ 為“重”預(yù)警值。 以上兩個預(yù)警值是可以根據(jù)實際運行經(jīng)驗進行調(diào)整。

該接地故障引燃電力電纜的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)已在SZH 市供電公司某10 kV 配電網(wǎng)實施。 系統(tǒng)由若干個地線電流監(jiān)測模塊、LORA 通信系統(tǒng)和1 套主站系統(tǒng)組成，見圖1。

圖1 LORA 通信系統(tǒng)和主站系統(tǒng)

每個地線電流監(jiān)測模塊由開合式電流互感器、A／D 模數(shù)轉(zhuǎn)換和LORA 射頻模塊組成，互感器直接套在電纜始、末端的地線上，地線電流經(jīng)A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換后由LORA 射頻模塊將地線電流的測量數(shù)據(jù)傳出。 LORA 射頻模塊與數(shù)據(jù)電臺構(gòu)成LORA 通信系統(tǒng)，考慮LORA 射頻模塊傳輸距離的限制，在幾個相近的變電所、配電所、開閉所、環(huán)網(wǎng)站設(shè)置中繼站。 主站系統(tǒng)與LORA 通信系統(tǒng)通過RS232 接口交互數(shù)據(jù)。 主站系統(tǒng)獲得各地線電流監(jiān)測模塊的實時采集數(shù)據(jù)后，依據(jù)提出的電纜溫升模型，計算出各段電纜的溫升值，并根據(jù)各段電纜的實時測量計算的溫升值為各段電纜發(fā)出“輕”和“重”預(yù)警。

4 結(jié)束語

本工作研究了接地故障導(dǎo)致電纜轟燃的機理。我國10 kV 配電網(wǎng)大多采用中性點非有效接地方式，處理故障時間一般較長，允許2 h。 由于電纜相屏蔽層中長時間流過接地故障電流，因電流密度過高，使之發(fā)熱熔融了電纜的絕緣，并進一步熱分解出可燃性氣體，最終被單相接地故障點的電弧點燃所致。 接地故障導(dǎo)致電纜轟燃是一個熱積累過程，為提高監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)工作的可靠性，本工作建立了熱積累模型，并結(jié)合電力電纜安全運行規(guī)范，以保證電力電纜的使用壽命為目標確定“輕”預(yù)警值，以確保不發(fā)生因接地故障發(fā)生電力電纜轟燃事故為目標確定“重”預(yù)警值。 目前，安裝了監(jiān)測點300 余個，建立了1 個10 kV 配電網(wǎng)的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，確保電力電纜安全運行。