一種電弧引燃電纜的電氣火源模擬方法

劉旭暉， 朱振宇， 郭玥， 靖子洋， 吳淑群， 張潮海

(南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇 南京 211106)

0 引言

近年來，因電纜線路過載、短路、漏電等問題引起的火災(zāi)頻發(fā)，給人民生命財產(chǎn)安全帶來巨大威脅。例如，2019年，重慶某500 kV變電站內(nèi)電纜溝發(fā)生電纜火情造成線路跳閘，西南電網(wǎng)與華中電網(wǎng)解列，損失電力148萬kW；2018年，南京某10 kV線路電纜因缺陷導(dǎo)致絕緣擊穿，擊穿后接地點存在較大電容電流，引發(fā)大電流電弧，從而引起火災(zāi)導(dǎo)致變電站失電，其故障電弧的能量約為12.8～126 kJ。此外，據(jù)我國消防部門統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)[1]，2006年—2015年，電氣火災(zāi)約占我國全部火災(zāi)的30%，其中，由于電氣線路故障引起的火災(zāi)占比72%，城市火災(zāi)中亦有2/3以上是由電線、電纜燃燒引起的[2]?，F(xiàn)有防火工作主要集中于電纜通道內(nèi)被動式防火措施典型布置和主動式選點采用，但對防火措施通道防火效果論證不足，防火成效難以達到預(yù)期。模擬電纜燃燒是預(yù)測火災(zāi)危險性的基礎(chǔ)，也是評估電纜燃燒特性最直接有效的手段，能夠更有效地預(yù)防電纜火災(zāi)的發(fā)生。

通常引燃電纜是由內(nèi)部因素和外部因素綜合作用導(dǎo)致，引燃電纜的火源可分為電弧引燃和燃燒物引燃。目前，電纜行業(yè)內(nèi)已開展電纜火情模擬相關(guān)試驗，火源模擬方法(用實驗的方法模擬電纜火災(zāi)的火源)主要有以下4種[3]：(1) 依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)，對電纜進行燃燒測試時，采用燃?xì)鈬姛裟M火源，加本生燈[4—8]，帶型噴燈[9—12]等；(2) 使用輻射裝置(如輻射爐、錐形測量儀等)對電纜進行熱輻射模擬火源[13—17]；(3) 利用電熱絲纏繞電纜通電加熱引燃電纜，模擬火源[18]；(4) 用油盤裝上燃油后點燃燃油，模擬火源[19—20]。上述電纜引燃的火源模擬方法能夠較好地模擬燃燒物引燃，但難以模擬電纜發(fā)生電弧故障引發(fā)火災(zāi)的電弧引燃，具體表現(xiàn)如下：(1) 電纜故障電弧的溫度接近10 000 K，甚至可達30 000 K，遠高于上述火源溫度；(2) 電纜故障電弧的作用面積小，能量釋放集中，遠小于上述火源面積。當(dāng)上述火源模擬方法較難反映故障電弧引燃特點時，對電纜火情蔓延規(guī)律及防火性能評估研究會造成較大影響。因此，亟需研究一種基于電弧引燃的火源模擬方法，具備火源溫度高、受熱面積小的特點。

針對電纜護套懸浮電壓異常引發(fā)火災(zāi)，文中分析了電纜護套懸浮電壓，實驗對比研究了外護套損壞情況下電弧與雅各布天梯電弧的電擊穿與維持特性，提出了一種電弧引燃電纜的電氣火源模擬方法，并成功引燃了110 kV電纜。

1 電纜感應(yīng)電壓計算理論

電弧引燃電纜通常分為2種情況。一是電纜本體絕緣擊穿或接頭爆炸引發(fā)火災(zāi)，主要原因有電纜絕緣受損、絕緣老化、本體及附件質(zhì)量不合格、施工工藝不良等；二是電纜護套懸浮電壓異常引發(fā)火災(zāi)，主要原因為接地系統(tǒng)失效、接地方式錯誤導(dǎo)致電纜護套對地持續(xù)放電。文中主要對電纜護套懸浮電壓異常進行分析。電力電纜金屬護層上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓主要是指電容耦合、電感耦合、電導(dǎo)耦合產(chǎn)生的感應(yīng)電壓之和[21]。電容耦合是由于電纜處于外面帶電體的電場中，因此主要受電場影響。電感耦合主要是由于周邊電纜中的電流交變產(chǎn)生了交變的磁場，當(dāng)這個交變的磁場耦合到目標(biāo)電纜上時，使得目標(biāo)電纜上產(chǎn)生了感應(yīng)電壓。電導(dǎo)耦合通常是指電纜接地處電流漏泄入地，在電流流入地點附近地電位升高形成了感應(yīng)電壓。

1.1 電容耦合感應(yīng)電壓

圖1為64/110 kV 交聯(lián)聚乙烯(cross linked polyethylene，XLPE)電纜模型。線芯導(dǎo)體屏蔽與絕緣屏蔽層、金屬護層與地(或石墨外電極)間等效為C1，C2的同軸圓柱形電容，兩者串聯(lián)，金屬護層作為電容的一個極板，懸浮電壓U2為電容C2上電壓，線芯對地電壓即相電壓U0為64 kV。電纜參數(shù)：線芯半徑11.9 mm，即R1=11.9 mm；絕緣層厚度17.5 mm，即R2=29.4 mm；金屬護層厚度2 mm，即R3=31.4 mm；護套厚度4 mm，即R4=35.4 mm。

圖1 單相電纜完全懸空計算模型

XLPE的相對介電常數(shù)εr1=4.3；聚氯乙烯(polyvinyl chloride，PVC)的相對介電常數(shù)εr2=5.5；空氣介電常數(shù)ε0=8.85；水泥相對介電常數(shù)εr3=1.7；水泥厚2 mm，即R5=37.4 mm。線芯導(dǎo)體與XLPE絕緣屏蔽層之間電容C1為：

(1)

式中：l為電纜長度。

金屬護層與地之間電容值C2的計算公式為：

(2)

考慮電纜PVC護套表面接地和放置在2 mm的水泥板上再接地2種情況。

當(dāng)電纜PVC護套表層直接接地時，金屬護層懸浮電壓U2為：

(3)

當(dāng)電纜PVC護套間隔2 mm水泥接地時，水泥與地之間電容C3的計算公式為：

(4)

C2與C3的串聯(lián)電容為：

老爸都低聲下氣這份上了，再不給面子就說不過去了，再怎么說老爸也是為他的前途著想，所以何西就坡下驢：“那咱可說好了，要是因為我不同意，那位再跟權(quán)箏似的有個三長兩短的，您可別賴我？”

(5)

故間隔水泥接地時金屬護層懸浮電壓U2為：

(6)

上述計算表明，110 kV電纜單相接地被盜后的電容耦合感應(yīng)電壓可達數(shù)千伏。該結(jié)果與文獻[22]計算結(jié)果接近，即220 kV線路中A相接地線被盜，A相整條電纜金屬護層完全懸空，金屬護層懸浮電壓理論值為5 866 V。另外，文獻[23—24]分析了110 kV高壓單芯電纜的金屬護層感應(yīng)電壓，當(dāng)某段電纜兩側(cè)的直接接地線或交叉互聯(lián)線均被盜時，其護層感應(yīng)電壓將上升至數(shù)十千伏，極易引發(fā)故障電弧。實際上，由于實際電纜護套接地并不完全良好，所以文中金屬護層對地電容C2通常小于理論值，故實際感應(yīng)電壓值一般應(yīng)大于理論計算值。

1.2 電感耦合感應(yīng)電壓

依據(jù)文獻[24]提出的多回路單芯電纜金屬護層感應(yīng)電壓的簡單計算方法，對于雙回路三相并列的電纜線路，A相芯的感應(yīng)電壓簡單計算公式為：

(7)

式中：Rs為電纜對參考導(dǎo)線的幾何平均半徑；I為線纜電流有效值；ω為角頻率；s為AB相間距；n為AC相間距；q為Ab相間距，γ為Ac相間距；p為Aa相間距。假定電流為750 A，電纜長度為400 m，三相雙回路排列的A相護層感應(yīng)電壓為45.03 V，約為112.5 V/km[25]。文獻[26—29]研究了適用于并聯(lián)運行的電纜護套感應(yīng)電壓，發(fā)現(xiàn)雙回三相水平排列ABCcba的護套感應(yīng)電壓最大約180 V/km。由此可見，電感耦合感應(yīng)電壓要遠低于接地線被盜時的電容耦合感應(yīng)電壓。

1.3 電導(dǎo)耦合感應(yīng)電壓

當(dāng)電纜發(fā)生接地故障時，故障點的電壓即為電導(dǎo)感應(yīng)電壓，接地電阻R一般不大于4 Ω，110 kV輸電線路電流一般為600～1 200 A。考慮線路電流為1 200 A，則感應(yīng)電壓不大于4.8 kV。

綜上分析，110 kV電纜發(fā)生故障時，金屬鎧裝層上的感應(yīng)電壓可達10 kV以上，若同時PVC護套存在破損，則極易產(chǎn)生故障電弧，引燃電纜并導(dǎo)致火災(zāi)。

2 金屬護層對地電弧模擬

2.1 實驗平臺

由上述理論分析可知，在發(fā)生接地故障的情況下，電纜的金屬鎧裝層可能會出現(xiàn)高達數(shù)千伏的懸浮感應(yīng)電壓。若電纜PVC護套存在破損，則該懸浮電壓作用下可能會發(fā)生擊穿，并形成電弧。為模擬電纜護套受損后，金屬鎧裝層由于感應(yīng)電壓過高從而對地發(fā)生電弧放電的現(xiàn)象，文中搭建了如圖2(a)所示的簡易實驗平臺，在外護套上鉆孔至金屬護層，并于孔上方放置一接地平板電極模擬電纜接地。實驗首先采用了50 Hz大型交流電源測試電弧擊穿前電壓。由于50 Hz交流電源體積和重量較大，難以移動和調(diào)節(jié)，不適用于工程現(xiàn)場測試，因此也采用了20 kHz小型交流電源進行對比測試。圖2(b)為20 kHz小型交流電源下產(chǎn)生的維持電弧。實驗平臺所用電纜型號為YJLW02-64/110 kV，孔深5 mm。高壓電極直接接交流電源，平板電極直接接地。高壓探頭連接高壓電極，型號為Tektronix P6015A，示波器型號為Tektronix MDO3034。

圖2 金屬護層對地電弧模擬

2.2 實驗結(jié)果

圖3為2種電源(頻率為50 Hz和20 kHz)金屬護層對地的電弧擊穿前電壓和維持電壓波形。50 Hz情況下，電弧擊穿前電壓波形為近似正弦波，擊穿前電壓幅值為8～9 kV；擊穿后電壓波形發(fā)生畸變，正弦波頂部發(fā)生凹陷，電弧維持電壓幅值為0.75 kV。20 kHz情況下，電弧擊穿前電壓波形近似正弦，其電壓幅值為6.5～7 kV；擊穿后電壓波形存在畸變，電弧維持電壓幅值為0.74 kV。

圖3 頻率為50 Hz和20 kHz時金屬護層對地的電弧擊穿前電壓和維持電壓波形

通過對比頻率為50 Hz和20 kHz 2種電源情況下電弧擊穿與維持特性，發(fā)現(xiàn)兩者的電弧擊穿前電壓均為數(shù)千伏，表明當(dāng)發(fā)生單相接地線被盜故障或?qū)Φ囟搪返裙收虾?，金屬護層上的感應(yīng)電壓為數(shù)千伏，很有可能導(dǎo)致故障電弧。另外，雖然頻率為20 kHz情況下電弧擊穿前電壓幅值較工頻50 Hz情況下的電弧電壓幅值低1～2 kV，但兩者電弧維持電壓十分相近。由于電纜成功引燃需要電弧維持一段時間以保證足夠的熱量注入，所以電弧維持特性對電纜引燃尤為重要。因此，從電弧維持角度看，可用20 kHz小型交流電源替代工頻交流電源來產(chǎn)生模擬電纜故障的電弧。

3 雅各布天梯電弧

雖然通過對電纜護套鉆孔并施加交流高壓可以一定程度地模擬故障電弧，但是該過程需要損壞電纜，每次實驗前均需在電纜表面鉆孔，且鉆孔形狀難以控制，導(dǎo)致實驗可重復(fù)性較差，操作較繁瑣。為簡化上述步驟，在保證電弧維持特性一致的情況下，引入雅各布天梯電弧替代外護套鉆孔引弧。雅各布天梯是2根呈羊角形的管狀電極，當(dāng)電極上施加高壓時，電極底部空氣擊穿產(chǎn)生電弧，在電磁力的作用下可向上運動至電極頂端，因此其制作十分簡便，將2根電極固定并彎曲75°～85°即可，且只要有高壓輸入便能反復(fù)產(chǎn)生電弧，并重復(fù)使用。圖4為雅各布天梯電弧。調(diào)節(jié)天梯頂端間距能改變電弧尺寸和電弧維持電壓，調(diào)節(jié)輸入電源能夠調(diào)節(jié)電弧功率。

圖4 天梯電弧

文中對頻率為50 Hz和20 kHz電源作用下、頂端間距為5 mm的天梯電弧的維持電壓進行測量。圖5為電源頻率分別為50 Hz和20 kHz時雅各布天梯電弧的維持電壓波形。50 Hz時電弧維持電壓波形與模擬金屬護層對地電弧電壓波形類似，且幅值為0.74 kV。20 kHz時天梯電弧維持電壓波形畸變較小，類似正弦波，幅值為0.75 kV。

圖5 2種頻率下的電弧維持電壓波形

對電極間距6 mm，10 mm，12 mm的雅各布天梯電弧維持電壓分別進行測試，得到了不同電源頻率、不同電弧結(jié)構(gòu)和不同電極間距下的電弧擊穿前電壓和維持電壓，如表1和表2所示。

表1 50 Hz電源下電弧電壓幅值

表2 20 kHz電源下電弧電壓幅值

相同電極間距下，模擬金屬護層對地電弧維持電壓與雅各布天梯電弧維持電壓相近，且電源頻率對電弧維持電壓影響較小，即20 kHz小型交流電源產(chǎn)生的電弧電壓與工頻故障電弧電壓是相近的。隨著電極間距的增大，2種頻率下的電弧維持電壓均顯著升高，表明電極間距是影響電弧維持電壓的主要因素。另外，通過控制雅各布天梯電弧的維持時間和注入功率，可以調(diào)節(jié)電弧能量，由此能夠接

近真實電纜的故障電弧能量。

本質(zhì)上，電纜故障電弧引發(fā)火災(zāi)是由于發(fā)生故障時電弧溫度高，能量大，迅速灼燒電纜護套產(chǎn)生火焰，同時護套會發(fā)生熱解，產(chǎn)生可燃性氣體并進一步燃燒。因此，文中提出利用雅各布天梯電弧直接施加在電纜護套表面，通過調(diào)節(jié)電弧施加時間與功率，以達到與真實故障電弧作用能量相近的目的，從而模擬電纜故障電弧引發(fā)的電纜火災(zāi)。

4 電弧引燃電纜

為了驗證所提電弧火源模擬方法實際引燃電纜的可行性，在室外搭建如圖6所示的電纜引燃實驗平臺，整個電氣火源模擬裝備小于20 kg，所用設(shè)備及電纜與2.1節(jié)中相同。雅各布天梯設(shè)置頂端電極間距為20 mm，施加電弧火源時間為8 min[3]。

圖6 天梯電弧引燃電纜實驗電路示意

天梯電弧引燃電纜過程的電壓、電流波形如圖7所示。電弧電壓有效值為1.8 kV，電流有效值為67.4 mA，電流滯后電壓7.83°。由于施加電弧時間為8 min，電弧能量為57.69 kJ，與實際故障電弧能量較為符合，因此從電弧能量角度考慮，該方法可通過控制施加電弧時間，一定程度地模擬故障電弧的能量。

圖7 天梯電弧引燃電纜過程中電壓和電流波形

電弧引燃電纜情況如圖8(a)所示。隨著電弧施加時間的增加，電纜逐漸被引燃。在啟動電弧至62 s后，側(cè)面火焰爬升至電纜直徑約1/4處； 98 s后，側(cè)面火焰達電纜直徑1/2處；280 s后，火焰高度與電纜直徑相當(dāng)，并沿電纜軸向蔓延；472 s時火焰更加旺盛，火焰高度接近2倍電纜直徑。圖8(b)展示了燃燒后的電纜表面，在電弧施加位置處可以明顯觀察到電纜護套被完全破壞，里面的金屬護層裸露清晰。另外該位置附近較大范圍均有明顯燒蝕痕跡，表明了該電弧火源模擬方法能夠?qū)崿F(xiàn)110 kV電纜引燃并使火焰蔓延。

圖8 電弧引燃電纜實驗

5 結(jié)語

文中分析了電纜金屬鎧裝層的懸浮電壓，提出了高頻雅各布天梯電弧作為模擬故障電弧引燃電纜的電氣火源方法，并實驗驗證了該方法能夠有效引燃110 kV電纜。該電弧的功率和維持時間容易調(diào)節(jié)，裝置簡易，移動性較強，且不會引入其他化學(xué)雜質(zhì)，方便定量進行燃燒特性的測試和分析，對了解故障電弧下引發(fā)電纜火災(zāi)行為及防火性能評估具有重要意義。

本文得到國網(wǎng)江蘇省電力有限公司科技項目(J2020032)資助，謹(jǐn)此致謝！