王學(xué)寶，楊 洋

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

0 前言

隨著我國(guó)工業(yè)化水平的提高，作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展基礎(chǔ)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(hù)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(shè)密集的場(chǎng)所，一旦發(fā)生火災(zāi)，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(jì)損失?；馂?zāi)事故調(diào)查資料顯示，我國(guó)每年因電線電纜引發(fā)的火災(zāi)占所有電氣火災(zāi)的50%以上［1-2］。電線電纜火災(zāi)除了會(huì)造成直接火災(zāi)損失外，還會(huì)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(huì)使人窒息、中毒，而且會(huì)生成強(qiáng)酸性霧，對(duì)機(jī)器設(shè)備和建筑結(jié)構(gòu)造成腐蝕，嚴(yán)重降低設(shè)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(zāi)事故發(fā)生頻繁，危害性大，電線電纜防火工作及其火災(zāi)特性的研究已引起人們的重視。然而，就目前的情況來(lái)看，大部分研究工作集中在低煙無(wú)鹵阻燃線纜和耐火線纜的開(kāi)發(fā)和選用等方面［6-9］，對(duì)電線電纜火災(zāi)特性的研究和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行的［10-18］，而對(duì)電線電纜在自身過(guò)載、短路等內(nèi)因作用下的火災(zāi)特性的研究卻很少。其中，對(duì)電線電纜在過(guò)載條件下的煙氣釋放規(guī)律的研究國(guó)內(nèi)外還未見(jiàn)報(bào)道。

本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)目前我國(guó)民用建筑中常用的普通電線處于過(guò)載狀態(tài)下的發(fā)煙規(guī)律進(jìn)行初步的研究，對(duì)過(guò)載電流、導(dǎo)體材料、標(biāo)稱截面和電線軟硬類型等條件對(duì)電線過(guò)載時(shí)煙氣釋放規(guī)律的影響進(jìn)行探討。

1 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)用電線的規(guī)格Tab.1 Types of cable for the experiment

1.2 主要設(shè)備及儀器

升流器，SL-1000，天津市新科華電力電器設(shè)備有限公司；

交流電鉗型電表，F(xiàn)LUKE312，美國(guó)Fluke公司；

紅外測(cè)溫儀，AR872S，香港?，攦x器儀表有限公司；

煙密度測(cè)試儀，YM-3，南京上元分析儀器廠。

1.3 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

電線試樣長(zhǎng)度為110cm，兩端各剝?nèi)ゼs5cm絕緣層。

電線過(guò)載煙密度測(cè)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(guò)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(yīng)保持100cm的有效長(zhǎng)度；通過(guò)煙密度儀測(cè)試電線在環(huán)境溫度為25℃，明敷過(guò)載時(shí)的煙密度；最大煙密度值按照GB／T 8627—1999進(jìn)行測(cè)定；

溫度的測(cè)定：利用紅外測(cè)溫儀測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)電線外層絕緣材料表面的溫度。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同倍數(shù)的過(guò)載電流對(duì)電線過(guò)載發(fā)煙的影響

取標(biāo)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(guò)載狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，過(guò)載電流對(duì)電線煙氣釋放影響顯著。電線在過(guò)載條件下，產(chǎn)生的煙氣對(duì)光源的吸收率隨過(guò)載電流的增大而增大，開(kāi)始發(fā)煙的時(shí)間隨過(guò)載電流的增大而提前。其中，在測(cè)試時(shí)間內(nèi)，通以4倍額定電流的電線最終達(dá)到的最大煙密度值最大，達(dá)41.67%，測(cè)試開(kāi)始約40s后就可見(jiàn)煙氣產(chǎn)生。測(cè)試結(jié)束時(shí)，整條電線的絕緣護(hù)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(dá)到的最大煙密度值最小，只有8%，且整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，只見(jiàn)少量煙氣產(chǎn)生，除導(dǎo)線溫度升高外，無(wú)明顯外觀變化。

圖1 通過(guò)不同倍數(shù)的額定電流時(shí)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(guò)載條件下，線芯發(fā)熱超過(guò)正常的工作溫度，導(dǎo)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(guò)電流的增大，電線的發(fā)熱功率也逐漸增大，所能達(dá)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(cè)試過(guò)程中最高溫度達(dá)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(guò)載電流越大，電線越容易產(chǎn)生有毒煙氣。

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

2.2 不同導(dǎo)體材料對(duì)電線過(guò)載發(fā)煙的影響

取標(biāo)稱截面為4mm2的BV和BLV電線試樣，分別測(cè)試二者在通過(guò)其3倍額定電流時(shí)的煙密度，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可看到，在通過(guò)相同倍數(shù)過(guò)載電流時(shí)，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(dá)到13%。測(cè)試開(kāi)始較長(zhǎng)時(shí)間后，兩者才有煙氣產(chǎn)生，并且2種電線產(chǎn)生的煙氣對(duì)光源的吸收率均以較接近的增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。測(cè)試結(jié)束后，2種電線的絕緣材料均無(wú)明顯外觀變化。

圖2 不同導(dǎo)體材料的電線過(guò)載時(shí)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(guò)載時(shí)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(guò)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(guò)對(duì)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(rèn)為電線的表面溫度與線芯相同［19］。在實(shí)驗(yàn)時(shí)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(yuǎn)大于向環(huán)境傳遞的熱量。因此，可以近似地認(rèn)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(jì)算得到。

式中 Ⅰ——電流（25℃時(shí)，標(biāo)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(zhǎng)度，m

S——電線截面積，mm2由式（1）可知，銅線的熱功率計(jì)算為（為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，電流和電線電阻都是常數(shù)，下同）：

銅線通過(guò)的電流Ⅰ＝3Ⅰ0＝126A；銅線的電阻率ρ＝0.01851Ω·mm2／m；長(zhǎng)度L＝1m；截面積S＝4mm2，得：

鋁線的熱功率計(jì)算為：

鋁線通過(guò)的電流Ⅰ＝3Ⅰ0＝96A，鋁線的電阻率ρ＝0.02940Ω·mm2／m；長(zhǎng)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(shí)，銅線的熱功率是比導(dǎo)線大的。實(shí)驗(yàn)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(biāo)稱截面對(duì)電線過(guò)載發(fā)煙的影響

分別測(cè)試標(biāo)稱截面為1.5、2.5、4mm2的BV 電線通過(guò)3倍額定電流時(shí)的煙密度，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同標(biāo)稱截面的電線過(guò)載時(shí)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(guò)3倍額定電流時(shí)，隨著電線截面積的增大，其開(kāi)始發(fā)煙的時(shí)間推遲，在測(cè)試時(shí)間內(nèi)，電線最終達(dá)到的最大煙密度值變小。其中，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，1.5mm2BV電線的最大煙密度值達(dá)23.33%，溫度為95.17℃，電線局部的絕緣護(hù)套變黑，線芯外露。

電線通過(guò)電流時(shí)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(shí)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(duì)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(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，近似地認(rèn)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(duì)于單位質(zhì)量的線芯來(lái)說(shuō)，截面積越小，其線芯相對(duì)的比表面積越大，也就是過(guò)載時(shí)小截面電線的絕緣材料會(huì)從線芯吸收更多的熱量，導(dǎo)致更高的溫升。由表3也可以看到，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，線徑越小的電線溫度越高。由此可見(jiàn)，線徑小的電線在過(guò)載時(shí)，更容易產(chǎn)生熱量聚積而導(dǎo)致發(fā)煙，火災(zāi)危險(xiǎn)性更大。

表3 不同標(biāo)稱截面的電線過(guò)載時(shí)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(duì)電線過(guò)載發(fā)煙的影響

分別測(cè)試標(biāo)稱截面為2.5mm2的BV和RV電線通過(guò)3倍額定電流時(shí)的煙密度，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看到，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后75s內(nèi)，RV電線的發(fā)煙量急劇增加，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，其最大煙密度值高達(dá)51.67%，而B(niǎo)V電線在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后前50s，產(chǎn)煙量不大，相比RV電線，其整個(gè)測(cè)試時(shí)間內(nèi)，煙密度曲線增長(zhǎng)比平緩較。

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

標(biāo)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(xì)線組成，BV電線線芯為單根。相比BV電線來(lái)說(shuō)，RV電線線芯的散熱面積要大得多，過(guò)載產(chǎn)熱時(shí)，RV電線線芯向絕緣層傳遞的熱量要多且迅速，導(dǎo)致RV電線絕緣層分解更為劇烈，因此，產(chǎn)煙量更大。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，RV電線的外表溫度高達(dá)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(guò)載時(shí)，相同線徑的軟線比硬線更容易產(chǎn)生有毒煙氣。

3 結(jié)論

（1）電線處于過(guò)載狀態(tài)時(shí)，其絕緣材料的煙氣釋放量隨著過(guò)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(guò)載時(shí)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(guò)載時(shí)更容易產(chǎn)生熱量聚積而導(dǎo)致發(fā)煙，火災(zāi)危險(xiǎn)性更大；

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

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