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RVVB导线过电流诱发短路起火及迸溅熔珠特征试验研究

2024-06-06 138 上传者：管理员

摘要：为研究RVVB导线过电流诱发短路故障发生过程和迸溅熔珠典型特征，搭建220 V电压条件下导线过电流诱发短路故障装置，利用视频影像技术分析短路发生过程，统计初次短路发生时间和短路持续时间，收集迸溅熔珠并分析其形貌和典型组织特征。结果表明：导线由内及外受热时，PVC绝缘层发生热解，导线发生初次短路时间与电流值存在指数递减关系。迸溅熔珠根据形貌可分为圆珠状、连接珠状、凹坑状、半珠状、连接半珠状、连接棒状及连接尖状，其金相组织可分为4类。试验结果可为火灾调查提供参考。

关键词：
RVVB导线
电气火灾
短路故障
过电流
迸溅熔珠
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根据统计数据，近年来，我国电气火灾约占火灾总数的28.4%，且超过50%的电气火灾由电线、电缆燃烧导致[1]。随着社会电气化程度不断提高，越来越多的电气设备连接至电气线路中，生活用电不规范、电气线路私拉乱接等问题，可能引起电气线路过负荷、过电压、短路等故障，导致导线内部金属线芯过电流发热[2]。建筑电气线路多为双芯或三芯铜导线，如果此类导线发生过电流故障，线芯产生的高温会使绝缘层发生热解，绝缘能力降低，可能导致零线和相线之间持续击穿放电，引燃绝缘热解产生的可燃性气体，造成火灾事故。如，2018年“8·25”哈尔滨市北龙温泉酒店火灾造成20人死亡、20多人受伤，其原因是管组风机转子卡阻，导致护套导线电流升高，诱发短路而引发火灾，事故调查发现在故障点周围出现大量迸溅熔珠。过电流诱发短路过程涉及线芯发热、绝缘热解、电弧击穿等复杂现象，对过电流诱发短路故障过程及迸溅熔珠特征进行研究具有现实意义。

目前关于RVVB导线（聚氯乙烯绝缘护套扁形铜导线）的研究主要在于不同辐射热对导线短路的影响等方面。Hoffmann等研究了热辐射和火焰作用下带电线路短路故障发生概率、发生时间与高温作用的关系[3];Hagimoto等模拟火灾热辐射，研究了PVC导线两种短路机理故障发生概率[4];Babrauskas研究了PVC导线及设备短路故障引燃情况[5];Shea研究了各种电气线路故障，测得典型短路故障电弧波形图[6];Novak等研究了热辐射作用下非金属护套导线短路故障发生时间与电流电压变化[7];Wang等研究了导线电流对临界热辐射、点燃时间、火焰形貌、烟颗粒、火焰传播速度等的影响[8];Fisher等研究了非金属护套导线短路故障发生时间及其与绝缘电阻关系[9];He等研究了过电流聚氯乙烯导线绝缘层燃烧时火焰蔓延和绝缘滴落行为[10];Tomoyasu等提出非金属护套导线受辐射热作用后，将出现直接短接与电弧短接两种短路机理，并区分了两种短接熔痕[11,12]；吕雪丽等利用高速影像技术研究了单芯铜导线过电流故障的发生过程，并应用金相分析技术分类研究过电流导线断点熔痕的金相组织[13]；杨硕等研究了BVR导线熔断时间及燃烧时火焰传播速度与电流值关系[14]。综上所述，现阶段主要研究RVVB导线在热辐射条件下短路的发生机理、短路时间与电流电压变化。RVVB导线发生过电流诱发短路故障时，线芯持续发热致使热传导过程和绝缘热解更为复杂，电弧发生后，还会引起明火燃烧。本文研究RVVB导线过电流诱发短路故障发生过程和迸溅熔珠典型特征，为火灾调查工作提供参考。

1、试验部分

试验材料为1 mm2RVVB多芯铜导线，由中国正泰有限公司生产。使用剥线钳剥离铜导线外部绝缘层，并使用热分析仪对PVC绝缘层进行热重与吸热分析。过电流诱发短路故障试验装置如图1所示，将RVVB导线截成340 mm，剥去两端各20 mm绝缘层，连接至电气火灾故障模拟装置。试验输出电压为220 V，以30 A为初始电流值，将过电流可诱发短路电流值设为45、48、51、54、57、60、63、66 A共8个，每个电流值进行5次平行试验，试验以4 h为上限。在试验过程中使用摄像机记录导线发生短路时间和短路拉弧持续时间，使用高精度电流电压采集装置记录短路发生过程电流电压值。当过电流诱发短路故障试验结束后，搜集导线故障点周围20 cm范围内迸溅熔珠并进行统计，利用体视显微镜和金相显微镜对迸溅熔珠的形貌特征和金相组织特性进行观察分析。

图1 试验装置示意图

2、试验结果与分析讨论

2.1 过电流诱发导线短路故障起火燃烧机理

图2为过电流值51 A时诱发导线短路故障起火燃烧过程示意图。由图2可知，当导线发生过电流故障时，绝缘层会依次经历绝缘冒泡、可燃性气体逸出、熔断持续拉弧引燃可燃性气体、形成火焰向两侧蔓延的过程。

图2 51 A过电流诱发短路发生过程

当通过导线电流值超过额定电流时，线芯在焦耳热作用下不断升温，产生的热量一部分用于提升自身温度，一部分通过热传导作用于PVC绝缘层，继而消散在空气中。在这个过程中，PVC绝缘层在高温作用下会发生热解[15]，释放可燃性气体。图3显示PVC绝缘层在20 K·min-1升温速率下失重过程。由图3可知，PVC在高温下热解分为3个阶段：一是在300～500 K,PVC中的塑化剂和其他添加剂开始蒸发；二是在500～630 K左右，PVC分子链开始断裂，产生HCl气体和共轭双键，使PVC材料变得更加不稳定，易继续发生分解反应；三是在630～1 000 K，剩余残留物及部分阻燃剂热解。然而，在过电流故障长时间高温作用下，稳定剂也会失效，导致PVC绝缘性能降低。PVC绝缘层软化变形、绝缘性能下降会导致线芯之间发生空气击穿，形成高温电弧引燃HCl等可燃性气体，形成向两端不断蔓延的火焰[16]。

图4显示击穿发生过程中电压、电流波形。由图4可知，电流值没有在第一时间降为0，而是经历不断波动，可以判断短路过程为间歇性持续短路过程，在这个过程中，由于持续高温电弧作用，使线芯击穿部分熔化，形成向四周喷溅的迸溅熔珠，这种熔珠可能会引燃周围可燃物[17]，且这种熔珠对认定过电流诱发短路故障具有一定帮助。

2.2 过电流值对短路过程的影响

图5显示不同过电流值条件下的短路发生时间。当过电流值为42 A时，导线在4 h内不发生短路；当过电流值为45 A时，导线平均在2 923 s时发生短路；当过电流值为66 A时，导线在87.8 s时发生短路。随着电流值的升高，导线平均短路发生时间呈整体下降趋势，在45～48 A时下降趋势最快，在48～66 A时下降速度较为缓慢。导线过电流值越高，线芯发热温度越高，绝缘热解速率越快，绝缘性能下降速率越快，短路击穿条件越容易达成，短路发生时间越短[18]。

图3 PVC绝缘层失重过程

图4 51 A过电流诱发短路电压电流波形

图5 不同过电流值诱发短路时间

图6显示不同过电流值诱发短路持续时间。在45～48 A时，平均短路持续时间由2.5 s上升为8.1s；在51～69 A时，平均短路持续时间变化不大。部分电流值下短路持续时间波动较大，60 A时最长短路持续时间为16.6 s，最短为1.4 s。短路持续时间受导线发热绝缘热解程度和明火燃烧双重因素影响，存在一定随机性，波动范围较大。

图6 不同过电流值短路持续时间

2.3 过电流值对迸溅熔珠数量及形貌的影响

表1为不同电流值条件下诱发短路故障产生的迸溅熔珠数量。在故障点周围20 cm内，8个过电流值诱发短路产生熔珠个数平均值分别为30.4、38.8、38.6、28.8、39.2、31.2、35.6、42.8。随电流值增大，熔珠个数平均值呈波动性变化，且变化幅度不大。同一电流值不同组别熔珠个数呈一定随机性。

表1 故障点周围迸溅熔珠个数

迸溅熔珠是在电弧作用后，受不同程度火烧作用形成的。对所有熔珠宏观形貌进行统计分类发现，过电流诱发短路产生熔珠有7类典型宏观形貌，如图7所示。其中，圆珠状熔珠为传统的过电流或短路故障痕迹，而半珠状熔珠是由于导线在过电流热作用下，整根线芯处于高温熔融临界状态时，受到电弧作用，有时迸溅出熔融金属体积较大，在空气中冷却凝固过程中仅外层金属凝固，内部熔融金属冷却速度较慢，凝固不完全，在溅落到地面时，受到反作用力导致熔珠开裂，形成两个半珠状熔珠，且截面存在大量由于冷却速度较慢形成的孔洞组织。而连接珠状、连接半珠状、连接棒状熔珠是在持续短路过程中，导线迸溅出大量熔珠时，部分熔珠在溅落或着床滚动过程中，由于未完全凝固，碰撞到前期形成的迸溅熔珠而形成连接熔珠，其连接处存在明显熔融连接痕迹。而凹坑状和连接尖状熔珠是在后期持续火烧作用下，表面受热不均匀，导致凝固过程中表面凹凸不平或受重力产生形变而形成的。以上熔珠中，连接珠状、连接半珠状、连接棒状可以作为认定过电流诱发短路的典型迸溅熔珠宏观特征。

图7 迸溅熔珠宏观形貌

2.4 过电流值对迸溅熔珠组织特征的影响

随机选取每个电流值下迸溅熔珠各15个，对其金相组织进行观察，发现可以分为4类典型金相组织，如图8所示。由图8可知：A类存在数量众多的细碎孔洞，为类等轴状晶粒；B类存在类似过电流熔珠的枝晶偏析组织，可能出现大孔洞；C类呈现α相树枝晶，无孔洞出现；D类呈现α单相孪晶，可能出现较大孔洞。

在以上金相组织特征形貌中，A类迸溅熔珠内部出现形式多样、数量不一的孔洞，对RVVB导线会形成具有独特性的晶界内“珠串”气孔及晶界破碎状金相组织特征。B类为枝晶偏析结构，原因是在迸溅熔珠中固—液界面距离越远的液态金属过冷度越大，而树枝状晶粒沿负的温度梯度生长。因此，在过冷度较大条件下，熔珠金相组织的晶粒主要以树枝晶为主，且愈小的电流值使导线在熔断前积累的热量愈少，未熔化线芯温度较低，将加快液态金属凝固过程。因此，随着电流值的减小，一二次枝晶存在间距减小的趋势，且晶粒会变得更加细小。以上金相组织特征，可作为判定导线发生过电流诱发短路故障的典型特征，为火灾调查提供依据。

图8 过电流诱发短路迸溅熔珠典型金相组织

3、结论

通过对过电流诱发导线短路故障进行试验研究，得出如下结论：（1）当过电流持续作用于导线时，线芯会持续发热，致使PVC绝缘层热解，其热解经历三个阶段，产生HCl等可燃性气体，最终导线会在过电流作用下发生间歇性持续短路，出现燃烧现象，并产生大量迸溅熔珠。（2）过电流诱发导线短路时间与电流值之间存在指数递减关系，最长初次短路时间出现在45 A时，为2 923 s，最短初次短路时间出现在66 A时，为87.8 s。（3）过电流诱发短路故障会产生圆珠状、连接珠状、凹坑状、半珠状、连接半珠状、连接棒状及连接尖状迸溅熔珠。（4）过电流诱发短路产生迸溅熔珠的金相组织特征主要为4类。A类存在数量众多的细碎孔洞，为类等轴状晶粒；B类中存在类似过电流熔珠的枝晶偏析组织，可能出现大孔洞；C类呈α相树枝晶，无孔洞出现；D类呈α单相孪晶，可能出现较大孔洞。

参考文献:

[1]刘丹,王俊胜,林贵德,等.近10年(2012—2021)国内建筑外墙外保温火灾统计及分析[C]//2022中国消防协会科学技术年会论文集.北京:应急管理出版社,2022:283-289.

[2]张博.过电流故障诱发铜导线喷溅熔珠的特征[J].中国人民警察大学学报,2023,39(4):57-61.

[13]吕雪丽,王博.过电流铜导线断点熔痕特征[J].中国人民警察大学学报,2022,38(6):11-15.

[14]杨硕,李阳,王勇,等. BVR多芯铜导线过电流故障下燃烧及火焰传播研究[J].中国安全生产科学技术,2021,17(5):142-148.

[15]罗嘉,桂本,万文军,等.二次反应最小条件下聚氯乙烯塑料脱氯过程的实验[J].化工学报,2014,65(11):4368-4375.

[17]李朝阳,赵彬岐.过电流诱发通电导线短路故障发生过程与熔痕特征[J].中国人民警察大学学报,2022,38(10):19-23.

[18]刘威,林庆文,吴冠霖,等.水平地面上过电流多股铜导线起火燃烧过程[J].中国人民警察大学学报,2023,39(2):46-50.

文章来源:刘学屹.RVVB导线过电流诱发短路起火及迸溅熔珠特征试验研究[J].中国人民警察大学学报,2024,40(06):52-56.