绝缘电线过载发烟规律的实验研究

王学宝，杨 洋

（1.中国人民武装警察部队学院消防工程系，河北 廊坊065000；2.重庆市消防总队，重庆401520）

0 前言

随着我国工业化水平的提高，作为经济发展基础产业的电力工业也得到高速发展，电线电缆的用量迅速增加。目前大量使用的电线电缆中，大部分电线电缆的绝缘及护套材料是由聚氯乙烯（PVC）、交联聚乙烯（PE-X）、乙丙橡胶（EPR）等可燃聚合物材料组成的。特别是在一些电线电缆敷设密集的场所，一旦发生火灾，火将沿着电线电缆燃烧而迅速蔓延，极容易造成重大人员伤亡和经济损失。火灾事故调查资料显示，我国每年因电线电缆引发的火灾占所有电气火灾的50%以上［1-2］。电线电缆火灾除了会造成直接火灾损失外，还会产生诸如氯化氢、一氧化碳等大量有害气体，这些气体不但会使人窒息、中毒，而且会生成强酸性雾，对机器设备和建筑结构造成腐蚀，严重降低设备的安全性和建筑的使用寿命，造成二次危害［3-5］。

由于电线电缆火灾事故发生频繁，危害性大，电线电缆防火工作及其火灾特性的研究已引起人们的重视。然而，就目前的情况来看，大部分研究工作集中在低烟无卤阻燃线缆和耐火线缆的开发和选用等方面［6-9］，对电线电缆火灾特性的研究和相关标准的制定也仅限于在外部火焰燃烧或辐射热源作用的条件下进行的［10-18］，而对电线电缆在自身过载、短路等内因作用下的火灾特性的研究却很少。其中，对电线电缆在过载条件下的烟气释放规律的研究国内外还未见报道。

本研究通过实验对目前我国民用建筑中常用的普通电线处于过载状态下的发烟规律进行初步的研究，对过载电流、导体材料、标称截面和电线软硬类型等条件对电线过载时烟气释放规律的影响进行探讨。

1 实验部分

1.1 主要原料

铜芯PVC绝缘硬线（BV）、铝芯PVC绝缘硬线（BLV）、铜芯PVC绝缘软线（RV），电线规格如表1所示，北京市天华伟业线缆有限公司。

表1 实验用电线的规格Tab.1 Types of cable for the experiment

1.2 主要设备及仪器

升流器，SL-1000，天津市新科华电力电器设备有限公司；

交流电钳型电表，FLUKE312，美国Fluke公司；

红外测温仪，AR872S，香港希玛仪器仪表有限公司；

烟密度测试仪，YM-3，南京上元分析仪器厂。

1.3 性能测试与结构表征

电线试样长度为110cm，两端各剥去约5cm绝缘层。

电线过载烟密度测定：将电线试样置于烟密度仪烟箱内，并使之与箱体保持绝缘，试样两端通过烟密度仪烟箱下方缝隙与升流器接线柱连接；试样在烟密度仪烟箱内应保持100cm的有效长度；通过烟密度仪测试电线在环境温度为25℃，明敷过载时的烟密度；最大烟密度值按照GB／T 8627—1999进行测定；

温度的测定：利用红外测温仪测量实验结束时电线外层绝缘材料表面的温度。

2 结果与讨论

2.1 不同倍数的过载电流对电线过载发烟的影响

取标称截面为4mm2的BV电线试样，分别通上其额定电流2.75、3、3.25、3.5、3.75、4倍的电流，使其处于过载状态，测试结果如图1所示。

从图1可以看出，过载电流对电线烟气释放影响显著。电线在过载条件下，产生的烟气对光源的吸收率随过载电流的增大而增大，开始发烟的时间随过载电流的增大而提前。其中，在测试时间内，通以4倍额定电流的电线最终达到的最大烟密度值最大，达41.67%，测试开始约40s后就可见烟气产生。测试结束时，整条电线的绝缘护套发泡，多处烧焦露出铜芯。通以2.75倍额定电流的电线最终达到的最大烟密度值最小，只有8%，且整个测试过程中，只见少量烟气产生，除导线温度升高外，无明显外观变化。

图1 通过不同倍数的额定电流时电线发烟的烟密度曲线Fig.1 Smoke density curves for the cables under overload condition

BV电线的绝缘材料的主要成分是PVC，工作温度为70℃。而在电线过载条件下，线芯发热超过正常的工作温度，导致绝缘材料急剧老化分解，释放出烟气。在相同条件下，随着通过电流的增大，电线的发热功率也逐渐增大，所能达到的最高温度也越高，所以发烟量增大。如表2所示，通以4倍额定电流的电线，测试过程中最高温度达144.13℃，是正常工作温度的1倍多，所以电线绝缘材料老化分解剧烈，烟气释放量最大。由此可知，过载电流越大，电线越容易产生有毒烟气。

表2 通过不同倍数的额定电流时电线的最高温度Tab.2 Maximum temperature of the cables under overload condition

2.2 不同导体材料对电线过载发烟的影响

取标称截面为4mm2的BV和BLV电线试样，分别测试二者在通过其3倍额定电流时的烟密度，结果如图2所示。

从图2可看到，在通过相同倍数过载电流时，相同截面积的BV电线发烟量要大于BLV电线。其中，BV电线的最大烟密度值达到13%。测试开始较长时间后，两者才有烟气产生，并且2种电线产生的烟气对光源的吸收率均以较接近的增长率增长。测试结束后，2种电线的绝缘材料均无明显外观变化。

图2 不同导体材料的电线过载时的烟密度曲线Fig.2 Smoke density curves for the cables with different conductor under overload condition

BV电线和BLV电线的线芯材料主要是铜和铝，2种电线过载时的烟密度差异主要是由于二者发热功率的差异所致。电线在过载条件下的升温，由线芯产生的热量和电线的散热共同决定。线芯产生的热量一部分贮存在线芯本身和绝缘材料内，使二者温度升高，其余的热量通过对流及辐射传递给周围环境。2种电线均包有PVC绝缘层，且绝缘层较薄，可以认为电线的表面温度与线芯相同［19］。在实验时间内（0～240s内），电线的温度迅速上升，电线产生的热量远大于向环境传递的热量。因此，可以近似地认为，线芯产生的热量大部分用于线芯和绝缘材料的升温，传递给周围环境的热量很少，也就是电线的升温主要由线芯的发热功率决定。

电线的发热功率可以由式（1）计算得到。

式中 Ⅰ——电流（25℃时，标称截面为4mm2的BV和BLV电线的额定电流分别是42A和32A），A

ρ——电阻率，Ω·mm2／m

L——电线长度，m

S——电线截面积，mm2由式（1）可知，铜线的热功率计算为（为了简化计算，假设实验时间内，电流和电线电阻都是常数，下同）：

铜线通过的电流Ⅰ＝3Ⅰ0＝126A；铜线的电阻率ρ＝0.01851Ω·mm2／m；长度L＝1m；截面积S＝4mm2，得：

铝线的热功率计算为：

铝线通过的电流Ⅰ＝3Ⅰ0＝96A，铝线的电阻率ρ＝0.02940Ω·mm2／m；长度L＝1m；截面积S＝4mm2，得：

由此可以看到，在通以3倍额定电流时，铜线的热功率是比导线大的。实验中所用的BV电线和BLV电线截面积相同，散热面积也是相同的，所以，在线径相同的情况下，BV电线更容易使自身温度升高，其绝缘材料更容易热解产生有毒烟气。

2.3 标称截面对电线过载发烟的影响

分别测试标称截面为1.5、2.5、4mm2的BV 电线通过3倍额定电流时的烟密度，结果如图3所示。

图3 不同标称截面的电线过载时的烟密度曲线Fig.3 Smoke density curves for the cables with different nominal sectional area under overload condition

从图3可知，通过3倍额定电流时，随着电线截面积的增大，其开始发烟的时间推迟，在测试时间内，电线最终达到的最大烟密度值变小。其中，实验结束时，1.5mm2BV电线的最大烟密度值达23.33%，温度为95.17℃，电线局部的绝缘护套变黑，线芯外露。

电线通过电流时产生的热量一部分提高自身的温度，一部分散发到周围环境中，其温升可由热平衡方程式（4）得到［20］：

式中 t——电线的通电时间，s

m——电线的质量，kg

C——电线的比热（线芯和绝缘层的整体比热），J／（kg·℃）

Kzh——电线的总放热系数，W／m2·℃

ρ′——电线的密度（线芯和绝缘层的整体密度），kg／m3

τ——电线对周围环境的温升，℃

F——电线的散热面积，m2

与2.2节类似，在实验时间内，近似地认为线芯产生的热量几乎全部用于电线自身的温升，且电线的表面温度与线芯相同。忽略电线传递给周围环境的热量，即：

所以电线的温升满足式（6）：

另外，对于单位质量的线芯来说，截面积越小，其线芯相对的比表面积越大，也就是过载时小截面电线的绝缘材料会从线芯吸收更多的热量，导致更高的温升。由表3也可以看到，实验结束时，线径越小的电线温度越高。由此可见，线径小的电线在过载时，更容易产生热量聚积而导致发烟，火灾危险性更大。

表3 不同标称截面的电线过载时的最高温度Tab.3 Maximum temperature of the cables with different nominal sectional area under overload condition

2.4 软线／硬线对电线过载发烟的影响

分别测试标称截面为2.5mm2的BV和RV电线通过3倍额定电流时的烟密度，结果如图4所示。由图4可以看到，在实验开始后75s内，RV电线的发烟量急剧增加，在实验结束时，其最大烟密度值高达51.67%，而BV电线在实验开始后前50s，产烟量不大，相比RV电线，其整个测试时间内，烟密度曲线增长比平缓较。

图4 BV和RV电线过载时的烟密度曲线Fig.4 Smoke density curves for BV and RV cables under overload condition

标称截面为2.5mm2的BV和RV电线的额定电流相同，RV电线线芯为多根细线组成，BV电线线芯为单根。相比BV电线来说，RV电线线芯的散热面积要大得多，过载产热时，RV电线线芯向绝缘层传递的热量要多且迅速，导致RV电线绝缘层分解更为剧烈，因此，产烟量更大。实验结束时，RV电线的外表温度高达131.8℃，BV电线的外表温度为93.8℃，前者比后者高出近40℃。因此，过载时，相同线径的软线比硬线更容易产生有毒烟气。

3 结论

（1）电线处于过载状态时，其绝缘材料的烟气释放量随着过载电流的增大而增大；

（2）相比铝芯电线，相同线径的铜芯电线在过载时其绝缘材料更容易热解而释放有毒烟气；线径小的电线在过载时更容易产生热量聚积而导致发烟，火灾危险性更大；

（3）处于过载状态时，相同线径的软线比硬线更容易产生有毒烟气。

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