配电箱在火灾环境下的热响应特性研究

谢承利，李元洲，任彬彬

（1.中国舰船研究设计中心，武汉，430064；2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026；3.安徽省交通规划设计研究院，合肥，230088）

0 引言

低压配电箱是电力系统中最低一级的控制和保护设施，并在实际的建筑中大量使用，是保障电力系统安全运行最基础的一个环节。在建筑物内如果发生火灾，在消防灭火设备应正常工作的时间段内，在火场高温的恶劣环境下，消防配电控制装置应能够满足维持继续运行的要求。而在目前的状况下，在整个配电控制系统路径的各个环节中，只有控制装置未有任何的防范措施，显得异常薄弱，完全不能抗住火场初期大楼消防自救时的高温恶劣环境。如何采取措施保证其在高温环境特别是在火灾环境中，保证充足的工作时间是一个值得思考的问题。对于构件的耐火性研究，国内外传统上采用标准的温度曲线进行试验环境加温［1］，对构件的温度升高和耐火时间进行测定。可是构件处于实际火灾条件下与在标准试验炉中经受的情况往往存在很大的差别［2］，另目前主要集中于对电器开关、电线电缆等具体构件进行耐火实验［3，4］，并制定了相关行业规范［5，6］，而对于作为消防设备心脏的配电控制装置在火灾环境下的响应特征则研究较少［7］，也没有制定相应的标准规范要求。因此对配电箱在实际火灾条件下的响应特性开展研究，进行一系列的配电箱在火灾环境下的运行实验，收集实验数据，为规范的制定提供依据和参考，具有一定的实际意义。

1 火灾环境下换热过程分析

在真实火灾情况下，室内的柜式配电箱上半部置于烟气层内，下半部置于空气层。配电箱箱体由于烟气、空气的对流和辐射而被加温，使得箱体内外表面温度升高。热传导是箱体外壳向内部热传递的主要途径，热传导的过程是稳定的。

《建筑设计防火规范》规定，实际应用中排烟风机应能在280℃的环境条件下连续工作不少于30 min［8］。配电箱是消防设备供电的控制措施，要保证消防设施满足运作要求，首先需要配电箱能够满足正常运作的要求，因此配电箱也应满足在280℃的环境条件下连续工作不少于30min的要求。取测点处稳定阶段环境温度t∞＝280℃，初始环境温度ti取20℃，铁板厚2mm，忽略铁板的热阻和铁板与石棉板的接触热阻。目前消防负荷配电箱没有专用开关，均按普通配电箱电器要求进行配置，多数选择cs100n和c65n型。对于c65n开关，一般正常的工作温度在150℃以下，由于焊接质量、导电回路设计、金属片本身的发热功率等影响，可能到200℃［9］。受到加热的配电箱内部空间会存在温度梯度，但相差值较小，箱体内部温度可基本看为均匀，同一高度处箱体内壁温度与配电箱内部空间温度相差也不大，在这里取开关正常工作时配电箱内壁温度的上限为170℃。利用一阶非稳态导热分析的思路，对于加了隔热板的配电箱，由于隔热板的长度和宽度远大于其厚度，将热量在隔热板内的传导简化为一维问题，假设隔热板物性不随温度升高而变化，不考虑箱体表面的热损失。若要使配电箱能在280℃的环境下至少持续工作30min，则对于实验所用配电箱［10］：

式中δ为隔热板厚度，t（δ，t）为隔热板内壁温度，t∞为环境温度，ti为初始温度，a为热扩散系数a＝k／ρc石棉板的关键参数确定如下：导热系数k＝0.208w／（m·K），密度ρ＝576 （kg／m3），c＝0.816×103（W·s／kg·k）。可求得δ≈0.02m。可见，若要使处于环境温度为280℃的该规格配电箱内部1.5m高度处的温度在30min后保持170℃以下，则隔热板厚度至少要大于20mm。

2 实验设计

实验在一个全尺寸实验腔室内［11］进行。利用油池火模拟真实火灾条件，对置于真实火灾条件下的普通和消防配电箱的箱体温升进行了测量，研究了外界实际火场温度变化时对带载配电箱内部温度变化的影响等火灾环境下的配电箱的热响应特性。采用的实验样品是不设置隔热板和设置隔热板的成型配电箱，配电箱尺寸为宽700mm，高1800mm，厚度400mm。正面和侧面为铁板加隔热板，隔热材料为石棉板，厚度为20mm。配电箱箱体封闭，仅后部留有供电线进出的小口。

对于开有门的腔室环境内，火灾发展到一定阶段，室内存在良好的分层现象，上层的热烟气层和下层的空气层存在清晰的界面。火源通过羽流向烟气层输送质量和能量，当烟气层降到通风口上檐时会产生烟气溢出。

腔室尺寸为3m×4m×3m，四周封闭，门高1.2m。实验时，新鲜空气由门口进入。火源采用2个尺寸为85cm×40cm的甲醇火组合，点燃稳定后火源功率为700KW，距离箱体前方1m位置，对配电箱体进行辐射及对流加热。经过测量，点燃后腔室内1.5m高度处的环境温度能快速的达到280℃并基本保持，该实验台的结构及实验测量仪器的布置方式如图1所示。

图1 实验布置示意图Fig.1 test arrangement sketch

表1 实验条件Table 1 Test conditions

分别采用不深加和添加隔热层的箱体，箱体内有两路电路，分别装配普通导线和耐高温导线。在箱内和关键部位（如端子、开关等）若干温度测点，布置K型热电偶贴于测量试样表面以测试其部位表面温度。热电偶布置如图2所示。

图2 测点位置Fig 2 Points arrangement

3 实验结果及分析

实验过程中，箱体壁面温度、箱体内部温度变化情况分别如图3、图4、图5、图6所示。由测得的配电箱内壁和内部温度可以得到，对于普通配电箱而言，由于没有隔热板，使得箱体内壁温度在实验开始440s后迅速升高到170℃，安装于此高度处的开关在此时就可能会由于实验环境温度升高引起了热脱扣机构动作，从而终止了消防负载的供电。而对于配置了隔热板的配电箱，由于隔热板的作用，在实验开始后的1450s左右时，1.5m高度处配电箱内壁温度才达到170℃，可见隔热板起到了很好的阻热作用。但由于隔热板的厚度不够，导致箱体内部温度维持在170℃以下的时间较短。

图3 普通配电箱门板温升曲线Fig.3 The temperature rising on the door without

图4 带隔热板配电箱门板温升曲线Fig.4 The temperature rising on the door with insulation board

我们从图3、图4可以看到，在实验的开始阶段，随着时间的推移，配电箱内外表面的温度升高，两种箱体外表面温度相差不大，不同高度处箱体表面温度相差不大。普通配电箱箱体同一位置内外表面温差不大，加隔热板的配电箱同一位置处内外表面的温度差随时间的增加而增加。由于钢的传导系数很大，随着腔室内环境温度的升高，由薄钢板制成的配电箱壁面的内外温度基本相同，可假定其截面温度均匀分布。同时热量通过隔热板传导到箱体内表面，又由于配电箱第一层外表面的温度升高，且隔热板的导热系数随着温度的增加而增大，从而增强了配电箱箱体内部热传导效应，使配电箱箱体内表面的温度升高速率加快。由图7中的温度一阶差分曲线可以看出。不同高度处，箱体外表面温度随着测点高度的升高而升高，同一时刻，外表面温度高处的温升速率高于温度低处的温升速率，同样可归结于上述的原因。

图5 普通配电箱内部温升曲线Fig.5 The temperature rising in the box without insulation board

图6 带隔热板配电箱内部温升曲线Fig.6 The temperature rising in the box with insulation board

图7 带隔热板配电箱门板内壁温升速率曲线Fig.7 The temperature rising rate in the inner door surface with insulation board

对于有隔热板的配电箱，箱体内表面的温度升高时，对箱体内部的元器件部分产生热辐射。配电箱箱体内部的空气温度较低，配电箱箱体内表面损失热量的速度较配电箱箱体外表面损失热量的速度大得多。另外，由于腔室内的环境温度较配电箱内部的空气温度要高，同时由于隔热板的导热系数很低，因而通过隔热板热传导的热量较由于腔室内火源的辐射传热和对流要低，使得配电箱内外表面的温度差随着腔室温度的增加而增加。而普通配电箱由于没有隔热板的作用，而薄钢板的导热系数较高，壁面内壁通过钢板热传导得到的热量较高，所以壁面内外的温差不大。箱体外表面上处热电偶温度大于下处热电偶测得的值。因为箱体外壁上部受到的烟气层辐射大于下部，使得上处获得的热量总数大于下处，而且同一时刻，温度随高度的升高而升高，从而导致内壁受到传导热不同；不同高度内壁温度也不同，并且隔热材料导热系数随温度升高变化程度不同，使内壁不同高度处所测得温度不同更加明显。由图6可以看出，所处高度越高，元器件温度越高。故耐火较差的开关，可装于位置较低的位置。

在实验后期阶段，配电箱内外壁之间温度差达到一个最大值，此后腔室内环境温度达到相对稳定状态，配电箱内部空气温度逐渐升高，同时隔热板的导热系数逐渐升高，其中有一段时间内外壁所受热辐射与向内壁的热传导大致平衡，外壁温度基本稳定，内壁对箱内元器件的热辐射逐渐降低，使得内外壁的温差也逐渐降低。

4 结论

在腔室内模拟实际火灾环境针对配电箱的耐高温性进行了实验研究，并对配电箱壁面内部的热量传递做了分析，并将计算结果与实验结果作了比较。理论分析表明，采用石棉板的消防配电箱隔热板厚度至少应该大于20mm，才能确保此类配电箱工作于280℃的环境温度的情况下，30min内开关不会因为箱体内部温度过高而产生跳闸。实验结果表明，没有加装隔热板的配电箱内部温度上升较快，8min内达到元器件的耐热温度上限；而加装隔热板的配电箱表现出了较好的隔热作用，20mm厚的石棉板可使耐热时间增加到28min左右，与理论分析基本吻合。配电箱内表面增加隔热板可大大增加火灾中消防供电的可靠性。同一时刻配电箱内部温度随着高度的升高而升高，配电箱箱体内表面的温度升高速率随着环境温度的升高而加快，同时外表面温度高处的温升速率高于温度低处的温升速率。环境温度达到相对稳定状态后，内外壁的温差也逐渐降低。

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