接地故障引起电力电缆轰燃的机理与监测预警系统

汤 峻， 周 飞， 郦君婷， 谢富伟

（1.国网苏州市供电公司，苏州 215000；2.南京协胜智能科技有限公司，南京 211100）

0 引 言

由于人们对城市环境优美的追求和供电可靠性的需求越来越高，同时，电力电缆生产技术水平提高，电缆应用成本下降，城市10 kV 配电网愈来愈多地采用电缆供电。 交联聚乙烯（XLPE）电缆具有低廉的价格和较高的阻燃性，已成为目前最常用的中压10 kV 配电网电缆。 试验证明：当交联聚乙烯电缆平放时，将其一端用火焰源加热，电缆可以燃烧，但当火焰源移开后，燃烧逐渐停止；而当电缆垂直悬挂，若密集排列，在其底部用火焰源加热至燃烧，火焰源移开后，虽燃烧可以持续一段时间，但还是逐渐减弱，最终熄灭；只有适当将其间隔排列，火焰源加热至燃烧，移开火焰源后，电缆才能持续燃烧。 可见，交联聚乙烯材料在通常条件下燃烧时，具有自熄性，属难燃材料。 一般说来，大多数电力电缆是水平排列，不具备持续燃烧的条件，然而，由于单相接地故障而引起的电力电缆轰燃事故却是时有发生［1⁃4］。2020 年 5 月 4 日凌晨 00 ∶02，位于陕西西安高新区锦业一路的创业新大陆地下隧道综合体工程施工现场内电缆桥架起火，造成多条电缆线路故障。 可见，材料的燃烧性能并不能完全代表它在真实火灾中对火反应的行为，因此，有必要开展单相接地故障引燃电力电缆机理的研究，提出相应的预警方法，建立相应的监测预警系统，避免或杜绝电力电缆火灾事故的发生。

1 接地故障引燃电力电缆的机理

燃烧是有氧化剂参加的化学反应，交联聚乙烯材料的燃烧是一个十分复杂的过程。 文献［5］对电缆在火灾中的燃烧过程和燃烧行为及机理做了深入的研究：交联聚乙烯材料从外部热源获得热量时温度升高，当温度升高至105 ～115 ℃时，交联聚乙烯材料熔融［6］；继续加热，交联聚乙烯材料温度达到热分解温度300～510 ℃时［7］，就开始分解并产生挥发性产物，并“失重”。 根据交联聚乙烯分子的结构和组成，热分解挥发物中有甲烷、乙烷、丙烷、甲醛等可燃气体，和二氧化碳、氮气等不可燃气体。 这些可燃性挥发物从聚合物表面释放出来，并扩散与空气中的氧化剂混合，若遇火焰则被点燃，产生有焰燃烧。 燃烧时产生的热量一部分被燃烧产物和周围的冷环境带走，而另一部分则反馈给聚合物材料表面，使聚合物进一步受热进行热降解和热氧化降解，从而连续产生可燃性挥发产物，并扩散到有焰燃烧反应区。 在这燃烧阶段，决定其是否继续燃烧或逐渐熄灭的因素是燃烧的“净热”，即聚合物单位质量被反馈（通过热传导或是热辐射）的热量与加热单位邻接聚合物到热降解并能产生可燃性挥发物所需要的热量之差。 净热是正值时，则燃烧释放热量反供给正在降解的聚合物，使之产生更多的分解产物，最终造成燃烧继续进行；净值是负值时，则燃烧放出的热量不足以使邻近聚合物继续熔融、热分解产生挥发物，离开热源后燃烧将停止。

根据交联聚乙烯材料绝缘电缆的燃烧机理，聚合物燃烧要经过3 个过程：一是从外部热源获得热量，使聚合物温度升高而熔融；二是聚合物持续被加热，当其温度达到热分解温度时，开始分解并产生挥发性产物，包括可燃性气体和不可燃性气体，并“失重”，最后才有火焰点燃可燃性气体导致电缆的燃烧。 这个过程的前两个阶段都是吸热过程，需要从聚合物的外部吸收大量的热量。 当一个火焰源（像单相接地故障点电弧）持续燃烧，点燃了电缆，若电缆是水平布置，由于电缆燃烧的热量主要通过热传导方式传播、加热电缆，这些热量是不足以使尚未燃烧的电缆熔融、并热分解出挥发性混合物的，即单靠接地故障点的电弧热量不能延燃水平放置电缆；若垂直并间隔排列的多根电缆，也由于燃烧火焰热量传递到未燃烧电缆，使其熔融和热分解可挥发性混合物的过程需要时间，即聚合物的难燃性，电缆也不可能迅速大范围的燃烧。 可见，电缆迅速的大范围延燃应该有其他的原因。 如由于电缆中的导体由于长时间过电流加热了电缆绝缘材料，进而使电缆绝缘材料大面积熔融、并热分解出可燃性气体。 我国10 kV 配电网大多采用中性点非有效接地方式，允许带故障运行2 h，故障电流持续时间长。 根据电缆的结构，电缆有比较薄的铜箔屏蔽层，单相接地故障状态下零序电流流过铜箔，推断由于屏蔽层截面积小，零序电流严重过流而使电缆绝缘材料长时间预热，致使电缆熔融、热分解出可燃性气体，当可燃性气体的浓度达到一定值后，单相接地故障点的电弧引发瞬间大面积轰燃，形成“电缆火灾”。 这与文献［1］的描述实际事件是相符的：“排管或隧道中的电缆，如单相接地时间过长，容易引起可燃性气体积聚而导致火灾。 例如某35 kV 电缆在隧道内发生单相接地，60 min后发展成隧道火灾，烧毁电缆四十余条，引起严重的扩大事故”。 这里说的“60 min 后发展成隧道火灾”显然不是由单相接地故障电弧点逐渐蔓延到整个隧道，而应该是“60 min 后很快形成隧道火灾”，即被点燃的是电缆早已受热熔融、并热分解出的挥发性混合物中的可燃物和空气中氧气的混合物。 这里的60 min 应该就是发生单相接地故障后，电缆受热熔融、并热分解放出足够可燃性气体的时间。 显然，这个“热源”应该与接地故障电流有关。 据此可以推断接地故障引燃电力电缆的机理应该是：由于电缆相屏蔽层中长时间流过接地故障电流，因电流密度过高，电缆导体发热熔融了电缆绝缘材料，并进一步热分解出可燃性气体，最终被单相接地故障点的电弧点燃。

2 接地故障引燃电力电缆的预警模型

根据以上对接地故障导致电力电缆轰燃的机理分析，电缆轰燃的必要条件是大电流流经电缆地线、发热，并且不断加热电缆绝缘材料，致使其熔融、释放出可燃气体。 这个过程是一个热积累过程，由于电缆绝缘材料的单一性，可视为一个均质等温体，由能量守恒定律，物质在单位时间内发出的热功率与其散发出的热功率之差等于单位时间物质温度的升高［8⁃9］，即温升，得：

3 接地故障引燃电力电缆的监测预警系统

已有成功采用光纤、光栅在线监测电力电缆温度的案例［10⁃11］，但这种方法不仅成本高，而且安装施工不便，尤其像直埋电力电缆，安装施工几乎不可能，本工作通过监测地线的电流，依据式（5）模型，间接监测运行中电缆的温升。

实际运行的电缆一般规定交联聚乙烯电力电缆的导体最高持续工作允许温度为90 ℃［12］。 为保证电缆的使用寿命，导体温度不能长时间地超过绝缘材料的长期耐受温度［13］。 文献［14］研究得出结论：以交联聚乙烯电缆为例，当其工作温度超过允许值的8%时，其使用寿命将减半；若其温度超过允许值的 15% ，电缆寿命将只剩下 1／4［14］。 考虑电力电缆的运行环境温度为30 ℃ ，本监测预警系统设置60 ℃ 为“轻”预警值；交联聚乙烯电力电缆的导体最高短时暂态允许温度250 ℃［12］，及电力电缆的运行环境温度为30 ℃ ，再考虑到事件的处理延时，则本监测预警系统设置180 ℃ 为“重”预警值。 以上两个预警值是可以根据实际运行经验进行调整。

该接地故障引燃电力电缆的监测预警系统已在SZH 市供电公司某10 kV 配电网实施。 系统由若干个地线电流监测模块、LORA 通信系统和1 套主站系统组成，见图1。

图1 LORA 通信系统和主站系统

每个地线电流监测模块由开合式电流互感器、A／D 模数转换和LORA 射频模块组成，互感器直接套在电缆始、末端的地线上，地线电流经A／D模数转换后由LORA 射频模块将地线电流的测量数据传出。 LORA 射频模块与数据电台构成LORA 通信系统，考虑LORA 射频模块传输距离的限制，在几个相近的变电所、配电所、开闭所、环网站设置中继站。 主站系统与LORA 通信系统通过RS232 接口交互数据。 主站系统获得各地线电流监测模块的实时采集数据后，依据提出的电缆温升模型，计算出各段电缆的温升值，并根据各段电缆的实时测量计算的温升值为各段电缆发出“轻”和“重”预警。

4 结束语

本工作研究了接地故障导致电缆轰燃的机理。我国10 kV 配电网大多采用中性点非有效接地方式，处理故障时间一般较长，允许2 h。 由于电缆相屏蔽层中长时间流过接地故障电流，因电流密度过高，使之发热熔融了电缆的绝缘，并进一步热分解出可燃性气体，最终被单相接地故障点的电弧点燃所致。 接地故障导致电缆轰燃是一个热积累过程，为提高监测预警系统工作的可靠性，本工作建立了热积累模型，并结合电力电缆安全运行规范，以保证电力电缆的使用寿命为目标确定“轻”预警值，以确保不发生因接地故障发生电力电缆轰燃事故为目标确定“重”预警值。 目前，安装了监测点300 余个，建立了1 个10 kV 配电网的监测预警系统，确保电力电缆安全运行。