220 kV高压电缆火灾传热及燃烧特性试验研究.pdf

消防科学与技术2023年 9 月第 42 卷第 9 期消防理论研究220 kV高压电缆火灾传热及燃烧特性试验研究于唯1,屠越1,仪涛2,高飞1（1.国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，江苏 南京 210009；2.中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102）摘要：为研究 220 kV 高压电缆火灾传热及燃烧特性，开展全尺寸火灾试验，记录高压电缆内部温度分布及燃烧现象，分析电缆线芯、交联聚乙烯、填充材料以及外护套温度传播过程。结果表明：220 kV 高压电缆火灾电缆铜芯与挤包皱纹铝护套之间在燃烧过程中会出现空洞现象；高压电缆受热后，内部铜芯在纵向不同位置处的升温响应时间基本一致。此外，在电缆受热阶段，线芯、交联聚乙烯、填充材料以及外护套平均温度梯度分别为 2.125、1.938、1.688、1.375/cm；在火灾持续阶段，由于交联聚乙烯的热导率较差，随其与火源距离的增加，温度变化存在明显的滞后现象，交联聚乙烯燃烧蔓延平均速度约为 3.6 cm/min；高压电缆交联聚乙烯绝缘部分受热后会形成熔融物，并在电缆端口不断累积，当其所受重力大于表面张力后，将形成高温熔滴，极易引燃下方可燃物，具有更大的危险性。关键词：220 kV高压电缆；电缆火灾；热量传递；燃烧特性中图分类号：X913.4；TM75 文献标志码：A 文章编号：1009-0029（2023）09-1187-05在社会逐渐智能化和电子化的今天，日益增长的电子产品和电气设备需要铺设大量的电线电缆，大大增加了电气火灾隐患。自 2008 年起，电气火灾事故已经占据火灾事故的首位，同时所占比例也逐年呈现上涨趋势，其造成的生命财产损失十分严重1-4。仅 2020 年，有记录的 全 国 火 灾 事 故 共 计 25.2 万 起，其 中 电 气 火 灾 占 比33.7%，电气火灾形势不容乐观5。电缆一旦发生火灾事故，通常不会直接导致人员伤亡，但其对城市正常运行、社会稳定、人民日常生活的负面影响巨大。关于电缆火灾事故的发展机理已有较多研究。1981年，BAKHMAN N N 等6首次研究了低压电缆燃烧行为以及内部线芯传热机理，并给出了电缆外护套能否引燃的临界判据。1987年，徐应麟7最先根据电线、电缆的燃烧特性将其分为耐火、不延燃以及阻燃 3 类，为电缆消防设计提供了参考。1991年，PELLO A C 等8研究了电缆及类似复杂结构可燃物的燃烧性能，并最先建立了固定辐射条件下单根电缆竖向蔓延速率的简化模型。2016年，HUANG X J等9建立了封闭空间的多层桥架全尺寸试验模型，主要对电缆桥架中电缆间距、机械通风对电缆火灾的影响进行研究。陈钰等10采用数值模拟的方法，研究了核电站的电缆隧道中不同层桥架间距对电缆桥架火灾特性的影响，确定了核电站电缆廊道内的合理电缆桥架布置间距。在 2019年，SIEMON M 等11以电缆桥架的电缆布置间距和托盘间距等几何尺寸为变量参数，研究其对电缆桥架装置燃烧特性和火灾蔓延的影响，进而为电缆桥架布置方式奠定了重要基础。前人的研究主要集中在低压电缆护套材料热解、阻燃和非阻燃电缆的燃烧性能、电缆火焰蔓延速率、热释放速率等方面12。日常生产生活多数需要在高压条件下进行电力传输，需要相应配套的高压电缆。高压电缆结构更加复杂，燃烧行为差异较大。同时，高压电缆一旦发生火灾事故，将造成更加严重的后果。目前对高压电缆（220 kV）火灾试验研究少有报道。基于此，本文拟开展 220 kV 高压电缆燃烧特性研究，并深入分析高压电缆内部温度变化特征及其火焰行为，以拓展高压电缆燃烧及传热基础理论。1试验设计采用的试验装置由 220 kV 高压电缆（长度 1 m，直径16 cm）、两侧热电偶支架、高压电缆支架、热电偶束、点火器和数据采集模块组成，如图 1 所示，其中支架材料均为3 cm 的高强性铝合金。两侧热电偶支架内空距离固定为1.8 m，高压电缆支架内空为 0.8 m。试验采用功率为1.45 kW、最高温度为 1 200 的丁烷点火器引燃高压电缆，热电偶束插入高压电缆内部，以测量燃烧过程中电缆线芯、绝缘层、填充物以及外护套的温度变化。利用高温喷枪引燃高压电缆，喷枪功率约为 1.5 kW，耗气量 145 g/h，手动点火，最高温度接近 1 200。此外，数据采集系统由图像采集系统及温度采集系统组成。采用摄像机（ISO 250，快门速度 1/30，F 5.6）拍摄记录电缆的燃烧过程，摄像机设置在试验装置正前方2.5 m 处。为了保证拍摄质量，试验开始前对摄像机重新调焦。温度采集系统的主要试验仪器有温度记录仪和 36根 K型热电偶（量程为 0 1 200）。试验采用的多通道温度记录仪（MT-X）最高测量温度为 1 300。试验开始前采用钻孔机在高压电缆表面以 10 cm 间距开 9 处 8 cm深度的热电偶束布置孔，将 4根 K 型热电偶通过铁丝固定为一束，插入深度分别为 8.0、4.0、4.5、0.5 cm，以分别测量燃烧过程中电缆线芯（A）、绝缘层（B）、填充物（C）以及外护套（D）的温度变化，如图 2所示。本次试验共开展 3次，取平均值作为试验值，以降低试验误差。基金项目：国网江苏省电力有限公司科技项目（J2021105）1187Fire Science and Technology,September 2023,Vol.42,No.92试验结果与分析2.1高压电缆燃烧特性研究图 3 展示了电缆引燃加热、稳定燃烧至熄灭的情况。其中，加热器正对铜芯位置，伴随内部交联聚乙烯燃烧，外护套受热熔化。加热器存在时（095 min），燃烧产生明显火焰，并且加热器的气流使得内部交联聚乙烯的燃烧有足够空气补充，同时电缆外护套的形变程度逐渐增大。加热器撤去之后，燃烧整体稳定在铝护套内部，下半边缘铝护套受热不足，底部的外护套熔化减慢直至停止，内部火焰持续对上侧加热，外护套出现轻微滑脱。可以得出，在外部热源持续的情况下，外护套会持续熔化并滑脱，温度继续升高时，外护套同样会被点燃。图 4为高压电缆燃烧熄灭的侧视图。可以发现，端口处外护套在高温加热器的作用下已经部分脱落，并且电缆铜芯与挤包皱纹铝护套之间出现了空洞。这主要是由于部分交联聚乙烯绝缘层被消耗后形成的间隙，通过测量得出深度约 15 cm。高压电缆内部交联聚乙烯未燃尽的原因主要为在铝护套的作用下，燃烧需消耗的空气不足，同时散热量也在不断增加，最终导致火焰熄灭。这与普通电缆燃烧行为存在较大差异，普通电缆直径小（2.4 cm），通常也不具备铝护套等能够隔绝热对流及辐射的电缆结构，燃烧更加充分。然而，当加热高压电缆时，由于铝护套的存在，高压电缆外护套无法被引燃，仅线芯外侧交联聚乙烯绝缘层会燃烧，并向内蔓延一定距离，最终会由于空气不足以及散热量增加导致火焰熄灭。图 5 为高压电缆燃烧熄灭后的熔滴图。交联聚乙烯绝缘受热后会形成熔融物，随着熔融物在电缆端口的不断累积，当其所受重力大于其表面张力后，会形成高温熔热电偶1.8 m热电偶支架220 kV 高压电缆多路温度采集仪点火位置摄像机计算机1.8 m热电偶测点热电偶束布置间距 0.1 m0.1 m1 m0.16 m1、2、3、4、5、6、7、8、9A1A2A3A4A5A6A7A8A9图 1高压电缆（220 kV）燃烧试验装置Fig.1High-voltage cable(220 kV)combustion test device热电偶束D 外护套C 填充材料B 交联聚乙烯绝缘A 线芯1.1 cm3.0 cm0.7 cm16.0 cmDCBA3.0 cm（a）侧视图火源1 2 3 4 5 6 7 8放大D9C9B9A9（b）正视图图 2热电偶测点布置示意图Fig.2Schematic diagram of thermal couple measuring point layout外护套形变过程外护套形变外护套熔滴 交联聚乙烯熔滴 逐渐熄灭撤去火源0：11:040:19:330:36:470:54:041:04:09完全熄灭5:35:344:15:203:33:002:15:001:35:001:16:090:00:00图 3高压电缆（220 kV）燃烧过程图Fig.3Combustion process diagram of high-voltage cable(220 kV)滴，滴落至地面，具有较大的危险性。特别是高压电缆在实际敷设过程中通常会布设在狭窄空间内，上、下净空都较小，一旦燃烧，将会导致护套及内部交联聚乙烯熔融物滴落甚至流淌，造成火灾规模进一步扩大。2.2高压电缆传热机理分析2.2.1纵向温度传播过程图 6展示了 220 kV 电缆线芯、交联聚乙烯、填充材料以及外护套纵向温度传播过程。图 6（a）为铜芯处温度随距离变化的过程图，可以得出，铜芯在纵向上随距离变化的升温速率基本一致，这是由于铜具有良好的导热性；随着与火源距离的增加，受铜芯热阻影响，铜芯温度逐渐降低。在电缆受热阶段，线芯、交联聚乙烯、填充材料以及外 护 套 平 均 温 度 梯 度 分 别 为 2.125、1.938、1.688、1.375/cm。撤去火源后，靠近火源处的温度先下降，后又快速抬升。火源撤去时，外部热量迅速降低，导致端部前 30 cm 段出现了温度下降，随着交联聚乙烯绝缘物的不断燃烧，温度重新抬升至较高水平。随着交联聚乙烯进一步燃烧，挤包皱纹铝护套会限制电缆内燃烧的空气卷吸，缺少氧气补充，之后火焰逐渐熄灭。熄灭后沿线轴向上铜芯温度迅速下降至同一水平，这也与铜芯自身良好的导热率有关。值得注意的是，加热过程中的点火装置造成热流冲击，不仅向电缆燃烧区域补充了热量，另外也形成了内部燃烧区域与外界环境的空气循环流动，使得空气能够及时补入。时间/h300250200150100500温度/熄灭阶段稳定阶段引燃阶段 95 min撤去火源263 min熄灭1 2 3 4 5 6 7A9A7A5A3A1A8A6A4A2（a）线芯时间/h450400350300250200150100500温度/熄灭阶段稳定阶段引燃阶段（b）交联聚乙烯B9B7B5B3B1B8B6B4B21 2 3 4 5 6 795 min撤去火源263 min熄灭95 min撤去火源263 min熄灭时间/h250200150100500温度/熄灭阶段稳定阶段引燃阶段C9C7C5C3C1C8C6C4C2（c）填充材料1 2 3 4 5 6 7时间/h250200150100500温度/熄灭阶段稳定阶段引燃阶段D9D7D5D3D1D8D6D4D2（d）外护套1 2 3 4 5 6 795 min撤去火源263 min熄灭图 6220 kV电缆纵向温度传播图Fig.6Longitudinal temperature propagation diagram of 220 kV cable16.0 cm9.2 cm图 4高压电缆（220 kV）燃烧后侧视图Fig.4Side view of high-voltage cable(220 kV)after burning图 5高压电缆（220 kV）燃烧熄灭后的熔滴图Fig.5Droplet diagram of high-voltage cable（220 kV）after extinguishing1188消防科学与技术2023年 9 月第 42 卷第 9 期滴，滴落至地面，具有较大的危险性。特别是高压电缆在实际敷设过程中通常会布设在狭窄空间内，上、下净空都较小，一旦燃烧，将会导致护套及内部交联聚乙烯熔融物滴落甚至流淌，造成火灾规模进一步扩大。2.2高压电缆传热机理分析2.2.1纵向温度传播过程图 6展示了 220 kV 电缆线芯、交联聚乙烯、填充材料以及外护套纵向温度传播过程。图 6（a）为铜芯处温度随距离变化的过程图，可以得出，铜芯在纵向上随距离变化的升温速率基本一致，这是由于铜具有良好的导热性；随着与火源距离的增加，受铜芯热阻影响，铜芯温度逐渐降低。在电缆受热阶段，线芯、交联聚乙烯、填充材料以及外 护 套 平 均 温 度 梯 度 分 别 为 2.125、1.938、1.688、1.375/cm。撤去火源后，靠近火源处的温度先下降，后又快速抬升。火源撤去时，外部热量迅速降低，导致端部前 30 cm 段出现了温度下降，随着交联聚乙烯绝缘物的不断燃烧，温度重新抬升至较高水平。随着交联聚乙烯进一步燃烧，挤包皱纹铝护套会限制电缆内燃烧的空气卷吸，缺少氧气补充，之后火焰逐渐熄灭。熄灭后沿线轴向上铜芯温度迅速下降至同一水平，这也与铜芯自身良好的导热率有关。值得注意的是，加热过程中的点火装置造成热流冲击，不仅向电缆燃烧区域补充了热量，另外也形成了内部燃烧区域与外界环境的空气循环流动，使得空气能够及时补入。时间/h300250200150100500温度/熄灭阶段稳定阶段引燃阶段 95 min撤去火源263 min熄灭1 2 3 4 5 6 7A9A7A5A3A1A8A6A4A2（a）线芯时间/h450400350300250200150100500温度/熄灭阶段稳定阶段引燃阶段（b）交联聚乙烯B9B7B5B3B1B8B6B4B21 2 3 4 5 6 795 min撤去火源263 min熄灭95 min撤去火源263 min熄灭时间/h250200150100500温度/熄灭阶段稳定阶段引燃阶段C9C7C5C3C1C8C6C4C2（c）填充材料1 2 3 4 5 6 7时间/h250200150100500温度/熄灭阶段稳定阶段引燃阶段D9D7D5D3D1D8D6D4D2（d）外护套1 2 3 4 5 6 795 min撤去火源263 min熄灭图 6220 kV电缆纵向温度传播图Fig.6Longitudinal temperature propagation diagram of 220 kV cable16.0 cm9.2 cm图 4高压电缆（220 kV）燃烧后侧视图Fig.4Side view of high-voltage cable(220 kV)after burning图 5高压电缆（220 kV）燃烧熄灭后的熔滴图Fig.5Droplet diagram of high-voltage cable（220 kV）after extinguishing1189Fire Science and Technology,September 2023,Vol.42,No.9图 6（b）为交联聚乙烯温度传播过程图。火源存在的阶段，由于交联聚乙烯的热导率较小，随着与火源距离的增加，相比于铜芯中心位置的温升趋势，交联聚乙烯存在明显的温升滞后现象。撤去火源后进入稳定燃烧阶段，交联聚乙烯温度逐渐上升。需要注意的是，B1处的温度存在突然增高的现象，这是由于此时挤包皱纹铝护套内部火焰蔓延至 B1处，导致其温度较其他位置温度明显升高。挤包皱纹铝护套内部火焰熄灭后，所有位置处的温度均降低，特别是 B1处的温度衰减速度最快。经过快速升温阶段后，在火源撤去之前已经出现了波动下降的趋势，说明 B1处的交联聚乙烯已经燃烧殆尽，此阶段所测得温度为空气温度（或燃烧时的火焰温度），这也与撤去火源后温度快速下降相吻合。图 6（c）和图 6（d）分别展示了填充材料以及外护套纵向温度的变化过程。由于两者间隔 2 mm 厚的挤包皱纹铝护套，并且火焰在挤包皱纹铝护套内部蔓延，而通过挤包皱纹铝向外护套传热，所以整体上填充材料温度略高于外护套温度。由于挤包皱纹铝护套厚度较小，两者温度变化趋势相差不大。在火源存在的阶段，由于填充材料或外护套的热导率较小，随着与火源距离的增加，温度变化存在明显的滞后现象。火源撤去后，外界热量补充减少，外护套处温度降低。火焰熄灭后，填充材料以及外护套温度再次降低。从温度曲线可以看出，C1、D1处外护套温度变化与填充层同步，同时注意到，在撤去火源阶段，温度达到峰值，并且在持续燃烧阶段，虽然温度有所下降，但整体仍在 100 以上。由图 6 可以看出，电缆内部燃烧引起的外部结构温升可能导致护套材料熔化。2.2.2横向温度传播过程图 7展示了 220 kV 电缆线芯、交联聚乙烯、填充材料以及外护套横向温度传播过程。图 7（a）图 7（f）分别展示了图 2（b）所示位置 1 处至位置 6 处的线芯、交联聚乙烯、填充材料以及外护套的温度情况。在外部火源存在的加热阶段，温度呈现由内向外逐渐降低的趋势，即温度由高到低排序为：电缆线芯、交联聚乙烯、填充材料、外护套。但这种趋势在稳定燃烧阶段存在一定的差异，B1交联聚乙烯的温度高于铜芯的温度，这是由于随着燃烧的进行，火焰蔓延至第 1个测点（距离火源 10 cm），并且热量主要由交联聚乙烯燃烧提供，所以 B1温度高于 A1。随着火焰熄灭，整体温度不断衰减。由于其高热阻，交联聚乙烯能起到一定热屏蔽作用，在测点 8位置交联聚乙烯温度达到峰值时间比铜芯晚 5 min 16 s，在横向截面方向上保证非过火区域的外护套结构完整。其他位置处不存在 B1温度高于 A1的情况，这是由于挤包皱纹铝护套内部燃烧深度为 15 cm，无法达到其他位置的测点。3结 论（1）高压电缆受热后，内部铜芯纵向不同位置处的升温响应时间基本一致；随着与火源距离的增加，温度损失量也逐渐增加，线芯、交联聚乙烯、填充材料以及外护套平均温度梯度分别为 2.125、1.938、1.688、1.375/cm。（2）普通电缆直径小（2.4 cm），通常也不具备铝护套时间/h450400350300250200150100500温度/熄灭阶段稳定阶段引燃阶段热电偶测点A1B1C1D1（a）1号位置300250200150100500温度/熄灭阶段稳定阶段引燃阶段热电偶测点A2B2C2D2（b）2号位置300250200150100500温度/熄灭阶段稳定阶段引燃阶段热电偶测点A3B3C3D3（c）3号位置1 2 3 4 5 6 71 2 3 4 5 6 71 2 3 4 5 6 795 min撤去火源263 min熄灭95 min撤去火源95 min撤去火源263 min熄灭263 min熄灭时间/h时间/h250200150100500温度/熄灭阶段稳定阶段引燃阶段热电偶测点A4B4C4D4（d）4号位置250200150100500温度/熄灭阶段稳定阶段引燃阶段热电偶测点A5B5C5D5（e）5号位置250200150100500温度/熄灭阶段稳定阶段引燃阶段热电偶测点A6B6C6D6（f）6号位置1 2 3 4 5 6 71 2 3 4 5 6 71 2 3 4 5 6 795 min撤去火源95 min撤去火源95 min撤去火源263 min熄灭263 min熄灭263 min熄灭时间/h时间/h时间/h图 7220 kV电缆线芯、交联聚乙烯、填充材料以及外护套横向温度传播图Fig.7Transverse temperature propagation diagram of 220 kV cable core,XLPE,filler material and outer sheath1190消防科学与技术2023年 9 月第 42 卷第 9 期等能够隔绝热对流及辐射的电缆结构，进而普通电缆燃烧更加充分。然而，加热高压电缆时，由于铝护套的存在，高压电缆外护套无法被引燃，仅线芯外侧交联聚乙烯绝缘层会燃烧，并向内蔓延一定距离，最终会由于空气不足以及散热量增加导致火焰熄灭。（3）火灾持续阶段，由于其高热阻，交联聚乙烯能起到一定热屏蔽作用，在横向截面方向上保证非过火区域的外护套结构完整。在纵向沿线方向上，随着与火源距离的增加，温度变化明显滞后于铜芯。（4）高压电缆交联聚乙烯绝缘部分受热后会形成熔融物，随着熔融物在电缆端口的不断累积，其所受重力大于其表面张力后会形成高温熔滴，滴落至地面。交联聚乙烯燃烧蔓延平均速度约为 3.6 cm/min。参考文献：1 孙青辉,舒中俊.桥架电缆火灾原因及防火对策研究J.武警学院学报,2008,24(12):60-63.2 王志.线缆绝缘材料热解特性与线缆燃烧及火蔓延行为研究D.合肥:中国科学技术大学,2020.3 NAKAGAWA Y.A comparative study of bench scale flammability properties of electric cables with different covering materialsJ.Journal of Fire Sciences,1998,16(3):179-205.4 李苗,刘敏,唐宝华,等.电缆隧道火灾分析及计算机模拟 J.消防科学与技术,2007,(6):603-607.5 罗夏,黄咸家,毕昆,等.开放和封闭空间内不同间隙的竖向电缆燃烧试验研究J.安全与环境学报,2017,17(3):975-979.6 BAKHMAN N N,ALDABAEV L I,KONDRIKOV B N,et al.Burning of polymeric coatings on copper wires and glass 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Electric Power Co.,Ltd.,Jiangsu Nanjing 210019,China;2.Jiangsu Power Design Institute Company,China Energy Engineering Group,Jiangsu Nanjing 211102,China)Abstract:In order to study the heat transfer mechanism and combustion characteristics of 220 kV highvoltage cables fire,a fullscale fire experiment was carried out.The internal temperature distribution and combustion phenomenon were recorded,and the longitudinal temperature propagation progress of cable cores,cross linked polyethylene(XLPE),filler materials and outer sheaths were analyzed.The results show that:there will be voids between the copper core and the extruded corrugated aluminum sheath during the combustion progress.After the high voltage cable was heated,the heating response time of the inner copper core at different longitudinal positions is basically the same.In addition,in the heating stage of the cable,the average temperature gradient of the core,cross linked polyethylene,filling material and outer sheath is 2.125,1.938,1.688 and 1.375/cm respectively.In the continuous stage of the fire,due to the poor thermal conductivity of XLPE,with the increasing distance from the fire source,there is an obvious hysteresis phenomenon in the temperature change,and the average speed of combustion spread of XLPE is about 3.6 cm/min.The XLPE insulation part of the highvoltage cable will melt when heated,and will accumulate at the cable end.When its gravity is greater than the surface tension,it will form hightemperature molten droplets,which are easy to ignite the combustibles.Key words:220 kV highvoltage cable;cable fire;heat transfer;combustion characteristic作者简介：于 唯（1986-），男，江苏南京人，国网江苏省电力有限公司南京供电分公司工程师，硕士，主要从事新型电力系统研究、建设与管理研究，江苏省南京市建邺区奥体大街 1号，210019。通信作者：仪 涛（1984-），男，江苏南京人，中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司高级工程师，主要从事高压输电线路及高压电缆线路设计安全研究。收稿日期：2023-01-09（责任编辑：董里）1191