水平地面上过电流多股铜导线起火燃烧过程_刘威.pdf

收稿日期：基金项目：河北省自然科学基金项目“过电流聚氯乙烯铜导线燃烧行为演化规律及反演模型研究”（）；中国人民警察大学实验创新平台课题“基于电气故障间转化机理的痕迹鉴别技术研究”（）作者简介：刘威（），男，甘肃景泰人，在读硕士研究生；林庆文（），男，黑龙江穆棱人，在读硕士研究生；吴冠霖（），男，河南驻马店人，在读硕士研究生；李阳（），男，河北廊坊人，副教授，博士，通讯作者。消防理论研究水平地面上过电流多股铜导线起火燃烧过程刘 威，林庆文，吴冠霖，李 阳中国人民警察大学 研究生院；物证鉴定中心，河北 廊坊 摘 要：为研究水平地面上多股铜导线发生过电流故障时的火灾规律，模拟多股铜导线在不同电流值条件下的过电流故障，利用高速影像及视频截帧技术，研究导线线芯发热、熔断、电弧引燃及绝缘层燃烧规律，量化燃烧过程中火焰传播特征，借助红外热像仪分析导线升温过程。结果表明：电流 时导线不会出现线芯熔断现象，时导线熔断时间越来越短，且导线熔断是绝缘层起火燃烧的必要条件；断路电弧引燃后，火焰由向导线一端蔓延逐渐变化为向两端蔓延，时火焰传播距离为 ；火焰平均速率随着电流值的变化无明显规律，时火焰平均速率最大为 。研究结果可为调查此类火灾提供一定参考。关键词：过电流故障；火灾调查；起火燃烧规律；火灾危险性中图分类号：文献标志码：文章编号：（）引言 年，我国共发生火灾 万起，其中电气火灾 万起，占 ，这些电气火灾首先点燃的物品 是导线。导线短路、过电压、过负荷等原发性故障多以过电流形式表现出来，因此过电流故障在火场中十分常见。多股铜导线是家用电器常用连接线，其故障引发火灾时有发生，故有必要对其火灾危险性进行深入研究。然而，现有研究多针对悬空状态下的多股铜导线，对契合实际工况的水平地面布置多股铜导线过电流故障燃烧现象和蔓延规律的研究鲜有报道。因此，本文将研究水平地面上多股铜导线发生过电流故障时的燃烧过程。目前关于导线过电流故障形成过程的研究主要集中在导线过电流故障痕迹的形成机理及导线绝缘层的燃烧。认为导线通过高倍电流时会出现一个或多个熔断点，且伴有断路电弧出现。综述了导线绝缘层燃烧性能的各种评价标准和方法。等研究了导线规格和绝缘层厚度、内部温度和样品取向对绝缘层燃烧性能的影响。等建立了数学模型来描述铜导线在微重力作用下绝缘层的燃烧特征。等用高速摄像机研究了无绝缘单芯铜导线过电流熔断点处电弧熔痕的特征。通过综述典型电气故障致使导线绝缘层起火的过程，指出在低压配电系统中导线绝缘层也会破裂，易引发室内电气火灾。汪凯根据换热相似原理，研究了过电流条件下压力和窄通道高度对导线绝缘层着火特性的影响。等研究过载故障时铜导线线芯的发热过程及消防理论研究 绝缘层的热解失效机理，提出在过载过程中会出现绝缘层发烟、线芯变红、线芯熔断三个阶段。等 研究了过电流聚氯乙烯导线燃烧时火焰蔓延和绝缘的滴落行为，并建立了理论燃烧简化模型。周广英等研究了单股铜导线过电流故障痕迹的形成规律。刘玲等研究了火场条件下多股铜导线过电流故障的痕迹特征。王博等研究了 单芯铜导线过电流熔断痕迹的形成过程，得出导线绝缘燃烧是结疤熔痕形成的必要条件。王朴真等研究了过电流倍数对多股铜导线故障的影响。曾巳恒等研究了火场冷却条件对铝导线过电流熔痕的影响。林庆文等研究了铜包铝导线在不同过电流值条件下线芯发热及绝缘燃烧现象。综上，目前国内外关于过电流故障的相关研究，以研究导线绝缘燃烧特征及机理为主，而对其燃烧程度、燃烧过程及燃烧后火焰蔓延规律研究较少。为此，本文将不同电流值加载于多股铜导线，分析其过电流故障高速影像，利用红外热像仪对升温过程进行观察，并量化火焰传播特征，为准确识别火场中水平地面多股铜导线过电流故障提供参考。多股铜导线过电流故障模拟试验 试验材料与仪器试验材料：多股铜导线（天津正泰公司生产），绝缘层材料为，线芯数量 个，线芯直径 ，绝缘层厚度 ，绝缘层面积，额定电流 。试验仪器：电气火灾故障模拟及痕迹制备装置（中国人民警察大学自制），可采集导线电流、电压，采集频率 ，通过控制电流大小制备过电流样品。型数码照相机，用于记录导线宏观现象，计算导线燃烧起始时间及持续时间。高速摄像机，分辨率 ，采样速率为 ，用于记录过电流故障导线变化过程中的瞬间现象，再通过截帧技术截取导线开始发烟、变形、炭化及熔断的具体时间并进行分析总结。红外热像仪，像素 ，适用长波红外光谱范围（），用于分析记录导线从发烟到燃烧结束整个过程的温度变化。过电流故障试验过程试验装置如图 所示，截取长度为 的单根多股铜导线，两端各剥去长 的绝缘层。用试验装置上的电焊把将导线水平固定，在导线下方放置载物平台，在平台表面铺放瓷砖，使其紧挨导线，模拟导线水平地面布置条件。选取适当位置架设数码照相机和高速摄像机。以 为一个增长区间逐步升高多股铜导线电流值，使导线通过 的过电流，每种电流值条件下进行 次平行试验，记录多股铜导线发热及绝缘燃烧过程，每次试验以导线稳定或者不再出现变化作为结束。图 试验装置示意图 试验结果与分析 未燃烧的过电流导线发热过程分析图 为 过电流条件下多股铜导线绝缘发热变形过程，时绝缘层开始受热膨胀并且发烟，时绝缘层开始炭化，大量白色烟气挥发在导线上方，线芯发光发热，时线芯裸露程度进一步加深。图 为不同电流值条件下导线变化规律，时导线不会出现突破绝缘及炭化现象，时导线发烟起始时间由 缩短至，突破绝缘时间由 缩短至 ，炭化起始时间由 缩短至 ，导线会发生发烟、变形炭化及线芯发光发热等现象，不会发生熔断现象。对图 分析可知：发生过电流故障时，随着电流值逐渐增大，线芯持续升温并且积聚热量，同时导线发热功率随之升高，高温会使线芯整体强度下降、可塑性增强。由于电流具有趋附效应，使得线芯表面金属在固液两相之间不断转变，同时由于线芯与绝缘层之间相互接触且存在一定温度差，使得两者之刘 威，等：水平地面上过电流多股铜导线起火燃烧过程间不断发生热传导，绝缘层不断吸收热量且温度逐渐升高，达到自身热解温度时便开始热分解，随后出现发烟、收缩、膨胀起泡、局部炭化等现象，并且伴随大量热解烟气产生。热解气体在导线周围大量聚集且与空气充分混合后，产生大量具有一定温度且可燃的预混气体层。随着电流值的增大，导线升温速率和热破坏速率加大，同一时间点电流值越大升温越快，表现为发烟起始时间、突破绝缘时间、炭化起始时间均与电流值呈负相关关系。图 过电流 条件下导线变化情况图 不同电流值条件下导线变化规律 断路电弧引燃过程分析图 为 过电流条件下多股铜导线产生断路电弧引发绝缘层燃烧过程，时导线开始多处发烟，同时产生大量白色预混气体，时绝缘层开始炭化，时导线熔断产生断路电弧引起绝缘层燃烧。图 为不同电流值条件下导线燃烧起始、持续时间，时导线在 左右开始快速发烟，绝缘层迅速凝聚为黑色黏状物，时导线熔断，瞬间产生电弧，引起小范围燃烧，燃烧持续时间为 ，时燃烧起始时间由 缩短为 ，燃烧持续时间由 增长为 。对图 中燃烧起始时间、持续时间进行函数拟合，以预测导线在其他电流值条件下的燃烧时间、持续时间。多股铜导线过电流故障燃烧起始时间预测经验模型如式（）所示，其拟合度达到 。（）式中：为多股铜导线过电流故障燃烧起始时间，；为多股铜导线过电流值，。分析图 拟合曲线可知：电流条件下燃烧起始时间较长为，主要是因为 过电流条件下，导线温度持续升高但其升温速率较慢，当温度升高到一定值时，其发热功率大于散热功率，随后发热功率继续升高，使得导线最终熔断产生断路电弧，引起燃烧。电流条件下断路电弧产生的电弧能量较高，能够瞬间引燃导线周围的预混气体，能量得到迅速释放，因此火焰持续时间比较短。随着电流值的增大，导线燃烧起始时间逐渐减小，时，火焰扩散速率最快，引燃周围预混气体的时间最短，故而燃烧持续时间最长。时，由于电流值大，线芯在极短时间内被迅速氧化，同时线芯与绝缘层间的热传导时间也较短，未产生足够多的热解气体，加之冷空气的对流作用，因此燃烧持续时间逐渐变小。导线过电流升温过程分析不同电流值条件下导线升温过程如图 所示，时导线在 之前升温较为平稳，主要是因为电流值较低，线芯发热量较少，热量聚集相对较慢。随着时间增加，内部线芯热量持续加快聚集，升温速率也加快并瞬间引燃导线周围的预混气体，火焰开始燃烧，随后温度持续升高，最高温度达。时导线升温过程趋于相同，导线升温速率逐渐增大，由于预混气体瞬间燃烧加速导线绝缘层的热分解，电流值越大，绝缘层热分解越快，因而升温速率进一步加大。时导线升温速率变化不同于之前，升温速率更快。主要是因为电流值更大，热量聚集加快，绝缘层热分解时间更短，火焰完全扩散的时间更短，即引燃周围预混气体所用时间更短，因此导线升温速率加快。消防理论研究时温度最高达 。图 过电流 条件下导线燃烧过程图 不同电流值条件下导线燃烧起始、持续时间图 导线升温过程随电流值变化规律 导线绝缘层燃烧过程分析不同电流值条件下导线绝缘层燃烧现象如图 所示，时导线仅线芯发热冒烟，绝缘层无燃烧现象，时产生断路电弧引起导线绝缘层小范围燃烧，时断路电弧引燃后的火焰会蔓延至导线左端，时导线全线燃烧。不同过电流值条件下火焰传播距离如图 所示，时线芯发热能力不强，绝缘层热解产物较少，热解产物与空气混合后形成的预混气体只在导线局部分布，因而断路电弧引燃预混热解气体后，没有足够多预混气体作为燃料供给燃烧，无法生成新的火焰前沿，所以火焰无法向水平方向进行全线传播，火焰只能延径向传播，维持小范围燃烧，火焰传播距离较短为 。时，由于电流较大，线芯发热功率增大，热量聚集增多，断路电弧能量较高，所以火焰蔓延范围增大，由小范围燃烧蔓延为局部燃烧。时，具有足够热解强度的线芯可使预混气体沿整根导线分布，所以断路电弧引燃导线形成火焰后，火焰可沿预混气体向全线进行传播，同时绝缘层作为燃料维持燃烧，最终形成全线燃烧现象，这时火焰传播距离为 。图 导线绝缘层燃烧现象图 不同电流值条件下火焰传播距离 不同电流值条件下火焰平均速率统计如图 所示，导线在发生过电流故障时其火焰平均速率无规律性，主要原因是不同电流条件下绝缘层破坏程度不同，烟气突破绝缘位置不同，断路电弧产生后的火焰传播方向与距离也不同，预混气体浓度不同。时，火焰平均速率减小主要是因为此时火焰传播时间短，与空气产生预混气体较少，绝缘层破坏刘 威，等：水平地面上过电流多股铜导线起火燃烧过程少。时导线升温速率加快，火焰传播距离较长，预混气体浓度较高，绝缘层破坏大，所以平均速率加快。时火焰平均速率最大为 ，此时火灾蔓延及引燃能力最强。此后，随着电流值的增大，火焰在传播过程中在绝缘层上会产生多个分布点，且由于火焰传播方向与传播距离不同，最终出现火焰平均速率升高与下降的变化。图 不同电流值条件下火焰平均速率 结论借助高速摄像机、数码照相机、红外热像仪等，研究了水平地面多股铜导线发生过电流故障时的燃烧过程，得到以下结论：（）时导线不会发生线芯熔断现象，时导线熔断时间越来越短，由 时的平均 降为 时的 ，导线熔断是导线燃烧的必要条件。（）随着电流值的增大，导线燃烧持续时间较为稳定，燃烧起始时间逐渐变短，时起始时间最短为 ，易发生故障较快引发火灾。（）时断路电弧引燃绝缘层产生小范围燃烧。时断路电弧引燃后的火焰蔓延方向由导线的一端逐渐变为向两端蔓延，时火焰传播距离为 。火焰平均速率变化无明显规律，时速率最大为 ，此时火灾蔓延及引燃能力最强。参考文献：年全国火灾情况 消防界（电子版），（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：汪凯 弱浮力下过载电流时导线绝缘层着火先期特性的研究 北京：中国科学院研究生院，：，：，：周广英，李阳 单股铜导线过电流故障痕迹形成规律研究 武警学院学报，（）：刘玲，李阳，曹怀锋 基于 的多股铜导线过电流故障鉴别研究 热加工工艺，（）：王博，李阳，司永轩，等 单芯铜线过电流熔断痕迹形成过程 消防科学与技术，（）：王朴真，吴凡，李若铭，等 过电流倍数对多股铜导线故障的影响研究 武警学院学报，（）：曾巳恒，刘玲，李若铭 火场冷却条件对铝导线过电流熔痕的影响研究 武警学院学报，（）：林庆文，王鑫玉，李阳，等 过电流铜包铝导线线芯发热及绝缘燃烧规律研究 消防科学与技术，（）：（下转第 页）消防理论研究 ，；，；，：，：，：；（责任编辑 李 蕾）（上接第 页），；，：，：；（责任编辑 马 龙）