过负荷PVC导线发热及引燃特性研究

　　摘要：为研究导线在过负荷状态下的发热和引燃特性，利用实验台模拟不同环境条件，对不同材质和截面积的导体，在无可燃物和周围有碎纸和棉花的条件下，进行了试验研究。结果表明，导线在周围有无可燃物的时候，温升曲线均符合单指数函数变化趋势，最终平衡温度总体上对应过负荷倍数分为4或5个阶段，1.5mm2铜导线的温度均高于同条件下其他导线。在无可燃物时，拟合函数的参数与过负荷电流倍数呈线性关系;在有可燃物时，则成二次多项式和三次多项式关系。在有可燃物时，同条件下导线的最后温升均高于无可燃物条件，除1.5mm2铜导线因为引燃纸屑而温度最高外，其余均为4Ie下棉花包裹时温度最高，棉花最终均未明火燃烧，仅出现阴燃现象。研究结论可以为过负荷类电气火灾的预防和火场复原以及火灾调查提供参考。

　　关键词：过负荷;导线;发热特性;引燃能力

　　导线在过负荷时，线芯温度超过长期允许温度，绝缘层老化加速，甚至引起击穿和起火，进而引燃周围可燃物，导致火灾。对于过负荷导体发热及引燃情况，蔡晓宇等对过负荷后导线的绝缘层热解情况进行了研究。李培祥等研究了聚氯乙烯导线绝缘层在老化和油污等环境条件下，导体的过负荷、短路时的引燃性能。魏全喜对不同情况下导线载荷能力进行了估算。姜航等对不同粗细的单芯铜导线在不同倍数过负荷电流条件下，导线对聚氨酯泡沫的引燃能力进行了实验。张金专等对过负荷时间和倍数对铜导线金相组织的影响进行了研究。

　　王蔚对聚氯乙烯电缆绝缘层在起火后的情况，利用热重、锥形量热仪以及实体试验对绝缘层的热解燃烧和火蔓延情况进行了研究。在实际情况中，当周围散热条件正常时，导线往往需要在超过3倍额定电流时才能引起火灾;但是当周围的散热条件较差时，由于蓄热效应，导线在较低负载时就能引燃周围可燃物，导致火灾发生。本文将通过分析常见导线在不同负载电流时，周围有无可燃物情况下的升温情况，以及导线和周围可燃物的变化情况，来研究蓄热效应对导线发热特性的影响，为过负荷火灾的预防和调查提供参考。

　　1实验部分

　　1.1实验材料

　　截面积为1.5、2.5、4.0mm2的聚氯乙烯单芯铜导线、截面积为2.5mm2的聚氯乙烯单芯铝导线、纸屑、棉花。

　　1.2实验条件及方法

　　采用过负荷实验台研究导体在有可燃物和无可燃物时的发热特性，以及对可燃物的引燃能力。实验时，取约1m长导线，在导体距离末端3、30、50cm处设置热电偶，根据需要在导体周围设置可燃物。连接好电路后，在导体上分别加载额定电流Ie的1~4倍，每隔10s采集一次导体温度值，当导线断裂或可燃物明火燃烧时停止采集。

　　2导体的发热特性分析

　　2.1裸导体的发热特性分析

　　其他截面积导体在不同电流过负荷时，在相同的温度段有类似的现象，在此不重复列出。从导线过负荷发热的现象可以发现，在较低温度时，导线表面变化不大。导线所产生的热量一部分通过对流作用散发到周围空气中，一部分用于提高绝缘层的温度。

　　当导体温度达到80℃附近时，导线绝缘层材料开始软化变形，并产生白色有刺激性气体。这是因为绝缘层聚氯乙烯材料此时在热量的作用下，发生了形成自由基的断链反应，同时伴随有加速分解的自催化作用。在200℃附近时，绝缘层开始熔融分解，出现鼓泡、局部变黑、熔融滴落等现象。导体温度达到300℃附近时，绝缘层部分完全碳化，部分熔融脱落，线芯裸露;当导体温度进一步升高时，线芯发亮红或断裂。对于导体在发热过程中温度变化情况，整理温度-时间曲线图后，取温度较高、变化趋势异常点少的一条作为真实值进行研究。

　　导体在通过不同电流值的情况下，其温度一开始上升较快，之后趋于平稳。这是因为导体中通过电流时会发热，使自身温度上升，导体自身电阻随温度上升而增大。在保持两端附加电压不变的情况下，电流会逐渐减小，从而导体发热量减小，温度上升速度减慢。对于各导线所达到的最终平衡温度，从高到低大体上可以分为5个区间。

　　在附近有可燃物的时候，负载电流为Ie下的1.5mm2铜导线温度最高，在棉花包裹时为75.2℃，达到导线绝缘层的热分解温度;在纸屑覆盖时则达到101.1℃，能够使赛璐珞、麻等物质开始分解，具备一定的火灾危险性。当负载电流增大到2Ie时，导体表面温度处于121.8~255.9℃之间，能够达到大多数纤维类物质的热分解温度，在一定的条件下，将会产生小分子可燃物，并发热，促进温度的进一步升高。达到最高温度所需的时间，均低于同条件时Ie下的时间。

　　其中，棉花覆盖时时间最长，为450s，远低于Ie下的750s，火灾危险性明显增大。当负载电流为4Ie时，各导线在棉花包裹时达到的温度最高，在571.8~688.4℃之间，其中4mm2铜导线温度最高，能够引燃绝大多数可燃物，但相对所用时间也最长，为640s，这可以为探测报警提供反应和辨识时间;4Ie下纸屑覆盖时相对温度较低，在283.8~658.1℃之间，但所用时间缩短了很多，比如2.5mm2铝导线仅用90s，火灾危险性明显增大。

　　3结论

　　本文对不同截面积的聚氯乙烯单芯铜导线和铝导线，在周围有无可燃物的条件下，研究了其不同负载电流时的发热特性，主要结论如下。

　　(1)周围无可燃物时，导线温度在80℃附近时，聚氯乙烯绝缘层开始软化变形，并有刺激性气体产生。之后，随着温度的升高，发生绝缘材料鼓泡、局部变黑、熔融滴落等现象。当达到300℃以上时，线芯逐渐裸露、发亮红。

　　(2)周围无可燃物时，导体的温度-时间曲线最终稳定温度与负载电流倍数相对应，总体分为5个区间。其中1.5mm2的铜导线由于电阻相对其他导线最大，在相同条件下均最高。所有导体的温度-时间曲线变化规律符合y=A1exp(-x/t1)+y0函数，拟合方程参数与负载电流倍数成直线关系。导线在3Ie电流时，温度均高于130℃，火灾危险性明显增大。

　　(3)当导线被纸屑覆盖时，在160℃附近，有明显刺激性白色烟雾产生，纸屑内层开始阴燃;随着温度的升高，纸屑阴燃程度加深，伴有黄色浓烟产生;在约600℃时，纸屑局部开始明火燃烧。在棉花包裹时，棉花层在300℃附近表层开始发黄，随着温度的升高，棉花层阴燃加剧，颜色由黄变黑，但直至导线断裂，也未出现明火燃烧现象。

　　(4)当导线被纸屑覆盖和棉花包裹时，其温升曲线同样可依据负载电流倍数分为4个区间。除1.5mm2铜导线在4Ie下纸屑覆盖时，由于纸屑被快速引燃而温度急剧升高成为最高值外，其他几种导线均在4Ie下棉花包裹时的最终温度最高，在其他电流值下也高于纸屑覆盖值。棉花包裹时，由于棉花的放热反应，使温升曲线出现拐点，拐点对应温度值随导线线芯发热率的增大而降低。

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　　(5)导线在纸屑覆盖和棉花覆盖时，其温升曲线同样符合单指数函数，方程的各参数中y0值和A1值随着加载电流倍数的增大而成二次函数形式分别增大和减小，t1值则呈现出先降后升的趋势，在拟合范围内符合三次函数形式变化。相对裸导体，导线温度在同等电流之下明显升高，Ie下的1.5mm2铜导线在棉花包裹时就已达到绝缘层热分解温度;在4Ie下纸屑覆盖时在210s内温度超过280℃，在棉花包裹时，其最高温度在571.8℃以上，能够引燃大多数可燃物，火灾危险性明显增大。

　　参考文献：

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　　作者：郭子东