火災下耐火電纜的電熱耦合場研究范文

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摘要:耐火電纜在建筑領域越來越受到重視，火災工況下耐火電纜必須具備絕緣完整性、線路壓降不能超過閾值，目前對于耐火電纜在火災工況下的電壓降尚無計算方法。研究了火災工況下耐火電纜的電-熱耦合場，建立了導體溫升和電壓降的理論模型，可以為耐火電纜設計和消防設計提供參考。

關鍵詞:耐火電纜;電熱耦合場;導體溫升;電壓降 

引言

近年來建筑領域發生了一系列火災事故，給國家和人民帶來了嚴重的生命財產損失，其中電氣火災占據了很大比例，而電線電纜是引起電氣火災的重要火災源，所以電線電纜的耐火性能至關重要。耐火電纜具有耐火焰灼燒、低煙無鹵、安全可靠等特點，是火災情況下安全等級最高的電纜［1-2］。對耐火電纜而言，要保證火災工況下應急負載正常工作，必須同時滿足兩點要求:(1)電纜絕緣保持完好，不發生擊穿;(2)線路壓降不能超過閾值。在火災工況下，耐火電纜的絕緣完好性可以通過耐火試驗進行驗證，而耐火電纜的電壓降尚無理論計算和試驗方法，容易被人們所忽視，從而帶來嚴重的安全隱患。本文對火災工況下耐火電纜導體溫升現象進行了研究，建立導體溫升和電壓降的理論模型，可以為耐火電纜設計和消防設計提供參考。

1理論建模

火災工況下，導體中流過應急負載電流，產生焦耳熱，此時電纜外表面受到火焰灼燒，其溫度遠高于內部導體，焦耳熱不僅無法向外散發，還會受到自外向內的傳導熱。在焦耳熱和傳導熱的疊加作用下導體溫度升高，導體溫升導致電阻增加，從而加劇焦耳熱，最終導致焦耳熱———導體溫升的循環，這就是火災工況下耐火電纜中的電-熱耦合場。根據上述分析，單位長度電纜的熱流平衡方程［3］可表示為:焦耳熱+傳導熱=導體溫升吸收的熱量，即:I2R20［1+α(θc－20)］dt+(θs－θc)/(T1+T2+T3+T4)dt=CvSdθc(1)式中:I為火災工況下的負載電流(A);α為導體溫度系數，銅導體取0.00393;R20為20℃時的導體直流電阻(Ω/m);θs、θc分別為火焰溫度、電纜導體溫度(℃);T1、T2、T3、T4分別為絕緣熱阻、內護套熱阻、外護套熱阻和空氣熱阻(K•m/W);Cv為導體體積比熱容系數，對于銅導體，取3.5×106J/(m3•K);S為導體截面積(m2)。令A=I2R20(1－20α)+θs/(T1+T2+T3+T4)，B=I2R20α－1/(T1+T2+T3+T4)，則式(1)可以簡化為:式中:θt為t時刻的導體溫度(℃);θ0為導體初始溫度(℃)。根據式(6)，可得到耐火電纜在火災工況下任意時刻的導體溫度，進而求得導體交流電阻R:R=R20［1+α(θt－20)］(1+Ys+Yp)(7)式中:Ys、Yp分別為導體的集膚效應因數和臨近效應因數，可根據JB/T10181.1進行計算。最終得到線路的電壓降ΔU:ΔU=I×R(8)

2理論計算

以型號為BTTZ0.6/1kV1×150的耐火電纜［2，4-5］為例，假設:(1)正常工況下，導體最高工作溫度為90℃，環境溫度為40℃，額定載流量I0=400A，耐火絕緣層、隔氧層、外護套的熱阻系數均為3.5K•m/W;(2)火災工況下，導體初始溫度θ0=40℃，應急載流量I=0.5I0=200A，火焰溫度θs=750℃。計算了火災工況下導體溫升和電壓降曲線，如圖1所示。由圖1可知:(1)在600s內，導體溫升和電壓降都近似呈線性增長，導體快速溫升至600℃，導體電壓降達到0.0815V/m，此時電纜內外溫差較大，熱傳導速率較快;(2)當供火時間超過600s，導體溫升和電壓降的增長速度趨緩，導體溫升逐步穩定在750℃，導體電壓降逐步穩定在0.098V/m，此時電纜內外溫差逐步減小，熱傳導逐漸減緩，直至內外溫度相同，電纜達到熱平衡。上述計算過程中，假設整根電纜完全受火焰灼燒，且沿導體兩端沒有散熱，而實際上往往只有局部電纜受火，因此耐火試驗和實際火災下測得的溫度會低于理論計算值。

3結論

(1)在火災工況下，耐火電纜導體溫升的熱量來自導體電阻發熱和外界熱傳導，溫升過程由電-熱耦合場決定;

(2)剛開始受火時，導體溫升和電壓降都近似呈線性增長，此時電纜內外溫差較大，熱傳導速率較快;

(3)當受火時間超過一定范圍時，導體溫升和電壓降的增長速度趨緩，此時電纜內外溫差逐步減小，熱傳導逐漸減少，直至內外溫度相同，電纜達到熱平衡。

參考文獻:

［1］住房和城鄉建設部建筑電氣標準化技術委員會．額定電壓0.6/1kV及以下金屬護套無機礦物絕緣電纜及終端:JG/T313—2014［S］．

［2］李治，任虹光，曹永剛，等．淺析不同類型防火電纜載流量［J］．電線電纜，2018(1):44-46．

［3］卓金玉．電力電纜設計原理［M］．北京:機械工業出版社，1999．

［4］馬國棟．電線電纜載流量［M］．北京:中國電力出版社，2003．

［5］全國電線電纜標準化技術委員會．電纜載流量計算:JB/T10181.1-6—2000［S］．北京:中國標準出版社.

作者：任虹光 萬育萍 劉威 田鳳軍 鄭建平 王登鋒 單位：江蘇亨通電力電纜有限公司