火灾下耐火电缆的电热耦合场研究范文

摘要:耐火电缆在建筑领域越来越受到重视，火灾工况下耐火电缆必须具备绝缘完整性、线路压降不能超过阈值，目前对于耐火电缆在火灾工况下的电压降尚无计算方法。研究了火灾工况下耐火电缆的电-热耦合场，建立了导体温升和电压降的理论模型，可以为耐火电缆设计和消防设计提供参考。

关键词:耐火电缆;电热耦合场;导体温升;电压降 

引言

近年来建筑领域发生了一系列火灾事故，给国家和人民带来了严重的生命财产损失，其中电气火灾占据了很大比例，而电线电缆是引起电气火灾的重要火灾源，所以电线电缆的耐火性能至关重要。耐火电缆具有耐火焰灼烧、低烟无卤、安全可靠等特点，是火灾情况下安全等级最高的电缆［1-2］。对耐火电缆而言，要保证火灾工况下应急负载正常工作，必须同时满足两点要求:(1)电缆绝缘保持完好，不发生击穿;(2)线路压降不能超过阈值。在火灾工况下，耐火电缆的绝缘完好性可以通过耐火试验进行验证，而耐火电缆的电压降尚无理论计算和试验方法，容易被人们所忽视，从而带来严重的安全隐患。本文对火灾工况下耐火电缆导体温升现象进行了研究，建立导体温升和电压降的理论模型，可以为耐火电缆设计和消防设计提供参考。

1理论建模

火灾工况下，导体中流过应急负载电流，产生焦耳热，此时电缆外表面受到火焰灼烧，其温度远高于内部导体，焦耳热不仅无法向外散发，还会受到自外向内的传导热。在焦耳热和传导热的叠加作用下导体温度升高，导体温升导致电阻增加，从而加剧焦耳热，最终导致焦耳热———导体温升的循环，这就是火灾工况下耐火电缆中的电-热耦合场。根据上述分析，单位长度电缆的热流平衡方程［3］可表示为:焦耳热+传导热=导体温升吸收的热量，即:I2R20［1+α(θc－20)］dt+(θs－θc)/(T1+T2+T3+T4)dt=CvSdθc(1)式中:I为火灾工况下的负载电流(A);α为导体温度系数，铜导体取0.00393;R20为20℃时的导体直流电阻(Ω/m);θs、θc分别为火焰温度、电缆导体温度(℃);T1、T2、T3、T4分别为绝缘热阻、内护套热阻、外护套热阻和空气热阻(K•m/W);Cv为导体体积比热容系数，对于铜导体，取3.5×106J/(m3•K);S为导体截面积(m2)。令A=I2R20(1－20α)+θs/(T1+T2+T3+T4)，B=I2R20α－1/(T1+T2+T3+T4)，则式(1)可以简化为:式中:θt为t时刻的导体温度(℃);θ0为导体初始温度(℃)。根据式(6)，可得到耐火电缆在火灾工况下任意时刻的导体温度，进而求得导体交流电阻R:R=R20［1+α(θt－20)］(1+Ys+Yp)(7)式中:Ys、Yp分别为导体的集肤效应因数和临近效应因数，可根据JB/T10181.1进行计算。最终得到线路的电压降ΔU:ΔU=I×R(8)

2理论计算

以型号为BTTZ0.6/1kV1×150的耐火电缆［2，4-5］为例，假设:(1)正常工况下，导体最高工作温度为90℃，环境温度为40℃，额定载流量I0=400A，耐火绝缘层、隔氧层、外护套的热阻系数均为3.5K•m/W;(2)火灾工况下，导体初始温度θ0=40℃，应急载流量I=0.5I0=200A，火焰温度θs=750℃。计算了火灾工况下导体温升和电压降曲线，如图1所示。由图1可知:(1)在600s内，导体温升和电压降都近似呈线性增长，导体快速温升至600℃，导体电压降达到0.0815V/m，此时电缆内外温差较大，热传导速率较快;(2)当供火时间超过600s，导体温升和电压降的增长速度趋缓，导体温升逐步稳定在750℃，导体电压降逐步稳定在0.098V/m，此时电缆内外温差逐步减小，热传导逐渐减缓，直至内外温度相同，电缆达到热平衡。上述计算过程中，假设整根电缆完全受火焰灼烧，且沿导体两端没有散热，而实际上往往只有局部电缆受火，因此耐火试验和实际火灾下测得的温度会低于理论计算值。

3结论

(1)在火灾工况下，耐火电缆导体温升的热量来自导体电阻发热和外界热传导，温升过程由电-热耦合场决定;

(2)刚开始受火时，导体温升和电压降都近似呈线性增长，此时电缆内外温差较大，热传导速率较快;

(3)当受火时间超过一定范围时，导体温升和电压降的增长速度趋缓，此时电缆内外温差逐步减小，热传导逐渐减少，直至内外温度相同，电缆达到热平衡。

参考文献:

［1］住房和城乡建设部建筑电气标准化技术委员会．额定电压0.6/1kV及以下金属护套无机矿物绝缘电缆及终端:JG/T313—2014［S］．

［2］李治，任虹光，曹永刚，等．浅析不同类型防火电缆载流量［J］．电线电缆，2018(1):44-46．

［3］卓金玉．电力电缆设计原理［M］．北京:机械工业出版社，1999．

［4］马国栋．电线电缆载流量［M］．北京:中国电力出版社，2003．

［5］全国电线电缆标准化技术委员会．电缆载流量计算:JB/T10181.1-6—2000［S］．北京:中国标准出版社.

作者：任虹光 万育萍 刘威 田凤军 郑建平 王登锋 单位：江苏亨通电力电缆有限公司