摘要：為研究導(dǎo)線在過負荷狀態(tài)下的發(fā)熱和引燃特性，利用實驗臺模擬不同環(huán)境條件，對不同材質(zhì)和截面積的導(dǎo)體，在無可燃物和周圍有碎紙和棉花的條件下，進行了試驗研究。結(jié)果表明，導(dǎo)線在周圍有無可燃物的時候，溫升曲線均符合單指數(shù)函數(shù)變化趨勢，最終平衡溫度總體上對應(yīng)過負荷倍數(shù)分為4或5個階段，1.5mm2銅導(dǎo)線的溫度均高于同條件下其他導(dǎo)線。在無可燃物時，擬合函數(shù)的參數(shù)與過負荷電流倍數(shù)呈線性關(guān)系;在有可燃物時，則成二次多項式和三次多項式關(guān)系。在有可燃物時，同條件下導(dǎo)線的最后溫升均高于無可燃物條件，除1.5mm2銅導(dǎo)線因為引燃紙屑而溫度最高外，其余均為4Ie下棉花包裹時溫度最高，棉花最終均未明火燃燒，僅出現(xiàn)陰燃現(xiàn)象。研究結(jié)論可以為過負荷類電氣火災(zāi)的預(yù)防和火場復(fù)原以及火災(zāi)調(diào)查提供參考。

　　關(guān)鍵詞：過負荷;導(dǎo)線;發(fā)熱特性;引燃能力

　　導(dǎo)線在過負荷時，線芯溫度超過長期允許溫度，絕緣層老化加速，甚至引起擊穿和起火，進而引燃周圍可燃物，導(dǎo)致火災(zāi)。對于過負荷導(dǎo)體發(fā)熱及引燃情況，蔡曉宇等對過負荷后導(dǎo)線的絕緣層熱解情況進行了研究。李培祥等研究了聚氯乙烯導(dǎo)線絕緣層在老化和油污等環(huán)境條件下，導(dǎo)體的過負荷、短路時的引燃性能。魏全喜對不同情況下導(dǎo)線載荷能力進行了估算。姜航等對不同粗細的單芯銅導(dǎo)線在不同倍數(shù)過負荷電流條件下，導(dǎo)線對聚氨酯泡沫的引燃能力進行了實驗。張金專等對過負荷時間和倍數(shù)對銅導(dǎo)線金相組織的影響進行了研究。

　　王蔚對聚氯乙烯電纜絕緣層在起火后的情況，利用熱重、錐形量熱儀以及實體試驗對絕緣層的熱解燃燒和火蔓延情況進行了研究。在實際情況中，當周圍散熱條件正常時，導(dǎo)線往往需要在超過3倍額定電流時才能引起火災(zāi);但是當周圍的散熱條件較差時，由于蓄熱效應(yīng)，導(dǎo)線在較低負載時就能引燃周圍可燃物，導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生。本文將通過分析常見導(dǎo)線在不同負載電流時，周圍有無可燃物情況下的升溫情況，以及導(dǎo)線和周圍可燃物的變化情況，來研究蓄熱效應(yīng)對導(dǎo)線發(fā)熱特性的影響，為過負荷火災(zāi)的預(yù)防和調(diào)查提供參考。

　　1實驗部分

　　1.1實驗材料

　　截面積為1.5、2.5、4.0mm2的聚氯乙烯單芯銅導(dǎo)線、截面積為2.5mm2的聚氯乙烯單芯鋁導(dǎo)線、紙屑、棉花。

　　1.2實驗條件及方法

　　采用過負荷實驗臺研究導(dǎo)體在有可燃物和無可燃物時的發(fā)熱特性，以及對可燃物的引燃能力。實驗時，取約1m長導(dǎo)線，在導(dǎo)體距離末端3、30、50cm處設(shè)置熱電偶，根據(jù)需要在導(dǎo)體周圍設(shè)置可燃物。連接好電路后，在導(dǎo)體上分別加載額定電流Ie的1~4倍，每隔10s采集一次導(dǎo)體溫度值，當導(dǎo)線斷裂或可燃物明火燃燒時停止采集。

　　2導(dǎo)體的發(fā)熱特性分析

　　2.1裸導(dǎo)體的發(fā)熱特性分析

　　其他截面積導(dǎo)體在不同電流過負荷時，在相同的溫度段有類似的現(xiàn)象，在此不重復(fù)列出。從導(dǎo)線過負荷發(fā)熱的現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)，在較低溫度時，導(dǎo)線表面變化不大。導(dǎo)線所產(chǎn)生的熱量一部分通過對流作用散發(fā)到周圍空氣中，一部分用于提高絕緣層的溫度。

　　當導(dǎo)體溫度達到80℃附近時，導(dǎo)線絕緣層材料開始軟化變形，并產(chǎn)生白色有刺激性氣體。這是因為絕緣層聚氯乙烯材料此時在熱量的作用下，發(fā)生了形成自由基的斷鏈反應(yīng)，同時伴隨有加速分解的自催化作用。在200℃附近時，絕緣層開始熔融分解，出現(xiàn)鼓泡、局部變黑、熔融滴落等現(xiàn)象。導(dǎo)體溫度達到300℃附近時，絕緣層部分完全碳化，部分熔融脫落，線芯裸露;當導(dǎo)體溫度進一步升高時，線芯發(fā)亮紅或斷裂。對于導(dǎo)體在發(fā)熱過程中溫度變化情況，整理溫度-時間曲線圖后，取溫度較高、變化趨勢異常點少的一條作為真實值進行研究。

　　導(dǎo)體在通過不同電流值的情況下，其溫度一開始上升較快，之后趨于平穩(wěn)。這是因為導(dǎo)體中通過電流時會發(fā)熱，使自身溫度上升，導(dǎo)體自身電阻隨溫度上升而增大。在保持兩端附加電壓不變的情況下，電流會逐漸減小，從而導(dǎo)體發(fā)熱量減小，溫度上升速度減慢。對于各導(dǎo)線所達到的最終平衡溫度，從高到低大體上可以分為5個區(qū)間。

　　在附近有可燃物的時候，負載電流為Ie下的1.5mm2銅導(dǎo)線溫度最高，在棉花包裹時為75.2℃，達到導(dǎo)線絕緣層的熱分解溫度;在紙屑覆蓋時則達到101.1℃，能夠使賽璐珞、麻等物質(zhì)開始分解，具備一定的火災(zāi)危險性。當負載電流增大到2Ie時，導(dǎo)體表面溫度處于121.8~255.9℃之間，能夠達到大多數(shù)纖維類物質(zhì)的熱分解溫度，在一定的條件下，將會產(chǎn)生小分子可燃物，并發(fā)熱，促進溫度的進一步升高。達到最高溫度所需的時間，均低于同條件時Ie下的時間。

　　其中，棉花覆蓋時時間最長，為450s，遠低于Ie下的750s，火災(zāi)危險性明顯增大。當負載電流為4Ie時，各導(dǎo)線在棉花包裹時達到的溫度最高，在571.8~688.4℃之間，其中4mm2銅導(dǎo)線溫度最高，能夠引燃絕大多數(shù)可燃物，但相對所用時間也最長，為640s，這可以為探測報警提供反應(yīng)和辨識時間;4Ie下紙屑覆蓋時相對溫度較低，在283.8~658.1℃之間，但所用時間縮短了很多，比如2.5mm2鋁導(dǎo)線僅用90s，火災(zāi)危險性明顯增大。

　　3結(jié)論

　　本文對不同截面積的聚氯乙烯單芯銅導(dǎo)線和鋁導(dǎo)線，在周圍有無可燃物的條件下，研究了其不同負載電流時的發(fā)熱特性，主要結(jié)論如下。

　　(1)周圍無可燃物時，導(dǎo)線溫度在80℃附近時，聚氯乙烯絕緣層開始軟化變形，并有刺激性氣體產(chǎn)生。之后，隨著溫度的升高，發(fā)生絕緣材料鼓泡、局部變黑、熔融滴落等現(xiàn)象。當達到300℃以上時，線芯逐漸裸露、發(fā)亮紅。

　　(2)周圍無可燃物時，導(dǎo)體的溫度-時間曲線最終穩(wěn)定溫度與負載電流倍數(shù)相對應(yīng)，總體分為5個區(qū)間。其中1.5mm2的銅導(dǎo)線由于電阻相對其他導(dǎo)線最大，在相同條件下均最高。所有導(dǎo)體的溫度-時間曲線變化規(guī)律符合y=A1exp(-x/t1)+y0函數(shù)，擬合方程參數(shù)與負載電流倍數(shù)成直線關(guān)系。導(dǎo)線在3Ie電流時，溫度均高于130℃，火災(zāi)危險性明顯增大。

　　(3)當導(dǎo)線被紙屑覆蓋時，在160℃附近，有明顯刺激性白色煙霧產(chǎn)生，紙屑內(nèi)層開始陰燃;隨著溫度的升高，紙屑陰燃程度加深，伴有黃色濃煙產(chǎn)生;在約600℃時，紙屑局部開始明火燃燒。在棉花包裹時，棉花層在300℃附近表層開始發(fā)黃，隨著溫度的升高，棉花層陰燃加劇，顏色由黃變黑，但直至導(dǎo)線斷裂，也未出現(xiàn)明火燃燒現(xiàn)象。

　　(4)當導(dǎo)線被紙屑覆蓋和棉花包裹時，其溫升曲線同樣可依據(jù)負載電流倍數(shù)分為4個區(qū)間。除1.5mm2銅導(dǎo)線在4Ie下紙屑覆蓋時，由于紙屑被快速引燃而溫度急劇升高成為最高值外，其他幾種導(dǎo)線均在4Ie下棉花包裹時的最終溫度最高，在其他電流值下也高于紙屑覆蓋值。棉花包裹時，由于棉花的放熱反應(yīng)，使溫升曲線出現(xiàn)拐點，拐點對應(yīng)溫度值隨導(dǎo)線線芯發(fā)熱率的增大而降低。

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　　(5)導(dǎo)線在紙屑覆蓋和棉花覆蓋時，其溫升曲線同樣符合單指數(shù)函數(shù)，方程的各參數(shù)中y0值和A1值隨著加載電流倍數(shù)的增大而成二次函數(shù)形式分別增大和減小，t1值則呈現(xiàn)出先降后升的趨勢，在擬合范圍內(nèi)符合三次函數(shù)形式變化。相對裸導(dǎo)體，導(dǎo)線溫度在同等電流之下明顯升高，Ie下的1.5mm2銅導(dǎo)線在棉花包裹時就已達到絕緣層熱分解溫度;在4Ie下紙屑覆蓋時在210s內(nèi)溫度超過280℃，在棉花包裹時，其最高溫度在571.8℃以上，能夠引燃大多數(shù)可燃物，火災(zāi)危險性明顯增大。

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　　作者：郭子東