电力电缆内因火灾早期特征的试验研究

电力电缆内因火灾早期特征的试验研究

刘艳芳

国网阳泉供电公司 山西省 阳泉市 045000

摘要：为了研究电力电缆内因火灾早期特征，对内因火灾以及电缆火灾发生的过程进行了探究。在试验室环境下，选取合适的电力电缆进行载流温度试验，通过改变电力电缆内电流的大小，得到了相同时间坐标下，电缆电流、线芯导体温度与电缆表皮温度的对应关系，提出了通过电力电缆表皮温度对电力电缆内因火灾进行预警的方法。

关键词：电力电缆；电缆火灾；早期特征；火灾预警

引言

火电厂电力电缆主要敷设在电缆夹层、电缆沟、电缆竖井以及室外电缆桥架中，敷设集中且用量大。例如，某电厂2台500MW超临界参数发电机组，电缆用量可达3000km。电缆长度增加，火灾发生的几率也相应增加。火力发电厂一旦发生电缆火灾，将造成严重损失。电力电缆引起火灾的根本原因主要在于绝缘材料的老化，可燃和故障状态下的电热作用。研究表明，电力电缆的绝缘层在电流、电压的长期作用下工作，必然受到伴随着电作用而来的化学、机械和热作用等因素的影响，从而使介质发生物理和化学变化，导致绝缘材料老化，击穿强度下降。动力电缆火灾案例分析表明，电缆火灾不是突发的，而是一个电缆温度升高，最终导致绝缘材料燃烧，发生电缆火灾事故的过程。对电力电缆内因火灾早期特征的分析，可以为电力电缆内因火灾预警技术提供相应的依据。

1电力电缆常见故障及分析

1.1电缆表皮损坏

电力电缆长期裸露在室外，容易受到风吹日晒而引起表层老化；并且电缆外表层是塑料，在酸雨腐蚀下，电缆表层极易开裂。电缆表皮破坏使得电缆直接裸露在空气中，电缆接口处容易进水引发电缆故障。

1.2电缆本身质量缺陷

一些不法商家为了节约成本，在进行电力电缆生产时均普遍采用标准公差，这样生产出的电缆安全系数达不到国家要求，如电缆头附件加工达不到工艺要求等。由于电力电缆自身质量缺陷也容易使电缆外层老化加快和使用寿命缩短。

1.3其他故障

电力系统运行中常见的电缆故障分为开路故障、低电阻故障和高电阻故障3类。（1）开路故障主要表现为电力电压无法通过电缆设备正常传输到终端，断线故障是这类故障的典型；（2）低电阻故障是指电缆接地绝缘出现故障，短路故障是这类故障的典型；（3）高电压击穿绝缘层现象是电缆高电阻故障的具体表现，闪络性是这类型故障的特点。

2电力电缆内因火灾的机理和过程

电力电缆火灾事故主要由内因和外因两方面因素引起，其中电力电缆短路、过负荷、电缆头接触电阻增大等内在因素引起的火灾事故占大多数。我国大部分6-10kV和部分35kV高压电网采用中性点不接地运行方式，一旦发生触电或漏电事故，故障点与供电系统的对地电容、绝缘电阻形成回路，漏电电流通过回路流入大地，由于电网对地阻抗很大，很难降低触电人身流过的电流，容易造成人身事故。若电网发生单相漏电时，非故障相电压升高，可能引起弧光过电压。长期存在的漏电电流和电火花使系统绝缘受到威胁，进一步造成短路故障。电缆短路是指电位不同的两点直接或经电阻足够小的导体接触。短路电流值可远大于额定电流值，短路瞬间产生很高的热量会熔断短路点的线芯，继而产生电弧，引燃绝缘层或周围的其他可燃物，进而引发火灾。导致电缆过负荷现象的常见原因有：电缆设计截面过小、人为超负荷运行、私自增加用电负荷、线芯损伤等。假设电缆为纯电阻电路，电缆中产生的热量可以由焦耳定律计算得出，热量与流过电缆电流的平方成正比，与电缆电阻成正比。

3电力电缆载流温度试验

3.1电力电缆温度场特征

试验选取铜芯电缆，型号为YJY22-0.6/1kV-3×50，主要由外护套、铠装层、内护套、填充料、交联聚乙烯绝缘及导体线芯构成。由于电缆线芯导体中存在内阻，因而当电缆线芯流过电流时，会有热量产生。线芯发热，热量经过绝缘层、绝缘屏蔽层、内护套、铠装层、外护套，最终传导至电缆的表皮。热量由线芯逐层传导至表皮的过程中，会受到热阻以及材料热容等影响，电缆表皮的温升速度相对于线芯比较缓慢。电力电缆温度场与载流量的关系可基于IEC60287《电缆额定电流的计算》和JB/T10181《电缆载流量计算》所给出的电力电缆温度场热路模型进行分析。

3.2试验过程

本试验模拟了电缆正常运行、故障状态等情况，对电缆温度进行实时测量、记录。通过对流过电缆的电流值、对应时刻电缆各处温度变化等参数的记录和分析，最终得出电缆线芯温度与电缆表皮温度的关系。通过试验结论，可以实现只监测电缆表皮温度即可预测电缆线芯温度。试验平台主要由被测试电缆、电缆火灾试验装置、电缆短接头三部分组成。其中，电缆火灾试验装置中包括三相大电流发生器、测温模块以及数据记录模块，能够实现电缆升流、测温一体化等全自动操作。本次试验截取长度约为2m的电力电缆作为试验对象，被试电缆长度较短，同时电缆线芯具有良好的导热性，这样能有效规避电缆轴向传热的问题。

3.3电缆通过额定电流的情况

在试验开始之前，首先将电流设置为160A，启动试验仪器，这时电流会以5A为一个阶梯自动上调，直至稳定至160A。电流大小变化情况如图3所示。因为电缆一直是被放置在室温下，所以在未通电之前，电缆线芯与表皮的初始温度均为25℃。当电缆中通入电流后，线芯温度开始逐渐上升，并且上升趋势明显。起初，线芯温度上升速率较大，随着温度的升高，温度的上升速率逐渐变小，最终稳定下来。起初，电缆表皮温度没有明显变化，并且以较慢的速率上升。

4电缆故障检测方法及技术要求

4.1脉冲电压检测法

脉冲电压检测法广泛应用于电力行业的电缆故障探测，通过测距脉冲信号完成具体的电力电缆故障确定，原理在于将脉冲信号发射出去时，信号会在T接头、短路点、中间接头以及终端开路等处会出现不同的反射。通过研究可知，往往是受抗阻失配点的性质来决定反射波形，而阻抗失配点以起始端距离则通过反射波形位置来表示。在实际测算距离时，应当要明确脉冲速度，所以要掌握一根完好的电缆测量其从头到尾的时间，以便于能够快速、精准的将故障点位置找出。

4.2高压闪络技术

如果电力电缆存在有故障点时，在通入高压后其会因击穿而产生闪络放电现象，此时促使原来电缆高阻故障变为短路及反射。而闪络技术地应用则是通过分析这一过程中所形成反射波波形数据，之后将电缆故障点测试出来。结合实践来看，高压闪络技术根据电压施加区域不同，主要有直闪与冲闪这两类，简单来说前者即为电缆故障处直接施加电压，后者则为球间隙施加。

结语

为了提高火电厂运行的可靠性及技术管理水平，保证电厂安全生产，实现电力电缆内因火灾的早期预警，减少电缆火灾可能给带来的经济损失，应该研发具有温度在线监测和火灾预警功能的非接触缆式线型感温火灾探测器。当电缆运行中出现异常温度时，非接触缆式线型感温火灾探测器发出声光报警，并应该在计算机中明确显示触发警报的故障电缆的物理点，指引救援人员第一时间找到发生火警的实际位置。同时，非接触缆式线型感温火灾探测器应能记录历史运行数据，为电力电缆内因火灾预警、电缆火灾后灾情分析提供数据支撑。

参考文献：

[1]李艳秋，曹钟中，靳涛.电力电缆火灾监测及防火预警系统的研制[J].华北电力技术，2001，(2):23-24.

[2]周承科，李明贞，王航，等.电力电缆资产的状态评估与运维决策综[J].高电压技术，2016，42(8):2353-2362.