RVVB护套线过电流诱发短路故障发生概率与起火燃烧过程分析*

孙 烨，李 阳，王朴真，杨 雯，林庆文

(1.中国人民警察大学 研究生二队，河北 廊坊 065000；2.中国人民警察大学 物证鉴定中心，河北 廊坊 065000；3.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054)

0 引言

RVVB护套线，即铜芯聚氯乙烯绝缘护套扁形电源线，多用作家用电器、照明等设备的电源连接线，是火灾现场中最为常见的1类电源线。当设备发生过电压、过负荷等故障时，会诱发此护套线发生过电流故障。由于其特殊的内部结构，当发生过电流故障时，会因线芯发热导致绝缘炭化，而在实际火灾现场中常表现为短路故障。由于过电流故障发生时，诱发的短路对设备及电气系统的冲击过大，因此需借助专门的设备开展研究，以更加准确地查明短路发生的根本原因。过电流故障发生时，随电流值升高，线芯发热速率不断增大，绝缘炭化程度不断加剧，致使在某一时间内护套线发生短路概率与短路后起火燃烧过程发生规律性变化。通过研究此规律性变化，有助于调查人员分析电气火灾发生的根本原因，以及诱发火灾的过程。

过电流故障会导致电源线内部的线芯发热，并且这种发热会导致热塑性绝缘护套软化、下垂；当电源线温度足够高时，会使绝缘层完全失效诱发短路故障，造成火灾[1]。Béland[2-3]指出，在火灾环境下铜导线产生电弧是1种大概率事件；Hirschler[4]综述电缆绝缘燃烧的实验方法和烟气、热释放速率等参数的评价标准，但认为已有研究不能全面地反映火灾特性；Babrauskas[5]提出，回路中过多负载、散热不利、杂散电流、过高电压等4种要素是直接导致电气线路中出现过电流故障的根本因素；Hagimoto等[6]模拟火灾热烟气层的热辐射，研究PVC(聚氯乙烯)电源线的直接短接短路和电弧短接短路故障发生的概率；舒中俊等[7]利用过电流对PVC绝缘导线和阻燃PVC绝缘导线进行不同程度的老化实验，建立绝缘失效和击穿时间与过电流值的函数关系；Novak等[8]研究热辐射作用下铜芯非金属护套电源线发生短路故障的时间、电压和电流值；Fisher等[9]在120 V交流无负载通电条件下，找到铜芯非金属护套线短路发生时间与绝缘电阻之间的关系；He等[10-11]在过电流条件下研究铜导线绝缘熔滴形成、滴落频率和速度、生烟量等特性；王博等[12-13]在不同电流条件下进一步对ZR-BV单芯铜导线的过电流故障过程和熔痕特征进行研究；王朴真等[14]研究RVVB电源线在热辐射条件下，不同短路类型的发生时间、位置及其熔痕特征的影响；荣彦超等[15]利用Matlab的图像色温识别技术，对单芯铜线熔体凝固时的色彩变化进行分析，建立测算短路熔痕凝固速率的方法。

综上，目前国内外关于过电流和短路故障的相关研究，多以单一故障的发生过程和痕迹特征，以及电源线在热辐射条件下的研究为主，主要集中在故障发生原因、绝缘失效、短路熔痕等方面，而对过电流诱发短路的过程研究还有待深入。本文选用RVVB护套线，搭建与真实场景相同的故障电路，通过改变流经护套线的不同电流值，真实模拟设备电源线因过电流诱发短路故障的过程，使用高速摄像机记录护套线发生短路瞬间现象，准确分析过电流诱发短路概率与过电流值的关系，观察短路后绝缘燃烧的过程，计算短路引起燃烧的概率，为准确认定电气故障引发火灾提供理论支持和数据支撑。

1 实验

1.1 实验材料

选用1.0 mm2RVVB护套线(由江苏南京南拓电线电缆有限公司生产)，如图1所示。线芯由PVC绝缘层包裹，最外层护套同样为PVC材料，额定电流为8 A，其他参数见表1。

图1 1.0 mm2 RVVB护套线Fig.1 1.0 mm2 RVVB sheathed wire

表1 RVVB护套线参数Table 1 Parameters of RVVB sheathed wire

1.2 实验设备

电气火灾故障模拟及痕迹制备装置(由中国人民警察大学自主设计)，电流调节范围为30～300 A，电压调节范围为0～660 V(交流电50 Hz)；Canon70D型数码照相机，用于记录实验过程；Phantom 640高速摄像机，用于记录短路发生瞬间现象。

1.3 实验方法

截取总长度为340 mm的护套线若干段，在两端各剥去20 mm绝缘层(实际实验长度为300 mm)后，经由DELIXI(HDBE-63 C型)断路器连接至电气火灾故障模拟及痕迹制备装置和可调式电阻器(中国人民警察大学自主设计，最大功率为13 000 W)，并在适当位置架设普通相机和高速摄像机，实验装置示意如图2所示。

图2 过电流诱发短路实验装置Fig.2 Experimental apparatus of short circuit induced by over current

设定实验电路的输出电压为220 V交流电，根据预研实验结果，8，16 A时护套线不会发生短路故障，因此调节可调式电阻器，选取24，32，40，48 A等电流值分别进行过电流实验，每次实验以护套线发生短路故障或时长达1 h为限，记录其短路时间，各电流值分别进行20次平行实验。

为便于分析，将护套线发生短路和绝缘起火燃烧过程的时间分别标定为：

T1：过电流开始作用于护套线至护套线发生初次短路的时间(s)；

T2：护套线短路引燃绝缘层至火焰蔓延到最大距离的时间，因电弧产生及发展速率极快，故T2用毫秒(ms)表示。

2 结果与分析

2.1 过电流诱发护套线发生短路概率

对8，16，24，32，40，48 A电流值下，护套线发生短路故障的实验次数进行统计，统计结果见表2。分析表2数据可知：当电流值为8，16 A时，护套线仅出现线芯发热变红、绝缘炭化等现象，但不会诱发短路故障；而I=24 A时，护套线发生短路故障的实验次数为8次，即发生概率为40%；当电流值达到32，40，48 A时，护套线发生短路的实验次数均为20次，即发生概率均达到100%。但在实验过程中均未发现断路器动作。

表2 不同电流值诱发护套线发生短路故障的实验次数统计Table 2 Statistics on experimental times of short circuit fault of sheathed wire induced by different current values

若在同一根护套线实验过程中，只发生1次拉弧现象，称此护套线发生的是单次短路故障；若护套线出现反复拉弧现象，则称护套线发生多次短路故障。统计24，32，40，48 A电流值下，过电流诱发护套线发生单次短路和多次短路的实验次数，如图3所示。由图3可知，I=24 A时，由于线芯各部位温度升高的速率比较平均，护套线绝缘层软化、热解、炭化的程度会比较均匀，护套线不同部位形成的电弧产生条件较为一致，因此护套线发生单次短路和多次短路的次数均为4次，概率同为20%；当32 A≤I<48 A时，护套线局部位置受过电流作用明显，会出现较其他位置线芯温升更快、绝缘热解程度更大的情况，因此护套线发生单次短路的次数比发生多次短路的次数多；但护套线发生多次短路的概率会随电流值的增大而变大，在I=48 A时单次短路与多次短路的发生次数均为10次，即发生多次短路的概率达到50%。

图3 不同电流值护套线发生单次和多次短路的次数Fig.3 Times of single short circuit and multiple short circuit of sheathed wire under different current values

2.2 过电流值与初次短路发生时间的关系

对24，32，40，48 A过电流条件下，护套线发生初次短路的时间(T1)进行统计，如图4所示。由图4可知，随着电流值的增大，护套线发生初次短路的时间缩短，I=24 A时发生短路的平均时间为781.5 s，而I=48 A时发生短路的平均时间仅为39.3 s；对护套线发生初次短路的平均时间进行拟合，可得到初次短路平均时间与电流值的拟合关系，如式(1)所示：

图4 不同电流值护套线发生初次短路时间Fig.4 Time of first short circuit of sheathed wire under different current values

T1=9 729.7e-I/9.7-32.3

(1)

式中：T1为护套线发生初次短路时间，s；I为电流值，A。

其拟合修正系数R2=0.999 8，拟合优度接近于1，表明初次短路平均时间随电流值增大，呈指数递减的变化趋势，如图4(a)所示。电流值分别为32，40，48 A时的初次短路时间分布，如图4(b)～(d)所示。对各电流值下初次短路时间的分布情况进行分析可知：护套线发生初次短路的时间范围随电流值的增大而缩小，在I=24 A时护套线发生短路的时间范围为653～973 s，跨度大，数据较分散；32，40 A的时间范围分别为282～370 s，104～131 s；而I=48 A时短路发生时间的范围为28～54 s，较为集中。

2.3 过电流诱发护套线短路的起火燃烧过程

护套线发生短路后能否出现起火燃烧现象取决于短路发生瞬间的电弧能量、绝缘层预混气体浓度以及残留炭化绝缘层等因素。因护套线绝缘材料PVC为易热降解的聚合物，因此当线芯持续发热时，绝缘层受热会产生可燃挥发物，短路电弧的高能量会将其引燃，从而使护套线发生燃烧现象。对24，32，40，48 A过电流条件下，护套线在发生短路后出现起火燃烧的实验次数进行统计，如图5所示。由图5可知，I=24 A时，护套线在短路后有5次发生燃烧现象，占短路发生次数的62.5%，而电流值为32，40，48 A时，护套线在短路后发生燃烧的次数分别为16，18，20次，其概率分别达到80%，90%，100%。图5中实线为数据拟合曲线，虚线为短路起火后发生燃烧的80%置信区间，因此短路后发生燃烧的次数与电流值的拟合关系如式(2)所示：

图5 护套线发生短路后出现起火燃烧现象的实验次数Fig.5 Number of experiments on phenomena of ignition and combustion after short circuit of sheathed wire

N=-57.6e-I/22.9+27.8

(2)

式中：N为护套线短路后发生燃烧的次数，次；I为电流值，A。

其拟合修正系数R2=0.954 62，表明在此区间内短路后引发绝缘层燃烧的概率，随电流值的增大呈良好的指数递增关系。因此I=48 A时，导线不需要任何外界引燃物，仅自身就能引发火灾；而在24，32，40 A条件下，护套线短路后分别有37.5%，20%，10%的概率不会发生燃烧现象，这是由于护套线发生短路故障后，线路中的电弧能量不足以引燃故障点处的可燃预混气体和残留炭化绝缘层，此时若要引起火灾，还需要周围有比表面积大的可燃物。故随着过电流值的增大，护套线发生起火燃烧的概率增大，因护套线短路故障引发火灾的危险性随之增大。

在不同电流值下，护套线未由过电流故障转化为短路故障时，护套线主要发生线芯发热变红，绝缘热解软化、膨胀下垂、炭化发黑等变化；当护套线发生短路故障时，短路瞬间产生的电弧能量会将故障点附近的绝缘热解预混气体以及尚未完全炭化的绝缘层点燃，引燃相邻绝缘层，从而使火焰沿护套线开始蔓延。短路电弧引燃护套线绝缘层至全线燃烧的过程，如图6所示。图6中的时间为护套线短路电弧引燃绝缘层后，火焰沿护套线水平方向蔓延至全线的时间(T2)。由图6可知，在I=48 A时，护套线发生短路3 ms后，绝缘层出现明火燃烧现象；406 ms时护套线会发生激烈的持续拉弧现象；1 618 ms时，火焰蔓延至护套线两端，形成全线燃烧现象。

图6 48 A时护套线发生短路后的燃烧现象Fig.6 Combustion phenomenon of sheathed wire after short circuit at 48 A

3 结论

1)当电流值为8，16 A时，护套线不会发生短路故障；I=24 A时护套线会发生短路故障，且发生概率为40%；在32 A≤I<48 A时，护套线发生多次短路的概率随电流值的增大而增大，I=48 A时发生单次与多次短路的次数均为10次，即发生多次短路的概率达到50%。

2)护套线发生初次短路的平均时间，随电流值增大呈指数递减的变化趋势，I=24 A时护套线发生短路的平均时间为781.5 s，而I=48 A时仅为39.3 s；发生初次短路的时间范围随电流值增大而缩小，I=24 A时护套线发生短路的时间范围为653～973 s，较为分散，而I=48 A时为28～54 s，更为集中。

3)护套线诱发短路故障后，因短路电弧能量较高，会将绝缘层引燃，发生沿护套线水平方向蔓延的燃烧现象，且护套线短路后发生燃烧的概率与电流值呈指数递增关系；在I=48 A时其概率达到100%，且火焰在短路发生后1 618 ms内可蔓延至护套线两端，因此由护套线短路故障引发火灾的危险性随之增大。