新型35kV及以下耐火電力電纜測試系統(tǒng)

姚遠(yuǎn) 許凱 程欣 鄭顯峰 劉鼎 嚴(yán)亮

摘?要：耐火電纜誕生于上世紀(jì)九十年代，距今已經(jīng)三十余年歷史，隨著電力輸送的需求，耐火電纜也從最初的低壓耐火電纜發(fā)展至中壓耐火電纜。低壓耐火電纜經(jīng)過多年發(fā)展已經(jīng)較為成熟，配套檢驗方法和檢測設(shè)備相對完善，而中壓耐火電纜現(xiàn)無國家標(biāo)準(zhǔn)，僅有中壓耐火電纜技術(shù)規(guī)范。本文根據(jù)低壓耐火電纜現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)和中壓電纜耐火技術(shù)規(guī)范在低壓耐火設(shè)備的基礎(chǔ)上對設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)、升級，設(shè)計一套同時適用于中、低壓耐火電線電纜的試驗設(shè)備，開發(fā)可進(jìn)行火焰溫度驗證并根據(jù)驗證結(jié)果自動調(diào)整相關(guān)參數(shù)設(shè)置，同時可對試驗過程中各項參數(shù)、火焰蔓延狀態(tài)等進(jìn)行記錄分析的測試系統(tǒng)，以加強中壓耐火電纜產(chǎn)品的監(jiān)管及產(chǎn)品質(zhì)量提升，也可為該類產(chǎn)品國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制訂提供更詳細(xì)的數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：中壓電纜；耐火測試；熱像分析

中圖分類號：TB?????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.14.083

0?引言

多年來全球范圍內(nèi)由于火災(zāi)引起電線電纜短路，而無法啟動消防、照明、警報等設(shè)備，導(dǎo)致火災(zāi)受損程度擴(kuò)大，人員傷亡、財產(chǎn)損失的情況時有發(fā)生，由此可見電纜耐火性能的重要性。在標(biāo)準(zhǔn)GB?51348-2019《民用建筑電氣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了各類消防用電設(shè)備及消防配電線纜在火災(zāi)發(fā)生期間能保證的最少持續(xù)供電時間（詳見表1）。在發(fā)生火災(zāi)時，耐火電纜可以在一定時間內(nèi)正常工作，保證各類消防用電設(shè)備響應(yīng)和啟動。因此低壓耐火電纜廣泛應(yīng)用于高層建筑、地下建筑和重要的工礦企業(yè)等與防火安全和消防救生息息相關(guān)的場所，例如，消防設(shè)備及緊急向?qū)舻葢?yīng)急設(shè)施的供電線路和控制線路。近年來在高層建筑、核電站、發(fā)電廠、地鐵等重要場所的中壓配電系統(tǒng)中都要求使用耐火電纜，同時對電纜的耐火性能也提出了相應(yīng)的要求。在GB?51348-2019《民用建筑電氣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》對中壓電纜也提出了耐火性能要求：（1）當(dāng)建筑物內(nèi)有總變電所和分變電所時，總變電所至分變電所的35kV、20kV、10kV的電纜應(yīng)采用耐火電纜；（2）消防負(fù)荷的應(yīng)急電源采用10kV柴油發(fā)電機(jī)組時，其輸出的配電線路應(yīng)采用耐壓不低于10kV的耐火電纜。中壓耐火電纜正在被越來越廣泛的應(yīng)用到各個場景中。

1?耐火電纜試驗標(biāo)準(zhǔn)及試驗設(shè)備介紹

各國標(biāo)準(zhǔn)化委員會一直在研究修訂電纜耐火試驗方法，以進(jìn)行有效的評價電纜的耐火性能。民用建筑多采用低壓電纜供電，我國現(xiàn)行低壓耐火試驗方法標(biāo)準(zhǔn)主要等同采用IEC標(biāo)準(zhǔn)。目前我國低壓耐火標(biāo)準(zhǔn)有GB/T?19216.21-2003等同采用IEC?60331-21：1999，該試驗方法為單噴燈單獨供火，火焰溫度（750～800）℃，供火時間90min，供電時間105min。2021年我國發(fā)布了三個供火并施加沖擊振動的試驗方法標(biāo)準(zhǔn)分別為：GB/T?19216.1-2021等同采用IEC?60331-1：2018、GB/T?19216.2-2021等同采用IEC?60331-2：2018、GB/T?19216.3-2021等同采用IEC?60333-1：2018，供火和供電時間均為120min，火焰溫度均為（830～870）℃，沖擊振動間隔均為5min。同時我國自行制定標(biāo)準(zhǔn)GB/T?19666-2019中還包含一種供火加機(jī)械沖擊和噴水的耐火試驗方法，即在已經(jīng)進(jìn)行的GB/T?19216.1-2021/IEC?60331-1：2018或GB/T?19216.2-2021/IEC?60331-2：2018規(guī)定的供火加機(jī)械沖擊試驗105min后連續(xù)進(jìn)行15min水噴射或水噴淋，在水噴射或水噴淋期間供火和機(jī)械沖擊不應(yīng)停止。標(biāo)準(zhǔn)中增加了水噴射或水噴淋的要求，用于驗證在火災(zāi)發(fā)生后耐火電纜在消防設(shè)施啟動被噴射水后，依然能夠正常運行的能力。

目前中壓電纜的耐火試驗方法尚無國家標(biāo)準(zhǔn)，業(yè)內(nèi)參考由國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心于2012年頒布的技術(shù)規(guī)范TICW?8-2012。該技術(shù)規(guī)范規(guī)定采用雙噴燈供火，火焰溫度（750～800）℃，供火時間90min，供電時間105min，隨后1h內(nèi)對樣品進(jìn)行3.5U0耐壓試驗。分析標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)中、低壓耐火試驗方法有相同之處，由于低壓耐火電纜應(yīng)用較早產(chǎn)品較成熟，相應(yīng)的低壓耐火電纜檢測設(shè)備也相對較成熟，而國內(nèi)儀器設(shè)備廠商根據(jù)技術(shù)規(guī)范TICW?8-2012開發(fā)的中壓耐火電纜的檢測設(shè)備總體上自動化程度不高，在進(jìn)行火焰溫度驗證時僅能提供計時功能及溫度顯示功能，需要人工記錄數(shù)據(jù)并計算結(jié)果后，調(diào)整空氣、丙烷流量再次驗證直至通過為止，而現(xiàn)有設(shè)備僅能依據(jù)技術(shù)規(guī)范對產(chǎn)品的是否合格進(jìn)行判定，缺少對試驗過程如溫度變化、火焰蔓延速度、熱量聚集區(qū)，溫度分布等參數(shù)的記錄及分析。本測試系統(tǒng)的設(shè)計可兼容35kV以下中低壓電力電纜的耐火試驗，包含溫度智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)、紅外熱像分析系統(tǒng)和安全保障裝置，可實現(xiàn)噴燈溫度的自動驗證、試驗過程相關(guān)數(shù)據(jù)的記錄和對試驗過程中對人身安全的保障設(shè)施。

2?系統(tǒng)主要硬件組成介紹

目前大部分實驗室主要存在兩種耐火試驗裝置，一套滿足0.6/1kV低壓電纜耐火試驗，另外一套滿足技術(shù)規(guī)范TICW?8-2012要求可進(jìn)行6kV～35kV中壓電纜耐火試驗，兩者之間雖然不能共用，但存在共通之處。在仔細(xì)研讀標(biāo)準(zhǔn)和多次試驗過程中總結(jié)設(shè)計一款新型35kV及以下擠包絕緣耐火電力電纜耐火測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)是在滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T?19216.11-2003規(guī)定的試驗裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)備改裝、系統(tǒng)開發(fā)升級而成的，不僅滿足GB/T?19216.11-2003和TICW?8-2012的要求，而且包含了一套試驗參數(shù)的監(jiān)控、記錄和分析系統(tǒng)，以便于后期對產(chǎn)品升級改進(jìn)和質(zhì)量的提升提供數(shù)據(jù)支撐。

1.變壓器；2.電源保護(hù)斷路器；3.連接到電纜導(dǎo)體；4.電纜絕緣；5.電纜絕緣屏蔽（金屬屏蔽和半導(dǎo)電屏蔽）；6.支撐架；7.泄漏電流檢測裝置。

該測試系統(tǒng)包含火焰噴燈2個、試樣支撐裝置、50kV耐壓試驗儀、電流檢測裝置、氣體質(zhì)量流量計及流量智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)、噴燈溫度智能驗證系統(tǒng)、安全報警系統(tǒng)。其中氣體質(zhì)量流量計及流量智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)、噴燈溫度智能驗證系統(tǒng)、紅外熱像分析系統(tǒng)為本測試系統(tǒng)新增開發(fā)系統(tǒng)，火焰噴燈、試樣支撐裝置、50kV耐壓試驗儀和電流檢測裝置均滿足GB/T?19216.11-2003和和TICW?8-2012的要求。試驗系統(tǒng)組成圖和試樣電纜線路連接圖分別如圖1和圖2所示。

3?溫度智能驗證系統(tǒng)

根據(jù)GB/T?19216.11-2003附錄A要求設(shè)計噴燈溫度智能驗證系統(tǒng)，通過采集溫度傳感器反饋的溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)熱電偶和噴燈火焰中心點的位置及流量的互相自動調(diào)節(jié)，免了人工數(shù)據(jù)記錄、分析、計算等繁瑣工作。驗證步驟用熱電偶的布置如圖3所示。

噴燈溫度驗證步驟：①將噴燈噴嘴放在與K型熱電偶水平距離約為45mm（xmm），與熱電偶中心線垂直向下距離為（70±10）（ymm）的位置上，如圖1所示。②點燃噴燈，調(diào)節(jié)氣體初始流量，即丙烷流量（80±5）L/min、空氣流量（5±0.25）L/min。③調(diào)節(jié)噴燈的水平位置直到熱電偶接近火焰的垂直中心線。④系統(tǒng)監(jiān)測5s采集一次溫度，分別記錄兩個熱電偶在10min內(nèi)溫度曲線，并計算兩個熱電偶10min內(nèi)的平均溫度和兩個熱電偶平均值的差值，以確保達(dá)到穩(wěn)定的燃燒條件。⑤如果兩個熱電偶在10min時間的讀數(shù)平均值在（750～800）℃范圍內(nèi)，且兩個熱電偶讀數(shù)平均值的最大差值不超過40℃，則應(yīng)認(rèn)為通過驗證。如果不滿足要求，系統(tǒng)會根據(jù)自動計算結(jié)果對氣體流量在標(biāo)準(zhǔn)允許公差范圍內(nèi)進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，再次重復(fù)序號⑤的驗證工作。⑥驗證通過后系統(tǒng)自動記錄（x、y）的距離和氣體流量，并在下次溫度驗證前直接調(diào)取數(shù)據(jù)加以驗證，極大的縮減了試驗時間，提高了檢測效率，同時該系統(tǒng)還可監(jiān)控并記錄試驗過程中電壓及泄漏電流的變化，以保證試驗過程中試驗參數(shù)的準(zhǔn)確性。噴燈溫度驗證流程和系統(tǒng)監(jiān)控界面分別如圖4和圖5所示。

氣體流量自動調(diào)節(jié)界面校準(zhǔn)溫度參數(shù)自動界面試驗電壓和泄漏電流監(jiān)控界面。

4?紅外熱像分析系統(tǒng)

本系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)了一套紅外熱像分析系統(tǒng)用于實現(xiàn)對試驗過程中試樣溫度變化、火焰蔓延速度、熱量聚集區(qū)，溫度分布等參數(shù)的記錄及分析。相關(guān)試驗參數(shù)監(jiān)控界面如圖6。

該裝置配備熱成像監(jiān)控攝像頭，可測試溫度不低于1000℃，可監(jiān)控整個燃燒區(qū)域，同時也可隨意選取燃燒觀察區(qū)域大小和區(qū)域數(shù)量以獲取不同燃燒區(qū)域的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。觀察區(qū)域的實時溫度在軟件的右上角顯示，可根據(jù)設(shè)置顯示最高溫度，最低溫度以及區(qū)域的平均溫度，也可以將鼠標(biāo)放置區(qū)域的任意位置，在軟件上顯示此位置溫度，即為指針溫度。該系統(tǒng)可記錄整個試驗燃燒火焰蔓延、溫度變化、熱量聚集等影像信息并予以保存，為試驗過程的分析和產(chǎn)品的升級提供了可靠的數(shù)據(jù)。

5?安全保障裝置

由于中壓耐火電纜樣品長度達(dá)4.5米，其樣品長度比原有燃燒室尺寸要大，在不改變?nèi)紵医Y(jié)構(gòu)的前提下，樣品的一端需要伸出燃燒室。試驗過程中需要長時間施加電壓，電壓最高達(dá)26kV，伸出燃燒室的電纜端部存在安全隱患，本系統(tǒng)對此區(qū)域采用隔離、視頻監(jiān)控和自動感應(yīng)監(jiān)測系統(tǒng)三種保護(hù)措施保證試驗安全進(jìn)行。設(shè)備能在進(jìn)行耐火電纜試驗時，及時反饋燃燒造成的線路短路或斷路信號，發(fā)出報警同時有效的切斷電路及可燃?xì)庠?。如果在試驗過程中，人員誤闖入該區(qū)域?qū)⒂|發(fā)報警系統(tǒng)，生成聲光報警，同時自動切斷高壓輸出。報警系統(tǒng)觸發(fā)后，需人工手動確認(rèn)報警信息和復(fù)位清除，以保證整個試驗過程的安全可靠。

6?結(jié)束語

隨著城市化的快速發(fā)展，中壓耐火電纜必然會有更為廣泛的應(yīng)用前景。目前行業(yè)內(nèi)中壓耐火電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計各種各樣，且中壓耐火試驗的通過率整體偏低，這和中壓耐火試驗設(shè)備無法記錄和分析樣品的燃燒過程不無關(guān)系，只有通過分析樣品整個燃燒過程才能發(fā)現(xiàn)其中存在的問題，進(jìn)而針對性的進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和產(chǎn)品升級，提高產(chǎn)品質(zhì)量。本文介紹了新型35kV及以下耐火電力電纜耐火測試系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)既滿足了中低壓耐火電線電纜的試驗要求又可以提高試驗效率，還可以通過采集試驗中相關(guān)數(shù)據(jù)對產(chǎn)品存在的問題進(jìn)行分析，為電線電纜企業(yè)在中壓耐火電纜工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計中提供了幫助。

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