新型35kV及以下耐火電力電纜測試系統

姚遠 許凱 程欣 鄭顯峰 劉鼎 嚴亮

摘?要：耐火電纜誕生于上世紀九十年代，距今已經三十余年歷史，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展至中壓耐火電纜。低壓耐火電纜經過多年發展已經較為成熟，配套檢驗方法和檢測設備相對完善，而中壓耐火電纜現無國家標準，僅有中壓耐火電纜技術規范。本文根據低壓耐火電纜現行國家標準和中壓電纜耐火技術規范在低壓耐火設備的基礎上對設備進行改進、升級，設計一套同時適用于中、低壓耐火電線電纜的試驗設備，開發可進行火焰溫度驗證并根據驗證結果自動調整相關參數設置，同時可對試驗過程中各項參數、火焰蔓延狀態等進行記錄分析的測試系統，以加強中壓耐火電纜產品的監管及產品質量提升，也可為該類產品國家行業標準的制訂提供更詳細的數據支撐。

關鍵詞：中壓電纜；耐火測試；熱像分析

中圖分類號：TB?????文獻標識碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.14.083

0?引言

多年來全球范圍內由于火災引起電線電纜短路，而無法啟動消防、照明、警報等設備，導致火災受損程度擴大，人員傷亡、財產損失的情況時有發生，由此可見電纜耐火性能的重要性。在標準GB?51348-2019《民用建筑電氣設計標準》規定了各類消防用電設備及消防配電線纜在火災發生期間能保證的最少持續供電時間（詳見表1）。在發生火災時，耐火電纜可以在一定時間內正常工作，保證各類消防用電設備響應和啟動。因此低壓耐火電纜廣泛應用于高層建筑、地下建筑和重要的工礦企業等與防火安全和消防救生息息相關的場所，例如，消防設備及緊急向導燈等應急設施的供電線路和控制線路。近年來在高層建筑、核電站、發電廠、地鐵等重要場所的中壓配電系統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的要求。在GB?51348-2019《民用建筑電氣設計標準》對中壓電纜也提出了耐火性能要求：（1）當建筑物內有總變電所和分變電所時，總變電所至分變電所的35kV、20kV、10kV的電纜應采用耐火電纜；（2）消防負荷的應急電源采用10kV柴油發電機組時，其輸出的配電線路應采用耐壓不低于10kV的耐火電纜。中壓耐火電纜正在被越來越廣泛的應用到各個場景中。

1?耐火電纜試驗標準及試驗設備介紹

各國標準化委員會一直在研究修訂電纜耐火試驗方法，以進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，我國現行低壓耐火試驗方法標準主要等同采用IEC標準。目前我國低壓耐火標準有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年我國發布了三個供火并施加沖擊振動的試驗方法標準分別為：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準GB/T?19666-2019中還包含一種供火加機械沖擊和噴水的耐火試驗方法，即在已經進行的GB/T?19216.1-2021/IEC?60331-1：2018或GB/T?19216.2-2021/IEC?60331-2：2018規定的供火加機械沖擊試驗105min后連續進行15min水噴射或水噴淋，在水噴射或水噴淋期間供火和機械沖擊不應停止。標準中增加了水噴射或水噴淋的要求，用于驗證在火災發生后耐火電纜在消防設施啟動被噴射水后，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準，業內參考由國家電線電纜質量監督檢驗中心于2012年頒布的技術規范TICW?8-2012。該技術規范規定采用雙噴燈供火，火焰溫度（750～800）℃，供火時間90min，供電時間105min，隨后1h內對樣品進行3.5U0耐壓試驗。分析標準發現中、低壓耐火試驗方法有相同之處，由于低壓耐火電纜應用較早產品較成熟，相應的低壓耐火電纜檢測設備也相對較成熟，而國內儀器設備廠商根據技術規范TICW?8-2012開發的中壓耐火電纜的檢測設備總體上自動化程度不高，在進行火焰溫度驗證時僅能提供計時功能及溫度顯示功能，需要人工記錄數據并計算結果后，調整空氣、丙烷流量再次驗證直至通過為止，而現有設備僅能依據技術規范對產品的是否合格進行判定，缺少對試驗過程如溫度變化、火焰蔓延速度、熱量聚集區，溫度分布等參數的記錄及分析。本測試系統的設計可兼容35kV以下中低壓電力電纜的耐火試驗，包含溫度智能調節系統、紅外熱像分析系統和安全保障裝置，可實現噴燈溫度的自動驗證、試驗過程相關數據的記錄和對試驗過程中對人身安全的保障設施。

2?系統主要硬件組成介紹

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，另外一套滿足技術規范TICW?8-2012要求可進行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。在仔細研讀標準和多次試驗過程中總結設計一款新型35kV及以下擠包絕緣耐火電力電纜耐火測試系統。該系統是在滿足標準GB/T?19216.11-2003規定的試驗裝置基礎上進行設備改裝、系統開發升級而成的，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的監控、記錄和分析系統，以便于后期對產品升級改進和質量的提升提供數據支撐。

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

該測試系統包含火焰噴燈2個、試樣支撐裝置、50kV耐壓試驗儀、電流檢測裝置、氣體質量流量計及流量智能調節系統、噴燈溫度智能驗證系統、安全報警系統。其中氣體質量流量計及流量智能調節系統、噴燈溫度智能驗證系統、紅外熱像分析系統為本測試系統新增開發系統，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

根據GB/T?19216.11-2003附錄A要求設計噴燈溫度智能驗證系統，通過采集溫度傳感器反饋的溫度進行數據分析，實現熱電偶和噴燈火焰中心點的位置及流量的互相自動調節，免了人工數據記錄、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，調節氣體初始流量，即丙烷流量（80±5）L/min、空氣流量（5±0.25）L/min。③調節噴燈的水平位置直到熱電偶接近火焰的垂直中心線。④系統監測5s采集一次溫度，分別記錄兩個熱電偶在10min內溫度曲線，并計算兩個熱電偶10min內的平均溫度和兩個熱電偶平均值的差值，以確保達到穩定的燃燒條件。⑤如果兩個熱電偶在10min時間的讀數平均值在（750～800）℃范圍內，且兩個熱電偶讀數平均值的最大差值不超過40℃，則應認為通過驗證。如果不滿足要求，系統會根據自動計算結果對氣體流量在標準允許公差范圍內進行智能調節，再次重復序號⑤的驗證工作。⑥驗證通過后系統自動記錄（x、y）的距離和氣體流量，并在下次溫度驗證前直接調取數據加以驗證，極大的縮減了試驗時間，提高了檢測效率，同時該系統還可監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的準確性。噴燈溫度驗證流程和系統監控界面分別如圖4和圖5所示。

氣體流量自動調節界面校準溫度參數自動界面試驗電壓和泄漏電流監控界面。

4?紅外熱像分析系統

本系統設計開發了一套紅外熱像分析系統用于實現對試驗過程中試樣溫度變化、火焰蔓延速度、熱量聚集區，溫度分布等參數的記錄及分析。相關試驗參數監控界面如圖6。

該裝置配備熱成像監控攝像頭，可測試溫度不低于1000℃，可監控整個燃燒區域，同時也可隨意選取燃燒觀察區域大小和區域數量以獲取不同燃燒區域的相關數據進行比較。觀察區域的實時溫度在軟件的右上角顯示，可根據設置顯示最高溫度，最低溫度以及區域的平均溫度，也可以將鼠標放置區域的任意位置，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品的升級提供了可靠的數據。

5?安全保障裝置

由于中壓耐火電纜樣品長度達4.5米，其樣品長度比原有燃燒室尺寸要大，在不改變燃燒室結構的前提下，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26kV，伸出燃燒室的電纜端部存在安全隱患，本系統對此區域采用隔離、視頻監控和自動感應監測系統三種保護措施保證試驗安全進行。設備能在進行耐火電纜試驗時，及時反饋燃燒造成的線路短路或斷路信號，發出報警同時有效的切斷電路及可燃氣源。如果在試驗過程中，人員誤闖入該區域將觸發報警系統，生成聲光報警，同時自動切斷高壓輸出。報警系統觸發后，需人工手動確認報警信息和復位清除，以保證整個試驗過程的安全可靠。

6?結束語

隨著城市化的快速發展，中壓耐火電纜必然會有更為廣泛的應用前景。目前行業內中壓耐火電纜結構設計各種各樣，且中壓耐火試驗的通過率整體偏低，這和中壓耐火試驗設備無法記錄和分析樣品的燃燒過程不無關系，只有通過分析樣品整個燃燒過程才能發現其中存在的問題，進而針對性的進行結構改進和產品升級，提高產品質量。本文介紹了新型35kV及以下耐火電力電纜耐火測試系統的組成結構，該系統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數據對產品存在的問題進行分析，為電線電纜企業在中壓耐火電纜工藝結構設計中提供了幫助。

參考文獻

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