防火涂料对电缆引燃特性影响实验研究与过载运行条件下温度场演化

发布时间：2020-11-12 02:33

【摘要】：随着我国经济与社会的发展,以及城镇化、工业化、信息化进程的推进,电力网络在广度和深度都快速延扩。电力电缆的安全稳定运行与人们的生产生活息息相关,高压电缆系统埋地敷设方式的不断推广,对于电缆系统的安全优化设计提出了更高的要求和更大的挑战。对于高压带电电缆,它们可抽象为一种外层聚合物包裹生热金属的物理结构。各种原因引发的局部过热或外部热源,是导致电缆故障乃至火灾发生的重要致因。我国电缆设计与敷设标准,对电缆额定载荷等进行了详细规定,并指出了安全余量的重要性。针对工程电力电缆,基于电缆径向层状材料分布结构,建立了电缆内外耦合传热模型,计算分析了电缆在不同载荷和环境条件下的内外温度场分布特征,结果表明:电缆线芯过细、护层材料增厚,均会导致电缆内外温度明显升高,从而增加热灾害事故发生的可能性,对于铝芯电缆,其线芯温度更易超过XLPE允许工作温度90℃;处于埋地铺设工况的电缆,周围通风散热条件往往相对不良,也将进一步促使带电电力电缆整体温度的升高,易形成过热从而引发事故。通过开展不同强度外加热流条件下电缆喷涂0号水性(s-0)防火涂料加热引燃实验,分析了不同热流条件下外护套受热行为,结果表明:加热功率最高为28kW/m2实验工况下,喷涂不同厚度涂料的电缆,其外护套会先熔化,再脱落,然后被引燃,且随着涂层厚度的增加,PE外护套的熔化、脱落时间也随之更长;加热功率最高为55kW/m2实验工况下,喷涂不同厚度涂料的电缆样品,其外护套均在脱落前被引燃,这说明实际火灾场景中,此辐射条件下的电缆在起火后,更易发生沿电缆轴向的火蔓延行为。针对涂刷不同种类和不同厚度防火涂料的电力电缆,开展了基于环形加热的加热功率为55kW/m2档条件下的加热引燃实验,分析了电缆点燃时间、受热过程中涂料对电缆外护套保护作用过程及涂料的受热形态变化。结果表明:涂层厚度为1.5mm时,电缆着火时间均比0.5mm和1.0mm厚度时要长;电缆涂刷油性防火涂料后,其平均点燃时间长于涂刷水性防火涂料的工况,油性防火涂料的延燃效果优于水性防火涂料,且水性防火涂料1.5mm厚度着火时间长于1.0mm和0.5mm,因此在本实验中其最适厚度为1.5mm,而油性防火涂料1.5mm厚度和1.0mm厚度着火时间差距较小,因此其最适厚度为1.0mm。电缆涂刷1号水性(s-1)、2号水性(s-2)、3号水性(s-3)和4号油性(y-4)优乐4种防火涂料,在电缆点燃前,分析涂料表面形态变化,可分为3个阶段:惰性阶段、涂料“膨胀”阶段和稳定阶段。通过电缆涂刷油性涂料在受热过程中整体质量和质量损失速率的变化数据,得到其对电缆的保护呈现出明显的阶段性,即:涂料热解、形成泡沫状碳质层、外护套热解、电缆起火四个阶段,涂料对电缆的保护主要体现在形成泡沫状碳质层阶段。电缆涂刷油性防火涂料受热后膨胀现象明显,涂料体积明显增大,形成“泡沫状”碳质层后,起到较好的隔热作用,至电缆点燃前,电缆表面温升速度减缓,而电缆涂刷水性防火涂料受热后,涂料表面形成“泡状凸起”,热解生成的气体稀释电缆周围可燃气浓度,延迟电缆点燃时间。电缆涂刷防火涂料后,电缆起火后火势蔓延较慢,且油性防火涂料对于电缆火蔓延的抑制效果优于水性防火涂料。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM24;TQ637
【图文】：

实际工程中，电力电缆往往敷设于狭长密闭空间，长度往往远大于其直径，??且沿长度方向的电流变化在短距离范围内极小，因此，带电电缆的主要热流传递??为：内部线芯生热，继而沿轴向往外热传导，以及电缆表面的热对流。图２．１给??出了典型单芯带电电缆的横向截面结构以及热传递机理示意图，如图所示，电缆??横截面由４层材料构成，最内层为生热线芯层，外部包括３层聚合材料。其中，??为线芯半径，而／＂ＡｌＰｆ、分别为ＸＬＰＥ层、ＰＥ层以及ＰＶＣ层的外??径，夕卜部各聚合材料层的内径为其内部临近层的外径，如ＰＥ层的内径为ＸＬＰＥ??层的外径。??电軸内往外?ｆ?／ｍ??分层结构：?Ｍ?１／＾＼??⑴线芯层｜线芯＾１．．．．．．．?Ｊ?＇??⑷嶋??．．．??图２．１带电单芯电缆横截面结构与内外热流传递模型??如图２．１所示，电缆横截面温度场的求解，主要取决于三个热过程的耦合：??内部线芯的生热、中间聚合物层的导热、以及表面层的散热。以下首先在稳态条??９??

７；为稳态铜芯表面温度，。Ｃ；?２＞」为稳态线芯内部的温度分布，°外耦合传热??在通电过程中的产热、导热以及散热是电缆本身同周围环境共，根据这一过程的边界条件以及式（２．４）的传热与式（２．５）得电缆外护套及绝缘层处的温度分布后，便可根据有均匀内热公式，求得线芯内部的温度分布，可得其数学模型为：??ｋＸＬＰＢ＾）?ｒ＾＝（ｌ??ｗ（ｆ）ｋ＝ｎ）??ｑｒ１?ｒ２??７（ｒ）＝＾Ｔ（１＂＾）＋７；??＾为热流密度；Ｗ／ｍ２。??芯截面积（ｓ芯种挪量⑴

距电缆线芯距离／ｍｍ??图３．１?１８５ｍｍ２铜芯电缆不同载荷下聚合物稳态径向温度场分布??图３．１为聚合物稳态温度场分布，计算对应的基本条件如下：电缆铜芯截面??积为１８５ｍｍ２，夕卜层材料分别为ＸＬＰＥ、ＰＥ、ＰＶＣ，厚度分别为１．４ｍｍ、Ｉｍｍ、??１．６ｍｍ，空气对流换热系数为２５Ｗ／（ｍ２－°Ｃ?）。当电缆载流量为３７０Ａ、４２０Ａ、??４６０Ａ、５００Ａ、５３０Ａ时，对应的电缆线芯发热功率不同。从图中可以得到电缆三??层聚合物材料的温度分布情况，电缆最内层聚合物ＸＬＰＥ内侧温度最高，分别为??５６．３°Ｃ、６５．５°Ｃ、７３．７－Ｃ、８１．８°Ｃ、８９．９°Ｃ。随着电缆的载流量的增加，电缆的绝??缘层及外护套温度也随之增加。由于ＸＬＰＥ、ＰＥ及ＰＶＣ的热物性的不同，导致??温度的变化也存在一定的差异。??当电缆电流增加到５３０Ａ时，电缆的线芯表面温度增加到８９．９°Ｃ，已经接近??ＸＬＰＥ所容许的长期工作温度９０°Ｃ。此时电缆存在较大的火灾危险性
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本文编号：2880116