新型35kV及以下耐火电力电缆测试系统

姚远 许凯 程欣 郑显峰 刘鼎 严亮

摘 要：耐火电缆诞生于上世纪九十年代，距今已经三十余年历史，随着电力输送的需求，耐火电缆也从最初的低压耐火电缆发展至中压耐火电缆。低压耐火电缆经过多年发展已经较为成熟，配套检验方法和检测设备相对完善，而中压耐火电缆现无国家标准，仅有中压耐火电缆技术规范。本文根据低压耐火电缆现行国家标准和中压电缆耐火技术规范在低压耐火设备的基础上对设备进行改进、升级，设计一套同时适用于中、低压耐火电线电缆的试验设备，开发可进行火焰温度验证并根据验证结果自动调整相关参数设置，同时可对试验过程中各项参数、火焰蔓延状态等进行记录分析的测试系统，以加强中压耐火电缆产品的监管及产品质量提升，也可为该类产品国家行业标准的制订提供更详细的数据支撑。

关键词：中压电缆；耐火测试；热像分析

中图分类号：TB     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.14.083

0 引言

多年来全球范围内由于火灾引起电线电缆短路，而无法启动消防、照明、警报等设备，导致火灾受损程度扩大，人员伤亡、财产损失的情况时有发生，由此可见电缆耐火性能的重要性。在标准GB 51348-2019《民用建筑电气设计标准》规定了各类消防用电设备及消防配电线缆在火灾发生期间能保证的最少持续供电时间（详见表1）。在发生火灾时，耐火电缆可以在一定时间内正常工作，保证各类消防用电设备响应和启动。因此低压耐火电缆广泛应用于高层建筑、地下建筑和重要的工矿企业等与防火安全和消防救生息息相关的场所，例如，消防设备及紧急向导灯等应急设施的供电线路和控制线路。近年来在高层建筑、核电站、发电厂、地铁等重要场所的中压配电系统中都要求使用耐火电缆，同时对电缆的耐火性能也提出了相应的要求。在GB 51348-2019《民用建筑电气设计标准》对中压电缆也提出了耐火性能要求：（1）当建筑物内有总变电所和分变电所时，总变电所至分变电所的35kV、20kV、10kV的电缆应采用耐火电缆；（2）消防负荷的应急电源采用10kV柴油发电机组时，其输出的配电线路应采用耐压不低于10kV的耐火电缆。中压耐火电缆正在被越来越广泛的应用到各个场景中。

1 耐火电缆试验标准及试验设备介绍

各国标准化委员会一直在研究修订电缆耐火试验方法，以进行有效的评价电缆的耐火性能。民用建筑多采用低压电缆供电，我国现行低压耐火试验方法标准主要等同采用IEC标准。目前我国低压耐火标准有GB/T 19216.21-2003等同采用IEC 60331-21：1999，该试验方法为单喷灯单独供火，火焰温度（750～800）℃，供火时间90min，供电时间105min。2021年我国发布了三个供火并施加冲击振动的试验方法标准分别为：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，供火和供电时间均为120min，火焰温度均为（830～870）℃，冲击振动间隔均为5min。同时我国自行制定标准GB/T 19666-2019中还包含一种供火加机械冲击和喷水的耐火试验方法，即在已经进行的GB/T 19216.1-2021/IEC 60331-1：2018或GB/T 19216.2-2021/IEC 60331-2：2018规定的供火加机械冲击试验105min后连续进行15min水喷射或水喷淋，在水喷射或水喷淋期间供火和机械冲击不应停止。标准中增加了水喷射或水喷淋的要求，用于验证在火灾发生后耐火电缆在消防设施启动被喷射水后，依然能够正常运行的能力。

目前中压电缆的耐火试验方法尚无国家标准，业内参考由国家电线电缆质量监督检验中心于2012年颁布的技术规范TICW 8-2012。该技术规范规定采用双喷灯供火，火焰温度（750～800）℃，供火时间90min，供电时间105min，随后1h内对样品进行3.5U0耐压试验。分析标准发现中、低压耐火试验方法有相同之处，由于低压耐火电缆应用较早产品较成熟，相应的低压耐火电缆检测设备也相对较成熟，而国内仪器设备厂商根据技术规范TICW 8-2012开发的中压耐火电缆的检测设备总体上自动化程度不高，在进行火焰温度验证时仅能提供计时功能及温度显示功能，需要人工记录数据并计算结果后，调整空气、丙烷流量再次验证直至通过为止，而现有设备仅能依据技术规范对产品的是否合格进行判定，缺少对试验过程如温度变化、火焰蔓延速度、热量聚集区，温度分布等参数的记录及分析。本测试系统的設计可兼容35kV以下中低压电力电缆的耐火试验，包含温度智能调节系统、红外热像分析系统和安全保障装置，可实现喷灯温度的自动验证、试验过程相关数据的记录和对试验过程中对人身安全的保障设施。

2 系统主要硬件组成介绍

目前大部分实验室主要存在两种耐火试验装置，一套满足0.6/1kV低压电缆耐火试验，另外一套满足技术规范TICW 8-2012要求可进行6kV～35kV中压电缆耐火试验，两者之间虽然不能共用，但存在共通之处。在仔细研读标准和多次试验过程中总结设计一款新型35kV及以下挤包绝缘耐火电力电缆耐火测试系统。该系统是在满足标准GB/T 19216.11-2003规定的试验装置基础上进行设备改装、系统开发升级而成的，不仅满足GB/T 19216.11-2003和TICW 8-2012的要求，而且包含了一套试验参数的监控、记录和分析系统，以便于后期对产品升级改进和质量的提升提供数据支撑。

1.变压器；2.电源保护断路器；3.连接到电缆导体；4.电缆绝缘；5.电缆绝缘屏蔽（金属屏蔽和半导电屏蔽）；6.支撑架；7.泄漏电流检测装置。

该测试系统包含火焰喷灯2个、试样支撑装置、50kV耐压试验仪、电流检测装置、气体质量流量计及流量智能调节系统、喷灯温度智能验证系统、安全报警系统。其中气体质量流量计及流量智能调节系统、喷灯温度智能验证系统、红外热像分析系统为本测试系统新增开发系统，火焰喷灯、试样支撑装置、50kV耐压试验仪和电流检测装置均满足GB/T 19216.11-2003和和TICW 8-2012的要求。试验系统组成图和试样电缆线路连接图分别如图1和图2所示。

3 温度智能验证系统

根据GB/T 19216.11-2003附录A要求设计喷灯温度智能验证系统，通过采集温度传感器反馈的温度进行数据分析，实现热电偶和喷灯火焰中心点的位置及流量的互相自动调节，免了人工数据记录、分析、计算等繁琐工作。验证步骤用热电偶的布置如图3所示。

喷灯温度验证步骤：①将喷灯喷嘴放在与K型热电偶水平距离约为45mm（xmm），与热电偶中心线垂直向下距离为（70±10）（ymm）的位置上，如图1所示。②点燃喷灯，调节气体初始流量，即丙烷流量（80±5）L/min、空气流量（5±0.25）L/min。③调节喷灯的水平位置直到热电偶接近火焰的垂直中心线。④系统监测5s采集一次温度，分别记录两个热电偶在10min内温度曲线，并计算两个热电偶10min内的平均温度和两个热电偶平均值的差值，以确保达到稳定的燃烧条件。⑤如果两个热电偶在10min时间的读数平均值在（750～800）℃范围内，且两个热电偶读数平均值的最大差值不超过40℃，则应认为通过验证。如果不满足要求，系统会根据自动计算结果对气体流量在标准允许公差范围内进行智能调节，再次重复序号⑤的验证工作。⑥验证通过后系统自动记录（x、y）的距离和气体流量，并在下次温度验证前直接调取数据加以验证，极大的缩减了试验时间，提高了检测效率，同时该系统还可监控并记录试验过程中电压及泄漏电流的变化，以保证试验过程中试验参数的准确性。喷灯温度验证流程和系统监控界面分别如图4和图5所示。

气体流量自动调节界面校准温度参数自动界面试验电压和泄漏电流监控界面。

4 红外热像分析系统

本系统设计开发了一套红外热像分析系统用于实现对试验过程中试样温度变化、火焰蔓延速度、热量聚集区，温度分布等参数的记录及分析。相关试验参数监控界面如图6。

该装置配备热成像监控摄像头，可测试温度不低于1000℃，可监控整个燃烧区域，同时也可隨意选取燃烧观察区域大小和区域数量以获取不同燃烧区域的相关数据进行比较。观察区域的实时温度在软件的右上角显示，可根据设置显示最高温度，最低温度以及区域的平均温度，也可以将鼠标放置区域的任意位置，在软件上显示此位置温度，即为指针温度。该系统可记录整个试验燃烧火焰蔓延、温度变化、热量聚集等影像信息并予以保存，为试验过程的分析和产品的升级提供了可靠的数据。

5 安全保障装置

由于中压耐火电缆样品长度达4.5米，其样品长度比原有燃烧室尺寸要大，在不改变燃烧室结构的前提下，样品的一端需要伸出燃烧室。试验过程中需要长时间施加电压，电压最高达26kV，伸出燃烧室的电缆端部存在安全隐患，本系统对此区域采用隔离、视频监控和自动感应监测系统三种保护措施保证试验安全进行。设备能在进行耐火电缆试验时，及时反馈燃烧造成的线路短路或断路信号，发出报警同时有效的切断电路及可燃气源。如果在试验过程中，人员误闯入该区域将触发报警系统，生成声光报警，同时自动切断高压输出。报警系统触发后，需人工手动确认报警信息和复位清除，以保证整个试验过程的安全可靠。

6 结束语

随着城市化的快速发展，中压耐火电缆必然会有更为广泛的应用前景。目前行业内中压耐火电缆结构设计各种各样，且中压耐火试验的通过率整体偏低，这和中压耐火试验设备无法记录和分析样品的燃烧过程不无关系，只有通过分析样品整个燃烧过程才能发现其中存在的问题，进而针对性的进行结构改进和产品升级，提高产品质量。本文介绍了新型35kV及以下耐火电力电缆耐火测试系统的组成结构，该系统既满足了中低压耐火电线电缆的试验要求又可以提高试验效率，还可以通过采集试验中相关数据对产品存在的问题进行分析，为电线电缆企业在中压耐火电缆工艺结构设计中提供了帮助。

参考文献

［1］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 51348-2019民用建筑电气设计标准[M].北京：中国建筑工业出版社，2019.

[2]上海电缆研究所有限公司.GB/T19666-2019阻燃和耐火电线电缆或光缆通则[M].北京：北京标准出版社，2019.

[3]国家电线电缆质量监督检验中心.TICW8-2012额定电压6kV（Um=7.2kV）到35kV（Um=40.5kV）挤包绝缘耐火电力电缆[S].

[4]上海电缆研究所.GB/T 19216.11-2003 在火焰条件下电缆或光缆的线路完整性试验第11部分：试验装置——火焰温度不低于750℃的单独供火[M].北京：北京标准出版社，2003.

[5]胡林明，高旭，冯军，等.制定耐火电缆新耐火试验方法标准的必要性[J].建筑电气，2018，37（7）：5458.

[6]高旭，周晓勇，冯军，等.中压耐火电缆耐火试验方法的探讨[J].建筑电气.2019，38（2）：3741.

[7]黄宇.电线电缆耐火试验方法探讨[J].质量和认证，2022，2：7274.