第17卷第5期2021年5月
中国安全生产科学技术
Journal of Safety Science and Technology
Vol.17No.5
May.2021
doi：10.11731/j.issn.1673-193x.2021.05.022
杨硕1，李卩日％，王勇"，吴凡"，林庆文"
(1•中国人民警察大学研究生院，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)
摘要：为深入研究BVR多芯铜导线过电流故障下燃烧及火焰传播特征，采用堆栈技术分析导线受热形变，并利用高速摄像机记录故障导线发热、熔断及绝缘燃烧现象，研究导线发热形变、熔断时间及燃烧大花石上莲>挂裤架
时火焰传播速度与电流值变化关系。结果表明：当"=136A时，导线不发生熔断，只有当高温线芯直接接触周围可燃物才可引发火灾；当"=153A时，导线会发生熔断现象，且熔断时间随过电流值升高而缩短；当"=204A时，导线发生熔断，断路电弧引燃周围热解气体，火焰前沿迅速蔓延至导线两端，平均火焰前沿传播速度达2.2m/e，平均明火持续时间达8.2e，整根导线无需外界可燃物即可发生明火燃烧。研究结果可为起火原因认定提供技术指导" 关键词：电气故障；过电流；铜导线；燃烧现象
中图分类号：X932文献标志码：A文章编号：1673-193X(2021)-05-0142-07
Sidy on combustion and fame propagation of BVR multi-corr copper wire
under overcurrent fault
YANG Shuo1,LI Yang2,WANG Yong1,WU Fan1,LIN Qingwen1
(1.Graduate Faculty,China People's Police University,Langfang Hebei065000,China；
2.Institute of Forensic Science,China Peeple's Police University,Langfang Hebei065000,China)
Abs+rac+：In o ede eto stud ythe f oame p eopagat on cha eacte est cs of the combust on eng=ne unde ethe o ee ecu e entfauotofthe Beemuot-coeecoppeeconductoe,thestack techno oog y sused toanaoyyethetheemaodefoematon of the conducto e,and the high-speed ccmera Cs used to record tha phenomena of hextiny,meltiny and insulation burniny of tha fault conductor,tha relat tionship betueen tha current w W o and tha hextiny,deformation,fusa-out time of tha conductor and the flame speed duriny combustion is studied.Tha results showed that when/=136A,tha wire did not fuse,and the ffe occurred only when tha high-temperature core diractly contacted tha surroundiny combustibWs.When/=153A,tha wire would fuse,and tha fusiny tim5shoetn5d with th5ince5as5ofcu e5nt eaou5,e5ducing f eom66sat153A to16sat238 A.Wh5n"=204A,th5wie5 wouod fus5,th5n th5op5n-ci ecuit a ec aft eth5fusing wou od ignit th5su e o unding p yeooytic gas and caus5combustion.M5an-while,tha tamo front would rapidly propayato to both ends of tha wire with an xvvraya pspayation speed of2.2m/s,the avt e eage du eation of open foame eeached8.2s,and thewhooewieewouod occuetheopen foamecombustion without eequi eing the eiteenaocombustiboes.Theeeseaech eesuotscan p eo eide technica oguidance fo edete emining the cause of fi ee in fieeineestiga-tion.
Key words：eoecteicaofauot；oeeecu e nt；coppeewiee；combustion phenomenon
0引言器故障保护失效，会出现3~7倍过电流&2'，导致导线绝缘燃烧，并迅速蔓延，危险性极大。BVR导线是1种聚
过电流故障是电气火灾常见故障之一&1当断路氯乙烯多芯铜导线，常用于家用照明和电器连接控制
收稿日期：2020-08-30
*基金项目：国家自然科学基金项目(52074213)
作者简介：杨硕，硕士研究生，主要研究方向为电气火灾调查。
通信作者：李阳，博士，副教授，主要研究方向为电气火灾调查及物证鉴定耐高温盘根
第5期中国安全生产科学技术・143・
线，受室内线路断路器故障、断路保护器规格设置不合、险随意设，无法及时形成断路保护，电设 现过电，诱发BVR过电流，最终引发火灾事故。者通过对单，线进
发现，多有多股结构，横截面周长远大于同规格单，因电发热，多发过电时呈现特有发热规律，火为。
目前，过电主要、线径、发，针对电或外加热二下发生过程，燃烧及火延现象，并数学模型分析：Babrauskas[3'综电气故发PVC-火过程；Huang等[4'通电
下PE-燃及火延过程，建立数学模型分析着火过程、火延时分布及火焰延行为；Fisher[5'PVC热解模发，研
热下、弯形变、通电热解击穿时间，了解发生过程；赵艳红&6'研究不同规格铜过电下引燃能力；Hu等[7'不同规格PE 不同倾角和环境大气压力下火延速；文[8-9]不同及PVC绝缘不同过电下熔融，发现在一定距离内出现明火的熔融液身燃烧，并燃I 可燃物；Kobayashi等[10'通过不同和绝绫
对火延过得到，不同对火延过较小；Ocajo等[11'通过对过电
发现，过电通常作为原发火灾发；[12'堆处理电缆电流信号，提取
识别电，定位发生点；Meinier [13'外热源与电缆间距对电缆火，定材料在燃烧重要作用；[14'ZR -VB单不同过电流值时发热、熔断及燃烧现象与不同过电流值形成的金；Wang等[15'化热稳定性及老化对火延行为。综，主要集中于聚单，当发生过电时，受效应电流主要集外面发热及燃烧现象，电较小；当多芯发生过电，电集外外表面，方式发热规律更为。
文模拟BVR不同电流下过电，采用堆分析受热形变，并高速记录发热、熔断及燃烧现象，发热形变、
熔断时间及燃烧时火焰传播速度与电流值变化关系，为火灾调查认定起火原指导。
$
$・.试验材料
试验采用BVR2.5mm2多芯聚氯乙烯绝缘铜导线，导线截面如图1所示，导线参数见表1-
图1BVR2.5mm2导线截面
Fig.1Schematic diagram for cross section of
2.5mm2BYR wire
Table$Parameters of wire
表$导线参数
单根线芯
直径/mm
线芯截面积
smm2
绝缘层厚度
smm
线芯个数
0.4 2.5 1.019
$.2
将截成长度550mm若干，导线两侧剥去约20mm绝缘层，连接至电气火灾故障模拟及痕迹制备装置输出端口，试验装置如图2所示。试验台输出电压220V，导线额定电流"=34A，以0.5"为区间逐步增大电流值，通过观察不同过电流值导线发热及熔断现象，确定多芯铜导线熔断电流值4.5"〜7.0"，共153，170，187，204，221，238A6组工况条件，每组进行5次平行试验。分别利用普通摄像机和高速摄像机记录导线发热形变过程及导线熔断、燃烧瞬间状态。
2试验结果与分析
2.〔导线发热形变及熔断现象分析
当过电流发生时，发热软化，在重力作用下发生弯曲变形。选取过电流开始、绝缘起泡、绝缘脱离本体、断前4个时间节点照片，堆栈处理，将导初始水平位置至弯曲变形最低点距离记为形变程度，过电流导线发热形变如图3所示。导线额定电流34A，试验台最大试验电流238A，统计34〜238A导线最大形变，如图4所示。由图4可知，当电流为34,51, 68A时，导线没有发生形变；当电流为85A时，导线开始发生形变，形变程度4mm，导线形变程度随电流增加而增大；当电流值为136〜238A时，导线向下弯曲，形变程度47〜63mm，随过电流值增加，导线平均形变程度变化较小
。
・144・
中国安全生产科学技术第17卷
焊把
a
□
实验装置
验台
实验样品
―!-------- 缘木块
普通摄像机红外热成像仪高速摄像机
□
图2试验装置示意
Fig. 2 Schematir of experimental apparatut
计, 5所示。由图5可知，随电流增加, 平 :
断时间整体呈下降趋势，平均熔断时间由66 s 降至16 s ；
当"为153 - 170 A 时，下速度最快；当"为170 -238 A
时，下降速度缓慢。电 多 最外圈线芯
温度高于内圈线芯温度，且外圈线芯温度高于绝缘层, 外圈线芯对绝缘层与内圈线芯同时进行热传导，当线芯
温度大于铜的熔点，导线在重力作用下发
断，使导
线平 断时间出现梯度现象。
一
I
rc X A l
飞一 一
o o o o
O
8 7 6 5 4圮组组组组
组
岁 1 2 3 4 5 导第第第第第3020
9
元数据管理平台图3过电流导线发热形变
Fig. 3 Thermal deformation of overcurrent wire
50505050505050
665544332211—导线平均形变程度
0 50 100
150
洗肠器
200 250
电流值/A
图4不同过电流时导线形变程度
Fig. 4 Deformation degree of wire under different
overcurrent valuet
当" = 136 A 时，导线没有发生熔断现象；当" = 153 A
时，导线发生熔断现象。根据导线断路电弧发生机理, 导线最后1根线芯熔断将发生断路电弧，用相机记录导
线发生熔断时断路电弧发光瞬间，记为导线熔断时间
点o 对"为153 -238 A W 电
下 断时间统
170 190 210 230 250
电流值/A
图5不同过电流时导线熔断时间
Fig. 5 Fusing time of wire under different overcurrent
制作智能卡values
对裸露多芯铜导线进行过电流实验，并在通电10 s
时进行红外拍摄，得到不同过电流值裸露多芯铜导线表 面温度如图6所示。由图6可知，随电流值增加，表面
温度升高，当电流为153,170,187 ,204 ,221,238 A 时，线
芯表面最高温度分别为289.4 j ,418.0 j ,485.3 j ,
606.3 j ,694. 1 j ,801. 1 j 。裸露多芯铜导线表面温
度分布如图7所示。由图7可知，多芯铜导线过电流时
最外层线芯温度最高；靠近 较低。
图6通电第10 t 时不同过电流值裸露多芯铜
导线表面温度
Fig. 6 Infrared photos of bare multi-core copper wire
with different overcurrent valuet at 10
t
第5期中国安全生产科学技术-145-
图7裸露多芯铜导线过电流表面温度分布示意
Fig.7Schematic diagram for serfad temperaturr
distrinution of bare multi-core copper wire with
ov/rcurr/ni
假设发生过电流时，外圈线芯发热，忽略内部线芯
电流作用。研究电流值与，分析下
断电流值，并根据形状因子法计算，如式(1)
〜(2)所示:
2"(1)
(2)
式中:：为多股导线中单根线芯半径，m；：为最外层线芯理想等温面半径，m；A表示整根，m；5为简化后绝缘层单位长度热阻，%；入为材料导热系数，W/(K-m)；+为形状因子；沪为图8中小圆个数。因简化假设并考虑电流趋肤效应，4'=12，即最外扌芯股数。
图8形状因子法
Fig.8Schematic diagram of shape factor calculation
为建立相对理想化条件，简化导线过电流传热模型并作下假设:
1)单一成分假设：将导线绝缘层视为纯PVC物质，忽视杂质或添加剂影响；
2)假设，即与绝缘层热物理参数(如密度、热、电值等)与，且整个过
定不变；
3)直且足够长，仅存在径向温差；
4)忽略线芯内部热传递过程，同时刻导线所有股芯间不存在温度梯度，温度瞬间达到相同且保持恒定；
5)忽略导线铜制线芯与绝缘间接触热阻。
将多芯铜导线过电流故障视为有内热源的一维径向热传导过程，热扩散方式(3):
(3)
(4)
(5)
边界条件如式(4)〜(5)所示：
(s=-&(2")学d
5(：2)=5
式中：(为绝缘外表面处传热速率，W；：2为绝缘层外半径，m；5s为绝缘层外表面温度，K；&为热率,W/(m•K-1)o
对式(3)积分得到温度分布通解，将边界条件代入，式(6):
(=4(e(6)式中：g e为单根线芯发热功率，W。
将式(6)代入式(5)得导线平均温度，如式(7)
:
5s=5!+(c A cend(7) (c=+[丁51+2"：2+(54-5)](8)式中：5为环境温度，K；Ac end为绝缘层单位长度热阻,%；，为-数；+为表面发射率。
当/二136A时，线芯温度接近铜的熔点；当"=153A 时，线芯平均温度远大于铜的熔点，因此，只有当/(153A
断，与试验结果一致，即认为多j导线在过电流故障时主要由外圈线芯发热导致线芯熔断。2.导线绝缘热解燃烧现象分析
当"=153A时，5组试验导线均发生熔断现象，如图9所示。以其中1组为例，过电流条件下，24s时导线绝缘受热起泡，开始产生热解气体；28.3s时绝缘开始部分熔融脱落，热解气体释放速率最快；30.2s时仍有着释放热解，热解气体明显减少；31.2s时导线发生熔断，线芯周围几乎无热解气体；32.5s时导线跌落断成数段。
当"=204A时，5组试验导线均发生熔断，断路电弧引燃周围热解气体发生燃烧，如图10所示。以其中1组为例，过电流条件下，17s时导线绝缘开始产生热解；19.1s时成融即将，大热解；20.5s时发断，断路电燃热解气体，在熔断点出现弧光与火光混合发光现象；21.3s 时，整根燃烧，并产生大烟气；28.7s时燃烧基本结束
。
・146・中国安全生产科学技术第17卷
(a)24s(b)28.3s(c)30.2s(d)31.2s(e)32.5s
…—
图9导线熔断现象
Fig.9Phenomenon of wire fesing
(a)17s(b)19.1s(c)20.5s(d)21.3s(e)28.7s
图10导线熔断绝缘燃烧现象
Fig.10Phenomena of wire fesing and insulated combustion
过电流开始后，聚氯乙烯绝缘受线芯热作用开始热解，带有护燃烧前期先出现热解，为燃烧提&16-17'。绝缘热解第1阶段温度为240j，热解释放大量气体；绝缘热解第2阶段温度为420j，以绝缘挥发为主；绝缘热解第3阶段温度为680j，热解后的炭化区域小范围燃烧；断约1083j，导线熔断时间与绝缘热解第1、2阶段结束时间存在一定时间差。当153A"I"187A时，绝缘热解第1阶段已经基本结束，不再释放大量热解，且空气中可燃气不足以被断路电燃，此时发断但绝缘不燃烧；当204A"""238A时，导线升温速率加快，断时仍处于第1阶段或向第2阶段过渡，热解释放大量热解气体，且在熔断断路电时，热解可以被断路电燃，此时发生熔断且燃烧。
2.3导线燃烧火焰传播现象分析
当断后引燃周围热解燃烧时，火焰前沿传播现象如图11所示。导线熔断瞬间，部分热解气体被引燃，火焰由熔断点蔓延至导线两侧，整根导线出现明火燃烧。
图11绝缘燃烧火焰传播现象
Fig.11Phenomenon of flame propagation in insulated combustion
以每秒1000帧拍摄频率对燃烧现象进行录制，利用视频截帧技术提取相邻两帧图像，标注火焰前沿位
置，火焰前沿传播现象如图12所示。计算图像中火焰前沿经过单位，并换算为实际（50mm实际长度=2.8单位像素长度），得到不同过电流条件下绝缘燃烧线速率，对数据求平均值得到火焰传播速度，见表2，不同电流值对应火焰传播速度如图13所示。当"为204〜238A发生过电流故障时，火焰传播速度随电流增大而减小，由204A的2.2m/s下降至238A的0.6 m/s°
火焰传播是1种扩散燃烧现象，局部出现明火后，火焰向/热解气体预混气体扩散，在不同过电流条件下热解气体产生速率不同，即热解质量流不同，从而火焰传播速度。为分析过电流与火焰传播速
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