CN105021492B - 一种模拟故障电弧作用下的电缆受热及燃烧特性测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟故障电弧作用下的电缆受热及燃烧特性测试装置，主要包括电缆测试平台及相应供电回路，所述电缆测试平台包括待测电缆试样、电缆槽架及电弧起弧器，所述电缆槽架可调节电缆的空间夹角，并在其下方设有质量测量装置，所述电弧起弧器可精确控制电缆试样中的人工故障电弧状态；通过电弧热效应的作用，确定不同空间布置倾角下电缆试样的受热、燃烧及火蔓延等过程的状态发展模式及临界条件，从而研究各种电缆在故障电弧作用下的受热燃烧行为，为电缆电弧抗性测试及分类标准提供依据。

Description

一种模拟故障电弧作用下的电缆受热及燃烧特性测试装置

技术领域

本发明涉及电缆受热、燃烧与电缆火灾安全领域，更具体的说，涉及一种模拟故障电弧作用下的电缆受热及燃烧特性测试装置。

背景技术

电缆技术的长足发展与广泛应用，给生产生活水平及国民经济的发展提供了重要保障。作为电缆重要构成部分的包层材料：如填充层、绝缘层、内护套层、外护套层等绝缘材料通常是由热塑性高分子聚合物(常见的有聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等)加工而成。这些材料往往本身具有可燃性，除增加应用场所的火灾荷载外，热塑性包层材料在受热后(如电缆短路、发生故障电弧或受外部炙烤等)还存在软化变形，一旦被高温引燃，燃烧过程中将持续向下方滴落熔融的液态可燃物，形成液体池火燃烧等复杂火蔓延现象。

在电缆火灾事故中，故障电弧一直以来都是不可忽视的主要因素之一，若故障电弧未被及时发现而保持长时间存在，将伴随热量的聚集，促使电缆包层材料发生裂解并在电极间形成碳化通道，最终引发高能弧光放电、产生电缆明火燃烧从而引发火灾。有关电缆火灾燃烧特性方面的研究，国际电工委员会ICE(International ElectrotechnicalCommission)对此出台过相关行业测试标准ICE60332-1、ICE60332-2、ICE60332-3。该系列标准主要针对的是单根或成束电缆，总体方法是将电缆试样竖直放置，在底部用外部火源进行引燃，从而模拟电缆的竖向火蔓延燃烧过程，并通过火焰蔓延距离、熄灭时间等参数来衡量该电缆试样的耐热耐火性能。美国保险商实验室UL(Underwriter LaboratoriesInc.)曾推行过一套故障电弧断路保护器的安全测试标准UL1699，其中提到的故障电弧发生器可以在参考用电回路中产生可控的故障电弧，以此测试电弧对回路中电压、电流参数的影响。然而对于研究故障电弧的热作用，以及对于研究故障电弧引发电缆火灾的机理而言，上述测试方法存在明显局限性：首先电缆在空间的布设方式上较为单一，不能完全反映现实中电缆的复杂布设情况；其次，电缆的引燃通常采用外部局部明火引燃方式，这与由故障电弧引燃在火灾动力学方面截然不同；而目前针对故障电弧作用主要集中于对电缆回路中电气特性参数的影响，而针对电弧热效应的报道仍较为鲜见，因此现有的测试方法并不能满足对电缆故障电弧火灾行为的深入定量分析。

发明内容

本发明的目的是提出一种可控人工故障电弧作用下，处于通电状态电缆受热及燃烧特性的研究方法与测试装置，通过对电弧功率、弧柱形状的控制，确定不同空间倾角电缆试样在电弧热作用下热解、燃烧、火蔓延等过程的状态发展模式及临界条件。

本发明采用的技术方案为：一种模拟故障电弧作用下的电缆受热及燃烧特性测试装置，包括：

一电路结构部分，其包括一个交流动力电电源，该交流动力电电源通过一个电流接触器依次串联一个可调电阻，一个电流计，并利用导电夹A和导电夹B分别串接一段电缆试样A、B；所述电缆试样A、B的两端分别并联接入一个电压计；沿该电缆试样走向布置一组热电偶阵列，其中包含复数个支热电偶；该电缆试样A、B两端用耐火石棉绳固定于一个电缆测试平台之上，且处于绷直状态；

所述电缆测试平台包括一电缆槽架，该电缆槽架的两侧中部开有相向、同轴的两个圆孔，用于插入圆柱形转轴；所述圆柱形转轴长度稍长于所述同轴的两个圆孔间垂直距离；插入该转轴后，在圆柱形转轴的两端分别连接两块相同尺寸的金属圆板，并使所述金属圆板与所述转轴保持同轴，以此将所述圆柱形转轴与所述电缆槽架铆接在一起；

所述两块金属圆板底部分别连接两组可调支架，其中一组该可调支架由一块竖直的长方形金属板和一块圆弧形金属量角尺焊接而成，该组可调支架的圆弧形金属量角尺部分以所述转轴的端部为圆心，每隔一定角度标注一个刻度，并在相应刻度处打上圆形孔；所述两组可调支架的下部留有一排竖直、等间距的小圆孔；所述两组可调支架下方连接底座，该底座的上部同样留有一排竖直、等间距的小圆孔，与所述可调支架的小圆孔通过螺钉进行锁固；

所述底座置于一块硬质硅酸钙板上，该硅酸钙板再置于一台电子天平之上；在所述电缆试样A、B的正下方和所述硅酸钙板上方水平放置一熔滴槽，该熔滴槽又置于一支架上；该支架与所述硅酸钙板之间不发生物理接触；

所述电缆试样A、B段的剖切面处的两段金属内导体芯接入一个电弧起弧器，所述电弧起弧器包含两个相向的“L”形铜柱A和铜柱B；所述电缆试样A段剖切面处的内导体芯A缠绕于铜柱A的顶部，所述电缆试样B段剖切面处的内导体芯B缠绕于铜柱B的顶部，同时保持A、B铜柱的“L”短边与电缆试样A、B段处于同轴状态；所述铜柱A的“L”长边顶端连接一个陶瓷夹紧件，该陶瓷夹紧件通过一颗锁固螺钉卡紧于一块金属标尺上，所述铜柱B的“L”长边顶端连接一个陶瓷滑块，该陶瓷滑块同样嵌套于所述金属标尺上；所述陶瓷滑块另一侧连接一块丝杠螺母，该丝杠螺母中穿过与此相匹配的精密丝杠，所述精密丝杠的一端连接一个步进电机的轴，该步进电机也固定于所述金属标尺上，同时该金属标尺的一端呈挂钩状，便于安装在所述电缆槽架中；所述电缆试样的附近安装若干台摄像机，用于从多个角度记录电缆受热、燃烧行为的物理图像信息。

在一较佳实施例中：所述交流动力电电源用于提供所述电缆试样回路所需的电压，通过所述可调电阻的调节，并利用所述电流计和电压计对所述电缆试样的相关参量进行实时监测，最终达到测试所要求的初始电路参数条件。

在一较佳实施例中：所述沿电缆走向布设的热电偶阵列测量的是所述电缆试样在若干特征位置上的温度变化；所述热电偶的探头可根据需要在电缆试样的半径方向插入不同的深度；也可不接触电缆试样，而测量其周围空间温度场变化。

在一较佳实施例中：所述电缆槽架的空间夹角由所述可调支架的圆弧形金属量角尺确定，并通过一个特制金属插销同时插入圆弧形金属量角尺上对应角度的圆形孔以及电缆槽架上预留的定位孔进行夹角固定；该夹角也是所述电缆试样与竖直方向的空间夹角。

在一较佳实施例中：所述可调支架与底座上的一排等间距的小圆孔所起用于调节可调支架的高度，并配合螺钉进行锁固。

在一较佳实施例中：所述铜柱A和铜柱B的“L”短边的端点触头在初始情况下处于完全接触并贴合的状态，当需要产生电弧时，通过所述电弧起弧器的所述步进电机控制所述陶瓷滑块后移，以逐渐精确拉开铜柱A、B触头的距离；由于该距离通常较短，因此不会对电缆整体的形变产生影响。

在一较佳实施例中：所述电子天平测量的是上方电缆试样在电弧作用下受热或燃烧过程中的质量损失情况，不包括所述熔滴槽中电缆包层材料熔融滴落物质的质量变化。

在一较佳实施例中：所述各个测点上布设的热电偶以及所使用的电流计、电压计、电子天平等，其测量信号均接入数据采集卡，并通过计算机软件进行在线数据采集

与现有技术相比，本装置的技术优势如下：

(1)布设于所述电缆试样或周围的热电偶阵列，可在线测量电缆试样在电弧热作用下典型位置的温度变化及温度梯度推进，并反演电缆包层材料在热作用下的整个升温、变形、熔融、着火燃烧、火蔓延等过程，从而确定出相应的状态临界转捩条件。

(2)可实现变角度的电缆试样测试，研究空间倾斜角度对电缆包层材料受热变形、熔融流淌、以及后期火蔓延等主要过程的影响。

(3)可实现电弧的精确控制，利用所述电弧起弧器和所述可调电阻的配合，可产生预定能量及长度的电弧，以完成试验电弧热源的准确调节；所述陶瓷滑块的移动距离由计算机软件设置后，通过远程遥控所述步进电机得以实现。

(4)利用所述电子天平实时记录所述电缆试样在电弧热作用下的质量损失，结合热电偶温度变化数据，可以进一步研究电缆受热及燃烧时的热重特征发展规律。

(5)利用所述电缆试样回路中的电流计和电压计数据，可对电缆在受热过程中是否失效作出直接判断；耦合同时进行采集的温度、质量等数据，可望发展针对故障电弧作用下的电缆热失效新判据。

(6)由于体现故障电弧热作用下的电缆抗性等级测试标准尚未建立，该方法可为未来此类标准的建立提供依据。

附图说明

图1为一种模拟故障电弧作用下的电缆受热及燃烧特性测试装置的电路结构示意图；

图2为该测试装置中的电缆测试平台结构示意图；

图3为电缆测试平台中的电弧起弧器结构示意图；

其中：100为交流动力电电源，101为电流接触器，102为可调电阻，103为电流计，104为电压计，105为电缆试样回路，106为导电夹A，107为电缆试样A段，108为电缆试样B段，109为导电夹B，110为内导体芯A，111为内导体芯B；

200为电缆槽架，201为转轴，202为金属圆板，203为可调支架A，204为金属插销，205为底座，206为螺钉，207为硅酸钙板，208为电子天平，209为支架，210为熔滴槽，211为耐火石棉绳，212为摄像机，213为热电偶阵列，214为电弧起弧器，215为可调支架B；

300为铜柱A，301为铜柱B，302为陶瓷夹紧件，303为锁固螺钉，304为金属标尺，305为陶瓷滑块，306为丝杠螺母，307为精密丝杠，308为步进电机。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式，但不作为对本发明的限制。

图1给出了本发明的模拟故障电弧作用下的电缆受热及燃烧特性测试装置的电路结构示意图，图2为该测试装置中电缆测试平台的详细结构立体示意图，图3为电缆测试平台中的电弧起弧器详细结构立体示意图。

如图1所示，一个380V交流动力电电源100通过电缆试样回路105依次串联一个电流接触器101，一个可调电阻102，一个电流计103，并利用电缆试样回路105中的导电夹A106和导电夹B109分别串接一个特定长度的电缆试样A段及电缆试样B段，并使两者处于同轴位置，且将电缆试样A段远离导电夹A106一侧的内导体芯A110与电缆试样B段远离导电夹B108一侧的内导体芯B111稍微露出，并使两者尽量靠近；同时在导电夹A106和导电夹B109的位置并联一个电压计104，例如本实施例中选用可调电阻102的阻值范围为0ˉ200欧，电流计103最大量程50A，电压计104最大量程500V，电缆试样A段107和电缆试样B段108均选用美国电线规范的1AWG电缆线，外径7.35mm、长度均为50cm，其绝缘层和外护套层均为聚氯乙烯材料。

如图2所示，电缆试样A段107和电缆试样B段108被耐火石棉绳211固定于一个梯子形状的电缆槽架200之上，且处于绷直状态，电缆槽架200左侧的特定位置开有一个圆形限位孔，电缆槽架200两侧中部分别焊接上开有同轴圆孔的折角，两个同轴圆孔中插入一个转轴201，本实施例中，电缆槽架200由不锈钢焊接而成，外尺寸长120cm、宽40cm，转轴201同为不锈钢材质，外径2cm、长度42cm。在转轴201的两端分别焊接两块相同尺寸的金属圆板202，并使金属圆板202与转轴201保持同轴，例如金属圆板可由不锈钢制成，外径10cm、厚度1cm；两块金属圆板202的下方分别连接可调支架A203(位于左侧)和可调支架B215(右侧)，其中可调支架A203由一块竖直的长方形金属板和一块圆弧形金属量角尺焊接而成，可调支架A203的圆弧形金属量角尺每隔一定角度(以转轴201的端部为圆心)标注一个刻度，并在相应刻度处打上圆形孔，例如可调支架A203的圆弧形金属量角尺刻度间隔为10度，且可调支架A203和可调支架B215的长方形金属板部分尺寸均为长60cm、宽8cm、厚度5mm，同时其下部留有一排竖直、等间距的小圆孔，例如开有4个内径8mm，间距10cm的小圆孔；可调支架A203和可调支架B215下方连接底座205，底座205的上部同样留有一排竖直、等间距的小圆孔，与可调支架A203及可调支架B215的小圆孔通过螺钉206进行锁固；底座205置于一块硬质硅酸钙板207上，硅酸钙板207再置于一台电子天平208之上，在电缆槽架200的正下方和硅酸钙板207上方水平放置一个长方形的金属熔滴槽210，用于收集电缆试样A段107和电缆试样B段108受热后产生的熔融滴落物质，其面积比电缆试样A段107加上电缆试样B段108的水平投影总面积稍大，熔滴槽210又置于一个支架209上，且支架209与硅酸钙板207之间不发生接触。电缆试样A段107和电缆试样B段108的表面布置一组热电偶阵列213，包括4支热电偶，每支间距为10cm，一台摄像机212从正前方拍摄电缆试样A段107和B段108受热或燃烧的整个过程。两段相向且紧靠的内导体芯A110与内导体芯B111接入一个电弧起弧器214上，其具体构造将在图3作详细说明。

如图3所示，电弧起弧器214首先包含两个相向的“L”形铜柱A300和铜柱B301，电缆试样A段107的内导体芯A110缠绕于铜柱A300的顶部弯折处，且电缆试样B段108的内导体芯B111缠绕于铜柱B301的顶部弯折处，同时需保持铜柱A300与铜柱B301两者的“L”短边与电缆试样A段107及电缆试样B段108处于同轴状态，本实施例中，铜柱A300与铜柱B301尺寸相同，“L”短边长度为8mm，“L”长边长度为10cm，横截面直径3mm；铜柱A300的“L”长边顶端连接一个陶瓷夹紧件302，陶瓷夹紧件302通过一颗锁固螺钉303卡紧于一块金属标尺304上，所述铜柱B301的“L”长边顶端连接一个陶瓷滑块305，陶瓷滑块305同样嵌套于金属标尺304上，且两者内部尺寸刚好契合(不发生松动)，其移动时便可调节铜柱A300和铜柱B301的“L”短边触头的间距，同时金属标尺304的一端呈挂钩状，便于安装在电缆槽架200中。陶瓷滑块305另一侧连接一块丝杠螺母306，丝杠螺母306中穿过一根与此相匹配的精密丝杠307，精密丝杠307的一端连接一个步进电机308，该步进电机308固定于金属标尺304上，本实施例中，步进电机308可远程遥控，当在计算机软件上设定好移动距离后，便可通过计算机自动控制，依靠精密丝杠307将陶瓷滑块305移动预设距离。

测试开始前，首先控制步进电机308将陶瓷滑块305向陶瓷夹紧件302方向移动，最终使铜柱A300和铜柱B301的“L”短边触头的间距为0，即两个触头处于完全贴合状态，保证整个电缆试样回路105不存在虚接；接着是将电缆试样回路105的初始电流或电压状态调至预定值，具体是先接通电流接触器101，然后通过可调电阻102，配合电流计103或电压计104将回路状态调至预定值；然后再确定电缆槽架200的初始空间布设倾角，做法是通过对照可调支架203上的圆弧形金属量角尺，将电缆槽架200倾斜至预设角度，然后用金属插销204插入所述圆弧形金属量角尺上相应刻度的圆形孔以及电缆槽架200左侧预留的定位孔进行夹角固定，该角度也是电缆试样A段107或电缆试样B段108与竖直方向的空间夹角。

测试过程中，在电缆试样回路105带电的情况下，通过步进电机308将铜柱A300和铜柱B301的“L”短边的触头拉开至预设距离，此时若初始状态设置合理，触头间将会产生人工故障电弧，电缆试样A段107和电缆试样B段108在电弧热效应作用下开始受热分解，其质量损失变化将由电子天平208进行全程测量，而其特征位置温度变化则由热电偶阵列213进行测量，电缆试样回路105中的电流计103和电压计104将同时测量电缆试样A段107与电缆试样B段108上的伏安特性数据，据此可对电缆试样回路105在测试中是否已被电弧完全破坏作出直接判断，受热过程中的物理图像信息由摄像机212进行全程记录。所述电子天平208、热电偶阵列213、以及所使用的电流计103、电压计104等测量信号均接入数据采集卡在电脑端进行实时采集。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种模拟故障电弧作用下的电缆受热及燃烧特性测试装置，其特征在于包括：

一电路结构部分，其包括一个交流动力电电源，该交流动力电电源通过一个电流接触器依次串联一个可调电阻，一个电流计，电缆试样A和电缆试样B；所述电缆试样A、电缆试样B分别通过导电夹A和导电夹B接入电路中；所述电缆试样A和电缆试样B相远离的一端接入一个电压计，使得所述电压计与电缆试样A和电缆试样B形成并联连接；沿该电缆试样走向布置一组热电偶阵列，热电偶阵列包含复数支热电偶；该电缆试样A、电缆试样B均用耐火石棉绳固定于一个电缆测试平台之上，且处于绷直状态；

所述电缆测试平台包括一电缆槽架，该电缆槽架的两侧中部开有相向、同轴的两个圆孔，用于插入圆柱形转轴；所述圆柱形转轴长度稍长于所述同轴的两个圆孔间垂直距离；插入该转轴后，在圆柱形转轴的两端分别连接两块相同尺寸的金属圆板，并使所述金属圆板与所述转轴保持同轴，以此将所述圆柱形转轴与所述电缆槽架铆接在一起；

所述两块金属圆板底部分别连接两组可调支架，其中一组该可调支架由一块竖直的长方形金属板和一块圆弧形金属量角尺焊接而成，该组可调支架的圆弧形金属量角尺部分以所述转轴的端部为圆心，每隔一定角度标注一个刻度，并在相应刻度处打上圆形孔；另一组可调支架为另一块竖直的长方形金属板；所述两组可调支架的下部留有一排竖直、等间距的小圆孔；所述两组可调支架下方连接底座，该底座的上部同样留有一排竖直、等间距的小圆孔，与所述可调支架的小圆孔通过螺钉进行锁固；

所述底座置于一块硬质硅酸钙板上，该硅酸钙板再置于一台电子天平之上；在所述电缆试样A、电缆试样B的正下方和所述硅酸钙板上方水平放置一熔滴槽，该熔滴槽又置于一支架上；该支架与所述硅酸钙板之间不发生物理接触；

所述电缆试样A、电缆试样B相对的一面均为剖切面，该剖切面处的两段金属内导体芯接入一个电弧起弧器，所述电弧起弧器包含两个相向的“L”形铜柱A和铜柱B；所述电缆试样A的剖切面处的内导体芯A缠绕于铜柱A的顶部，所述电缆试样B的剖切面处的内导体芯B缠绕于铜柱B的顶部，同时保持A、B铜柱的“L”短边与电缆试样A、电缆试样B段处于同轴状态；所述铜柱A的“L”长边顶端连接一个陶瓷夹紧件，该陶瓷夹紧件通过一颗锁固螺钉卡紧于一块金属标尺上，所述铜柱B的“L”长边顶端连接一个陶瓷滑块，该陶瓷滑块同样嵌套于所述金属标尺上；所述陶瓷滑块另一侧连接一块丝杠螺母，该丝杠螺母中穿过与此相匹配的精密丝杠，所述精密丝杠的一端连接一个步进电机的轴，该步进电机也固定于所述金属标尺上，同时该金属标尺的一端呈挂钩状，便于安装在所述电缆槽架中；所述电缆试样的附近安装若干台摄像机，用于从多个角度记录电缆受热、燃烧行为的物理图像信息。

2.根据权利要求1所述的一种模拟故障电弧作用下的电缆受热及燃烧特性测试装置，其特征在于：所述交流动力电电源用于提供所述电缆试样回路所需的电压，通过所述可调电阻的调节，并利用所述电流计和电压计对所述电缆试样的相关参量进行实时监测，最终达到测试所要求的初始电路参数条件。

3.根据权利要求1所述的一种模拟故障电弧作用下的电缆受热及燃烧特性测试装置，其特征在于：所述沿电缆走向布设的热电偶阵列测量的是所述电缆试样在若干特征位置上的温度变化；所述热电偶的探头可根据需要在电缆试样的半径方向插入不同的深度；也可不接触电缆试样，而测量其周围空间温度场变化。

4.根据权利要求1所述的一种模拟故障电弧作用下的电缆受热及燃烧特性测试装置，其特征在于：所述电缆槽架的空间夹角由所述可调支架的圆弧形金属量角尺确定，并通过一个金属插销同时插入圆弧形金属量角尺上对应角度的圆形孔以及电缆槽架上预留的定位孔进行夹角固定；该夹角也是所述电缆试样与竖直方向的空间夹角。

5.根据权利要求1所述的一种模拟故障电弧作用下的电缆受热及燃烧特性测试装置，其特征在于：所述可调支架与底座上的一排等间距的小圆孔用于调节可调支架的高度，并配合螺钉进行锁固。

6.根据权利要求1所述的一种模拟故障电弧作用下的电缆受热及燃烧特性测试装置，其特征在于：所述铜柱A和铜柱B的“L”短边的端点触头在初始情况下处于完全接触并贴合的状态，当需要产生电弧时，通过所述电弧起弧器的所述步进电机控制所述陶瓷滑块后移，以逐渐精确拉开铜柱A、B触头的距离；由于该距离通常较短，因此不会对电缆整体的形变产生影响。

7.根据权利要求1所述的一种模拟故障电弧作用下的电缆受热及燃烧特性测试装置，其特征在于：所述电子天平测量的是上方电缆试样在电弧作用下受热或燃烧过程中的质量损失情况，不包括所述熔滴槽中电缆包层材料熔融滴落物质的质量变化。

8.根据权利要求1所述的一种模拟故障电弧作用下的电缆受热及燃烧特性测试装置，其特征在于：各个测点上布设的热电偶以及所使用的电流计、电压计、电子天平，其测量信号均接入数据采集卡，并通过计算机软件进行在线数据采集。