火灾中电缆绝缘材料在短期极端高温条件下的老化特性

《Polymer Degradation and Stability》：Degradation Characteristics of Cable Insulation Under Short-Term Extreme High Temperatures in Fires

本研究通过构建电缆隧道火灾动态热模型，揭示了短时高温（120-400°C）下XLPE绝缘材料微观结构、电气和力学性能的变化规律。实验表明，160°C以下轻微改善，200-300°C出现性能显著退化，且高温下晶体结构破坏与氧化反应主导降解机制，与传统老化存在本质差异。

　　在现代电力系统中，电缆作为电力传输的重要组成部分，其性能与安全运行密切相关。然而，随着电缆隧道数量的增加以及电缆运行时间的延长，火灾风险也相应上升。因此，研究火灾环境下电缆绝缘材料的性能变化具有重要意义。本文针对电缆绝缘材料在短时间极端高温条件下的性能退化问题，通过建立电缆隧道火灾模拟模型和实验平台，深入探讨了短时高温对交联聚乙烯（XLPE）绝缘层的影响，特别是在极端温度下的退化机制和性能变化规律。

### 1. 研究背景与意义

近年来，电缆隧道的广泛应用使得电缆在高温环境下的安全性问题日益受到关注。虽然电缆隧道中的灭火系统能够在一定程度上抑制火灾对电缆的直接破坏，但由于系统响应时间存在延迟，相邻电缆仍可能短暂暴露于极端高温中。这种短时高温可能对XLPE绝缘材料造成影响，导致其绝缘性能下降、微观结构变化以及机械性能减弱，从而增加后续电气故障的风险。因此，研究短时高温对电缆绝缘材料的影响，有助于更好地评估火灾对电缆安全性的潜在威胁，并为电缆材料的设计和使用提供科学依据。

此外，现有的研究多集中于长时间的热老化过程，即在80°C至200°C的范围内，通过数天至数月的实验评估XLPE材料的退化情况。然而，实际火灾中，电缆绝缘材料可能遭遇的温度远高于此范围，且暴露时间极短，这使得传统的热老化研究无法准确反映火灾环境下的材料退化过程。因此，有必要通过模拟火灾条件下的短时高温处理，研究XLPE材料在极端高温下的退化机制，以填补这一研究空白。

### 2. 实验方法与平台构建

为模拟电缆隧道火灾环境下的温度变化，研究人员构建了一个电缆隧道火灾模拟模型。该模型基于典型电缆隧道的结构，包括长度100米、宽度2米、高度2.1米的隧道体，以及0.1米厚的混凝土保护层和1米厚的土壤层。电缆按照四层垂直排列，分别对应220kV、110kV、35kV和10kV电缆，其半径分别为50mm、42.5mm、26mm和20mm。此外，模型中还设置了防火分隔和防火屏障，以更贴近实际火灾环境。

在模拟火灾过程中，通过燃烧实验平台获得的热源曲线，结合国家标准GB18428-2010中规定的灭火系统延迟时间（120秒），研究人员配置了逐渐增长的火源模型。当灭火装置附近温度达到68°C时，系统会延迟120秒后再进行灭火，从而模拟火灾后的温度变化。温度监测点设置在第四层电缆绝缘层的外表面，以控制其峰值温度分别为120°C、160°C、200°C、250°C、300°C、350°C和400°C，对应七种不同的实验条件。通过模拟获得的温度分布和变化曲线显示，每个监测点的峰值温度在约700秒时达到，随后在1500秒、2400秒、800秒、3100秒、3800秒、4500秒和5400秒时下降至90°C。

基于模拟结果，研究人员设计并搭建了一个短时高温退化实验平台。该平台能够在无氧环境中对样品进行短时高温处理，其核心为一个箱式气氛炉，尺寸为20cm×15cm×15cm。炉体内部采用氧化铝陶瓷纤维保温，可承受高达1100°C的温度。加热过程中，采用硅碳加热元件控制温度变化，以匹配模拟曲线。然而，由于炉体本身不具备真空功能和主动冷却手段，因此在冷却阶段，研究人员引入了真空泵、空气压缩机和氮气发生器作为外部支持系统。真空泵用于加热前对炉体进行抽真空，以模拟火灾期间电缆绝缘材料所处的无氧环境。在冷却过程中，压缩空气通过氮气发生器生成高纯度氮气，注入炉体以加快冷却速度并维持无氧环境。这种设计确保了实验过程中能够模拟电缆在火灾条件下的实际温度变化。

### 3. 材料性能分析

为了全面评估XLPE绝缘材料在不同温度下的性能变化，研究人员采用了多种实验手段，包括扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、热重分析（TGA）、X射线衍射（XRD）以及介电性能测试和交流耐压测试等。

#### 3.1. 微观结构分析

SEM测试结果显示，未处理的XLPE材料中，晶区密集排列，晶粒尺寸约为18–20μm。在120°C和160°C的短时高温处理后，晶粒尺寸略有增加，分别达到22–25μm，表明在这些温度下，材料的晶区经历了一定程度的重结晶过程。然而，当温度升高至200°C时，晶粒尺寸开始减小，表明高温对晶区结构造成了破坏。随着温度进一步升高，晶粒尺寸继续减小，尤其是在300°C和400°C时，晶粒尺寸分别降至12–15μm和8–14μm，且晶区的均匀性下降，晶区和非晶区的比例发生变化。这表明，随着温度的升高，XLPE材料的晶区结构逐渐被破坏，非晶区比例增加，导致材料的物理性能下降。

#### 3.2. 功能团分析

FTIR测试结果显示，XLPE材料在不同温度下的功能团含量发生变化。例如，醚键（C–O–C）在120°C至250°C范围内显著增加，表明该温度区间内发生了明显的热氧化反应。碳–碳双键（C=C）和羟基（–OH）在高温下也出现一定程度的变化，尤其是在350°C和400°C时，其含量进一步增加。此外，羰基（C=O）的吸收峰在1700–1780cm?1处略有增强，这可能与材料在高温下的氧化反应有关。这些功能团的变化反映了XLPE材料在高温下的化学退化过程，包括链断裂、自由基形成以及氧化产物的生成。

#### 3.3. 热稳定性分析

TGA测试结果显示，不同温度处理后的XLPE材料表现出不同的热稳定性。未处理样品的热分解温度相对较高，而随着处理温度的升高，热分解温度逐渐降低。这一趋势表明，高温处理导致XLPE材料的热稳定性下降，材料更容易发生分解。此外，激活能的计算结果显示，随着处理温度的升高，材料的热分解过程变得更加剧烈，表明高温处理对材料的热稳定性产生了显著影响。

#### 3.4. 介电性能分析

介电性能测试显示，XLPE材料的相对介电常数（ε_r）和介电损耗角正切（tanδ）均随处理温度的升高而变化。在120°C和160°C的处理温度下，相对介电常数略有增加，表明材料在这些温度下可能经历了轻微的极化增强。然而，随着处理温度进一步升高，相对介电常数的增加趋势更加明显，尤其是在300°C至400°C区间内，这可能与材料中极性基团的增加有关。而介电损耗角正切则表现出更为复杂的趋势，其变化并不完全随温度上升而单调变化，表明材料在高温下的介电性能受到多种因素的共同影响。

#### 3.5. 电气性能分析

交流耐压测试结果显示，XLPE材料的击穿场强（breakdown field strength）在短时高温处理后发生变化。在120°C和160°C的处理温度下，击穿场强略有提高，这可能与材料的重结晶过程有关，重结晶有助于提高材料的绝缘性能。然而，当处理温度超过200°C时，击穿场强开始下降，且随着温度的进一步升高，下降幅度逐渐增大。在400°C时，击穿场强下降了约10%，表明材料在高温下经历了严重的绝缘性能退化。

#### 3.6. 机械性能分析

机械性能测试显示，XLPE材料的拉伸强度和断裂伸长率均随处理温度的变化而变化。在120°C和160°C的处理温度下，拉伸强度略有提高，断裂伸长率也略有上升，表明材料在这些温度下经历了轻微的结构优化。然而，当处理温度超过200°C时，拉伸强度和断裂伸长率开始下降，尤其是在350°C和400°C时，拉伸强度下降了约28%，断裂伸长率也下降了约9.8%。这表明，随着处理温度的升高，材料的机械性能逐渐退化，尤其是在高温下，材料的分子链断裂和结构破坏更加严重。

### 4. 材料退化机制分析

通过分析实验数据，研究人员发现，短时高温处理与传统热老化在退化机制上存在显著差异。传统热老化通常在较低温度下进行，持续时间较长，主要通过氧化反应导致材料的退化。而短时高温处理则在短时间内达到高温，导致材料的直接热损伤，这种损伤可能更迅速、更严重。具体而言，在160°C以下，XLPE材料的性能变化较小，甚至在某些情况下有所改善。而在200°C以上，材料的退化变得明显，尤其是当处理温度超过300°C时，退化速度显著加快。

此外，实验还发现，材料的退化程度与多个性能指标相关，包括晶区含量、击穿场强、相对介电常数、拉伸强度和断裂伸长率。这些指标的变化趋势表明，短时高温处理对材料的退化具有明显的特征。例如，晶区含量的下降与击穿场强的降低趋势相似，而相对介电常数的增加则与材料中极性基团的形成有关。

### 5. 结论与展望

综上所述，短时高温处理对XLPE绝缘材料的性能影响显著，尤其是在处理温度超过200°C时，材料的退化速度加快。相比之下，传统热老化虽然也导致材料的退化，但其退化机制与短时高温处理存在根本差异。因此，针对电缆火灾环境下的短时高温退化问题，需要建立专门的实验平台和分析方法，以更准确地评估材料的性能变化。

未来的研究可以进一步探索不同温度区间内材料的退化机制，以及如何通过材料改性或防护措施来提高XLPE绝缘材料在火灾条件下的耐受能力。此外，还可以结合更多实际火灾案例，验证实验结果的适用性，从而为电缆安全运行提供更全面的理论支持和实践指导。