伴热带引燃规律实验研究

谭　宇　陈兵兵　高　嵩

（中国人民武装警察部队学院研究生部三队，河北　廊坊）

摘要：由于伴热带设计、维护工作量小，低碳节能，发热效率高能耗低等优点，是国家重点推广的节能项目，被广泛应用在工业生产和生活中，例如管道的解冻保温。近几年伴热带引发的火灾呈上升趋势，有关于伴热带起火原因系统的分析较少，本文通过联系实际中伴热带在起动短时间内出现着火的现象，从伴热带工作原理和结构特点入手，测量伴热带正常使用情况下的工作性质，分析研究伴热带出现过负荷引起火灾的原因，并通过实验模拟研究伴热带引燃的的火灾现象，分析伴热带的过负荷的引燃规律，为伴热带火灾原因分析认定提供了依据。

关键词：伴热带；发热原理；过负荷；引燃规律

1　引言

随着科学技术的发展，自动化产品开始，电伴热带作为一种自动加热元件，能随被加热体系的温度自动调节输出功率，来补充被伴热体在工艺过程中所散失的热量，广泛用于石油、化工、电力、医药、机械、食品、船舶等行业的管道、泵体、阀门、槽池和罐体容积的伴热保温、防冻和防凝[1]。因伴热带质量不可靠和使用不规范等引起管路着火、房屋烧损的案例逐年递增。而伴热带火灾后残留物较少，往往只有少量的导线存留，在使火灾原因不好确认，火灾调查人员对伴热带的材料组成、结构和发热原理等性质不明，缺乏基础性数据，使调查人员无法准确判断火灾现场的伴热带是否有引发火灾的可能性。因此，本文联系实际中伴热带启动后短时间引起火灾现象，通过实验分析验证伴热带起火的原因，为伴热带火灾调查提供依据。

2　伴热带的结构和发热原理

自限温电伴热带的应用范围广，覆盖众多场合及工艺装置、设备等，具有较强的专业特性要求。为了满足各类行业的特殊要求，伴热带的种类繁多，但其结构和工作原理类似。伴热带是在两根金属导线间浇筑导电塑料，并包裹绝缘护套的发热元件，如图1。伴热带的发热并能够自动限温是由于其导电塑料具有PTC效应。导电塑料PTC效应机理可以用Kohler的导电链与热膨胀模型理论模型解释[2]，高聚物的热膨胀系数远远大于碳黑粒子的热膨胀系数，而导电塑料PTC效应原理通过发热体体积变化及导电粒子隧道效应的增减来调节通过自身的电流。当炭黑导电离子与具有一定结晶物的聚乙烯高聚物共混后，由于其具有高度的分散性、巨大的表面积以及和高聚物之间的强烈作用，粒子之间就形成了网状结构的导电通路[3]。

常温下，碳黑导电粒子均匀分布于伴热带导电塑料高聚物基中形成导电链，因隧道效应电流得以通过，形成良好的导电性；当温度降低，高聚物基体收缩，导电粒子间距缩小，形成更多的导电通路，使电阻减小，通过的电流较大，此时伴热带发热功率最大；随着伴热带温度升高，高聚物基体膨胀，导电粒子间距增大，切断了原来部分接触不紧密的导电通路，电阻率增加，通过电流逐渐减少，发热功率逐渐降低；当温度继续升高时，高聚物基体微观“剧烈膨胀”，使大量导电粒子脱离相互间的接触，导致碳黑形成的导电网络遭到破坏，几乎所有导电通路中断，电阻率急剧上升，形成高阻区[4，5]。此时，电阻大到几乎阻断电流的程度，芯带的导电塑料的温度将不再升高，因此伴热带具有自动限温的功能。

3　实验部分

3.1　实验材料及设备

实验材料：伴热带。

实验设备：数据采集仪（杭州盘古仪器有限公司制造）、热电偶（误差+0.3%）、点温计，RNO PC160手持式红外热像仪（美国RNO公司生产，误差+2%）、火灾痕迹物证综合实验台温度湿度计、卷尺，海尔冰箱（BCD-256KFB）。

3.2　研究内容及方法

通过测量伴热带电流衰减变化规律，分析伴热带产生大电流的原因，联系实际分析伴热带出现过负荷火灾的原因，并进行不同长度伴热带在不同温度条件下的过负荷模拟实验，分析伴热带引燃的规律。

4　实验结果及讨论

4.1　伴热带引燃规律原因分析

由于伴热带的最高温度不超过77℃，有伴热带本身发热导致火灾的可能性很小。通过测量和记录300cm长度的伴热带电阻随温度变化和工作时电流衰减变化数据，使origin8.5绘图见图2。

通过图2可以看出，伴热带起动的瞬间电流很大将近为伴热带正常工作电流的12倍，虽然伴热带的起动电流能迅速衰减，5s衰减到原来的二分之一，40s接近正常电流。但随着伴热带长度的增加，温度的减低，散热环境良好，在大电流的时间内，很有可能导致伴热带导线过负荷现象的发生。通过测量伴热带在不同温度条件下和不同长度的伴热带的起动电流如图3、图4所示。

通过图3可以发现，伴热带的起动电流随着伴热带的长度增加呈线性增加，长度越长，起动电流越大；同时通过图四可以发现，外界环境温度越低伴热带的起动电流越大。而伴热带在起动过程的短时间发生火灾很有可能是由于伴热带的起动电流过大导致伴热带过负荷引发的。

4.2　伴热带引燃规律实验

通过模拟不同长度的伴热带在不同温度条件下的起动，测量起动电流和起动时导线的温度，具体实验现象如表1～表4所示。

通过表4可以看出但伴热带在工作温度较高，使用长度较短的时候，伴热带起动电流较小，火灾的危险性也较小；随着伴热带长度的增加，起动时温度的降低，伴热带的起动电流越来越大，导线过负荷现象越来越明显，随着导线过负荷电流的增加，各种材料的软化、冒烟以及点燃的时间缩短。

伴热带过负荷与导线过负荷有相似的特征，如图5（a），导线的过负荷会导致导线的绝缘层內焦、松弛、滴落，伴热带过负荷同样能够导致绝缘层出现同样的现象，且伴热带的导电塑料会出现炭化现象，变成疏松的炭化物；同时伴热带也有不同于导线的过负荷特征，导线过负荷特征，导线股负荷作用与电路，所以整个回路烧损程度均匀，而伴热带的过负荷现象只会出现在连接电源附近的多股线附近，由于通过伴热带工作时近电源端电流最大，产生热量最多，导线容易在近电源端的部分线路出现熔断现象，并且此处绝缘会出现发泡、熔融、炭化，导电塑料出现炭化等现象，而其他区域过导线以及导电塑料和绝缘负荷现象轻微、甚至没有出现过负荷短路痕迹，如图5（b）。

4.3　伴热带引燃规律分析

伴热带导线由于起动电流的影响，短时间内电流可以达到比较大的数值，从而出现过负荷现象。伴热带过负荷现象可以分成以下几种情况。

（1）伴热带的起动电流比较小，电流衰减较快或者在电流衰减到安全电流以下的时间较短，同时伴热带导线接通过热传导的方式将热量传导给导电塑料等，导致伴热带导线的温度较低，不足以使温度迅速上升；当伴热带导线过负荷高温直接引燃来看，过负荷电流达到20A时，具备直接引燃能力。当伴热带正常工作时。虽然最大电流达到了20A，但是由于时间短，温度较低，未能达到100℃。

（2）伴热带导线由于起动电流较大，衰减较慢或者在电流衰减到安全电流以下的时间较长，足以使导线温度在短时间内可以达到比较高的温度，导线通过热传导的方式将大量热量传导给接触物质，随着热量的积累，接触温度逐渐升高，达到其分解温度，开始分解、熔化。但是由于伴热带电流的持续衰减，导线仍不能导致伴热带引燃。伴热带绝缘为聚氯乙烯（PVC）材料，分解温度为130℃，超过此温度时，材料开始分解，伴热带当电流达到30A以上时，导线温度接近200℃，很容易能够达到伴热带绝缘的破损温度（240℃），具备发生短路故障的条件，并且存在轻度过负荷或过负荷时间较短时，线路仍可正常运行，但会导致绝缘层加速老化，形成火灾隐患。当伴热带导线起动电流达到40A时，导线温度接近470℃，伴热带过负荷电流达到40A时，具有很强的引燃能力，虽然不会直接引起火灾，但易使绝缘材料和导电塑料等遭到损坏，在带电导线之间形成短路，从而引起火灾。

（3）伴热带的起动电流很大，或者较大电流衰减很慢，足以使伴热带导线温度达到接触物质的分解温度，使接触物质充分分解，并且引燃周围的可燃物，甚至这阶段的电流达到能使伴热带导线产生了大量高温电火花，溅落至熔化状态下的上，瞬间的高温将周围可燃物引燃。当伴热带导线起动电流达到50A左右时，伴热过负荷现象明显，出现明显的过负荷现象，并导致绝缘层出现疏松现象，且伴热带的导电塑料出现炭化现象，伴热带导线过负荷迅速熔断，引起火灾。

5　伴热带火灾原因分析

通过以上实验结果和分析，可得出伴热带起动的短时间内出现火灾的原因主要有以下几种。

（1）安装时伴热带存在问题，长度过长、温度过低，导致导电塑料的电阻过小，容易出现过负荷的现象；同时进水等导致伴热带散热条件好可以使伴热带升温变慢，电流衰减变缓，较长时间保持较大的功率进行工作，最终导致伴热带铜导线出现过负荷现象。

（2）伴热带导电塑料受到外界环境或者自身制造工艺因素的影响，使伴热带导电塑料PTC温度-电阻的特性没有达到标准，或者遭到延迟、破坏，导致同等温度条件下导电塑料的电阻偏小，通过的电流变大，最终导致导线过载，出现过负荷现象。

（3）伴热带的导线导线线径过小，使实际负荷高于导线安全载流量。伴热带错误安装方法、成型工艺等导致线芯绞合松紧不均匀，经过安装缠绕及多次起动电流脉冲后，线芯局部变形，甚至穿出芯带，导致线芯电流过载，引发火灾。

参考文献

[1] 李丽，谭洪生，迟丽萍. 自限温发热材料元件分类及应用[J]. 工程塑料应用，1999，（10）：34-38.

[2] Kohler F. U. S. Patent. 3. 243. 753. 13/29/66.

[3] YanLing Luo，GengChao Wang，BingYu Zhang. The Influence of Crystallineand Aggregate Structure on PTC Characteristic of Conductive Polyethylene[J]. Carbon Black Composite. Eur. Polym. J，1998，34（8）：1221-1227.

[4] A. Flores，M. E. Cagiao. Influence of Filler Structure on Microhardness of Carbon Black-Polymer Composites[J]. Journal of Material Science，2001，（79）：90-95.

[5] Y. Bin，C. Xu，D. Zhu，et al. Electrical properties of polyethylene and carbon black particle blends prepared by gelation/crystallization fromsolution[J]. Carbon，2002，（40）：195-199.