IEC 60331-42024 电缆在火灾条件下的试验 电路完整性 第4部分额定电压高于1千伏至30千伏（含30千伏）的电缆在至少830℃温度下冲击火灾的试验方法标准立项发展报告

电缆在火灾条件下的试验电路完整性第4部分：额定电压高于1千伏至30千伏（含30千伏）的电缆在至少830℃温度下冲击火灾的试验方法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:TestMethodforFirewithShockataTemperatureofatLeast830°CforCablesofRatedVoltageHigherthan1kVuptoandIncluding30kV摘要随着全球城市化进程加速和新能源产业的快速发展，中高压电缆在电力输配系统、轨道交通、海上风电及大型公共建筑中的应用日益广泛。电缆在火灾条件下的电路完整性直接关系到消防系统、应急照明、疏散指示及安全监控等关键设备的正常运行，是保障人员生命安全和减少财产损失的重要技术指标。为科学评估额定电压高于1千伏至30千伏（含30千伏）电缆的耐火性能，国际电工委员会（IEC）于2024年12月9日正式发布了IEC60331-4:2024标准。该标准规定了此类电缆在至少830℃温度条件下经受火焰直接冲击与机械冲击（喷水冲击）的试验方法，明确了试验装置、试验步骤、性能判定准则及报告要求等技术内容，填补了中高压电缆极端火灾工况下性能评估国际标准的空白。本报告对该标准的研制背景、核心技术内容、关键参数量值及行业应用价值进行系统分析，并就该标准的检测技术实施路径及未来技术演进趋势进行展望。关键词：电缆火灾试验；电路完整性；中高压电缆；830℃冲击火灾；IEC60331；耐火性能；机械冲击AbstractWiththeaccelerationofglobalurbanizationandtherapiddevelopmentofthenewenergyindustry,mediumandhighvoltagecablesareincreasinglywidelyusedinpowertransmissionanddistributionsystems,railtransit,offshorewindpowerandlargepublicbuildings.Thecircuitintegrityofcablesunderfireconditionsisdirectlyrelatedtothenormaloperationofcriticalequipmentsuchasfireprotectionsystems,emergencylighting,evacuationsignsandsafetymonitoring,andisanimportanttechnicalindicatorforensuringthesafetyofpersonnelandreducingpropertylosses.Inordertoscientificallyevaluatethefireresistanceperformanceofcableswithratedvoltageshigherthan1kVuptoandincluding30kV,theInternationalElectrotechnicalCommission(IEC)officiallyreleasedtheIEC60331-4:2024standardonDecember9,2024.Thisstandardspecifiesthetestmethodforsuchcablestowithstanddirectflameimpactandmechanicalshock(watersprayimpact)atatemperatureofatleast830°C,andclarifiesthetechnicalcontentssuchastestdevices,testprocedures,performancejudgmentcriteriaandreportrequirements,fillingthegapininternationalstandardsforperformanceevaluationofmediumandhighvoltagecablesunderextremefireconditions.Thisreportsystematicallyanalyzesthedevelopmentbackground,coretechnicalcontent,keyparametervaluesandindustryapplicationvalueofthestandard,andlooksforwardtothetechnicalimplementationpathandfuturetechnologicalevolutionofthetestingtechnology.Keywords:cablefiretest;circuitintegrity;mediumandhighvoltagecables;firewithshockat830°C;IEC60331;fireresistanceperformance;mechanicalshock一、引言1.1标准研制背景火灾是威胁公共安全和社会稳定的主要灾害之一。据统计，全球每年因电气火灾造成的直接经济损失高达数百亿美元。在各类火灾事故中，电缆线路既可能是火灾的起因（如线路过载、短路引发火灾），也可能是火势蔓延的通道（电缆燃烧释放大量热量和有毒烟气）。更重要的是，在火灾发生后相当长的一段时间内，电缆线路的电路完整性（CircuitIntegrity）直接决定了消防水泵、排烟风机、应急照明、火灾自动报警系统等关键消防设备能否持续运行，从而直接影响人员疏散和消防救援的效率与成败。现行IEC60331系列标准体系涵盖了不同电压等级和不同试验条件下的电缆耐火性能测试方法。其中，IEC60331-1和IEC60331-2分别针对额定电压不超过1千伏的电缆规定了无冲击和带冲击的火灾试验方法。然而，随着电力系统电压等级的提升和大型基础设施对供电可靠性的更高要求，额定电压高于1千伏至30千伏的中高压电缆在火灾条件下保持电路完整性的能力日益受到关注。此类电缆广泛应用于核电站安全系统、地铁隧道供电、超高层建筑主供配电回路、大型数据中心及海上风电平台等关键场景，对其在极端高温及机械冲击综合作用下的性能进行标准化评估，已成为国际电工委员会电缆技术委员会（IEC/TC20）的重要研究方向。1.2标准发布意义IEC60331-4:2024的发布实施填补了中高压电缆在高温冲击火灾条件下性能评估方法的国际标准空白。该标准不仅统一了试验条件和评价准则，为全球范围内中高压耐火电缆的设计开发、质量控制和产品认证提供了权威技术依据，同时为各国制定或修订相关国家标准提供了重要参考。此外，该标准的发布也将促进耐火电缆技术在更高电压等级领域的创新与应用，推动电缆行业整体技术水平的提升。二、标准编制背景与任务来源2.1国际标准化工作基础IEC60331系列标准由国际电工委员会电缆技术委员会（IEC/TC20）归口管理。该技术委员会负责电线电缆领域的国际标准化工作，包括电缆结构、试验方法、性能要求和安全规范等。IEC60331系列标准最早可追溯至20世纪70年代，经过多次修订和完善，已形成了涵盖不同电压等级、不同试验条件的较为完整的标准体系。在IEC60331-4:2024发布之前，IEC60331系列标准主要包括以下部分：-IEC60331-1:2018：额定电压不超过1千伏的电缆在火焰直接燃烧条件下保持电路完整性的试验方法（无冲击）；-IEC60331-2:2018：额定电压不超过1千伏的电缆在火焰直接燃烧和机械冲击共同作用下保持电路完整性的试验方法；-IEC60331-3:2018：额定电压不超过1千伏的电缆在火焰直接燃烧和喷水冲击共同作用下保持电路完整性的试验方法；-IEC60331-21/22/23：不同电压等级的电缆在特定试验条件下的性能要求规范。IEC60331-4:2024正是在上述标准体系基础上，针对中高压电缆（额定电压高于1千伏至30千伏）的特殊应用需求而制定的新型试验方法标准。2.2标准制定必要性随着社会经济的快速发展和电力需求的持续增长，中高压电缆的应用场景不断拓展。核电站安全级电缆、地铁隧道供电电缆、超高层建筑竖井电缆、海上风电场集电线路等均属于典型的火灾高风险场景。由于火灾现场温度通常可达800℃至1000℃，甚至更高，中高压电缆在遭受火灾攻击时能否在一定时间内保持电路的完整性，直接关系到消防设备的正常运行和人员的安全疏散。然而，由于中高压电缆的结构更为复杂（绝缘层更厚、金属屏蔽层更坚固），其火灾行为与低压电缆存在显著差异。已有的IEC60331-1和IEC60331-2仅适用于额定电压不超过1千伏的电缆，无法直接用于中高压电缆的性能评估。一些国家和行业组织虽已制定相关试验方法，但由于缺乏统一的国际标准，不同国家之间的试验结果难以互认，制约了耐火中高压电缆的国际贸易与技术交流。因此，制定一项专门针对中高压电缆的火冲击试验方法国际标准，对完善IEC60331标准体系、促进耐火电缆技术进步和推动国际贸易便利化具有重要的现实意义。三、标准主要内容解析3.1标准适用范围IEC60331-4:2024规定了额定电压高于1千伏至30千伏（含30千伏）的电缆在至少830℃温度条件下经受冲击火灾（包括火焰直接燃烧与机械冲击的复合作用）的试验方法。该标准适用于在火灾期间要求保持电路完整性的中高压电力电缆，包括但不限于以下类型：-交联聚乙烯绝缘电力电缆（XLPE绝缘电缆）；-乙丙橡胶绝缘电力电缆（EPR绝缘电缆）；-矿物绝缘电缆（MI电缆）；-其他具备耐火性能的中高压电缆产品。标准不适用于额定电压不超过1千伏的电缆（此类电缆的试验方法由IEC60331-1和IEC60331-2规定）以及额定电压超过30千伏的电缆。3.2试验原理与装置3.2.1试验原理IEC60331-4:2024规定的试验方法的核心理念是模拟电缆在实际火灾场景中可能遭受的最不利条件，即在高温火焰直接燃烧的同时叠加机械冲击作用。试验时，将规定长度的电缆试样按标准要求进行安装布置，一端连接额定电压等级的电源，另一端连接负载或检测装置。采用标准规定的燃烧器对电缆试样施加至少830℃的火焰，同时在试验过程中按照规定的时间间隔对电缆施加机械冲击（通过标准冲击棒或喷水冲击方式），在整个试验期间持续监测电缆的电路连通状态。3.2.2试验装置标准对试验装置提出了严格要求，主要包括以下几个方面：燃烧系统：采用符合标准规定的带型燃烧器或气体燃烧器，使用工业级丙烷气体作为燃料。燃烧器的热输出功率和火焰温度应满足标准规定的830℃以上的温度要求，并通过校准用热电偶进行温度验证。试验火焰的长度和宽度应能充分覆盖电缆试样的规定长度范围（通常不小于1200毫米）。温度测量系统：采用K型或S型热电偶对火焰温度和试验区域温度进行连续监测。热电偶的布置位置和数量应满足标准要求，以确保火焰温度在整个试验期间稳定保持在830℃以上。冲击装置：标准规定了两种类型的机械冲击方式——刚性冲击棒冲击和喷水冲击。冲击装置的设计应保证在试验过程中能够以规定的频率和力度对电缆试样施加持续或间歇性冲击，且冲击位置应覆盖电缆的受火区域。电气监测系统：用于实时监测电缆在试验过程中的电路完整性状态。标准规定了试验电压的施加方式、监测电流或电压的判定阈值以及熔断器或断路器的保护要求。电气监测系统应能够自动记录电路中断（短路或断路）的时间点。3.3试验条件与关键参数3.3.1温度条件标准规定的试验火焰温度为至少830℃，该温度值是基于对真实火灾场景中电缆隧道、电缆竖井等封闭空间内火灾温度的统计分析而确定的。研究表明，在充分发展的火灾阶段，电缆密集敷设区域的气体温度通常可达800℃至1000℃。830℃的试验温度既考虑了对中高压电缆耐火性能的严格要求，又兼顾了当前耐火电缆材料技术水平的经济可行性。3.3.2试验时间标准规定了电缆需在火焰和冲击共同作用下保持电路完整性的最低持续时间，通常为90分钟或120分钟。具体时间等级由产品标准或用户根据实际应用需求确定。相较于低压电缆的试验时间要求（通常在60分钟至90分钟之间），中高压电缆的试验时间要求更为严格，这与其在关键设施中的重要地位和应用场景的复杂性密切相关。3.3.3试验电压与负载试验期间施加在电缆试样上的电压应不低于电缆额定电压。对于交流电缆，试验电压应为额定电压值；对于直流电缆，应采用等效直流电压。试验时电缆应连接适当的负载，使电流不低于额定载流量的5%（或按产品标准规定），以模拟实际运行状态。3.3.4试样安装要求电缆试样的长度为不少于3600毫米（其中受火区域长度不少于1200毫米），试样应水平安装在标准规定的试验框架上。电缆的弯曲半径、固定方式、间距等安装参数应模拟实际使用条件，避免因安装不当造成额外的机械应力。3.4性能判定准则IEC60331-4:2024规定了以下性能判定准则：电路完整性判定：在整个试验期间（包括火焰直接燃烧和机械冲击阶段），电缆应保持电路的连通状态，不发生短路或断路。具体判定标准为：-电缆线路中的电流监测装置应持续检测到规定的电流值或电压值；-不发生相间短路或对地短路；-不发生导体断裂或连接失效。其他判定要求：在试验结束后，对电缆试样进行检查，绝缘层不应出现贯穿性开裂或烧蚀，金属屏蔽层不应发生大面积的熔断或脱落。3.5试验报告要求标准规定试验报告应至少包含以下信息：试验机构名称和地址、委托单位信息、电缆试样的详细描述（包括型号、规格、结构参数、生产厂家等）、试验条件和参数的详细记录（温度曲线、试验时间、试验电压等）、试验结果和判定结论、试验过程中观察到的异常现象及照片或视频记录等。四、关键技术问题与创新点4.1中高压电缆的特点及试验难点与低压电缆相比，中高压电缆具有以下显著特点，给火灾试验方法的设计带来了新的挑战：绝缘层厚度大：中高压电缆的绝缘层厚度通常在4.5毫米至18毫米之间，远大于低压电缆1毫米至3毫米的绝缘厚度。较厚的绝缘层在受热时会产生较大的热膨胀应力，导致绝缘层容易开裂或脱落，同时绝缘材料的热分解产物（如炭化层）的形成规律也与薄壁绝缘有显著差异。金属屏蔽层影响：中高压电缆通常包含铜带屏蔽层或铜丝屏蔽层，这些金属结构对热量向绝缘层内部的传递有一定的阻隔效应，但同时也可能因热膨胀不均匀而产生附加的机械应力。此外，屏蔽层的存在对电缆在火灾条件下的故障模式有重要影响，可能导致局部放电或相间短路。结构尺寸和重量：中高压电缆的外径和单位长度重量远大于低压电缆，对试验装置（尤其是冲击装置）的设计和布置提出了更高的要求。标准中冲击装置的设计应能够产生足够的冲击能量以克服电缆结构的机械抵抗力。4.2标准的技术创新IEC60331-4:2024在以下方面体现出技术创新性：首次提出中高压电缆的火冲击试验方法：该标准是全球首个专门针对中高压电缆（1千伏至30千伏）在火焰和机械冲击综合作用下保持电路完整性的试验方法标准，填补了该领域的国际标准空白。冲击方式的优化和改进：考虑到中高压电缆的结构特点，标准在冲击装置的设计上进行了优化，采用可调节冲击能量和频率的标准化冲击装置，能够模拟真实火灾场景中结构坍塌或消防水枪冲击的综合效果。温度场均匀性控制：标准对试验区域的温度分布均匀性提出了更为严格的要求，确保电缆试样全长范围的受火条件的一致性，提高了试验结果的可比性和复现性。五、主要参与单位与标准化组织5.1国际电工委员会电缆技术委员会（IEC/TC20）IEC/TC20是国际电工委员会负责电线电缆领域标准制定的专业技术委员会，其秘书处设在英国标准协会（BSI）。该委员会的工作范围涵盖电力电缆、通信电缆、光缆及其附件的术语定义、结构要求、试验方法和性能规范等。IEC60331-4:2024由IEC/TC20下属的WG18工作组（火灾条件下电缆性能）具体负责起草。5.2主要参与单位——莱茵技术（上海）有限公司（TÜVRheinlandShanghaiLtd.）莱茵技术（上海）有限公司是德国莱茵TÜV集团（TÜVRheinlandGroup）在中国设立的独资子公司，成立于1989年，总部位于上海，是TÜV集团在亚太地区规模最大的分支机构之一。作为国际公认的检测、检验、认证和技术咨询服务机构，莱茵技术（上海）有限公司业务范围覆盖工业服务、交通服务、产品服务、管理体系服务、职业教育与培训等多个领域，在电缆及电气安全检测领域拥有深厚的技术积累和丰富的实践经验。在IEC60331-4:2024标准制定过程中，莱茵技术（上海）有限公司作为IEC/TC20中国区重要技术支撑单位，深度参与了该标准的技术研究和试验验证工作。公司旗下电缆与绝缘导线实验室配备了国际先进的中高压电缆耐火性能试验装置，包括大功率燃气燃烧系统、全自动温度采集与控制系统、高精度电气参数监测系统以及钢结构冲击试验平台等。该实验室具备依据IEC60331全系列标准开展电缆耐火性能检测的能力，是国内少数具备中高压电缆830℃冲击火灾试验能力（即按照IEC60331-4:2024标准开展全项检测）的第三方检测实验室之一。在标准研制过程中，莱茵技术（上海）有限公司的主要贡献包括：技术试验验证：利用自有试验平台开展了大量中高压电缆样品在830℃冲击火灾条件下的验证试验，为标准中关键参数（如试验温度