受限空間條件下電纜豎向燃燒特性實驗研究*

朱輝 黃涵煜 思濤

（1.應急管理部四川消防研究所，四川 成都 610036；2.鄂爾多斯市消防技術服務中心，內蒙古 鄂爾多斯 017010）

0 引言

隨著城市化建設的快速發(fā)展，隧道火災事故頻發(fā)。其中，因隧道內電纜故障引發(fā)的火災事故占比較高。因此針對電纜在隧道環(huán)境中（如電纜夾層、橋架、豎井等）的燃燒特性開展研究，對隧道電力系統(tǒng)安全運行、降低火災危害具有重要意義。

針對電纜在不同環(huán)境中的燃燒特性，國內外眾多學者開展了相關研究。在電纜夾層環(huán)境中，李曉康等［1］通過錐形量熱儀試驗研究了不同熱輻射強度對阻燃涂料電纜燃燒性能的影響，得到熱釋放速率、產煙速率等相關參數(shù)。在電纜橋架環(huán)境中，MCGRATTANK等［2］通過研究電纜豎井中豎向電纜橋架燃燒過程，確定了電纜燃燒時的熱釋放速率和火焰?zhèn)鞑ニ俾省Ｔ陔娎|豎井環(huán)境中，前人開展了不同類型動力電纜和控制電纜的燃燒實驗，所得數(shù)據(jù)包含引發(fā)電纜熱解和著火的輻射熱通量、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、燃燒生成的熱量、質量損失以及煙氣釋放量，同時發(fā)現(xiàn)電纜豎井中安放電纜槽盒會加快電纜火蔓延速度［3］。在封閉空間環(huán)境中，羅夏等［4］研究了變電站封閉空間對豎向電纜燃燒過程的影響，對比開放空間和封閉空間內豎向電纜的燃燒過程發(fā)現(xiàn)存在一個臨界區(qū)間，該區(qū)間是影響煙氣層對電纜的熱反饋的重要因素。而夏云春［5］通過多種環(huán)境耦合開展了電纜傾斜角度、電纜尺寸、電纜數(shù)量及電纜間距為變量的電纜火蔓延試驗，分析了各個工況下電纜豎向燃燒特性。

筆者通過調研發(fā)現(xiàn)，在電纜豎井中，電纜通常以電纜束的形式固定在電纜橋架上，且與墻體平行。當電纜在豎井中燃燒時，由于電纜與豎井墻體之間存在空間距離，便形成了受限空間條件下的燃燒型式。因此，筆者通過改變墻體與電纜之間的距離，開展受限空間條件下電纜燃燒特性實驗，揭示電纜燃燒特性變化規(guī)律，建立受限空間電纜豎向燃燒的數(shù)學模型。研究結論可為電纜消防安全提供理論依據(jù)。

1 實驗介紹

受限空間影響電纜燃燒實驗基于應急管理部四川消防研究所電纜豎向燃燒平臺，該平臺主要包括頂部集煙系統(tǒng)、電纜橋架燃燒系統(tǒng)、質量測量系統(tǒng)、點火系統(tǒng)等，平臺示意圖如圖1所示。根據(jù)國標GB/T 18380—2008，點火源使用純度為95%的技術級丙烷氣體，流速控制為13 L/min，火焰熱值為20 kW，丙烷引火源加熱材料時間為3 min。引火源距離電纜橋架下方8 cm。電纜下方放置的電子稱與電腦連接，測量范圍0~22 kg，測量精確度0.1 g，每10 s記錄一次樣品質量。實驗平臺側方放置攝像機，記錄燃燒過程中火焰平均發(fā)光高度Lm和火焰厚度df。電纜迎火面布置水冷式熱流計，熱流計表面與電纜表面平齊，標準量程為0~120 kW/m2，耐溫上限為500℃，精度為±3%，水冷循環(huán)10 mL/s以降低熱流計工作溫度，可實時測量電纜表面接收到的凈熱流［6］。電纜正上方設置一個熱電偶，用于測量火焰溫度Tf；電纜中心設置一個熱電偶，用于測量電纜表面溫度Ts。

圖1 電纜燃燒平臺示意

實驗使用8根交聯(lián)聚乙烯電力電纜并排放置在電纜橋架內，電纜總長度為500 mm，寬度為150 mm，電纜樣品燃燒示意圖如圖2所示。實驗使用25 mm厚的硅酸鈣防火板放置在樣品前方，模擬真實情況下的豎井墻體［7-8］，防火板正中心設置一個熱電偶，用于測量墻體溫度Tw。實驗用電纜相關物理參數(shù)如表1所示［9-10］，實驗工況設置如表2所示。為了保證實驗的準確性，每種受限空間距離工況條件下電纜豎向燃燒實驗開展3次，各項數(shù)據(jù)取平均值。

圖2 電纜束樣品

表1 電纜材料物理參數(shù)

表2實驗工況設置 mm

2 實驗結果及分析

2.1 電纜燃燒特性分析

圖3表示不同受限空間距離條件下電纜燃燒質量變化曲線圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，受限空間距離為40 mm工況時，電纜燃燒持續(xù)時間最長，超過1 000 s，且剩余質量較多，約為837 g。受限空間距離為80 mm工況時，電纜燃燒持續(xù)時間最短，只有440 s左右，但是剩余質量較少，約為690 g。對比受限空間距離為120 mm和無墻體限制工況下的電纜燃燒質量變化曲線，兩者基本相同。說明受限空間距離影響了電纜燃燒效率，即受限空間距離較小時，電纜燃燒不充分，剩余的可燃材料較多。

圖3 電纜燃燒質量變化曲線

圖4表示不同受限空間距離條件下電纜穩(wěn)定燃燒階段各熱電偶測量到的溫度平均值，其中Tf為火焰溫度，Ts為電纜表面溫度，Tw為墻體溫度。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨受限空間距離增大，各熱電偶測量溫度曲線均為先增大后減小。受限空間距離為40 mm工況時，火焰溫度Tf約為503℃；受限空間距離增大至80 mm工況，火焰溫度上升至582℃；隨受限空間距離繼續(xù)增大，火焰溫度略微下降。另一方面，電纜表面溫度Ts隨受限空間距離增大，測量數(shù)值略微變化，在314~355℃之間。而墻體溫度Tw變化較為明顯，受限空間距離為40 mm工況時測量溫度為182℃；隨受限空間距離增大，在80 mm工況時測量溫度為234℃；隨受限空間距離繼續(xù)增大，墻體溫度快速降低；當受限空間距離為120 mm工況時，墻體溫度測量為47℃，基本降至環(huán)境溫度T0（25℃）。

圖4 熱電偶測量數(shù)據(jù)

圖5表示不同受限空間距離條件下電纜穩(wěn)定燃燒階段的火焰尺寸圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當受限空間距離為40 mm工況時，火焰高度和火焰厚度數(shù)值較小，分別為692 mm和61.9 mm；隨著受限空間距離增大，火焰高度和火焰厚度數(shù)值隨之升高，80 mm工況時分別達到875 mm和75.1 mm；隨受限空間距離繼續(xù)增大，火焰高度略有下降，而火焰厚度基本保持不變。

圖5 不同受限空間距離影響火焰尺寸

2.2 質量損失速率分析

通過對圖3求導，得到不同受限空間距離工況下電纜燃燒時質量損失速率隨時間變化曲線，如圖6所示。從圖中曲線趨勢可以發(fā)現(xiàn)，不同受限空間距離條件下，電纜燃燒時的質量損失速率均是先增大，達到一個穩(wěn)定階段，然后開始降低。通過圖6可以得到，受限空間距離大小直接影響電纜燃燒過程，當受限空間距離為40 mm工況時，質量損失速率峰值最小，峰值為0.61 g/s。隨著受限空間距離增大，質量損失速率峰值也隨著增大。受限空間距離為80 mm工況時質量損失速率峰值最大，達到2.22 g/s，大約是40 mm工況的3倍。當受限空間距離繼續(xù)增大時，質量損失速率峰值開始減小。當受限空間距離達到120 mm時，電纜燃燒質量損失速率與無墻體限制燃燒時的曲線基本相同，峰值約為1.28 g/s。說明當空間距離增大到一定階段，墻體對電纜燃燒的影響可以忽略。

圖6 電纜燃燒質量損失速率

為了進一步研究受限空間距離影響電纜燃燒特性，選取各個受限空間距離工況下電纜質量損失速率穩(wěn)定值進行分析，推導單位面積質量損失速率，推導公式如下：

從圖7中可以看出，隨著受限空間距離增大，單位面積平均質量損失速率的軌跡相同，即先增大后減小，最大單位面積質量損失速率出現(xiàn)在b/H=0.16處。對比其他學者研究結論，最大單位面積質量損失速率發(fā)生時，受限空間距離與樣品高度的比值不相同，導致這一現(xiàn)象的主要原因為本次實驗使用的材料為交聯(lián)聚乙烯材料，對比其他學者實驗材料的熱物性不相同。另一方面，本次實驗和ZHUH開展實驗使用的材料樣品寬度較小，分別為150 mm和50 mm，而TANMANINI F和WANG H Y等使用材料的寬度約為500 mm。然而，無論材料的尺寸如何變化，隨著受限空間距離增大，單位面積質量損失速率都是先增大后減小，最終達到一個穩(wěn)定值（對比受限空間距離120 mm工況與無墻體限制工況下平均質量損失速率基本相等），不受墻體的影響。進一步分析發(fā)現(xiàn)，各學者得到的最大單位面積質量損失速率發(fā)生的無量綱區(qū)間基本在0.05~0.25，說明在此區(qū)間內，隨受限空間距離變化，材料燃燒質量損失速率變化較為明顯。

圖7 單位面積平均質量損失速率

2.3 凈熱流分析

圖8表示電纜在不同受限空間距離工況下燃燒時，其表面接收到的凈熱流值。從圖中可以得到，墻體與電纜之間的受限空間距離為40 mm工況時，電纜表面接收到的凈熱流量最小，為15.5 kW/m2；隨著空間距離增大，電纜表面接收到的凈熱流值先隨之增大，當受限空間為80 mm工況時，凈熱流達到最大，為38.3 kW/m2；隨著受限空間距離繼續(xù)增大，凈熱流開始減小，當受限空間距離達到120 mm工況時，凈熱流值與無墻體限制工況基本相同，為24.6 kW/m2。

圖8 不同受限空間距離影響凈熱流值趨勢

根據(jù)材料的汽化速率與質量損失速率的關系，受限空間條件下電纜燃燒質量損失速率方程與凈熱流關系如下［14-15］：

式中，h是對流換熱系數(shù)，kW/（m2·K）；Tf是火焰溫度，℃；Ts表示電纜表面溫度，℃；火焰的輻射傳熱計算公式如下：

式中，kf是火焰吸收系數(shù)，m-1；a為修正系數(shù)，W為樣品寬度，mm；Lm為平均火焰發(fā)光長度，mm；Ff為火焰受限空間因子，基于受限空間距離b與火焰厚度df的差值，以及樣品寬度W，其表達式為：

墻體反射的輻射傳熱的表達式如下：

式中，Tw表示墻體溫度，℃；為火焰發(fā)射率，為玻爾茲曼常數(shù)；為墻體受限空間因子，表達式如下：

火焰輻射熱損失表達式如下：

將實驗測量得到的火焰溫度Tf、電纜表面溫度Ts、墻體溫度Tw、平均火焰發(fā)光長度Lm及火焰厚度d f代入式（3）—（9）中，計算得到凈熱流模型推導結果，如圖8所示。通過對比發(fā)現(xiàn)兩者隨空間距離增大的變化趨勢相同，但是在模型計算時，火焰厚度取值為最大火焰厚度，并非平均火焰厚度，因此模型推導得到不同受限空間距離工況下的凈熱流值大于測量的凈熱流值。上述公式可視為電纜在豎井受限空間條件下燃燒的理論分析公式。即電纜在豎井中燃燒主要受凈熱流的影響，包括火焰的輻射傳熱、火焰的對流傳熱、墻體反射的輻射傳熱及輻射熱損失共同作用。

3 結論

本文采用實驗研究與理論分析相結合的方法，研究了受限空間距離對電纜豎向燃燒的影響規(guī)律，主要得到如下結論：

1）隨著受限空間距離增大，電纜穩(wěn)定燃燒的質量損失速率先增大后減?。划斒芟蘅臻g距離為80 mm時，單位面積質量損失速率最大；當受限空間距離為120 mm時，電纜燃燒特性與無墻體限制燃燒時基本相同。

2）最大單位面積質量損失速率發(fā)生的無量綱值（受限空間距離與樣品高度的比值）為0.16，通過對比其他學者研究結論，無量綱區(qū)間在0.05~0.25，隨受限空間距離增大，材料燃燒質量損失速率變化較為明顯。

3）通過理論分析了受限空間條件下電纜燃燒特性受到火焰凈熱流影響，并建立了預測公式，能夠較好地預測火焰凈熱流與受限空間距離之間的關系。