不同輻射強(qiáng)度下電纜燃燒特性研究

劉楚琪 趙婧昱 盧世平 張鐸 張妮 孫妙

摘要：

防治井下礦用電纜火災(zāi)是維護(hù)煤礦生產(chǎn)安全的重要環(huán)節(jié)。本文使用錐形量熱儀分別在不同輻射強(qiáng)度下對電纜進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，研究井下礦用電纜的燃燒特性，分析電纜燃燒過程中的熱釋放速率、總釋放熱、煙氣產(chǎn)生速率、總生煙量等參數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明：隨著輻射強(qiáng)度增加，電纜燃燒的熱釋放速率、總釋放熱及煙氣產(chǎn)生速率隨之增大，在短時間內(nèi)造成的危險性和破壞性更強(qiáng)。在熱釋放速率和煙氣產(chǎn)生速率曲線中，觀察到“雙峰”現(xiàn)象，表明電纜燃燒存在護(hù)套層和絕緣層兩個階段；電纜火勢增長指數(shù)隨輻射強(qiáng)度增大而增大，著火時的危險程度也更大。

關(guān)鍵詞：

電纜；錐形量熱儀；燃燒特性；輻射強(qiáng)度；熱釋放速率

為保障國家能源資源安全，我國逐步推進(jìn)礦山規(guī)模化、綠色化、智能化建設(shè)，礦井規(guī)模不斷擴(kuò)大，電器設(shè)備投入增長，井下電纜應(yīng)用密集，但由于電纜短路、漏電、過載以及外部火源等原因，易引發(fā)電纜火災(zāi)事故。煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境屬于半封閉空間，電纜一旦起火，火焰會迅速蔓延，速度可達(dá)20m/min，同時產(chǎn)生CO、HCl等大量有毒煙氣，嚴(yán)重威脅礦工的生命安全。因此，掌握電纜的燃燒特性在電纜消防安全保護(hù)過程中具有必要性。

電纜作為電氣火災(zāi)中的主要可燃物，對電纜燃燒特性和危險性的研究尤為重要。張佳慶等分析了通電電纜電流對電纜燃燒的影響，分析表明：通電電纜起火會增強(qiáng)電纜燃燒強(qiáng)度，火焰沿電纜加速蔓延。張晉等搭建綜合管廊火災(zāi)模擬試驗(yàn)平臺，開展了電纜燃燒通風(fēng)對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：火災(zāi)發(fā)生后及時關(guān)閉管廊內(nèi)的開口能夠抑制火災(zāi)發(fā)展。Yoshinar等研究了在沒有外界氣流影響下，電纜燃燒時火焰沿水平和垂直方向蔓延過程中的滴落行為，研究表明：垂直火焰蔓延速率比水平火焰蔓延速率快，并且隨著滴流的增加而加快，隨電纜導(dǎo)熱性的增加而降低。

城市綜合管廊電纜由于其特殊的使用性質(zhì)及所處空間，燃燒后帶來的經(jīng)濟(jì)損失和撲救難度遠(yuǎn)大于其他電纜。但針對城市地下綜合管廊電纜在不同輻射強(qiáng)度下的燃燒特性缺少系統(tǒng)深入的研究。因此，本文采用錐形量熱儀，分析不同輻射強(qiáng)度下城市地下綜合管廊內(nèi)常用的FS/FY-WDZA EYYR 1500v型電纜的熱釋放速率、總釋放熱、煙產(chǎn)生速率、煙釋放速率等特性參數(shù)，掌握電纜燃燒特性及燃燒規(guī)律，同時對電纜燃燒過程中的不同階段進(jìn)行深入分析，為阻燃電纜研究、電纜火災(zāi)事故的預(yù)防提供理論依據(jù)。

一、實(shí)驗(yàn)

（一）樣品制備

選用FS/FY-WDZA EYYR 1500v型A級聚氯乙烯軟電纜。對于外徑小于等于25mm的電纜，可將電纜截成長度在100-106mm之間的小段直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[1]，在本實(shí)驗(yàn)中，電纜直徑為2.5cm，分為長10cm的4段4組。

（二）實(shí)驗(yàn)裝置及方法

實(shí)驗(yàn)用CCT型錐形量熱儀，實(shí)驗(yàn)過程按GB 31247-2014《電纜及光纜燃燒性能分級》和GB/T 16172-2007《建筑材料熱釋放速率實(shí)驗(yàn)方法》進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)采用的輻射強(qiáng)度分別為15、30、45、60kW/m2，代表可燃物在小規(guī)模火災(zāi)和中等規(guī)?；馂?zāi)中的熱輻射水平[2]，實(shí)驗(yàn)在10×10×5cm的空間中進(jìn)行。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（一）熱釋放速率

熱釋放速率（HRR）是表征電纜在單位時間、單位面積下燃燒所釋放的熱量。不同輻射強(qiáng)度下電纜的熱釋放速率曲線見圖1。

不同輻射強(qiáng)度下電纜燃燒的熱釋放速率主要參數(shù)如表1所示。在燃燒過程中，電纜先緩慢熔融，表面不斷有氣泡涌出并釋放大量青白色煙氣，此后電纜產(chǎn)生火焰釋放大量熱量，待電纜材料基本被燃燒完全后，熱釋放速率逐漸減小后保持不變。

在高輻射強(qiáng)度下（60kW/m2）電纜燃燒過程中熱釋放速率曲線出現(xiàn)兩次峰值。第一次熱釋放速率峰值的出現(xiàn)以護(hù)套層燃燒釋放熱量為主，第二次熱釋放速率峰值的出現(xiàn)以炭化絕緣層燃燒釋放熱量為主。若在較大的輻射強(qiáng)度下，電纜燃燒的持續(xù)時間會更長，造成的破壞性更強(qiáng)[3]。

火勢增長指數(shù)（FGI）是熱釋放速率峰值與到達(dá)熱釋放速率峰值的時間之比，能夠描述材料燃燒火勢增長能力的強(qiáng)弱。FGI越大，燃燒時電纜的危險程度越大。公式見式（1）

FGI=PKHRRt（1）

式中：PKHRR表示燃燒實(shí)驗(yàn)中電纜所達(dá)到的熱釋放速率峰值，t表示燃燒實(shí)驗(yàn)中電纜達(dá)到熱釋放速率峰值的時間。

在不同的輻射強(qiáng)度下，電纜燃燒時的火勢增長指數(shù)有較大差異。FGI增長率在45kW/m2時最大，為243.98%。這意味著電纜在45kW/m2時的FGI增長最快，燃燒帶來的危險性最強(qiáng)[4]。

（二）總釋放熱

總釋放熱（THR）是衡量材料在燃燒過程中燃燒程度劇烈與否的重要指標(biāo)。電纜在不同輻射強(qiáng)度下總釋放熱隨時間變化曲線見下圖所示。

由圖2可知，在15kW/m2時，由于電纜并未燃燒，總釋放熱值穩(wěn)定在較低的數(shù)值范圍內(nèi)；在30-60kW/m2時，總釋放熱值分別在380s-480s、120s-165s、65s-85s內(nèi)，迅速增加而后增速變緩，但仍隨時間的推移而增加。從整體上看，隨著輻射強(qiáng)度增加，總釋放熱值隨之加大[5]。

由表2發(fā)現(xiàn)，電纜總釋放熱最大值和均值都隨輻射強(qiáng)度增加而增大。在60kW/m2時，總釋放熱最大值和均值遠(yuǎn)大于電纜在15kW/m2、30kW/m2、45kW/m2的總釋放熱值。相同的電纜在高輻射強(qiáng)度下燃燒時的總釋放熱遠(yuǎn)大于低輻射強(qiáng)度下的總釋放熱。此外，電纜的總釋放熱越大，其潛在熱危險越大[6]。

（三）煙氣產(chǎn)生速率

煙氣產(chǎn)生速率（SPR）是材料在燃燒過程中在單位時間、單位面積條件下的產(chǎn)煙量，它能夠衡量材料的產(chǎn)煙能力。圖3是電纜在不同輻射強(qiáng)度下煙氣產(chǎn)生速率隨時間變化曲線，表3為不同輻射強(qiáng)度下電纜燃燒的主要特征值。

由圖3可知，在電纜燃燒后期，電纜煙氣產(chǎn)生速率大小排序?yàn)椋?0kW/m2>30kW/m2>45kW/m2>15kW/m2。這主要是由于輻射強(qiáng)度60kW/m2的電纜燃燒反應(yīng)更加劇烈，使得護(hù)套層燃燒產(chǎn)生的炭化層物質(zhì)減少，從而導(dǎo)致煙氣顆粒產(chǎn)物增多，煙氣產(chǎn)生速率加快[7]。因此，電纜護(hù)套層燃燒的煙氣產(chǎn)生速率大于電纜絕緣層。

由表3可知，隨著電纜所受輻射強(qiáng)度增大，煙氣產(chǎn)生速率曲線中兩次達(dá)到峰值的時間間隔變短。因此，電纜在高輻射強(qiáng)度下火勢更容易向絕緣層蔓延，使電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)熱解生煙，煙氣產(chǎn)生速率再次達(dá)到峰值[8]。

（四）總生煙量

總生煙量（TSP）是材料在燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣總量。圖4為電纜在不同輻射強(qiáng)度下總生煙量隨時間變化曲線圖。

圖4 不同輻射強(qiáng)度下電纜的總生煙量曲線

由圖4觀察到，輻射強(qiáng)度為60kW/m2的電纜在燃燒后期才會產(chǎn)生大量的煙氣，這主要是因?yàn)樵诟邿彷椛鋸?qiáng)度燃燒前期，電纜受熱充分熱解產(chǎn)物不易產(chǎn)生煙氣。由此可知，低輻射強(qiáng)度下的電纜在燃燒前期產(chǎn)生的煙氣較多，而高輻射強(qiáng)度下的電纜在燃燒后期產(chǎn)生的煙氣較多。

三、結(jié)論

本文基于錐形量熱儀對FS/FY-WDZA EYYR 1500v型電纜在15kW/m2、30kW/m2、45kW/m2、60kW/m2四種輻射強(qiáng)度下的燃燒性能進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

第一，隨著輻射強(qiáng)度增大，電纜熱釋放速率和總釋放熱的峰值、均值隨之增大。在60kW/m2時熱釋放速率峰值和均值最大，分別為136.83kW/m2和58.43kW/m2。隨電纜輻射強(qiáng)度增加，F(xiàn)GI增加，電纜燃燒的危險程度更大。

第二，煙氣產(chǎn)生速率在30-60kW/m2時，兩峰值時間間隔分別為75s、35s、15s。輻射強(qiáng)度增加，兩峰之間的時間間隔變短。電纜護(hù)套層的煙氣產(chǎn)生速率大于電纜絕緣層。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：

劉楚琪（2002- ），女，漢族，陜西榆林人，本科，研究方向：電纜燃燒與消防工程技術(shù)。