核級電纜火災危險性實驗

彭玉輝，蔣帥

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

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核級電纜火災危險性實驗

彭玉輝，蔣帥

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

采用錐形量熱儀，以核級電纜為研究對象，實驗測試核級電纜在不同外加熱輻射、電纜護套厚度情況下在燃燒過程中的熱釋放速率、質量損失速率、煙氣生成速率等燃燒特性。

核級電纜；熱釋放速率；質量損失速率；煙氣生成速率

從1965—1985年，僅美國就發生了300多起核電火災[1]，根本誘因是核電站艙室內部布置有各種大型機電設備所使用的潤滑油、大量電器及電纜，致使核電站存在很大的火災安全隱患，因此，核電消防安全事關重大。

目前國內學者對于電纜火災的研究大多側重于電纜火災的著火原因和防火對策[2-4]，較少涉及電纜火災的燃燒特性，文獻[5]對聚氯乙烯電纜護套電纜在過載、短路情況下的火災特性有初步研究，但是目前未見對核級電纜在不同輻射強度情況下電纜燃燒特性的相關研究報道。

1 實驗過程

1.1 實驗裝置

采用ISO5660標準要求的錐形量熱儀對幾種護套材料均為聚氯乙烯的核級電纜進行實驗研究，測試不同輻射功率下的電纜燃燒特性。錐形量熱儀的結構簡圖及實物見圖1。

1.2 實驗工況

由于艙內火災達到轟燃狀態時，熱煙氣的溫度能夠達到600～800 ℃，此時所對應的熱輻射分別為29.2，67.3 kW。因此，本實驗選取的外加熱輻射等級為30、40、50及60 kW/m2，分別代表可燃物在不同規模火災中的熱輻射水平。

實驗中，將每種型號的電纜分別截成長度為100 mm的小段，將每段并排放置，使其總寬度約100 mm，用細鋼絲固定，再用玻璃纖維布及鋁箔紙包覆成單面裸露試樣，因此可以忽略水平方向上的傳熱而只考慮豎直方向的一維傳熱過程。實驗選用0.6/1 kV聚氯乙烯護套單芯電力電纜，參數見表1。

表1 電纜技術參數

為了研究外加熱輻射強度對電纜燃燒性能的影響，對WDZ-95電纜在30、40、50、60 kW/m2的輻射強度下進行實驗。同時為了研究護套厚度對電纜燃燒性能的影響，在60 kW/m2的輻射強度下對WDZ-10電纜、WDZ-35電纜以及WDZ-95電纜進行實驗。

2 試驗結果與分析

2.1 熱釋放分析

由錐形量熱儀可以測量得到電纜試樣在整個實驗階段的釋熱速率曲線。圖2給出了實驗在30、40、50、60 kW/m2的輻射強度下WDZ-95電纜的熱釋放速率曲線。由圖2可見，雖然輻射功率不同，但曲線形狀非常相似，WDZ-95電纜樣品的熱釋放速率可分為4個階段：第1階段，加速增長階段，熱釋放速率在電纜護套被點燃后迅速增加，在300 s左右達到峰值；第2階段，回落階段，熱釋放速率在該階段內逐漸回落至峰值的50%水平；第3階段，穩定燃燒階段，熱釋放速率保持在一個穩定值附近；第4階段，衰減階段，在該階段內，隨著材料的耗盡，熱釋放速率逐漸降低。

表2給出了不同的熱輻射強度下WDZ-95電纜的總熱釋放速率，熱釋放速率峰值以及平均熱釋放速率。由表2可見，隨著熱輻射強度的增加，總熱釋放量、熱釋放速率峰值以及平均熱釋放速率總體呈增長趨勢。

表2 WDZ-95電纜在不同的輻射強度下的熱釋放速率

表3給出了不同電纜在60 kW/m2熱輻射功率下的總釋放熱量、熱釋放速率峰值以及平均熱釋放速率。由表3可見，盡管電纜護套的材料一樣，但對于不同護套厚度的電纜，在燃燒過程中的熱釋放速率也不同。WDZ-10電纜和WDZ-35電纜的護套層厚度相差不多，因此熱釋放速率也相差不大，由于熱量主要是以熱傳導的方式從上層護套向下傳遞，WDZ-95電纜的護套層相對較厚，上表面距離線芯較遠，上層電纜護套的熱量不會立刻通過線芯傳遞到下層電纜護套上，熱量在上層電纜聚集，溫度較高，因此護套材料熱解得更加充分，使得平均熱釋放速率與熱釋放速率峰值越大。在相同的輻射強度下，總熱釋放量的大小主要取決于可燃材料的多少，由于WDZ-95電纜的護套最厚，因此總的熱釋放量也最大。

表3 不同電纜在60 kW/m2熱輻射功率下的熱釋放

2.2 質量損失分析

質量損失速率(mass loss rate，MLR)表示材料在燃燒過程中質量隨時間的變化率，質量損失速率越大說明材料越易燃燒。

圖3給出了WDZ-95電纜在不同輻射強度下的質量損失速率。其質量損失速率的變化趨勢與熱釋放速率相同，不過隨著熱輻射強度的增大，質量損失速率的峰值在不斷增加，但在第一個峰值過后的穩定燃燒階段，雖然輻射強度不同，曲線卻幾乎重合，而熱釋放速率卻是隨著輻射強度的增加而增加。

圖4給出了不同電纜在60 kW/m2熱輻射功率下的質量損失速率。在前100 s，不同電纜的質量損失速率幾乎完全一致，由于WDZ-95電纜護套較厚，外加熱輻射會使更深的材料繼續熱解，因此，100 s后WDZ-95電纜的質量損失速率繼續加大，WDZ-10電纜和WDZ-35電纜的質量損失速率開始減小。

2.3 有效燃燒熱

有效燃燒熱(effective heat combustion,EHC)是指材料分解燃燒揮發物中可燃燒部分燃燒釋放的熱量，可反應材料在真實火災中的放熱情況。

圖5給出了WDZ-95電纜在不同熱輻射功率下的有效燃燒熱。由圖5可見，熱輻射強度對電纜的有效燃燒熱存在一定影響，熱輻射強度越高，則電纜的有效燃燒熱越大。

2.4 煙氣釋放分析

煙氣產生速率(smoke production rate，SPR)是指單位時間內材料產生的煙氣量，圖6給出了WDZ-95電纜在不同輻射強度下的煙氣產生速率。在實驗過程中產生了2個比較明顯的峰值。第1個峰值出現在50～200 s的時間段內，在500 s左右，煙氣產生速率第2次上升，在第2個峰值出現910～1 060 s。由圖6可見，熱輻射強度越小，2個峰值越低。在30 kW/m2的輻射強度下，第2個峰值已經很不明顯。

圖7給出了不同電纜在60 kW/m2的輻射強度下的煙氣產生速率。對于不同型號的電纜，第一個峰值分別為0.110，0.109，0.111 m2/s，第2個峰值分別為0.045，0.039，0.044 m2/s。由于WDZ-95電纜護套厚度最厚，可燃燒物質質量最多，因此2個峰值的到達時間都最遲。可見，護套的厚度只會影響到達峰值的時間，不會改變材料熱解過程中的反應方向，對煙氣產生速率的峰值影響不大。

3 結論

1)電纜樣品的熱釋放速率可分為4個階段，加速增長階段、回落階段、平穩燃燒階段和衰減階段。總釋放熱量和平均熱釋放速率隨著熱輻射強度的增加而增加。對于相同的輻射強度，護套越厚的電纜，其總釋放熱量、平均熱釋放速率以及熱釋放速率峰值越高。

2)熱輻射強度對質量損失速率影響較小，質量損失速率的第一個峰值隨熱輻射強度的增加而增加；電纜護套的厚度越厚，質量損失速率的峰值越高，到達峰值的時間越晚，燃燒的持續時間也越長，但護套厚度對材料最終的熱解程度沒有太大影響。

3)電纜的有效燃燒熱隨著熱輻射強度的增加而增加，不同電纜樣品在相同輻射強度下的有效燃燒熱基本保持恒定。隨著熱輻射強度的增加，熱釋放速率的峰值呈增長趨勢。

4)電纜護套厚度會影響煙氣產生速率峰值到達時間，但不會改變材料熱解過程中的反應方向，對煙氣產生速率的峰值影響不大。

[1] 魯磊，狄振功.核電廠火災風險分析及事故應急救援對策[J].中國公共安全，2012，27(2)：49-52.

[2] 任海峰，李樹剛，林海飛，等.電纜火災致因因素分析 [J].安慶師范學院學報，2009，15(3)：62-65.

[3] 白曉斌，黃東利，李向明.高壓電力電纜火災原因分析及防范措施[J].電線電纜，2011(1)：37-39.

[4] 鐘小璇.基于模糊層次分析法的電纜火災危險性評價[J].研究與探索，2010(3)：12-15.

[5] 吳威位.導線電纜火災特性研究[J].廣西民族大學學報，2009(6)：77-79.

Fire Hazard Experimental Research of Nuclear Class Electric Cable

PENG Yu-hui, JIANG Shuai

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Taking the nuclear class electric cable as research object, experiments were carried out by the cone calorimeter to investigate the influence of heat release rate, mass loss rate and smoke generation rate upon the combustion characteristics in the burning process in which the experiment conditions such as external heating radiation and cable sheath thickness were different.

nuclear class electric cable; heat release rate; mass loss rate; smoke production rate

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.028

2017-03-07

彭玉輝(1977—)，男，碩士，工程師

研究方向：船舶消防

U664.88

A

1671-7953(2017)03-0122-03

修回日期：2017-03-27