典型核電站廠房內電纜橋架火蔓延特性的全尺寸實驗分析

蔣帥，賈佳2,武紅梅

(1.中國艦船研究設計中心，武漢 430064;2.94942部隊，北京 100000)

電纜發生過載、局部過熱、短路等故障或在外部火焰加熱下導致電纜火災，將會直接影響到涉核區域正常運行[1]。為此，考慮在全尺寸核電站廠房內，針對不同電纜布置方式(電纜間距和電纜走向)下不同電纜類型的火蔓延問題，通過分析不同參數條件下電纜火蔓延過程中溫度場分布、熱釋放速率和質量損失速率的變化，為認識和預測核電場景電纜火災行為規律提供實驗數據支撐。

1 實驗系統和方法

根據核電站廠房結構(包括壁厚和長寬高比)設計實驗平臺[2]，包含一個鋼筋混凝土實驗間和一個活動板房觀察室。其中，實驗間四周墻壁厚度為0.4 m，頂棚厚度為0.2 m，房間內凈寬為6 m，凈長5 m，凈高4 m，頂部裝有兩層共5 cm的防火板，不設對外開的門窗。

電纜燃燒實驗平臺主要包括橫向電纜橋架、質量損失測量系統、預混點火系統、溫度測量系統、監控錄像系統和機械通風系統。機械通風系統在實驗結束后開啟，煙氣經過凈化后排出實驗間，避免污染環境。

實驗現場布置見圖1。

圖1 實驗平臺布置示意

電纜支架放置于電子秤上，支架整體距離墻邊0.5 m，電纜(離地面高度為0.8 m)置于燃燒支架正前方和正右方，兩臺視頻記錄儀用以觀測電纜燃燒情況。實驗中選用K型鎧裝熱電偶作為溫度測量手段，天平位于燃燒支架正下方，相關測點布置及說明見表1。

表1 測點布置說明

5個熱電偶樹按照1 m的間距布置在火源周圍，用來測量房間整體的溫度場分布。

試驗使用兩種核電站常用電纜，包括核電站用1E級K3類低煙無鹵阻燃低壓電力電纜HDYJG-K3(K3類銅芯交聯聚乙烯絕緣低煙無鹵阻燃交聯聚烯烴護套電力電纜)和核電站常用典型阻燃電纜WDZ-YJE(交聯聚乙烯絕緣無鹵低煙阻燃聚烯烴護套電力電纜)，分別簡稱為K3類和NC類電纜。兩種電纜截面見圖2。

圖2 電纜截面示意

2 試驗結果與分析

2.1 K3類電纜火災燃燒特性

在水平布置方式下(電纜間距d=1 cm)K3類電纜燃燒的質量損失速率變化見圖3。

圖3 不同環境相對濕度下K3類電纜燃燒熱釋放速率

可以看出電纜在點火源作用下40 s左右被點燃，最后以較穩平穩的熱釋放速率維持燃燒，但在點火源撤去以后，電纜僅維持燃燒了數十秒便熄滅；豎直布置方式下，K3類電纜在整個過程仍未發生燃燒，但近火源表面發生明顯的膨脹變形現象。

水平和豎直布置方式下電纜燃燒后的狀態見圖4。

圖4 不同電纜布置走向下的電纜燃燒情況

水平布置情況下，在點火源作用下，電纜外護套被熱解膨脹并發生燃燒，隨后內層防火包帶被破壞導致內層絕緣層發生燃燒。撤去點火源，由于電纜的阻燃作用，電纜外護套并不能進一步被破壞，火焰無法在電纜表面蔓延，電纜的過火長度僅為18 cm，證明K3類電纜在點燃后并沒有發生蔓延，只在火源作用下破壞了外護套發生燃燒；豎向布置方式下，電纜在點火源持續點火500 s左右后，并沒有被引燃，只是在與火焰接觸部分的電纜被破壞，上部電纜發生了部分膨脹變形，但裸露出來的阻燃包帶阻止了火焰進一步引燃電纜。

2.2 NC類電纜火災燃燒特性

水平布置條件下NC類電纜在布置間距d=0時電纜燃燒熱釋放速率見圖5。

可以看出，電纜在點燃過程中出現了兩個質量損失峰值，開始點火時，首先是電纜的外護套被點燃，護套燃盡后，電纜內部絕緣開始燃燒，熱釋放速率不斷增加；撤去火源后，由于電纜的阻燃作用，質量損失速率減慢，在300 s以后以較小的質量損失速率維持燃燒，并在900 s左右徹底熄滅。

2.2.1 試樣間距對電纜燃燒特性的影響

1)質量損失速率。橫向電纜燃燒質量損失速率與間距相關性較大，見圖6。

在點火期間，布置間距d=3 cm時，電纜燃燒質量損失速率明顯低于其他間距，在撤去點火源以后，d=3 cm間距最先熄滅，d=1 cm和d=2 cm布置間距的質量損失峰值明顯高于d=0，整個燃燒過程的質量損失d=3 cm布置間距最小，d=0和d=1 cm布置間距下最大。

豎向布置，點火時，d=1 cm布置的電纜質量損失峰值最高達到了11 g/s，且撤去火源后仍能維持較高質量損失速率燃燒，見圖7。

圖7 豎向布置時NC類電纜在不同間距下的損失

且在點火過程中，間距較大的電纜質量損失速率上升更快，說明間距增加有利于電纜在豎直方向上的電纜火蔓延。但d=0排布下的電纜燃燒時間更長，且質量損失更大。而間距越大，質量總損失越小，說明電纜豎向布置情況下，間距不利于電纜在橫向上的火蔓延，因而總燃燒質量損失更低。

2)熱釋放速率。根據文獻[3]，在50 kW/m2外加熱輻射功率下測得電纜的平均有效燃燒熱適用于大尺度電纜燃燒。水平布置下不同間距NC類電纜燃燒熱釋放速率曲線見圖8。

圖8 水平布置下不同間距NC類電纜燃燒熱釋放速率

三種間距的電纜燃燒熱釋放速率峰值相近，約為45 kW，在整個燃燒過程中出現了2個峰值，分別代表電纜外護套的燃燒峰值及內部絕緣的燃燒熱釋放速率峰值，在d=0緊密排列情況下，電纜燃燒時間最長，因此具有較大危險性。

豎向布置情況下NC類電纜燃燒的熱釋放速率見圖9。

圖9 豎向布置時NC類電纜燃燒的熱釋放速率

在布置間距d=1 cm時，電纜熱釋放速率峰值達到了200 kW以上，遠遠高于其他布置間距下的熱釋放速率峰值。因此具有更大的瞬時火災危險性。緊密排布條件下電纜燃燒時間最長，持續危害性較大。

3)房間豎向溫度分布。水平布置條件下電纜燃燒時房間內豎直方向溫度隨高度降低而降低，布置間距為1 cm時NC類電纜燃燒時房間頂部溫度最高，達到了85 ℃。由于水平布置條件下電纜燃燒質量較低，所以房間整體溫度不高。布置間距為0時，撤去火源后溫度下降速率明顯低于其他布置間距。這主要是由于緊密布置時，燃燒產生的煙氣較多，房間整體在熄滅后不久被熱煙氣充滿，導致溫度梯度較低，因此房間內溫度分布整體變化較小。

電纜豎向布置，電纜布置間距為1 cm時，房間的整體溫度最高，頂棚溫度約達140 ℃，其他間距最高溫度維持在100 ℃，結合熱釋放速率分析，間距為1 cm時的電纜燃燒最為劇烈，導致整體溫度最高。房間整體溫度分布從上到下一次降低，最低處溫度基本保持在40 ℃以下。

2.2.2 布置走向對電纜燃燒特性的影響

不同布置走向下的電纜燃燒熱釋放速率見圖10。

圖10 不同布置走向下的電纜燃燒熱釋放速率

豎向布置的電纜相比于水平布置電纜而言更難點燃，因此豎向布置點火時間被設置為480 s。對比兩種布置方式的熱釋放速率可以看出，豎向布置情況下，電纜燃燒更為劇烈，熱釋放速率峰值及燃燒時間均高于水平布置電纜燃燒，這意味著豎向布置電纜的危險性更大。

3 結論

1)由于內部特殊防火結構，核電站用1E級K3類低煙無鹵阻燃低壓電力電纜HDYJG-K3(以下簡稱K3類電纜)在燃燒時熱釋放速率、有效燃燒熱和質量損失速率都遠遠低于NC類電纜，這表明K3類電纜防火性能更佳。

2)對于NC類電纜，豎直放置時火災危險性比水平更大，布置間距對于電纜燃燒影響較大，間距適量增加時會提高熱釋放速率峰值與質量損失速率峰值，并縮短燃燒時間。但是間距過大時，熱釋放速率又會降低，試樣間距為1 cm時電纜火災危險性最大。

3)K3類電纜相比于NC類電纜更難以引燃和蔓延。水平放置時，NC類電纜著火后可以自發維持火焰蔓延狀態40～50 cm，而K3類電纜僅能蔓延10～20 cm；豎直放置時；NC類電纜火焰可一直蔓延直至完全燃燒，但K3類難以被引燃和蔓延。