基于錐型量熱儀的核級與非核級電纜燃燒性能對比實驗

(1.海裝駐上海地區第一軍事代表室，上海200000；2.中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

核電電纜火災是影響核電廠安全的主要火災隱患之一。考慮到影響電纜火災行為的許多因素，包括電纜材料、電纜尺寸、電纜配置、通風條件、外部熱量和電纜安裝類型等，國內外學者總結出許多經驗公式與實驗理論模型[1-2]。本文利用錐形量熱儀，開展不同輻射強度、電纜布置方式(電纜間距)下不同電纜類型的燃燒特性實驗，分析不同參數條件下電纜燃燒過程中熱釋放速率、有效燃燒熱和質量損失速率的變化規律，為進一步認識和預測大尺寸核電場景電纜火災行為規律提供實驗數據支撐。

1 實驗方法

錐形量熱儀[3-5]能提供接近實際的火災環境，實驗結果與大尺度燃燒實驗結果有較高的相關性[6]。在火災安全工程與設計、材料阻燃性能研究、評價等方面應用廣泛。

根據核電纜使用過程中的特點[7]，主要考慮電纜類型、輻射強度和電纜布置間距等工況因素對電纜燃燒特性的影響，實驗工況見表1。

試驗使用的電纜包括核級電纜K3類電纜HDYJG-K3 1×95(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)和非核級電纜NC類電纜WDZ-YJE 1×95(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。兩種電纜結構截面見圖1。

表1 錐量實驗工況表

圖1 電纜結構示意

2 試驗結果與分析

2.1 熱釋放速率

熱釋放速率為單位時間內材料燃燒過程中釋放出的熱量，是評價材料火災安全性的主要參數，能控制和影響其他的燃燒性能參數[8]。

2.1.1 不同熱輻射強度的熱釋放速率

由圖2可以得出，電纜在燃燒測試開始時,受到輻射熱后,開始時主要是本身吸熱階段, 該階段的初始線形無太大變化,基本上是趨于較平緩的線形狀態。當試件吸收的熱量足夠多時，溫度快速升高電纜外護套開始出現液化、氣化、裂解現象, 并產生一些可燃性氣體，當氣體濃度足夠高時，可燃氣體發生燃燒造成熱釋放速率急劇增大，形成第一個熱釋放速率峰值。在較低熱輻射條件下(如20 kW/m2)，由于電纜外護套的阻燃作用及K3類電纜的防火結構，輻射熱量不足以維持電纜的完全燃燒。在高輻射強度的情況下(如35、50、70 kW/m2)，由于外加熱輻射強度足夠大，并且電纜初始燃燒更劇烈，電纜防火結構被破壞，并完全燃燒。此時，K3類電纜完全燃燒過程會出現兩個峰值，分別代表電纜外護套燃燒及電纜絕緣層燃燒，但外護套燃燒的峰值比絕緣層的熱釋放速率峰值更大并且當熱輻射強度增大時，第二個峰值與第一個峰值出現的時間間隔會縮短。而NC類電纜由于沒有防火結構，在整個燃燒過程中會出現三個峰值，分別代表外護套燃燒、外護套和絕緣層共同燃燒及絕緣層燃燒，三個峰值相繼出現，時間間隔明顯比K3類電纜短。

圖2 不同熱輻射強度下電纜熱釋放速率對比

2.1.2 不同布置間距下的熱釋放速率

分析電纜間距對電纜熱釋放速率影響時，為保證與實際情況相一致，在電纜布置面積一定的情況下，隨著布置間距的增加電纜根數在不斷減少，0、0.5、1.0、2.0 cm對應樣品根數分別為6、5、4、3。K3類電纜是50 kW/m2熱輻射強度下，不同布置間距電纜的熱釋放速率隨時間變化見圖3。

圖3 不同間距下熱釋放的變化(50 kW/m2,K3)

從圖3可以看出，隨著布置間距的增大，第一個峰值與第二個峰值之間的時間間隔不斷縮短，但熱釋放峰值呈現先降低后升高的變化趨勢，在布置間距為1 cm熱釋放速率峰值最小。

2.2 有效燃燒熱

燃燒熱能夠維持燃燒和燃燒擴散，可以使材料分解生成的氣體及固體產物的溫度升高，使氣體膨脹，從而增加熱對流、熱傳導的能量。有效燃燒熱是指，材料熱解和燃燒產物中可燃物燃燒所放出的熱量，用來表征可燃性揮發氣體在氣相火焰中的燃燒程度。

2.2.1 不同熱輻射強度下的有效燃燒熱

如圖4所示，有效燃燒熱的變化與熱釋放速率變化規律相近，K3類電纜燃燒過程出現2個有效燃燒熱峰值，分別代表外護套有效燃燒熱峰值及絕緣層有效燃燒熱峰值；NC類電纜出現3個有效燃燒熱峰值，但相對于熱釋放速率變化，有效燃燒熱的第二個峰值階段變化相對平穩，主要是由于第二階段的質量損失較大所致。并且由于電纜外護套材料相同，第一個有效燃燒熱峰值相對接近。

圖4 不同熱輻射強度下電纜有效燃燒熱對比

2.2.2 不同布置間距下的有效燃燒熱

K3類電纜在50 kW/m2熱輻射強度下，不同布置間距電纜的有效燃燒熱隨時間變化見圖5。

圖5 不同間距下有效燃燒熱的變化(50 kW/m2，K3)

從圖5可以看出，隨著布置間距的增大，第一個峰值與第二個峰值之間的時間間隔不斷縮短，但有效燃燒熱峰值呈現先降低后升高的變化趨勢，在布置間距為1 cm有效燃燒熱峰值最小。

2.3 質量損失速率分析

質量損失速率是衡量材料受熱分解和燃燒快慢的參數，表示材料在某輻射強度下的燃燒強度。

2.3.1 不同熱輻射強度的質量損失速率

從圖6可知，在升溫階段，待測樣品在輻射熱的作用下緩慢升溫，隨后熱解，此時樣品質量損失較小,著火階段樣品己經被點燃，在輻射熱源和火焰的共同作用下樣品的熱解速率加快；燃燒最后階段，火焰己經熄滅，大部分可燃物燃燒殆盡，仍有少量的還未被分解、燃燒的殘炭慢慢地分解，所以質量減少緩慢。

圖6 不同熱輻射強度下電纜質量損失速率對比

可以看出，隨著輻射強度增大，質量損失速率與質量損失速率峰值隨之增大，到達峰值的時間隨之減少。K3類電纜質量損失速率小于NC類電纜。

2.3.2 不同間距下的質量損失速率

K3類電纜在50 kW/m2熱輻射強度下，不同布置間距電纜的質量損失速率隨時間的變化見圖7。

圖7 不同間距下質量損失的速率(50 kW/m2,K3)

從圖7可以看出，隨著布置間距的增大，第一個峰值與第二個峰值之間的時間間隔不斷縮短，但質量損失速率呈現先降低后升高的變化趨勢，在布置間距為1 cm質量損失速率峰值最小。

3 結論

1)隨著外部輻射強度的增強，電纜燃燒時的熱釋放速率、有效燃燒熱及質量損失速率都會增大，并且到達第二個峰值時間隨之減少，也就是說熱輻射強度的增加會增大電纜的火災危險性。所以電纜布置盡量遠離高溫熱源。

2)在外加熱輻射條件下，布置間距的增加會導致電纜熱釋放速率峰值和有效燃燒熱峰值先減小后增大，當布置間距為1 cm時的熱釋放速率峰值最小，并且相鄰燃燒熱釋放速率峰值的時間間隔縮短，火災增長速率會增加。但電纜布置間距對電纜燃燒質量損失速率峰值影響相對較小，電纜間距的增大會縮短電纜燃燒時間。

3)K3類電纜防火性能更佳，其熱釋放速率、有效燃燒熱和質量損失速率都遠遠低于NC類電纜，而且NC類電纜燃燒受熱輻射影響更明顯，對K3類電纜熱輻射增加縮短了燃燒過程，但是其存在多個燃燒階段和燃燒特性曲線變化趨勢基本不發生改變。