不同布置形式下的橋架電纜燃燒特性

陳長坤，徐童，陳杰，左博元

(中南大學 防災科學與安全技術研究所，湖南 長沙，410075)

隨著我國城市化建設進程的不斷推進，用電需求量呈現顯著的增長趨勢，同時，城市現有的市政建設對電力設施要求不斷提高，敷設電纜的現象也越來越普遍，但因電纜線路過載、短路以及漏電等故障而引發的火災事故頻發，存在巨大的安全隱患[1]。據統計，在全國發生的電氣火災事故中，由各類電纜電線故障而引發的火災超過一半[2-3]，因此，開展電纜火災研究十分必要。目前，橋架電纜的燃燒特性越來越受到國內外學者的關注。黃萍等[4]針對綜合管廊電纜火災的危害性，構建了截面尺寸為1∶1的管廊模型，探究了受限空間內電纜火災溫度場分布特征。英國、瑞典、意大利的多個研究團隊[5]聯合開展了FIPEC(fire performance of electrical cables)項目，通過全尺寸的水平電纜火災實驗以及相關數值模擬方法，獲取了大量關于電纜火災熱釋放速率、煙氣生成率等。蔣帥等[6]通過試驗分析了典型核電站廠房內環境相對濕度、電纜間距和電纜布置方式對電纜火災特性的影響規律，發現電纜布置間距及放置方式均對電纜燃燒影響較大。陳杰[7]開展了不同貼壁環境下的橋架電纜火蔓延試驗，研究了不同貼壁條件對單層橋架電纜燃燒的火焰特征、火蔓延速率以及火源功率的影響，并定量分析了火焰高度、火焰寬度以及頂棚火焰長度。HUANG 等[8-9]建立了封閉空間中的多層橋架電纜全尺寸實驗模型，探討了電纜橋架中電纜間距、通風方式等因素對電纜火災行為的影響。陳鈺等[10]采用數值模擬方法研究了核電站電纜隧道中橋架間距對電纜火災特性的影響，確定了核電站電纜隧道內橋架的合理布置間距。ZAVALETA 等[11-14]通過改進的FLASH-CAT 模型分析了密閉和通風環境對核電站室內橫向橋架電纜火災特性的影響。SIEMON等[15]以電纜橋架的電纜布置形式和托盤間距等幾何尺寸為參數，研究了其對橋架電纜燃燒特性和火災蔓延的影響規律。米紅甫等[16]基于FDS 數值模擬軟件對綜合管廊電纜火災煙氣優化控制模式進行了研究，為火災情景下管廊檢修人員應急疏散和外部消防救援提供了有益的指導。綜上所述，前人在電纜燃燒特性方面進行了大量的研究工作，主要包括電纜護套材料熱解、阻燃和非阻燃電纜的燃燒性能，同時也分析了電纜燃燒所引發火災的溫度分布特征及煙氣運動規律等。在上述研究的基礎上，本文作者著重考慮布置形式和貼壁條件等因素，開展橋架電纜燃燒特性研究，記錄電纜從引燃至熄滅的火焰行為及質量變化過程，進而獲取電纜燃燒中熱釋放速率等關鍵特性參數，以期為電纜燃燒相關研究提供參考。

1 實驗方法

本實驗選取YJLY 3*25 型電纜為研究對象(其中，YJ 表示絕緣種類，為交聯聚乙烯絕緣；L 表示導體材料，為鋁芯；Y表示內護層，為聚乙烯護套；3表示3根鋁芯；25表示單根鋁芯的橫截面積為25 mm2)。橋架電纜燃燒實驗臺如圖1 所示。采用電子天平(精度為0.1 g)對橋架電纜燃燒時的質量損失以及電纜護套燃燒滴落至石膏板上的熔滴質量變化進行實時測量。采用攝像機(SONY FDRAX700)實時記錄火焰形狀與蔓延過程。實驗中，考慮緊密布置(a模式)、間距布置(b模式)以及堆疊布置(c模式)等布置形式，其中，b模式中間距包含10，20，30 mm 這3 種間距。此外，考慮了側壁、頂板、“側壁+頂板”限制條件，并以無側壁、頂板工況為對照組(N1 工況)分析貼壁情況下的電纜燃燒特征，不同布置形式下電纜橫截面示意圖如圖2 所示。實驗中點火位置設置在電纜束某一端，點火源為丁烷點火器。需要說明的是，側壁和頂棚均為耐高溫的防火板，側壁寬為1.4 m，高為1.1 m，頂棚寬為1.2 m，長為1.0 m。根據文獻[17]，最上層支架距其他設備裝置的凈距不應小于300 mm，并要求同一通路中低壓(35 kV及以下)電力電纜數少于6根。本實驗從最不利工況的角度出發，將電纜支架和頂棚防火板的間距設為0.3 m，并在1.6 m長的電纜支架上固定6根1 m長的電纜。為減少實驗誤差，每組工況重復3遍，并以3組工況的平均值作為實驗值，結果如表1所示。

圖1 橋架電纜燃燒實驗臺Fig.1 Burning test bench of tray cable

圖2 不同布置形式下電纜橫截面示意圖Fig.2 Schematic diagram of cable cross section under different arrangement forms

表1 實驗工況Table 1 Experimental working conditions

2 結果與分析

2.1 布置形式對橋架電纜燃燒的影響規律

2.1.1 不同布置形式下電纜燃燒火焰行為的變化特征

電纜被引燃后形成的火焰會對建筑物上層結構造成破壞，同時，受熱產生的熔融物也會滴落至下層結構而形成流淌的熔滴火焰，從而增大了電纜火災的危險性。在不同布置形式下，當燃燒較充分時，橋架電纜火焰以及石膏板上熔滴火焰的形態見圖3。從圖3可以看出：緊密布置(a模式)火焰高度略低于堆疊布置(c模式)的火焰高度；a模式和c 模式的火焰高度均大于間距布置(b 模式)下電纜燃燒火焰高度，b模式的電纜燃燒火焰高度隨電纜間距增加而依次減小，這在一定程度上說明c模式的電纜燃燒速率比a 模式的高，a 模式的電纜燃燒速率比b模式下的電纜燃燒速率高。需要說明的是，石膏板上熔滴形成的火焰規模差別較大，其中，a 模式的電纜燃燒火焰規模最大，其次是c模式，b模式的電纜燃燒火焰規模最小。這是由于b模式的電纜燃燒速率最低，導致熔滴的生成速率最??；c 模式的電纜燃燒速率比a 模式的高，但由于c模式電纜在燃燒過程中消耗了更多的熔滴，導致石膏板上c 模式形成的熔滴火焰規模比a 模式的低。

圖3 橋架電纜火焰和熔滴火焰正視圖Fig.3 Front view of cable flame and droplet flame of cable tray

不同布置形式下電纜火焰局部側視圖見圖4。電纜受熱后會產生可燃的熱解氣，當多根電纜并排布置時，在中部電纜熱解氣周邊的空氣相對兩側電纜更少，因此，中部熱解氣需要卷吸更多的空氣以維持燃燒，故電纜束燃燒形成了中部較高、兩側較低的類“錐”型火焰形狀，此時，中部電纜會由于受到更強的熱輻射而熱解出更多的可燃氣，這導致a 模式比b 模式或者c 模式下電纜束燃燒形成的火焰高度更高。需要注意的是，由于電纜間距不斷增加會減弱電纜相互之間的熱反饋效果，進而導致電纜束整體更趨向于多個單根電纜的燃燒，這也使得b模式中火焰高度隨電纜間距增加而降低。

圖4 橋架電纜火焰局部側視圖Fig.4 Partial side view of trays cable flame

2.1.2 不同布置形式下電纜燃燒火焰蔓延速率的變化規律

圖5所示為不同布置形式下火焰前鋒[18-19]隨時間的變化規律。從圖5 可以看出：b 模式下火焰前鋒位置變化雖呈現出輕微的波動性，但總體仍呈較明顯的線性增大趨勢，說明b模式下電纜束火焰蔓延行為較穩定；此外，a 模式和c 模式下的電纜火焰前鋒增長速率相差不大，且均大于b模式下的電纜火焰前鋒增長速率。通過比較b模式中不同間距下的火焰前鋒位置變化過程，發現其增長速率隨布置間距的增加而減小，這是各電纜火焰之間的熱反饋作用減弱所致。通過提取電纜燃燒穩定蔓延階段的火焰前鋒位置，能夠進一步確定平均火焰蔓延速率，如圖6 所示。其中，c 模式、a 模式、b模式(間距為10 mm)、b模式(間距為20 mm)、b 模式(間距為30 mm)的平均電纜火焰蔓延速率依次降低，分別為4.27，3.47，2.15，1.65 和1.57 cm/min，并且電纜平均火蔓延速率從a模式到間距為10 mm的b模式下降幅度最大。

圖5 火焰前鋒位置隨時間變化圖Fig.5 Position of the flame front changes with time

圖6 平均電纜火焰蔓延速率Fig.6 Average cable flame spread rate

為了更好地闡釋電纜燃燒產生熔滴的質量變化過程，引入熔滴累積質量(即圖1 中石膏板下方天平測得的熔滴質量)，并用熔滴轉換率(即熔滴累積質量與電纜總損失質量的比值)來表征電纜燃燒過程的劇烈程度。圖7所示為不同布置形式下電纜燃燒總損失質量和石膏板上熔滴累積質量的變化過程。從圖7可以看出：在電纜初始點燃階段，熔滴轉換率逐漸升高，這反映了電纜火災的劇烈程度逐漸加大；此外，石膏板上電纜熔滴累積質量總體呈現先增大后下降的趨勢，其中，當落在石膏板上的熔滴質量小于石膏板上火焰燃燒消耗的熔滴質量時，就會導致累積熔滴質量下降，通常此過程處于電纜火焰的熄滅階段。需要說明的是，雖然在電纜燃燒的初始階段會伴隨熔滴轉換率升高的現象，但當電纜火焰足夠大時，電纜懸掛的熔滴可能未滴落便被消耗，此時，熔滴轉換率也可能下降。

圖7 電纜燃燒過程總損失質量和熔滴累積質量變化Fig.7 Cable burning total cable loss mass and droplet mass change

2.2 貼壁對橋架電纜燃燒的影響規律

2.2.1 貼壁對電纜火焰蔓延速率的影響分析

圖8所示為不同貼壁條件下火焰沿電纜縱向的長度(Lflame)變化。從圖8 可見：Lflame在電纜燃燒初始階段穩步增大，進入火焰穩定蔓延階段后，Lflame變化趨于平緩，并處于較高值；最后，由于電纜護套基本被燃燒消耗而未再產生新的熔滴，導致Lflame逐漸減小，電纜燃燒進入熄滅階段；此外，在電纜初始點燃階段中，N1，N6，N7，N8 工況(見表1)對應的Lflame差別并不大，均處于持續增長階段；當電纜火蔓延穩定后，在不同限制條件下，“側壁+頂板”、頂板、側壁、無側壁的Lflame依次減小，這主要是由于側壁或頂板的存在限制了電纜燃燒過程中空氣的卷吸作用，同時，電纜也受到側壁或頂板更強的熱反饋作用，故產生更多的熱解氣，這種促進作用導致“側壁+頂板”條件下電纜燃燒形成的Lflame比其他工況的大。

圖8 火焰沿電纜縱向上的長度(Lflame)隨時間的變化Fig.8 Flame length variation along the longitudinal direction of cable (Lflame) with time

2.2.2 貼壁對電纜燃燒的熱釋放速率的影響

圖9所示為電纜燃燒過程中，不同貼壁條件下電纜總損失質量和熔滴質量變化。由于在電纜點燃的初始階段燃燒速率較小，故電纜總損失質量較小，而轉換為熔滴的質量較大，其中，無貼壁和側壁布置較其他2個工況更明顯。當電纜燃燒進入穩定火蔓延階段后，托板上熔滴累積質量占電纜總損失質量的比例減小，這主要是由于該階段電纜燃燒加劇而使得更多熔滴在未滴落時便被燃燒消耗，同時，托板上熔滴火焰規模更大，從而消耗了更多的熔滴。需要注意的是，在“側壁+頂板”條件下，托板上熔滴累積質量相比其他工況較小，這主要是因為“側壁+頂板”布置形式在促進電纜燃燒速率的同時，也消耗了更多托板上的熔滴。

圖9 電纜燃燒過程中總損失質量和熔滴質量變化Fig.9 Total loss mass and droplet mass change diagram during cable burning

根據圖9所示的電纜燃燒過程中總質量損失可獲得電纜的質量損失速率，并進一步估算不同貼壁條件下電纜燃燒的熱釋放速率[20]：

根據式(1)，不同貼壁限制條件下橋架電纜的燃燒熱釋放速率變化如圖10所示。從圖10可以看出：電纜燃燒的熱釋放速率首先總體呈現增長趨勢，在火焰穩定蔓延階段呈現較明顯的波動狀態，而當燃燒殆盡時則迅速下降，其中，無貼壁(N1工況)下電纜燃燒熱釋放速率的峰值為46.39 kW，較側壁布置(N6 工況)和頂板布置(N7 工況)下的熱釋放速率峰值(分別為49.14 kW 和65.12 kW)有所減??；此外，“側壁+頂板”布置(N8 工況)下電纜燃燒熱釋放速率的峰值高達228.97 kW，同時相比N1，N6 和N7 工況，燃燒消耗電纜的速度更快。這主要是因為當側壁存在時，火焰高度由于電纜燃燒過程中空氣卷吸受限而增大，同時，未燃部分受到更強的熱輻射產生更多的可燃熱解氣，從而增大電纜燃燒速率，產生較高的熱釋放速率。當頂板存在時，電纜火焰觸頂后會在頂板下方形成平行于下部反饋電纜的火焰，增強了對未燃電纜的輻射，進而加快了電纜的燃燒速率。當側壁和頂板同時存在時，對電纜燃燒的促進作用更加顯著。

圖10 不同貼壁及緊密布置模式(a模式)下電纜燃燒的熱釋放速率變化Fig.10 Cable combustion heat release rate under different attachments and tightly arranged conditions

3 結論

1) 電纜燃燒及其熔滴形成的火焰會在電纜上、下兩側蔓延，具有較大的危險性。電纜在緊密布置、間距布置和堆疊布置形式下燃燒時，位于中部的電纜會由于受到更強的熱輻射而熱解出更多的可燃氣，進而導致堆疊比緊密或者間距布置下電纜束燃燒形成的火焰高度更高。

2) 電纜間距增加會減弱電纜相互之間的熱反饋效果，從而使得堆疊、緊密及間距10，20 和30 mm工況下平均火蔓延速率依次降低。當電纜間距為30 mm 時，電纜束整體更趨向于多個單根電纜的燃燒，其中，從緊密布置到間距10 mm 布置時平均火蔓延速率的下降幅度最大。

3) 當側壁存在時，火焰高度會由于電纜燃燒過程中空氣卷吸受限而增大。當頂板存在時，電纜火焰觸頂后會在頂板下方形成平行于下部電纜的火焰，這2種限制條件均會增強未燃電纜受到的熱輻射反饋。當側壁和頂板同時存在時，對電纜燃燒的促進作用更加顯著。

4) 值得注意的是，本文主要根據相關規范的要求對電纜實驗的關鍵參數進行了設置，所獲得的結論也主要適用于上述參數設定的條件。此外，電纜燃燒效率還受其他因素(如通風、電纜布置傾角等)影響較復雜，這需要進一步深入研究。