不同輻射強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是維護煤礦生產安全的重要環節。本文使用錐形量熱儀分別在不同輻射強度下對電纜進行燃燒實驗，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、煙氣產生速率、總生煙量等參數的變化規律。結果表明：隨著輻射強度增加，電纜燃燒的熱釋放速率、總釋放熱及煙氣產生速率隨之增大，在短時間內造成的危險性和破壞性更強。在熱釋放速率和煙氣產生速率曲線中，觀察到“雙峰”現象，表明電纜燃燒存在護套層和絕緣層兩個階段；電纜火勢增長指數隨輻射強度增大而增大，著火時的危險程度也更大。

關鍵詞：

電纜；錐形量熱儀；燃燒特性；輻射強度；熱釋放速率

為保障國家能源資源安全，我國逐步推進礦山規模化、綠色化、智能化建設，礦井規模不斷擴大，電器設備投入增長，井下電纜應用密集，但由于電纜短路、漏電、過載以及外部火源等原因，易引發電纜火災事故。煤礦井下生產環境屬于半封閉空間，電纜一旦起火，火焰會迅速蔓延，速度可達20m/min，同時產生CO、HCl等大量有毒煙氣，嚴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過程中具有必要性。

電纜作為電氣火災中的主要可燃物，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電纜燃燒強度，火焰沿電纜加速蔓延。張晉等搭建綜合管廊火災模擬試驗平臺，開展了電纜燃燒通風對比試驗，試驗結果表明：火災發生后及時關閉管廊內的開口能夠抑制火災發展。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及所處空間，燃燒后帶來的經濟損失和撲救難度遠大于其他電纜。但針對城市地下綜合管廊電纜在不同輻射強度下的燃燒特性缺少系統深入的研究。因此，本文采用錐形量熱儀，分析不同輻射強度下城市地下綜合管廊內常用的FS/FY-WDZA EYYR 1500v型電纜的熱釋放速率、總釋放熱、煙產生速率、煙釋放速率等特性參數，掌握電纜燃燒特性及燃燒規律，同時對電纜燃燒過程中的不同階段進行深入分析，為阻燃電纜研究、電纜火災事故的預防提供理論依據。

一、實驗

（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之間的小段直接進行實驗[1]，在本實驗中，電纜直徑為2.5cm，分為長10cm的4段4組。

（二）實驗裝置及方法

實驗用CCT型錐形量熱儀，實驗過程按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驗方法》進行。實驗采用的輻射強度分別為15、30、45、60kW/m2，代表可燃物在小規模火災和中等規模火災中的熱輻射水平[2]，實驗在10×10×5cm的空間中進行。

二、實驗結果分析

（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。不同輻射強度下電纜的熱釋放速率曲線見圖1。

不同輻射強度下電纜燃燒的熱釋放速率主要參數如表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。

在高輻射強度下（60kW/m2）電纜燃燒過程中熱釋放速率曲線出現兩次峰值。第一次熱釋放速率峰值的出現以護套層燃燒釋放熱量為主，第二次熱釋放速率峰值的出現以炭化絕緣層燃燒釋放熱量為主。若在較大的輻射強度下，電纜燃燒的持續時間會更長，造成的破壞性更強[3]。

火勢增長指數（FGI）是熱釋放速率峰值與到達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表示燃燒實驗中電纜所達到的熱釋放速率峰值，t表示燃燒實驗中電纜達到熱釋放速率峰值的時間。

在不同的輻射強度下，電纜燃燒時的火勢增長指數有較大差異。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[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。電纜在不同輻射強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，總釋放熱值穩定在較低的數值范圍內；在30-60kW/m2時，總釋放熱值分別在380s-480s、120s-165s、65s-85s內，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，隨著輻射強度增加，總釋放熱值隨之加大[5]。

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

（三）煙氣產生速率

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

由圖3可知，在電纜燃燒后期，電纜煙氣產生速率大小排序為：60kW/m2>30kW/m2>45kW/m2>15kW/m2。這主要是由于輻射強度60kW/m2的電纜燃燒反應更加劇烈，使得護套層燃燒產生的炭化層物質減少，從而導致煙氣顆粒產物增多，煙氣產生速率加快[7]。因此，電纜護套層燃燒的煙氣產生速率大于電纜絕緣層。

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

（四）總生煙量

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

圖4 不同輻射強度下電纜的總生煙量曲線

由圖4觀察到，輻射強度為60kW/m2的電纜在燃燒后期才會產生大量的煙氣，這主要是因為在高熱輻射強度燃燒前期，電纜受熱充分熱解產物不易產生煙氣。由此可知，低輻射強度下的電纜在燃燒前期產生的煙氣較多，而高輻射強度下的電纜在燃燒后期產生的煙氣較多。

三、結論

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/m2四種輻射強度下的燃燒性能進行分析，得到以下結論：

第一，隨著輻射強度增大，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。隨電纜輻射強度增加，FGI增加，電纜燃燒的危險程度更大。

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

參考文獻

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[7]李才有.電線電纜單根燃燒測試值影響因素淺析[J].光纖與電纜及其應用技術，2022（02）：42-44.

[8]王林.軌道交通用低燃燒熱釋放高性能低煙無鹵阻燃電纜料的開發.成都金發科技新材料有限公司，2022-03-23.

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。