開放與槽內傾斜電纜燃燒溫度分布對比研究

陳長坤，左博元，徐童，焦偉冰

(中南大學 防災科學與安全技術研究所，湖南 長沙，410075)

隨著社會經濟的發展與信息化時代的到來，電能逐漸成為人類社會必需的能源。電力管道的大量鋪設和電子產品的廣泛普及在滿足我們生活需要的同時，也增加了發生電氣火災的風險。電纜線路電流過載、線路短路是電纜火災事故的重要誘因[1-3]。電纜通常會放置在電纜槽內布設。由于電纜槽及電纜本身結構特點，槽內電纜火災蔓延規律與其他可燃物燃燒蔓延規律存在一定差異。因此，探究槽內聚乙烯電纜燃燒性能及其火蔓延規律具有重要的現實意義。目前，國內外對電纜火蔓延行為的研究較多。WANG等[4]對不同環境壓力下聚乙烯(PE)絕緣電線上的火焰傳播行為進行了理論分析與試驗研究，分析了火焰形態、結構及火蔓延速率等參數，發現隨著壓力增加，火焰高度增加，平均火焰高度則隨著平均火焰寬度的減小而單調增加。包光宏等[5-6]通過試驗對電纜的燃燒性能進行了研究。在傾斜導線火蔓延研究方面，ZHAO等[7]針對電流對聚乙烯電纜火蔓延的影響開展了試驗研究，對電纜預熱區域傳熱進行了分析，建立了考慮電流、傾角影響的火焰傳播模型，發現向下的火焰傳播更容易受到電流的影響。KOBAYASHI 等[8]研究了高壓下聚乙烯(PE)絕緣電線上的火焰蔓延行為，發現對于銅芯PE 導線，當環境壓力進一步增加時，不會發生滴落現象。在導線熔融物滴落行為研究方面，KOBAYASHI等[9-11]通過實驗分別研究了聚乙烯銅(Cu)芯、不銹鋼(SS)芯絕緣導線上的火焰行為，分析了絕緣熔化和滴落對沿電線傳播火焰的影響。ZAVALETA等[12-15]利用改進的FLASH-CAT 模型提出視頻火災分析方法，給出了貼壁條件下電纜橋架結構的分析參數。SIEMON 等[16]以電纜橋架的電纜布置形式和托盤間距等幾何尺寸為變量參數，研究了其對電纜橋架電纜裝置燃燒特性和火災蔓延的影響規律。羅夏等[17]對比分析了開放和封閉環境下豎向電纜的燃燒蔓延情況。ZHANG等[18]研究了聚乙烯(PE)絕緣銅/鎳鉻合金線在低壓環境、不同傾斜角度β氧濃度下的熔融物滴落行為，建立了熔滴臨界直徑的理論模型。KANDOLA 等[19]利用新型熔融實驗裝置記錄了聚合物熔滴的數量、尺寸、形狀和質量等參數，并對聚合物及熔滴進行了分析，發現聚合物的熔融滴落是物理熔融和化學分解雙重因素造成的。XIE 等[20-21]設計了T 型槽實驗裝置，用于模擬典型熱塑性材料熔融及滴落引起的墻體火災和液池火災，對燃燒過程中的熱釋放速率、CO濃度等參數進行了分析，描述了聚乙烯材料在熔融、滴落、流動等多種狀態共存下的燃燒狀況。

從以上分析可知，目前研究者主要針對水平、豎直電纜導線的火蔓延及熔融滴落行為進行了研究，有部分學者研究了傾斜角度對電纜導線火蔓延的影響，但針對電纜實際敷設場景下的電纜火蔓延規律的研究較少。為此，本文在前人工作的基礎上，對利用電纜槽敷設電纜時的電纜燃燒規律進行實驗研究，探究電纜槽及相關布設形態對電纜燃燒蔓延規律的影響，以便為利用電纜槽進行電纜敷設的工程安全應用提供參考。

1 實驗方法

實驗裝置如圖1所示，外圍為金屬框架，用于固定電纜槽和電纜，電纜槽截面為U 型，槽寬為10 cm，槽深度為15 cm，電纜槽長度為0.8 m。電纜槽兩側開孔用于懸掛固定，傾斜角度借助于外圍金屬框架的橫檔高度調節；聚乙烯電纜長度為0.7 m。當采用電纜槽時，電纜直接放置于槽內；不采用電纜槽時，利用金屬絲捆綁電纜懸掛固定在外圍金屬框架上。實驗開始前，將電纜兩端用鐵絲固定，再將鐵絲的另一端固定在支架上，可通過改變鐵絲的長度以及鐵絲在電纜橋架上固定位置來調整電纜導線的傾斜角度。實驗采用丙烷燃燒器點燃電纜一側，控制火源功率為2 kW，每次點火時間為1 min。實驗于室內開展，無強制對流條件，環境溫度為4～6 ℃。

圖1 實驗裝置Fig. 1 Experimental setups

實驗所采用的導線為鋁芯交聯聚乙烯絕緣電纜，其截面示意圖如圖2所示。電纜外徑為24 mm，內徑為20 mm，聚乙烯護套厚度為2.0 mm，單位長度質量為0.53 kg/m，單根線芯半徑為3.5 mm。電纜及其組成部分各參數分別如表1和表2所示。

表1 聚乙烯電纜參數Table 1 Polyethylene cable parameters

表2 試驗材料參數Table 2 Test material parameters

圖2 聚乙烯電纜截面示意圖Fig. 2 Schematic diagram of cross section of polyethylene cable

熱電偶借助外圍金屬框架及其橫檔固定，熱電偶布置在電纜表面處，其熱電偶布置點的正投影位置如圖3所示。其中，在探究順流、逆流火蔓延的差異時，需要采用不同點火位置。順流火蔓延條件點火位置在熱電偶A 處。因為順流火蔓延時，熱電偶A 處熔融物質極易滴落流淌至電纜槽外側，因此，第一個數據記錄點為熱電偶所在位置。逆流火蔓延點火位置在電纜末端(位于熱電偶G右側5 cm)。

圖3 熱電偶布置Fig. 3 Thermocouple arrangement

為探究利用電纜槽敷設傾斜電纜時的燃燒蔓延規律，考慮了傾斜角度、是否開放和點火位置3種關鍵變量。并結合實際工程中容易出現的傾斜情況，確定了30°和45°這2種傾斜角度，具體設計工況見表3。

表3 實驗工況表Table 3 Experimental working conditions

2 結果與分析

2.1 開放與受限條件下電纜火災行為對比分析

選取單根聚乙烯電纜為研究對象(長度為0.7 m)，分析電纜在開放及電纜受限條件下電纜火災溫度分布情況蔓延。其中，槽內水平電纜燃燒示意圖、開放條件下水平電纜燃燒示意圖、槽內傾斜電纜順流火蔓延示意圖、開放傾斜電纜順流火蔓延示意圖、槽內傾斜電纜逆流火蔓延示意圖、開放傾斜電纜逆流火蔓延示意圖見圖4。從圖4 可見：在開放條件下，當水平電纜燃燒時，燃燒形成的熔融物質受重力作用會發生滴落，滴落行為不受限制，滴落物會帶走燃燒熱量；當槽內水平電纜燃燒時，熔融物質會累積在電纜槽底部，熔融滴落行為受到限制，并且由于兩側槽板的存在，輻射作用增強，會對電纜燃燒有一定增強作用；槽內傾斜電纜順流火蔓延時，熔融物的流淌行為將受到一定限制，但隨著傾斜角度增大，這一限制作用會被削弱，并且在熔融物沿槽板流淌時，可能出現分區燃燒的現象；開放傾斜電纜順流火蔓延時，伴隨傾斜角度的變化，熔融物可能由直接滴落變成沿線流淌，但不論何種情況，其整體的熔融滴落行為不受限制；當槽內傾斜電纜逆流火蔓延時，熔融滴落行為受限明顯，較多熔融物質會累積在初始點燃位置，燃燒初期的燃燒速率及規模可能較小；相比于順流火蔓延，其熱量損耗更少，因為熔融物將沿電纜下表面向電纜未燃區域流淌，其帶走的熱量會更多傳遞到后續預熱區中。這一情況在開放傾斜電纜逆流火蔓延中同樣存在。

圖4 不同狀態下的電纜燃燒示意圖Fig. 4 Schematic diagrams of cable burning in different states

2.2 開放條件下電纜順流火蔓延溫度分析

單根懸掛固定電纜在不同角度條件下發生燃燒時，在水平狀態、傾斜30°、傾斜45°這3種條件下，沿電纜線方向上方的溫度隨時間的變化如圖5所示。從圖5(a)可以看出：在開放條件下，水平電纜的燃燒蔓延速率較穩定，在電纜剛開始燃燒階段，溫度波動較明顯，最高溫度達到700 ℃左右；在電纜點燃初期，電纜燃燒的熔融滴落物滴落狀態不穩定，這對初期溫度有較大影響，造成一定的波動；觀察后續峰值溫度，C、D、E這3個熱電偶的峰值溫度較接近，均在400～500 ℃之內，并總體呈現下降趨勢，高溫時間區段的長度也較接近；F的峰值溫度較低，在水平條件下，燃燒電纜末端的可燃物不足，并且已經燃燒的部分基本為裸露線芯，向環境中散熱量增多，并且末端燃料已經在先前的燃燒當中被充分預熱，當火焰蔓延至末端時，強化了熔融滴落作用，進一步削弱了可燃物含量。這些綜合作用導致F 的峰值溫度較低，并且持續時間較短。

圖5 開放條件下不同傾角順流火蔓延時溫度與時間的關系Fig. 5 Relationship between temperature of downstream fire spread and time at different inclination angles under open conditions

圖5(b)所示為電纜傾斜30°時溫度隨時間的變化。從圖5(b)可見：與水平條件相比，熱電偶B的溫度峰值較低，但同樣有較強的波動性；熱電偶C、D、E 的溫度峰值均在600 ℃左右，與水平條件相比峰值溫度到來更早；熱電偶D 的峰值溫度比C的峰值溫度更早到來，但是熱電偶C的溫度更早呈增大趨勢，這是因為隨著電纜出現傾斜，預熱范圍增大，導致電纜未燃部分的受熱長度增大，進而導致后置位置可能更早出現峰值溫度。圖5(b)中的熱電偶F的峰值溫度要比水平條件下的高，當傾斜角度達到一定值時，熔融滴落物不會垂直滴下，而是沿著電纜向下流動，并持續燃燒。圖5(c)所示結果與圖5(b)所示結果類似，所不同的是，熱電偶D到達峰值溫度時，熱電偶B和C同步出現了第二峰值，其主要原因是隨著傾斜角度增大，熔融滴落作用繼續增強，并有可能出現大塊滴落物沿線流淌燃燒的情況。

2.3 受限條件下電纜順流火蔓延溫度分析

敷設在電纜槽內的電纜在不同角度條件下發生燃燒時，在水平狀態、傾斜30°、傾斜45°這3種條件下，沿電纜線方向上方的溫度隨時間的變化如圖6 所示。對比圖6(a)與圖5(a)可知：電纜槽的存在會導致水平條件下各位置的峰值溫度較接近，因為當電纜敷設在電纜槽內時，電纜燃燒形成的熔融物不會發生滴落，會累積在電纜槽內持續燃燒；在水平條件下，電纜槽內電纜燃燒速率更快(整根樣品完全燃燒所用時間更短)，峰值溫度更高且更穩定，但高溫期持續時間要比開放條件下的短，這主要是因為在電纜長度相同的情況下，燃燒更充分，燃燒速率更快，蔓延越快，單點處的高溫期持續越短。在電纜槽內燃燒時，改變傾斜角度，各位置的溫度變化呈現出不同規律；當傾斜角度較小時，在電纜點燃初期，因為電纜槽存在傾角，且電纜緊貼在電纜槽內，形成的熔融物不能很好地累積在初始點燃的位置，熔融物質往外流淌，帶走了較多熱量，影響了剛點燃位置的溫度；當燃燒持續進行時，后續位置的熔融物質因為傾斜角度較小，較多的熔融物累積在電纜下部，但未能燃燒，故熱電偶B、C、D 的溫度長期保持在200～300 ℃，其原因主要是只有上半部分電纜緩慢燃燒，下部累積的熔融物質未能引燃。當火焰逐漸向上蔓延時，燃燒范圍逐漸擴大，槽內溫度升高，并且線芯向沿線纜各位置導熱增強，導致局部燃燒更加劇烈，如圖6(b)所示。在750 s左右時，熱電偶E 的燃燒規模擴大，出現峰值溫度，進而促進其他各個位置的燃燒(其他位置的溫度都有所上升)，當1 個位置出現峰值溫度時，都會導致其他位置溫度出現1次上升，說明在該角度下，熔融物質沿電纜(槽)流動趨勢較小，容易形成累積。從圖6(c)可知：當傾斜角度達到45°時，電纜點燃初期溫度變化趨勢與30°時的情況類似，其原因是在電纜槽開口位置，熔融物質有一定量直接流淌至槽外，當火焰持續向上蔓延時，預熱區域增大，燃燒范圍增大，在450 s 左右時，溫度集中上升，說明此時電纜燃燒已經將槽內累積的熔融物質引燃，這與傾斜30°時的情況類似，但由于傾斜角度更大，預熱面積更大，導致累積的熔融物質更快被引燃，進而在集中升溫之后，后續可燃物充分的位置(熱電偶E 和F 處)劇烈燃燒，熱電偶E處達到峰值溫度600 ℃左右；在100 s左右后，熱電偶F 的溫度到達峰值溫度900 ℃左右。當有1處溫度達到峰值時，其他位置的溫度都會上升。這說明在傾斜電纜槽內，火勢容易出現周期性波動，且角度越大，越容易在燃燒后期出現更大規模的燃燒。在電纜槽內燃燒時，在水平狀態和傾斜條件下不會出現“伴隨升溫”現象(即熔融物累積至一定程度時，在整個槽內會出現1 次整體燃燒，進而同步升溫)；在水平狀態下，可燃物燃燒殆盡后溫度持續保持在較低值。在燃燒過程中，熔融物質沿槽板流淌，出現多區域燃燒的現象，從而出現“伴隨升溫”現象。

2.4 電纜逆流火蔓延溫度分析

圖7所示為逆流火蔓延時的溫度變化情況，其中，圖7(a)所示為在開放條件下，電纜傾斜45°的溫度變化情況，圖7(b)所示為電纜傾斜30°、逆流火蔓延時的溫度變化情況(將熱電偶G 納入分析)。從圖7可見：與順流火蔓延情況相比，電纜自上部點燃時，熱電偶G 的溫度首先上升，并在此處逐漸形成熔融物質。對比圖7(a)和圖7(b)可知：在傾斜為45°和開放條件下，熔融物沿線流淌，由于流過部位溫度較低，熔融物質燃燒規模極小，但流淌行為不受限制，熔融物在電纜根部累積，并且整根電纜底部都有緊貼電纜的火焰存在，持續預熱電纜，當受熱面溫度升高到一定值時，整根電纜出現同步燃燒，集中燃燒發生的時間較接近，均在400 s 左右發生。但在開放條件下，整體燃燒出現的溫度峰值更大，因為其流淌過程不受電纜槽限制；開放45°傾斜條件下的集中燃燒持續440 s；在電纜槽敷設傾斜45°時，集中燃燒持續690 s；在電纜槽敷設傾斜30°時，集中燃燒持續900 s；在電纜槽內，因為流淌受限，電纜燃燒更加持續，但峰值溫度更低。對比圖7(b)和圖7(c)可知：在角度改變時，角度越小，集中燃燒出現的時間越晚，集中燃燒時，峰值溫度更大，30°時多位置峰值溫度為400～500 ℃，45°時多位置峰值溫度為350～400 ℃。在槽內燃燒時，熱電偶G的溫度總會在集中燃燒后出現1次溫升。在槽內條件下，電纜本身緊貼于槽板，形成的熔融物質又持續累積，初期形成的燃燒規模較小，但在燃燒處累積了較多的可燃物；在集中燃燒過程中，先前累積的可燃物被重新點燃，因此，熱電偶G 在集中燃燒后會又一次出現溫升現象，并且在更小傾斜角度下，流淌受到的阻力越大，熱電偶G累積的可燃物越多，進而在出現后續溫升時，溫度越高。對比逆流火蔓延和順流火蔓延，逆流火蔓延的顯著特點就是會出現集中燃燒，而順流火蔓延受開放與否和傾斜角度的影響，可能出現伴隨升溫和呈周期性燃燒的現象，且逆流火蔓延條件下的峰值溫度要小于順流火蔓延條件峰值溫度。

3 結論

1) 將電纜敷設在電纜槽內時，電纜燃燒時的熔融滴落行為會受到顯著影響，當電纜水平時會使得燃燒更加穩定且充分；當電纜傾斜時，燃燒初期的溫度會比開放條件時的低；槽內傾斜電纜的燃燒分區效應不弱于開放條件時傾斜電纜的燃燒分區效應，會出現“伴隨升溫”現象，且傾斜角度越大，“伴隨升溫”越顯著。

2) 在逆流火蔓延條件下，槽內電纜的燃燒具有顯著特點，主要體現在：在點燃位置有1次小規模的持續燃燒，槽板限制導致熔融物容易形成堆積，傾角增大會強化流淌過程，并使熱量加速向下傳遞，當未燃部分受熔融物和線芯加熱會出現集中燃燒現象；傾角越大，出現集中燃燒的時間越早。

3) 利用電纜槽敷設電纜時，傾斜敷設部位宜采用底面無孔式的槽板，在電纜火災情況下會避免高溫燃燒熔滴滴落至槽外，進一步削弱火災的向外擴散程度。

4) 敷設電纜時，傾斜位置處若發生火災，則產生的危害更嚴重，故設備接線位置宜盡量遠離傾斜位置。電纜火災的產生的原因大多是接頭位置發生故障，接線端遠離傾斜段可以有效減小電纜火災大規模蔓延的風險。