电缆高辐射热通量下燃烧性能实验研究

●赵锐敏

(武警学院消防指挥系，河北廊坊 065000)

随着社会经济的不断增长，科学技术的突飞猛进，包括电力电缆、控制电缆、通讯电缆在内的各种电缆的应用范围越来越广，使用量越来越大。由于大部分塑料电缆的护套原料和绝缘材料都具有可燃性，当线路发生短路时，很容易引燃护套料和绝缘料，继而导致火灾发生;当塑料电缆暴露在高温环境或火灾中，不仅能增大火势和发烟量，而且极易导致火势蔓延。另外，电缆火灾产生的大量烟尘及毒性气体，会造成火场能见度降低，影响人员逃离火场，甚至造成人员窒息、中毒甚至死亡。鉴于电线电缆潜在的火灾危险性以及造成的严重后果，我们有必要进一步研究其在火灾条件下的燃烧性能。

1 实验材料与仪器设备

实验样品是由淮胜电缆厂提供的多种规格的PVC电力电缆。实验前将PVC电缆样品VV1、VV2、VV3、VV4、VV5分别截成100mm的小段，并将小段并列排放，使其总宽度约为100mm，用铝箔纸包覆成单面暴露的试样，参数见表1。本实验使用英国FTT公司制造的锥形量热仪(Cone Calorimeter)。实验标准按锥形量热仪ISO5660[1]进行。本实验辐射热流强度选择50和75kW·m－2。首先校对锥形量热仪，将样品水平放置，启动计算机开始采集数据，手动点燃样品，当试样燃烧完全，且O2浓度不再发生变化时，即实验结束。实验数据由锥形量热仪的专用软件，配合Origin7.0软件进行分析和处理。

表1 电缆试样及参数

2 实验结果与讨论

对不同规格PVC电缆试样在75kW·m－2条件下进行测试，另外对试样VV3、VV4、VV5在50kW·m－2条件下进行测试，其CONE实验结果见表2。不同热辐射通量及电缆直径对PVC电缆燃烧参数的影响如下:

2.1 对热释放速率的影响

由表2及实验得到的热释放速率(HRR)曲线(略)可知:在75kW·m－2的热通量条件下，试样VV3、VV4、VV5在很短的时间内就可被点燃，并且很快出现第一个热释放速率峰。在50kW·m－2的热通量条件下，试样VV3、VV4、VV5的点燃时间延长，分别为 10、11、11s，平均热释放速率分别降低了26.84%、23.58%、14.65%，峰 值 分 别 降低 了29.13%、19.74%、19.90%。这充分说明随着锥形量热仪热通量的降低，PVC电缆被点燃的时间延长，热释放速率减小，而且峰值也减小，外界的热通量对PVC电缆的燃烧有很大影响。在75kW·m－2的热通量下5种PVC电缆随着直径的增加，热释放速率的平均值依次增大，其峰值也依次增大，原因是随着直径的增大，单位面积内可燃物质的量增加，导致热释放速率增大。而且出现热释放速率峰值的时间基本在500～650s之间，所以，只考虑电缆因素，电缆引起火灾时，要求人员必须在前8min疏散完毕。

表2 CONE实验结果

2.2 对质量损失速率的影响

由表2及实验得到的质量损失速率(MLR)曲线(略)可知:随着热通量的增加，MLR的峰值逐渐增加，在 50kW·m－2热通量条件下，VV3、VV4、VV5试样 MLR 的峰值分别为0.197、0.202、0.513g·s－1。在75kW·m－2热通量条件下，5种电缆的MLR峰值分别为 0.388、0.740、1.730、2.749、2.997g·s－1，VV5的MLR的峰值最大，且出现峰值的时间最早，为315s。可见，随着直径的减小，MLR的峰值依次减小，说明随着PVC电缆直径的增加，热裂解速度峰值出现的更早，火灾危险性大。比较可知，热辐射通量的变化，对PVC电缆质量损失速率的影响非常大。

2.3 对比消光面积的影响

由实验得到的烟释放速率和总烟释放量随时间的变化关系可知:提高热辐射通量能使PVC电缆的烟释放速率和总烟释放量增加。在实际火灾中，对人员疏散和消防人员扑救火灾造成不利影响。且热释放速率大，则烟释放速率大，烟生成量也大;热释放速率低，则烟释放速率低，烟生成量也低。表明热释放速率和烟释放速率成正比。由图1(75kW·m－2热通量)可以看出:随着PVC电缆直径的增加，比消光面积(SEA)的峰值依次增加，但其平均值基本保持在700m2·kg－1左右。其原因是随着PVC电缆直径的增加，电缆中某种发烟量大的材料的量增加，致使这种材料燃烧时单位质量的电缆发烟量增大，这对整个燃烧过程发烟量的平均值没有太大影响。PVC电缆在火灾时产生烟气大，对人员逃生很不利，应做抑烟处理，以避免对人员造成伤害。

图1 不同电缆比消光面积曲线

2.4 对火灾性能指数的影响

火灾性能指数(FPI)定义为点燃时间与热释放速率峰值的比值。它同封闭空间(如室内)火灾发展到轰燃临界点的时间(即“轰燃时间”)有一定相关性。轰燃时间是设计消防逃生时间的重要依据[2]。FPI越小，发生轰燃所需的时间越短，火灾危险性越大;FPI越大，发生轰燃所需时间越长，火灾危险性相对较小。由表2可知:随着热辐射通量的增加，PVC电缆的火灾性能指数降低，火灾危险性增大。其原因是随着热辐射通量的增大，PVC电缆的pkHRR增大，TTI减小，导致 FPI降低。比较5种PVC电缆试样的FPI值可知:VV1的FPI值最大，VV5的FPI值最小，说明随着PVC电缆直径的增加，火灾危险性逐渐增大。原因是随着电缆直径的增大，pkHRR值增大，而在同一热辐射通量下，直径的不同不会对点燃时间造成太大影响，致使FPI值减小。

2.5 对CO产率的影响

由表2和图2可以看出:5种PVC电缆CO产率的平均值基本相同，保持在 0.05 ～0.07kg·kg－1之间，但是随着直径的增加，CO产率的峰值依次增加。峰值最大的是 VV5，为 3.001kg·kg－1。CO 是火灾中主要毒性气体，是导致人员中毒的元凶。发生火灾时，人员应在CO产率出现峰值之前逃离火场。

图2 不同电缆的CO产率曲线

2.6 直径不同对电缆点燃时间的影响

电缆在锥形量热仪中呈现非单一平面，并且随着直径的不同而变化，因此需要对其进行研究，来确定不同的样品表面是否会由于与锥形加热器的距离不同而造成热辐射强度的太大差异，并在此基础上明确这种差异对于电缆点燃时间的影响。由表2知，直径的变化对电缆点燃时间(TTI)的影响很小，所以非平面表面对电缆各表面所受的热通量影响极小，并且对于同种材料的电缆，直径的不同不会造成电缆点燃时间的太大差别。

3 结论

本文采用锥形量热仪对常用不同规格的PVC电缆产品暴露在高辐射热通量条件下的燃烧性能进行实验研究，得出了以下结论:(1)随着热辐射通量的降低，PVC电缆被点燃的时间延长，热释放速率减小，而且峰值也减小，外界的热通量对PVC电缆的燃烧有很大影响。(2)随着热辐射通量的升高，PVC电缆MLR的峰值逐渐增加，热裂解速度加快。(3)提高热辐射通量能使PVC电缆的烟释放速率和总烟释放量增加。热释放速率和烟释放成正比。(4)随着热辐射通量的增加，PVC电缆的FPI降低，火灾危险性增大。(5)在相同热辐射通量下，PVC电缆随直径的增大，热释放速率增大，其峰值也增大。而且出现热释放速率峰值的时间基本在500～650s之间，所以，单考虑电缆因素，电缆引起火灾时，要求人员必须在前8min疏散完毕;随着PVC电缆直径的增加，MLR峰值出现的更早，火灾危险性大;PVC电缆CO产率、比消光面积的平均值基本上相同，但是随着直径的增加，其峰值依次增加;PVC电缆直径的不同不会造成电缆点燃时间的太大差别;随着PVC电缆直径的增加，FPI减小，火灾危险性增大。

[1]ISO5660－1，Reaction－to－fire tests－Heat release，smoke production and mass loss rate[S].

[2]张军，纪奎江，夏延致.聚合物燃烧与阻燃技术[M].北京:化学工业出版社，2005.

[3]王庆国，张军，张峰.锥形量热仪的工作原理[J].现代科学仪器，2003，(6):36 －39.