基于FIPEC试验的电缆燃烧性能研究

包光宏,冯 军,唐 勇

(公安部四川消防研究所,四川都江堰,611830)

基于FIPEC试验的电缆燃烧性能研究

包光宏,冯 军,唐 勇

(公安部四川消防研究所,四川都江堰,611830)

利用FIPEC试验装置20.5kW的火源对市场上常见的ZR-YJ Y、ZR-YJV和ZR-VV三种类型的阻燃电力电缆的燃烧性能进行了全尺寸试验研究,对试验结果分析了不同类型阻燃电缆的火灾发展和蔓延特性,以及电缆在火焰蔓延过程中的影响因素,结果表明,在热释放和产烟特性上,ZR-YJ Y均优于ZR-YJV和ZR-VV,但在火焰蔓延性能上,ZR-YJ Y相对较差。同时获取了电缆在火灾过程中的热释放、产烟特性以及火焰蔓延特性的基础数据,为我国《电缆及光缆燃烧性能分级》标准提供试验依据。

FIPEC试验;电缆;燃烧性能;热释放;产烟

0 引言

近年来,我国经济的持续快速增长,为电线电缆行业提供了巨大的市场空间。但电缆给人们带来方便的同时也带来了火灾危险。由各种原因导致的电缆火灾频繁发生,造成重大人员伤亡和财产损失。然而目前我国对于电缆燃烧的火灾特性方面的研究很少,尤其是全尺寸的实验研究几乎为一片空白。因此,适时开展对电缆燃烧性能全尺寸实验研究是非常必要的。

本文将依据欧盟最新的电缆燃烧性能试验方法即FIPEC试验对我国目前市场上较常见的阻燃电力电缆的燃烧性能进行研究。FIPEC试验最大的特点是评价电缆在特定试验条件下的火灾初期和发展阶段的燃烧性能,全面测试电缆的热释放速率(HRR),热释放总量(THR)、火灾增长速率指数(FIGRA),产烟速率(SPR)、产烟总量(TSP)以及火焰蔓延程度等燃烧性能参数。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

1 试验装置与方法

图1为试验装置示意图,简称FIPEC(Fire Performance of Electric Cables)试验装置,主要是在EN50266-1的基础上建立的,但同时增加了热释放和产烟特性测试设备。该装置主要由燃烧室、空气供给系统、燃烧气体控制系统、标准梯、点火源、探头和传感器管道段、烟密度光学测试系统、气体分析仪、数据采集和软件处理系统和抽风系统等部分组成。

试验装置可以测量以下参数:耗氧量;二氧化碳生成量;管道中的体积流量;烟密度。

本装置主要依据耗氧原理,通过上述测量数据,可以计算出电缆的燃烧性能数据:热释放速率、热释放总量、燃烧增长速率指数、产烟速率、产烟总量、烟气增长速率指数。

表1 电缆样品信息Table 1 Basic information of cable samples

2 试验方法

本试验方法主要依据prEN 50399-2007《电缆或光缆在受火条件下火焰蔓延及热释放和产烟特性的试验方法》(英文版)[1-3]。

(1)点火源

点火源为一带型丙烷预混燃气喷灯。试验采用FIPEC试验场景1,即火源功率为20.5kW。

(2)试样的常用安装

试样的安装方式由电缆的外径确定,具体见表2。

表2 安装方式与电缆直径的关系T able 2 Relation of installation versus cable diameter

(3)试验样品

试验样品应由若干根等长的电缆试样段组成,每根电缆试样段的最小长度为3.5m。电缆试样段的总根数应依据下面的公式确定。

①当直径大于或等于20mm的电缆试样根数N=int[320/(20+dc)];

②当直径大于5mm且小于20mm的电缆试样根数N=int[(300+dc)/(20+dc)];

③直径小于或等于5mm的电缆试样根数N=n×15,其中 n=int(100/dc2);

(其中:dc为电缆直径(取最接近的整数,保留到mm);int函数—对结果取整。)

(4)样品选择

本文主要选择了市场上比较常用的12组阻燃电力电缆样品,具体见表1。

(5)供火时间与供风

供火时间20min。另外,在试验过程中,如果电缆试样完全燃烧起来,将提前灭火。

通过燃烧室的空气流量为(8000±800)l/min。

3 试验结果分析与讨论

3.1 热释放特性试验分析

试样的热释放速率曲线见图2、4、6,试样受火期间的热释放特性参数值见表3,以下分别对各类样品的热释放特性进行分析。

表3 电缆样品热释放、产烟以及火灾增长特性参数值Table 3 Parameters of heat release,smoke production rate and fire growth rate index for the cable samples

图2 1-6号样品的热释放速率曲线Fig.2 HRRcurve for 1-6 cable samples

(1)护套:聚烯烃类材料,绝缘:交联聚乙烯材料(简称 ZR-YJ Y)

图3 1-6号样品的产烟速率曲线Fig.3 SPR curve for 1-6 cable samples

图4 7-9号样品的热释放速率曲线Fig.4 HRRcurve for 7-9 cable samples

图5 7-9号样品的产烟速率曲线Fig.5 SPR curve for 7-9 cable samples

图6 10-12号样品的热释放速率曲线Fig.6 HRR curve for 10-12 cable samples

图7 10-12号样品的产烟速率曲线Fig.7 SPR curve for 10-12 cable samples

对于聚烯烃材料类的电力电缆,当点火源附近区域的电缆被点燃,火焰高度增加,同时电缆护套材料加速热解,随着点火源附近区域的电缆完全燃尽,热解区域不断上移,离开点火源预混火焰所能达到的范围,电缆上部的火焰完全来自于电缆护套材料的燃烧;最后随着电缆护套材料的不断燃尽,热解区域逐渐减小,烟气温度降低,火焰逐渐熄灭。

其中的第三阶段为电缆火蔓延的关键阶段,若下方电缆护套材料燃烧所释放的热量足以引燃更高区域的电缆护套材料,则火焰会继续垂直向上传播,若上方电缆护套材料的引燃必须要依赖点火源所释放的热量,则当热解区域上移到一定高度后,电缆护套材料的热解程度降低,火焰逐渐熄灭,不再继续向上传播。

从图2中可以看出,1-5号样品热释放速率曲线均表现为先增长后降低的趋势;6号样品由于试验过程中,电缆完全燃烧起来了,热释放速率曲线处于一直增长趋势,因此在15min时进行提前灭火了。

1号样品由于是单芯非铠装结构,热释放速率较早(395s)的达到峰值,而2-5号样品由于是多芯或铠装结构,热释放速率均在600s左右达到峰值。

同时从表3中可以看出:在热释放特性上,当FS<1.0米以下时,热释放速率峰值均在20kW-30kW范围内,热释放总量为均在11MJ-25MJ范围内,火灾增长速率指数均在20W/s-80W/s范围内。

(2)护套:聚氯乙烯类材料,绝缘:交联聚乙烯材料(简称ZR-YJV)

7和8号样品的热释放速率均较早(300s左右)的达到峰值,而9号样品由于是铠装结构,热释放速率出现了两次增长阶段,第一次增长是由于电缆底部区域护套材料的剧烈燃烧,该阶段内热释放速率和烟气释放速率均快速增长。当护套材料逐渐燃尽,热释放速率和烟气释放速率均呈下降趋势。第二次增长是由于当护套材料热解残留物炭化膨胀后,火源开始把铠装烧穿或通过高温传热把铠装层里面的填冲层和绝缘层点燃,此时外护套层由于填冲层和绝缘层的火焰蔓延,所以此阶段火焰向上蔓延的能量与点火源无关,均来自底部电缆的燃烧。火势又开始增大起来,热释放又一次出现了增长趋势,在832s才达到峰值,此后由于没有足够的热量进一步扩大电缆的热解区域,热释放速率和烟气释放速率均逐渐减小。

从表3中可以看出:7和8号样品的火灾增长速率指数均较大(150W/s以上),而9号样品由于是铠装结构,火灾增长速率指数较小(49.8W/s)。

(3)护套:聚氯乙烯类材料,绝缘:聚氯乙烯类材料(简称ZR-VV)

从表3的炭化高度可以看出:10-12号样品均具有较好的阻燃性能。但它们均较早(300左右)达到热释放速率峰值,火灾增长速率指数均较大(100W/s以上),同时前600s的总热释放量均约占整个受火期总热释放量的60%以上,因此试样的火灾增长阶段主要集中在试样受火的前10min。

因此,从热释放特性上看,无论是阻燃聚烯烃材料还是阻燃聚氯乙烯材料,由于材料中均填加了耐燃剂、稳定剂、填充剂等填加剂,所以它们的热释放速率峰值和热释放总量均相差不大。但阻燃聚氯乙烯电缆均较早(5min左右)达到热释放速率峰值,火灾增长速率指数均较大,同时热释放速率增长趋势也要大些;而阻燃聚烯烃材料电缆均在10min左右才达到热释放速率峰值,火灾增长速率指数也相对较小,热释放速率增长趋势也较小。

但在火焰蔓延特性即阻燃性能上,由于聚氯乙烯材料为自熄性材料,点火后,由于热解残留物炭化膨胀,对电缆的燃烧起抑制作用,它们的炭化高度均在1米以下;但阻燃聚烯烃材料,虽然经过了阻燃处理,仍然有聚烯烃材料的电缆的炭化高度超过2.5米(即电缆完全燃烧起来)。

3.2 产烟特性试验分析

试样的产烟速率(SPR)曲线见图3、5、7,产烟速率参数及其计算值见表3。结合产烟速率曲线和表3,对各类样品的产烟特性进行分析。

(1)对于 YJ Y类型的电力电缆,从图3中可以看出,1-5号样品产烟速率曲线均表现为先增长后降低的趋势,6号样品产烟速率曲线表现为一直增长,产烟速率曲线趋势与它们所对应的热释放速率曲线趋势一致;同时它们的产烟速率峰值仅为0.06m2/s,而且从表3中可以看出它们的产烟总量最大仅为29.8m2。

(2)对于 YJV类型的电力电缆,从图5中可以看出,7和8号样品产烟速率曲线均表现为先增长后降低的趋势,与它们所对应的热释放速率曲线趋势一致;而9号样品由于是钢带铠装结构,产烟速率曲线与其热释放速率曲线趋势一致,表现为先增长后降低,再增长最后又降低的趋势。7和8号样品的产烟速率峰值达到0.67m2/s和0.49m2/s,而9号样品产烟速率峰值出现在第一次增长阶段,主要是因为:从图4中看出,虽然它的热释放速率的峰值出现在第二次,但此时是护套和绝缘层(包括填充层)同时在燃烧,绝缘层(包括填充层)燃烧时产烟量较小,而第一次燃烧增长阶段主要是护套层在燃烧即聚氯乙烯材料在燃烧,而聚氯乙烯材料在燃烧时会释出大量烟气。

从表3中可以看出它们的产烟总量均超过150m2,最大达到353m2。

(3)对于VV类型的电力电缆,从图7中可以看出,10-12号样品产烟速率曲线均表现为先增长后降低的趋势,产烟速率曲线趋势与它们所对应的热释放速率曲线趋势一致;同时它们的产烟速率峰值均超过0.5m2/s,最大为2.23m2/s,而且从表3中可以看出它们的产烟总量均超过200m2,最大达到642.7m2。

因此,在产烟特性上,由于聚氯乙烯材料的电缆在燃烧热解过程中会吸收热量,释放大量的 HCl气体,因此ZR-VV在产烟速率峰值和产烟总量均较大。而聚烯烃电缆的材料属于非卤化电缆材料,其产烟速率峰值和产烟总量远远低于聚氯乙烯材料的电缆。

3.3 不同电缆结构试验分析

铠装结构的电缆比非铠装结构的电缆相对较晚达到热释放速率峰值;同时在阻燃性能上,铠装结构的电缆一定程度上延缓或抑制火焰的蔓延。

总之,电缆在实际火灾中的火焰蔓延、热释放和产烟特性具有决定性影响的除了电缆本身的材料和电缆结构以外,还有暴露在火灾和由于电缆本身燃烧而产生的火焰中的可燃材料的体积、从电缆释出的各种气体的引燃温度、给定温升下从电缆释出的可燃气体的数量、通过电缆装置的空气的体积。

4 结论

通过选取对3种不同类型 ZR-YJ Y、ZR-YJV、ZR-VV的 12个样品进行了 FIPEC试验,分析表明:

(1)在热释放特性上,三种类型电缆的热释放速率峰值和热释放总量均相差不大。但ZR-YJV和ZR-VV电缆的火灾增长速率指数相对ZR-YJ Y电缆较大,同时它们均较早地达到热释放速率峰值,前10min热释放总量均占有60%以上。

(2)在产烟特性上,ZR-YJV和ZR-VV电缆在产烟速率峰值和产烟总量方面要远远大于ZR-YJ Y电缆。

(3)在火焰蔓延特性上,ZR-YJ Y电缆的阻燃性能相对较差。

(4)阻燃电缆的燃烧性能与其护套、绝缘材料有关外,还与电缆的结构有一定关系,铠装结构比非铠装结构的电缆的燃烧性能相对要好。

[1]EN 14390:2006 Fire test–Large-scale room reference test for surface products[S].

[2]GB/T 18380-2008《Tests on electric and optical fibre cables under fire conditions》[S].

[3]prEN 50399-2007《Test methods for electrical or optical cables under fire conditions-Flame spread,heat release and smoke production measurement during test》[S].

Study on fire behavior of electrical cables based on FIPEC tests

BAO Guang-hong,FENGJun,TANG Yong

(Sichuan Fire Research Institute of MPS,Dujiangyan 611830,China)

The burning behaviors of ZR-YJ Y、ZR-YJV and ZR-VV flame-retardant electrical cables were investigated using FIPEC test apparatus by 20.5kW ignition source.The fire growth,fire spread and the factors which influence flame spread were analyzed on different types of cables.The results showed that ZR-YJ Yare superior to ZR-YJV and ZR-VV in the features of heat release and smoke production;but for the flame spread,ZR-YJ Yis relatively worse.The obtained data of heat release,smoke production and flame spread provide the experimental basis for the Chineses standard of《Classification for burning behavior of electrical and optical cables》.

FIPEC test;Electrical cables;Burning performance;Heat release;Smoke production

X93;X928.7

A

1004-5309(2011)-0173-06

2011-04-20;修改日期:2011-06-25

强制性国家标准《电缆及光缆燃烧性能分级》(20080908-Q-312)

包光宏,男,研究实习员,硕士。主要从事电缆、防火涂料等相关检测技术方面的研究。