基于CONE和MCC的典型电缆燃烧性能研究

付 强，张和平，龚伦伦，黄冬梅

（1.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026；2.武汉消防支队，武汉，430000）

基于CONE和MCC的典型电缆燃烧性能研究

付 强1，2，张和平1，龚伦伦1，黄冬梅1

（1.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026；2.武汉消防支队，武汉，430000）

采用锥形量热仪和微燃烧量热仪对四类不同护套材料的八种电缆样品进行燃烧性能分析，研究结果表明：电缆燃烧热释放过程不仅与护套、绝缘的材料密切相关，也与电缆结构密不可分；对于护套材料相同而大小或结构不同的电缆点燃时间和到达第一个峰值的时间以及第一个峰值最大热释放速率基本一致；聚烯烃无机阻燃材料电缆能够有效降低热释放速率峰值，CO2、CO释放量也明显低于橡胶电缆、普通PVC电缆和阻燃PVC电缆；微燃烧量热仪和锥形量热仪实验数据存在一定的相关性，微燃烧量热仪实验数据可以对电缆锥形量热仪实验的第一燃烧阶段燃烧行为进行预测。

电缆；锥形量热仪；微燃烧量热仪；燃烧性能

0 引言

随着电线电缆在人们生产生活中的广泛应用，电线电缆的安全可靠性越来越受到关注。据统计在已经发生的火灾事故中，由电线电缆引发的火灾几乎占一半以上。而发生火灾后电线电缆燃烧产生的大量烟雾和毒性气体还会导致人窒息死亡，妨碍消防人员救灾，造成更大损失［1］。电缆护套材料的易燃性是电缆火灾发生和蔓延的主要原因。目前，电缆护套材料多种多样，有普通PVC，也有加入阻燃剂的PVC，PE等材料，同时电缆线芯保护上面分为普通，屏蔽，铠装等形式，开展对不同护套电缆以及屏蔽、铠装电缆的火灾特性研究无疑具有很好的现实意义。许多国家已经开展了对电缆护套材料火灾特性，如材料的点燃性能、燃烧速率等的研究［2－4］，研究表明，对用PVC材料制成的电缆护套，在燃烧初期（前4min），护套材料与电缆样品的热释放速率具有较好的线性相关性，但是电缆的结构会影响PVC材料的燃烧时间、热释放速率和火灾性能指数等火灾特性［5］。

本文采用锥形量热仪（CONE）和微燃烧量热仪（MCC）研究不同类型电缆的相关燃烧性能参数，以及电缆结构，材料对电缆燃烧的影响以及两种测试方法之间的相关性。

1 实验系统

1.1 试验样品

本次实验选取了四类不同材料电缆（聚氯乙烯电缆，聚氯乙烯电缆阻燃耐火电缆，橡胶电缆，以及交联聚烯烃无机阻燃电缆。）八种样品进行分析研究：KVV 4×2.5表示铜芯、聚氯乙烯绝缘、聚氯乙烯护套、四芯、横截面积2.5mm2的控制电缆；ZCNKVV22 8×1.5表示铜芯、聚氯乙烯绝缘、钢带铠装、聚氯乙烯护套、8芯、横截面积1.5mm2阻燃C类耐火控制电缆；ZC-KVVP22 10×1.5表示铜芯、聚氯乙烯绝缘、屏蔽、钢带铠装、聚氯乙烯护套、10芯、横截面积1.5mm2阻燃C类控制电缆；ZCNYJV 4×25＋1×16表示铜芯、交联聚乙烯绝缘、聚氯乙烯护套、四芯、截面积为25mm2、加一芯为16mm2阻燃C类耐火电缆，ZCN-YJV 4×50 1×16表示铜芯、交联聚乙烯绝缘、聚氯乙烯护套、四芯、截面积为50mm2、加一芯为16mm2阻燃C类耐火电缆；YC 5×1.5表示五芯、截面积为1.5mm2橡胶电缆；HKEJE-K3（蓝色）表示核电站用交联聚乙烯、交联聚烯烃绝缘交联聚烯烃护套阻燃低烟无卤控制电缆；HKEJE-K3（灰色）表示核电站用交联聚乙烯、交联聚烯烃绝缘聚烯烃护套阻燃低烟无卤控制电缆；两种电缆线芯均为3×2.5mm2。微燃烧量热仪选取了八种电缆样品的六个不同材料护套和一个隔氧层。

表1 电缆锥形量热仪测试样品的各项参数Table 1 Parameters of cable samples

1.2 锥形量热仪和微燃烧量热仪介绍

锥形量热仪（CONE Calorimeter）是1982年美国建筑与火灾研究所Barbrauskas等人开发的专门用于测量材料热释放速率的仪器，后来又作了扩展，还可用于测量烟气浓度及CO和CO2的产生速率，该装置是当前能够表征材料燃烧特性的最为理想的试验仪器，它的测试环境比一般的小尺寸试验更接近于真实的火灾环境，所得的试验结果与全尺寸燃烧试验结果之间存在很好的相关性，在同一次实验中可以获得材料燃烧性能的多种不同的参数。

微燃烧量热仪（Microscale Combustion calorimeter）可用于测定材料的热释放速率以及总热释放量，从而评估材料在分子水平上的燃烧行为。将5mg左右样品在氮气气氛下加热，升温速率1K／s，氮气流速为80cm3／min。然后将所得裂解气体同纯氧（流速为20cm3／min）混合后，送入900℃的燃烧室，进而测试获得热释放速率 （Heat release rate，HRR），热释放量 （Heat release Capacity，HRC），点燃温度（Ignition temperature，IT）等数据。MCC的实验数据能和三大类燃烧试验LOI测试，UL-94垂直燃烧测试以及锥型量热计测试结果有效地互补，从而对材料燃烧性能有更加全面地认识［6］。

1.3 实验原理

实验采用基于耗氧原理的燃烧热释放速率测量方法。对有机固体进行完全燃烧时，每消耗单位质量氧释放的净热量接近常数，而且该常数的平均值为13.1MJ／kg，该数值可以实际应用并且误差不超过±5%［7］，这意味着可以通过测量燃烧系统中的耗氧量来得到净释热量，比热平衡法要精确和简单得多。

锥形量热计测量热释放速率的依据

其中，E′是每消耗单位体积氧气所释放的净热（MJ／m3）；X0H2O为进气中水蒸气的摩尔比例；ΔP是经过节流板的压差（Pa）；TS是排气管道中的气体温度（K）。该公式由Parker（1984）提出了采用氧气分析仪通过体积流量来计算材料的热释放速率计算方程推导而来：

图1 七种电缆MCC样品测试曲线Fig.1 The test curves of cable MCC in seven types

其中，φ是氧耗因子；E′是每消耗单位体积氧气所释放的净热（MJ／m3）；X0O2分别是进气中 H2O和 O2的摩尔比例；˙VA是标准条件下进入测量系统的空气体积流量（m3／s）。

2 结果与讨论

2.1 样品热释放速率MCC测试结果

图1给出了微型燃烧量热仪热释放速率（HRR）变化曲线。热释放总量（THR），热释放量（HRC），最大热释放速率（PHRR）和点燃温度（IT）数据列于表2中。从图1我们可以看出HKEJEK3电缆（灰色）护套比HKEJE-K3电缆（蓝色）护套的THR（J／g）和IT（℃）略高，其主要原因是 HKEJE-K3电缆（灰色）护套是聚烯烃无机阻燃材料，而HKEJE-K3电缆（蓝色）护套是交联聚烯烃无机阻燃材料，聚烯烃交联之后的材料热稳定性更好，在燃烧时更容易成碳；HKEJE-K3电缆（蓝色）护套比HKEJE-K3电缆（灰色）护套PHRR（W／g）略高，可能原因是交联聚烯烃在更高的温度下较集中分解，导致热释放速率峰值略高；HKEJE-K3电缆护套与HKEJE-K3电缆隔氧层护套层主要成分基本相同，均为聚烯烃加无机阻燃剂，但 THR（J／g）、PHRR（W／g）结果相差非常大，主要原因是隔氧层填充了更多的无机阻燃剂，Al（OH）3和 Mg（OH）2无机阻燃剂填充质量高达15%，远远高于护套材料8%的填充质量。从几种不同阻燃级别的PVC电缆护套材料测试结果可以看出，PHRR差别较大，但是THR相差不大，IT基本相同。YC电缆护套的主要成分是橡胶，它 PHRR，IT为别为143.8W／g，391.0℃，在七种样品中均不算最高值，但是THR是所测试样品中最高值13014J／g，这说明热释放总量不仅与PHRR相关，分解燃烧过程更是密切相关。同时可以由图3－图5可以总结出测试材料结果规律：构成成分基本相同的材料，其最大热释放速率（PHRR）和THR（J／g）虽然有所不同，但是点燃温度（IT）基本一致。

表2 微型燃烧量热仪样品各项参数Table 2 The data of samples from Microscale combustion calorimeter

图2 电缆样品在35kW／m2、50kW／m2辐射热强度下热释放速率曲线Fig.2 HRR curves of cable samples at heat radiation intensity by 35kW／m2 and 50kW／m2

2.2 样品热释放速率CONE测试结果

从图2我们可以看出，电缆的燃烧普遍存在2个热释放速率峰值，第一个峰值是以护套材料发生燃烧为主的峰值，第二个峰值是绝缘材料发生燃烧为主的峰值；8种不同类型电缆燃烧热释放速差异很大。橡胶电缆的热释放速率峰值最高，最高达到了533.8kW／m2，基本是护套采用PVC材料电缆的三倍，聚烯烃阻燃电缆的五倍；四种类型电缆点燃时间（IT）排序是，聚烯烃无机阻燃电缆＞橡胶电缆＞聚氯乙烯电缆阻燃耐火电缆＞聚氯乙烯电缆。

图3 电缆样品在35kW／m2、50kW／m2辐射强度下热释放速率对比曲线Fig.3 The cpmparison of HRR curves of cable samples at heat radiation 35kW／m2 and 50kW／m2

从图3可以看出，相同电缆在35kW／m2和50kW／m2两种热辐射强度下电缆的燃烧的几个阶段基本相同，不同体现在点燃时间（IT）的不同以及最大热释放速率（PHRR），普遍是辐射强度越大，点燃时间越短，热释放速率峰值越高，但是样品YC 5×1.5出现例外，在50kW／m2辐射强度下，橡胶电缆热释放速率峰值比35kW／m2辐射强度下要低，这可能是高热辐射强度下，橡胶高分子更容易脱氢成碳，造成燃烧不完全的原因。ZCKVVP22 10×1.5和ZCNKVV22 8×1.5，与其它PVC电缆相比，燃烧峰值高一些，燃烧更猛烈一些。这是因为钢铠电缆中钢带的存在不利于在PVC表层形成有效的阻火炭化层，使材料整体阻燃过程发生了改变。同时对比ZCKVVP22 10×1.5和ZCNKVV22 8×1.5两种电缆热释放速率曲线，可以发现ZCNKVV22 8×1.5比ZCKVVP22 10×1.5热释放速率峰值更高，这是因为ZCKVVP22 10×1.5具有一层不燃的屏蔽层，一定程度上阻止了绝缘层的分解。

表3 锥形量热仪样品数据Table 3 The data of samples from CONE Calorimeter（辐射热通量为35kW／m2）

从表3，我们可以看到8种电缆样品的在35kW／m2，50kW／m2两种辐射强度下，TTI，PHRR，EHC等数据，这可以让我们更加详细的了解以上电缆的燃烧特性。EHC是一个非常有用的参数，可以通过它了解材料的热释放能力，50kW／m2辐射强度下，普通的PVC护套PVC绝缘电缆，EHC在14MJ／kg左右，ZCN-YJV 4×25＋1×16，PVC护套聚烯烃绝缘电缆EHC是21.2MJ／kg，EHC在14MJ／kg左右。YC 5×1.5EHC是27.9MJ／kg，HKEJE-K3电缆在21.5左右。

从图4可以看到ZCN-YJV4×25＋1×16、YC 5×1.5、HKEJE-K3（蓝色）这三种不同类型电缆CO、CO2浓度曲线。ZCN-YJV电缆点燃后CO浓度迅速达到峰值（390PPm），随后一路下降.CO2的峰值略晚于CO到达峰值时间，浓度为0.3%，随后下降保持在0.2%左右。YC电缆CO、CO2浓度曲线基本相似，点燃后CO、CO2浓度曲线与热释放速率曲线基本相似先出现一个峰值，随后产生一个更高的峰值，CO最高浓度达到495ppm，CO2浓度达到1.1%。HKEJE-K3电缆CO生成量非常低，一直在40ppm以下，CO2的生成量也非常低，最高不超过0.2%。

2.3 MCC和CONE测试结果相关性研究

在CONE实验中的HRR曲线主要是由两个峰组成，而在MCC中的曲线中只出现了一个峰。之所以出现这种区别，是由于CONE和MCC的测试对象差异造成的。CONE试验中电缆的起火燃烧过程分为二个阶段，首先是电缆束上表面的护套材料起火燃烧，然后是内层绝缘材料和下表面护套材料的燃烧。而MCC测试的是电缆护套材料，所以只有一个峰值。

图4 三种典型电缆在50kW／m2辐射热通量下CO、CO2浓度曲线Fig.4 The Concentration curves of CO and CO2of 3typical cables in heat radiation flux by 50kW／m2

图5 材料点燃温度与35kW／m2、50kW／m2辐射强度下点燃时间关系图Fig.5 Ralevance between ignition temperature and ignition time at different heat radiation注：材料的点燃温度由MCC直接测量得到。

MCC测试数据与纯的高分子聚合物燃烧行为吻合的很好［8－10］，Richard E.Lyon（2007）［11］等人的研究结果也表明纯的高分子聚合物热释放速率峰值（PHRR）与MCC测得点燃温度（IT）之间存在很好的线性关系，但是通过对电缆的锥形量热仪和MCC测试结果分析，两者之间并不存在线性相关的关系。主要原因是电缆结构复杂，存在多层结构，而且电缆各层中材料燃烧性能不同，而且材料中包含有大量的添加剂和阻燃剂，同时电缆样品在锥形量热仪测试中多根捆绑在一起，受热面不是一个完整平面对其也有一定影响。

本文通过对MCC电缆样品进行分析，发现电缆点燃时间（TTI）与MCC测得点燃温度（IT）之间线性相关（见图5），并且在50kW／m2辐射强度下相关性非常好，这说明MCC获得的点燃温度数据，可以较好的预测电缆的点燃时间。

3 结论

1）锥形量热仪实验中电缆样品燃烧过程与护套与绝缘的材料密切相关，也与电缆结构密不可分。电缆护套和绝缘层之间如果有一层屏蔽层或包裹层，将有效降低第二个热释放速率峰值，热释放速率曲线相对更加平稳。

2）锥形量热仪实验中电缆护套材料对电缆第一阶段燃烧行为密切相关，护套材料相同而结构、大小不同的PVC电缆，点燃时间和第一个热释放速率峰值以及相对应的时间基本一致。

3）无机阻燃剂的添加比例对聚烯烃阻燃材料的点燃温度影响较小，对热释放速率影响较大。同时，交联聚烯烃无机阻燃电缆与聚烯烃无机阻燃电缆相比，护套交联之后可以提高其点燃温度，同时降低第一个热释放速率峰值。

4）聚烯烃无机阻燃材料生产的电缆能够有效降低热释放速率峰值，CO2，CO气体释放量也明显低于橡胶电缆和PVC电缆，同时在加热过程中不产生HCl气体，更加安全、环保。

5）电缆锥形量热仪与微燃烧量热仪（MCC）相关性研究中，MCC测得的点燃温度（IT）与锥形量热仪50kW工况下得到点燃时间相关性较好，而与热释放速率峰值之间相关性较差。

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Study on the burning behavior of representative cables by tests of CONE calorimeter and Microscale Combustion calorimeter

FU Qiang1，2，ZHANG He-ping1，GONG Lun-lun1，HUANG Dong-mei1

（1.State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China；2.Wuhan Municipal Detachment of Public Security of Fire Control，Wuhan，430000，China）

This paper presents an experimental study of the burning behavior of representative cables by using the CONE calorimeter and the Microscale Combustion calorimeter.Test results have shown that there are some underlying relations on the burning behavior among cables with different shelter materials.Cables with the same shelter materials but with different structures and models showed similar ignition times，first-peak heat release rates and corresponding times.As compared to YC cable，PVC cable and retardant PVC cable，the cable with inorganic flame retardant of Polyolefin can effectively reduce Peak-Heat release rate（PHRR）and the release rates of CO and CO2.There is some correlation between the test data of the two calorimeters.Microscale Combustion calorimeter test data can forecast well the first combustion phase in the CONE calorimeter.

Cable；CONE calorimeter；Microscale Combustion calorimeter；Burning behavior

X913.4；TM246；X915.5

A

1004-5309（2012）-0013-08

2011-12-05；修改日期：2012-01-09

付 强（1982-），男，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室博士研究生。研究方向：电缆燃烧特性研究。