新型防火电缆机理探讨

黄晓宝 肖俊

摘 要：本文通过热力学分析、动力學分析与国家标准分析，结合生产实际，探讨防火电缆的防火机理，提出防火电缆设计要求。

关键词：防火；热力学；机理

0 引言

随着我国经济发展速度加快，工业化水平不断提高，电线电缆的用量迅速增加，近年来因电线电缆引发的火灾大幅上升。因此电线电缆的防火问题引起了国内外消防部门的高度重视。国内已研发相应的阻燃电缆和耐火电缆产品，相应阻燃、耐火和无卤低烟要求已发布国家标准。但是目前对于电线电缆防火机理很少有从理论层面进行探讨。探讨电线电缆防火机理对于防火电线电缆的生产与设计具有指导意义。

1 电缆防火概述

电缆着火的主要因素为电缆材料的性質、氧气的浓度以及环境温度与压力等，所以选用适当电缆材料，优化电缆结构设计，把控电缆着火因素，是研发防火电缆关键所在。

国家标准GB/T19666-2005[1]《阻燃和耐火电线电缆通则》针对电缆的阻燃和耐火要求已发布相应的试验标准进行规定。阻燃电缆和耐火电缆在材料选用、结构设计和电缆分类上都有较大区别。本文主要针对电缆材料结合电缆结构进行探讨。

2 电线电缆防火机理探讨

电缆着火的主要因素为电缆材料的性质、氧气的浓度以及环境温度与压力等，所以适当控制着火的因素，可以防止因电缆发生的火灾。

2.1 防火热力学机理分析

根据热力学原理，从一个温度到另一温度的吉布斯自由能可由Gibbs-Helmholtz基本公式得：

例如，无卤低烟阻燃电缆料中的氢氧化镁，在燃烧过程中的热力学函数变化如下：

氢氧化镁的分解反应可表示为：

热力学数据如下表1所示

又由吉布斯自由能与压力的关系可得：

式（4）中n为物质摩尔量，R为摩尔气体常数，p为实际压力，pΘ为1atm。

解微分方程，将式（3）代入式（2），等于式（4），代入表1中数据可得：

T=536K，即263℃，气压为1atm时Mg（OH）2开始分解，分解温度为263℃，比一般未添加Mg（OH）2电缆料防火温度高，从而达到防火的效果。

2.2 防火动力学机理分析

电缆材料防火动力学取决于导热性能的初始散热量等于同样时间内因化学反应转化而形成的热量。

单位时间内物质燃烧可放出的热量，即放热率表示为：

单位时间内系统散热量，即散热率可表示为：

其中，A为频率因子，E为活化能，α传热系数，F传热面积。

电缆材料防火条件为材料着火放热率小于散热率，即：

放热率曲线和散热率曲线如图1下：

如图2所示，一般情况下，放热率q1曲线和散热率q2曲线有两个交点，A点和C点。A点稳定。当外界有微小扰动时，如T上升，则q2>q1，散热>放热，T下降，回到A点；当T下降，q2q1条件下。

3 结果分析

防火热力学分析可知阻止电缆着火可控因素为电缆料的本身性质、氧气浓度及环境温度等，防火动力学分析可知设计电缆时须从电缆的材料和结构等角度考虑，控制着火因素，使着火时的电缆放热率小于散热率，即可控制因电缆发生的火灾。动力学和热力学为系统与环境的理论分析，具体的防火物理指标中无卤、低烟、单根阻燃性能应符合GB/T19666-2005《阻燃和耐火电线电缆通则》规定。

4 结论

本文在耐火和阻燃概念基础上研究了电缆防火的防火机理。通过热力学分析得出电缆防火性能与电缆材料的性质、氧气的浓度以及环境温度与压力等因素有关，电缆防火性能可通过上述因素控制。动力学分析可知，适当的电缆材料选择和电缆结构设计，可以设计出电缆着火放热率小于散热率的电缆，即可控制因电缆发生的火灾。

参考文献

[1]傅献彩，沈文霞.物理化学[M].北京：高等教育出版社，2006.

（作者单位：安徽太平洋电缆股份有限公司）