典型核电站厂房内电缆桥架火蔓延特性的全尺寸实验分析

2020-01-03蒋帅贾佳2武红梅

船海工程 2020年6期

蒋帅，贾佳2,武红梅

(1.中国舰船研究设计中心，武汉 430064;2.94942部队，北京 100000)

电缆发生过载、局部过热、短路等故障或在外部火焰加热下导致电缆火灾，将会直接影响到涉核区域正常运行[1]。为此，考虑在全尺寸核电站厂房内，针对不同电缆布置方式(电缆间距和电缆走向)下不同电缆类型的火蔓延问题，通过分析不同参数条件下电缆火蔓延过程中温度场分布、热释放速率和质量损失速率的变化，为认识和预测核电场景电缆火灾行为规律提供实验数据支撑。

1 实验系统和方法

根据核电站厂房结构(包括壁厚和长宽高比)设计实验平台[2]，包含一个钢筋混凝土实验间和一个活动板房观察室。其中，实验间四周墙壁厚度为0.4 m，顶棚厚度为0.2 m，房间内净宽为6 m，净长5 m，净高4 m，顶部装有两层共5 cm的防火板，不设对外开的门窗。

电缆燃烧实验平台主要包括横向电缆桥架、质量损失测量系统、预混点火系统、温度测量系统、监控录像系统和机械通风系统。机械通风系统在实验结束后开启，烟气经过净化后排出实验间，避免污染环境。

实验现场布置见图1。

图1 实验平台布置示意

电缆支架放置于电子秤上，支架整体距离墙边0.5 m，电缆(离地面高度为0.8 m)置于燃烧支架正前方和正右方，两台视频记录仪用以观测电缆燃烧情况。实验中选用K型铠装热电偶作为温度测量手段，天平位于燃烧支架正下方，相关测点布置及说明见表1。

表1 测点布置说明

5个热电偶树按照1 m的间距布置在火源周围，用来测量房间整体的温度场分布。

试验使用两种核电站常用电缆，包括核电站用1E级K3类低烟无卤阻燃低压电力电缆HDYJG-K3(K3类铜芯交联聚乙烯绝缘低烟无卤阻燃交联聚烯烃护套电力电缆)和核电站常用典型阻燃电缆WDZ-YJE(交联聚乙烯绝缘无卤低烟阻燃聚烯烃护套电力电缆)，分别简称为K3类和NC类电缆。两种电缆截面见图2。

图2 电缆截面示意

2 试验结果与分析

2.1 K3类电缆火灾燃烧特性

在水平布置方式下(电缆间距d=1 cm)K3类电缆燃烧的质量损失速率变化见图3。

图3 不同环境相对湿度下K3类电缆燃烧热释放速率

可以看出电缆在点火源作用下40 s左右被点燃，最后以较稳平稳的热释放速率维持燃烧，但在点火源撤去以后，电缆仅维持燃烧了数十秒便熄灭；竖直布置方式下，K3类电缆在整个过程仍未发生燃烧，但近火源表面发生明显的膨胀变形现象。

水平和竖直布置方式下电缆燃烧后的状态见图4。

图4 不同电缆布置走向下的电缆燃烧情况

水平布置情况下，在点火源作用下，电缆外护套被热解膨胀并发生燃烧，随后内层防火包带被破坏导致内层绝缘层发生燃烧。撤去点火源，由于电缆的阻燃作用，电缆外护套并不能进一步被破坏，火焰无法在电缆表面蔓延，电缆的过火长度仅为18 cm，证明K3类电缆在点燃后并没有发生蔓延，只在火源作用下破坏了外护套发生燃烧；竖向布置方式下，电缆在点火源持续点火500 s左右后，并没有被引燃，只是在与火焰接触部分的电缆被破坏，上部电缆发生了部分膨胀变形，但裸露出来的阻燃包带阻止了火焰进一步引燃电缆。

2.2 NC类电缆火灾燃烧特性

水平布置条件下NC类电缆在布置间距d=0时电缆燃烧热释放速率见图5。

可以看出，电缆在点燃过程中出现了两个质量损失峰值，开始点火时，首先是电缆的外护套被点燃，护套燃尽后，电缆内部绝缘开始燃烧，热释放速率不断增加；撤去火源后，由于电缆的阻燃作用，质量损失速率减慢，在300 s以后以较小的质量损失速率维持燃烧，并在900 s左右彻底熄灭。

2.2.1 试样间距对电缆燃烧特性的影响

1)质量损失速率。横向电缆燃烧质量损失速率与间距相关性较大，见图6。

在点火期间，布置间距d=3 cm时，电缆燃烧质量损失速率明显低于其他间距，在撤去点火源以后，d=3 cm间距最先熄灭，d=1 cm和d=2 cm布置间距的质量损失峰值明显高于d=0，整个燃烧过程的质量损失d=3 cm布置间距最小，d=0和d=1 cm布置间距下最大。

竖向布置，点火时，d=1 cm布置的电缆质量损失峰值最高达到了11 g/s，且撤去火源后仍能维持较高质量损失速率燃烧，见图7。

图7 竖向布置时NC类电缆在不同间距下的损失

且在点火过程中，间距较大的电缆质量损失速率上升更快，说明间距增加有利于电缆在竖直方向上的电缆火蔓延。但d=0排布下的电缆燃烧时间更长，且质量损失更大。而间距越大，质量总损失越小，说明电缆竖向布置情况下，间距不利于电缆在横向上的火蔓延，因而总燃烧质量损失更低。

2)热释放速率。根据文献[3]，在50 kW/m2外加热辐射功率下测得电缆的平均有效燃烧热适用于大尺度电缆燃烧。水平布置下不同间距NC类电缆燃烧热释放速率曲线见图8。

图8 水平布置下不同间距NC类电缆燃烧热释放速率

三种间距的电缆燃烧热释放速率峰值相近，约为45 kW，在整个燃烧过程中出现了2个峰值，分别代表电缆外护套的燃烧峰值及内部绝缘的燃烧热释放速率峰值，在d=0紧密排列情况下，电缆燃烧时间最长，因此具有较大危险性。

竖向布置情况下NC类电缆燃烧的热释放速率见图9。

图9 竖向布置时NC类电缆燃烧的热释放速率

在布置间距d=1 cm时，电缆热释放速率峰值达到了200 kW以上，远远高于其他布置间距下的热释放速率峰值。因此具有更大的瞬时火灾危险性。紧密排布条件下电缆燃烧时间最长，持续危害性较大。

3)房间竖向温度分布。水平布置条件下电缆燃烧时房间内竖直方向温度随高度降低而降低，布置间距为1 cm时NC类电缆燃烧时房间顶部温度最高，达到了85 ℃。由于水平布置条件下电缆燃烧质量较低，所以房间整体温度不高。布置间距为0时，撤去火源后温度下降速率明显低于其他布置间距。这主要是由于紧密布置时，燃烧产生的烟气较多，房间整体在熄灭后不久被热烟气充满，导致温度梯度较低，因此房间内温度分布整体变化较小。

电缆竖向布置，电缆布置间距为1 cm时，房间的整体温度最高，顶棚温度约达140 ℃，其他间距最高温度维持在100 ℃，结合热释放速率分析，间距为1 cm时的电缆燃烧最为剧烈，导致整体温度最高。房间整体温度分布从上到下一次降低，最低处温度基本保持在40 ℃以下。

2.2.2 布置走向对电缆燃烧特性的影响

不同布置走向下的电缆燃烧热释放速率见图10。