基于锥型量热仪的核级与非核级电缆燃烧性能对比实验

(1.海装驻上海地区第一军事代表室，上海200000；2.中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

核电电缆火灾是影响核电厂安全的主要火灾隐患之一。考虑到影响电缆火灾行为的许多因素，包括电缆材料、电缆尺寸、电缆配置、通风条件、外部热量和电缆安装类型等，国内外学者总结出许多经验公式与实验理论模型[1-2]。本文利用锥形量热仪，开展不同辐射强度、电缆布置方式(电缆间距)下不同电缆类型的燃烧特性实验，分析不同参数条件下电缆燃烧过程中热释放速率、有效燃烧热和质量损失速率的变化规律，为进一步认识和预测大尺寸核电场景电缆火灾行为规律提供实验数据支撑。

1 实验方法

锥形量热仪[3-5]能提供接近实际的火灾环境，实验结果与大尺度燃烧实验结果有较高的相关性[6]。在火灾安全工程与设计、材料阻燃性能研究、评价等方面应用广泛。

根据核电缆使用过程中的特点[7]，主要考虑电缆类型、辐射强度和电缆布置间距等工况因素对电缆燃烧特性的影响，实验工况见表1。

试验使用的电缆包括核级电缆K3类电缆HDYJG-K3 1×95(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)和非核级电缆NC类电缆WDZ-YJE 1×95(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。两种电缆结构截面见图1。

表1 锥量实验工况表

图1 电缆结构示意

2 试验结果与分析

2.1 热释放速率

热释放速率为单位时间内材料燃烧过程中释放出的热量，是评价材料火灾安全性的主要参数，能控制和影响其他的燃烧性能参数[8]。

2.1.1 不同热辐射强度的热释放速率

由图2可以得出，电缆在燃烧测试开始时,受到辐射热后,开始时主要是本身吸热阶段, 该阶段的初始线形无太大变化,基本上是趋于较平缓的线形状态。当试件吸收的热量足够多时，温度快速升高电缆外护套开始出现液化、气化、裂解现象, 并产生一些可燃性气体，当气体浓度足够高时，可燃气体发生燃烧造成热释放速率急剧增大，形成第一个热释放速率峰值。在较低热辐射条件下(如20 kW/m2)，由于电缆外护套的阻燃作用及K3类电缆的防火结构，辐射热量不足以维持电缆的完全燃烧。在高辐射强度的情况下(如35、50、70 kW/m2)，由于外加热辐射强度足够大，并且电缆初始燃烧更剧烈，电缆防火结构被破坏，并完全燃烧。此时，K3类电缆完全燃烧过程会出现两个峰值，分别代表电缆外护套燃烧及电缆绝缘层燃烧，但外护套燃烧的峰值比绝缘层的热释放速率峰值更大并且当热辐射强度增大时，第二个峰值与第一个峰值出现的时间间隔会缩短。而NC类电缆由于没有防火结构，在整个燃烧过程中会出现三个峰值，分别代表外护套燃烧、外护套和绝缘层共同燃烧及绝缘层燃烧，三个峰值相继出现，时间间隔明显比K3类电缆短。

图2 不同热辐射强度下电缆热释放速率对比

2.1.2 不同布置间距下的热释放速率

分析电缆间距对电缆热释放速率影响时，为保证与实际情况相一致，在电缆布置面积一定的情况下，随着布置间距的增加电缆根数在不断减少，0、0.5、1.0、2.0 cm对应样品根数分别为6、5、4、3。K3类电缆是50 kW/m2热辐射强度下，不同布置间距电缆的热释放速率随时间变化见图3。

图3 不同间距下热释放的变化(50 kW/m2,K3)

从图3可以看出，随着布置间距的增大，第一个峰值与第二个峰值之间的时间间隔不断缩短，但热释放峰值呈现先降低后升高的变化趋势，在布置间距为1 cm热释放速率峰值最小。

2.2 有效燃烧热

燃烧热能够维持燃烧和燃烧扩散，可以使材料分解生成的气体及固体产物的温度升高，使气体膨胀，从而增加热对流、热传导的能量。有效燃烧热是指，材料热解和燃烧产物中可燃物燃烧所放出的热量，用来表征可燃性挥发气体在气相火焰中的燃烧程度。

2.2.1 不同热辐射强度下的有效燃烧热

如图4所示，有效燃烧热的变化与热释放速率变化规律相近，K3类电缆燃烧过程出现2个有效燃烧热峰值，分别代表外护套有效燃烧热峰值及绝缘层有效燃烧热峰值；NC类电缆出现3个有效燃烧热峰值，但相对于热释放速率变化，有效燃烧热的第二个峰值阶段变化相对平稳，主要是由于第二阶段的质量损失较大所致。并且由于电缆外护套材料相同，第一个有效燃烧热峰值相对接近。

图4 不同热辐射强度下电缆有效燃烧热对比

2.2.2 不同布置间距下的有效燃烧热

K3类电缆在50 kW/m2热辐射强度下，不同布置间距电缆的有效燃烧热随时间变化见图5。

图5 不同间距下有效燃烧热的变化(50 kW/m2，K3)

从图5可以看出，随着布置间距的增大，第一个峰值与第二个峰值之间的时间间隔不断缩短，但有效燃烧热峰值呈现先降低后升高的变化趋势，在布置间距为1 cm有效燃烧热峰值最小。

2.3 质量损失速率分析

质量损失速率是衡量材料受热分解和燃烧快慢的参数，表示材料在某辐射强度下的燃烧强度。

2.3.1 不同热辐射强度的质量损失速率

从图6可知，在升温阶段，待测样品在辐射热的作用下缓慢升温，随后热解，此时样品质量损失较小,着火阶段样品己经被点燃，在辐射热源和火焰的共同作用下样品的热解速率加快；燃烧最后阶段，火焰己经熄灭，大部分可燃物燃烧殆尽，仍有少量的还未被分解、燃烧的残炭慢慢地分解，所以质量减少缓慢。

图6 不同热辐射强度下电缆质量损失速率对比

可以看出，随着辐射强度增大，质量损失速率与质量损失速率峰值随之增大，到达峰值的时间随之减少。K3类电缆质量损失速率小于NC类电缆。

2.3.2 不同间距下的质量损失速率

K3类电缆在50 kW/m2热辐射强度下，不同布置间距电缆的质量损失速率随时间的变化见图7。

图7 不同间距下质量损失的速率(50 kW/m2,K3)

从图7可以看出，随着布置间距的增大，第一个峰值与第二个峰值之间的时间间隔不断缩短，但质量损失速率呈现先降低后升高的变化趋势，在布置间距为1 cm质量损失速率峰值最小。

3 结论

1)随着外部辐射强度的增强，电缆燃烧时的热释放速率、有效燃烧热及质量损失速率都会增大，并且到达第二个峰值时间随之减少，也就是说热辐射强度的增加会增大电缆的火灾危险性。所以电缆布置尽量远离高温热源。

2)在外加热辐射条件下，布置间距的增加会导致电缆热释放速率峰值和有效燃烧热峰值先减小后增大，当布置间距为1 cm时的热释放速率峰值最小，并且相邻燃烧热释放速率峰值的时间间隔缩短，火灾增长速率会增加。但电缆布置间距对电缆燃烧质量损失速率峰值影响相对较小，电缆间距的增大会缩短电缆燃烧时间。

3)K3类电缆防火性能更佳，其热释放速率、有效燃烧热和质量损失速率都远远低于NC类电缆，而且NC类电缆燃烧受热辐射影响更明显，对K3类电缆热辐射增加缩短了燃烧过程，但是其存在多个燃烧阶段和燃烧特性曲线变化趋势基本不发生改变。