电线电缆水平燃烧试验装置*

2022-09-30包光宏胡林明

现代建筑电气 2022年2期

冯军, 包光宏, 胡林明

(1.应急管理部四川消防研究所, 四川成都 610036;2.国家防火建筑材料质量检验检测中心, 四川成都 610036)

0 引言

随着经济快速发展,我国电缆用量迅猛增加,由电缆不阻燃引发的火灾也随之增加。为减少电缆燃烧引发的火灾,各类阻燃电缆应运而生,并且已广泛应用于各类民用及工业建筑、大型公共场馆、大型综合体、石油化工、火力发电厂与变电站、地铁、隧道等重要场所的供配电线路和重要电气设备的电气线路中[1]。

为便于监督部门对该类产品的监督管理和规范企业生产,我国制定了一系列阻燃电缆燃烧性能的试验方法标准,但这些试验方法均为垂直燃烧方式(如GB/T 31248—2014、GB/T 18380系列标准等),无成束电缆水平燃烧试验方法标准。然而在实际应用工程中,电缆安装方式既有垂直敷设又有水平敷设。

特别是2019年我国首次发布GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》[2]明确规定“建筑高度大于等于100 m的公共建筑”等建筑中,对于水平敷设的通信电缆或光缆应通过水平燃烧试验要求。

鉴于以上情况,需要建立成束电线电缆水平燃烧试验装置,以此对电线电缆的水平燃烧性能进行试验研究,同时为我国下一步制定电线电缆水平燃烧性能试验方法标准奠定基础。

1 试验装置构成和测试原理

该试验装置主要由进气室、进气闸门、试验炉、燃烧器、排烟管道、风速测量系统、烟密度测量设备、热释放测量设备、计算机采集和控制系统组成。电缆水平燃烧性能试验装置如图1所示。

图1 电缆水平燃烧性能试验装置

该装置主要测试水平安装的成束电线电缆在受火条件下火焰蔓延特性、热释放特性以及产烟特性。

火焰蔓延特性是测试电缆燃烧后火焰传播的距离。试验时,通过红外火焰探测器来测量火焰传播距离。

热释放特性包括热释放速率和热释放总量。热释放速率基于耗氧法原理,即电缆材料燃烧时,即使不同材料燃烧释放出的热量各不相同,但消耗单位质量的氧气所释放的热量接近一个常数,这样就可以根据所消耗的氧气量计算出电缆燃烧的热释放速率[3]。热释放总量从燃烧器点火开始到试验供火结束的热释放速率积分值表示,并从中扣除燃烧器的热输出值。

产烟特性包括最大烟密度和平均烟密度。烟密度是用初始光强度与瞬时光强度的对数比描述的烟雾不透明度。平均烟密度是指电缆在受火期间产生的总烟密度的平均值。最大烟密度是指电缆在受火期间产生烟密度的最大值。

2 试验装置的主体设计

2.1 进气室和进气闸门

进气室由L形镀锌钢制单元构成,固定在试验炉的进气端。该进气口应有一个300 mm×470 mm的矩形开口,允许空气通过试验炉的进气闸门进入试验炉。该闸门为一个垂直滑动闸门,沿着试验箱的整体宽度,可提供一个高度为76 mm±2 mm的进气口,该高度以试验箱的底板平面为起点进行测量。

2.2 试验炉

该炉内部尺寸为7 620 mm×451 mm×305 mm,其结构由方管/矩形管制成的端、侧立柱和炉体钢板组成,经高强度焊接后构成一个牢固的整体,可长期使用不变形。炉内砌体部分由耐温达到1 400 ℃的耐火保温砖组成。炉门位于炉体上方,由型钢和不燃无机绝缘材料构成。为了获得有效的密封,在炉门和炉体之间,设置水封即采用自来水作为循环水源,不仅可以为炉体和炉门之间提供密封,同时可带走燃烧测试过程中的热量,有效保护炉体。同时为了观察炉况,在两侧炉墙安装有观察窗。进气挡板采用气动控制方式,可自动开启及关闭。

2.3 燃烧器

在试验箱的一端配备一个双口燃气燃烧器,向上输送火焰。燃气燃烧器采用电子点火系统远程点火。燃气控制系统由压力调节器、燃气压力表、燃气快速切断阀和质量流量计组成。燃气快速切断阀由电磁阀自动控制,即试验中若有回火现象,该阀能自动切断供气。同时为了火源稳定,需维持均匀的气体流动条件,在管路中设置了孔板与压力计。燃烧器火源功率的大小由质量流量计控制,而质量流量计可以通过软件输入数值来自动管理。

2.4 排烟管道中测试仪器、热释放和烟密度测量设备

排烟管道由不锈钢材料制成,其内径400 mm、长8 400 mm。双向探头用来测量排烟管道中的体积流量。探头安装在距排烟管路末端2 800 mm。在排烟管道中烟气充分混合处安装一个取样探头,而取样探头通过取样管与氧气和二氧化碳气体分析仪相连,这样将测出管道内氧和二氧化碳含量,最后通过软件分析出热释放速率和热释放总量[4]。

热释放测量设备由气体分析和采样设备组成。气体分析和采样设备包括不锈钢气体取样管、过滤器、干燥剂、抽样泵、流量控制装置和氧气分析仪。其中,氧气分析仪测量范围为0%～21%,满刻度准确度为±0.25%。在通过入口流入气体取样管的气流组成中引入了阶梯变化后,来自氧分析仪的信号应在30 s内达到其最终值的10%范围以内。

烟密度测量设备设置在排烟管道内气流混合均匀的位置。该设备主要由白炽灯、透镜系统和探测器组成。探测器与测试系统相连,将记录烟雾造成的入射光衰减量,最后通过软件分析出最大烟密度和平均烟密度。

2.5 钢梯

钢梯是用于放置电缆试样,由冷轧钢制造。该钢梯长7 320 mm、宽305 mm,共有32个横档和2个立柱组成。立柱为方形钢柱,其截面尺寸为38 mm×9.5 mm;横档为槽钢,其间距为229 mm,截面尺寸为13 mm×25.4 mm×3 mm。

3 试验装置功能和软件设计

3.1 功能设计

试验装置功能结构如图2所示。

图2 试验装置功能结构

燃烧自动控制系统采用质量流量计和热电偶组成的测温控制系统完成对甲烷流量和火焰温度的控制。温度压力采集系统完成对设备各炉温、炉压监测,实时监控。风速控制系统完成对炉内风速、流量的控制。数据采集系统完成对试验过程中氧含量、CO2、CO、透光率和光强度的采集。

软件设计是依据试验流程,通过RS-485总线统一控制各子系统,自动完成电缆水平燃烧性能试验,并获得各项燃烧性能试验数据。

3.2 软件流程设计

先进行试验炉预热,再进行校准试验,校准项目主要有炉体密封性能、炉内温度、热释放和烟密度校准。校准合格后,再正式进入试验阶段。

3.3 界面设计

软件界面分为炉内预热、校准试验、样品试验、设备自检、数据管理、系统参数。本程序开发了图像化试验界面,形象地描述电缆燃烧试验中的各项参数,如火焰蔓延长度、气体的体积流量、耗氧量、二氧化碳和透光率等,同时实时记录燃气流量大小。试验软件监控界面(一)、(二)分别如图3、图4所示。

图3 试验软件监控界面(一)

图4 试验软件监控界面(二)

4 试验装置的校准

该装置按照NFPA 262—2015《通风空间用线缆火焰蔓延及烟密度测试方法》[5],主要从试验炉密封性能、温度和烟密度进行校准,校准结果均符合标准规定要求。校准方法和过程具体分析如下。

4.1 试验炉密封性能校准

首先将试验炉盖板完全盖好,将进气端闸门开启(76±2) mm,手动调节排烟风门,此时风压应达到37 Pa。然后关闭和密封进气端闸门。风压应增加到至少93 Pa,此时表明不存在漏气即试验炉密封性能符合要求。试验炉密封性能校准界面如图5所示。

图5 试验炉密封性能校准界面

4.2 试验炉温度校准

温度校准试验时,在试验炉内距喷嘴中心7.01 m处的热电偶温度应在600 s内达到267 ℃±5.5 ℃。当所要求的最高温度发生变化时,而变化是由于所用燃气的特性或排烟速度的变化引起,则必须做出调整,并再次进行校准试验,直到符合要求为止。调整之后,记录所确定的燃料流量和穿过孔板的压差。通过调节燃气流量,600 s内达到267 ℃,符合温度校准要求。试验炉温度校准界面如图6所示。

图6 试验炉温度校准界面

4.3 烟密度校准

将光源电压设定在最小8 V,将光电管电压设定在最小30 mV(透明光束),使用10个中性密度滤光片对系统进行校准,滤光片的值分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9和1.0。每个滤光片必须位于光电管的前面,以覆盖光路的整个宽度。通过中性密度滤光片的不透光度,烟雾的光密度为

式中:I0——透明光束光电探测器信号;

I——利用中性密度滤光片的光电探测器信号。

在x轴上标绘每个滤光片的OD计算值,在y轴上标绘相应的中性密度值。最后采用最小二乘误差技术确定最佳拟合线的斜率(1±0.2)。校准后,计算所有的OD值,使用最佳拟合线的斜率校正。如果偏差超出所要求的公差范围,对光源电压和光电管电阻进行调整。本次校准的斜率为0.94,符合烟密度校准要求。试验炉烟密度校准界面如图7所示。