不同辐射强度下电缆燃烧特性研究

2023-08-20刘楚琪赵婧昱卢世平张铎张妮孙妙

消防界 2023年4期

刘楚琪赵婧昱卢世平张铎张妮孙妙

摘要：

防治井下矿用电缆火灾是维护煤矿生产安全的重要环节。本文使用锥形量热仪分别在不同辐射强度下对电缆进行燃烧实验，研究井下矿用电缆的燃烧特性，分析电缆燃烧过程中的热释放速率、总释放热、烟气产生速率、总生烟量等参数的变化规律。结果表明：随着辐射强度增加，电缆燃烧的热释放速率、总释放热及烟气产生速率随之增大，在短时间内造成的危险性和破坏性更强。在热释放速率和烟气产生速率曲线中，观察到“双峰”现象，表明电缆燃烧存在护套层和绝缘层两个阶段；电缆火势增长指数随辐射强度增大而增大，着火时的危险程度也更大。

关键词：

电缆；锥形量热仪；燃烧特性；辐射强度；热释放速率

为保障国家能源资源安全，我国逐步推进矿山规模化、绿色化、智能化建设，矿井规模不断扩大，电器设备投入增长，井下电缆应用密集，但由于电缆短路、漏电、过载以及外部火源等原因，易引发电缆火灾事故。煤矿井下生产环境属于半封闭空间，电缆一旦起火，火焰会迅速蔓延，速度可达20m/min，同时产生CO、HCl等大量有毒烟气，严重威胁矿工的生命安全。因此，掌握电缆的燃烧特性在电缆消防安全保护过程中具有必要性。

电缆作为电气火灾中的主要可燃物，对电缆燃烧特性和危险性的研究尤为重要。张佳庆等分析了通电电缆电流对电缆燃烧的影响，分析表明：通电电缆起火会增强电缆燃烧强度，火焰沿电缆加速蔓延。张晋等搭建综合管廊火灾模拟试验平台，开展了电缆燃烧通风对比试验，试验结果表明：火灾发生后及时关闭管廊内的开口能够抑制火灾发展。Yoshinar等研究了在没有外界气流影响下，电缆燃烧时火焰沿水平和垂直方向蔓延过程中的滴落行为，研究表明：垂直火焰蔓延速率比水平火焰蔓延速率快，并且随着滴流的增加而加快，随电缆导热性的增加而降低。

城市綜合管廊电缆由于其特殊的使用性质及所处空间，燃烧后带来的经济损失和扑救难度远大于其他电缆。但针对城市地下综合管廊电缆在不同辐射强度下的燃烧特性缺少系统深入的研究。因此，本文采用锥形量热仪，分析不同辐射强度下城市地下综合管廊内常用的FS/FY-WDZA EYYR 1500v型电缆的热释放速率、总释放热、烟产生速率、烟释放速率等特性参数，掌握电缆燃烧特性及燃烧规律，同时对电缆燃烧过程中的不同阶段进行深入分析，为阻燃电缆研究、电缆火灾事故的预防提供理论依据。

一、实验

（一）样品制备

选用FS/FY-WDZA EYYR 1500v型A级聚氯乙烯软电缆。对于外径小于等于25mm的电缆，可将电缆截成长度在100-106mm之间的小段直接进行实验[1]，在本实验中，电缆直径为2.5cm，分为长10cm的4段4组。

（二）实验装置及方法

实验用CCT型锥形量热仪，实验过程按GB 31247-2014《电缆及光缆燃烧性能分级》和GB/T 16172-2007《建筑材料热释放速率实验方法》进行。实验采用的辐射强度分别为15、30、45、60kW/m2，代表可燃物在小规模火灾和中等规模火灾中的热辐射水平[2]，实验在10×10×5cm的空间中进行。

二、实验结果分析

（一）热释放速率

热释放速率（HRR）是表征电缆在单位时间、单位面积下燃烧所释放的热量。不同辐射强度下电缆的热释放速率曲线见图1。

不同辐射强度下电缆燃烧的热释放速率主要参数如表1所示。在燃烧过程中，电缆先缓慢熔融，表面不断有气泡涌出并释放大量青白色烟气，此后电缆产生火焰释放大量热量，待电缆材料基本被燃烧完全后，热释放速率逐渐减小后保持不变。

在高辐射强度下（60kW/m2）电缆燃烧过程中热释放速率曲线出现两次峰值。第一次热释放速率峰值的出现以护套层燃烧释放热量为主，第二次热释放速率峰值的出现以炭化绝缘层燃烧释放热量为主。若在较大的辐射强度下，电缆燃烧的持续时间会更长，造成的破坏性更强[3]。

火势增长指数（FGI）是热释放速率峰值与到达热释放速率峰值的时间之比，能够描述材料燃烧火势增长能力的强弱。FGI越大，燃烧时电缆的危险程度越大。公式见式（1）

FGI=PKHRRt（1）

式中：PKHRR表示燃烧实验中电缆所达到的热释放速率峰值，t表示燃烧实验中电缆达到热释放速率峰值的时间。

在不同的辐射强度下，电缆燃烧时的火势增长指数有较大差异。FGI增长率在45kW/m2时最大，为243.98%。这意味着电缆在45kW/m2时的FGI增长最快，燃烧带来的危险性最强[4]。

（二）总释放热

总释放热（THR）是衡量材料在燃烧过程中燃烧程度剧烈与否的重要指标。电缆在不同辐射强度下总释放热随时间变化曲线见下图所示。

由图2可知，在15kW/m2时，由于电缆并未燃烧，总释放热值稳定在较低的数值范围内；在30-60kW/m2时，总释放热值分别在380s-480s、120s-165s、65s-85s内，迅速增加而后增速变缓，但仍随时间的推移而增加。从整体上看，随着辐射强度增加，总释放热值随之加大[5]。

由表2发现，电缆总释放热最大值和均值都随辐射强度增加而增大。在60kW/m2时，总释放热最大值和均值远大于电缆在15kW/m2、30kW/m2、45kW/m2的总释放热值。相同的电缆在高辐射强度下燃烧时的总释放热远大于低辐射强度下的总释放热。此外，电缆的总释放热越大，其潜在热危险越大[6]。

（三）烟气产生速率

烟气产生速率（SPR）是材料在燃烧过程中在单位时间、单位面积条件下的产烟量，它能够衡量材料的产烟能力。图3是电缆在不同辐射强度下烟气产生速率随时间变化曲线，表3为不同辐射强度下电缆燃烧的主要特征值。

由图3可知，在电缆燃烧后期，电缆烟气产生速率大小排序为：60kW/m2>30kW/m2>45kW/m2>15kW/m2。这主要是由于辐射强度60kW/m2的电缆燃烧反应更加剧烈，使得护套层燃烧产生的炭化层物质减少，从而导致烟气颗粒产物增多，烟气产生速率加快[7]。因此，电缆护套层燃烧的烟气产生速率大于电缆绝缘层。

由表3可知，随着电缆所受辐射强度增大，烟气产生速率曲线中两次达到峰值的时间间隔变短。因此，电缆在高辐射强度下火势更容易向绝缘层蔓延，使电缆内部结构热解生烟，烟气产生速率再次达到峰值[8]。

（四）总生烟量

总生烟量（TSP）是材料在燃烧过程中产生的烟气总量。图4为电缆在不同辐射强度下总生烟量随时间变化曲线图。

图4 不同辐射强度下电缆的总生烟量曲线

由图4观察到，辐射强度为60kW/m2的电缆在燃烧后期才会产生大量的烟气，这主要是因为在高热辐射强度燃烧前期，电缆受热充分热解产物不易产生烟气。由此可知，低輻射强度下的电缆在燃烧前期产生的烟气较多，而高辐射强度下的电缆在燃烧后期产生的烟气较多。

三、结论

本文基于锥形量热仪对FS/FY-WDZA EYYR 1500v型电缆在15kW/m2、30kW/m2、45kW/m2、60kW/m2四种辐射强度下的燃烧性能进行分析，得到以下结论：

第一，随着辐射强度增大，电缆热释放速率和总释放热的峰值、均值随之增大。在60kW/m2时热释放速率峰值和均值最大，分别为136.83kW/m2和58.43kW/m2。随电缆辐射强度增加，FGI增加，电缆燃烧的危险程度更大。

第二，烟气产生速率在30-60kW/m2时，两峰值时间间隔分别为75s、35s、15s。辐射强度增加，两峰之间的时间间隔变短。电缆护套层的烟气产生速率大于电缆绝缘层。

参考文献

[1]龙宇，侯剑.电线电缆燃烧性能分级标准分析[J].现代建筑电气，2022，13（12）：48-54.

[2]陈长坤，徐童，陈杰，等.不同布置形式下的桥架电缆燃烧特性[J].中南大学学报（自然科学版），2022，53（11）：4326-4334.