彭玉辉，蒋帅

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)



核级电缆火灾危险性实验

彭玉辉，蒋帅

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

采用锥形量热仪，以核级电缆为研究对象，实验测试核级电缆在不同外加热辐射、电缆护套厚度情况下在燃烧过程中的热释放速率、质量损失速率、烟气生成速率等燃烧特性。

核级电缆；热释放速率；质量损失速率；烟气生成速率

从1965—1985年，仅美国就发生了300多起核电火灾[1]，根本诱因是核电站舱室内部布置有各种大型机电设备所使用的润滑油、大量电器及电缆，致使核电站存在很大的火灾安全隐患，因此，核电消防安全事关重大。

目前国内学者对于电缆火灾的研究大多侧重于电缆火灾的着火原因和防火对策[2-4]，较少涉及电缆火灾的燃烧特性，文献[5]对聚氯乙烯电缆护套电缆在过载、短路情况下的火灾特性有初步研究，但是目前未见对核级电缆在不同辐射强度情况下电缆燃烧特性的相关研究报道。

1 实验过程

1.1 实验装置

采用ISO5660标准要求的锥形量热仪对几种护套材料均为聚氯乙烯的核级电缆进行实验研究，测试不同辐射功率下的电缆燃烧特性。锥形量热仪的结构简图及实物见图1。

1.2 实验工况

由于舱内火灾达到轰燃状态时，热烟气的温度能够达到600～800 ℃，此时所对应的热辐射分别为29.2，67.3 kW。因此，本实验选取的外加热辐射等级为30、40、50及60 kW/m2，分别代表可燃物在不同规模火灾中的热辐射水平。

实验中，将每种型号的电缆分别截成长度为100 mm的小段，将每段并排放置，使其总宽度约100 mm，用细钢丝固定，再用玻璃纤维布及铝箔纸包覆成单面裸露试样，因此可以忽略水平方向上的传热而只考虑竖直方向的一维传热过程。实验选用0.6/1 kV聚氯乙烯护套单芯电力电缆，参数见表1。

表1 电缆技术参数

为了研究外加热辐射强度对电缆燃烧性能的影响，对WDZ-95电缆在30、40、50、60 kW/m2的辐射强度下进行实验。同时为了研究护套厚度对电缆燃烧性能的影响，在60 kW/m2的辐射强度下对WDZ-10电缆、WDZ-35电缆以及WDZ-95电缆进行实验。

2 试验结果与分析

2.1 热释放分析

由锥形量热仪可以测量得到电缆试样在整个实验阶段的释热速率曲线。图2给出了实验在30、40、50、60 kW/m2的辐射强度下WDZ-95电缆的热释放速率曲线。由图2可见，虽然辐射功率不同，但曲线形状非常相似，WDZ-95电缆样品的热释放速率可分为4个阶段：第1阶段，加速增长阶段，热释放速率在电缆护套被点燃后迅速增加，在300 s左右达到峰值；第2阶段，回落阶段，热释放速率在该阶段内逐渐回落至峰值的50%水平；第3阶段，稳定燃烧阶段，热释放速率保持在一个稳定值附近；第4阶段，衰减阶段，在该阶段内，随着材料的耗尽，热释放速率逐渐降低。

表2给出了不同的热辐射强度下WDZ-95电缆的总热释放速率，热释放速率峰值以及平均热释放速率。由表2可见，随着热辐射强度的增加，总热释放量、热释放速率峰值以及平均热释放速率总体呈增长趋势。

表2 WDZ-95电缆在不同的辐射强度下的热释放速率

表3给出了不同电缆在60 kW/m2热辐射功率下的总释放热量、热释放速率峰值以及平均热释放速率。由表3可见，尽管电缆护套的材料一样，但对于不同护套厚度的电缆，在燃烧过程中的热释放速率也不同。WDZ-10电缆和WDZ-35电缆的护套层厚度相差不多，因此热释放速率也相差不大，由于热量主要是以热传导的方式从上层护套向下传递，WDZ-95电缆的护套层相对较厚，上表面距离线芯较远，上层电缆护套的热量不会立刻通过线芯传递到下层电缆护套上，热量在上层电缆聚集，温度较高，因此护套材料热解得更加充分，使得平均热释放速率与热释放速率峰值越大。在相同的辐射强度下，总热释放量的大小主要取决于可燃材料的多少，由于WDZ-95电缆的护套最厚，因此总的热释放量也最大。

表3 不同电缆在60 kW/m2热辐射功率下的热释放

2.2 质量损失分析

质量损失速率(mass loss rate，MLR)表示材料在燃烧过程中质量随时间的变化率，质量损失速率越大说明材料越易燃烧。

图3给出了WDZ-95电缆在不同辐射强度下的质量损失速率。其质量损失速率的变化趋势与热释放速率相同，不过随着热辐射强度的增大，质量损失速率的峰值在不断增加，但在第一个峰值过后的稳定燃烧阶段，虽然辐射强度不同，曲线却几乎重合，而热释放速率却是随着辐射强度的增加而增加。

图4给出了不同电缆在60 kW/m2热辐射功率下的质量损失速率。在前100 s，不同电缆的质量损失速率几乎完全一致，由于WDZ-95电缆护套较厚，外加热辐射会使更深的材料继续热解，因此，100 s后WDZ-95电缆的质量损失速率继续加大，WDZ-10电缆和WDZ-35电缆的质量损失速率开始减小。

2.3 有效燃烧热

有效燃烧热(effective heat combustion,EHC)是指材料分解燃烧挥发物中可燃烧部分燃烧释放的热量，可反应材料在真实火灾中的放热情况。

图5给出了WDZ-95电缆在不同热辐射功率下的有效燃烧热。由图5可见，热辐射强度对电缆的有效燃烧热存在一定影响，热辐射强度越高，则电缆的有效燃烧热越大。

2.4 烟气释放分析

烟气产生速率(smoke production rate，SPR)是指单位时间内材料产生的烟气量，图6给出了WDZ-95电缆在不同辐射强度下的烟气产生速率。在实验过程中产生了2个比较明显的峰值。第1个峰值出现在50～200 s的时间段内，在500 s左右，烟气产生速率第2次上升，在第2个峰值出现910～1 060 s。由图6可见，热辐射强度越小，2个峰值越低。在30 kW/m2的辐射强度下，第2个峰值已经很不明显。

图7给出了不同电缆在60 kW/m2的辐射强度下的烟气产生速率。对于不同型号的电缆，第一个峰值分别为0.110，0.109，0.111 m2/s，第2个峰值分别为0.045，0.039，0.044 m2/s。由于WDZ-95电缆护套厚度最厚，可燃烧物质质量最多，因此2个峰值的到达时间都最迟。可见，护套的厚度只会影响到达峰值的时间，不会改变材料热解过程中的反应方向，对烟气产生速率的峰值影响不大。

3 结论

1)电缆样品的热释放速率可分为4个阶段，加速增长阶段、回落阶段、平稳燃烧阶段和衰减阶段。总释放热量和平均热释放速率随着热辐射强度的增加而增加。对于相同的辐射强度，护套越厚的电缆，其总释放热量、平均热释放速率以及热释放速率峰值越高。

2)热辐射强度对质量损失速率影响较小，质量损失速率的第一个峰值随热辐射强度的增加而增加；电缆护套的厚度越厚，质量损失速率的峰值越高，到达峰值的时间越晚，燃烧的持续时间也越长，但护套厚度对材料最终的热解程度没有太大影响。

3)电缆的有效燃烧热随着热辐射强度的增加而增加，不同电缆样品在相同辐射强度下的有效燃烧热基本保持恒定。随着热辐射强度的增加，热释放速率的峰值呈增长趋势。

4)电缆护套厚度会影响烟气产生速率峰值到达时间，但不会改变材料热解过程中的反应方向，对烟气产生速率的峰值影响不大。

[1] 鲁磊，狄振功.核电厂火灾风险分析及事故应急救援对策[J].中国公共安全，2012，27(2)：49-52.

[2] 任海峰，李树刚，林海飞，等.电缆火灾致因因素分析 [J].安庆师范学院学报，2009，15(3)：62-65.

[3] 白晓斌，黄东利，李向明.高压电力电缆火灾原因分析及防范措施[J].电线电缆，2011(1)：37-39.

[4] 钟小璇.基于模糊层次分析法的电缆火灾危险性评价[J].研究与探索，2010(3)：12-15.

[5] 吴威位.导线电缆火灾特性研究[J].广西民族大学学报，2009(6)：77-79.

Fire Hazard Experimental Research of Nuclear Class Electric Cable

PENG Yu-hui, JIANG Shuai

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Taking the nuclear class electric cable as research object, experiments were carried out by the cone calorimeter to investigate the influence of heat release rate, mass loss rate and smoke generation rate upon the combustion characteristics in the burning process in which the experiment conditions such as external heating radiation and cable sheath thickness were different.

nuclear class electric cable; heat release rate; mass loss rate; smoke production rate

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.028

2017-03-07

彭玉辉(1977—)，男，硕士，工程师

研究方向：船舶消防

U664.88

A

1671-7953(2017)03-0122-03

修回日期：2017-03-27