包光宏,馮 軍,唐 勇

(公安部四川消防研究所,四川都江堰,611830)

基于FIPEC試驗(yàn)的電纜燃燒性能研究

包光宏,馮 軍,唐 勇

(公安部四川消防研究所,四川都江堰,611830)

利用FIPEC試驗(yàn)裝置20.5kW的火源對(duì)市場上常見的ZR-YJ Y、ZR-YJV和ZR-VV三種類型的阻燃電力電纜的燃燒性能進(jìn)行了全尺寸試驗(yàn)研究,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析了不同類型阻燃電纜的火災(zāi)發(fā)展和蔓延特性,以及電纜在火焰蔓延過程中的影響因素,結(jié)果表明,在熱釋放和產(chǎn)煙特性上,ZR-YJ Y均優(yōu)于ZR-YJV和ZR-VV,但在火焰蔓延性能上,ZR-YJ Y相對(duì)較差。同時(shí)獲取了電纜在火災(zāi)過程中的熱釋放、產(chǎn)煙特性以及火焰蔓延特性的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為我國《電纜及光纜燃燒性能分級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)提供試驗(yàn)依據(jù)。

FIPEC試驗(yàn);電纜;燃燒性能;熱釋放;產(chǎn)煙

0 引言

近年來,我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速增長,為電線電纜行業(yè)提供了巨大的市場空間。但電纜給人們帶來方便的同時(shí)也帶來了火災(zāi)危險(xiǎn)。由各種原因?qū)е碌碾娎|火災(zāi)頻繁發(fā)生,造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。然而目前我國對(duì)于電纜燃燒的火災(zāi)特性方面的研究很少,尤其是全尺寸的實(shí)驗(yàn)研究幾乎為一片空白。因此,適時(shí)開展對(duì)電纜燃燒性能全尺寸實(shí)驗(yàn)研究是非常必要的。

本文將依據(jù)歐盟最新的電纜燃燒性能試驗(yàn)方法即FIPEC試驗(yàn)對(duì)我國目前市場上較常見的阻燃電力電纜的燃燒性能進(jìn)行研究。FIPEC試驗(yàn)最大的特點(diǎn)是評(píng)價(jià)電纜在特定試驗(yàn)條件下的火災(zāi)初期和發(fā)展階段的燃燒性能,全面測試電纜的熱釋放速率(HRR),熱釋放總量(THR)、火災(zāi)增長速率指數(shù)(FIGRA),產(chǎn)煙速率(SPR)、產(chǎn)煙總量(TSP)以及火焰蔓延程度等燃燒性能參數(shù)。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

1 試驗(yàn)裝置與方法

圖1為試驗(yàn)裝置示意圖,簡稱FIPEC(Fire Performance of Electric Cables)試驗(yàn)裝置,主要是在EN50266-1的基礎(chǔ)上建立的,但同時(shí)增加了熱釋放和產(chǎn)煙特性測試設(shè)備。該裝置主要由燃燒室、空氣供給系統(tǒng)、燃燒氣體控制系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)梯、點(diǎn)火源、探頭和傳感器管道段、煙密度光學(xué)測試系統(tǒng)、氣體分析儀、數(shù)據(jù)采集和軟件處理系統(tǒng)和抽風(fēng)系統(tǒng)等部分組成。

試驗(yàn)裝置可以測量以下參數(shù):耗氧量;二氧化碳生成量;管道中的體積流量;煙密度。

本裝置主要依據(jù)耗氧原理,通過上述測量數(shù)據(jù),可以計(jì)算出電纜的燃燒性能數(shù)據(jù):熱釋放速率、熱釋放總量、燃燒增長速率指數(shù)、產(chǎn)煙速率、產(chǎn)煙總量、煙氣增長速率指數(shù)。

表1 電纜樣品信息Table 1 Basic information of cable samples

2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)方法主要依據(jù)prEN 50399-2007《電纜或光纜在受火條件下火焰蔓延及熱釋放和產(chǎn)煙特性的試驗(yàn)方法》(英文版)[1-3]。

(1)點(diǎn)火源

點(diǎn)火源為一帶型丙烷預(yù)混燃?xì)鈬姛簟Ｔ囼?yàn)采用FIPEC試驗(yàn)場景1,即火源功率為20.5kW。

(2)試樣的常用安裝

試樣的安裝方式由電纜的外徑確定,具體見表2。

表2 安裝方式與電纜直徑的關(guān)系T able 2 Relation of installation versus cable diameter

(3)試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)樣品應(yīng)由若干根等長的電纜試樣段組成,每根電纜試樣段的最小長度為3.5m。電纜試樣段的總根數(shù)應(yīng)依據(jù)下面的公式確定。

①當(dāng)直徑大于或等于20mm的電纜試樣根數(shù)N=int[320/(20+dc)];

②當(dāng)直徑大于5mm且小于20mm的電纜試樣根數(shù)N=int[(300+dc)/(20+dc)];

③直徑小于或等于5mm的電纜試樣根數(shù)N=n×15,其中 n=int(100/dc2);

(其中:dc為電纜直徑(取最接近的整數(shù),保留到mm);int函數(shù)—對(duì)結(jié)果取整。)

(4)樣品選擇

本文主要選擇了市場上比較常用的12組阻燃電力電纜樣品,具體見表1。

(5)供火時(shí)間與供風(fēng)

供火時(shí)間20min。另外,在試驗(yàn)過程中,如果電纜試樣完全燃燒起來,將提前滅火。

通過燃燒室的空氣流量為(8000±800)l/min。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 熱釋放特性試驗(yàn)分析

試樣的熱釋放速率曲線見圖2、4、6,試樣受火期間的熱釋放特性參數(shù)值見表3,以下分別對(duì)各類樣品的熱釋放特性進(jìn)行分析。

表3 電纜樣品熱釋放、產(chǎn)煙以及火災(zāi)增長特性參數(shù)值Table 3 Parameters of heat release,smoke production rate and fire growth rate index for the cable samples

圖2 1-6號(hào)樣品的熱釋放速率曲線Fig.2 HRRcurve for 1-6 cable samples

(1)護(hù)套:聚烯烴類材料,絕緣:交聯(lián)聚乙烯材料(簡稱 ZR-YJ Y)

圖3 1-6號(hào)樣品的產(chǎn)煙速率曲線Fig.3 SPR curve for 1-6 cable samples

圖4 7-9號(hào)樣品的熱釋放速率曲線Fig.4 HRRcurve for 7-9 cable samples

圖5 7-9號(hào)樣品的產(chǎn)煙速率曲線Fig.5 SPR curve for 7-9 cable samples

圖6 10-12號(hào)樣品的熱釋放速率曲線Fig.6 HRR curve for 10-12 cable samples

圖7 10-12號(hào)樣品的產(chǎn)煙速率曲線Fig.7 SPR curve for 10-12 cable samples

對(duì)于聚烯烴材料類的電力電纜,當(dāng)點(diǎn)火源附近區(qū)域的電纜被點(diǎn)燃,火焰高度增加,同時(shí)電纜護(hù)套材料加速熱解,隨著點(diǎn)火源附近區(qū)域的電纜完全燃盡,熱解區(qū)域不斷上移,離開點(diǎn)火源預(yù)混火焰所能達(dá)到的范圍,電纜上部的火焰完全來自于電纜護(hù)套材料的燃燒;最后隨著電纜護(hù)套材料的不斷燃盡,熱解區(qū)域逐漸減小,煙氣溫度降低,火焰逐漸熄滅。

其中的第三階段為電纜火蔓延的關(guān)鍵階段,若下方電纜護(hù)套材料燃燒所釋放的熱量足以引燃更高區(qū)域的電纜護(hù)套材料,則火焰會(huì)繼續(xù)垂直向上傳播,若上方電纜護(hù)套材料的引燃必須要依賴點(diǎn)火源所釋放的熱量,則當(dāng)熱解區(qū)域上移到一定高度后,電纜護(hù)套材料的熱解程度降低,火焰逐漸熄滅,不再繼續(xù)向上傳播。

從圖2中可以看出,1-5號(hào)樣品熱釋放速率曲線均表現(xiàn)為先增長后降低的趨勢;6號(hào)樣品由于試驗(yàn)過程中,電纜完全燃燒起來了,熱釋放速率曲線處于一直增長趨勢,因此在15min時(shí)進(jìn)行提前滅火了。

1號(hào)樣品由于是單芯非鎧裝結(jié)構(gòu),熱釋放速率較早(395s)的達(dá)到峰值,而2-5號(hào)樣品由于是多芯或鎧裝結(jié)構(gòu),熱釋放速率均在600s左右達(dá)到峰值。

同時(shí)從表3中可以看出:在熱釋放特性上,當(dāng)FS<1.0米以下時(shí),熱釋放速率峰值均在20kW-30kW范圍內(nèi),熱釋放總量為均在11MJ-25MJ范圍內(nèi),火災(zāi)增長速率指數(shù)均在20W/s-80W/s范圍內(nèi)。

(2)護(hù)套:聚氯乙烯類材料,絕緣:交聯(lián)聚乙烯材料(簡稱ZR-YJV)

7和8號(hào)樣品的熱釋放速率均較早(300s左右)的達(dá)到峰值,而9號(hào)樣品由于是鎧裝結(jié)構(gòu),熱釋放速率出現(xiàn)了兩次增長階段,第一次增長是由于電纜底部區(qū)域護(hù)套材料的劇烈燃燒,該階段內(nèi)熱釋放速率和煙氣釋放速率均快速增長。當(dāng)護(hù)套材料逐漸燃盡,熱釋放速率和煙氣釋放速率均呈下降趨勢。第二次增長是由于當(dāng)護(hù)套材料熱解殘留物炭化膨脹后,火源開始把鎧裝燒穿或通過高溫傳熱把鎧裝層里面的填沖層和絕緣層點(diǎn)燃,此時(shí)外護(hù)套層由于填沖層和絕緣層的火焰蔓延,所以此階段火焰向上蔓延的能量與點(diǎn)火源無關(guān),均來自底部電纜的燃燒?；饎萦珠_始增大起來,熱釋放又一次出現(xiàn)了增長趨勢,在832s才達(dá)到峰值,此后由于沒有足夠的熱量進(jìn)一步擴(kuò)大電纜的熱解區(qū)域,熱釋放速率和煙氣釋放速率均逐漸減小。

從表3中可以看出:7和8號(hào)樣品的火災(zāi)增長速率指數(shù)均較大(150W/s以上),而9號(hào)樣品由于是鎧裝結(jié)構(gòu),火災(zāi)增長速率指數(shù)較小(49.8W/s)。

(3)護(hù)套:聚氯乙烯類材料,絕緣:聚氯乙烯類材料(簡稱ZR-VV)

從表3的炭化高度可以看出:10-12號(hào)樣品均具有較好的阻燃性能。但它們均較早(300左右)達(dá)到熱釋放速率峰值,火災(zāi)增長速率指數(shù)均較大(100W/s以上),同時(shí)前600s的總熱釋放量均約占整個(gè)受火期總熱釋放量的60%以上,因此試樣的火災(zāi)增長階段主要集中在試樣受火的前10min。

因此,從熱釋放特性上看,無論是阻燃聚烯烴材料還是阻燃聚氯乙烯材料,由于材料中均填加了耐燃劑、穩(wěn)定劑、填充劑等填加劑,所以它們的熱釋放速率峰值和熱釋放總量均相差不大。但阻燃聚氯乙烯電纜均較早(5min左右)達(dá)到熱釋放速率峰值,火災(zāi)增長速率指數(shù)均較大,同時(shí)熱釋放速率增長趨勢也要大些;而阻燃聚烯烴材料電纜均在10min左右才達(dá)到熱釋放速率峰值,火災(zāi)增長速率指數(shù)也相對(duì)較小,熱釋放速率增長趨勢也較小。

但在火焰蔓延特性即阻燃性能上,由于聚氯乙烯材料為自熄性材料,點(diǎn)火后,由于熱解殘留物炭化膨脹,對(duì)電纜的燃燒起抑制作用,它們的炭化高度均在1米以下;但阻燃聚烯烴材料,雖然經(jīng)過了阻燃處理,仍然有聚烯烴材料的電纜的炭化高度超過2.5米(即電纜完全燃燒起來)。

3.2 產(chǎn)煙特性試驗(yàn)分析

試樣的產(chǎn)煙速率(SPR)曲線見圖3、5、7,產(chǎn)煙速率參數(shù)及其計(jì)算值見表3。結(jié)合產(chǎn)煙速率曲線和表3,對(duì)各類樣品的產(chǎn)煙特性進(jìn)行分析。

(1)對(duì)于 YJ Y類型的電力電纜,從圖3中可以看出,1-5號(hào)樣品產(chǎn)煙速率曲線均表現(xiàn)為先增長后降低的趨勢,6號(hào)樣品產(chǎn)煙速率曲線表現(xiàn)為一直增長,產(chǎn)煙速率曲線趨勢與它們所對(duì)應(yīng)的熱釋放速率曲線趨勢一致;同時(shí)它們的產(chǎn)煙速率峰值僅為0.06m2/s,而且從表3中可以看出它們的產(chǎn)煙總量最大僅為29.8m2。

(2)對(duì)于 YJV類型的電力電纜,從圖5中可以看出,7和8號(hào)樣品產(chǎn)煙速率曲線均表現(xiàn)為先增長后降低的趨勢,與它們所對(duì)應(yīng)的熱釋放速率曲線趨勢一致;而9號(hào)樣品由于是鋼帶鎧裝結(jié)構(gòu),產(chǎn)煙速率曲線與其熱釋放速率曲線趨勢一致,表現(xiàn)為先增長后降低,再增長最后又降低的趨勢。7和8號(hào)樣品的產(chǎn)煙速率峰值達(dá)到0.67m2/s和0.49m2/s,而9號(hào)樣品產(chǎn)煙速率峰值出現(xiàn)在第一次增長階段,主要是因?yàn)?從圖4中看出,雖然它的熱釋放速率的峰值出現(xiàn)在第二次,但此時(shí)是護(hù)套和絕緣層(包括填充層)同時(shí)在燃燒,絕緣層(包括填充層)燃燒時(shí)產(chǎn)煙量較小,而第一次燃燒增長階段主要是護(hù)套層在燃燒即聚氯乙烯材料在燃燒,而聚氯乙烯材料在燃燒時(shí)會(huì)釋出大量煙氣。

從表3中可以看出它們的產(chǎn)煙總量均超過150m2,最大達(dá)到353m2。

(3)對(duì)于VV類型的電力電纜,從圖7中可以看出,10-12號(hào)樣品產(chǎn)煙速率曲線均表現(xiàn)為先增長后降低的趨勢,產(chǎn)煙速率曲線趨勢與它們所對(duì)應(yīng)的熱釋放速率曲線趨勢一致;同時(shí)它們的產(chǎn)煙速率峰值均超過0.5m2/s,最大為2.23m2/s,而且從表3中可以看出它們的產(chǎn)煙總量均超過200m2,最大達(dá)到642.7m2。

因此,在產(chǎn)煙特性上,由于聚氯乙烯材料的電纜在燃燒熱解過程中會(huì)吸收熱量,釋放大量的 HCl氣體,因此ZR-VV在產(chǎn)煙速率峰值和產(chǎn)煙總量均較大。而聚烯烴電纜的材料屬于非鹵化電纜材料,其產(chǎn)煙速率峰值和產(chǎn)煙總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于聚氯乙烯材料的電纜。

3.3 不同電纜結(jié)構(gòu)試驗(yàn)分析

鎧裝結(jié)構(gòu)的電纜比非鎧裝結(jié)構(gòu)的電纜相對(duì)較晚達(dá)到熱釋放速率峰值;同時(shí)在阻燃性能上,鎧裝結(jié)構(gòu)的電纜一定程度上延緩或抑制火焰的蔓延。

總之,電纜在實(shí)際火災(zāi)中的火焰蔓延、熱釋放和產(chǎn)煙特性具有決定性影響的除了電纜本身的材料和電纜結(jié)構(gòu)以外,還有暴露在火災(zāi)和由于電纜本身燃燒而產(chǎn)生的火焰中的可燃材料的體積、從電纜釋出的各種氣體的引燃溫度、給定溫升下從電纜釋出的可燃?xì)怏w的數(shù)量、通過電纜裝置的空氣的體積。

4 結(jié)論

通過選取對(duì)3種不同類型 ZR-YJ Y、ZR-YJV、ZR-VV的 12個(gè)樣品進(jìn)行了 FIPEC試驗(yàn),分析表明:

(1)在熱釋放特性上,三種類型電纜的熱釋放速率峰值和熱釋放總量均相差不大。但ZR-YJV和ZR-VV電纜的火災(zāi)增長速率指數(shù)相對(duì)ZR-YJ Y電纜較大,同時(shí)它們均較早地達(dá)到熱釋放速率峰值,前10min熱釋放總量均占有60%以上。

(2)在產(chǎn)煙特性上,ZR-YJV和ZR-VV電纜在產(chǎn)煙速率峰值和產(chǎn)煙總量方面要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ZR-YJ Y電纜。

(3)在火焰蔓延特性上,ZR-YJ Y電纜的阻燃性能相對(duì)較差。

(4)阻燃電纜的燃燒性能與其護(hù)套、絕緣材料有關(guān)外,還與電纜的結(jié)構(gòu)有一定關(guān)系,鎧裝結(jié)構(gòu)比非鎧裝結(jié)構(gòu)的電纜的燃燒性能相對(duì)要好。

[1]EN 14390:2006 Fire test–Large-scale room reference test for surface products[S].

[2]GB/T 18380-2008《Tests on electric and optical fibre cables under fire conditions》[S].

[3]prEN 50399-2007《Test methods for electrical or optical cables under fire conditions-Flame spread,heat release and smoke production measurement during test》[S].

Study on fire behavior of electrical cables based on FIPEC tests

BAO Guang-hong,FENGJun,TANG Yong

(Sichuan Fire Research Institute of MPS,Dujiangyan 611830,China)

The burning behaviors of ZR-YJ Y、ZR-YJV and ZR-VV flame-retardant electrical cables were investigated using FIPEC test apparatus by 20.5kW ignition source.The fire growth,fire spread and the factors which influence flame spread were analyzed on different types of cables.The results showed that ZR-YJ Yare superior to ZR-YJV and ZR-VV in the features of heat release and smoke production;but for the flame spread,ZR-YJ Yis relatively worse.The obtained data of heat release,smoke production and flame spread provide the experimental basis for the Chineses standard of《Classification for burning behavior of electrical and optical cables》.

FIPEC test;Electrical cables;Burning performance;Heat release;Smoke production

X93;X928.7

A

1004-5309(2011)-0173-06

2011-04-20;修改日期:2011-06-25

強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)《電纜及光纜燃燒性能分級(jí)》(20080908-Q-312)

包光宏,男,研究實(shí)習(xí)員,碩士。主要從事電纜、防火涂料等相關(guān)檢測技術(shù)方面的研究。