陳 梅,黃 濤，王 旭

(1.沈陽航空航天大學(xué) 安全工程學(xué)院，沈陽 110136；2.沈陽市公安消防支隊(duì)，沈陽 110400)

民用航空與安全工程

裝飾空間燈具電氣火災(zāi)危險(xiǎn)性研究

陳 梅1,黃 濤2，王 旭1

(1.沈陽航空航天大學(xué) 安全工程學(xué)院，沈陽 110136；2.沈陽市公安消防支隊(duì)，沈陽 110400)

采用試驗(yàn)、仿真研究相結(jié)合的方式,以四種典型的LED燈、熒光燈應(yīng)用燈槽形式為例,完成了燈具發(fā)熱試驗(yàn);針對(duì)常見電氣異常、故障模式完成了不同過載倍數(shù)下的導(dǎo)線發(fā)熱試驗(yàn),并觀察了破壞狀態(tài)、行為;同時(shí),運(yùn)用ANSYS建立了選定燈槽的三維仿真模型,得到不同工作條件下燈槽內(nèi)的溫度分布仿真結(jié)果。通過設(shè)置正常、異常和故障狀態(tài)的試驗(yàn)和仿真研究,得到裝飾空間燈具電氣火災(zāi)防控辦法。

裝飾空間;電氣火災(zāi);火災(zāi)危險(xiǎn)性;溫度分布

目前我國電氣火災(zāi)危害非常嚴(yán)重,但對(duì)電氣火災(zāi)的研究以及在實(shí)踐中落實(shí)相應(yīng)的防范措施卻仍較薄弱,對(duì)電氣火災(zāi)形成的基礎(chǔ)理論研究、電氣故障火災(zāi)模式以及故障和火災(zāi)危險(xiǎn)性的關(guān)系研究仍需深入[1]。本文開展燈具及線路在正常工況、過載或短路狀態(tài)的發(fā)熱行為研究,進(jìn)而探討封閉、半封閉裝飾空間的熱平衡過程及條件,用以指導(dǎo)工程上燈具使用中的安全設(shè)計(jì),補(bǔ)充相關(guān)規(guī)范的不足[2]。

1 裝飾空間火災(zāi)分析

按照燃燒學(xué)的原理,火災(zāi)發(fā)生的必要條件是“引火源、起火物、助燃物”。構(gòu)成建筑裝飾空間電氣火災(zāi)的三要素即為:電氣引火源、可燃物(起火物)及空氣中的氧氣(助燃物)。引發(fā)建筑裝飾空間電氣火災(zāi)的可燃物是構(gòu)成火災(zāi)的基本條件,引發(fā)建筑裝飾空間電氣火災(zāi)的引火源主要是各類電器設(shè)備及用電器,電氣火災(zāi)發(fā)生的機(jī)理可以歸結(jié)為電發(fā)熱引發(fā)的火災(zāi)、電接觸劣化引發(fā)的火災(zāi)和電弧放電引發(fā)的火災(zāi)。

1.1 導(dǎo)體長時(shí)發(fā)熱

電氣線路的發(fā)熱是由于電流通過導(dǎo)體時(shí)需要克服電阻作用消耗能量,即熱能消耗的一種表現(xiàn),特別是當(dāng)通過導(dǎo)體電流大于額定電流時(shí),導(dǎo)線的溫度會(huì)急劇上升[3]。導(dǎo)線中產(chǎn)生的熱能可依據(jù)式(1)計(jì)算。

Pc=KfI2RT

(1)

式中:Pc——熱量,單位:K;

Kf——附加損耗系數(shù),其中Kf=Kl×Kj,Kl、Kj分別為近鄰系數(shù)、集膚系數(shù),其值可通過計(jì)算或查閱參考手冊(cè)得出;

I——電流強(qiáng)度,單位:A;

T——通電時(shí)間,單位:h。

由此可見,當(dāng)導(dǎo)線中通過的電流過大產(chǎn)生的熱量不能很好地散失到周圍介質(zhì)中去的時(shí)候,會(huì)使整個(gè)導(dǎo)線蓄積能量而發(fā)熱,致使絕緣被破壞而引發(fā)火災(zāi)。

1.2 導(dǎo)體短時(shí)發(fā)熱

與長時(shí)發(fā)熱相比,導(dǎo)體的短時(shí)發(fā)熱特點(diǎn)是導(dǎo)體中流過的是短路電流,數(shù)值大但是持續(xù)時(shí)間非常短。短路事故發(fā)生后,無論多快的保護(hù)繼電器也需要一定的動(dòng)作時(shí)間,在事故切除前電器或?qū)w在短路電流熱效應(yīng)的作用下溫度仍有可能被加熱到很高[4]。我們可近似地認(rèn)為短路時(shí)發(fā)熱過程是一個(gè)絕熱過程,因此短路時(shí)的熱平衡微分方程式為

I2Rθdt=cθmdθ

(2)

(3)

式中:

Id——短路電流的全電流有效值,單位:A;

Rθ——溫度為θ時(shí)導(dǎo)體的電阻,單位:Ω;

cθ——溫度為θ時(shí)導(dǎo)體的比熱容,單位:J/(kg·C);

ρ0——溫度為0 ℃時(shí)導(dǎo)體的電阻率,單位:Ω·m;

c0——溫度為0 ℃時(shí)導(dǎo)體的比熱容,單位:J/(kg·C);

α、β——分別ρ0和c0的溫度系數(shù),單位:J/℃;

m——導(dǎo)體的質(zhì)量,單位:kg;

l——導(dǎo)體的長度,單位:m;

S——導(dǎo)體的截面積,單位:m2;

γ——導(dǎo)體材料的密度,單位:kg/m2。

1.3 電弧發(fā)熱

所謂電弧,是指由電源供給在兩極之間產(chǎn)生的強(qiáng)烈而持久的氣體放電現(xiàn)象。當(dāng)開關(guān)電器斷開電流時(shí),如果電路電壓達(dá)到12 V～20 V,電流達(dá)到0.25 A～1 A,電器的觸頭間便會(huì)產(chǎn)生電弧。如果開斷電流或弧隙的電壓小于上述值,則只能產(chǎn)生為時(shí)極短的弧光放電,也稱為電火花。電弧的溫度很高,電弧形成后,由電源不斷地輸送能量維持其燃燒并產(chǎn)生很高的溫度。電弧燃燒時(shí)能量高度集中,弧柱區(qū)中心溫度可達(dá)到10 000 ℃以上,表面溫度也有3 000～4 000 ℃,同時(shí)發(fā)出強(qiáng)烈的白光,產(chǎn)生電弧的游離方式有熱電發(fā)射、和高電場(chǎng)發(fā)射兩種。

1.4 裝飾空間發(fā)熱與散熱分析

本文主要研究裝飾空間內(nèi)燈具、燈具連接線路及連接件的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)[5]。從長時(shí)間工作的角度考慮,燈具及其連接件、連接導(dǎo)線的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)根據(jù)發(fā)熱與散熱的關(guān)系確定,如果燈具、連接件和連接導(dǎo)線的發(fā)熱量不大于散熱量,我們可認(rèn)為火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)可接受,反之,則需要采取措施控制風(fēng)險(xiǎn)。裝飾空間內(nèi)燈具、連接件及連接導(dǎo)線的發(fā)熱量與散熱量關(guān)系被認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)可接受,如式(4)所示。

KfI2RT-KTSΔθ≤0

(4)

式(4)中,由于燈具、連接件及導(dǎo)線的材料、形狀等影響因素都有差異,即Kf值有差異;KT和S分別為綜合表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和有效散熱面積,兩個(gè)參數(shù)都需要通過試驗(yàn)進(jìn)一步確定。

2 裝飾空間內(nèi)燈具及導(dǎo)線發(fā)熱溫度分布試驗(yàn)

目前建筑內(nèi)裝飾空間的造型主要有吊頂封閉、半封閉及壁燈封閉空間等幾種類型,主要使用LED支架燈、熒光燈、LED燈帶等。本文構(gòu)建典型模型燈槽進(jìn)行試驗(yàn)分析,監(jiān)測(cè)造型空間內(nèi)溫度分布情況,并以此研究裝飾造型設(shè)計(jì)的改進(jìn)方案[6]。

燈槽試驗(yàn)裝置選取三種典型燈箱(弧形燈槽、矩形燈箱、大矩形燈箱),燈箱結(jié)構(gòu)為木板+石膏板。按照實(shí)際工程中燈具的類型選擇和安裝方式固定好燈具。①“回型”燈槽內(nèi)兩側(cè)各安裝一個(gè)21 W的T5熒光燈;②弧形燈槽為半徑為1 080 mm的1/4圓弧,內(nèi)部設(shè)置功率為7.5 W/m的軟燈帶;③矩形燈箱尺寸(長×寬×高)為1 200 mm×600 mm×200 mm,內(nèi)部設(shè)置三支21 W的T5熒光燈;④大LED矩形燈箱尺寸(長×寬×高)為2 400 mm×900 mm×280 mm,內(nèi)部設(shè)置功率為14 W的LED一體化燈12支。根據(jù)燈箱結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性布置一定數(shù)量的K型熱電偶,利用分布式溫度采集儀讀取各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度示數(shù)。

表1 試驗(yàn)材料

燈槽試驗(yàn)基準(zhǔn)設(shè)置為電源電壓220 V,通電時(shí)間為7 200 s。按照有關(guān)規(guī)定,導(dǎo)線的正常最高允許溫度,一般不超過70 ℃,短路最高允許溫度可高于正常最高允許溫度,銅導(dǎo)線可達(dá)300 ℃,導(dǎo)線的溫度越高,絕緣材料就會(huì)急劇老化,絕緣的壽命就越短,引起線路短路、發(fā)生火災(zāi)的可能性就增大。針對(duì)室內(nèi)燈具電氣布線導(dǎo)線特性,監(jiān)測(cè)記錄導(dǎo)線溫度變化狀態(tài),為導(dǎo)線產(chǎn)熱、導(dǎo)熱、散熱基本原理分析、密閉空間內(nèi)溫度場(chǎng)變化規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬分析奠定基礎(chǔ)[7]。圖1至圖8為四種類型燈槽試驗(yàn)結(jié)果。

(1)“回型”半封閉燈槽

圖1 燈管表面溫度

圖2 燈管中部各點(diǎn)溫度變化圖

(2)弧形封閉燈槽

圖3 LED軟燈帶表面溫度圖

圖4 5度角度各高度溫度隨時(shí)間變化圖

(3)矩形封閉燈槽

圖5 熱像儀監(jiān)測(cè)溫度

圖6 燈管表面溫度分布

(4)LED矩形燈槽

圖7 燈管熱像儀監(jiān)測(cè)溫度

圖8 燈管表面溫度圖

3 裝飾空間熱過程仿真分析

3.1 密閉空間模型建立

為完善研究工作,在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了數(shù)值仿真。燈槽和幾種典型燈的物理模型依據(jù)實(shí)際燈箱尺寸和幾種燈出廠參數(shù)的尺寸建立,分析燈箱模型中各部分的基本特征,在Unigraphics NX中對(duì)各個(gè)部分單獨(dú)繪制,建立三維燈箱物理模型[8]。

表2 密閉空間內(nèi)材料屬性設(shè)定

3.2 密閉空間內(nèi)燈具發(fā)熱溫度分布

(1)“回型”半封閉燈槽

選取過燈管表面平面、燈管上方30 mm平面、燈管上方60 mm平面等平面查看燈箱模擬結(jié)果并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,以便修正密閉空間模型和邊界條件,如圖9所示。

圖9 “回型”半封閉燈槽溫度圖

(2)弧形封閉燈槽

選取過5度、25度、45度測(cè)溫平面分別在燈帶正上方50 mm平面、燈帶正上方100 mm平面、燈帶正上方150 mm平面等平面查看燈箱模擬結(jié)果并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,如圖10所示。

圖10 弧形封閉燈槽溫度圖

(3)熒光燈矩形封閉燈箱

選取過燈管表面平面、燈管正上方50 mm平面、燈管正上方100 mm平面等平面查看燈箱模擬結(jié)果并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,如圖11所示。

圖11 熒光燈矩形封閉燈箱溫度圖

(4)LED矩形封閉燈箱

選取過燈管表面平面、燈管正上方60 mm平面、燈管正上方120 mm平面等平面查看燈箱模擬結(jié)果并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,如圖12所示。

圖12 熒光燈矩形封閉燈箱溫度圖

3.3 密閉裝飾空間內(nèi)異常狀態(tài)溫度分布

(1)導(dǎo)線過流溫度分布

模擬導(dǎo)線絕緣層在老化、劣化的持續(xù)發(fā)熱情況下,采取電路在1.7 Ie載流量下導(dǎo)線絕緣層受熱溫度值,進(jìn)行熒光燈密閉空間內(nèi)溫度分布分析[9]。

圖13 導(dǎo)線區(qū)域溫度分布

導(dǎo)線距離左側(cè)燈箱木板的距離約3 mm,木板局部溫度約為84℃。導(dǎo)線距燈箱下木板距離約5 mm,燈箱木板局部溫度為84 ℃。導(dǎo)線區(qū)域及燈管燈頭局部區(qū)域平均溫度在50 ℃左右,已達(dá)到燈管正常工作環(huán)境臨界溫度點(diǎn),不利于熒光燈鎮(zhèn)流器、啟輝器的正常啟動(dòng),會(huì)造成鎮(zhèn)流器的局部發(fā)熱,并加劇燈管光能向熱能的轉(zhuǎn)化并產(chǎn)生更多的熱量,從而造成密閉空間熱量的集聚[10]。

(2)導(dǎo)線鉸接連接狀態(tài)溫度分布

①密閉裝飾空間內(nèi)導(dǎo)線鉸接連接狀態(tài)溫度分布。

圖14 仿真結(jié)果

導(dǎo)線接頭位置距燈箱下側(cè)板距離約為5 mm,局部溫度達(dá)到500 ℃。接頭位置距燈箱一側(cè)木板距離約為3 mm,木板局部溫度約600 ℃。由于導(dǎo)線鉸接點(diǎn)產(chǎn)生的瞬間高溫并伴有少量的高溫熔珠,會(huì)造成附近10 mm距離的絕緣層軟化、炭化,會(huì)加速導(dǎo)線絕緣層破壞,局部導(dǎo)線區(qū)域持續(xù)發(fā)熱,造成高溫區(qū)范圍擴(kuò)大。

②回型半封閉箱內(nèi)接頭虛搭接狀態(tài)

“回型”燈箱兩側(cè)分別安裝一支T5熒光燈,燈的一端連接線有一處接頭,模擬分析接頭虛搭接狀態(tài)下發(fā)熱及燈管正常照明發(fā)熱?；匦桶敕忾]燈箱的開口率較大,分析在長時(shí)間虛搭接發(fā)熱下空間內(nèi)溫度分布情況[11]。根據(jù)實(shí)際情況燈管導(dǎo)線布置一般與裝飾木板直接接觸,在接頭鉸接發(fā)熱時(shí),參考導(dǎo)線異常監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行設(shè)定。

由圖15可知,在燈管正常照明、接頭鉸接工作時(shí),回型半封閉燈箱大部分區(qū)域的溫度在40 ℃以下,僅有導(dǎo)線接頭鉸接的一端局部溫度較高,已達(dá)到60 ℃左右,燈管端頭的區(qū)域在44 ℃左右,空間溫度在燈管正常工作環(huán)境條件以內(nèi)。但是由于導(dǎo)線與裝飾木板直接接觸,導(dǎo)線距離左側(cè)燈箱木板的距離約3 mm,木板局部溫度達(dá)到了90 ℃。導(dǎo)線距燈箱下側(cè)木板約0.5 mm,燈箱下側(cè)板局部溫度約為95 ℃[12]。

③密封箱內(nèi)導(dǎo)線虛搭接狀態(tài)溫度模擬分析

由圖16可知,燈箱一端導(dǎo)線附件局部溫度約為80 ℃,燈箱上木板局部溫度約為70 ℃。燈管附近溫度為75 ℃以上,密閉空間內(nèi)三分之二的空間溫度為60 ℃以上?？梢妼?dǎo)線長時(shí)間虛搭接工作狀態(tài),可造成導(dǎo)線接頭長時(shí)間發(fā)熱,造成密閉箱內(nèi)溫度明顯升高,附近裝飾木板的接觸溫度可到80 ℃。

圖15 導(dǎo)線接頭溫度分布

圖16 過導(dǎo)線接頭平面溫度圖

圖17 導(dǎo)線區(qū)域溫度分布

(3)燈槽開孔設(shè)計(jì)對(duì)溫度分布的影響

為有效降低導(dǎo)線、導(dǎo)線連接接頭發(fā)熱和燈管長時(shí)間照明發(fā)熱熱量的聚集,在燈箱頂部設(shè)計(jì)了開口率10%的開孔,主要布置在燈管兩端高溫區(qū)及中間部位,便于兩端高溫空氣的散失。[13]

由圖18可知,燈箱一側(cè)局部溫度約為75 ℃,燈箱下木板局部溫度約為70 ℃。密閉空間內(nèi)除燈光附近溫度略高外,其他區(qū)域空間溫度為44 ℃。頂部散熱口的設(shè)計(jì),可有效降低密閉燈箱內(nèi)長時(shí)間照明及導(dǎo)線發(fā)熱造成的空間內(nèi)溫度,有利于空氣的對(duì)流散熱[14]。

圖18 仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文根據(jù)裝飾空間電氣火災(zāi)原因和常用LED、T5熒光燈及連接導(dǎo)線的發(fā)熱、散熱原理分析[15],開展了(半)密閉裝飾空間內(nèi)燈具正常照明狀態(tài)下的空間溫度監(jiān)測(cè)及仿真,電氣異?，F(xiàn)象溫度監(jiān)測(cè)和現(xiàn)象試驗(yàn)分析[16],針對(duì)電氣施工火災(zāi)防范對(duì)策、重點(diǎn)提出廣泛性應(yīng)用的具體舉措如下:

(1)針對(duì)導(dǎo)線彎曲點(diǎn)是電氣火災(zāi)薄弱點(diǎn)的現(xiàn)實(shí)情況,裝飾空間內(nèi)應(yīng)盡量采取直線布置方式,減少彎曲處導(dǎo)線線芯熱量聚集、絕緣層彎曲受損并受高溫破損;

(2)針對(duì)導(dǎo)線接頭是電氣火災(zāi)隱患點(diǎn)和薄弱點(diǎn)的現(xiàn)實(shí)特點(diǎn),在微過載情況下,接觸不良狀態(tài)下溫升比較明顯,應(yīng)采取合理的措施進(jìn)行隔熱保護(hù);

(3)針對(duì)裝飾空間內(nèi)電氣異常狀態(tài)下溫度分布和火災(zāi)薄弱點(diǎn)的規(guī)律特點(diǎn),應(yīng)對(duì)裝飾空間內(nèi)裝飾可燃物進(jìn)行防火保護(hù)措施。

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(責(zé)任編輯：劉劃 英文審校：靖可)

Studyonelectricalfireharmfulnessoflampindecorativespace

CHEN Mei1,HUANG Tao

(1.School of Safety Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China;2.Police Security Fire Army,Shenyang 110400,China)

We carry out our study with both simulation and experiments.Initially,this work completes the lamp heating test with four typical LED lamps and fluorescent lamps.Then,according to the common electrical anomaly and the failure models,the wire heating test is implemented under different overload pressure to observe the damage behavior.Meanwhile,the three-dimensional simulation models of selected light tanks are established by ANSYS,and the simulation results of temperature distribution at different working conditions are obtained.By comparatively analyzing the results of simulation and testing under the normal,abnormal and fault state,we obtain the way of controling electrical fire harmfulness of lamp in decorative space.

decorative space;electrical fire;fire harmfulness;temperature distribution

2017-02-01

陳 梅(1991-)，女，遼寧錦州人，碩士研究生，主要研究方向：防火防爆工程與技術(shù)，E-mail:chenmei725@hotmail.com；王 旭(1960-)，男，遼寧沈陽人，教授，主要研究方向：電氣安全及相關(guān)領(lǐng)域風(fēng)險(xiǎn)分析，E-mail:wangx1960@163.com。

2095-1248(2017)04-0069-08

TM92;TU998.1

： A

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.04.009