朱輝 黃涵煜 思濤

（1.應(yīng)急管理部四川消防研究所，四川 成都 610036；2.鄂爾多斯市消防技術(shù)服務(wù)中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010）

0 引言

隨著城市化建設(shè)的快速發(fā)展，隧道火災(zāi)事故頻發(fā)。其中，因隧道內(nèi)電纜故障引發(fā)的火災(zāi)事故占比較高。因此針對(duì)電纜在隧道環(huán)境中（如電纜夾層、橋架、豎井等）的燃燒特性開(kāi)展研究，對(duì)隧道電力系統(tǒng)安全運(yùn)行、降低火災(zāi)危害具有重要意義。

針對(duì)電纜在不同環(huán)境中的燃燒特性，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究。在電纜夾層環(huán)境中，李曉康等［1］通過(guò)錐形量熱儀試驗(yàn)研究了不同熱輻射強(qiáng)度對(duì)阻燃涂料電纜燃燒性能的影響，得到熱釋放速率、產(chǎn)煙速率等相關(guān)參數(shù)。在電纜橋架環(huán)境中，MCGRATTANK等［2］通過(guò)研究電纜豎井中豎向電纜橋架燃燒過(guò)程，確定了電纜燃燒時(shí)的熱釋放速率和火焰?zhèn)鞑ニ俾?。在電纜豎井環(huán)境中，前人開(kāi)展了不同類型動(dòng)力電纜和控制電纜的燃燒實(shí)驗(yàn)，所得數(shù)據(jù)包含引發(fā)電纜熱解和著火的輻射熱通量、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、燃燒生成的熱量、質(zhì)量損失以及煙氣釋放量，同時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜豎井中安放電纜槽盒會(huì)加快電纜火蔓延速度［3］。在封閉空間環(huán)境中，羅夏等［4］研究了變電站封閉空間對(duì)豎向電纜燃燒過(guò)程的影響，對(duì)比開(kāi)放空間和封閉空間內(nèi)豎向電纜的燃燒過(guò)程發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)臨界區(qū)間，該區(qū)間是影響煙氣層對(duì)電纜的熱反饋的重要因素。而夏云春［5］通過(guò)多種環(huán)境耦合開(kāi)展了電纜傾斜角度、電纜尺寸、電纜數(shù)量及電纜間距為變量的電纜火蔓延試驗(yàn)，分析了各個(gè)工況下電纜豎向燃燒特性。

筆者通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在電纜豎井中，電纜通常以電纜束的形式固定在電纜橋架上，且與墻體平行。當(dāng)電纜在豎井中燃燒時(shí)，由于電纜與豎井墻體之間存在空間距離，便形成了受限空間條件下的燃燒型式。因此，筆者通過(guò)改變墻體與電纜之間的距離，開(kāi)展受限空間條件下電纜燃燒特性實(shí)驗(yàn)，揭示電纜燃燒特性變化規(guī)律，建立受限空間電纜豎向燃燒的數(shù)學(xué)模型。研究結(jié)論可為電纜消防安全提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

受限空間影響電纜燃燒實(shí)驗(yàn)基于應(yīng)急管理部四川消防研究所電纜豎向燃燒平臺(tái)，該平臺(tái)主要包括頂部集煙系統(tǒng)、電纜橋架燃燒系統(tǒng)、質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)等，平臺(tái)示意圖如圖1所示。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 18380—2008，點(diǎn)火源使用純度為95%的技術(shù)級(jí)丙烷氣體，流速控制為13 L/min，火焰熱值為20 kW，丙烷引火源加熱材料時(shí)間為3 min。引火源距離電纜橋架下方8 cm。電纜下方放置的電子稱與電腦連接，測(cè)量范圍0~22 kg，測(cè)量精確度0.1 g，每10 s記錄一次樣品質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)側(cè)方放置攝像機(jī)，記錄燃燒過(guò)程中火焰平均發(fā)光高度Lm和火焰厚度df。電纜迎火面布置水冷式熱流計(jì)，熱流計(jì)表面與電纜表面平齊，標(biāo)準(zhǔn)量程為0~120 kW/m2，耐溫上限為500℃，精度為±3%，水冷循環(huán)10 mL/s以降低熱流計(jì)工作溫度，可實(shí)時(shí)測(cè)量電纜表面接收到的凈熱流［6］。電纜正上方設(shè)置一個(gè)熱電偶，用于測(cè)量火焰溫度Tf；電纜中心設(shè)置一個(gè)熱電偶，用于測(cè)量電纜表面溫度Ts。

圖1 電纜燃燒平臺(tái)示意

實(shí)驗(yàn)使用8根交聯(lián)聚乙烯電力電纜并排放置在電纜橋架內(nèi)，電纜總長(zhǎng)度為500 mm，寬度為150 mm，電纜樣品燃燒示意圖如圖2所示。實(shí)驗(yàn)使用25 mm厚的硅酸鈣防火板放置在樣品前方，模擬真實(shí)情況下的豎井墻體［7-8］，防火板正中心設(shè)置一個(gè)熱電偶，用于測(cè)量墻體溫度Tw。實(shí)驗(yàn)用電纜相關(guān)物理參數(shù)如表1所示［9-10］，實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置如表2所示。為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每種受限空間距離工況條件下電纜豎向燃燒實(shí)驗(yàn)開(kāi)展3次，各項(xiàng)數(shù)據(jù)取平均值。

圖2 電纜束樣品

表1 電纜材料物理參數(shù)

表2實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置 mm

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 電纜燃燒特性分析

圖3表示不同受限空間距離條件下電纜燃燒質(zhì)量變化曲線圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，受限空間距離為40 mm工況時(shí)，電纜燃燒持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，超過(guò)1 000 s，且剩余質(zhì)量較多，約為837 g。受限空間距離為80 mm工況時(shí)，電纜燃燒持續(xù)時(shí)間最短，只有440 s左右，但是剩余質(zhì)量較少，約為690 g。對(duì)比受限空間距離為120 mm和無(wú)墻體限制工況下的電纜燃燒質(zhì)量變化曲線，兩者基本相同。說(shuō)明受限空間距離影響了電纜燃燒效率，即受限空間距離較小時(shí)，電纜燃燒不充分，剩余的可燃材料較多。

圖3 電纜燃燒質(zhì)量變化曲線

圖4表示不同受限空間距離條件下電纜穩(wěn)定燃燒階段各熱電偶測(cè)量到的溫度平均值，其中Tf為火焰溫度，Ts為電纜表面溫度，Tw為墻體溫度。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨受限空間距離增大，各熱電偶測(cè)量溫度曲線均為先增大后減小。受限空間距離為40 mm工況時(shí)，火焰溫度Tf約為503℃；受限空間距離增大至80 mm工況，火焰溫度上升至582℃；隨受限空間距離繼續(xù)增大，火焰溫度略微下降。另一方面，電纜表面溫度Ts隨受限空間距離增大，測(cè)量數(shù)值略微變化，在314~355℃之間。而墻體溫度Tw變化較為明顯，受限空間距離為40 mm工況時(shí)測(cè)量溫度為182℃；隨受限空間距離增大，在80 mm工況時(shí)測(cè)量溫度為234℃；隨受限空間距離繼續(xù)增大，墻體溫度快速降低；當(dāng)受限空間距離為120 mm工況時(shí)，墻體溫度測(cè)量為47℃，基本降至環(huán)境溫度T0（25℃）。

圖4 熱電偶測(cè)量數(shù)據(jù)

圖5表示不同受限空間距離條件下電纜穩(wěn)定燃燒階段的火焰尺寸圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)受限空間距離為40 mm工況時(shí)，火焰高度和火焰厚度數(shù)值較小，分別為692 mm和61.9 mm；隨著受限空間距離增大，火焰高度和火焰厚度數(shù)值隨之升高，80 mm工況時(shí)分別達(dá)到875 mm和75.1 mm；隨受限空間距離繼續(xù)增大，火焰高度略有下降，而火焰厚度基本保持不變。

圖5 不同受限空間距離影響火焰尺寸

2.2 質(zhì)量損失速率分析

通過(guò)對(duì)圖3求導(dǎo)，得到不同受限空間距離工況下電纜燃燒時(shí)質(zhì)量損失速率隨時(shí)間變化曲線，如圖6所示。從圖中曲線趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，不同受限空間距離條件下，電纜燃燒時(shí)的質(zhì)量損失速率均是先增大，達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定階段，然后開(kāi)始降低。通過(guò)圖6可以得到，受限空間距離大小直接影響電纜燃燒過(guò)程，當(dāng)受限空間距離為40 mm工況時(shí)，質(zhì)量損失速率峰值最小，峰值為0.61 g/s。隨著受限空間距離增大，質(zhì)量損失速率峰值也隨著增大。受限空間距離為80 mm工況時(shí)質(zhì)量損失速率峰值最大，達(dá)到2.22 g/s，大約是40 mm工況的3倍。當(dāng)受限空間距離繼續(xù)增大時(shí)，質(zhì)量損失速率峰值開(kāi)始減小。當(dāng)受限空間距離達(dá)到120 mm時(shí)，電纜燃燒質(zhì)量損失速率與無(wú)墻體限制燃燒時(shí)的曲線基本相同，峰值約為1.28 g/s。說(shuō)明當(dāng)空間距離增大到一定階段，墻體對(duì)電纜燃燒的影響可以忽略。

圖6 電纜燃燒質(zhì)量損失速率

為了進(jìn)一步研究受限空間距離影響電纜燃燒特性，選取各個(gè)受限空間距離工況下電纜質(zhì)量損失速率穩(wěn)定值進(jìn)行分析，推導(dǎo)單位面積質(zhì)量損失速率，推導(dǎo)公式如下：

從圖7中可以看出，隨著受限空間距離增大，單位面積平均質(zhì)量損失速率的軌跡相同，即先增大后減小，最大單位面積質(zhì)量損失速率出現(xiàn)在b/H=0.16處。對(duì)比其他學(xué)者研究結(jié)論，最大單位面積質(zhì)量損失速率發(fā)生時(shí)，受限空間距離與樣品高度的比值不相同，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因?yàn)楸敬螌?shí)驗(yàn)使用的材料為交聯(lián)聚乙烯材料，對(duì)比其他學(xué)者實(shí)驗(yàn)材料的熱物性不相同。另一方面，本次實(shí)驗(yàn)和ZHUH開(kāi)展實(shí)驗(yàn)使用的材料樣品寬度較小，分別為150 mm和50 mm，而TANMANINI F和WANG H Y等使用材料的寬度約為500 mm。然而，無(wú)論材料的尺寸如何變化，隨著受限空間距離增大，單位面積質(zhì)量損失速率都是先增大后減小，最終達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值（對(duì)比受限空間距離120 mm工況與無(wú)墻體限制工況下平均質(zhì)量損失速率基本相等），不受墻體的影響。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，各學(xué)者得到的最大單位面積質(zhì)量損失速率發(fā)生的無(wú)量綱區(qū)間基本在0.05~0.25，說(shuō)明在此區(qū)間內(nèi)，隨受限空間距離變化，材料燃燒質(zhì)量損失速率變化較為明顯。

圖7 單位面積平均質(zhì)量損失速率

2.3 凈熱流分析

圖8表示電纜在不同受限空間距離工況下燃燒時(shí)，其表面接收到的凈熱流值。從圖中可以得到，墻體與電纜之間的受限空間距離為40 mm工況時(shí)，電纜表面接收到的凈熱流量最小，為15.5 kW/m2；隨著空間距離增大，電纜表面接收到的凈熱流值先隨之增大，當(dāng)受限空間為80 mm工況時(shí)，凈熱流達(dá)到最大，為38.3 kW/m2；隨著受限空間距離繼續(xù)增大，凈熱流開(kāi)始減小，當(dāng)受限空間距離達(dá)到120 mm工況時(shí)，凈熱流值與無(wú)墻體限制工況基本相同，為24.6 kW/m2。

圖8 不同受限空間距離影響凈熱流值趨勢(shì)

根據(jù)材料的汽化速率與質(zhì)量損失速率的關(guān)系，受限空間條件下電纜燃燒質(zhì)量損失速率方程與凈熱流關(guān)系如下［14-15］：

式中，h是對(duì)流換熱系數(shù)，kW/（m2·K）；Tf是火焰溫度，℃；Ts表示電纜表面溫度，℃；火焰的輻射傳熱計(jì)算公式如下：

式中，kf是火焰吸收系數(shù)，m-1；a為修正系數(shù)，W為樣品寬度，mm；Lm為平均火焰發(fā)光長(zhǎng)度，mm；Ff為火焰受限空間因子，基于受限空間距離b與火焰厚度df的差值，以及樣品寬度W，其表達(dá)式為：

墻體反射的輻射傳熱的表達(dá)式如下：

式中，Tw表示墻體溫度，℃；為火焰發(fā)射率，為玻爾茲曼常數(shù)；為墻體受限空間因子，表達(dá)式如下：

火焰輻射熱損失表達(dá)式如下：

將實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的火焰溫度Tf、電纜表面溫度Ts、墻體溫度Tw、平均火焰發(fā)光長(zhǎng)度Lm及火焰厚度d f代入式（3）—（9）中，計(jì)算得到凈熱流模型推導(dǎo)結(jié)果，如圖8所示。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩者隨空間距離增大的變化趨勢(shì)相同，但是在模型計(jì)算時(shí)，火焰厚度取值為最大火焰厚度，并非平均火焰厚度，因此模型推導(dǎo)得到不同受限空間距離工況下的凈熱流值大于測(cè)量的凈熱流值。上述公式可視為電纜在豎井受限空間條件下燃燒的理論分析公式。即電纜在豎井中燃燒主要受凈熱流的影響，包括火焰的輻射傳熱、火焰的對(duì)流傳熱、墻體反射的輻射傳熱及輻射熱損失共同作用。

3 結(jié)論

本文采用實(shí)驗(yàn)研究與理論分析相結(jié)合的方法，研究了受限空間距離對(duì)電纜豎向燃燒的影響規(guī)律，主要得到如下結(jié)論：

1）隨著受限空間距離增大，電纜穩(wěn)定燃燒的質(zhì)量損失速率先增大后減??；當(dāng)受限空間距離為80 mm時(shí)，單位面積質(zhì)量損失速率最大；當(dāng)受限空間距離為120 mm時(shí)，電纜燃燒特性與無(wú)墻體限制燃燒時(shí)基本相同。

2）最大單位面積質(zhì)量損失速率發(fā)生的無(wú)量綱值（受限空間距離與樣品高度的比值）為0.16，通過(guò)對(duì)比其他學(xué)者研究結(jié)論，無(wú)量綱區(qū)間在0.05~0.25，隨受限空間距離增大，材料燃燒質(zhì)量損失速率變化較為明顯。

3）通過(guò)理論分析了受限空間條件下電纜燃燒特性受到火焰凈熱流影響，并建立了預(yù)測(cè)公式，能夠較好地預(yù)測(cè)火焰凈熱流與受限空間距離之間的關(guān)系。