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火场条件下常用电缆产烟特征及烟气毒性研究分析

2023-11-30 25 上传者：管理员

摘要：为分析火场条件下常用电缆的产烟特征及烟气毒性，采用NBS烟密度试验箱和傅里叶红外分析仪联用装置开展了模拟火场条件下常用电缆的热解燃烧试验研究，对不同外加热辐射强度作用下不同类型和规格电缆的质量损失速率、烟气比光密度、烟气产物及烟气毒性进行了分析。结果表明：高外加热辐射强度作用下，电缆燃烧的产烟量明显增大，其质量损失速率随外加热辐射强度的增加呈线性增加；火场条件下，ZR-YJV电缆具有更大的火灾危害性，主要表现在其具有较大的烟气比光密度和较高的CO、CO2气体生成速率等方面；规格较小的电缆产烟速率更快，但差异性不显著；电缆燃烧还会产生SO2、NO2等强烈刺激性气体，其浓度均小于CO、CO2气体，但仍然超过其职业接触限值，可能会对人体造成伤害。

关键词：
产烟特征
火场条件
烟气毒性
热解燃烧试验
电缆火灾
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近年来，电缆火灾多发，并且其热毒危害较大，引起了国内外学者们的广泛关注。目前有学者针对电缆燃烧及其产物进行了大量的试验研究，如对电缆热释放速率[1,2]、烟气比光密度[3,4]、多环芳香烃(PAHs)谱分布[5]以及主要气体成分及扩散过程[6,7,8,9,10,11,12]等进行了分析。这些研究大多是针对常见的电缆用料，如XLPE(交联聚乙烯)和PVC(聚氯乙烯)等热塑性材料，缺乏对实际火场条件下阻燃电缆热解燃烧过程及烟气产物的分析。而对于常用的电缆，其在火场条件下燃烧时产生的烟气产物中的CO、CO2气体对电缆燃烧烟气产物毒性起决定作用[13,14]。鉴于此，本文选取国内市场占有率较高的两种电缆——阻燃交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电缆(ZR-YJV)和阻燃交联聚乙烯绝缘聚烯烃护套电缆(ZR-YJY)开展了热解燃烧试验研究，通过分析电缆的燃烧性能参数，考察了不同外加热辐射强度作用下电缆类型和规格对电缆产烟特征及烟气毒性的影响，以期为电缆产品合理选择以及电缆早期火灾探测提供参考。

1、试验设计

1.1 试验材料

本试验所用电缆为某电缆企业生产的规格分别为1×10 mm2、1×25 mm2、2×10 mm2、3×10 mm2、4×25 mm2的ZR-YJV(阻燃交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电缆)和1×10 mm2的ZR-YJY(阻燃交联聚乙烯绝缘聚烯烃护套电缆),试验电缆均为B级阻燃，其具体参数见表1。

表1 试验电缆具体参数

试验中将试验电缆截成若干75 mm长段状样品，样品盒底部均匀填充数层用水浸润过的脱脂棉以实现隔热保温，将样品内表面利用锡箔纸包覆形成单面受热的电缆试样，并排放置于测试台上，在不同外加热辐射强度下对电缆试样进行热解燃烧试验。试验电缆结构及受热模式如图1所示，此时电缆试样按图1(b)紧密排列，其受热表面积S为n根电缆的半个圆柱体表面积之和，其计算公式如下：

S=n(12πDH) (1)

式中：S为电缆受热表面积(mm2);n为电缆根数(根);D为电缆的外径(mm);H为电缆试样的长度(mm)。

图1 试验电缆结构及受热模式

1.2 试验设备

本文采用NBS烟密度试验箱和傅里叶红外分析仪联用装置，按照ISO5659-2标准对电缆试样进行热解燃烧试验。电缆受热试验区的组成如图2所示。密闭试验舱内电缆燃烧过程不受外部气流影响，且电加热方式可进行外加热辐射强度的精确控制，试验误差较小，可以较为真实地反映材料在火场条件下的燃烧特性[15]。每次试验前都要对试验仪器进行清洁、校准及预热等工作，以尽量减少试验误差。

图2 电缆受热试验区组成

1.3 试验方法

本试验选取6种不同规格的两类典型电缆，采用3组外加热辐射强度，从低到高依次为25、37.5和50 kW/m2,代表实际火场中不同强度的热环境，开展了模拟火场条件下电缆的热解燃烧试验，为保证试验数据的准确性，重复进行多次试验。

2、结果与分析

2.1 电缆的质量损失速率分析

图3为不同外加热辐射强度下不同规格ZR-YJV电缆热解与燃烧时的质量损失随时间的变化曲线。

图3 不同规格电缆质量损失随时间的变化曲线

由图3可以看出：随着外加热辐射强度的增大，电缆的质量损失更快，产烟量更大；同一外加热辐射强度下不同规格电缆的质量损失随时间的变化趋势相近；对于同种规格电缆，其最终的质量损失差约为0.5 g。

将图3中电缆质量损失对时间项求导，可以得到电缆的质量损失速率[16]。图4为不同规格电缆最大质量损失速率随外加热辐射强度的变化曲线。

图4 不同规格电缆最大质量损失速率随外加热辐射强度的变化曲线

由图4可见，电缆的最大质量损失速率与外加热辐射强度之间呈良好的正线性关系。因此，可以得到一个经验公式：

m″f=m″f,0+k·q″w (2)

式中：m″f为电缆最大质量损失速率(g/m2·s);m″f,0为电缆的初始最大质量损失速率(g/m2·s);q″w为外加热辐射强度(kW/m2);k为拟合曲线的斜率。

由公式(2)可求得1、3、4号电缆的k值分别为0.007 99、0.008 44、0.006 26 g/(kW·s),这种线性关系与Li等[17]的研究结果基本一致。

2.2 电缆的烟气比光密度分析

烟密度是表征电缆燃烧后一定空间内悬浮颗粒物的产量，用来反映电缆燃烧产物特性的参数[18]。本试验中NBS烟密度箱以烟气比光密度作为衡量电缆烟密度的指标，记作Ds,单位为%。试验中在不同外加热辐射强度下规格为1×10 mm2的ZR-YJV电缆和ZR-YJY电缆的烟气比光密度随时间的变化曲线如图5所示，拟合曲线斜率的绝对值为电缆烟气比光密度增长速率。

图5 不同外加热辐射强度下不同类型电缆烟气比光密度随时间的变化曲线

由图5可知：在25、37.5、50 kW/m2外加热辐射强度下ZR-YJV电缆趋于平衡的烟气比光密度值分别为689.55%、775.61%和914.88%;在3种外加热辐射强度下ZR-YJY电缆趋于平衡的烟气比光密度值分别为63.97%、207.05%和361.81%;ZR-YJV电缆的产烟量远远大于ZR-YJY电缆；在稳定上升阶段，不同外加热辐射强度下不同类型电缆烟气比光密度与时间之间具有良好的线性关系，可以进行线性拟合，该拟合曲线的拟合方程如表2所示。

表2 不同类型电缆烟气比光密度(DS)随时间(t)变化的线性拟合方程

通过对比图5中①、②、③及④、⑤、⑥曲线可以看出，无论是ZR-YJV电缆还是ZR-YJY电缆，随着外加热辐射强度的增大，电缆的烟气比光密度上升趋势加快，峰值更大，50 kW/m2与37.5 kW/m2之间、37.5 kW/m2与25 kW/m2之间相比均增加了150%左右，且电缆在相同时间内的产烟量明显增大[19]。

线芯直径对应额定载流量，通过搭配不同电缆根数，使试验达到相同额定载流量的前提条件，研究不同规格的ZR-YJV电缆烟气比光密度随时间的变化情况，其试验结果见图6。

图6 不同规格电缆烟气比光密度随时间的变化曲线

由图6可以看出：受热条件下电缆的烟气比光密度呈现先快速增长，达到峰值后保持平稳波动的趋势；电缆的最大烟气比光密度随外加热辐射强度的增加而增大，如1号电缆从25 kW/m2的715%到50 kW/m2的1 000%;对比相同额定载流量的3种不同规格电缆(1号、3号和4号电缆)可以发现电缆受热时产生的烟气比光密度总体的大小排序为1号>3号>4号，表明规格较小的电缆产烟速率更快，但这种差异性并不特别显著，甚至在出现点燃的情况下，最大烟气比光密度接近。

通过公式(1)可计算得到不同外径下电缆的受热面积，并得出电缆受热时产生的最大烟气比光密度与受热面积之间的关系曲线，如图7所示。

由图7可以看出：在3种外加热辐射强度下，随着受热面积的增大，电缆的最大烟气比光密度均呈现先增加后平稳随后继续增长的态势，电缆的中间区域最大烟气比光密度基本保持一致，表明电缆的产烟量与其受热面积呈阶梯增长；对比不同外加热辐射强度下电缆的最大烟气比光密度，其数值相差不大。

2.3 电缆的烟气毒性分析

电缆燃烧产生的烟气产物除了有烟颗粒、水蒸气之外，还包括CO、CO2、SO2、NO2等毒性气体，这些毒性气体对人体有刺激性和麻醉作用，容易造成呼吸道损伤甚至产生窒息的危害[20]。图8为25和50 kW/m2外加热辐射强度下不同类型电缆燃烧产生的CO、CO2气体质量浓度随时间的变化曲线。

由图8可以看出：在相同外加热辐射强度下，ZR-YJV电缆燃烧产生的CO气体质量浓度是ZR-YJY电缆的近3倍[图8(a)];而ZR-YJV电缆燃烧产生的CO2气体质量浓度是ZR-YJY电缆的近2倍[图8(b)]。

图7 不同外加热辐射强度下电缆最大烟气比光密度与受热面积的关系曲线

将不同规格的电缆燃烧产生的CO与CO2气体质量浓度峰值进行了比较，其结果见图9。

由图9可以看出：对于ZR-YJV电缆，电缆燃烧产生的CO气体质量浓度峰值最大超过650 mg/m3,而CO2气体质量浓度峰值最大可以达到2 800 mg/m3,其浓度变化明显[21];对比图9(a)中6种电缆燃烧产生的CO气体质量浓度峰值，发现其均随外加热辐射强度的增加呈线性增长，且1～5号电缆燃烧产生的CO气体质量浓度较为接近，均明显高于6号电缆，说明在相同火场条件下，ZR-YJV电缆受热产生CO气体的速率要高于ZR-YJY电缆；对比图9(b)中6种电缆，电缆燃烧产生的CO2气体质量浓度峰值也随外加热辐射强度增加呈线性增长，但6号电缆与其他电缆的差异性不显著，说明在相同火场条件下，常见ZR-YJV电缆受热产生CO2气体的速率与ZR-YJY电缆无明显差异。

图8 25和50 kW/m2外加热辐射强度下不同类型电缆燃烧产生的CO和CO2气体质量浓度变化曲线

图9 不同外加热辐射强度下不同规格电缆燃烧产生的CO和CO2气体质量浓度峰值的比较

试验中同时测出5号电缆燃烧产生了部分其他毒性气体包括SO2、NO2等，其气体质量浓度的变化曲线，如图10所示。

图10 25和50 kW/m2外加热辐射强度下5号电缆燃烧生成的其他典型毒性气体质量浓度的变化曲线

由图10可知：在25 kW/m2外加热辐射强度下，与CO、CO2气体相比，SO2、NO2等气体的质量浓度较低，均在20 mg/m3以内，且随电缆燃烧时间的增加无明显变化，其中NO2气体的质量浓度达到4 mg/m3;在50 kW/m2外加热辐射强度下NO2气体的质量浓度达到6 mg/m3,超过其职业接触限值的时间加权平均允许浓度5 mg/m3[22],在50 kW/m2外加热辐射强度作用下，SO2气体的质量浓度达到20 mg/m3,是其职业接触限值的短时间接触允许浓度10 mg/m3[22]的2倍，会对人体呼吸道产生严重刺激作用，即电缆燃烧的烟毒性会对人体造成伤害[23]。

3、结论

本文采用NBS烟密度试验箱和傅里叶红外分析仪联用装置，对常用阻燃电缆的产烟特性及烟气毒性进行了热解燃烧试验研究，得到的主要结论如下：

1) 电缆燃烧产生的质量损失速率随时间变化呈现先快后慢的趋势，其最大质量损失速率与外加热辐射强度之间呈良好的线性正相关关系。

2) 通过比较不同外加热辐射强度作用下趋于平衡的不同类型电缆烟气比光密度值，发现ZR-YJV电缆的产烟量远远大于ZR-YJY电缆；且随着外加热辐射强度的增大，电缆燃烧产生的烟气比光密度上升趋势加快，峰值增大；在相同额定载流量下，规格较小的电缆产烟速率更快；电缆燃烧的产烟量与其受热面积呈阶梯式增长。

3) 6种电缆燃烧产生的CO、CO2气体质量浓度峰值均随外加热辐射强度增加呈线性增长；在常用电缆火灾初期电缆燃烧生成的CO、CO2气体质量浓度变化明显，其适合作为常用电缆火灾早期特征气体；ZR-YJV电缆受热产生CO气体的速率要高于ZR-YJY电缆；与CO、CO2气体相比，电缆燃烧生成的SO2、NO2等毒性气体浓度较低，且随着燃烧时间的增加无明显变化，但其浓度均超过其职业接触限值，这些毒性气体产物的持续增加以及较高的浓度会对人体造成伤害。

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