受限空间条件下电缆竖向燃烧特性实验研究_朱辉.pdf
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1、1安全技术及工程受限空间条件下电缆竖向燃烧特性实验研究*朱辉1黄涵煜1思涛2(1.应急管理部 四川消防研究所,四川 成都 610036;2.鄂尔多斯市消防技术服务中心,内蒙古 鄂尔多斯 017010)摘要针对隧道受限空间电缆火灾风险,利用电缆竖向燃烧平台首次开展了受限空间影响电缆燃烧特性实验,通过改变防火板与电缆之间的受限空间距离,得到电缆燃烧特性变化规律:随受限空间距离增大,电缆燃烧质量损失速率、测量温度值、测量净热流值均先增大后减小,当受限空间距离为 80 mm 时,单位面积质量损失速率最大。受限空间距离与样品高度的比值在 0.050.25 变化时,材料燃烧质量损失速率变化较为明显。基于热
2、平衡方程建立了受限空间距离影响火焰净热流数学模型,实验结果和模型预测结果较一致。关键词电缆燃烧隧道受限空间质量损失速率净热流Experimental study on vertical combustion characteristics of cable in confined spaceZHU Hui1HUANG Hanyu1SI Tao2(1.Sichuan Fire Research Institute of MEM,Chengdu Sichuan 610036,China)AbstractAiming at the fire risk of cable in tunnel confi
3、ned space,the experiment of cable combustion characteristicsin confined space is carried out by using cable verticalcombustion platformfor the firsttime.By changing the confinedspace distance between the fireproof board and the cable,the law of cable combustion characteristics is obtained.Withthe in
4、crease of the confined space distance,the cable combustion mass loss rate,measured temperature value and me-asured net heat flow value first increase and then decrease.When the confined space distance is 80 mm,the mass lossrate per unit area is the largest.When the ratio of confined space distance t
5、o sample height changes within 0.050.25,the change of material combustion mass loss rate is more obvious.Based on the heat balance equation,a mathematicalmodel of the effect of confined space distance on flame net heat flow is established.The experimental results are con-sistent with the predicted r
6、esults of the model.Key wordscable burningtunnel confined spacemass loss ratenet heat flow0引言随着城市化建设的快速发展,隧道火灾事故频发。其中,因隧道内电缆故障引发的火灾事故占比较高。因此针对电缆在隧道环境中(如电缆夹层、桥架、竖井等)的燃烧特性开展研究,对隧道电力系统安全运行、降低火灾危害具有重要意义。针对电缆在不同环境中的燃烧特性,国内外众多学者开展了相关研究。在电缆夹层环境中,李晓康等1通过锥形量热仪试验研究了不同热辐射强度对阻燃涂料电缆燃烧性能的影响,得到热释放速率、产 烟 速 率 等 相 关
7、参 数。在 电 缆 桥 架 环 境 中,MCGRATTANK等2通过研究电缆竖井中竖向电缆桥架燃烧过程,确定了电缆燃烧时的热释放速率和火焰传播速率。在电缆竖井环境中,前人开展了不同类型动力电缆和控制电缆的燃烧实验,所得数据包含引发电缆热解和着火的辐射热通量、火焰传播速度、燃烧生成的热量、质量损失以及烟气释放量,同时发现电缆竖井中安放电缆槽盒会加快电缆火蔓延速度3。在封闭空间环境中,罗夏等4研究了变电站封闭空间对竖向电缆燃烧过程的影响,对比开放空间和封闭空间内竖向电缆的燃烧过程发现存在一个临界区间,该区间是影响烟气层对电缆的热反馈的重要因素。而夏云春5通过多种环境耦合开展了电缆倾斜角度、电缆尺寸
8、、电缆数量及电缆间距为变量的电缆火蔓延试验,分析了各个工况下电缆竖向燃烧特性。笔者通过调研发现,在电缆竖井中,电缆通常以电缆束的形式固定在电缆桥架上,且与墙体平行。当2023 年第 49 卷第 2 期February 2023*基金项目:国家重点研发计划项目(2021YFC3002000);应急管理部消防救援局科技计划项目(2021XFCX26)。2电缆在竖井中燃烧时,由于电缆与竖井墙体之间存在空间距离,便形成了受限空间条件下的燃烧型式。因此,笔者通过改变墙体与电缆之间的距离,开展受限空间条件下电缆燃烧特性实验,揭示电缆燃烧特性变化规律,建立受限空间电缆竖向燃烧的数学模型。研究结论可为电缆消防
9、安全提供理论依据。1实验介绍受限空间影响电缆燃烧实验基于应急管理部四川消防研究所电缆竖向燃烧平台,该平台主要包括顶部集烟系统、电缆桥架燃烧系统、质量测量系统、点火系统等,平台示意图如图 1 所示。根据国标 GB/T183802008,点火源使用纯度为 95%的技术级丙烷气体,流速控制为13L/min,火焰热值为20kW,丙烷引火源加热材料时间为 3 min。引火源距离电缆桥架下方 8 cm。电缆下方放置的电子称与电脑连接,测量范围 0 22 kg,测量精确度 0.1 g,每 10 s 记录一次样品质量。实验平台侧方放置摄像机,记录燃烧过程中火焰平均发光高度 Lm和火焰厚度 df。电缆迎火面布置
10、水冷式热流计,热流计表面与电缆表面平齐,标准量程为 0 120 kW/m2,耐温上限为 500,精度为 3%,水冷循环 10 mL/s 以降低热流计工作温度,可实时测量电缆表面接收到的净热流6。电缆正上方设置一个热电偶,用于测量火焰温度Tf;电缆中心设置一个热电偶,用于测量电缆表面温度Ts。1集烟罩;2电缆竖井墙体;3墙体热电偶;4火焰热电偶;5电缆表面热电偶;6电缆束;7电缆桥架;8热流计;9引火源;10电子秤;11摄像机。图 1电缆燃烧平台示意实验使用 8 根交联聚乙烯电力电缆并排放置在电缆桥架内,电缆总长度为500mm,宽度为150mm,电缆样品燃烧示意图如图2 所示。实验使用 25mm
11、厚的硅酸钙防火板放置在样品前方,模拟真实情况下的竖井墙体7-8,防火板正中心设置一个热电偶,用于测量墙体温度 Tw。实验用电缆相关物理参数如表1 所示9-10,实验工况设置如表 2 所示。为了保证实验的准确性,每种受限空间距离工况条件下电缆竖向燃烧实验开展 3 次,各项数据取平均值。图 2电缆束样品表 1电缆材料物理参数材料导热系数/W (m K)-1密度/(kgm-3)比热容/kJ (kg K)-1交联聚乙烯0.49202.30表 2实验工况设置mm实验样品交联聚乙烯电力电缆束(直径 17.5 mm)长度为 500 mm,宽度为 150 mm受限空间距离406080100120无限制2实验结
12、果及分析2.1电缆燃烧特性分析图3 表示不同受限空间距离条件下电缆燃烧质量变化曲线图。从图中可以发现,受限空间距离为40 mm 工况时,电缆燃烧持续时间最长,超过 1 000s,且剩余质量较多,约为 837g。受限空间距离为 80mm 工况时,电缆燃烧持续时间最短,只有 440 s 左右,但是剩余质量较少,约为 690 g。对比受限空间距离为 120 mm 和无墙体限制工况下的电缆燃烧质量变化曲线,两者基本相同。说明受限空间距离影响了电缆燃烧效率,即受限空间距离较小时,电缆燃烧不充分,剩余的可燃材料较多。时间/s图 3电缆燃烧质量变化曲线3受限距离/mm图 4热电偶测量数据图4 表示不同受限空
13、间距离条件下电缆稳定燃烧阶段各热电偶测量到的温度平均值,其中 Tf为火焰温度,Ts为电缆表面温度,Tw为墙体温度。从图中可以发现,随受限空间距离增大,各热电偶测量温度曲线均为先增大后减小。受限空间距离为 40mm 工况时,火焰温度Tf约为 503;受限空间距离增大至80mm 工况,火焰温度上升至 582;随受限空间距离继续增大,火焰温度略微下降。另一方面,电缆表面温度Ts随受限空间距离增大,测量数值略微变化,在 314355之间。而墙体温度 Tw变化较为明显,受限空间距离为 40 mm 工况时测量温度为 182;随受限空间距离增大,在 80 mm 工况时测量温度为234;随受限空间距离继续增大
14、,墙体温度快速降低;当受限空间距离为 120 mm 工况时,墙体温度测量为 47,基本降至环境温度 T0(25)。图5 表示不同受限空间距离条件下电缆稳定燃烧阶段的火焰尺寸图。从图中可以发现,当受限空间距离为 40 mm 工况时,火焰高度和火焰厚度数值较小,分别为 692 mm 和 61.9 mm;随着受限空间距离增大,火焰高度和火焰厚度数值随之升高,80 mm工况时分别达到 875mm和 75.1mm;随受限空间距离继续增大,火焰高度略有下降,而火焰厚度基本保持不变。受限距离/mm图 5不同受限空间距离影响火焰尺寸2.2质量损失速率分析通过对图 3 求导,得到不同受限空间距离工况下电缆燃烧时
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