装饰空间灯具电气火灾危险性研究

陈 梅,黄 涛，王 旭

(1.沈阳航空航天大学 安全工程学院，沈阳 110136；2.沈阳市公安消防支队，沈阳 110400)

民用航空与安全工程

装饰空间灯具电气火灾危险性研究

陈 梅1,黄 涛2，王 旭1

(1.沈阳航空航天大学 安全工程学院，沈阳 110136；2.沈阳市公安消防支队，沈阳 110400)

采用试验、仿真研究相结合的方式,以四种典型的LED灯、荧光灯应用灯槽形式为例,完成了灯具发热试验;针对常见电气异常、故障模式完成了不同过载倍数下的导线发热试验,并观察了破坏状态、行为;同时,运用ANSYS建立了选定灯槽的三维仿真模型,得到不同工作条件下灯槽内的温度分布仿真结果。通过设置正常、异常和故障状态的试验和仿真研究,得到装饰空间灯具电气火灾防控办法。

装饰空间;电气火灾;火灾危险性;温度分布

目前我国电气火灾危害非常严重,但对电气火灾的研究以及在实践中落实相应的防范措施却仍较薄弱,对电气火灾形成的基础理论研究、电气故障火灾模式以及故障和火灾危险性的关系研究仍需深入[1]。本文开展灯具及线路在正常工况、过载或短路状态的发热行为研究,进而探讨封闭、半封闭装饰空间的热平衡过程及条件,用以指导工程上灯具使用中的安全设计,补充相关规范的不足[2]。

1 装饰空间火灾分析

按照燃烧学的原理,火灾发生的必要条件是“引火源、起火物、助燃物”。构成建筑装饰空间电气火灾的三要素即为:电气引火源、可燃物(起火物)及空气中的氧气(助燃物)。引发建筑装饰空间电气火灾的可燃物是构成火灾的基本条件,引发建筑装饰空间电气火灾的引火源主要是各类电器设备及用电器,电气火灾发生的机理可以归结为电发热引发的火灾、电接触劣化引发的火灾和电弧放电引发的火灾。

1.1 导体长时发热

电气线路的发热是由于电流通过导体时需要克服电阻作用消耗能量,即热能消耗的一种表现,特别是当通过导体电流大于额定电流时,导线的温度会急剧上升[3]。导线中产生的热能可依据式(1)计算。

Pc=KfI2RT

(1)

式中:Pc——热量,单位:K;

Kf——附加损耗系数,其中Kf=Kl×Kj,Kl、Kj分别为近邻系数、集肤系数,其值可通过计算或查阅参考手册得出;

I——电流强度,单位:A;

T——通电时间,单位:h。

由此可见,当导线中通过的电流过大产生的热量不能很好地散失到周围介质中去的时候,会使整个导线蓄积能量而发热,致使绝缘被破坏而引发火灾。

1.2 导体短时发热

与长时发热相比,导体的短时发热特点是导体中流过的是短路电流,数值大但是持续时间非常短。短路事故发生后,无论多快的保护继电器也需要一定的动作时间,在事故切除前电器或导体在短路电流热效应的作用下温度仍有可能被加热到很高[4]。我们可近似地认为短路时发热过程是一个绝热过程,因此短路时的热平衡微分方程式为

I2Rθdt=cθmdθ

(2)

(3)

式中:

Id——短路电流的全电流有效值,单位:A;

Rθ——温度为θ时导体的电阻,单位:Ω;

cθ——温度为θ时导体的比热容,单位:J/(kg·C);

ρ0——温度为0 ℃时导体的电阻率,单位:Ω·m;

c0——温度为0 ℃时导体的比热容,单位:J/(kg·C);

α、β——分别ρ0和c0的温度系数,单位:J/℃;

m——导体的质量,单位:kg;

l——导体的长度,单位:m;

S——导体的截面积,单位:m2;

γ——导体材料的密度,单位:kg/m2。

1.3 电弧发热

所谓电弧,是指由电源供给在两极之间产生的强烈而持久的气体放电现象。当开关电器断开电流时,如果电路电压达到12 V～20 V,电流达到0.25 A～1 A,电器的触头间便会产生电弧。如果开断电流或弧隙的电压小于上述值,则只能产生为时极短的弧光放电,也称为电火花。电弧的温度很高,电弧形成后,由电源不断地输送能量维持其燃烧并产生很高的温度。电弧燃烧时能量高度集中,弧柱区中心温度可达到10 000 ℃以上,表面温度也有3 000～4 000 ℃,同时发出强烈的白光,产生电弧的游离方式有热电发射、和高电场发射两种。

1.4 装饰空间发热与散热分析

本文主要研究装饰空间内灯具、灯具连接线路及连接件的火灾风险[5]。从长时间工作的角度考虑,灯具及其连接件、连接导线的风险应根据发热与散热的关系确定,如果灯具、连接件和连接导线的发热量不大于散热量,我们可认为火灾风险可接受,反之,则需要采取措施控制风险。装饰空间内灯具、连接件及连接导线的发热量与散热量关系被认为风险可接受,如式(4)所示。

KfI2RT-KTSΔθ≤0

(4)

式(4)中,由于灯具、连接件及导线的材料、形状等影响因素都有差异,即Kf值有差异;KT和S分别为综合表面传热系数和有效散热面积,两个参数都需要通过试验进一步确定。

2 装饰空间内灯具及导线发热温度分布试验

目前建筑内装饰空间的造型主要有吊顶封闭、半封闭及壁灯封闭空间等几种类型,主要使用LED支架灯、荧光灯、LED灯带等。本文构建典型模型灯槽进行试验分析,监测造型空间内温度分布情况,并以此研究装饰造型设计的改进方案[6]。

灯槽试验装置选取三种典型灯箱(弧形灯槽、矩形灯箱、大矩形灯箱),灯箱结构为木板+石膏板。按照实际工程中灯具的类型选择和安装方式固定好灯具。①“回型”灯槽内两侧各安装一个21 W的T5荧光灯;②弧形灯槽为半径为1 080 mm的1/4圆弧,内部设置功率为7.5 W/m的软灯带;③矩形灯箱尺寸(长×宽×高)为1 200 mm×600 mm×200 mm,内部设置三支21 W的T5荧光灯;④大LED矩形灯箱尺寸(长×宽×高)为2 400 mm×900 mm×280 mm,内部设置功率为14 W的LED一体化灯12支。根据灯箱结构的对称性布置一定数量的K型热电偶,利用分布式温度采集仪读取各个测温点温度示数。

表1 试验材料

灯槽试验基准设置为电源电压220 V,通电时间为7 200 s。按照有关规定,导线的正常最高允许温度,一般不超过70 ℃,短路最高允许温度可高于正常最高允许温度,铜导线可达300 ℃,导线的温度越高,绝缘材料就会急剧老化,绝缘的寿命就越短,引起线路短路、发生火灾的可能性就增大。针对室内灯具电气布线导线特性,监测记录导线温度变化状态,为导线产热、导热、散热基本原理分析、密闭空间内温度场变化规律进行数值模拟分析奠定基础[7]。图1至图8为四种类型灯槽试验结果。

(1)“回型”半封闭灯槽

图1 灯管表面温度

图2 灯管中部各点温度变化图

(2)弧形封闭灯槽

图3 LED软灯带表面温度图

图4 5度角度各高度温度随时间变化图

(3)矩形封闭灯槽

图5 热像仪监测温度

图6 灯管表面温度分布

(4)LED矩形灯槽

图7 灯管热像仪监测温度

图8 灯管表面温度图

3 装饰空间热过程仿真分析

3.1 密闭空间模型建立

为完善研究工作,在试验的基础上进行了数值仿真。灯槽和几种典型灯的物理模型依据实际灯箱尺寸和几种灯出厂参数的尺寸建立,分析灯箱模型中各部分的基本特征,在Unigraphics NX中对各个部分单独绘制,建立三维灯箱物理模型[8]。

表2 密闭空间内材料属性设定

3.2 密闭空间内灯具发热温度分布

(1)“回型”半封闭灯槽

选取过灯管表面平面、灯管上方30 mm平面、灯管上方60 mm平面等平面查看灯箱模拟结果并与实验结果对比,以便修正密闭空间模型和边界条件,如图9所示。

图9 “回型”半封闭灯槽温度图

(2)弧形封闭灯槽

选取过5度、25度、45度测温平面分别在灯带正上方50 mm平面、灯带正上方100 mm平面、灯带正上方150 mm平面等平面查看灯箱模拟结果并与实验结果对比,如图10所示。

图10 弧形封闭灯槽温度图

(3)荧光灯矩形封闭灯箱

选取过灯管表面平面、灯管正上方50 mm平面、灯管正上方100 mm平面等平面查看灯箱模拟结果并与实验结果对比,如图11所示。

图11 荧光灯矩形封闭灯箱温度图

(4)LED矩形封闭灯箱

选取过灯管表面平面、灯管正上方60 mm平面、灯管正上方120 mm平面等平面查看灯箱模拟结果并与实验结果对比,如图12所示。

图12 荧光灯矩形封闭灯箱温度图

3.3 密闭装饰空间内异常状态温度分布

(1)导线过流温度分布

模拟导线绝缘层在老化、劣化的持续发热情况下,采取电路在1.7 Ie载流量下导线绝缘层受热温度值,进行荧光灯密闭空间内温度分布分析[9]。

图13 导线区域温度分布

导线距离左侧灯箱木板的距离约3 mm,木板局部温度约为84℃。导线距灯箱下木板距离约5 mm,灯箱木板局部温度为84 ℃。导线区域及灯管灯头局部区域平均温度在50 ℃左右,已达到灯管正常工作环境临界温度点,不利于荧光灯镇流器、启辉器的正常启动,会造成镇流器的局部发热,并加剧灯管光能向热能的转化并产生更多的热量,从而造成密闭空间热量的集聚[10]。

(2)导线铰接连接状态温度分布

①密闭装饰空间内导线铰接连接状态温度分布。

图14 仿真结果

导线接头位置距灯箱下侧板距离约为5 mm,局部温度达到500 ℃。接头位置距灯箱一侧木板距离约为3 mm,木板局部温度约600 ℃。由于导线铰接点产生的瞬间高温并伴有少量的高温熔珠,会造成附近10 mm距离的绝缘层软化、炭化,会加速导线绝缘层破坏,局部导线区域持续发热,造成高温区范围扩大。

②回型半封闭箱内接头虚搭接状态

“回型”灯箱两侧分别安装一支T5荧光灯,灯的一端连接线有一处接头,模拟分析接头虚搭接状态下发热及灯管正常照明发热。回型半封闭灯箱的开口率较大,分析在长时间虚搭接发热下空间内温度分布情况[11]。根据实际情况灯管导线布置一般与装饰木板直接接触,在接头铰接发热时,参考导线异常监测的数据并进行设定。

由图15可知,在灯管正常照明、接头铰接工作时,回型半封闭灯箱大部分区域的温度在40 ℃以下,仅有导线接头铰接的一端局部温度较高,已达到60 ℃左右,灯管端头的区域在44 ℃左右,空间温度在灯管正常工作环境条件以内。但是由于导线与装饰木板直接接触,导线距离左侧灯箱木板的距离约3 mm,木板局部温度达到了90 ℃。导线距灯箱下侧木板约0.5 mm,灯箱下侧板局部温度约为95 ℃[12]。

③密封箱内导线虚搭接状态温度模拟分析

由图16可知,灯箱一端导线附件局部温度约为80 ℃,灯箱上木板局部温度约为70 ℃。灯管附近温度为75 ℃以上,密闭空间内三分之二的空间温度为60 ℃以上。可见导线长时间虚搭接工作状态,可造成导线接头长时间发热,造成密闭箱内温度明显升高,附近装饰木板的接触温度可到80 ℃。

图15 导线接头温度分布

图16 过导线接头平面温度图

图17 导线区域温度分布

(3)灯槽开孔设计对温度分布的影响

为有效降低导线、导线连接接头发热和灯管长时间照明发热热量的聚集,在灯箱顶部设计了开口率10%的开孔,主要布置在灯管两端高温区及中间部位,便于两端高温空气的散失。[13]

由图18可知,灯箱一侧局部温度约为75 ℃,灯箱下木板局部温度约为70 ℃。密闭空间内除灯光附近温度略高外,其他区域空间温度为44 ℃。顶部散热口的设计,可有效降低密闭灯箱内长时间照明及导线发热造成的空间内温度,有利于空气的对流散热[14]。

图18 仿真结果

4 结论

本文根据装饰空间电气火灾原因和常用LED、T5荧光灯及连接导线的发热、散热原理分析[15],开展了(半)密闭装饰空间内灯具正常照明状态下的空间温度监测及仿真,电气异常现象温度监测和现象试验分析[16],针对电气施工火灾防范对策、重点提出广泛性应用的具体举措如下:

(1)针对导线弯曲点是电气火灾薄弱点的现实情况,装饰空间内应尽量采取直线布置方式,减少弯曲处导线线芯热量聚集、绝缘层弯曲受损并受高温破损;

(2)针对导线接头是电气火灾隐患点和薄弱点的现实特点,在微过载情况下,接触不良状态下温升比较明显,应采取合理的措施进行隔热保护;

(3)针对装饰空间内电气异常状态下温度分布和火灾薄弱点的规律特点,应对装饰空间内装饰可燃物进行防火保护措施。

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(责任编辑：刘划 英文审校：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

陈 梅(1991-)，女，辽宁锦州人，硕士研究生，主要研究方向：防火防爆工程与技术，E-mail:chenmei725@hotmail.com；王 旭(1960-)，男，辽宁沈阳人，教授，主要研究方向：电气安全及相关领域风险分析，E-mail:wangx1960@163.com。

2095-1248(2017)04-0069-08

TM92;TU998.1

： A

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.04.009