低压下高温导线电流过载喷射着火研究

赵思威，方 俊，王静舞，薛 岩，何选泽

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)

低压下高温导线电流过载喷射着火研究

赵思威，方 俊*，王静舞，薛 岩，何选泽

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)

以聚全氟乙丙烯(FEP)高温阻燃材料为绝缘层的电缆电线，在航天器中有着较广泛的应用，但是关于它们短路过载引起的着火却少有研究。通过低压实验舱模拟微重力下的弱浮力环境，对过载电流下的FEP高温导线的着火现象进行了研究。实验结果表明，由于FEP导线热容高，热解过程中，会在绝缘层与线芯之间积聚热解气体，形成气泡，随后气泡破裂发生喷射着火现象；随着环境压力的增大，FEP热解气泡的宽度逐渐增加，而气泡高度逐渐减小；实验段导线中间位置所受拉伸应力最大，喷射着火发生在中间位置的概率最高；相同氧气浓度下，着火能量随着压力的增加而逐渐降低，而增加氧气浓度则会使着火能量降低。

低气压，热解，喷射着火，聚全氟乙丙烯导线，着火能量

0 引言

随着我国及国际社会航天事业的发展，航天器的防火安全研究成为重中之重。从美国NASA公布的数据可以发现，其退役的航天飞机在最初50次飞行中，至少发生了5起失火事件[1]，且其原因均由导线短路或电子元件及部件的异常等引起。在太空环境中，电子电器件及电缆导线电路过载引起的火灾，已成为航天器火灾的一个重要原因。当电路短路或过载时，包裹在绝缘层内的线芯所产生的热量急剧增加，由于导线本身半径较小，曲率较大，就更容易发生着火，这种自发着火与外加热源条件下的导线引燃有很大的差别。

现有文献表明，低压实验舱可以模拟微重力下的弱浮力环境，孔等[2]利用低压模拟微重力，对PE导线过载时的温升速率等先期着火特性进行了研究。地面模拟微重力主要通过落塔实现，但考虑到落塔实验费用昂贵，单次实验周期长且使用机会有限，因此选用低压实验舱模拟微重力下的弱浮力环境，开展导线的过载着火实验[2]。

对于PE导线着火，Huang等[3]通过建立导线“引燃- 着火”模型，系统地解释了导线引燃的机理，并解释了导线着火到形成蔓延之间的过渡阶段。Nakamura,Fujita和Takahashi等[4- 6]最先对微重力下导线绝缘层的短路着火进行了广泛且深入的研究，他们解释了微重力下聚乙烯(PE)绝缘层导线的着火机理，并对其着火极限、最小点火能量以及氧气浓度和压力在这些过程中所起的作用进行了分析。

除了聚乙烯(PE)等常规绝缘层材料外，以高温阻燃材料如乙烯- 四氟乙烯共聚物(ETFE)和聚全氟乙丙烯(FEP)等作为绝缘层的电缆电线在航天中也有实际应用。FEP的熔点约为PE的6倍，密度为其2.2倍，FEP热解温度为673K，而PE为503K。1995年，Cahill[7]发表了关于商用飞机上ETFE和PTFE导线短路或过载下的研究进展。2014年，Osorio等[8]研究了低气压、外加辐射热源条件下铜芯ETFE导线的着火及火蔓延极限，但对于高温材料导线的自发着火尚未研究。

本文主要在低压实验舱内进行了不同压力(不同浮力状态)及不同氧气浓度下FEP导线过载着火实验，并对其喷射着火现象进行了分析和讨论，这将为FEP导线在微重力条件下的自发着火研究提供参考。

1 实验装置

低压实验舱装置及其着火装置的示意图如图1，舱体的外形设计为圆柱形(内径为500 mm，舱体高度400 mm)，舱内压力在0.3 kPa～100 kPa(准确度为±0.01 kPa)内可调，这一压力范围是根据表1低压舱压力与微重力水平之间的关系确定的，氧气浓度在21%～80%范围可调。实验中使用到的FEP导线采用Ni- Cr作为线芯，因为相同温度下Ni- Cr芯的电阻率(Ni80Gr20，1.09 Ωmm2/m)约为Cu芯电阻率(0.017 Ωmm2/m)的64倍，若需在相同时间内产生相同的发热量，则Cu芯通入的电流约为NiCr芯的8倍，而且供电回路的连接线为Cu芯导线，若实验段也采用铜芯会影响到整个回路的安全。FEP导线的具体参数见表2。

图1 低压实验舱及导线点火装置Fig.1 Sketch of the sub- atmospheric cabin and wire ignition apparatus

压力101kPa30kPa20kPa重力水平1g10-1g10-1g～10-2g

表2 实验导线的物理特性

实验中使用高砂EX- 750L直流电源(输出电压范围0 V～60 V，准确度±0.06V，输出电流范围0 A～50 A，准确度±0.2 A，功率750 W，)提供持续的13A电流引导着火，着火之后关闭电源，NiCr芯下的13 A过载电流约相当于Cu芯的104 A电流。导线着火过程由一台高速摄像机(Photron FASTCAM Mini UX 50, 1000 fps, 分辨率1280×1024)记录，同时着火时间的确定也由高速摄像机记录的图像确定。

本实验主要通过低压舱对舱内气压和氧气浓度进行了改变，舱内的温度(20 ℃)，湿度(40%)等均保持不变。实验中设定9个环境压力工况(20 kPa～100 kPa，10 kPa间隔)和3个氧气浓度(OC)工况(21%，30%，40%，体积浓度)，共计27个工况。实验步骤如下：(1)搭载导线：将FEP导线固定在搭载支架两端，并放置在低压实验舱内，调整好摆放位置，连接直流电源，紧闭舱盖。(2)调节工况：首先通过低压舱操作面板调节舱内压力，达到设定压力值后稳定5 min；然后通入纯氧调节舱内氧气浓度，达到设定氧气值后稳定15 min；最后打开直流电源，预调好工况电流13 A。(3)实验记录：在接通直流电源的同时，开始高速图像采集；在导线过载着火后，切断输入电源，延时1 s后停止高速拍摄。整个实验在一个暗室中进行，以避免外界光源对着火图像的影响。

2 结果与讨论

2.1 导线喷射着火位置统计

图2所示为导线喷射着火的三种位置。在对所有的实验工况进行着火方式分析后发现，如果对实验段导线的长度进行三等分，则其喷射着火位置存在三种情况：图2(a)为单点单侧喷射着火：实验段导线上只有一个气泡生成，且气泡破裂着火位置在导线的单侧(左侧或右侧)；图2(b)为单点中间喷射着火：导线上只有一个气泡生成，且破裂着火位置在导线中间位置；图2(c)为两点双侧着火：导线上有两个气泡同时或先后生成，气泡破裂着火位置分布在导线两侧(左侧和右侧)。

图2 导线喷射着火的三种位置Fig.2 Three positions of bursting ignition

图3为导线喷射着火位置的规律，实验过程中每个工况点进行了9次实验，对共计243次实验的着火点位置进行了统计。可以看出单点中间喷射着火出现的概率为60%～75%，其余两种情况概率较低些。在导线过载加热时，整个导线的受热是均匀的，而中部绝缘层所受到的拉伸应力相较于两端更大，所以喷射着火点位置更多会集中在中间。以下的讨论选取概率最高的单点中间着火现象进行分析。

清洗能够去除表面的农药，但是对于渗入果皮内的就无能为力。一般而言，渗入的部分主要分布在表皮内，所以去皮是很有效的手段。比如土豆，去皮可以去掉70%以上的残留农药。

2.2 导线表面热解及内部成泡过程

图4所示为FEP导线外部热解气体上升过程的二值图。实验过程中发现，FEP导线在通电加热过程中的热解主要可以分为两个部分，一是绝缘层外部的热解，从通电后约0.2 s开始，产生的热解气体向上运动，热解气体首先以梯形状向上扩散，当上升到一定高度，热解气体两端开始形成涡旋结构，涡旋结构出现的时间随着压力的减小而增大；二是绝缘层内部与线芯接触部分的热解。

图4 FEP导线外部热解气体上升过程(30%OC，90 kPa)Fig.4 The process of the wire insulation pyrolysis(30%OC, 90 kPa)

图5所示为FEP导线通电后，绝缘层内部热解气体积聚产生气泡的典型过程。当导线线芯开始通电后，线芯温度逐渐上升，同时对绝缘层进行加热，由于FEP导线的热解温度较高(673 K)，加热过程中不会出现熔融破裂现象，从而使得整个绝缘层内部处于密闭状态。随着通电时间的增加，线芯与绝缘层之间所产生的热解气体逐渐增多，由于整体的密闭性使得热解气体开始积聚，从图5中0.952 s导线表面可以看到一个凸起出现，随着时间的进行，凸起逐渐变大，最终在1.008 s时形成一个顶部透明的气泡。

图5 内部热解气体积聚产生气泡的过程(21%OC，90 kPa)Fig.5 Evolution of the bubble with pyrolysis gases (21%OC, 90 kPa)

在导线电流过载着火实验中，FEP导线的热解过程与聚乙烯(PE)导线的热解过程有显著区别。由于聚乙烯(PE)材料较低的热解温度(503 K)，当持续的过载电流通过Ni- Cr芯PE导线时，PE会迅速热解并向上扩散，并不会在绝缘层内部产生气泡。

图6 气泡的宽度W和高度H与环境压力P的关系Fig.6 The dependence of bubble width and height on air pressure

图6所示为气泡的宽度W和高度H与环境压力P的关系。通过对每组工况实验图像的观察发现，热解气体形成的气泡在达到最大时会发生破裂并喷射出热解气体，所以这里选定气泡破裂前一帧(间隔0.002 s)的图像作为最大气泡。测量过程中，选取只有一个气泡且破裂位置在中间的实验结果，对其宽度W及高度H进行测量。测量结果表明，随着压力的增大，气泡的高度减小，而气泡的宽度则有增大的趋势。这是因为随着压力的增大，气泡在垂直方向的膨胀受到抑制，从而使其高度降低，而在水平方向上的膨胀就得到了增强，使得其宽度有增大的趋势。

图7 气泡破裂过程(30 %OC, 30 kPa)Fig.7 Bubble bursting process (30 %OC, 30 kPa)

图7所示为30%OC，30 kPa下热解气体气泡破裂瞬间的图像。在气泡破裂瞬间，可以看到顶部有一个明显的锐角开口，随着时间的进行，开口角度逐渐增大为钝角，而气泡体积则逐渐减小。在通电0.990 s时，由于内部积聚的热解气体逐渐增多，且在浮力的作用下向上运动，而绝缘层气泡的膨胀已达到最大。当通电到0.992 s时，增加的热解气体超过气泡的临界值而发生破裂。

2.3 导线的喷射着火过程

图8所示为气泡内部热解气体喷射后的着火现象，这里选取了喷射瞬间和着火瞬间的图像信息。通过图8可以清晰地看到气泡破裂后，热解气体喷出的方向、扩散轨迹及其着火瞬间。由于导线的密闭性，刚喷出的热解气体浓度较高，未能立即着火，经过约0.05 s的混合时间，热解气体被引燃。

图8 导线喷射着火过程(30%OC, 30 kPa)Fig.8 Bubble bursting and ignition process(30%OC, 30 kPa)

2.4 着火能量与气压的关系

着火能量定义为，从导线通电到导线着火瞬间电源所加的能量，即：

E=I2Rtig

(1)

I为恒流源提供的电流，为13 A固定值；R为Ni- Cr线芯的单位长度的电阻值，Ω/cm；tig为着火延迟时间，即通电瞬间到着火瞬间的时间间隔。经过测试，实验段导线加载13 A电流，持续5 s后，电压增加了0.3 V，计算可得电阻增加了0.023 Ω，变化率小于1%，Shigeta等[9]也有此结论，且实验中通电时间较短(<2.0 s)，所以Ni- Cr线芯温度升高对其阻值的影响不大，R也可看作固定值。本文中的着火延迟时间主要通过高速摄像机所拍摄的连续图像确定，通电瞬间，摄像机开始拍摄，着火之后，停止拍摄。

图9 不同氧气浓度下着火能量E与环境压力P的关系Fig.9 The relationship between pressure and ignition energy

图9所示为不同氧气浓度下着火能量与舱内压力之间的关系，每个工况选取3次实验的着火延迟时间，求取平均值，然后通过公式(1)求得着火能量。可以发现，相同氧气浓度下，随着压力的增加，着火能量逐渐减小；相同压力下，提高氧气浓度也会使着火所需能量降低。

由公式(1)知，着火能量E减小，即tig减小。已有的研究表明，着火时间tig由热解时间tpy、混合时间tmix和化学反应时间tchem组成，

tig=tpy+tmix+tchem

(2)

且热解时间远大于混合时间和化学反应时间[10]，这里重点分析压力变化对热解时间的影响。低压舱体积一定，随着压力的降低，其氧气浓度(体积浓度)不变，但其氧气分压会降低，Hirata和Hayashi等[11, 12]的研究表明，热解温度会随着氧气分压的增加而减小，使材料的热解时间tig减小。因此，相同氧气浓度下(体积浓度)，着火能量随压力的增加而降低；提高氧气浓度之后，着火能量会降低。

3 结论

本文通过低压实验舱模拟微重力下的弱浮力环境，对过载电流下的FEP高温导线的着火现象进行了研究。低压条件下，FEP导线过载喷射着火的研究的结论如下：

(1)FEP导线通过过载电流时的热解可分为两部分，一是绝缘层外部热解；二是绝缘层内部热解，由于FEP导线热容高，使得其首先会在绝缘层与线芯之间积聚热解气体形成气泡，然后气泡破裂发生喷射着火现象。

(2)随着气压的增加，气泡宽度逐渐增加，而气泡高度逐渐减小。

(3)在实验过程中，导线两端固定在搭载支架上，当通过较大电流时，导线受热变形，其中间位置所受拉伸应力最大，喷射着火发生在导线中间位置的概率最高。

(4)材料的着火延迟时间主要为其热解时间，低压舱内压力降低会引起氧气分压降低，使得材料的热解时间增加，即着火延迟时间和着火能量增加。因此，相同氧气浓度(体积浓度)下，着火能量随压力的增加而降低；提高氧气浓度之后，着火能量会降低。

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Burstingignitionofhigh-temperatureelectricwirewithoverloadcurrentinsub-atmosphericpressure

ZHAO Siwei, FANG Jun, WANG Jingwu, XUE Yan, HE Xuanze

(State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

Fluorinated ethylene propylene (FEP) is often used for the wire coating materials for practical applications in spacecraft, but its bursting ignition mechanism was scarcely investigated. In this paper, a weakly- buoyance environment was created in a sub- atmospheric cabin and the FEP wire ignition experiment with a large continuous constant current was conducted inside the cabin.The experimental and theoretical analyses showed that the formation of the bubble is caused by the large heat capacity of FEP insulation, where the pyrolysis gases between core and insulation layer accumulate gradually. It is also found that with the increase of air pressure, the bubble has lower height and broader width, and in the center of the wire, the expansion stress is higher, so the bubble bursting occurs at the center with higher probability. Finally, with the increasing air pressure, ignition energy decreases,and a higher oxygen concentration also causes the decrease of ignition energy.

Weakly- buoyance; Sub- atmospheric pressure; Bursting ignition; Fluorinated ethylene propylene; Ignition energy

1004- 5309(2017)- 00127- 06

10.3969/j.issn.1004- 5309.2017.03.01

2017- 02- 17；修改日期2017- 04- 05

国家自然科学基金项目(51636008, 51576186, 51323010)；国家重点研发项目(2016YFC0801504)；中央高校基本科研业务费专项(WK2320000036)

赵思威(1991- )，男，山西高平，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，硕士研究生，研究方向为火灾探测。

方俊，E- mail:fangjun@ustc.edu.cn

TK431; X915.5

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