热老化对聚乙烯导线火蔓延特性的影响规律

张 英,王 帅,余飞扬,田富超,付 明,张贤凯

(1.武汉理工大学 安全科学与应急管理学院,湖北 武汉 430070;2.中煤科工集团沈阳研究院,辽宁 沈阳 110067;3.清华大学合肥公共安全研究院,安徽 合肥 230601;4.湖北亿纬动力有限公司,湖北 武汉 448124)

随着电力事业的不断发展,电缆应用范围越来越广,在给人类带来便利的同时,也成为重要火灾隐患。根据有关消防部门统计,在日常生活中电气火灾占火灾总数的30%以上,而导线电缆火灾又占电气火灾的50%左右。电缆主要由绝缘层和金属线芯组成的导线和外护套组成,在电缆使用过程中,由于老化后的绝缘材料会发生一定程度的劣化,如变脆、开裂,甚至发生绝缘击穿,会引发严重的电气火灾事故,严重危害人员的生命财产安全。2021年7月24日,吉林省长春市一婚纱店摄影棚上部照明线路老化漏电起火,引燃隔壁物流仓库,造成15人死亡,25人受伤,建筑物过火面积约6 200 m2,直接经济损失约3 700万元。因此,分析热老化对导线火蔓延行为的影响对火灾发展的预测和扑救具有非常重要的理论价值和现实意义。

前人对于电缆导线的火灾行为特性开展了大量研究,主要集中在导线尺寸、重力条件、环境压力、倾斜角度、外部热源、环境氧浓度、电流电场等因素对导线电缆火灾的着火、燃烧、滴落行为和火蔓延特性的影响。一些学者对于老化材料的热解、燃烧特性进行分析,如WANG等[1]分析了老化聚乙烯的热解特性,并对导线进行老化实验,用FWO、KAS和Friedman 3种方法计算出每个老化阶段的活化能,发现老化后的PE导线活化能更高,更难被点燃。KIM等[2]对老化非E1级电缆燃烧特性进行分析,发现非E1级老化电缆由于老化过程中挥发分的蒸发推迟了点火时间,火灾危险性降低。一些学者对于老化后的失效特性和燃烧特性进行分析,如XIE等[3]对电缆的失效特性进行分析,研究热老化对电缆失效时间和温度的影响,发现随着老化时间的增加,绝缘失效时间和失效温度均会降低。XIE等[4]采用MCC-FTIR研究老化PVC电缆护套材料的燃烧特性,发现老化后PVC护套热释放速率峰值高于新PVC护套,并且HCl释放要早于新PVC护套,老化后的外护套火灾危险性和毒性增加。而舒中俊等[5]对老化PVC电缆进行锥量实验,发现老化后的电缆点火时间增加,热释放速率减小,火灾危险性减小。前人对于老化对电缆火灾危险性的影响还存在争议,需要进一步研究。

综上,学者们对线缆的火灾行为做了大量的基础研究,对老化电缆的研究大多是利用锥量等实验分析老化电缆护套和绝缘材料的热解、燃烧特性的改变[6-10],但是对热老化导线电缆火蔓延特性研究较少。因此,笔者采用两种不同内径的聚乙烯导线作为实验样本,研究热老化导线火蔓延过程中的火焰形态、火蔓延速度和滴落行为的变化规律,分析热老化时间对导线火蔓延特性的影响,以期准确预测热老化电缆火灾发展情况,为老旧电线建筑的防火设计提供理论支持。

1 实验

1.1 实验材料及准备

采用国标SYV50-5-1和SYV50-5-3同轴电缆,SYV同轴电缆凭借其优异的导电性能广泛应用于城市和家庭用电。去除电缆外护套和屏蔽层,留下聚乙烯绝缘层和铜芯作为实验样本。实验中使用两种不同尺寸的聚乙烯绝缘铜芯导线A和B作为实验样本,每个实验样本长400 mm,实物图如图1所示,实验导线尺寸和热物性参数分别如表1和表2所示。为了便于观察火蔓延特性和后期处理数据,间隔2 cm在导线绝缘层上做一个标记。

表1 实验导线尺寸

表2 导线热物性参数[11-12]

图1 实验导线实物图

1.2 老化工况

实验采用泰斯特仪器有限公司生产的101-2AB型号恒温箱。按GB/T2951.2—1997热老化实验标准对实验样本进行加速热老化处理,具体热老化方法:将导线竖直悬挂在恒温箱中部,设置恒温箱温度为90±1 ℃,各试样间距在2 cm以上。以7天为间隔,分别制备热老化0 d、7 d、14 d、21 d和28 d的热老化导线试样。制备好的热老化试样在室温条件下放置24 h后再进行火蔓延实验。一般当温度升高10 ℃时,聚合物老化速率会提高2～3倍[13]。据此估算加速热老化28 d的试样对应实际老化时间约为4.9～10.0年。

1.3 实验台搭建

实验装置由导线支架、导线夹、恒温箱(泰斯特101-2AB)、DV(索尼FDR-apx55,100 fps)、电热线圈点火器、电子天平(梅特勒-托利多ML6002T)、热流计组成(GTT-25-50-WF),如图2所示。导线夹可防止导线在燃烧过程中受热变形影响实验结果,使用的导线样本长度为400 mm,为了降低点火源造成的影响,取中间火蔓延稳定时的100～300 mm进行实验现象分析,在稳定火蔓延阶段下方放置一个电子天平,实时测量滴落质量变化,使用DV拍摄记录稳定火蔓延和滴落过程,通过图像处理得到导线火焰前沿位置、火焰高度、宽度、滴落随时间的变化情况。为了防止环境风速对实验结果造成影响,所有实验均在密闭实验室条件下进行3次以上。

图2 实验台示意图

2 实验结果与分析

2.1 火焰形态

火焰形态参数主要包括火焰高度、火焰宽度,其中火焰高度与热释放速率密切相关[14],可以直观地反映火蔓延过程中的燃烧规模情况。实验过程使用相机记录导线火蔓延过程中的火焰形态,通过图像法测量火焰形态。由于导线在火蔓延过程中会发生绝缘层熔融滴落现象,导致火焰形态发生剧烈变化,观察到实验过程中两次滴落之间的一段时间内火焰形态基本稳定,因此采用该相对稳态阶段中的火焰图像作为研究对象以讨论火焰形态的变化。

不同热老化程度下稳态时的火焰形态如图3所示。由图3可知,火焰高度和火焰宽度都随着老化时间的增加而减小;导线A比导线B的稳态火焰更宽更高,这是因为导线A的线芯较粗、绝缘层更厚,线芯与聚乙烯绝缘层接触面积更大,因此单位长度生成的熔融可燃物更多,火焰高度和宽度更大。为了更直观地分析火焰高度和火焰宽度的变化规律,使用Premiere软件对拍摄到的火蔓延过程进行处理并导出时间序列图片,然后利用Matlab编写的程序,对图片进行灰度和二值化处理,通过比例尺换算得到真实火焰高度和宽度数据。

图3 不同热老化时间下稳态火焰图像

导线在火蔓延过程中会由于熔融物的滴落导致火焰发生脉动现象,火焰高度和宽度会不断波动,因此引入间歇率函数I来表征火蔓延过程中的平均火焰高度和宽度。间歇率函数I是指火焰高度大于某一数值的概率,定义间歇率等于50%时的火焰高度为平均火焰高度。热老化14 d的导线火蔓延过程中的火焰高度随时间的变化情况和通过间歇率函数计算得到的平均火焰高度如图4所示。

图4 火焰高度随时间的变化情况和平均火焰高度

稳态火焰高度和宽度随老化时间的变化规律如图5所示,可知火焰高度和宽度都随着热老化时间的增加而减小。为了更好地研究老化导线滴落行为对火焰形态的影响,在实验台下放置电子天平,电子天平上放置一块铁板,收集并记录稳定火蔓延阶段的滴落质量,用目测法记录有效火蔓延长度内的滴落次数和火蔓延时间,进而计算出滴落频率。

图5 稳态火焰形态随老化时间的变化情况

在热老化过程中,绝缘层聚乙烯内部反应剧烈,导致分子链大量断裂进而产生更小的晶粒,吸热曲线向更低温移动,从而降低聚乙烯绝缘层的熔融温度[15],使得熔融物的量增加,而当熔融液滴重力大于其表面张力时就会发生滴落,导致导线火蔓延过程中的滴落物增加。滴落质量和滴落频率随热老化时间的变化规律如图6所示。由图6可知,滴落质量和滴落频率随着热老化时间的增加而增加,滴落质量的增加说明线芯上的可燃物减少;热释放速率随着可燃物的减少而降低,且火焰热释放速率与火焰高度成正比,因此火焰高度和宽度随着热老化时间的增加而减小。

图6 滴落随热老化时间的变化情况

2.2 火蔓延速度

火蔓延速度是研究导线火蔓延特性的又一重要参数,常用的火蔓延速度测量方法有观测法、图像法和热电偶法3种。笔者采用观测法测量火蔓延速度,即在试样表面相同间隔作一些标记,记录火焰前沿到达标记的时间,从而得到火蔓延速度Vf。

(1)

式中:t(s)为火焰前沿到达刻度s处的时间;Δs为相邻标记之间的距离。

利用Matlab程序对火焰图像进行数据处理,得到火焰前沿位置随时间的变化,如图7(a)所示,对曲线进行线性拟合得到拟合直线,其斜率即为火蔓延速度。火蔓延速度随热老化时间的变化如图7(b)所示,可以发现导线的火蔓延速度随着热老化时间的增加而减小,并且老化14 d以上的导线火蔓延速度几乎不变。这可能是因为在热老化前期聚乙烯由于加热作用发生结构交联,对导线火蔓延速度的影响较大,而到热老化后期结构基本稳定,对火蔓延速度的影响较小。导线A的火蔓延速度小于导线B,这是因为导线A比导线B绝缘层更厚,在导线火蔓延过程中产生的可燃物更多,火焰维持时间较长。对火蔓延速度和老化时间进行二次项拟合,可得到火蔓延速度与热老化时间的经验关系式,结果见图7(b)。

图7 火焰前沿位置变化和火蔓延速度随老化时间的变化规律

图8 导线火蔓延热平衡模型

因此,预热区域的能量平衡方程为:

(2)

因此,火蔓延速度可以表示为:

(3)

对固定点处的热通量进行测量,取火蔓延过程中的最大热通量为火焰入射热通量。热流计测量得到导线A预热区的热通量随热老化时间的变化情况如图9所示,可知辐射传热在向预热区的热传递中占主导作用,总热通量和热辐射随着热老化时间的增加而降低,对流传热几乎不发生变化。由式(3)可知,火蔓延速度与总热通量正相关,而热通量又随着老化时间的增加而降低,因此火蔓延速度随着老化时间的增加而降低。导线A 5种不同热老化时间下3次重复实验结果的预热区热通量与火蔓延速度的线性拟合曲线如图10所示,可以看出拟合优度较高,说明理论分析与实验结果相符,实验测试结果较为准确。

图9 热通量随热老化时间的变化

图10 预热区热通量与火蔓延速度的拟合曲线

3 结论

(1)首次对不同热老化时间下的聚乙烯绝缘导线的火蔓延特性及滴落行为进行研究,发现火蔓延速度、火焰高度和火焰宽度随热老化时间的增加而降低,滴落频率和滴落质量随热老化时间的增加而增加。

(2)通过对火焰与导线和导线内部的传热进行分析,得到了考虑热老化时间的导线火蔓延经验公式。

(3)通过定量分析滴落和传热行为,揭示了热老化对导线火蔓延行为的影响机制,即热老化后的导线绝缘材料的熔融温度降低,使得熔融物的量增加,而当熔融液滴重力大于其表面张力时就会发生滴落,导致导线火蔓延过程中的滴落物增加,滴落物的增加导致可燃物减少,热释放速率、火焰高度和火焰宽度降低,进而使得火焰向未燃区的热量传递减少,最终导致火蔓延速度降低。