（安全技术及工程专业论文）聚氯乙烯电缆火灾特性及其影响因素研究.pdf

摘要 炭化长度、热释放速率、烟气产生速率等火灾特性参数进行测量，分析成束p v c 电缆的火灾行为，研究各参数之间的关系，考察了电缆护套厚度、电缆可燃体 积、电缆排布方式、引火源功率等因素对成束p v c 电缆火蔓延过程的影响。研 究表明，若电缆能够蔓延至项部，则热释放速率在火蔓延过程中存在两个峰值， 火蔓延速率存在一个先减速后加速的过程。引入热烟比的概念，即热释放速率 峰值与烟气释放速率峰值之比，表征p v c 的燃烧程度及反应方向，结果显示， 在火蔓延的不同阶段，热烟比存在很大差距。此外通过理论推导，给出了p v c 电缆维持向上火蔓延的两个临界判据，并用实验数据进行了验证。 关键词：聚氯乙烯电缆火灾特性影响因素全尺寸热解点燃热释放 速率火蔓延 第l 章绪论 1 1 研究背景 1 。1 。1 电缆的火灾危害 第1 章绪论 电缆是社会生产生活中不可缺少的重要基础设施，随着国民经济的高速发 展，科学技术的突飞猛进，工业发展规模的日益增大使能源的需求日益增长， 相应地在现代化的大型石油化工企业和其它工矿企业中电缆的使用量在大幅度 上升，尤其在发供电系统中，电缆更占有十分重要的地位。例如，一座容量为 2 5 万千瓦的发电厂，总共使用的电缆长度就超过2 0 万米，其中电缆多是以隧道、 沟道、竖井及悬挂形式成束敷设的。然而，由于安全意识的薄弱和科学技术的 局限，电缆在给人们带来方便的同时也带来了火灾危险性，由于各种原因导致 电缆火灾频繁发生，造成越来越多的人员伤亡和重大财产损失。 据有关资料统计，近2 0 年来，我国火电厂发生电缆火灾1 4 0 多次，有2 4 个电厂发生过两次及以上电缆火灾事故，个别电厂达4 6 次。7 0 以上的电缆火 灾所造成的损失非常严重，其中4 0 的火灾事故造成特大损失。电缆火灾对生 命安全和社会经济的稳定造成巨大威胁，国内外发生的与电线电缆有关的重大 火灾事故屡见不鲜。 1 9 7 5 年2 月1 3 日晚，坐落在美国纽约市的1 1 0 层4 1 1 m 高的世贸中心大厦 第1 1 层突然起火，烧着了通讯电缆，经由未封堵的孔洞延燃并波及动力电缆， 沿着竖井使火灾从9 层直达1 9 层，造成了巨大损失。 2 0 0 0 年4 月8 日，湖南省岳阳市小龙城市场因电源线路短路发生火灾，烧 毁建筑面积2 4 1 0 平方米，烧毁2 1 3 个门面，直接经济损失2 3 6 万元。 2 0 0 1 年8 月2 日美国国防部所在地五角大楼发生火灾，有几千名工作人员 被迫临时撤离。火灾是由于埋藏在屋顶的电缆引起的，并通过五角大楼通风管 道蔓延到3 0 米开外。 2 0 0 5 年1 2 月1 5 日吉林辽源市中心医院发生火灾，正是由于电缆造成了火 势的蔓延扩大，最终导致4 0 人死亡，9 4 人受伤，成为新中国成立以来发生在卫 第l 章绪论 生系统的最大火灾事故。 2 0 0 6 年1 0 月1 6 日河北省邯郸市峰峰矿区和村镇隆鑫煤矿因电缆燃烧导致 火灾事故，死亡1 3 人，2 2 人受伤。 电缆火灾不同于装饰材料等的火灾，在于它既可以由外部火源引起，也可 以由内部火源引起( 康勇，2 0 0 7 ) 。在电厂中的外部凶素大致有以下几种：汽轮 机油系统漏油，油喷到高温管道上起火，将其附近的电缆引燃；充油电气设备故 障喷油起火，油流入电缆沟道而将电缆引燃；电缆沟、竖井的沟盖板保护罩不 严密，电焊渣火花落入而将电缆引燃等等。电缆内部起火的主要原因有：电缆 超负荷及短路而引起电缆着火；电缆隧道、沟道内积水严重，布置较低的电缆 经常被水浸泡，使电缆绝缘损坏而引起短路，导致火灾；不注意电缆终端和中 间接头的制作工艺，剥开的绝缘部分在空气中暴露的时间太长，使绝缘受潮， 致使运行中爆炸、着火等。统计资料表明( 徐天瑞，1 9 9 6 ) ，由电缆本身短路、 老化及绝缘性能下降等内因引起的火灾约占2 5 ，由外部火源引燃电缆等外因 引起的火灾约占7 5 ，可见电缆是导致火灾蔓延扩大的一条重要途径。 凶此，控制和减少电缆火灾是国际国内需要重点研究的课题。归纳起来， 电线电缆潜在的火灾危险主要表现在以下四个方面：第一，由于电线电缆的护 套材料和绝缘材料是可燃的，在温度较高的环境中就会被引燃，发生分解燃烧； 第二，在良好通风条件下，被引燃的电线电缆的燃烧火焰很容易沿着电缆的铺 设方向快速蔓延，从而扩大火势，增大危害；第j ，电线电缆在燃烧过程中会 产生氯化氢、一氧化碳等大量有毒气体和腐蚀性气体，不仅会对人体造成危害， 还会腐蚀电子仪器和通讯控制系统，使其失去功能；第四，电缆在火灾过程中 还会产生大量烟雾，影响视野，降低能见度，妨碍人员逃生以及灭火救援。 1 1 2 聚氯乙烯电线电缆 将增颦聚氯乙烯用于电线电缆始于1 9 3 9 1 9 4 3 年的第二次世界大战时期，当 时是为了寻找紧缺战略物资“橡胶”的替代品。在此之后，聚氯乙烯逐渐成为 国际上使用量最大的电缆材料原料。这是由于与被替代的橡胶相比，增塑聚氯 乙烯在很多方面具有优越性。它不仪价格低廉，而且高的含氯量使其具有高耐 燃性和高电绝缘性。它还可以调节增塑剂的含量，方便地做成具有宽广柔性范 围的制品。据报道，美国在2 0 世纪9 0 年代初期的电线电缆行业所用的包覆材 2 第1 章绪论 料中，塑料占8 5 ( 其中聚氯乙烯占6 0 ) ，橡胶占1 1 ，热塑性弹性体占4 。 在我国，线缆行业主要用材统计见表1 1 ( 谢建玲，2 0 0 7 ) 。塑料占包覆材料的 9 1 ，而其中聚氯乙烯又约占塑料的8 0 。由此可见，聚氯乙烯在电线电缆用的 聚合物中占有绝对的统治地位。 表1 1 我国线缆行业主要用材统计( 2 0 0 1 年) 线缆包覆材料耗用量万吨 聚氯乙烯 8 0 塑料 聚乙烯2 0 其他( 聚丙烯，e v a ，聚酰胺，聚四氟乙烯) 2 天然橡胶5 丁苯橡胶 3 橡胶乙丙橡胶 0 2 含氯合成橡胶( 氯丁橡胶、氯化聚乙烯、氯磺化聚乙烯橡胶)1 2 其他( 反式异戊橡胶、顺式异戊橡胶) 0 2 电线电缆按照用途可分为以下五类：1 ) 裸电线指仅有导体，而无绝缘 层的产品，其中包括铜、铝等各种金属和揽复合金属圆单线、各种结构的架空 输电线用的绞线、软接线、型线和型材。2 ) 绕组线以绕组的形式在磁场中 切割磁力线感应产生电流，或通以电流产生磁场所用的电线，故又称为电磁线， 包括具有各种特性的漆包线、绕包线、无机绝缘线等。3 ) 电力电缆在电力 系统的主干线路中用以传输和分配大功率电能的电缆产品，包括l 3 3 0 k v 及以 上的各种电压等级、各种绝缘的电力电缆。4 ) 通信电缆和通信光缆通信电 缆是传输电话、电报、电视、广播、数据和其他电信息的电缆；通信光缆是以 光导纤维( 光纤) 作为光波传输介质，进行信息传输；射频电缆是适用于无线 电通信、广播和有关电子设备中传输射频信号的电缆。5 ) 电气装备用电线电缆 从电力系统的配电点把电能直接传送到各种用电设备、器具的电源连接线 路用电线电缆。这类产品使用面最广，品种最多，而且大多要结合所用装备的 特性和使用环境条件来确定产品的结构、性能。 聚氯乙烯电缆的应用十分广泛，作为电力电缆适用于额定电压6 6 k v 、 6 1 0 k v 及以下的电力线路中，作为通信电缆的主要品种有低频通信局用电缆、 低频通信配线电缆、程控交换局用电缆、数字局用对称电缆以及一般通信线， 此外，还作为电器装备用电线电缆大量应用于动力和照明线路、各种电工器具 3 第l 章绪论 和控制柜中。 p v c 电缆的可燃部分就是聚氯乙烯( p v c ) 电缆料，它是以聚氯乙烯树脂 为基础的多组份混合材料，根据各种电线电缆的要求，在p v c 树脂中配入可塑 剂、稳定剂、填充剂、耐燃剂、加工助剂( 润滑剂) ，紫外线吸收剂，着色剂和 特殊用途添加剂等物质。p v c 树脂：是p v c 配方中最基本材料( 母料) ，电线 电缆用p v c 树脂是采用悬浮法聚合制成，常用的p v c 树脂牌号有：k 7 0 ，k - 7 5 。 可塑剂：是p v c 配方中的重要配合剂，也是用量最大的配合剂。一般软质p v c 塑料的性能在很大程度上取决于可塑剂的品种和用量，例如，p v c 配方的耐温 等级、耐寒性、耐气候、耐油性、非移行性和电绝缘性等都与可塑料剂有密切 关系。另外，p v c 塑料中加入可塑剂，可大大降低“玻璃化”温度，使其在常 温下有良好柔软性，以增加塑性，易于加工成型，并且还可调整塑胶物理机械 性能。p v c 塑料中常用的可塑剂有d o p ( 6 0 ) ，d o a ( 耐寒性) ，t o t m ( 1 0 5 ) 。 稳定剂：是聚氯乙烯塑料中另外一个重要的配合剂，它能抑制p v c 树脂在加工 和使用过程中由于受热、光的作用而引起的降解和变色。因为p v c 树脂加工温 度在1 5 0 1 7 0 时就有少量盐酸( h c l ) 游离出来开始分解，所以稳定剂的稳 定作用是通过吸收h c l 来达到的( 即与h c l 形成中性物质) 。p v c 塑料稳定剂 种类很多，在电线电缆中常用的有铅系稳定剂、皂类稳定剂及无铅系复合稳定 剂。填充剂：它在p v c 塑料中，一是降低制造成本，增加体积，起增量剂作用； 二是会改善某些性能，如电气绝缘性，耐热变形性，耐光，热稳定性等。p v c 常 用的填充剂有c a c 0 3 ，陶土( 黏土) 等。耐燃剂：p v c 树脂本身含有5 6 氯， 具有自熄性能，但在其中添加可燃性可塑剂制成软质p v c ，氯含量在3 0 以下 时，就不具有自熄性能。因此，在耐燃性较高的电线电缆用p v c 配方中必须加 入一定量耐燃剂来提高其耐燃性能，一般耐燃剂有氧化锑( s b 2 0 3 ) 。着色剂：因 为电线电缆制品( 特别是通讯电缆中绝缘线芯) 由于安装使用或检修需要，必 须要有鲜艳的色别区分，p v c 塑料用着色剂能使电线电缆制品具有鲜艳夺目的 色泽并还能满足美观要求。p v c 塑料的着色剂通常是油溶性颜料，可分为有机 颜料( 塑料红，塑料紫，钛青蓝，钛青绿等) 和无机颜料( 如钛白粉，铬黄粉) 等两人类。紫外线吸收剂：能高度吸收日光的紫外部分，防止p v c 塑料经过长 时间光的作用而变色、脆裂和降低机械强度。目前常用的紫外线吸收剂是：羟 基二苯甲酮和甲苯三唑咯。加工助剂( 润滑剂) ：它能减少聚合体在混炼中与加 工机械的金属直接摩擦发热而产生的粘连现象，增加其表面滑性，使之容易加 4 第l 章绪论 工，并且润滑剂还能改善塑胶制品加工时的外观。塑料中常用润滑剂有烃类( 如 天然石蜡) 和金属皂类( 如硬脂酸铅镉钡锌钙) 等几种润滑剂。 1 1 3 电线电缆对火行为测试标准 目前许多国家和组织已经建立了关于电线电缆的对火行为测试标准，例如 国际电工委员会i e c 标准，美国保险商实验所u l 标准，美国材料与实验学会 a s t m 标准，日本工业标准j i s ，德国工业标准d i n ，英国国家标准b s ，澳洲 标准a s 以及我国国家标准g b 厂r 等。不同的标准规定了不同的实验内容、实验 方法和衡量准则。而概括起来，电线电缆的对火行为测试标准主要包括阻燃性 能测试、耐火性能测试、氧指数测试、放热速率测试、烟密度测试和气体腐蚀 性和毒性测试等儿个方面，如表1 2 所示。 表1 2电缆主要对火行为测试标准 阻燃性能测试 在火焰条件f 的电缆测试第1 部分：单根绝缘电线电缆垂直燃烧试验 i e c 6 0 3 3 2 1 方法 在火焰条件下的电缆测试第2 部分：单根铜芯绝缘细径电线电缆垂直 i e c 6 0 3 3 2 2 燃烧试验方法 i e c 6 0 33 2 3在火焰条件下的电缆测试第3 部分：成束电线电缆垂直燃烧试验方法 u l l 5 8 l电线电缆和软线参考标准( 燃烧试验部分) u l 9 1 0 电缆火焰蔓延及烟密度测定 u l l 6 6 6 咯井中电缆火焰蔓延高度 u l 4 4热固阽绝缘电线及f 乜缆( 燃烧试验部分) u l 6 2 软线和固定安装线( 燃烧试验部分) a s t md 6 3 5 塑料在水甲位置上燃烧速度和燃烧范围及燃烧时间的标准测试方法 耐火性能测试 i e c6 0 3 3 1 在火焰条件下测试电缆维持线路完整性的能力 b s6 3 8 7在火焰条件下电缆保持电路完整性的性能要求 氧指数测试 i s 04 5 8 9 2塑料用氧指数测定燃烧性能 a s t md 2 8 6 3维持龌料烛状燃烧所需最低氧浓度的标准测最方法 热释放速率测试 i s o5 6 6 0 1 对火反应试验热释放速率 a s t me 1 3 5 4 用耗氧量热仪测定材料、产品的热释放速率和发烟速率的标准方法 烟密度测试 5 第1 章绪论 a s t me 6 6 2 固体材料所生烟雾比光密度的标准测试方法 i s 05 6 5 9 2 第2 部分：测定光密度的单箱试验法 i e c6 1 0 3 4电缆在特定条件下燃烧的炯密度测定 气体腐蚀性和毒性测试 n e s7 1 3 小样材料燃烧产物毒性指数的测定 i e c6 0 7 5 4 取自电缆材料燃烧时析出气体的试验方法 当然，也有很多国家标准等同于行业标准，例如，我国的国标g b t 1 8 3 8 0 1 、 g b t 1 8 3 8 0 2 和g b t 1 8 3 8 0 3 就分别等同于国际电工委员会标准i e c 6 0 3 3 2 1 、 i e c 6 0 3 3 2 2 和i e c 6 0 3 3 2 3 。 1 2 电线电缆火灾特性研究现状 电缆火灾事故的不断发生，使得控制和减少电缆火灾成为火灾安全领域必 须引起重视的课题。很多研究人员试图从各个方面对其开展有关研究。通过文 献调研发现，研究方向多种多样，研究手段也不尽相同。 1 2 1 电缆易燃性分级 一直以来，对电缆火灾性能最重要的研究目的就是对电缆的易燃性进行分 级。近年来最重要的研究项目即为由欧洲电工委员会、欧洲电缆生产商、材料 提供商、电缆使用者及政府共同出资建立的f i p e c 研究项目( f i r ep e r f o m a n c eo f e l e c t r i c a lc a b l e s - n e wt e s tm e t h o d sa n dm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e s ) 。该项目的参与机 构主要有，英国i c ( i m e r s c i e n c ec o m m u n i c a t i o n sl t d ) 、意大利c e s i ( c e n t r o e l e t t r o t e c n i c o s p e r i m e n t a l e i t a i i a n o ) 、瑞典s p ( s v e r i g e sp r o v n i n g s o c h f o r s l ( n i n g s i n s t i t u t ) 和比利时i s s e p ( i n s t i t u ts c i e n t i f i q u ed es e r v i c ep u b i i c ) 。这个 研究项目主要是针对欧洲市场上的各种电缆开展大量的实验研究，建立了庞大 的数据库，基于该数据库对原有电缆测试方法进行改进，以便更好地对欧洲电 缆的易燃性进行分级，并且基于对材料进行的小尺寸实验数据建立预测实际电 缆火灾性能的计算模型。 除此之外，t e w a r s o na 等人( 1 9 9 2 ) 基于f m r c 的小尺寸实验装置建立了 一个对电缆易燃性进行分析的标准测试方法。s u n d s t r o mb 等人( 2 0 0 4 ) 基于 6 第l 章绪论 f i p e c 的数据库，制定了欧洲电缆燃烧性能的测试方法，将可能的九种电缆火灾 场景简化为水平放置和竖直放置两个典型场景，以反映电缆在真实状况下的火 灾表现。基于这两个典型火灾场景的测试结果将电缆分为a mb 1 。、b 2 。、c 刚 d e 。和f 。七个等级，同时确定了各个等级的分级标准。 1 2 2 电缆材料火灾性能研究 电缆主要南线芯和外覆材料组成，外覆材料的燃烧特性直接影响着电缆的 火灾特性，因此可以通过改变外覆材料的化学成分来增强电缆的阻燃性能，所 以研究不同外覆材料的燃烧特性具有非常重要的意义。对电缆材料燃烧特性的 研究方法主要有：利用极限氧指数l o i 法( c o a k e r a w ，1 9 9 0 ) 研究材料的可燃 性，利用n b s 烟箱法( c o a k e r a w ，1 9 9 0 ) 研究材料的发烟性，利用o s u 量热 仪( c o a k e r a w ，1 9 9 0 ) 和锥形量热仪( c o a k e r a w ，2 0 0 3 ，n a k a g a w a y ，1 9 9 8 ) 研究材料的释热性，利用光谱法( d e r v o sc t e ta 1 ，1 9 9 8 ) 研究材料的热解产物 等。 在材料的选择上，主要有常见p v c 材料和阻燃p v c 材料的火灾性能对比研 究以及卤化电缆材料和非卤化电缆材料的火灾性能对比研究( c o a k e r a w ，2 0 0 3 ， b a m e sm ae ta 1 ，1 9 9 6 ，m a t h e s o na fe ta 1 ，1 9 9 2 ) 。研究结果表明，卤化电缆材 料在热释放速率、点燃性和耐燃性等方面均优于非卤化电缆材料，而在烟气能 见度和烟气腐蚀性方面，非卤化电缆材料要优于卤化电缆材料。 在国内，研究人员将重点主要放在低烟低毒的电缆材料的开发上( 袁洪军 等，2 0 0 5 ，张尔梅等，1 9 9 5 ) 。此外，郭颖等人( 2 0 0 2 ) 对几种能够降低聚氯乙 烯在燃烧时氯化氢释放量的方法进行了分析，黄一兰等人( 2 0 0 4 ) 对影响电缆 燃烧烟密度曲线的因素进行了探讨，舒中俊等人( 2 0 0 6 ) 对电缆与护套原料的 燃烧性能进行了对比研究。 1 2 3 电缆火灾性能小尺寸实验与全尺寸实验相关性研究 由于全尺寸的火灾实验需要耗费大量的时间和金钱，很多情况下无法进行 全尺寸实验，很多学者寄希望于用小尺寸的实验数据来预测全尺寸实验的最终 结果。尽管小尺寸实验的主要目的是获得测试材料的基本特性，但没有公认的 方法来提取这些基本参数用于预测符合各种标准的全尺寸实验火灾特性参数。 7 第1 章绪论 因此，一直以来，研究人员都试图建立一个合适的小尺寸实验方法并且应用其 数据与全尺寸实验建立联系，但是由于小尺寸实验和全尺寸实验的标准实验方 法很多，在相关性研究方面很难得到一个统一的结论。 一部分研究人员试图将小尺寸a s t me 2 5 0 8 f p a 实验与全尺寸平行板实验 ( p a r a l l e lp 锄e lt e s t ) 相关联，n a ms 等人( 2 0 0 5 ) 对其热释放速率的相关性进 行了研究，k h a nm m 等人( 2 0 0 6 ) 利用小尺寸a s t me 2 5 0 8 f p a 实验方法得到 的火焰传播指数( f p i ，d i m e n s i o n a lf i r ep r o p a g a t i o ni n d e x ) 对其火蔓延的相关性 进行了研究，结果发现，当f p i = 1 4 时，电 缆火会蔓延至项部，通过u l 9 1 0 测试的电缆的火焰传播指数均小于7 。 还有一部分研究人员试图将小尺寸锥形量热仪实验与全尺寸s b i ( s i n g l e b u m i n gi t e m ) 实验相关联。m e s s e r s c h m i d tb 等人( 1 9 9 9 ) 和h a l ( i ( a r a i n e nt 等 人( 2 0 0 1 ) 对锥形量热仪实验和s b i 实验所获得的热释放速率等参数的相关性 进行了研究。v a nh e e sp 等人( 2 0 0 1 ) 采用多元统计分析的方法对不同尺度下的 火灾增长速率( f i g r a ，f i r eg r o 叭hr a t e ) 和烟气增长速率( s m o g r a ，s m o k e g r o 叭hr a t e ) 进行了相关性分析。h a n s e na s 等人( 2 0 0 1 ) 通过引入有效烟气产 生面积( e 疏c t i v es m o k ep r o d u c i n ga r e a ) 将小尺寸实验得到的单位面积烟气生成 速率与s b i 实验得到的烟气生成速率关联起来，发展了烟气生成预测模型，后 来，h a n s e na s ( 2 0 0 2 ) 又采用同样的方法，通过引入有效热释放面积( e 仃e c t i v e h e a tr e l e a s i n ga r e a ) 用小尺寸的数据来预测s b i 实验中的热释放速率及火灾增长 速率，研究表明，预测结果町以很好地对电缆进行分类。v a nh e e sp 等人( 2 0 0 1 ) 基于锥形量热仪的实验数据发展了预测电缆热释放速率的热解模型。 除此之外，h i r s c h l e rm m ( 2 0 0 1 ) 试图在锥形量热仪实验和i e c 6 0 3 3 2 3 实 验之间寻找简单的相关关系，但研究结果表明，锥形量热仪实验仅可以粗略的 预测电缆能否通过i e c 6 0 3 3 2 3 实验，但无法得到细节的相关关系。 1 2 4 不同标准实验方法的比较 前文已经指出，各个国家、各个组织均有自己制定的标准实验方法，并没 有一个统一的标准，因此很多学者开展了对不同标准实验方法的比较研究。 h i r s c h l e rm m ( 1 9 9 2 ) 曾经对电缆的测试方法进行了综述，指出早期的电缆测试 方法没有精确地测量火灾性能参数，无法对其火灾危险性进行评价，而现阶段 8 第l 章绪论 基于热释放速率的各种测试方法很好地解决了这个问题。 此后，h i r s c h l e rm m ( 1 9 9 4 ) 对2 1 种电缆按照不同的标准进行了实验研究， 结果表明，热释放速率峰值和平均热释放速率是用于电缆分级的一个很好标准， 不同标准实验得到的热释放速率趋势一致，很多种材料制成的电缆都具有很好 的防火性能。b a m e sm a 等人( 1 9 9 6 ) 对卤化和非卤化电缆按照几种标准方法进 行了实验研究，结果表明，卤化电缆的热释放速率要远远低于非卤化电缆，烟 气方面不同标准实验得到的结果不同，可以用电缆炭化长度或热释放速率作为 电缆的分级标准。h i r s c h l e rm m ( 1 9 9 7 ) 对不同尺度的标准实验方法进行了比较， 结果表明，小尺寸实验中的火蔓延结果几乎没有差别，而在全尺寸实验中，a s t m d 5 4 2 4 标准要比i e c 3 3 2 3 标准更为严格。w i l lj 等人( 2 0 0 0 ) 采用不同的标准 测试方法对涂有发泡防火涂料的电缆燃烧特性进行了实验研究，结果表明，凡 是通过各种测试标准的电缆在实际火灾中都具有很好的阻燃性。f a r d e np j 等人 ( 2 0 0 1 ) 按照不同的实验标准对通信电缆的可燃性进行了实验研究，研究结果 表明，对于竖向排列和横向排列的电缆，i e c 6 0 3 3 2 3 标准都具有代表性，p r e n 5 0 2 8 9 4 1 1 ( h i f t ) 实验方法与f r s 真实尺寸实验具有很好的相关性，i s o9 7 0 5 墙角火实验和e n 5 0 2 6 83 m 3 立方箱实验不适于测试电缆的火灾性能。g r a y s o ns j 等人( 2 0 0 1 ) 的研究结果表明，i e c 6 0 3 3 2 3 实验可以很好的反映真实尺寸实验 中的水平放置场景和竖直放置场景。b r e u l e th 等人( 2 0 0 5 ) 将f i p e c 测试方法 与s b i 测试方法在电缆易燃性分级方面进行了比较，指出了不同测试方法的适 用性，采用统计相关性研究的方法对用于易燃性分级的关键火灾特性参数进行 了分析，结果表明，在区分不同等级电缆方面两种测试方法都没有明显的优越 性。 1 2 5 通电状态下电缆火灾性能研究 电缆的过载是引发电缆火灾的重要原因之一，此外，当外界环境改变后电 缆能否继续保持正常工作也是评价电缆火灾性能的一个方面。因此，很多学者 对电缆在通电状态下的火灾性能进行了研究。l a n gh g 等人( 1 9 9 1 ) 对水平放 置的过载电缆进行了实验研究，并对各种感烟探测器的探测能力进行了评价。 a l v a r e sn 等人( 2 0 0 0 ) 对通信电缆过载引发的火灾进行了研究。e l l i o tp j 等人 ( 2 0 0 0 ) 对电流过载情况下的烟气生成速率进行了测量。b e r t r a n dr 等人( 2 0 0 2 ) 9 第l 章绪论 对电缆的耐火性进行了研究，给出了不同电缆的失效模式，确定其失效准则及 失效概率。a n d e r s s o np ( 2 0 0 5 ) 对升温环境中电缆的耐热性能进行了研究，实 验发现，当电缆线芯到达一定温度后会出现短路现象。 1 2 6 电缆火灾的计算机模拟 由于全尺寸实验成本很高，因此部分学者采用计算机模拟的方法对电缆火 灾进行研究。为了更好地让模拟结果符合实际情况，a k s i ti m 等人( 2 0 0 1 ) 对原 有c f d 模型的输入参数进行改进，将小尺寸实验中获得的点燃时间、质量损失 速率等数据嵌入到c f d 模型中，并将模拟结果与实验结果的差异进行了比较。 s h e nt s 等人( 2 0 0 6 ) 采用f d s 对核电厂内电缆架上发生的电缆火灾进行了模拟， 结果表明当电缆架之间的距离超过2 0 r 时，电缆火不会从一个电缆架向另一个 电缆架蔓延。 1 2 7 夹层电缆火灾研究 随着现代通讯网络的发展，人量低压微机用通信电缆、电力电缆及网络线被 引入办公建筑或家庭住房，并安装在夹层中，这样不仅可节省空间，也不影响原 有空间的功能，因此近年来有学者专门针对夹层电缆火灾开展了研究工作。国 内已经对夹层电缆开展了全尺寸实验研究( y o ufe ta 1 ，2 0 0 3 ，尤飞等，2 0 0 2 ) ， 在一个燃烧套房实体模型中，对起火室和顶棚夹层空间内的烟气温度、电缆燃 烧产物浓度、烟气遮光度等重要参数进行了分析，并采用大涡模拟的方法对实验 中烟气速度场进行了数值模拟。加拿大l o u 曲e e dg d 等人( 2 0 0 4 ) 在含有起火 房间以及目标房间的伞尺寸实验平台中开展了夹层电缆火灾特性的实验研究， 通过得到的数据计算出f e d( f r a c i t i o n a le 仃e c t i v ed o s e ) 和f e c ( f r t i o n a l e 脏c t i v ec o n c e n t r a t i o n ) 值，用来表征电缆的火灾危险性。 1 2 8 其他 除了上述提到的研究方向外，很多学者还从其他不同角度对电缆的火灾性 能开展研究工作。b r o w nd w ( 1 9 9 7 ) 对电缆火灾性能的彳i 断发展进行了总结， 表明现有电缆都具有较好的防火性能。t h i b e r te 等人( 1 9 9 9 ) 通过利用热平衡、 1 0 第1 章绪论 耗氧量和二氧化碳产量等三种途径获得了几种阻燃电缆的净燃烧热( n h c ，n e t h e a to f c o m b u s t i o n ) ，研究结果表明该参量主要与电缆的结构以及护套材料有关。 s i m o n s o nm 等人( 2 0 0 3 ) 发展了生命周期评价模型( 1 i f e c y c l ea s s e s s m e n t ，l c a ) ， 对电缆的毒性进行研究，该模型可以用来评价电缆火灾对外界环境的影响。 a n d e r s s o np 等人( 2 0 0 4 ) 对不同通风状况下的电缆火灾进行了实验研究，结果 表明，对于非卤化电缆来说，在通风条件好与不好的火灾场景中最大的区别在 于后者会产生更多的不完全燃烧产物，如碳氢化合物和一氧化碳等，但对于p v c 电缆来说，通风条件对其不会产生久多影响，此外p v c 材料热解生成的h c l 产 量也跟通风状况关系不大。 1 3 研究目标和思路 通过前面的文献调研可以得知，针对电缆的火灾性能测试标准有很多，目 前国际上已经开展了大量的针对电缆的研究工作，但实验主要是按照标准进行， 且研究的目标多为对电缆的易燃性进行分级，在用小尺寸的实验数据来预测全 尺寸的火行为时，只能预测电缆的分类以及火灾特性参数的趋势，在对电缆火 蔓延特性的研究过程中，主要评价参数为电缆的炭化长度，而对电缆的蔓延速 率研究不多，对于电缆火灾特性的影响因素，研究重点放在不同的材料上，而 对其他因素考虑不多。因此，本文只针对一种材料的电缆，即市场上最常见的 聚氯乙烯( p v c ) 电缆，从微观分析入手，结合宏观实验，对其火灾特性及影响 因素进行全面研究。研究目标及思路如下： 1 为了研究p v c 电缆的火灾特性，首先从微观的角度对电缆可燃的外覆材 料聚氯乙烯进行实验研究。利用热重差热( t g d t a ) 联用分析仪研究p v c 的 热解行为，分析材料在受热过程中结构和成分的变化，考虑升温速率以及加热 气氛对热解过程的影响，建立适当的热解动力学模型，为研究p v c 电缆的火灾 行为提供最基础的支持。 2 由于传统的热分析方法不能提供火灾燃烧的真实条件，且p v c 材料的热 解性能与p v c 电缆的燃烧性能还存在一定差异，冈此利用锥形量热仪对成品 p v c 电缆的点燃、热释放速率、质量损失速率、烟气产生速率等火灾特性参数 进行研究，重点考察了电缆的结构、电缆护套的厚度、外加热辐射强度等对这 些火灾特性参数的影响。 第l 章绪论 3 全尺寸实验是研究电缆火灾特性的重要手段。电缆能否发生火蔓延，是 评价电缆火灾危险性的一个重要指标。为了研究电缆的火蔓延过程，必须开展 全尺寸的实验研究。因此，在原有全尺寸多功能热释放速率实验台的基础上， 研制并建设了成束电缆火灾特性实验台，利用该实验台对成束p v c 电缆的火蔓 延、热释放速率、烟气产生速率等火灾特性参数进行测量，分析成束p v c 电缆 的火灾行为，研究各参数之间的关系，考察了电缆护套厚度、电缆可燃体积、 电缆排布方式、引火源功率等因素对成束p v c 电缆火蔓延过程的影响。 1 4 本文的章节安排 根据所述的研究目标和思路，论文的章节安排如下： 第一章是绪论部分，主要介绍了本文的研究背景，国内外的研究现状以及 本论文的研究目标和思路。 第二章首先介绍了聚氯乙烯( p v c ) 材料的化学结构，包括它的主链结构、 端基结构及支化链。然后介绍了聚氯乙烯的物理性能和热性能，给出了聚氯乙 烯热降解的主要反应机理。最后对聚合物的燃烧过程进行了分析。 第三章利用热重一差热联动分析仪对电缆的护套材料( 聚氯乙烯电缆料) 的 热解性能进行研究，获得聚氯乙烯护套材料最基础的热解动力学参数，讨论了 升温速率以及加热气氛对p v c 热解过程的影响。 第四章利用锥形量热仪模拟火灾过程中的热辐射，对几种护套材料均为聚 氯乙烯的电缆点燃性能进行了实验研究，并基于锥形量热仪初步建立了带有线 芯层的简化电缆点燃模型，对电缆点燃性能的影响因素进行了分析，最后采用 积分方法对电缆的表面温度进行了推导。 第五章利用锥形量热仪研究了成品p v c 电缆的燃烧性能，包括p v c 电缆的 热释放速率、质量损失速率、烟气生成速率、c o c 0 2 生成速率等，分析了电缆 的结构、电缆的护套厚度以及外加热辐射强度对电缆燃烧性能的影响。 第六章首先介绍了全尺寸成束电缆火灾特性实验台的研制过程和特点，然 后对成束电缆火灾特性实验台的各组成部分、主要功能以及相应的基础理论进 行了详细地介绍。 第七章利用全尺寸成束电缆火灾特性实验台针对p v c 电缆分别在不同的实 验工况下进行实验研究，获得电缆在真实火灾条件下的相关实验数据，重点研 1 2 第1 章绪论 究成束p v c 电缆的火蔓延特性，分析影响p v c 电缆火蔓延行为的重要因素，并 从理论上推导出适用于单j 醛p v c 电缆的火蔓延临界判据。 第八章是本文的主要研究结论、创新点以及进一步工作的展望。 最后是作者在攻读博士学位阶段完成的学术论文。 1 3 第1 章绪论 本章参考文献 郭颖，吴敬标2 0 0 2 降低聚氯乙烯电缆料在燃烧时氯化氢释放量的方法探讨【j 】聚氯乙 烯2 ：3 4 4 2 黄一兰，杨春丽，黄显东2 0 0 4 影响电缆燃烧烟密度曲线因素的探讨【j 】- 煤矿安全3 5 ( 7 ) ：3 6 3 8 康勇2 0 0 7 电力电缆防火措施【j 】山西冶金1 0 6 ( 2 ) ：6 1 6 2 舒中俊，李晓南，李响2 0 0 7 聚合物材料火灾燃烧性能评价【m 】第l 版北京：化学 工业出版社 舒中俊，冯俊峰，陈南等2 0 0 6 p v c 电缆及其护套原料燃烧性能的对比【j 】消防科学 与技术2 5 ( 2 ) ：2 4 7 2 4 9 徐天瑞，王信群，金湘1 9 9 6 电厂电缆火灾火因分析及预防措施【j 】劳动保护8 ( 9 ) ：3 5 3 6 尤飞，li nj z ，周建军等2 0 0 2 夹层电缆引发火灾的实验研究【j 】安全与环境学报2 ( 6 ) ：2 9 3 3 袁洪军，旷天申，富宝灿等2 0 0 5 煤矿用低烟低毒( 卤) 阻燃电缆的性能测试【j 】煤矿安 全3 6 ( 1 2 ) ：l 一3 张尔梅，项健，王怡如等1 9 9 5 电缆用低烟低卤阻燃聚氯乙烯塑料【j 】电线电缆5 ：2 0 一2 3 a k s i ti m ，m o s sj b ，r u b i i l ip ：a 2 0 0 1 c f ds i l l l u l a t i o fc a b l e 仃a yf i r e s 【c 】i n t e r f l 锄2 0 0 1 11 2 9 1 1 4 0 a l v a r e sn ，f e m a n d e z - p e l l oa c 2 0 0 0 f i r ei i l i t i a t i o na i l d s p r e a d i no v e r l o a d e d c o m m u n i c a t i o ns y s t e mc a b l et r a y s 【j 】e x p e r i m e n 协lt h e 硼a la n df l u i ds c i e n c e 21 ：51 5 7 a n d e r s s o np r o s e l ll ，s i m o n s o nm 2 0 0 4 s m a l l 锄dl a 唱es c a l ef ne x p e r i i i l e n t sw i m e l e c 仃i cc a b l e s u n d e rw e l l v e n t i l a t e d 锄dv i t i a t e dc 0 n d i t i o n s 【j 】- f i r et e c l l i l o l o g y 4 0 ：2 4 7 _ 2 6 2 a n d e r s s o nev a nh e e sp 2 0 0 5 p e r f o m a n c eo fc a b l e ss u b j e c t e dt oe l e v a t e dt e m p e r a t u r e s 【c 】 i a f s s ：1 1 2 1 1 1 3 2 b a b r 绷s k a sv 2 0 0 6 m e c h 柚i s m s 锄dm o d e sf i 叮i 印i t i o no fl o w - v o l t a g e ，p v c - i n s u l a t e d e l e c 仃o t e c l l i l i c a lp r o d u c t s 叭f 砘锄dm a t e r i a l s 3 0 ：151 一l7 4 b 锄e sm a ，b r i g g sp j ，h i r s c h l e rm me ta 1 19 9 6 ac o m p a r a t i v es t u d yo ft h ef i r e 1 4 第l 章绪论 p e m m n 锄c eo fh a l o g e n a t e d 锄dn o n - h a l o g e n a t e dm a t e r i a l sf o rc a b l ea p p l i c a t i o n s p a nit e s t s 佣m a t e r i a l s 锄di n s u l a t e dw i r e s 【j 】f i r e 锄dm a t e r i a l s 2 0 ( 1 ) ：l 1 6 b a m e sm a ，b r i g g sp j ，h i r s c h l e rm me ta 1 19 9 6 ac o m p a r a t i v es m d yo fm ef p e 墒m a n c eo fh a l o g e n a t e d 锄dn o n - h a l o g e n a t e dm a t e r i a l sf o rc a b l ea p p l i c a t i o n s p a ni it e s t s o nc a b l e s 【j 】f i r e 锄dm a t e r i a l s 2 0 ( 1 ) ：1 7 - 3 7 b e r t r 锄dr ，c h a u s s a r dm ，g o n 盈l e zre ta 1 2 0 0 2 b e h a v i o u ro fe l e c 仃i c a lc a b l e su n d e r 胁 c o n d i t i o n s k e m t e c l l l l i k 6 7 ( 2 - 3 ) ：1 1 6 - 1 2 0 b e y e rg ，b r e u l e th ，c m t tm e ta 1 19 9 9 n e wa d v 锄c e si n 弱s e s s i l l gt h ef i r ep e r f o m 锄c eo f n o n h a l o g e n a t e dc a b l e sb ym e a n so f t h ec o n ec a l o r i m e t e r 【c 】i n t e r f l 踟19 9 9 13 0 5 - l3 0 9 b l o m q v i s tp ，s i m o n s o nm ，v 抽h e e sp 19 9 9 s t u d yo f 觚b e h a v i o u r 锄dt o x i cg a s p r o d u c t i o no f c a b l e si l lr e a l - s c a i ef i r et e s t s 【c 】i n t e r f l 锄1 9 9 9 1 3 9 3 - 1 4 0 1 b r e u l e th ，s t e e n h u i z e nt 2 0 0 5 f i r e t e s t i n g o fc a b l e s ： c o m p a r i s o n o fs b lw i t h f i p e c e u r o p 觚a b l et e s t s 【j 】p o l y m e rd e g r a d a t i o n 勰ds t a b i l i t y 8 8 ：l5 0 - 15 8 b r o w nd w 19 9 7 d e v e l 叩m e n to fe l e c 埘cc a b l e sf o r 肌s i n l a t i o n s 【j 】p o w e re n g i l l e e r i i l g j o u m a l 1 1 ( 3 ) ：1 0 1 一1 0 6 c o a k e ra 、m2 0 0 3 f i r e 锄dn 锄er e t a r d 锄t sf o rp v c 【j 】j o u m a lo fv i l l y l & a d d i t i v e t e c l l i l o l o g ) ，9 ( 3 ) ：l0 8 ll5 c o a l 【e ra w ，h j r s c h l e rm m ，s h o e m a k e rc 1 9 9 2 r a t e0 f h e a tr e l e 鹄et e s t i n gf b rv i n y lw 拍 觚dc a b l em a t e r i a l sw i t hr e d u c e df l 踟m a b i l i t y 卸ds m o k e f u l l - s c a l ec a b l et r a yt e s t s 锄d s m a l l - s c a l e1 e s t s 【j 】f i r es a f b t ) ，j o u m a l 1 9 ( 1 ) ：1 9 - 5 3 c o a k e ra w ，h i r s c h l e rm m 19 9 0 n e wl o wf 的h a z a r dv i n y lw i r e 锄