蔣帥，賈佳2,武紅梅

(1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064;2.94942部隊(duì)，北京 100000)

電纜發(fā)生過載、局部過熱、短路等故障或在外部火焰加熱下導(dǎo)致電纜火災(zāi)，將會(huì)直接影響到涉核區(qū)域正常運(yùn)行[1]。為此，考慮在全尺寸核電站廠房?jī)?nèi)，針對(duì)不同電纜布置方式(電纜間距和電纜走向)下不同電纜類型的火蔓延問題，通過分析不同參數(shù)條件下電纜火蔓延過程中溫度場(chǎng)分布、熱釋放速率和質(zhì)量損失速率的變化，為認(rèn)識(shí)和預(yù)測(cè)核電場(chǎng)景電纜火災(zāi)行為規(guī)律提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法

根據(jù)核電站廠房結(jié)構(gòu)(包括壁厚和長(zhǎng)寬高比)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[2]，包含一個(gè)鋼筋混凝土實(shí)驗(yàn)間和一個(gè)活動(dòng)板房觀察室。其中，實(shí)驗(yàn)間四周墻壁厚度為0.4 m，頂棚厚度為0.2 m，房間內(nèi)凈寬為6 m，凈長(zhǎng)5 m，凈高4 m，頂部裝有兩層共5 cm的防火板，不設(shè)對(duì)外開的門窗。

電纜燃燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括橫向電纜橋架、質(zhì)量損失測(cè)量系統(tǒng)、預(yù)混點(diǎn)火系統(tǒng)、溫度測(cè)量系統(tǒng)、監(jiān)控錄像系統(tǒng)和機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)。機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后開啟，煙氣經(jīng)過凈化后排出實(shí)驗(yàn)間，避免污染環(huán)境。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)布置示意

電纜支架放置于電子秤上，支架整體距離墻邊0.5 m，電纜(離地面高度為0.8 m)置于燃燒支架正前方和正右方，兩臺(tái)視頻記錄儀用以觀測(cè)電纜燃燒情況。實(shí)驗(yàn)中選用K型鎧裝熱電偶作為溫度測(cè)量手段，天平位于燃燒支架正下方，相關(guān)測(cè)點(diǎn)布置及說明見表1。

表1 測(cè)點(diǎn)布置說明

5個(gè)熱電偶樹按照1 m的間距布置在火源周圍，用來測(cè)量房間整體的溫度場(chǎng)分布。

試驗(yàn)使用兩種核電站常用電纜，包括核電站用1E級(jí)K3類低煙無鹵阻燃低壓電力電纜HDYJG-K3(K3類銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣低煙無鹵阻燃交聯(lián)聚烯烴護(hù)套電力電纜)和核電站常用典型阻燃電纜WDZ-YJE(交聯(lián)聚乙烯絕緣無鹵低煙阻燃聚烯烴護(hù)套電力電纜)，分別簡(jiǎn)稱為K3類和NC類電纜。兩種電纜截面見圖2。

圖2 電纜截面示意

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 K3類電纜火災(zāi)燃燒特性

在水平布置方式下(電纜間距d=1 cm)K3類電纜燃燒的質(zhì)量損失速率變化見圖3。

圖3 不同環(huán)境相對(duì)濕度下K3類電纜燃燒熱釋放速率

可以看出電纜在點(diǎn)火源作用下40 s左右被點(diǎn)燃，最后以較穩(wěn)平穩(wěn)的熱釋放速率維持燃燒，但在點(diǎn)火源撤去以后，電纜僅維持燃燒了數(shù)十秒便熄滅；豎直布置方式下，K3類電纜在整個(gè)過程仍未發(fā)生燃燒，但近火源表面發(fā)生明顯的膨脹變形現(xiàn)象。

水平和豎直布置方式下電纜燃燒后的狀態(tài)見圖4。

圖4 不同電纜布置走向下的電纜燃燒情況

水平布置情況下，在點(diǎn)火源作用下，電纜外護(hù)套被熱解膨脹并發(fā)生燃燒，隨后內(nèi)層防火包帶被破壞導(dǎo)致內(nèi)層絕緣層發(fā)生燃燒。撤去點(diǎn)火源，由于電纜的阻燃作用，電纜外護(hù)套并不能進(jìn)一步被破壞，火焰無法在電纜表面蔓延，電纜的過火長(zhǎng)度僅為18 cm，證明K3類電纜在點(diǎn)燃后并沒有發(fā)生蔓延，只在火源作用下破壞了外護(hù)套發(fā)生燃燒；豎向布置方式下，電纜在點(diǎn)火源持續(xù)點(diǎn)火500 s左右后，并沒有被引燃，只是在與火焰接觸部分的電纜被破壞，上部電纜發(fā)生了部分膨脹變形，但裸露出來的阻燃包帶阻止了火焰進(jìn)一步引燃電纜。

2.2 NC類電纜火災(zāi)燃燒特性

水平布置條件下NC類電纜在布置間距d=0時(shí)電纜燃燒熱釋放速率見圖5。

可以看出，電纜在點(diǎn)燃過程中出現(xiàn)了兩個(gè)質(zhì)量損失峰值，開始點(diǎn)火時(shí)，首先是電纜的外護(hù)套被點(diǎn)燃，護(hù)套燃盡后，電纜內(nèi)部絕緣開始燃燒，熱釋放速率不斷增加；撤去火源后，由于電纜的阻燃作用，質(zhì)量損失速率減慢，在300 s以后以較小的質(zhì)量損失速率維持燃燒，并在900 s左右徹底熄滅。

2.2.1 試樣間距對(duì)電纜燃燒特性的影響

1)質(zhì)量損失速率。橫向電纜燃燒質(zhì)量損失速率與間距相關(guān)性較大，見圖6。

在點(diǎn)火期間，布置間距d=3 cm時(shí)，電纜燃燒質(zhì)量損失速率明顯低于其他間距，在撤去點(diǎn)火源以后，d=3 cm間距最先熄滅，d=1 cm和d=2 cm布置間距的質(zhì)量損失峰值明顯高于d=0，整個(gè)燃燒過程的質(zhì)量損失d=3 cm布置間距最小，d=0和d=1 cm布置間距下最大。

豎向布置，點(diǎn)火時(shí)，d=1 cm布置的電纜質(zhì)量損失峰值最高達(dá)到了11 g/s，且撤去火源后仍能維持較高質(zhì)量損失速率燃燒，見圖7。

圖7 豎向布置時(shí)NC類電纜在不同間距下的損失

且在點(diǎn)火過程中，間距較大的電纜質(zhì)量損失速率上升更快，說明間距增加有利于電纜在豎直方向上的電纜火蔓延。但d=0排布下的電纜燃燒時(shí)間更長(zhǎng)，且質(zhì)量損失更大。而間距越大，質(zhì)量總損失越小，說明電纜豎向布置情況下，間距不利于電纜在橫向上的火蔓延，因而總?cè)紵|(zhì)量損失更低。

2)熱釋放速率。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，在50 kW/m2外加熱輻射功率下測(cè)得電纜的平均有效燃燒熱適用于大尺度電纜燃燒。水平布置下不同間距NC類電纜燃燒熱釋放速率曲線見圖8。

圖8 水平布置下不同間距NC類電纜燃燒熱釋放速率

三種間距的電纜燃燒熱釋放速率峰值相近，約為45 kW，在整個(gè)燃燒過程中出現(xiàn)了2個(gè)峰值，分別代表電纜外護(hù)套的燃燒峰值及內(nèi)部絕緣的燃燒熱釋放速率峰值，在d=0緊密排列情況下，電纜燃燒時(shí)間最長(zhǎng)，因此具有較大危險(xiǎn)性。

豎向布置情況下NC類電纜燃燒的熱釋放速率見圖9。

圖9 豎向布置時(shí)NC類電纜燃燒的熱釋放速率

在布置間距d=1 cm時(shí)，電纜熱釋放速率峰值達(dá)到了200 kW以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他布置間距下的熱釋放速率峰值。因此具有更大的瞬時(shí)火災(zāi)危險(xiǎn)性。緊密排布條件下電纜燃燒時(shí)間最長(zhǎng)，持續(xù)危害性較大。

3)房間豎向溫度分布。水平布置條件下電纜燃燒時(shí)房間內(nèi)豎直方向溫度隨高度降低而降低，布置間距為1 cm時(shí)NC類電纜燃燒時(shí)房間頂部溫度最高，達(dá)到了85 ℃。由于水平布置條件下電纜燃燒質(zhì)量較低，所以房間整體溫度不高。布置間距為0時(shí)，撤去火源后溫度下降速率明顯低于其他布置間距。這主要是由于緊密布置時(shí)，燃燒產(chǎn)生的煙氣較多，房間整體在熄滅后不久被熱煙氣充滿，導(dǎo)致溫度梯度較低，因此房間內(nèi)溫度分布整體變化較小。

電纜豎向布置，電纜布置間距為1 cm時(shí)，房間的整體溫度最高，頂棚溫度約達(dá)140 ℃，其他間距最高溫度維持在100 ℃，結(jié)合熱釋放速率分析，間距為1 cm時(shí)的電纜燃燒最為劇烈，導(dǎo)致整體溫度最高。房間整體溫度分布從上到下一次降低，最低處溫度基本保持在40 ℃以下。

2.2.2 布置走向?qū)﹄娎|燃燒特性的影響

不同布置走向下的電纜燃燒熱釋放速率見圖10。

圖10 不同布置走向下的電纜燃燒熱釋放速率

豎向布置的電纜相比于水平布置電纜而言更難點(diǎn)燃，因此豎向布置點(diǎn)火時(shí)間被設(shè)置為480 s。對(duì)比兩種布置方式的熱釋放速率可以看出，豎向布置情況下，電纜燃燒更為劇烈，熱釋放速率峰值及燃燒時(shí)間均高于水平布置電纜燃燒，這意味著豎向布置電纜的危險(xiǎn)性更大。

3 結(jié)論

1)由于內(nèi)部特殊防火結(jié)構(gòu)，核電站用1E級(jí)K3類低煙無鹵阻燃低壓電力電纜HDYJG-K3(以下簡(jiǎn)稱K3類電纜)在燃燒時(shí)熱釋放速率、有效燃燒熱和質(zhì)量損失速率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于NC類電纜，這表明K3類電纜防火性能更佳。

2)對(duì)于NC類電纜，豎直放置時(shí)火災(zāi)危險(xiǎn)性比水平更大，布置間距對(duì)于電纜燃燒影響較大，間距適量增加時(shí)會(huì)提高熱釋放速率峰值與質(zhì)量損失速率峰值，并縮短燃燒時(shí)間。但是間距過大時(shí)，熱釋放速率又會(huì)降低，試樣間距為1 cm時(shí)電纜火災(zāi)危險(xiǎn)性最大。

3)K3類電纜相比于NC類電纜更難以引燃和蔓延。水平放置時(shí)，NC類電纜著火后可以自發(fā)維持火焰蔓延狀態(tài)40～50 cm，而K3類電纜僅能蔓延10～20 cm；豎直放置時(shí)；NC類電纜火焰可一直蔓延直至完全燃燒，但K3類難以被引燃和蔓延。