劉 洋，陳 杰，李陳瑩，陳 紅，劉 凱，謝啟源*

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，南京，211103；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026；3.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院，合肥，230088)

0 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力電纜被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。在過(guò)去的2018年，我國(guó)電纜行業(yè)銷(xiāo)售收入超過(guò)1.4萬(wàn)億元[1]，并且城市的信息化和現(xiàn)代化的建設(shè)對(duì)電力電纜的需求仍然在增加?，F(xiàn)代社會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的依賴(lài)性使得電力電纜尤其是高壓電力電纜的安全運(yùn)行至關(guān)重要。高壓電力電纜是一種主要包括絕緣層、阻水層和護(hù)套層等聚合物的特殊結(jié)構(gòu)可燃物，其受熱升溫、徑向傳熱及形變?nèi)紵^(guò)程都較復(fù)雜，針對(duì)高壓電力電纜火災(zāi)特性的研究是電力消防系統(tǒng)工作的重點(diǎn)[2]?；诖?，不少學(xué)者對(duì)電纜的燃燒行為進(jìn)行了一定的研究。Gong等[3]開(kāi)展了0.1 m的短電纜樣品在不同輻射加熱條件下的受熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，分析了電纜樣品在受熱過(guò)程中的膨脹、破裂、相變及內(nèi)層外傳熱對(duì)點(diǎn)燃過(guò)程的影響，并給出了ZR-YJV電纜受熱變形過(guò)程的五個(gè)階段。王蔚等[4]和付強(qiáng)等[5,6]從微觀分析入手，基于錐形量熱儀建立了簡(jiǎn)化電纜點(diǎn)燃模型，對(duì)電纜點(diǎn)燃性能的影響因素進(jìn)行了分析，指出電纜的點(diǎn)燃時(shí)間與護(hù)套層厚度呈Boltzmann函數(shù)關(guān)系，與線芯層厚度呈指數(shù)衰減函數(shù)關(guān)系，護(hù)套層厚度對(duì)電纜點(diǎn)燃時(shí)間的影響要遠(yuǎn)大于線芯層厚度的影響。

隨著防火要求的提高，在電纜使用過(guò)程中，常以阻燃電纜代替普通電纜或噴涂防火涂層的方式來(lái)減少電纜火災(zāi)的發(fā)生[7,8]。膨脹型防火涂料由于防火性能優(yōu)異且工藝性能較好，使用范圍十分廣泛[9-11]。Fateh等[12]通過(guò)對(duì)膨脹型防火涂料進(jìn)行研究，指出膨脹型防火涂料的存在能夠起到顯著的隔熱作用，但是當(dāng)其用量高于500 g/m2時(shí)，防火效果不再隨著用量的增加而產(chǎn)生明顯的變化。Weil[13]討論了泡沫炭層的化學(xué)作用以及防火涂料中的聚磷酸銨與二氧化鈦等其它組分的相互作用，并針對(duì)當(dāng)今涂料的一些缺點(diǎn)，如耐水性提出改進(jìn)的方向。前人的研究多專(zhuān)注于防火涂料本身的使用特性與作用機(jī)理，極少將電纜防火涂料與電纜本身相結(jié)合，而研究覆有防火涂層的電纜的引燃行為更符合實(shí)際工程的需求。本文將通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)防火效果較佳的膨脹型高氯化聚乙烯防火涂料對(duì)電纜的保護(hù)作用進(jìn)行深入研究和分析，對(duì)比覆有不同厚度防火涂層的電纜在環(huán)形變熱流條件下的受熱行為、引燃時(shí)間以及涂料對(duì)外護(hù)套的保護(hù)作用過(guò)程等，基于此研究得到的防火涂層的相關(guān)數(shù)據(jù)可為實(shí)際工程應(yīng)用中電力系統(tǒng)的防火參數(shù)的工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1給出了變熱流條件下的電纜加熱、引燃與燃燒實(shí)驗(yàn)裝置[14]。該實(shí)驗(yàn)裝置主要由控制柜、桶式環(huán)形變熱流加熱爐和樣品支架三部分構(gòu)成。圖2為被加熱電纜樣品表面及周?chē)臒犭娕疾贾檬疽鈭D，電纜的左右兩側(cè)以及背部各有兩支熱電偶與電纜表面直接接觸，此外，電纜的下方有一支熱電偶，用于測(cè)量加熱爐內(nèi)環(huán)境溫度。

圖1 電纜加熱引燃裝置布置圖

圖2 典型輻射熱通量下電纜樣品周?chē)鸁犭娕疾贾檬疽鈭D

1.2 電纜樣品

本實(shí)驗(yàn)所選用的電纜樣品為YJLW03-Z-64/110-1*1000型號(hào)的高壓電力電纜，在該型號(hào)中，YJ含義為交聯(lián)聚乙烯絕緣(XLPE)，LW含義為皺紋鋁鎧裝護(hù)套，03表示聚乙烯外護(hù)套(PE)，Z表示阻水，64/110標(biāo)明了該電纜的額定相/線電壓是64/110 kV，1*1000表示電纜為單芯，且截面積為1 000 cm2。該高壓電力電纜由內(nèi)向外的各層材料依次為銅芯導(dǎo)體、XLPE絕緣、皺紋鋁鎧裝護(hù)套、阻水包帶以及PE外護(hù)套。

膨脹型高氯化聚乙烯防火涂料以高氯化聚乙烯為基料，多聚磷酸銨-三聚氰銨-季戊四醇為阻燃劑，硅灰石等為顏填料。膨脹型防火涂料一旦受熱，發(fā)泡劑往往最先反應(yīng)，生成大量不燃?xì)怏w，且形成泡沫層。而隨著加熱作用的繼續(xù)施加，防火涂料則進(jìn)一步發(fā)生酯化反應(yīng)，涂料中往往含胺催化劑，用于加速該階段反應(yīng)。最后，材料發(fā)生脫水炭化反應(yīng)，形成無(wú)機(jī)物以及含炭殘余物，整個(gè)防火涂料體系發(fā)生脫水成炭作用，電纜表面最終生成多孔疏松炭層。

圖3給出了不同厚度防火涂料加熱引燃實(shí)驗(yàn)中所使用的電纜樣品圖片，電纜樣品長(zhǎng)100 mm，直徑116 mm。電纜表面的防火涂料為尤樂(lè)牌膨脹型高氯化聚乙烯防火涂料，涂料密度為1.1 kg/m3，使用噴槍對(duì)置于勻速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤(pán)上的電纜樣品進(jìn)行噴涂處理，噴涂的電纜防火涂層密度分別為0 g/m2(即不對(duì)電纜進(jìn)行噴涂處理)、550 g/m2、1 100 g/m2、1 650 g/m2，該涂料噴涂密度分別對(duì)應(yīng)的電纜涂層厚度為0 mm、0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm。防火涂料干燥后的電纜放置于如圖4所示的電纜籠中，電纜兩側(cè)墊有隔熱棉，故加熱裝置對(duì)電纜兩端的加熱可忽略，僅對(duì)電纜外表面起到輻射加熱作用。

圖3 單芯電纜樣品圖片

圖4 電纜籠中涂刷防火涂料電纜樣品

1.3 加熱工況

加熱爐通電后，通過(guò)水冷熱流計(jì)測(cè)量樣品位置的輻射熱通量，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中所使用的電纜樣品的長(zhǎng)度只有10 cm，相較于加熱爐內(nèi)1 m長(zhǎng)的硅碳棒要短得多，所以可以認(rèn)為電纜樣品由底部到頂部所受到的輻射熱流是均勻的。

圖5是最大穩(wěn)定熱流為55 kW/m2的環(huán)形加熱爐中心線處熱流變化曲線，在該加熱功率下加熱一段時(shí)間后，加熱爐內(nèi)熱流才達(dá)到穩(wěn)定加熱階段，此時(shí)的輻射熱通量即為對(duì)應(yīng)的最大穩(wěn)定熱流：55 kW/m2。這里的各組實(shí)驗(yàn)，電纜樣品的加熱與引燃過(guò)程，都在該加熱功率條件下展開(kāi)。即，加熱爐內(nèi)熱流開(kāi)始階段呈遞增趨勢(shì)，之后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，以此來(lái)模擬真實(shí)火災(zāi)場(chǎng)景中物體的受熱過(guò)程。

圖5 最大穩(wěn)定熱流為55 kW/m2條件下測(cè)得的爐內(nèi)中心線處熱流變化曲線

2 結(jié)果與討論

為了更好地研究防火涂料對(duì)電纜的保護(hù)作用，這里重點(diǎn)分析一定加熱條件下膨脹型高氯化聚乙烯防火涂料的受熱行為以及不同涂層厚度防火涂料對(duì)電纜引燃特性的影響。

2.1 不同涂層厚度電纜加熱引燃實(shí)驗(yàn)

膨脹型涂料由于其較好的隔熱防火性和工藝性能，在實(shí)際工程中有較廣泛的應(yīng)用。通過(guò)圖6中膨脹型高氯化聚乙烯防火涂層厚度為1.0 mm的電纜在加熱爐環(huán)形輻射加熱過(guò)程中的變化，可看出該防火涂層出現(xiàn)明顯的膨脹現(xiàn)象。即，隨著加熱的進(jìn)行，輻射熱流逐漸增加，爐內(nèi)溫度隨之升高，背對(duì)加熱爐開(kāi)口方向的電纜表面率先起泡并越來(lái)越密集，小的泡沫漸漸形成更大的泡沫，生成較軟的泡沫狀碳質(zhì)層，涂料體積明顯增大，當(dāng)電纜起火時(shí)，泡沫層開(kāi)始破損坍塌，電纜起火后火勢(shì)較弱。膨脹型高氯化聚乙烯防火涂料可以較好地阻止電纜的火蔓延，明火僅出現(xiàn)在電纜外護(hù)套較小的范圍內(nèi)。

圖6 涂層厚度為1.0 mm時(shí)電纜典型受熱變化過(guò)程

將涂層厚度分別為0 mm、0.5 mm、1.0 mm和1.5 mm的電纜置于最大穩(wěn)定熱流為55 kW/m2的環(huán)形輻射加熱爐中進(jìn)行過(guò)引燃實(shí)驗(yàn)，引燃時(shí)間如圖7所示。

圖7 未噴涂以及噴涂不同厚度涂料的電纜的引燃時(shí)間比較

當(dāng)電纜涂層厚度為0 mm即電纜表面未噴涂防火涂料時(shí)，在最大穩(wěn)定熱流為55 kW/m2的環(huán)形輻射加熱中至490 s時(shí)電纜被引燃，當(dāng)電纜涂層厚度為0.5 mm時(shí)，加熱721 s后電纜起火，可見(jiàn)0.5 mm厚度的阻燃涂層可將同樣加熱條件下電纜的著火時(shí)間推遲近4 min。從這兩組數(shù)據(jù)可以看出，膨脹型高氯化聚乙烯防火涂料可以明顯地延遲電纜開(kāi)始著火的時(shí)間，對(duì)電纜內(nèi)部起到保護(hù)作用。由圖5知，在該時(shí)間段內(nèi)，電纜輻射熱流仍隨時(shí)間的增加而增大，故覆有防火涂層的電纜在未噴涂防火涂層的電纜引燃后受到更強(qiáng)的輻射熱流，即相同工況下，該防火涂層對(duì)電纜引燃的延遲時(shí)間要比圖7所示的間隔更長(zhǎng)。隨著涂料厚度的增加，電纜開(kāi)始著火的時(shí)間會(huì)繼續(xù)延后，當(dāng)電纜噴涂1.0 mm以及1.5 mm厚度的防火涂層時(shí)，電纜的引燃時(shí)間均在開(kāi)始加熱后的770 s之后，相較于未噴涂防火涂層的電纜推遲了近5 min，但噴涂1.0 mm以及1.5 mm厚度的防火涂料的電纜引燃時(shí)間十分接近?？梢?jiàn)，此時(shí)電纜防火涂層厚度的增加不會(huì)再顯著影響電纜的引燃時(shí)間。同時(shí)，在保證防火涂料功能與效果的基礎(chǔ)上考慮噴涂電纜涂料的經(jīng)濟(jì)性，可認(rèn)為該電纜的膨脹型高氯化聚乙烯防火涂層噴涂的最適厚度為1.0 mm。

圖8為電纜噴涂厚度為1.5 mm的膨脹型高氯化聚乙烯防火涂料的電纜表面及周?chē)鷾囟茸兓?，由于該涂料在受熱過(guò)程中明顯的膨脹作用，電纜噴涂膨脹型高氯化聚乙烯防火涂料后，在電纜被引燃前，電纜表面的溫度經(jīng)歷了3個(gè)不同的階段：第一階段為自開(kāi)始加熱至加熱459 s，在此時(shí)間段內(nèi)，電纜涂層形態(tài)并未發(fā)生明顯變化，從防火涂料膨脹行為分析，可認(rèn)為此時(shí)處于惰性階段。第二階段則從459 s開(kāi)始，電纜背對(duì)加熱爐開(kāi)口的表面的涂料開(kāi)始起泡膨脹，且膨脹現(xiàn)象隨時(shí)間變化的較為劇烈。電纜涂層體積不斷增大，電纜表面的熱電偶所測(cè)得的溫度上升速度相對(duì)減慢。由于熱電偶位置固定，當(dāng)涂料膨脹時(shí)，熱電偶進(jìn)入涂料泡沫層內(nèi)部；第三階段為電纜表面的涂料膨脹到一定的程度，涂料體積不再增加，熱電偶所測(cè)得的溫度曲線中此時(shí)出現(xiàn)一個(gè)較為平緩的階段，可看作是“平臺(tái)”現(xiàn)象。當(dāng)電纜加熱至776 s時(shí)起火。即當(dāng)電纜表面噴涂膨脹型高氯化聚乙烯防火涂料時(shí)，由于膨脹作用，在著火前電纜表面的涂料溫度出現(xiàn)不再上升的現(xiàn)象，電纜外護(hù)套溫度也將停止上升，所以相對(duì)于未噴涂該防火涂料的電纜來(lái)說(shuō)，噴涂膨脹型高氯化聚乙烯防火涂料的電纜引燃時(shí)間能夠延后。

圖8 涂層厚度為1.5 mm的電纜表面以及周?chē)鷾囟茸兓?/p>

圖9為電纜表面噴涂膨脹型高氯化聚乙烯防火涂層的厚度分別是0 mm、0.5 mm、1.0 mm和1.5 mm時(shí)電纜左右兩側(cè)的表面溫度。利用該溫度可以分析在該輻射加熱條件下膨脹型高氯化聚乙烯防火涂料對(duì)電纜的保護(hù)時(shí)間。這里，將熱電偶測(cè)得的電纜左右表面溫度變化曲線中剛開(kāi)始出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)刻作為防火涂層膨脹隔熱而對(duì)電纜外護(hù)套起保護(hù)作用的開(kāi)始時(shí)刻，另取電纜著火時(shí)刻認(rèn)為是該保護(hù)作用的截止時(shí)刻，防火涂料的膨脹作用對(duì)電纜起到保護(hù)的時(shí)間即為這兩者之間的時(shí)間差。

圖9 噴涂不同厚度涂料的電纜表面溫度變化

由圖9可見(jiàn)，當(dāng)電纜未噴涂防火涂料時(shí)，不存在上述的保護(hù)時(shí)間。當(dāng)噴涂0.5 mm的涂層厚度時(shí)，由熱電偶溫度變化曲線可得，電纜右側(cè)表面在496 s時(shí)涂料首先開(kāi)始膨脹，此時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度為300 ℃，左側(cè)表面涂料在一分鐘后的567 s開(kāi)始膨脹。該涂層厚度下的電纜于第721 s時(shí)被引燃，即可得到該厚度的防火涂層對(duì)電纜右左表面的保護(hù)時(shí)間分別為225 s和154 s。當(dāng)噴涂1.0 mm的涂層厚度時(shí)，電纜右側(cè)表面最早在492 s涂料開(kāi)始膨脹，此時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度為276 ℃，而電纜左側(cè)表面在540 s時(shí)開(kāi)始膨脹。該涂層厚度下的電纜受熱774 s后引燃，可見(jiàn)，1.0 mm厚度的防火涂層對(duì)電纜左、右表面的保護(hù)時(shí)間分別為234 s和282 s。同理可得當(dāng)防火涂料為1.5 mm的厚度時(shí)對(duì)電纜左、右兩側(cè)表面的保護(hù)時(shí)間分別為317 s和225 s。隨著防火涂料厚度的增加，其膨脹作用對(duì)電纜側(cè)面保護(hù)的時(shí)間往往越長(zhǎng)，此外，在防火涂料自開(kāi)始膨脹至電纜引燃的時(shí)間區(qū)間內(nèi)，熱電偶所測(cè)量的涂層膨脹區(qū)域內(nèi)部溫度并未顯著升高。

圖10為噴涂不同厚度的防火涂層后的電纜在最大穩(wěn)定熱流為55 kW/m2時(shí)的環(huán)形加熱爐內(nèi)加熱后的質(zhì)量損失與質(zhì)量損失速率曲線。對(duì)于有防火涂層的曲線即涂層厚度為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm的曲線表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，根據(jù)曲線在各時(shí)間段內(nèi)變化趨勢(shì)的不同，可將電纜的質(zhì)量損失以及質(zhì)量損失速率曲線分為4個(gè)階段。從電纜開(kāi)始受熱到400 s左右為第一階段，此時(shí)，電纜表面涂層開(kāi)始受熱，碳化劑發(fā)生脫水成碳，該階段的質(zhì)量損失主要是由所噴涂防火涂料自身受熱而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起。在之后的300 s左右可認(rèn)為是第二階段，此時(shí)電纜后方的膨脹型高氯化聚乙烯防火涂料率先膨脹在電纜的表面形成泡沫保護(hù)層，從而在一定程度上可以隔絕外部輻射對(duì)電纜的加熱，而當(dāng)后方的防火涂料充分反應(yīng)時(shí)電纜左右兩個(gè)側(cè)面由于溫度較低還未完全膨脹，此時(shí)對(duì)應(yīng)的質(zhì)量損失速率下降。從700 s～1 000 s左右可視為第三階段，隨著加熱的繼續(xù)進(jìn)行，電纜的溫度不斷升高。其后面的涂料反應(yīng)完全，甚至部分泡沫層脫落，保護(hù)作用減弱，致使電纜的外護(hù)套直接暴于熱輻射中并開(kāi)始熱解，同時(shí)除后方的防火涂料外其他部位的涂料開(kāi)始膨脹生成泡沫層，故該階段的質(zhì)量損失速率較大。之后電纜進(jìn)入第四階段，即當(dāng)電纜燃燒后關(guān)閉環(huán)形加熱爐電源，懸掛在爐內(nèi)的電纜呈小火燃燒狀態(tài)，直到火焰熄滅，此時(shí)的燃燒并不非常劇烈，因此，電纜質(zhì)量損失速率相對(duì)較小。

圖10 噴涂不同厚度防火涂料的電纜質(zhì)量損失以及質(zhì)量損失速率

此外，進(jìn)一步對(duì)比圖10中噴涂4種不同厚度膨脹型高氯化聚乙烯防火涂料的電纜的質(zhì)量損失速率曲線，以質(zhì)量損失速率曲線中的第一個(gè)波峰和第一個(gè)波谷之間的時(shí)間間隔作為防火涂料對(duì)電纜的保護(hù)時(shí)間，即主要是指電纜后方的涂料對(duì)電纜外護(hù)套的保護(hù)，可認(rèn)為是狹義的保護(hù)時(shí)間。如圖10所示，隨著防火涂料厚度的增加，電纜質(zhì)量損失速率的第一個(gè)波峰出現(xiàn)的越早，第一個(gè)波谷明顯延遲，由此使得防火涂層越厚，其對(duì)電纜的保護(hù)的時(shí)間越長(zhǎng)，故電纜的引燃時(shí)間也會(huì)相應(yīng)延遲。

3 結(jié)論

本文通過(guò)環(huán)形加熱爐對(duì)噴涂不同厚度防火涂層的高壓電力電纜進(jìn)行加熱引燃實(shí)驗(yàn)，探究了最大穩(wěn)定熱流為55 kW/m2的環(huán)形輻射加熱強(qiáng)度下膨脹型高氯化聚乙烯防火涂料的受熱行為。通過(guò)分析，得到以下結(jié)論：

(1)膨脹型高氯化聚乙烯防火涂料在加熱過(guò)程中起泡，體積明顯膨脹增大，生成較軟的泡沫狀碳質(zhì)層。依據(jù)防火涂料在著火前的受熱行為可將其分為惰性階段、膨脹階段以及穩(wěn)定階段三個(gè)部分。

(2)相比于無(wú)防火涂層的電纜，膨脹型高氯化聚乙烯防火涂料對(duì)電纜有較好的阻燃和保護(hù)作用，可將電纜的著火時(shí)間延遲超過(guò)3 min，并且隨著涂層厚度的增加，電纜防火涂料的膨脹作用對(duì)電纜保護(hù)的時(shí)間越長(zhǎng)。結(jié)合阻燃效果與經(jīng)濟(jì)性分析，該膨脹型涂料的噴涂厚度在1.0 mm左右較合適。