配電箱在火災環(huán)境下的熱響應特性研究

謝承利，李元洲，任彬彬

（1.中國艦船研究設計中心，武漢，430064；2.中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，合肥，230026；3.安徽省交通規(guī)劃設計研究院，合肥，230088）

0 引言

低壓配電箱是電力系統(tǒng)中最低一級的控制和保護設施，并在實際的建筑中大量使用，是保障電力系統(tǒng)安全運行最基礎的一個環(huán)節(jié)。在建筑物內(nèi)如果發(fā)生火災，在消防滅火設備應正常工作的時間段內(nèi)，在火場高溫的惡劣環(huán)境下，消防配電控制裝置應能夠滿足維持繼續(xù)運行的要求。而在目前的狀況下，在整個配電控制系統(tǒng)路徑的各個環(huán)節(jié)中，只有控制裝置未有任何的防范措施，顯得異常薄弱，完全不能抗住火場初期大樓消防自救時的高溫惡劣環(huán)境。如何采取措施保證其在高溫環(huán)境特別是在火災環(huán)境中，保證充足的工作時間是一個值得思考的問題。對于構件的耐火性研究，國內(nèi)外傳統(tǒng)上采用標準的溫度曲線進行試驗環(huán)境加溫［1］，對構件的溫度升高和耐火時間進行測定?？墒菢嫾幱趯嶋H火災條件下與在標準試驗爐中經(jīng)受的情況往往存在很大的差別［2］，另目前主要集中于對電器開關、電線電纜等具體構件進行耐火實驗［3，4］，并制定了相關行業(yè)規(guī)范［5，6］，而對于作為消防設備心臟的配電控制裝置在火災環(huán)境下的響應特征則研究較少［7］，也沒有制定相應的標準規(guī)范要求。因此對配電箱在實際火災條件下的響應特性開展研究，進行一系列的配電箱在火災環(huán)境下的運行實驗，收集實驗數(shù)據(jù)，為規(guī)范的制定提供依據(jù)和參考，具有一定的實際意義。

1 火災環(huán)境下?lián)Q熱過程分析

在真實火災情況下，室內(nèi)的柜式配電箱上半部置于煙氣層內(nèi)，下半部置于空氣層。配電箱箱體由于煙氣、空氣的對流和輻射而被加溫，使得箱體內(nèi)外表面溫度升高。熱傳導是箱體外殼向內(nèi)部熱傳遞的主要途徑，熱傳導的過程是穩(wěn)定的。

《建筑設計防火規(guī)范》規(guī)定，實際應用中排煙風機應能在280℃的環(huán)境條件下連續(xù)工作不少于30 min［8］。配電箱是消防設備供電的控制措施，要保證消防設施滿足運作要求，首先需要配電箱能夠滿足正常運作的要求，因此配電箱也應滿足在280℃的環(huán)境條件下連續(xù)工作不少于30min的要求。取測點處穩(wěn)定階段環(huán)境溫度t∞＝280℃，初始環(huán)境溫度ti取20℃，鐵板厚2mm，忽略鐵板的熱阻和鐵板與石棉板的接觸熱阻。目前消防負荷配電箱沒有專用開關，均按普通配電箱電器要求進行配置，多數(shù)選擇cs100n和c65n型。對于c65n開關，一般正常的工作溫度在150℃以下，由于焊接質(zhì)量、導電回路設計、金屬片本身的發(fā)熱功率等影響，可能到200℃［9］。受到加熱的配電箱內(nèi)部空間會存在溫度梯度，但相差值較小，箱體內(nèi)部溫度可基本看為均勻，同一高度處箱體內(nèi)壁溫度與配電箱內(nèi)部空間溫度相差也不大，在這里取開關正常工作時配電箱內(nèi)壁溫度的上限為170℃。利用一階非穩(wěn)態(tài)導熱分析的思路，對于加了隔熱板的配電箱，由于隔熱板的長度和寬度遠大于其厚度，將熱量在隔熱板內(nèi)的傳導簡化為一維問題，假設隔熱板物性不隨溫度升高而變化，不考慮箱體表面的熱損失。若要使配電箱能在280℃的環(huán)境下至少持續(xù)工作30min，則對于實驗所用配電箱［10］：

式中δ為隔熱板厚度，t（δ，t）為隔熱板內(nèi)壁溫度，t∞為環(huán)境溫度，ti為初始溫度，a為熱擴散系數(shù)a＝k／ρc石棉板的關鍵參數(shù)確定如下：導熱系數(shù)k＝0.208w／（m·K），密度ρ＝576 （kg／m3），c＝0.816×103（W·s／kg·k）。可求得δ≈0.02m?？梢姡粢固幱诃h(huán)境溫度為280℃的該規(guī)格配電箱內(nèi)部1.5m高度處的溫度在30min后保持170℃以下，則隔熱板厚度至少要大于20mm。

2 實驗設計

實驗在一個全尺寸實驗腔室內(nèi)［11］進行。利用油池火模擬真實火災條件，對置于真實火災條件下的普通和消防配電箱的箱體溫升進行了測量，研究了外界實際火場溫度變化時對帶載配電箱內(nèi)部溫度變化的影響等火災環(huán)境下的配電箱的熱響應特性。采用的實驗樣品是不設置隔熱板和設置隔熱板的成型配電箱，配電箱尺寸為寬700mm，高1800mm，厚度400mm。正面和側(cè)面為鐵板加隔熱板，隔熱材料為石棉板，厚度為20mm。配電箱箱體封閉，僅后部留有供電線進出的小口。

對于開有門的腔室環(huán)境內(nèi)，火災發(fā)展到一定階段，室內(nèi)存在良好的分層現(xiàn)象，上層的熱煙氣層和下層的空氣層存在清晰的界面?；鹪赐ㄟ^羽流向煙氣層輸送質(zhì)量和能量，當煙氣層降到通風口上檐時會產(chǎn)生煙氣溢出。

腔室尺寸為3m×4m×3m，四周封閉，門高1.2m。實驗時，新鮮空氣由門口進入?；鹪床捎?個尺寸為85cm×40cm的甲醇火組合，點燃穩(wěn)定后火源功率為700KW，距離箱體前方1m位置，對配電箱體進行輻射及對流加熱。經(jīng)過測量，點燃后腔室內(nèi)1.5m高度處的環(huán)境溫度能快速的達到280℃并基本保持，該實驗臺的結(jié)構及實驗測量儀器的布置方式如圖1所示。

圖1 實驗布置示意圖Fig.1 test arrangement sketch

表1 實驗條件Table 1 Test conditions

分別采用不深加和添加隔熱層的箱體，箱體內(nèi)有兩路電路，分別裝配普通導線和耐高溫導線。在箱內(nèi)和關鍵部位（如端子、開關等）若干溫度測點，布置K型熱電偶貼于測量試樣表面以測試其部位表面溫度。熱電偶布置如圖2所示。

圖2 測點位置Fig 2 Points arrangement

3 實驗結(jié)果及分析

實驗過程中，箱體壁面溫度、箱體內(nèi)部溫度變化情況分別如圖3、圖4、圖5、圖6所示。由測得的配電箱內(nèi)壁和內(nèi)部溫度可以得到，對于普通配電箱而言，由于沒有隔熱板，使得箱體內(nèi)壁溫度在實驗開始440s后迅速升高到170℃，安裝于此高度處的開關在此時就可能會由于實驗環(huán)境溫度升高引起了熱脫扣機構動作，從而終止了消防負載的供電。而對于配置了隔熱板的配電箱，由于隔熱板的作用，在實驗開始后的1450s左右時，1.5m高度處配電箱內(nèi)壁溫度才達到170℃，可見隔熱板起到了很好的阻熱作用。但由于隔熱板的厚度不夠，導致箱體內(nèi)部溫度維持在170℃以下的時間較短。

圖3 普通配電箱門板溫升曲線Fig.3 The temperature rising on the door without

圖4 帶隔熱板配電箱門板溫升曲線Fig.4 The temperature rising on the door with insulation board

我們從圖3、圖4可以看到，在實驗的開始階段，隨著時間的推移，配電箱內(nèi)外表面的溫度升高，兩種箱體外表面溫度相差不大，不同高度處箱體表面溫度相差不大。普通配電箱箱體同一位置內(nèi)外表面溫差不大，加隔熱板的配電箱同一位置處內(nèi)外表面的溫度差隨時間的增加而增加。由于鋼的傳導系數(shù)很大，隨著腔室內(nèi)環(huán)境溫度的升高，由薄鋼板制成的配電箱壁面的內(nèi)外溫度基本相同，可假定其截面溫度均勻分布。同時熱量通過隔熱板傳導到箱體內(nèi)表面，又由于配電箱第一層外表面的溫度升高，且隔熱板的導熱系數(shù)隨著溫度的增加而增大，從而增強了配電箱箱體內(nèi)部熱傳導效應，使配電箱箱體內(nèi)表面的溫度升高速率加快。由圖7中的溫度一階差分曲線可以看出。不同高度處，箱體外表面溫度隨著測點高度的升高而升高，同一時刻，外表面溫度高處的溫升速率高于溫度低處的溫升速率，同樣可歸結(jié)于上述的原因。

圖5 普通配電箱內(nèi)部溫升曲線Fig.5 The temperature rising in the box without insulation board

圖6 帶隔熱板配電箱內(nèi)部溫升曲線Fig.6 The temperature rising in the box with insulation board

圖7 帶隔熱板配電箱門板內(nèi)壁溫升速率曲線Fig.7 The temperature rising rate in the inner door surface with insulation board

對于有隔熱板的配電箱，箱體內(nèi)表面的溫度升高時，對箱體內(nèi)部的元器件部分產(chǎn)生熱輻射。配電箱箱體內(nèi)部的空氣溫度較低，配電箱箱體內(nèi)表面損失熱量的速度較配電箱箱體外表面損失熱量的速度大得多。另外，由于腔室內(nèi)的環(huán)境溫度較配電箱內(nèi)部的空氣溫度要高，同時由于隔熱板的導熱系數(shù)很低，因而通過隔熱板熱傳導的熱量較由于腔室內(nèi)火源的輻射傳熱和對流要低，使得配電箱內(nèi)外表面的溫度差隨著腔室溫度的增加而增加。而普通配電箱由于沒有隔熱板的作用，而薄鋼板的導熱系數(shù)較高，壁面內(nèi)壁通過鋼板熱傳導得到的熱量較高，所以壁面內(nèi)外的溫差不大。箱體外表面上處熱電偶溫度大于下處熱電偶測得的值。因為箱體外壁上部受到的煙氣層輻射大于下部，使得上處獲得的熱量總數(shù)大于下處，而且同一時刻，溫度隨高度的升高而升高，從而導致內(nèi)壁受到傳導熱不同；不同高度內(nèi)壁溫度也不同，并且隔熱材料導熱系數(shù)隨溫度升高變化程度不同，使內(nèi)壁不同高度處所測得溫度不同更加明顯。由圖6可以看出，所處高度越高，元器件溫度越高。故耐火較差的開關，可裝于位置較低的位置。

在實驗后期階段，配電箱內(nèi)外壁之間溫度差達到一個最大值，此后腔室內(nèi)環(huán)境溫度達到相對穩(wěn)定狀態(tài)，配電箱內(nèi)部空氣溫度逐漸升高，同時隔熱板的導熱系數(shù)逐漸升高，其中有一段時間內(nèi)外壁所受熱輻射與向內(nèi)壁的熱傳導大致平衡，外壁溫度基本穩(wěn)定，內(nèi)壁對箱內(nèi)元器件的熱輻射逐漸降低，使得內(nèi)外壁的溫差也逐漸降低。

4 結(jié)論

在腔室內(nèi)模擬實際火災環(huán)境針對配電箱的耐高溫性進行了實驗研究，并對配電箱壁面內(nèi)部的熱量傳遞做了分析，并將計算結(jié)果與實驗結(jié)果作了比較。理論分析表明，采用石棉板的消防配電箱隔熱板厚度至少應該大于20mm，才能確保此類配電箱工作于280℃的環(huán)境溫度的情況下，30min內(nèi)開關不會因為箱體內(nèi)部溫度過高而產(chǎn)生跳閘。實驗結(jié)果表明，沒有加裝隔熱板的配電箱內(nèi)部溫度上升較快，8min內(nèi)達到元器件的耐熱溫度上限；而加裝隔熱板的配電箱表現(xiàn)出了較好的隔熱作用，20mm厚的石棉板可使耐熱時間增加到28min左右，與理論分析基本吻合。配電箱內(nèi)表面增加隔熱板可大大增加火災中消防供電的可靠性。同一時刻配電箱內(nèi)部溫度隨著高度的升高而升高，配電箱箱體內(nèi)表面的溫度升高速率隨著環(huán)境溫度的升高而加快，同時外表面溫度高處的溫升速率高于溫度低處的溫升速率。環(huán)境溫度達到相對穩(wěn)定狀態(tài)后，內(nèi)外壁的溫差也逐漸降低。

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