低壓下高溫導線電流過載噴射著火研究

趙思威，方 俊，王靜舞，薛 巖，何選澤

(中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，合肥，230026)

低壓下高溫導線電流過載噴射著火研究

趙思威，方 俊*，王靜舞，薛 巖，何選澤

(中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，合肥，230026)

以聚全氟乙丙烯(FEP)高溫阻燃材料為絕緣層的電纜電線，在航天器中有著較廣泛的應用，但是關于它們短路過載引起的著火卻少有研究。通過低壓實驗艙模擬微重力下的弱浮力環(huán)境，對過載電流下的FEP高溫導線的著火現(xiàn)象進行了研究。實驗結(jié)果表明，由于FEP導線熱容高，熱解過程中，會在絕緣層與線芯之間積聚熱解氣體，形成氣泡，隨后氣泡破裂發(fā)生噴射著火現(xiàn)象；隨著環(huán)境壓力的增大，F(xiàn)EP熱解氣泡的寬度逐漸增加，而氣泡高度逐漸減??；實驗段導線中間位置所受拉伸應力最大，噴射著火發(fā)生在中間位置的概率最高；相同氧氣濃度下，著火能量隨著壓力的增加而逐漸降低，而增加氧氣濃度則會使著火能量降低。

低氣壓，熱解，噴射著火，聚全氟乙丙烯導線，著火能量

0 引言

隨著我國及國際社會航天事業(yè)的發(fā)展，航天器的防火安全研究成為重中之重。從美國NASA公布的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，其退役的航天飛機在最初50次飛行中，至少發(fā)生了5起失火事件[1]，且其原因均由導線短路或電子元件及部件的異常等引起。在太空環(huán)境中，電子電器件及電纜導線電路過載引起的火災，已成為航天器火災的一個重要原因。當電路短路或過載時，包裹在絕緣層內(nèi)的線芯所產(chǎn)生的熱量急劇增加，由于導線本身半徑較小，曲率較大，就更容易發(fā)生著火，這種自發(fā)著火與外加熱源條件下的導線引燃有很大的差別。

現(xiàn)有文獻表明，低壓實驗艙可以模擬微重力下的弱浮力環(huán)境，孔等[2]利用低壓模擬微重力，對PE導線過載時的溫升速率等先期著火特性進行了研究。地面模擬微重力主要通過落塔實現(xiàn)，但考慮到落塔實驗費用昂貴，單次實驗周期長且使用機會有限，因此選用低壓實驗艙模擬微重力下的弱浮力環(huán)境，開展導線的過載著火實驗[2]。

對于PE導線著火，Huang等[3]通過建立導線“引燃- 著火”模型，系統(tǒng)地解釋了導線引燃的機理，并解釋了導線著火到形成蔓延之間的過渡階段。Nakamura,Fujita和Takahashi等[4- 6]最先對微重力下導線絕緣層的短路著火進行了廣泛且深入的研究，他們解釋了微重力下聚乙烯(PE)絕緣層導線的著火機理，并對其著火極限、最小點火能量以及氧氣濃度和壓力在這些過程中所起的作用進行了分析。

除了聚乙烯(PE)等常規(guī)絕緣層材料外，以高溫阻燃材料如乙烯- 四氟乙烯共聚物(ETFE)和聚全氟乙丙烯(FEP)等作為絕緣層的電纜電線在航天中也有實際應用。FEP的熔點約為PE的6倍，密度為其2.2倍，F(xiàn)EP熱解溫度為673K，而PE為503K。1995年，Cahill[7]發(fā)表了關于商用飛機上ETFE和PTFE導線短路或過載下的研究進展。2014年，Osorio等[8]研究了低氣壓、外加輻射熱源條件下銅芯ETFE導線的著火及火蔓延極限，但對于高溫材料導線的自發(fā)著火尚未研究。

本文主要在低壓實驗艙內(nèi)進行了不同壓力(不同浮力狀態(tài))及不同氧氣濃度下FEP導線過載著火實驗，并對其噴射著火現(xiàn)象進行了分析和討論，這將為FEP導線在微重力條件下的自發(fā)著火研究提供參考。

1 實驗裝置

低壓實驗艙裝置及其著火裝置的示意圖如圖1，艙體的外形設計為圓柱形(內(nèi)徑為500 mm，艙體高度400 mm)，艙內(nèi)壓力在0.3 kPa～100 kPa(準確度為±0.01 kPa)內(nèi)可調(diào)，這一壓力范圍是根據(jù)表1低壓艙壓力與微重力水平之間的關系確定的，氧氣濃度在21%～80%范圍可調(diào)。實驗中使用到的FEP導線采用Ni- Cr作為線芯，因為相同溫度下Ni- Cr芯的電阻率(Ni80Gr20，1.09 Ωmm2/m)約為Cu芯電阻率(0.017 Ωmm2/m)的64倍，若需在相同時間內(nèi)產(chǎn)生相同的發(fā)熱量，則Cu芯通入的電流約為NiCr芯的8倍，而且供電回路的連接線為Cu芯導線，若實驗段也采用銅芯會影響到整個回路的安全。FEP導線的具體參數(shù)見表2。

圖1 低壓實驗艙及導線點火裝置Fig.1 Sketch of the sub- atmospheric cabin and wire ignition apparatus

壓力101kPa30kPa20kPa重力水平1g10-1g10-1g～10-2g

表2 實驗導線的物理特性

實驗中使用高砂EX- 750L直流電源(輸出電壓范圍0 V～60 V，準確度±0.06V，輸出電流范圍0 A～50 A，準確度±0.2 A，功率750 W，)提供持續(xù)的13A電流引導著火，著火之后關閉電源，NiCr芯下的13 A過載電流約相當于Cu芯的104 A電流。導線著火過程由一臺高速攝像機(Photron FASTCAM Mini UX 50, 1000 fps, 分辨率1280×1024)記錄，同時著火時間的確定也由高速攝像機記錄的圖像確定。

本實驗主要通過低壓艙對艙內(nèi)氣壓和氧氣濃度進行了改變，艙內(nèi)的溫度(20 ℃)，濕度(40%)等均保持不變。實驗中設定9個環(huán)境壓力工況(20 kPa～100 kPa，10 kPa間隔)和3個氧氣濃度(OC)工況(21%，30%，40%，體積濃度)，共計27個工況。實驗步驟如下：(1)搭載導線：將FEP導線固定在搭載支架兩端，并放置在低壓實驗艙內(nèi)，調(diào)整好擺放位置，連接直流電源，緊閉艙蓋。(2)調(diào)節(jié)工況：首先通過低壓艙操作面板調(diào)節(jié)艙內(nèi)壓力，達到設定壓力值后穩(wěn)定5 min；然后通入純氧調(diào)節(jié)艙內(nèi)氧氣濃度，達到設定氧氣值后穩(wěn)定15 min；最后打開直流電源，預調(diào)好工況電流13 A。(3)實驗記錄：在接通直流電源的同時，開始高速圖像采集；在導線過載著火后，切斷輸入電源，延時1 s后停止高速拍攝。整個實驗在一個暗室中進行，以避免外界光源對著火圖像的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 導線噴射著火位置統(tǒng)計

圖2所示為導線噴射著火的三種位置。在對所有的實驗工況進行著火方式分析后發(fā)現(xiàn)，如果對實驗段導線的長度進行三等分，則其噴射著火位置存在三種情況：圖2(a)為單點單側(cè)噴射著火：實驗段導線上只有一個氣泡生成，且氣泡破裂著火位置在導線的單側(cè)(左側(cè)或右側(cè))；圖2(b)為單點中間噴射著火：導線上只有一個氣泡生成，且破裂著火位置在導線中間位置；圖2(c)為兩點雙側(cè)著火：導線上有兩個氣泡同時或先后生成，氣泡破裂著火位置分布在導線兩側(cè)(左側(cè)和右側(cè))。

圖2 導線噴射著火的三種位置Fig.2 Three positions of bursting ignition

圖3為導線噴射著火位置的規(guī)律，實驗過程中每個工況點進行了9次實驗，對共計243次實驗的著火點位置進行了統(tǒng)計?？梢钥闯鰡吸c中間噴射著火出現(xiàn)的概率為60%～75%，其余兩種情況概率較低些。在導線過載加熱時，整個導線的受熱是均勻的，而中部絕緣層所受到的拉伸應力相較于兩端更大，所以噴射著火點位置更多會集中在中間。以下的討論選取概率最高的單點中間著火現(xiàn)象進行分析。

清洗能夠去除表面的農(nóng)藥，但是對于滲入果皮內(nèi)的就無能為力。一般而言，滲入的部分主要分布在表皮內(nèi)，所以去皮是很有效的手段。比如土豆，去皮可以去掉70%以上的殘留農(nóng)藥。

2.2 導線表面熱解及內(nèi)部成泡過程

圖4所示為FEP導線外部熱解氣體上升過程的二值圖。實驗過程中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)EP導線在通電加熱過程中的熱解主要可以分為兩個部分，一是絕緣層外部的熱解，從通電后約0.2 s開始，產(chǎn)生的熱解氣體向上運動，熱解氣體首先以梯形狀向上擴散，當上升到一定高度，熱解氣體兩端開始形成渦旋結(jié)構，渦旋結(jié)構出現(xiàn)的時間隨著壓力的減小而增大；二是絕緣層內(nèi)部與線芯接觸部分的熱解。

圖4 FEP導線外部熱解氣體上升過程(30%OC，90 kPa)Fig.4 The process of the wire insulation pyrolysis(30%OC, 90 kPa)

圖5所示為FEP導線通電后，絕緣層內(nèi)部熱解氣體積聚產(chǎn)生氣泡的典型過程。當導線線芯開始通電后，線芯溫度逐漸上升，同時對絕緣層進行加熱，由于FEP導線的熱解溫度較高(673 K)，加熱過程中不會出現(xiàn)熔融破裂現(xiàn)象，從而使得整個絕緣層內(nèi)部處于密閉狀態(tài)。隨著通電時間的增加，線芯與絕緣層之間所產(chǎn)生的熱解氣體逐漸增多，由于整體的密閉性使得熱解氣體開始積聚，從圖5中0.952 s導線表面可以看到一個凸起出現(xiàn)，隨著時間的進行，凸起逐漸變大，最終在1.008 s時形成一個頂部透明的氣泡。

圖5 內(nèi)部熱解氣體積聚產(chǎn)生氣泡的過程(21%OC，90 kPa)Fig.5 Evolution of the bubble with pyrolysis gases (21%OC, 90 kPa)

在導線電流過載著火實驗中，F(xiàn)EP導線的熱解過程與聚乙烯(PE)導線的熱解過程有顯著區(qū)別。由于聚乙烯(PE)材料較低的熱解溫度(503 K)，當持續(xù)的過載電流通過Ni- Cr芯PE導線時，PE會迅速熱解并向上擴散，并不會在絕緣層內(nèi)部產(chǎn)生氣泡。

圖6 氣泡的寬度W和高度H與環(huán)境壓力P的關系Fig.6 The dependence of bubble width and height on air pressure

圖6所示為氣泡的寬度W和高度H與環(huán)境壓力P的關系。通過對每組工況實驗圖像的觀察發(fā)現(xiàn)，熱解氣體形成的氣泡在達到最大時會發(fā)生破裂并噴射出熱解氣體，所以這里選定氣泡破裂前一幀(間隔0.002 s)的圖像作為最大氣泡。測量過程中，選取只有一個氣泡且破裂位置在中間的實驗結(jié)果，對其寬度W及高度H進行測量。測量結(jié)果表明，隨著壓力的增大，氣泡的高度減小，而氣泡的寬度則有增大的趨勢。這是因為隨著壓力的增大，氣泡在垂直方向的膨脹受到抑制，從而使其高度降低，而在水平方向上的膨脹就得到了增強，使得其寬度有增大的趨勢。

圖7 氣泡破裂過程(30 %OC, 30 kPa)Fig.7 Bubble bursting process (30 %OC, 30 kPa)

圖7所示為30%OC，30 kPa下熱解氣體氣泡破裂瞬間的圖像。在氣泡破裂瞬間，可以看到頂部有一個明顯的銳角開口，隨著時間的進行，開口角度逐漸增大為鈍角，而氣泡體積則逐漸減小。在通電0.990 s時，由于內(nèi)部積聚的熱解氣體逐漸增多，且在浮力的作用下向上運動，而絕緣層氣泡的膨脹已達到最大。當通電到0.992 s時，增加的熱解氣體超過氣泡的臨界值而發(fā)生破裂。

2.3 導線的噴射著火過程

圖8所示為氣泡內(nèi)部熱解氣體噴射后的著火現(xiàn)象，這里選取了噴射瞬間和著火瞬間的圖像信息。通過圖8可以清晰地看到氣泡破裂后，熱解氣體噴出的方向、擴散軌跡及其著火瞬間。由于導線的密閉性，剛噴出的熱解氣體濃度較高，未能立即著火，經(jīng)過約0.05 s的混合時間，熱解氣體被引燃。

圖8 導線噴射著火過程(30%OC, 30 kPa)Fig.8 Bubble bursting and ignition process(30%OC, 30 kPa)

2.4 著火能量與氣壓的關系

著火能量定義為，從導線通電到導線著火瞬間電源所加的能量，即：

E=I2Rtig

(1)

I為恒流源提供的電流，為13 A固定值；R為Ni- Cr線芯的單位長度的電阻值，Ω/cm；tig為著火延遲時間，即通電瞬間到著火瞬間的時間間隔。經(jīng)過測試，實驗段導線加載13 A電流，持續(xù)5 s后，電壓增加了0.3 V，計算可得電阻增加了0.023 Ω，變化率小于1%，Shigeta等[9]也有此結(jié)論，且實驗中通電時間較短(<2.0 s)，所以Ni- Cr線芯溫度升高對其阻值的影響不大，R也可看作固定值。本文中的著火延遲時間主要通過高速攝像機所拍攝的連續(xù)圖像確定，通電瞬間，攝像機開始拍攝，著火之后，停止拍攝。

圖9 不同氧氣濃度下著火能量E與環(huán)境壓力P的關系Fig.9 The relationship between pressure and ignition energy

圖9所示為不同氧氣濃度下著火能量與艙內(nèi)壓力之間的關系，每個工況選取3次實驗的著火延遲時間，求取平均值，然后通過公式(1)求得著火能量?？梢园l(fā)現(xiàn)，相同氧氣濃度下，隨著壓力的增加，著火能量逐漸減小；相同壓力下，提高氧氣濃度也會使著火所需能量降低。

由公式(1)知，著火能量E減小，即tig減小。已有的研究表明，著火時間tig由熱解時間tpy、混合時間tmix和化學反應時間tchem組成，

tig=tpy+tmix+tchem

(2)

且熱解時間遠大于混合時間和化學反應時間[10]，這里重點分析壓力變化對熱解時間的影響。低壓艙體積一定，隨著壓力的降低，其氧氣濃度(體積濃度)不變，但其氧氣分壓會降低，Hirata和Hayashi等[11, 12]的研究表明，熱解溫度會隨著氧氣分壓的增加而減小，使材料的熱解時間tig減小。因此，相同氧氣濃度下(體積濃度)，著火能量隨壓力的增加而降低；提高氧氣濃度之后，著火能量會降低。

3 結(jié)論

本文通過低壓實驗艙模擬微重力下的弱浮力環(huán)境，對過載電流下的FEP高溫導線的著火現(xiàn)象進行了研究。低壓條件下，F(xiàn)EP導線過載噴射著火的研究的結(jié)論如下：

(1)FEP導線通過過載電流時的熱解可分為兩部分，一是絕緣層外部熱解；二是絕緣層內(nèi)部熱解，由于FEP導線熱容高，使得其首先會在絕緣層與線芯之間積聚熱解氣體形成氣泡，然后氣泡破裂發(fā)生噴射著火現(xiàn)象。

(2)隨著氣壓的增加，氣泡寬度逐漸增加，而氣泡高度逐漸減小。

(3)在實驗過程中，導線兩端固定在搭載支架上，當通過較大電流時，導線受熱變形，其中間位置所受拉伸應力最大，噴射著火發(fā)生在導線中間位置的概率最高。

(4)材料的著火延遲時間主要為其熱解時間，低壓艙內(nèi)壓力降低會引起氧氣分壓降低，使得材料的熱解時間增加，即著火延遲時間和著火能量增加。因此，相同氧氣濃度(體積濃度)下，著火能量隨壓力的增加而降低；提高氧氣濃度之后，著火能量會降低。

[1] Friedman R. Risks and issues in fire safety on the space station[R]. NASA technical memorandum, 1993.

[2] 孔文俊, 等. 功能模擬微重力下導線的可燃性[J]. 燃燒科學與技術, 2006, 12(1): 1- 4.

[3] Huang XY, et al. Ignition- to- spread transition of externally heated electrical wire[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2013, 34(2): 2505- 2512.

[4] Nakamura Y, et al. Flame spread over electric wire in sub- atmospheric pressure[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2009, 32(2): 2559- 2566．

[5] Fujita O, et al. Ignition of electrical wire insulation with short- term excess electric current in microgravity[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2011, 33(2): 2617- 2623．

[6] Takahashi S, et al. Study on unsteady molten insulation volume change during flame spreading over wire insulation in microgravity[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2013, 34(2): 2657- 2664．

[7] Cahill Patricia. Defense technical information center document[Z]. 1995.

[8] Osorio AF, et al. Microgravity flammability limits of ETFE insulated wires exposed to external radiation[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2015, 35(3): 2683- 2689．

[9] Shigeta N, et al. Ignition limit of electric wire insulation with continuous excess current in several microgravity periods[C]. Proceedings of the 43rd International Conference on Environmental Systems, 2013, 3387.

[10] Quintiere JG. Fundamentals of fire phenomena[M]. John Wiley Chichester, 2006.

[11] Hirata T, et al.Thermal and oxidative degradation of poly (methyl methacrylate): weight loss[J]. Macromolecules, 1985, 18(7): 1410- 1418.

[12] Hayashi JI, et al. Pyrolysis of polypropylene in the presence of oxygen[J]. Fuel Processing Technology, 1998, 55(3): 265- 275.

Burstingignitionofhigh-temperatureelectricwirewithoverloadcurrentinsub-atmosphericpressure

ZHAO Siwei, FANG Jun, WANG Jingwu, XUE Yan, HE Xuanze

(State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

Fluorinated ethylene propylene (FEP) is often used for the wire coating materials for practical applications in spacecraft, but its bursting ignition mechanism was scarcely investigated. In this paper, a weakly- buoyance environment was created in a sub- atmospheric cabin and the FEP wire ignition experiment with a large continuous constant current was conducted inside the cabin.The experimental and theoretical analyses showed that the formation of the bubble is caused by the large heat capacity of FEP insulation, where the pyrolysis gases between core and insulation layer accumulate gradually. It is also found that with the increase of air pressure, the bubble has lower height and broader width, and in the center of the wire, the expansion stress is higher, so the bubble bursting occurs at the center with higher probability. Finally, with the increasing air pressure, ignition energy decreases,and a higher oxygen concentration also causes the decrease of ignition energy.

Weakly- buoyance; Sub- atmospheric pressure; Bursting ignition; Fluorinated ethylene propylene; Ignition energy

1004- 5309(2017)- 00127- 06

10.3969/j.issn.1004- 5309.2017.03.01

2017- 02- 17；修改日期2017- 04- 05

國家自然科學基金項目(51636008, 51576186, 51323010)；國家重點研發(fā)項目(2016YFC0801504)；中央高校基本科研業(yè)務費專項(WK2320000036)

趙思威(1991- )，男，山西高平，中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，碩士研究生，研究方向為火災探測。

方俊，E- mail:fangjun@ustc.edu.cn

TK431; X915.5

A