膨脹型防火涂料對高壓電力電纜引燃特性影響的實驗研究

劉 洋，陳 杰，李陳瑩，陳 紅，劉 凱，謝啟源*

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，南京，211103；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，合肥，230026；3.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進技術(shù)研究院，合肥，230088)

0 引言

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力電纜被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。在過去的2018年，我國電纜行業(yè)銷售收入超過1.4萬億元[1]，并且城市的信息化和現(xiàn)代化的建設(shè)對電力電纜的需求仍然在增加?，F(xiàn)代社會對電力系統(tǒng)的依賴性使得電力電纜尤其是高壓電力電纜的安全運行至關(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^程都較復(fù)雜，針對高壓電力電纜火災(zāi)特性的研究是電力消防系統(tǒng)工作的重點[2]。基于此，不少學(xué)者對電纜的燃燒行為進行了一定的研究。Gong等[3]開展了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)實驗，分析了電纜樣品在受熱過程中的膨脹、破裂、相變及內(nèi)層外傳熱對點燃過程的影響，并給出了ZR-YJV電纜受熱變形過程的五個階段。王蔚等[4]和付強等[5,6]從微觀分析入手，基于錐形量熱儀建立了簡化電纜點燃模型，對電纜點燃性能的影響因素進行了分析，指出電纜的點燃時間與護套層厚度呈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，護套層厚度對電纜點燃時間的影響要遠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]通過對膨脹型防火涂料進行研究，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，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，并針對當(dāng)今涂料的一些缺點，如耐水性提出改進的方向。前人的研究多專注于防火涂料本身的使用特性與作用機理，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際工程的需求。本文將通過實驗對防火效果較佳的膨脹型高氯化聚乙烯防火涂料對電纜的保護作用進行深入研究和分析，對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、引燃時間以及涂料對外護套的保護作用過程等，基于此研究得到的防火涂層的相關(guān)數(shù)據(jù)可為實際工程應(yīng)用中電力系統(tǒng)的防火參數(shù)的工程設(shè)計提供參考。

1 實驗方法

1.1 實驗裝置

圖1給出了變熱流條件下的電纜加熱、引燃與燃燒實驗裝置[14]。該實驗裝置主要由控制柜、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圍的熱電偶布置示意圖，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圍熱電偶布置示意圖

1.2 電纜樣品

本實驗所選用的電纜樣品為YJLW03-Z-64/110-1*1000型號的高壓電力電纜，在該型號中，YJ含義為交聯(lián)聚乙烯絕緣(XLPE)，LW含義為皺紋鋁鎧裝護套，03表示聚乙烯外護套(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、皺紋鋁鎧裝護套、阻水包帶以及PE外護套。

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)，生成大量不燃氣體，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)，形成無機物以及含炭殘余物，整個防火涂料體系發(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驗中所使用的電纜樣品圖片，電纜樣品長100 mm，直徑116 mm。電纜表面的防火涂料為尤樂牌膨脹型高氯化聚乙烯防火涂料，涂料密度為1.1 kg/m3，使用噴槍對置于勻速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤上的電纜樣品進行噴涂處理，噴涂的電纜防火涂層密度分別為0 g/m2(即不對電纜進行噴涂處理)、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，故加熱裝置對電纜兩端的加熱可忽略，僅對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，通過水冷熱流計測量樣品位置的輻射熱通量，因為實驗中所使用的電纜樣品的長度只有10 cm，相較于加熱爐內(nèi)1 m長的硅碳棒要短得多，所以可以認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間后，加熱爐內(nèi)熱流才達到穩(wěn)定加熱階段，此時的輻射熱通量即為對應(yīng)的最大穩(wěn)定熱流：55 kW/m2。這里的各組實驗，電纜樣品的加熱與引燃過程，都在該加熱功率條件下展開。即，加熱爐內(nèi)熱流開始階段呈遞增趨勢，之后達到穩(wěn)定狀態(tài)，以此來模擬真實火災(zāi)場景中物體的受熱過程。

圖5 最大穩(wěn)定熱流為55 kW/m2條件下測得的爐內(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電纜的保護作用，這里重點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電纜引燃特性的影響。

2.1 不同涂層厚度電纜加熱引燃實驗

膨脹型涂料由于其較好的隔熱防火性和工藝性能，在實際工程中有較廣泛的應(yīng)用。通過圖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，隨著加熱的進行，輻射熱流逐漸增加，爐內(nèi)溫度隨之升高，背對加熱爐開口方向的電纜表面率先起泡并越來越密集，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，泡沫層開始破損坍塌，電纜起火后火勢較弱。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)在電纜外護套較小的范圍內(nèi)。

圖6 涂層厚度為1.0 mm時電纜典型受熱變化過程

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)形輻射加熱爐中進行過引燃實驗，引燃時間如圖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，在最大穩(wěn)定熱流為55 kW/m2的環(huán)形輻射加熱中至490 s時電纜被引燃，當(dāng)電纜涂層厚度為0.5 mm時，加熱721 s后電纜起火，可見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始著火的時間，對電纜內(nèi)部起到保護作用。由圖5知，在該時間段內(nèi)，電纜輻射熱流仍隨時間的增加而增大，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的輻射熱流，即相同工況下，該防火涂層對電纜引燃的延遲時間要比圖7所示的間隔更長。隨著涂料厚度的增加，電纜開始著火的時間會繼續(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，電纜的引燃時間均在開始加熱后的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間十分接近。可見，此時電纜防火涂層厚度的增加不會再顯著影響電纜的引燃時間。同時，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)濟性，可認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圍溫度變化，由于該涂料在受熱過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個不同的階段：第一階段為自開始加熱至加熱459 s，在此時間段內(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，可認為此時處于惰性階段。第二階段則從459 s開始，電纜背對加熱爐開口的表面的涂料開始起泡膨脹，且膨脹現(xiàn)象隨時間變化的較為劇烈。電纜涂層體積不斷增大，電纜表面的熱電偶所測得的溫度上升速度相對減慢。由于熱電偶位置固定，當(dāng)涂料膨脹時，熱電偶進入涂料泡沫層內(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，熱電偶所測得的溫度曲線中此時出現(xiàn)一個較為平緩的階段，可看作是“平臺”現(xiàn)象。當(dāng)電纜加熱至776 s時起火。即當(dāng)電纜表面噴涂膨脹型高氯化聚乙烯防火涂料時，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，電纜外護套溫度也將停止上升，所以相對于未噴涂該防火涂料的電纜來說，噴涂膨脹型高氯化聚乙烯防火涂料的電纜引燃時間能夠延后。

圖8 涂層厚度為1.5 mm的電纜表面以及周圍溫度變化

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電纜的保護時間。這里，將熱電偶測得的電纜左右表面溫度變化曲線中剛開始出現(xiàn)拐點時刻作為防火涂層膨脹隔熱而對電纜外護套起保護作用的開始時刻，另取電纜著火時刻認為是該保護作用的截止時刻，防火涂料的膨脹作用對電纜起到保護的時間即為這兩者之間的時間差。

圖9 噴涂不同厚度涂料的電纜表面溫度變化

由圖9可見，當(dāng)電纜未噴涂防火涂料時，不存在上述的保護時間。當(dāng)噴涂0.5 mm的涂層厚度時，由熱電偶溫度變化曲線可得，電纜右側(cè)表面在496 s時涂料首先開始膨脹，此時對應(yīng)的溫度為300 ℃，左側(cè)表面涂料在一分鐘后的567 s開始膨脹。該涂層厚度下的電纜于第721 s時被引燃，即可得到該厚度的防火涂層對電纜右左表面的保護時間分別為225 s和154 s。當(dāng)噴涂1.0 mm的涂層厚度時，電纜右側(cè)表面最早在492 s涂料開始膨脹，此時對應(yīng)的溫度為276 ℃，而電纜左側(cè)表面在540 s時開始膨脹。該涂層厚度下的電纜受熱774 s后引燃，可見，1.0 mm厚度的防火涂層對電纜左、右表面的保護時間分別為234 s和282 s。同理可得當(dāng)防火涂料為1.5 mm的厚度時對電纜左、右兩側(cè)表面的保護時間分別為317 s和225 s。隨著防火涂料厚度的增加，其膨脹作用對電纜側(cè)面保護的時間往往越長，此外，在防火涂料自開始膨脹至電纜引燃的時間區(qū)間內(nèi)，熱電偶所測量的涂層膨脹區(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)曲線在各時間段內(nèi)變化趨勢的不同，可將電纜的質(zhì)量損失以及質(zhì)量損失速率曲線分為4個階段。從電纜開始受熱到400 s左右為第一階段，此時，電纜表面涂層開始受熱，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左右可認為是第二階段，此時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層，從而在一定程度上可以隔絕外部輻射對電纜的加熱，而當(dāng)后方的防火涂料充分反應(yīng)時電纜左右兩個側(cè)面由于溫度較低還未完全膨脹，此時對應(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，保護作用減弱，致使電纜的外護套直接暴于熱輻射中并開始熱解，同時除后方的防火涂料外其他部位的涂料開始膨脹生成泡沫層，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，此時的燃燒并不非常劇烈，因此，電纜質(zhì)量損失速率相對較小。

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，進一步對比圖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波峰和第一個波谷之間的時間間隔作為防火涂料對電纜的保護時間，即主要是指電纜后方的涂料對電纜外護套的保護，可認為是狹義的保護時間。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波峰出現(xiàn)的越早，第一個波谷明顯延遲，由此使得防火涂層越厚，其對電纜的保護的時間越長，故電纜的引燃時間也會相應(yīng)延遲。

3 結(jié)論

本文通過環(huán)形加熱爐對噴涂不同厚度防火涂層的高壓電力電纜進行加熱引燃實驗，探究了最大穩(wěn)定熱流為55 kW/m2的環(huán)形輻射加熱強度下膨脹型高氯化聚乙烯防火涂料的受熱行為。通過分析，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)定階段三個部分。

(2)相比于無防火涂層的電纜，膨脹型高氯化聚乙烯防火涂料對電纜有較好的阻燃和保護作用，可將電纜的著火時間延遲超過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電纜保護的時間越長。結(jié)合阻燃效果與經(jīng)濟性分析，該膨脹型涂料的噴涂厚度在1.0 mm左右較合適。