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    影響電纜成束阻燃特性的因素探討

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        阻燃電纜的出現給人類帶來了良好的社會效益和經濟效益,形成了百花齊放的局面,但當下阻燃電纜的現狀另人擔憂,阻燃電纜“不阻燃”給人們帶來了巨大經濟損失,埋下了無數的安全隱患,火災事故更給人們帶來了不可承受之痛。
    阻燃電纜是可以燃燒的,它只是具有一定的阻燃能力。若電纜自身著火,電纜應能自熄;若其他可燃物著火,電纜不成為導火線。因而,阻燃電纜能將燃燒限制在局部范圍內,不產生蔓延,從而保護人員的生命和財產安全。近些年,電線電纜導致的火災事故頻發,本文結合成功研制核電站1E級殼內/外電纜的啟示,以及長期生產長壽命建筑用電線電纜的經驗及市場反饋,做以下幾個方面的總結,與大家探討。
    1.阻燃特性的影響因素
    1.1影響電纜自身阻燃特性的因素
    (1)材料
        氧指數:氧指數是反應材料阻燃性能的一個固有特性,是影響電纜阻燃的一個因素,通常情況下,氧指數越高,越易通過成束阻燃,但也應輔以合理的結構設計,同時還應平衡材料的各項性能。
        熱釋放量:成束阻燃試驗或火災中,相同質量,提高相同的溫度,電纜中有機材料比熱容大,燃燒時熱釋放率和熱釋放總量大,會造成有限范圍內熱量迅速累積,加速火勢,阻燃電纜也“無力回天”,由于產生了大量的燃燒熱,在試驗過程中要求電纜達到自熄,是有難度的,而電纜中的有機材料不完全燃燒,產生了可燃、有毒的CO氣體,其熱值為12.67 MJ/Nm3與氫氣(12.74 MJ/Nm3)相當,CO氣體散發于空氣中,會使人中毒并助長火勢。
        此外,還與材料配方中的阻燃體系、分子結構穩定性、鍵能大小、分子量大小等微觀因素有關。如,用無鹵阻燃乙丙橡皮護套料生產的阻燃電纜更易通過A類或B類成束阻燃試驗,而塑料類無鹵低煙阻燃護套料就稍遜一籌。
    (2)結構
        通過試驗探索和研究,合理的結構設計對阻燃特性的影響較大。一般情況下,以下幾類結構的電纜較易通過成束阻燃試驗:
    1)有高氧指數擠出隔氧層;
    2)有金屬鎧裝結構;
    3)有金屬屏蔽結構;
    4)規格尺寸較大;
    5)多芯電纜;
    6)結構密實的電纜。
        電纜結構影響可燃物含量,可燃物含量影響成束阻燃試驗根數,此類因素也應重點考慮。
    (3)工藝
        通過試驗跟蹤分析,發現隔氧層、護套層的擠出方式對阻燃試驗結果影響較大。擠出壓力大時,膠料與纜芯結合緊密,纜芯間隙得以充分填充,有利于氣體的排出,同時膠料層不易形成氣孔,對電纜的阻燃特性提高顯著。
        實際生產過程中,推薦采用擠壓式工藝擠出,同時考慮對擠出機壓力的影響因素,如擠出機主機功率、螺桿轉速、壓力、溫度等,此外,為防止材料驟冷對膠料的應力沖擊,第一段冷卻水溫度建議設置在60 ℃左右(適用于擠塑機)?;诳勺匪菪院蜏p少阻燃性能波動的考慮,應對以上影響因素的擠出工藝參數進行工藝固化。
    2.2試驗因素
    (1)試驗裝置
        試驗送風、抽風裝置對試驗影響之重,不言而喻,不再累述。對于試驗用儀器儀表的精度與校準應引起重視,如氣體流量計、氣流速率等,丙烷和空氣流量應在試驗前校準并在試驗中時刻監控,根據需要,建議采用質量流量計控制流量。
    (2)試驗環境
        由于成束阻燃試驗裝置配備的是轉子流量計,它是被設計在標準大氣溫度20 ℃和壓力1 bar下的,根據氣體壓強公式:
                       pV=nRP        
       (1)式中:p為理想氣體壓強,單位Pa;V為氣體體積,單位m3;n為氣體的物質的量,單位mol;R為氣體常量,取8.31451 J/(mol·K);T為體系溫度,單位K。
        從上式得出,溫度和壓強的變化對氣體體積的影響是很大的,氣體體積變化,氣體的物質的量隨之變化,該氣體燃燒產生的熱值也會相應發生變化,所以在試驗前,應對溫度和壓力變化進行修正,同時校準噴燈火焰強度。
        如果裝在試驗箱頂的風速計測得的外部風速大于8 m/s,則不能進行試驗;同時,當成束阻燃試驗裝置的進氣口的空氣流量超出(5.0±0.5)m3/min范圍時,空氣流量對火焰燃燒條件有很大影響。
    燃燒試驗室室溫應恒定,室外溫度達到40 ℃以上時不建議開展試驗。
    (3)試驗前電纜樣品的處理
        按照標準要求,試驗前,電纜試樣段應在(20±10)℃下放置至少16小時,同時電纜應干燥,若需表面清潔處理,不能用酒精、稀釋劑等易燃有機溶液擦拭。
    (4)電纜的安裝
       在核電站電纜研制過程中,發現電纜在鋼梯上的安裝緊密程度對成束阻燃試驗結果有很大影響。安裝時,由于電纜自身應力無法校直,使電纜之間無法緊密排列,存在較大間隙,試驗時火焰會通過間隙而竄到試樣背后,使火焰與電纜的接觸面積大大增大,形成全面燃燒,燃燒劇烈,試驗箱內溫度迅速升高,此時,試驗結論偏差較在,甚至造成成束阻燃試驗無法通過。

        通過大量的成束阻燃試驗研究,小截面或小尺寸電線電纜較易通過成束阻燃A類,相同試樣情況下,由于B類成束阻燃試驗試樣根數減少一半,排列緊密度小,常有試驗失敗的情況,所以A類成束阻燃未必比B類成束阻燃容易通過,以上所述可理解為“蜂窩煤”效應。

    (5)引燃源
        考慮各種可燃氣體的熱值不同給試驗結果帶來的影響,應按照標準要求采用純度為95%的技術級丙烷,避免使用液化天然氣或石油氣等代替。
    當引燃源位置由人為確定時,應嚴格按照標準規定放置距電纜表面、試驗箱底部、距電纜下端的距離和位置。
         由于噴燈的自然老化以及長期試驗過程中的表面炭化,為保證火焰強度,在每次試驗時應對噴燈火焰強度進行校準。
    2.3敷設與選型因素
        近幾年,與國內知名建筑、電力設計院做了大量溝通交流,了解到設計師在線纜選型時存在的一些疑惑。在建筑電氣設計領域,通常將線纜的阻燃級別提高,以致選型保守,造成資源和資金浪費;同時,由于選型、敷設不當導致嚴重事故的案例也不在少數。線纜選型除應滿足我國有關現行規范外,還應考慮如下因素。
    (1)敷設環境
        電纜敷設環境在很大程度上決定電纜受火源侵襲機率大小和著火后成災的可能性大小,例如:直埋或單獨穿管(金屬、石棉、水泥管等)的可以用非阻燃電纜,而置于半密閉橋架、槽盒或帶蓋板的專用電纜溝時,可以降低一到二個阻燃級別,甚至采用非阻燃電纜,因為在上述環境下敷設后,電纜受外界火源的影響小的多,即使著火燃燒,但由于電纜根數少、空間狹小閉塞也容易自熄,不易成災。反之,室內明敷或敷設于暗道、夾層、隧道、廊道等場所時,由于人跡火種容易到達,空間相對較大且空氣容易流通,其阻燃等級應適度從嚴。當上述環境更處于高溫場所或易燃易爆的化工、石油、礦井等環境中,則應嚴格服從規范要求,并且線纜選型時就高不就低。
    在戶外、埋地和埋地穿管敷設時,也常見有阻燃電纜,甚至要求無鹵低煙阻燃電纜,從設計、環境和經濟效益等各方面分析,都是沒有必要的。
    (2)敷設線路根數
        同時敷設電纜數量的多少是確定阻燃類別高低的基礎,在計算電纜非金屬材料體積時,同一通道的概念是指電纜燃燒時,其火焰或熱量可以不受阻擋地輻射到附近電線電纜并能夠將其引燃的空間。如有防火板相互隔離的橋架或槽盒,其同一通道應指每一個橋架或槽盒,若上下或左右無任何防火隔離,一旦著火將全部殃及,計算非金屬材料體積時統一納入為宜。
        電線要求具有A類或B類成束阻燃特性是無工程意義的,甚至也不必要求達到C、D類,從建筑電氣設計角度認為如此多根電線同時敷設在一起也是不科學的(除數據中心等特殊場所外),明敷根數的電線實屬罕見,不僅占用了建筑內有限的空間,且不利于工程的成本、物料和安全管理。而隨著建筑物內電線的穿管暗敷,以穿3根~5根電線最為常見,考核電線成束阻燃特性實無必要。

    (3)電纜尺寸
        在同一通道中,非金屬材料體積確定之后,還應考慮電纜外徑的大小,外徑小,吸熱少且容易引燃,外徑大,熱容量大,不易引燃。選型和敷設時,應將電纜外徑設置若干個檔,例如:外徑不大于20 mm、不大于40 mm和大于40 mm的電纜分別敷設于一個通道或敷設于一個通道內以隔火板隔離。
    (4)阻燃與非阻燃電纜的敷設分類
        在工程考查中,常見有不同阻燃級別或阻燃與非阻燃電纜敷設在同一通道的現象,宜將相近阻燃級別的電纜敷設在一起,非阻燃電纜敷設在專門通道內,且火源易及之處,應以敷設高阻燃類電纜為主。因為,阻燃級別低或非阻燃電纜的延燃對于高阻燃級別電纜而言即為外部火源,即使A類阻燃電纜也有著火的可能。
    (5)動力電纜發熱不容小覷
        相對而言,動力電纜是熱態系統而易著火,短路時擊穿的可能性大,控制電纜、信號電纜因電壓低,負載小處于冷態,本身不易自發起火。動力電纜選型時,除滿足熱穩定、電壓損失、載流量和經濟因素等前提下,還應關注用電負荷裕度和產散熱平衡,防止因熱量累積造成火災。同時,動力電纜應選用更高的阻燃級別。
    (6)選型時存在的問題
        現代建筑中,電線穿管暗敷于墻體內,因金屬或塑料管內氧氣稀薄,電線不易著火,可降低阻燃級別或采用非阻燃類電線;墻體內潮氣較重,采用無鹵低煙阻燃電線時絕緣易吸潮,會大大降低絕緣電阻,應用時應得到進一步論證;導管封閉,鹵素等氣體不易溢出,穿PVC管對電線要求無鹵更是無此必要。故,電線選型時應結合實際選用。
        在建筑電氣有關規范、圖集、線纜產品標準和市場中常見有105 ℃、125 ℃、135 ℃甚至150 ℃耐溫等級的阻燃電線應用于工程中,然而,從散熱平衡、經濟效益、電能效率、節能、高溫隱患以及與其他聯接電器耐溫匹配等方面綜合權衡,選擇此類電線時應慎重。若實際需要在如此高溫下運行,則應做好散熱處理,防止高溫帶來的不利影響,甚至釀成火災事故。
        在《民用建筑電氣設計規范》(JGJ 16-2008)8.7.1中規定“電纜在室內、電纜溝、電纜隧道和電氣豎井內明敷時,不應采用易延燃的外護層。”,在《建筑電氣常用數據》(04DX101-1)的“電線電纜使用場所分級”中,規定了不同建筑類別需選擇使用的電線電纜阻燃級別,但考慮建筑物內各場所對電線電纜阻燃級別要求的不同,使設計師在對線纜選型時無從著手,往往存在選擇阻燃級別過度保守或級別不夠的現場,兩者皆不合適,后者更會埋下火災隱患。
        在《電力工程電纜設計規范》(GB 50217-2007)第7章,7.0.1中規定“對電纜可能著火蔓延導致嚴重事故的回路、易受外部影響波及火災的電纜密集場所,應設置適當的阻火分隔,并應按工程重要性、火災幾率及其特點和經濟合理等因素,……”,7.0.6中規定“電纜多根密集配置時的阻燃性,應符合現行國家標準《電纜在火焰條件下的燃燒試驗 第3部分:成束電線或電纜的燃燒試驗方法》GB/T18380.3 的有關規定,并應根據電纜配置情況、所需防止災難性事故和經濟合理的原則,選擇適合的阻燃性等級和類別”,根據這兩處的規定,雖然各項因素均已考慮,但對設計選型者來說,仍然存在困難。
    3.討論
    3.1材料氧指數差值試驗
    因氧指數是材料阻燃特性的固有特性,在考核全壽命周期內電纜的阻燃性能時,建議增加室溫與電纜運行溫度下氧指數差值的檢測,試驗標準參考ASTM D 2863。
    3.2老化后成束阻燃試驗
        由于生產各類阻燃電纜的原材料配方中加入的阻燃劑不盡相同,在電纜經受長期運行后,由于熱老化等因素的影響,電纜的阻燃性能將有所變化,為驗證長期運行后的電纜具有與原始出廠電纜一致的阻燃特性,建議增加電纜熱老化對成束阻燃特性的驗證試驗。
    3.3耐火電纜應同時考核其阻燃特性
        耐火電纜首先應具有阻燃功能,其次是保持線路完整性的耐火功能,業內人士對耐火電纜應同時考核阻燃特性的呼聲應得到有關部門的回應。
    3.4規范阻燃電線電纜的鑒別、選型和安裝方法
        從試驗角度考核阻燃特性已很成熟,建議完善阻燃電線電纜的鑒別、選型和安裝敷設體系,以減少因其形成的隱患和造成的事故。
        IEC、GB和UL三類標準中規定的阻燃級別,如此多的類別,電纜業內人士區分起來尚且不易,站在設計、用戶和市場的角度,如何正確的鑒別、選型是存在一定難度的,應制訂相關的指導性文件加以規范、指導。
        此外,在GB/T 19666-2005和GB 31247-2014標準中分別規定了相應的阻燃電線的燃燒性能分級,在電線電纜上如何標識也給線纜企業帶來了麻煩。

    4.結束語
        電纜阻燃特性不僅依賴于電纜材料的選擇和結構的設計,也應從制造工藝、試驗方法、電纜敷設和選型等方面找原因。電纜的設計制造、試驗、選型和敷設,任何一個環節造成對阻燃電纜不利的影響,都會使阻燃電纜“不阻燃”,同時,也呼吁社會各界從各方面加強對阻燃電纜的監督,把隱患消除于萌芽狀態,保衛家園,促進社會安定安全。
    參考文獻:
    [1]蔡建國,范洪欣,吳長順. 影響電纜成束阻燃試驗結果的原因分析與解決方案[C]//中國電工技術學會電線電纜專業委員會2012學術年會論文集.2012.240-245.
    [2]袁幼哲,朱曉西.民用建筑電線電纜主要技術應用探討. [C]//中國電工技術學會電線電纜專業委員會2012學術年會論文集.2012.25-32.
    [3]GB 31247-2014  電纜及光纜燃燒性能分級[S].
    [4]GB 50217-2007  電力工程電纜設計規范[S].
    [5]GB/T 17651-1998  電纜或光纜在特定條件下燃燒的煙密度測定[S].
    [6]GB/T 18380-2008  電纜和光纜在火焰條件下的燃燒試驗[S].
    [7]GB/T 19666-2005  阻燃和耐火電線電纜通則[S].
    [8]GB/T 31248-2014  電纜或光纜在受火條件下火焰蔓延、熱釋放和產煙特性的試驗方法
    [9]JGJ 16-2008  民用建筑電氣設計規范[S].
    [10]IEC 60332  Tests on electric and optical fibre cables under fire conditions[S].
    [11]UL 1581:2011  Reference Standard for Electrical Wires, Cables, and Flexible Cords[S].

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