防火电缆燃烧和毒性气体释放特性研究-张佳庆

绝缘材料2016，49(8)—————————————收稿日期：2015-12-11修回日期：2016-01-15基金项目：安徽省自然科学基金资助项目(1408085MKL94)；安徽省科技计划项目(1206c0805036)；国家电网公司科技项目(52120515005H，52120515001X)作者简介：张佳庆(1987-)，男（汉族），安徽桐城人，工程师，博士，主要研究方向为电力安全防护技术。防火电缆燃烧和毒性气体释放特性研究张佳庆1,2,3，范明豪1,2,3，李伟1,2,3，王刘芳1,2,3，谢辉1,2,3，汪书苹1,2,3（1.国网安徽省电力公司电力科学研究院，合肥230601；2.电力火灾与安全防护安徽省重点实验室，合肥230022；3.国家电网公司输变电设施火灾防护实验室，合肥230022）摘要：采用锥形量热仪对外加辐射情况下以及涂覆防火涂料下的电缆热释放速率和毒性气体释放特性进行了研究。结果表明：对于未涂覆防火涂料、涂覆水性防火涂料以及溶剂型防火涂料的电缆，热释放速率随外加辐射强度的增大而升高。电缆燃烧毒性气体CO释放量随时间的变化趋势与热释放速率曲线基本一致，随着外加辐射强度的增大，CO最大释放率升高，CO平均热释放率也存在类似趋势。涂覆水性防火涂料的电缆热释放速率明显降低，涂覆溶剂型防火涂料的电缆热释放速率峰值变高，同时在燃烧后期其电缆热释放速率明显高于普通电缆。涂覆水性防火涂料的电缆CO释放率峰值及增长速率均明显减小，涂覆溶剂型防火涂料的电缆CO释放率明显升高。水性防火涂料可以有效延长电缆的引燃时间，而溶剂型防火涂料则会缩短电缆的引燃时间。从热释放速率、CO释放速率以及引燃时间角度分析，水性涂料对于电缆的燃烧强度以及CO释放量的抑制具有积极作用，阻燃效果更好。关键词：电缆；燃烧；辐射；防火涂料；毒性气体；CO中图分类号：TM247文献标志码：A文章编号：1009-9239（2016）08-0072-06DOI：10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2016.08.014StudyonCombustionandToxicGasReleaseCharacteristicsofFlameRetardantCablesZhangJiaqing1,2,3,FanMinghao1,2,3,LiWei1,2,3,WangLiufang1,2,3,XieHui1,2,3,WangShuping1,2,3(1.StateGridAnhuiElectricPowerResearchInstitute,Hefei230601,China;2.AnhuiProvinceKeyLaboratoryofElectricFireandSafetyProtection,Hefei230022,China;3.StateGridLabortaoryofFireProtectionforTransmissionandDistributionFacilities,Hefei230022,China)Abstract:Theheatreleaserate(HRR)andtoxicgasreleasecharacteristicsofcableswithflameretardantcoatingsunderradiationwerestudiedbyconecalorimeter.TheresultsshowthattheHRRofcablesincreaseswiththeincreaseofexternalradiation,andthemaximumandaverageCOreleaseamountshowthesamechangetrendofHRR.TheHRRofcableswithwaterborneflameretardantcoatingdecreasesobviouslycomparedtothenormalcable,whiletheHRRofcableswithsolventflameretardantcoatingincreasessignificantly,especiallyatthelatestageofburning.TheCOreleaseamountandreleaserateofcableswithwaterborneflameretardantcoatingdecreaseobviously,andtheCOreleaseamountofcableswithsolventflameretardantcoatingincreasesobviously.Thewaterborneflameretardantcoatingcaneffec-tivelyprolongtheignitiontime,whilethesolventflameretardantcoatingwouldshortentheignitiontime.AccordingtothetestresultsofHRR,COrelease,andignitiontime,thewaterborneflameretardantcoatinghaspositiveeffectsontheinhibitionofcablecombustionandCOrelease,andhasbetterflameretardanteffects.Keywords:cable;combustion;radiation;fireretardantcoatings;toxicgas;CO张佳庆等：防火电缆燃烧和毒性气体释放特性研究72绝缘材料2016，49(8)0引言电缆是电力工业中最重要的基础设备之一，由电缆故障引发的火灾后果十分严重[1-3]。电缆燃烧烟气的毒性具有很大危害，而电缆燃烧烟气毒性可作为电缆火灾探测的重要支撑手段之一，所以研究电缆燃烧烟气的毒性释放过程具有重要意义。目前针对电缆燃烧烟气毒性的研究较少。徐希娴[4]研究了电缆燃烧烟雾对实验大鼠的肺损伤特性。龚国祥等[5]研究了常用无卤阻燃电缆燃烧烟气的毒性水平，并分析了以烟气浓度为单位的致死浓度与以材料质量为单位的致死浓度之间的关系。陆树基等[6]总结和分析了电线电缆产品现有毒性试验相关标准。对于电线电缆产品的毒性检测，我国目前采用的标准是GB/T20285—2006《材料产烟毒性危险分级》。具体方法是利用高温加热使试样分解，然后将分解的气体通入装有小白鼠的转轮中，通过观察小白鼠状态来对材料的产烟毒性危险进行分级。但对于电缆产品的产烟毒性试验，这种方法难以定量的对电缆燃烧可能产生的毒性气体进行有效分析。在电缆燃烧性能的试验中，越来越多的研究人员采用锥形量热仪(CONE)来研究其热释放速率、质量损失速率和有效燃烧热等参数，通过改变外加辐射热通量来模拟电缆在不同火场强度下的燃烧性能。舒中俊[7]利用锥形量热仪研究了热老化对YJV电缆绝缘护套塑料燃烧性能的影响；付强等[8]基于CONE和微量燃烧热仪(MCC)对典型PVC电缆进行了燃烧试验，研究了其热释放速率、有效燃烧热等性能参数；王蔚等[9]同样利用锥形量热仪对PVC电缆燃烧性能进行了试验研究；赵锐敏[10]利用锥形量热仪对PVC电缆进行了燃烧实验研究，分析了其在外加辐射条件下的热释放速率等燃烧参数。此外，在涂覆有电缆防火涂料情况下，研究人员主要研究了防火涂料对电缆绝缘失效的影响[11-14]。然而，对于电缆在外加辐射以及涂覆不同涂料情况下燃烧时毒性气体的释放特性的研究鲜见报道。因此本研究利用锥形量热仪，对外加辐射情况下以及涂覆水性防火涂料和溶剂型防火涂料条件下电缆的热释放速率和CO释放特性进行研究。1试验材料与方法试验材料选用YZ-300/500橡套电缆，涂料为CDDT-A型防火涂料，分水性和溶剂型两种。涂料喷涂按产品说明书进行，并符合GA181—1998《电缆防火涂料通用技术条件》的要求。采用锥形量热仪对防火电缆燃烧和烟气释放毒性进行研究，试验包括25、35、50、65、75kW5个等级外加辐射强度下未涂覆防火涂料、涂覆水性防火涂料、涂覆溶剂型防火涂料共计15种工况。2结果与讨论2.1外加辐射对电缆燃烧CO释放的影响不同辐射条件下电缆燃烧热释放速率随时间变化的曲线如图1所示。图1不同辐射条件下电缆燃烧热释放速率Fig.1HRRsofcablesunderdifferentexternalheatradiations从图1可知，电缆热释放速率最大值随外加辐射强度的增大而升高。在高辐射条件下（50、65、75kW），电缆热释放速率曲线出现两个峰值，这是由于高辐射强度下电缆表面形成较多炭化层，电缆表面炭化层的二次燃烧导致其热释放速率出现第二个峰值。而在低辐射条件下(25kW和35kW)，电缆炭化层形成较少。此外，电缆的引燃时间随着外加辐射热强度的升高而缩短。当外加辐射强度为25kW时，电缆热释放速率在175s后才出现明显升高，即电缆被引燃，当外加辐射强度增大到75kW后，电缆热释放速率在15s后即出现明显升高。不同辐射条件下电缆燃烧时CO释放率随时间变化的曲线如图2所示。对比图1、图2可以看出，电缆燃烧时CO释放率随时间的变化趋势与热释放速率曲线基本一致。总体来说，随外加辐射强度的增大，CO最大释放率升高，在25、35、50、65、75kW外加辐射情况下，CO最大释放率分别为0.00258、0.00307、0.00363、0.00445和0.00423g/s，外加辐射强度对CO最大热释放率的影响较小，但仍可看张佳庆等：防火电缆燃烧和毒性气体释放特性研究73绝缘材料2016，49(8)出随外加辐射强度的增大CO最大热释放率呈现逐渐升高的趋势。在以上5种外加辐射强度条件下，电缆CO平均释放率分别为0.00133、0.00145、0.00185、0.00180和0.00190g/s。由图2还可看出，在燃烧后期，电缆CO释放率出现了升高，这是由于燃烧后期电缆覆盖燃烧产物较多，造成参与燃烧物质难以充分接触氧气，燃烧不完全，从而释放出更多的CO。图2不同辐射条件下电缆燃烧CO释放曲线Fig.2COreleaseofcablesunderdifferentexternalheatradiations在25、35、50、65、75kW外加辐射情况下，计算出单位质量电缆CO平均产率分别为0.045、0.040、0.043、0.040、0.042kg/kg。由此可以看出，不同的外加辐射强度对单位质量电缆CO平均产率没有显著影响。2.2水性涂料对电缆燃烧时CO释放的影响在涂覆有CDDT-A型水性防火涂料（以下简称水性涂料）时，不同外加辐射强度条件下电缆热释放速率随时间变化的曲线如图3所示。图3涂覆有水性涂料时不同辐射条件下电缆燃烧热释放速率Fig.3HRRsofcableswithwaterborneflameretardantcoatingsunderdifferentexternalheatradiations对比图1、图3可以看出，水性涂料可以明显降低电缆的热释放速率。在未涂覆水性涂料时，电缆的热释放速率在达到峰值后出现一个相对稳定的阶段，而在涂覆有水性涂料的条件下，电缆热释放速率在达到峰值后出现迅速下降，同时电缆热释放速率出现明显升高的时间长于未涂覆有水性防火涂料的工况，这说明水性防火涂料可以明显延长电缆的引燃时间。另外，水性涂料涂覆电缆的热释放速率并未出现明显的双峰值情况，这是由于水性防火涂料阻碍了碳化层的形成。在涂覆有水性涂料时，不同外加辐射强度条件下电缆CO释放率随时间变化的曲线如图4所示。对比图2、图4可以看出，水性涂料可以降低电缆燃烧的CO释放率，同时，与热释放速率曲线相似，电缆的CO释放率在达到峰值后即出现快速下降，并不存在稳定阶段。与未涂覆防火涂料的电缆类似，涂覆有水性涂料的电缆在燃烧后期CO释放率存在明显的突升情况。随着外加辐射强度的增大，CO最大释放率升高，在25、35、50、65、75kW外加辐射情况下，CO最大释放率分