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研究背景

近年来，随着中国电力、城市轨道交通、汽车以及造船等行业快速发展，特别是电网改造加快、特高压工程相继投入建设，中国电线电缆行业市场规模迅速壮大，电线电缆制造业已经成为电工电器行业二十余个细分行业中规模最大的行业。然而电缆主要由有机可燃材料制成，在短路时容易点燃，在火灾中释放烟雾和有毒气体。此外，电缆所用有机可燃材料在燃烧后火焰会迅速蔓延至周围传播火焰并增加火灾危险，所以对电缆的阻燃研究成为热点。

对于电缆的阻燃研究分为实验室阶段小尺寸电缆和商用阶段全尺寸电缆。在过去的三十年中，实验室研究阶段，使用锥形量热仪对小尺寸电缆进行了相关燃烧性能方面的研究，且已经发表了多篇文章。如Carcillo Magalie团队发表的《Fire behaviour of electrical cables in cone calorimeter: Influence of cables structure and layout》，用FTT的锥形量热仪对小尺寸电缆进行了测试。Romain Meinier团队发表的《Fire behavior of halogen-free flame retardant electrical cables with the cone calorimeter》中用锥形量热仪测定了无卤阻燃电缆的燃烧性能。有学者认为使用实验室电线的基础研究和使用商用电线的应用研究之间仍然差距，因此，需要对全尺寸电缆用燃烧性能进行研究。Mario Neuenhaus等人发表的《Reactive Compounding of Highly Filled Flame Retardant Wire and Cable Compounds》的文章中，根据EN 50399对全尺寸电缆进行了燃烧测试。但是，全尺寸成品电缆测试需要较多的电缆线样品，基于经济效益和时间成本考虑，需要对锥形量热仪测试的小尺寸电缆数据能否替代成品商用电缆测试结果进行探讨。在《Calorimetric Behaviour of Electric Cables》一文中，将电缆分别用锥形量热仪与EN 50399进行了测试，利用Quintiere理论将测试结果进行修正，并讨论了两种测试仪器测试电缆燃烧结果的相关性。

图1锥形量热仪 (a)测试设备的外部视图，(b)小尺寸电缆样品燃烧之前, (c)小尺寸电缆样品燃烧之后

图2 EN 50399设备(a)设备外部图, (b) 大尺寸电缆燃烧之前, (c)大尺寸电缆燃烧之后

实验样品

实验中，锥形量热仪实验使用的样品是由100mm×100mm的市售聚氯乙烯同轴电缆组成的，选取4种不同组分的电缆作为样品(具体见表1)，锥形量热仪样品表面覆盖有钢网，以尽量减少测试过程中电缆的膨胀。电缆的末端用铝箔保护，以避免额外的燃烧(如图1所示)。EN 50399的样品也是 PVC 电缆，3.6米长的电缆安装在4米长的测试梯上 (如图2所示)。测试结果如表2所示。

表1 试验选用的4种电缆样品

实验结果与讨论

表2 锥形量热仪及大尺度量热仪(EN 50399)在50kW/m2条件下实验结果

表2数据显示，大规模试验(EN50399)获得的热释放数据与锥量热仪直接比较没有较好的相关性。然而, 使用修正燃烧热概念(MHC),可将用EN50399和锥量热仪两种测量结果结合起来,以更精确的方式表示电缆的燃烧行为。

MHC概念将在锥量测试电缆的测试中的热释放测量同一个锥量测试的同一个电缆样品中起作用

MTHR = THR(锥量测试)×MLR(锥量测试)

其中MTHR为修正后的总放热量, MJ/m2 ; THR是在锥形量热仪中测量的总热释放率，MJ/m2 ; MLR为锥形量热仪测得的相对质量损失率。

将锥量热仪实验得到的修正总放热(MTHR)结果与四种电缆的大型电缆实验总放热(THR)数据进行了比较。所提供的结果(图3和图4)显示了测试电缆中MTHR和THR结果之间的良好相关性，由于3号电缆样品的结构组成特殊(见表1), 3号试样没有完全燃烧，所以相关性较差，本次试验结果是基于电缆完全燃烧的情况。

图3 四种测试电缆MTHR和大型电缆测试结果THR结果的比较

图4 (a)试样的MTHR和大型电缆测试结果THR的线性相关性

总结

基于Quintiere理论的锥形量热仪电缆试验分析证明，用一种更简单的锥形量热仪方法代替大几何尺度的火灾试验是可能的。在锥形量热仪上进行的试验获得的数据可以作为电缆火灾数值模拟的输入数据，从而减少了实际规模实验的成本和时间限制。经实验公式修正的锥量热计试验结果与电缆完全燃烧的半实尺试验结果有很好的相关性，有助于简化建筑产品的消防安全试验。但需要强调的是，这种方法仅允许用有限数量的参数(如HRP(释热参数) TRP(热响应参数)等)来表示结果。其他参数值未知的情况下，无法确定电缆复合材料建模所需的火灾参数。

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