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研究背景

近年來，隨著中國電力、城市軌道交通、汽車以及造船等行業快速發展，特別是電網改造加快、特高壓工程相繼投入建設，中國電線電纜行業市場規模迅速壯大，電線電纜制造業已經成為電工電器行業二十余個細分行業中規模最大的行業。然而電纜主要由有機可燃材料制成，在短路時容易點燃，在火災中釋放煙霧和有毒氣體。此外，電纜所用有機可燃材料在燃燒后火焰會迅速蔓延至周圍傳播火焰并增加火災危險，所以對電纜的阻燃研究成為熱點。

對于電纜的阻燃研究分為實驗室階段小尺寸電纜和商用階段全尺寸電纜。在過去的三十年中，實驗室研究階段，使用錐形量熱儀對小尺寸電纜進行了相關燃燒性能方面的研究，且已經發表了多篇文章。如Carcillo Magalie團隊發表的《Fire behaviour of electrical cables in cone calorimeter: Influence of cables structure and layout》，用FTT的錐形量熱儀對小尺寸電纜進行了測試。Romain Meinier團隊發表的《Fire behavior of halogen-free flame retardant electrical cables with the cone calorimeter》中用錐形量熱儀測定了無鹵阻燃電纜的燃燒性能。有學者認為使用實驗室電線的基礎研究和使用商用電線的應用研究之間仍然差距，因此，需要對全尺寸電纜用燃燒性能進行研究。Mario Neuenhaus等人發表的《Reactive Compounding of Highly Filled Flame Retardant Wire and Cable Compounds》的文章中，根據EN 50399對全尺寸電纜進行了燃燒測試。但是，全尺寸成品電纜測試需要較多的電纜線樣品，基于經濟效益和時間成本考慮，需要對錐形量熱儀測試的小尺寸電纜數據能否替代成品商用電纜測試結果進行探討。在《Calorimetric Behaviour of Electric Cables》一文中，將電纜分別用錐形量熱儀與EN 50399進行了測試，利用Quintiere理論將測試結果進行修正，并討論了兩種測試儀器測試電纜燃燒結果的相關性。

圖1錐形量熱儀 (a)測試設備的外部視圖，(b)小尺寸電纜樣品燃燒之前, (c)小尺寸電纜樣品燃燒之后

圖2 EN 50399設備(a)設備外部圖, (b) 大尺寸電纜燃燒之前, (c)大尺寸電纜燃燒之后

實驗樣品

實驗中，錐形量熱儀實驗使用的樣品是由100mm×100mm的市售聚氯乙烯同軸電纜組成的，選取4種不同組分的電纜作為樣品(具體見表1)，錐形量熱儀樣品表面覆蓋有鋼網，以盡量減少測試過程中電纜的膨脹。電纜的末端用鋁箔保護，以避免額外的燃燒(如圖1所示)。EN 50399的樣品也是 PVC 電纜，3.6米長的電纜安裝在4米長的測試梯上 (如圖2所示)。測試結果如表2所示。

表1 試驗選用的4種電纜樣品

實驗結果與討論

表2 錐形量熱儀及大尺度量熱儀(EN 50399)在50kW/m2條件下實驗結果

表2數據顯示，大規模試驗(EN50399)獲得的熱釋放數據與錐量熱儀直接比較沒有較好的相關性。然而, 使用修正燃燒熱概念(MHC),可將用EN50399和錐量熱儀兩種測量結果結合起來,以更精確的方式表示電纜的燃燒行為。

MHC概念將在錐量測試電纜的測試中的熱釋放測量同一個錐量測試的同一個電纜樣品中起作用

MTHR = THR(錐量測試)×MLR(錐量測試)

其中MTHR為修正后的總放熱量, MJ/m2 ; THR是在錐形量熱儀中測量的總熱釋放率，MJ/m2 ; MLR為錐形量熱儀測得的相對質量損失率。

將錐量熱儀實驗得到的修正總放熱(MTHR)結果與四種電纜的大型電纜實驗總放熱(THR)數據進行了比較。所提供的結果(圖3和圖4)顯示了測試電纜中MTHR和THR結果之間的良好相關性，由于3號電纜樣品的結構組成特殊(見表1), 3號試樣沒有完全燃燒，所以相關性較差，本次試驗結果是基于電纜完全燃燒的情況。

圖3 四種測試電纜MTHR和大型電纜測試結果THR結果的比較

圖4 (a)試樣的MTHR和大型電纜測試結果THR的線性相關性

總結

基于Quintiere理論的錐形量熱儀電纜試驗分析證明，用一種更簡單的錐形量熱儀方法代替大幾何尺度的火災試驗是可能的。在錐形量熱儀上進行的試驗獲得的數據可以作為電纜火災數值模擬的輸入數據，從而減少了實際規模實驗的成本和時間限制。經實驗公式修正的錐量熱計試驗結果與電纜完全燃燒的半實尺試驗結果有很好的相關性，有助于簡化建筑產品的消防安全試驗。但需要強調的是，這種方法僅允許用有限數量的參數(如HRP(釋熱參數) TRP(熱響應參數)等)來表示結果。其他參數值未知的情況下，無法確定電纜復合材料建模所需的火災參數。

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