通電聚乙烯導(dǎo)線火蔓延伴隨的熔融滴落行為研究.pdf

1、隨著社會(huì)發(fā)展和時(shí)代進(jìn)步，人們生活逐漸電氣化和智能化。電子電氣設(shè)備的廣泛應(yīng)用，帶來電氣火災(zāi)事故頻繁發(fā)生，嚴(yán)重威脅著人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，受到社會(huì)的普遍關(guān)注。導(dǎo)線是電氣火災(zāi)最主要的起火源之一，其中聚乙烯導(dǎo)線因其無鹵低煙特性，被廣泛應(yīng)用于人員較集中的場所。開展針對聚乙烯導(dǎo)線防火安全研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　導(dǎo)線在通電情況下，由于線芯焦耳熱效應(yīng)，自身持續(xù)發(fā)熱，對緊密包裹的絕緣層起到加熱作用。在有火蔓延時(shí)，導(dǎo)線下方出現(xiàn)熔融可燃物積聚，并且

2、隨火焰?zhèn)鞑ザl(fā)生流動(dòng)，體積逐漸增大，當(dāng)積累量超出其表面張力所能維持的最大極限時(shí)，就會(huì)發(fā)生滴落。滴落可以有效擴(kuò)大燃燒范圍，造成火勢的迅速發(fā)展以及十分嚴(yán)重的后果。本文旨在研究通電聚乙烯導(dǎo)線火蔓延伴隨的熔融滴落行為，通過理論分析與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，揭示其產(chǎn)生機(jī)理、形成及演變過程、臨界條件等，從而深刻認(rèn)識導(dǎo)線火災(zāi)發(fā)生發(fā)展的過程及規(guī)律，為導(dǎo)線火災(zāi)的有效防治提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。
　　首先，根據(jù)導(dǎo)線燃燒特點(diǎn)，從燃燒學(xué)、火災(zāi)學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)

3、等基礎(chǔ)理論出發(fā)，建立相關(guān)理論模型，考察通電導(dǎo)線的溫升情況以及達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的導(dǎo)線平衡溫度;從燃燒的質(zhì)量傳遞數(shù)出發(fā)，理論計(jì)算出通電導(dǎo)線火蔓延過程中絕緣層的質(zhì)量燃燒速率;結(jié)合導(dǎo)線火蔓延過程，計(jì)算得到熔融絕緣物的積累速率;從液滴表面張力出發(fā)，推導(dǎo)出發(fā)生滴落時(shí)的液滴體積，進(jìn)而得到導(dǎo)線滴落頻率的理論表達(dá)式。
　　其次，選取相同絕緣層厚度、不同線芯直徑的銅芯聚乙烯導(dǎo)線作為實(shí)驗(yàn)材料，開展常壓和低壓環(huán)境下通電導(dǎo)線火蔓延伴隨熔融滴落行為的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果

4、表明:熔融滴落的發(fā)生，是一種量變引發(fā)質(zhì)變的過程。量變指的是電流增大帶來熔融物積累速率加快，質(zhì)變指的是液滴的形成。較大電流作用下，焦耳熱效應(yīng)使得熱塑性絕緣材料處于輕度的熱解狀態(tài)，在火焰輻射作用下絕緣層可很快發(fā)生熔融及熱解，從而加快了絕緣層的質(zhì)量損失速率。而絕緣層損失的質(zhì)量，一部分用于燃燒，一部分形成熔融物。隨電流增大，熔融物燃燒速率的有限增幅比不上積累速率的增加，從而導(dǎo)致積累量持續(xù)增多。當(dāng)積累量超出液滴表面張力所能承受的極限，滴落就成為一

5、種必然發(fā)生的現(xiàn)象。
　　對熔融液滴下落及燃燒過程進(jìn)行分析，結(jié)果表明熔融液滴在下落過程中可以維持一個(gè)相對穩(wěn)定的火焰狀態(tài)。火焰呈細(xì)長的尖錐形，在經(jīng)過一段距離的下落后，液滴仍然具有較高的溫度，具備維持燃燒、甚至點(diǎn)燃其它可燃物的能力。分析液滴下落距離，得到液滴下落過程中的速度及加速度。滴落的發(fā)生呈現(xiàn)周期性，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到不同電流下導(dǎo)線的滴落時(shí)間和滴落頻率，并且與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。對于線芯橫截面較小的導(dǎo)線，其滴落頻率與電流的平方呈線

6、性正相關(guān)，而且滴落時(shí)間隨導(dǎo)線平衡溫度升高而呈指數(shù)遞減。此外，滴落對導(dǎo)線火蔓延造成較為明顯的影響作用，主要表現(xiàn)為火焰高度在滴落前后發(fā)生劇烈跳變，由最大值急速減小到最小值，此后隨著熔融物的再次積累增多，火焰高度又重新開始緩慢增長，進(jìn)入下一個(gè)滴落周期。而火焰寬度僅在滴落前后的短暫時(shí)間內(nèi)發(fā)生輕微振蕩，火蔓延速率幾乎不受影響。
　　最后，通過開展低壓導(dǎo)線燃燒相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，分析得出火焰輻射減弱帶來熔融物熱解速率減小是造成低壓下滴落速率加快的重

7、要原因。低壓下滴落的頻繁發(fā)生，帶來大量的熱耗散，造成火焰短時(shí)消失、甚至完全熄滅的后果。而且，隨著壓力的降低，觸發(fā)滴落所需的電流值減小，滴落更加容易發(fā)生。但是這種變化是非線性的，在1.0-0.8atm的階段，臨界滴落電流的變化較小，而在低于0.8atm的階段，臨界滴落電流迅速降低。此外，導(dǎo)線熔融滴落頻率隨環(huán)境壓力的降低而增大，尤其是在較大的通電電流作用下，滴落頻率隨壓力降低由線性增長逐漸發(fā)展為拋物線性增長。低壓下導(dǎo)線熔融滴落與自身平衡溫度