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(lái)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(wú)鹵低煙特性，被廣泛應(yīng)用于人員較集中的場(chǎng)所。開(kāi)展針對(duì)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(duì)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(shì)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(guò)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(guò)程、臨界條件等，從而深刻認(rèn)識(shí)導(dǎo)線火災(zāi)發(fā)生發(fā)展的過(guò)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(guò)程中絕緣層的質(zhì)量燃燒速率;結(jié)合導(dǎo)線火蔓延過(guò)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(kāi)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(guò)程。量變指的是電流增大帶來(lái)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(duì)熔融液滴下落及燃燒過(guò)程進(jìn)行分析，結(jié)果表明熔融液滴在下落過(guò)程中可以維持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的火焰狀態(tài)。火焰呈細(xì)長(zhǎng)的尖錐形，在經(jīng)過(guò)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(guò)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(duì)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(duì)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(kāi)始緩慢增長(zhǎng)，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(guò)開(kāi)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(lái)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(lái)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(zhǎng)逐漸發(fā)展為拋物線性增長(zhǎng)。低壓下導(dǎo)線熔融滴落與自身平衡溫度