新型防火電纜機理探討

黃曉寶 肖俊

摘 要：本文通過熱力學分析、動力學分析與國家標準分析，結合生產實際，探討防火電纜的防火機理，提出防火電纜設計要求。

關鍵詞：防火；熱力學；機理

0 引言

隨著我國經濟發展速度加快，工業化水平不斷提高，電線電纜的用量迅速增加，近年來因電線電纜引發的火災大幅上升。因此電線電纜的防火問題引起了國內外消防部門的高度重視。國內已研發相應的阻燃電纜和耐火電纜產品，相應阻燃、耐火和無鹵低煙要求已發布國家標準。但是目前對于電線電纜防火機理很少有從理論層面進行探討。探討電線電纜防火機理對于防火電線電纜的生產與設計具有指導意義。

1 電纜防火概述

電纜著火的主要因素為電纜材料的性質、氧氣的濃度以及環境溫度與壓力等，所以選用適當電纜材料，優化電纜結構設計，把控電纜著火因素，是研發防火電纜關鍵所在。

國家標準GB/T19666-2005[1]《阻燃和耐火電線電纜通則》針對電纜的阻燃和耐火要求已發布相應的試驗標準進行規定。阻燃電纜和耐火電纜在材料選用、結構設計和電纜分類上都有較大區別。本文主要針對電纜材料結合電纜結構進行探討。

2 電線電纜防火機理探討

電纜著火的主要因素為電纜材料的性質、氧氣的濃度以及環境溫度與壓力等，所以適當控制著火的因素，可以防止因電纜發生的火災。

2.1 防火熱力學機理分析

根據熱力學原理，從一個溫度到另一溫度的吉布斯自由能可由Gibbs-Helmholtz基本公式得：

例如，無鹵低煙阻燃電纜料中的氫氧化鎂，在燃燒過程中的熱力學函數變化如下：

氫氧化鎂的分解反應可表示為：

熱力學數據如下表1所示

又由吉布斯自由能與壓力的關系可得：

式（4）中n為物質摩爾量，R為摩爾氣體常數，p為實際壓力，pΘ為1atm。

解微分方程，將式（3）代入式（2），等于式（4），代入表1中數據可得：

T=536K，即263℃，氣壓為1atm時Mg（OH）2開始分解，分解溫度為263℃，比一般未添加Mg（OH）2電纜料防火溫度高，從而達到防火的效果。

2.2 防火動力學機理分析

電纜材料防火動力學取決于導熱性能的初始散熱量等于同樣時間內因化學反應轉化而形成的熱量。

單位時間內物質燃燒可放出的熱量，即放熱率表示為：

單位時間內系統散熱量，即散熱率可表示為：

其中，A為頻率因子，E為活化能，α傳熱系數，F傳熱面積。

電纜材料防火條件為材料著火放熱率小于散熱率，即：

放熱率曲線和散熱率曲線如圖1下：

如圖2所示，一般情況下，放熱率q1曲線和散熱率q2曲線有兩個交點，A點和C點。A點穩定。當外界有微小擾動時，如T上升，則q2>q1，散熱>放熱，T下降，回到A點；當T下降，q2q1條件下。

3 結果分析

防火熱力學分析可知阻止電纜著火可控因素為電纜料的本身性質、氧氣濃度及環境溫度等，防火動力學分析可知設計電纜時須從電纜的材料和結構等角度考慮，控制著火因素，使著火時的電纜放熱率小于散熱率，即可控制因電纜發生的火災。動力學和熱力學為系統與環境的理論分析，具體的防火物理指標中無鹵、低煙、單根阻燃性能應符合GB/T19666-2005《阻燃和耐火電線電纜通則》規定。

4 結論

本文在耐火和阻燃概念基礎上研究了電纜防火的防火機理。通過熱力學分析得出電纜防火性能與電纜材料的性質、氧氣的濃度以及環境溫度與壓力等因素有關，電纜防火性能可通過上述因素控制。動力學分析可知，適當的電纜材料選擇和電纜結構設計，可以設計出電纜著火放熱率小于散熱率的電纜，即可控制因電纜發生的火災。

參考文獻

[1]傅獻彩，沈文霞.物理化學[M].北京：高等教育出版社，2006.

（作者單位：安徽太平洋電纜股份有限公司）