CN105181748B - 外部辐射热流作用下的电缆受热特性及失效性测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种外部辐射热流作用下的电缆受热特性及失效性测试装置，主要包括电缆测试平台及相应供电回路，所述电缆测试平台包括待测电缆试样、电缆固定装置及辐射加热电热丝，所述固定装置可调节电缆的空间夹角，并在其下方设有质量测量装置，所述供电回路包含参数可控的电缆供电回路与电热丝供电回路；通过电缆试样外部辐射加热，及其内部电流热效应的耦合控制，确定不同空间布置倾角下电缆试样的受热、燃烧、火蔓延及最终失效的状态发展模式及临界条件，从而研究各种电缆在不同热效应作用下的受热燃烧行为，为电缆耐热耐火性能测试及分类标准的建立提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及电缆受热行为、耐辐射特性及相关电缆火灾安全领域，更具体的说，涉及一种外部辐射热流作用下的电缆受热特性及失效性测试装置。
背景技术
电气线缆及相关技术的广泛应用，给人们生产生活带来便利的同时，也为国民经济和工业水平的发展提供保障。然而，作为电缆重要构成部分的包层(如填充层、绝缘层、内护套层、外护套层等)绝缘材料往往是由热塑或热固性高分子聚合物加工而成，常见的有聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)等。这些材料往往本身具有可燃性，除了增加应用场所内的火灾荷载外，热塑性的包层材料在受热后(如电缆出现短路、发生故障电弧或受外部炙烤等)还存在软化熔融，甚至形成液体池火燃烧等复杂火蔓延现象，为电气线缆火灾的防治带来了新问题。同时由于从尖端的航空航天到普通的家庭居室，均广泛涉及到电气线缆的应用，由此所引发的火灾事故在我国正逐年增加且高居不下。
关于电缆受热特性方面的研究，国际电工委员会ICE(InternationalElectrotechnical Commission)对此出台过相关行业测试标准ICE60332-1、ICE60332-2、ICE60332-3。该系列标准主要是针对单根或成束的电缆，将电缆试样竖直放置，在底部用外部火源进行引燃，从而模拟电缆火蔓延燃烧过程，并通过蔓延距离、熄灭时间等参数衡量该电缆试样的耐热耐火性能。中国专利201420152923.4，公开号204228635U，公开日为2015-3-25，提到一种用于模拟火灾环境的塑料电缆热辐射实验装置，是将电缆水平置于一个辐射炉内进行辐射加热，以此测试受限空间条件下电缆产品的耐热性能。目前关于电缆受热和燃烧行为的研究方法和装置中，大都是针对竖直或水平放置的电缆材料，通过外部局部引燃或整体加热的方法来进行电缆的耐热耐火特性研究。这类方法的一个主要局限性在于：首先电缆在空间的放置方式上较为单一，并不能完全反映现实中电缆的复杂布设情况。其次在加热或引燃方式上，无论是局部明火加热还是密闭辐射加热，都无法提供精确的实验初始条件和边界条件。另外，目前的研究方法通常针对外部热量对电缆材料产生的影响(测试中电缆不通电)，而对于内部电流异常所引起的发热，以及内、外热效应耦合作用的研究还比较稀缺。因此现有的测试方法已经限制了对电缆热动力学发展及相关热失效性规律的深入定量分析。
发明内容
本发明的目的是提出一种外部辐射热流作用下，处于通电状态电缆受热特性及失效性的研究方法与测试装置，通过外部可控辐射加热，以及内部大电流热效应的耦合控制，确定不同空间布置倾角下电缆试样的受热、燃烧、火蔓延及最终失效的状态发展模式及临界条件。
本发明采用的技术方案为：一种外部辐射热流作用下的电缆受热特性及失效性测试装置，包括一个市电交流电源，该电源通过一个开关串联接入第一调压器的输入端；所述第一调压器的输出端依次串联一个可调电阻，一个电流计，以及一段特定长度的电缆试样，沿该电缆试样走向布置一组热电偶阵列，可包含若干支热电偶，且在紧贴该电缆试样表面的位置布置一支热流计；所述电缆试样的两端并联接入一个电压计，同时，该电缆试样被固定于一个电缆测试平台上，且处于绷直状态；所述电缆测试平台包括两个相向、且同轴放置的圆形耐高温陶瓷端，该陶瓷端中间留有圆形孔洞，用于固定所述电缆试样的两端；以所述陶瓷端为中心，径向接入8-16(偶数)片金属固定片，该金属固定片按圆周阵列以等角度、等长度的形式连接在所述陶瓷端的圆周上，形成两组车轮状结构；每一片所述金属固定片沿长边方向于中部开有一排圆形孔状槽，用于插入石英管，该石英管稍长于所述两组车轮状结构的垂直间距；所述石英管的两端被两个刚好相对的所述金属固定片上的圆形孔状槽固定，所述一排圆形孔状槽的各个圆形孔半径与所述石英管半径相同，保证两者能够牢固相连；每一根所述石英管内部均放置有电热丝，各根电热丝长度、功率相同(电热丝发热段长度等于石英管长度)，所有电热丝均以串联形式接入第二调压器的输出端；所述第二调压器的输入端通过一个电流接触器串接上一个交流动力电电源；所述两组车轮状结构的底部分别连接支架，支架底部固定于一块硬质硅酸钙板上；所述硅酸钙板在其短边一侧(垂直于电缆走向的一边)加装金属铰链，并通过该金属铰链在其下方连接一块金属板，该金属板与所述硅酸钙板保持尺寸相同；所述金属板在长边一侧上焊接一圆弧金属块量角尺，该圆弧金属块量角尺上每隔一定角度(以所述金属铰链为圆心)标注一个刻度，并在相应刻度处打上圆形孔；所述金属板置于一台电子天平之上。在所述电缆试样的正下方和所述硅酸钙板上方水平放置一线形熔滴槽(比电缆试样水平投影面积稍大的长条形金属槽)，该熔滴槽又放置于一可调支架(高度可调节)之上；所述可调支架与所述硅酸钙板之间不发生物理性接触，从而避免干扰所述电子天平对所述电缆试样质量损失的测量。所述电缆试样的附近布设若干台摄像机，用于从各个角度在线监测电缆受热行为或着火特征。
所述第一调压器用于提供所述电缆试样回路所需的电压，通过所述可调电阻的调节，并利用所述电流计和电压计对回路参数进行实时监测，最终达到测试所要求的初始电路条件。
所述电缆试样两端固定在所述陶瓷端上之后，将其内导体芯适当露出，利用导电夹串接入回路中。
所述沿电缆走向布设的热电偶阵列所测量的是电缆试样在受热过程中若干典型位置上的温度变化；所述热电偶的探头可根据具体情况在电缆试样的半径方向插入不同的深度；也可不接触电缆，而测量电缆周围空间的温度场变化。
所述金属固定片上的一排圆形孔状槽(圆形孔间可部分重叠)是为了更自由地调整石英管的排布方式，从而改变对所述电缆试样的外部辐射加热方式及热流强度，以达到模拟各种复杂外部受热场景的目的。
所述石英管应避免置于电缆的正下方，防止电缆包层受热熔融后滴落到石英管上；所述每根石英管中的电热丝不可与所述金属固定片接触，以防止短路发生。
所述布设于电缆试样表面的热流计监测的是电缆试样表面接收的辐射热通量，用于测试前外部辐射初始边界条件的标定。
所述硅酸钙板是为防止测试时上方辐射热流的再次反射影响电缆试样测试，还能保护下方所述电子天平不被辐射产生的高温所损坏；同时该硅酸钙板是利用所述圆弧金属块量角尺上的圆形孔与一个特制金属插销配合使用，从而与下方所述金属板构成一可调节的夹角；该夹角也是所述电缆试样与水平方向的空间夹角。
所述电子天平测量的是上方电缆试样在受热或燃烧过程中的质量变化情况，不包括所述熔滴槽中熔融滴落物质的质量变化。
所述布设于电缆试样附近的若干个摄像机拍摄的是不同方位角度上电缆试样受热变形或燃烧的火焰形状及蔓延情况的实时变化。
所述各个测点上布设的热电偶、热流计以及所使用的电流计、电压计、电子天平等，其测量信号均接入数据采集卡，并通过计算机软件进行实时数据采集。
与现有技术相比，本装置的技术优势如下：
(1)测试初始条件准确可控，除了电缆试样回路初始电流、电压条件可精确控制外，由于外部辐射采用了开放式的石英管电热丝加热，因此不会发生类似在受限空间中出现的热量堆积现象，导致初始辐射热流及初始测试温度无法恒定，因而该方法具有较好的可靠性和可重复性。
(2)该测试方法可同时(也可分别)开展由电缆外部加热及内部电流热效应所引发的耦合受热及着火特性研究。
(3)作为外部辐射源的石英管电热丝布设方式灵活多样，可在车轮状的金属固定片上作环形阵列布设，以模拟均匀外部辐射；也可集中布设于固定片的某一侧边，以模拟单向辐射作用等等。
(4)电缆试样及周围所布设的热电偶阵列，可在线测量电缆试样在被加热过程中特征位置的实时温度变化，从而反演电缆包层材料的整个升温、变形、熔融、着火燃烧、火蔓延等典型过程，并确定出相应的临界转捩条件。
(5)可实现变角度的电缆测试，从而研究空间倾斜角度对电缆包层材料受热变形、熔融流淌、以及后期火蔓延等过程的影响。
(6)利用电子天平实时记录电缆试样的质量损失，结合热电偶温度变化数据，可以进一步研究电缆受热或电缆火灾的热重特征发展规律。
(7)利用电缆试样回路中的电流计和电压计数据，可对电缆是否失效作出直接判断；耦合同时进行采集的温度、辐射、质量失重等数据，可望发展针对电缆热失效的新型判据。
(8)由于体现电缆内、外热效应耦合作用下的耐热等级测试标准尚未建立，该方法可用于电缆耐热耐火性能的测试及分类，并为未来此类标准的建立提供依据。
附图说明
图1为一种可控外部辐射热流作用下的电缆受热特性及失效性测试装置的结构示意俯视图；
图2为该测试装置中的电缆测试平台结构示意图；
图3为电缆测试平台上方石英管电热丝在车轮状金属固定片上的多种布设方式侧视图；
其中：100为市电交流电源，101为开关，102为第一调压器，103为可调电阻，104为电流计，105为电压计，106为电缆测试平台，107为第一调压器输入回路，108为电缆试样回路，109为电热丝加热回路，110为第二调压器，111为电流接触器，112为交流动力电电源，113为第二调压器输入回路，114为电缆试样，115为电热丝；
200为金属固定片，201为石英管，202为电热丝，203为电缆试样，204为电缆内导体芯，205为陶瓷端，206为支架，207为硅酸钙板，208为金属铰链，209为金属板，210为圆弧金属块量角尺，211为金属插销，212为电子天平，213为线形熔滴槽，214为可调支架，215为热流计，216为热电偶阵列，217为摄像机，218为导电夹；
300为金属固定片，301为石英管，302为电缆试样，303为支架。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方式，但不作为对本发明的限制。
图1给出了本发明的外部辐射热流作用下电缆受热特性及失效性测试装置的结构示意俯视图，图2为该测试装置中电缆测试平台部分的详细结构立体示意图，图3为外部辐射源石英管电热丝在车轮状金属固定片上的多种布设方式示意侧视图。
如图1所示，一个220V市电交流电源100通过一个开关101以及相应的第一调压器输入回路107，以串联方式接入第一调压器102的输入端。第一调压器102的输出端通过电缆试样回路108依次串联一个可调电阻103，一个电流计104，以及电缆测试平台106(虚线框内部分)中的电缆试样114，例如本实施例中选用可调电阻103的阻值范围为0-200欧，电流计最大量程50A，电缆试样114选用美国电线规范的14AWG电缆线，外径1.63mm、长度30cm，其绝缘层和外护套层均为聚氯乙烯材料；同时在电缆试样114接入电缆试样回路108的两个端点并联一个电压计105，本实施例中选用电压计最大量程300V。电缆测试平台106中的所有电热丝115以串联形式通过电热丝加热回路109接入第二调压器110的输出端，第二调压器110的输入端通过第二调压器输入回路113串接一个电流接触器111以及一个380V交流动力电电源112。所述图1中虚线框内电缆测试平台106的详细结构示意将在图2中作进一步阐述。
如图2所示，电缆测试平台106具有两个起夹持作用的圆形耐高温陶瓷端205，该陶瓷端外径5cm、厚度2cm，陶瓷端205中间留有圆形孔洞，用于固定所述电缆试样203(同图1的电缆试样114)的两端，且使电缆试样203处于绷直状态；同时，将电缆试样203两端的内导体芯204适当剥出，并利用两端导电夹218串接入图1的电缆试样回路108中。在所述两个陶瓷端205的圆周上，按圆周阵列以等角度、等长度的形式接入8片金属固定片200，每片长10cm、宽1.5cm，形成两组车轮状结构；每一片所述金属固定片200沿长边方向于中部开有一排圆形孔状槽，用于布设若干石英管201，石英管201稍长于所述两组车轮状结构的垂直间距(也即为电缆试样203长度)，本实施例中每根石英管长度为32cm；所述石英管201的两端被两个刚好相对的所述金属固定片200上的圆形孔状槽固定，各个圆形孔状槽内径与所述石英管201外径相同，本实施例中为0.8cm，保证两者能够牢固相连。每一根所述石英管201内部均放置有电热丝202，各根电热丝长度、功率均相同，即为统一规格，例如长度32cm、最大额定发热功率2kW，全部石英管201中的电热丝202均以串联形式通过图1的电热丝加热回路109接入第二调压器110的输出端。所述两组车轮状结构的底部分别连接支架206，高度选为20cm，支架206的底部固定于一块硬质硅酸钙板207的四个角上；本实施例中，硅酸钙板207的尺寸为长35cm、宽20cm、厚2cm，并在该硅酸钙板207短边一侧(垂直于电缆试样203走向的一边)加装金属铰链208，再通过该金属铰链208于其下方连接一块金属板209的短边，金属板209的长、宽尺寸与硅酸钙板207相同，厚度为0.5cm。金属板209在长边一侧上焊接一圆弧金属块量角尺210，在该圆弧金属块量角尺210上，以铰链208为圆心每隔10度标注一个刻度，并在相应刻度处打上圆形孔；硅酸钙板207正是利用所述圆弧金属块量角尺210上的圆形孔与一个特制金属插销211配合使用，从而进行固定，并与下方的所述金属板209构成一可准确调节的夹角；该夹角也是所述电缆试样203与水平方向的空间夹角，所述金属板209水平放置于一台电子天平212之上。在所述电缆试样203的正下方和所述硅酸钙板207上方水平放置一线形熔滴槽213，用于收集电缆试样203受热后产生的熔融滴落物质，本实施例中，线形熔滴槽213为长35cm、宽5cm的长条形金属槽，该熔滴槽213又放置于一高度可调支架214之上，可调支架214与硅酸钙板207之间不发生接触。所述电缆试样203表面布置一组热电偶阵列216，包括4支热电偶，每支间距为3cm，且在紧贴该电缆试样表面的位置布置一支热流计215，一台摄像机217从斜上方拍摄电缆试样203受热变化或着火燃烧的整个过程。
如图3所示，石英管301(同图2中的石英管201)在金属固定片300(同图2中的金属固定片200)上的布设方式可以灵活多样，除均匀围绕电缆试样302(同图2的电缆试样203)分布外，本实施例中还给出了左侧布设和底部布设，从而模拟现实情况下电缆所处的复杂辐射受热环境。
测试开始前，首先确定电缆试样203的初始电流工况以及初始外部辐射工况，并分别进行预设值的调试。具体为：电缆试样203的初始电流可由第一调压器102、可调电阻103和电流计104共同配合调至预定电流值；初始外部辐射工况则由石英管202的布设形式，配合第二调压器110以及热流计215来共同调至预定辐射热流强度值。在确保达到测试工况的初始条件后，断开开关101和电流接触器111，撤走热流计215，防止测试时被火焰损坏。其次确定电缆试样203的初始空间布设倾角，做法是将金属板209和硅酸钙板207张开至预设角度值，然后用金属插销211插入圆弧金属块量角尺210上相应的刻度圆形孔处，再使硅酸钙板207刚好压实在金属插销211之上，以起到固定张角的效果。
测试过程中，接通开关101和电流接触器111，测试便开始进行，电缆试样203在内、外热效应的耦合作用下，其质量的损失变化将全程由电子天平212进行测量，电缆试样203在被加热过程中特征位置的温度变化由热电偶阵列216进行测量，电缆试样回路108中的电流计104和电压计105将同时测量电缆试样203的伏安特性数据，据此可对电缆试样203在测试中是否已经失效作出直接判断，电缆试样203在受热过程中的物理图像信息由摄像机217进行全程记录。所述电子天平212、热电偶阵列216、以及所使用的电流计104、电压计105等测量信号均接入数据采集卡进行实时采集。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种外部辐射热流作用下的电缆受热特性及失效性测试装置，其特征在于：包括一个市电交流电源，该电源通过一个开关串联接入第一调压器的输入端；所述第一调压器的输出端依次串联一个可调电阻，一个电流计，以及一段特定长度的电缆试样，沿该电缆试样走向布置一组热电偶阵列，可包含若干支热电偶，且在紧贴该电缆试样表面的位置布置一支热流计；所述电缆试样的两端并联接入一个电压计，同时，该电缆试样被固定于一个电缆测试平台上，且处于绷直状态；所述电缆测试平台包括两个相向、且同轴放置的圆形耐高温陶瓷端，该陶瓷端中间留有圆形孔洞，用于固定所述电缆试样的两端；以所述陶瓷端为中心，径向接入8-16片金属固定片，金属固定片的数目为偶数；该金属固定片按圆周阵列以等角度、等长度的形式连接在所述陶瓷端的圆周上，形成两组车轮状结构；每一片所述金属固定片沿长边方向于中部开有一排圆形孔状槽，用于插入石英管，该石英管稍长于所述两组车轮状结构的垂直间距；所述石英管的两端被两个刚好相对的所述金属固定片上的圆形孔状槽固定，所述一排圆形孔状槽的各个圆形孔半径与所述石英管半径相同，保证两者能够牢固相连；每一根所述石英管内部均放置有电热丝，各根电热丝长度、功率相同、电热丝发热段长度等于石英管长度，所有电热丝均以串联形式接入第二调压器的输出端；所述第二调压器的输入端通过一个电流接触器串接上一个交流动力电电源；所述两组车轮状结构的底部分别连接支架，支架底部固定于一块硬质硅酸钙板上；所述硅酸钙板在其垂直于电缆走向的一边，加装金属铰链，并通过该金属铰链在其下方连接一块金属板，该金属板与所述硅酸钙板保持尺寸相同；所述金属板在长边一侧上焊接一圆弧金属块量角尺，该圆弧金属块量角尺上每隔一定角度，以所述金属铰链为圆心标注一个刻度，并在相应刻度处打上圆形孔；所述金属板置于一台电子天平之上；在所述电缆试样的正下方和所述硅酸钙板上方水平放置一线形熔滴槽；所述线形熔滴槽为比电缆试样水平投影面积稍大的长条形金属槽，该熔滴槽又放置于一高度可调支架之上；所述可调支架与所述硅酸钙板之间不发生物理性接触，从而避免干扰所述电子天平对所述电缆试样质量损失的测量；所述电缆试样的附近布设若干台摄像机，用于从各个角度在线监测电缆受热行为或着火特征。
2.根据权利要求1所述的一种外部辐射热流作用下的电缆受热特性及失效性测试装置，其特征在于：所述第一调压器用于提供所述电缆试样回路所需的电压，通过所述可调电阻的调节，并利用所述电流计和电压计对回路参数进行实时监测，最终达到测试所要求的初始电路条件。
3.根据权利要求1所述的一种外部辐射热流作用下的电缆受热特性及失效性测试装置，其特征在于：所述电缆试样两端固定在所述陶瓷端上之后，将其内导体芯适当露出，利用导电夹串接入回路中。
4.根据权利要求1所述的一种外部辐射热流作用下的电缆受热特性及失效性测试装置，其特征在于：所述沿电缆走向布设的热电偶阵列所测量的是电缆试样在受热过程中若干典型位置上的温度变化；所述热电偶的探头可根据具体情况在电缆试样的半径方向插入不同的深度；也可不接触电缆，而测量电缆周围空间的温度场变化。
5.根据权利要求1所述的一种外部辐射热流作用下的电缆受热特性及失效性测试装置，其特征在于：所述金属固定片上的一排圆形孔状槽是为了更自由地调整石英管的排布方式，从而改变对所述电缆试样的外部辐射加热方式及热流强度，以达到模拟各种复杂外部受热场景的目的。
6.根据权利要求1所述的一种外部辐射热流作用下的电缆受热特性及失效性测试装置，其特征在于：所述石英管应避免置于电缆的正下方，防止电缆包层受热熔融后滴落到石英管上；所述每根石英管中的电热丝不可与所述金属固定片接触，以防止短路发生。
7.根据权利要求1所述的一种外部辐射热流作用下的电缆受热特性及失效性测试装置，其特征在于：所述布设于电缆试样表面的热流计监测的是电缆试样表面接收的辐射热通量，用于测试前外部辐射初始边界条件的标定。
8.根据权利要求1所述的一种外部辐射热流作用下的电缆受热特性及失效性测试装置，其特征在于：所述硅酸钙板是为防止测试时上方辐射热流的再次反射影响电缆试样测试，还能保护下方所述电子天平不被辐射产生的高温所损坏；同时该硅酸钙板是利用所述圆弧金属块量角尺上的圆形孔与一个特制金属插销配合使用，从而与下方所述金属板构成一可调节的夹角；该夹角也是所述电缆试样与水平方向的空间夹角。
9.根据权利要求1所述的一种外部辐射热流作用下的电缆受热特性及失效性测试装置，其特征在于：所述电子天平测量的是上方电缆试样在受热或燃烧过程中的质量变化情况，不包括所述熔滴槽中熔融滴落物质的质量变化。
10.根据权利要求1所述的一种外部辐射热流作用下的电缆受热特性及失效性测试装置，其特征在于：所述布设于电缆试样附近的若干个摄像机拍摄的是不同方位角度上电缆试样受热变形或燃烧的火焰形状及蔓延情况的实时变化；所述各个测点上布设的热电偶、热流计以及所使用的电流计、电压计、电子天平，其测量信号均接入数据采集卡，并通过计算机软件进行实时数据采集。
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