CN109632882B - 一种多自由度的电缆火蔓延测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多自由度的电缆火蔓延测试装置，包括底座、支架、点火单元、风机单元、称重单元和检测电路；该底座放置于称重单元上，并设有可转动的圆台；该支架底部与圆台可转动连接，顶部设有接线杆，该接线杆与被测电缆串联；该点火单元安装于被测电缆上；该风机单元位于底座一侧并朝向被测电缆；该检测电路与接线杆串联构成闭合回路以检测电压和电流。本发明可通过外部可控环境风和电缆内部电芯大电流热效应的耦合作用，研究复杂空间自由度下单束被测电缆试样的特殊火蔓延、最终失效状态发展及其临界条件等。
Description
技术领域
本发明涉及电缆在环境风作用下的火蔓延行为以及电缆火灾安全领域，更具体的说，涉及一种多自由度的电缆火蔓延测试装置。
背景技术
随着我国经济建设的发展，电气线缆的应用已经广泛深入各个领域，为国计民生提供着重要保障。但电缆的包层材料特别是绝缘层和外护套层等通常是采用热塑性高聚物加工而成，例如聚乙烯、聚丙烯或聚苯乙烯等。如不作特殊处理，这些材料本身具有可燃性，在发生火灾或受热时，将可能发生软化变形、进而形成流淌燃烧等复杂火蔓延现象。事实上，由电缆引发的火灾事故数量在我国长期处于居高不下的状态，这也是现阶段我国火灾安全科学所面临的重大挑战。对于电缆火灾燃烧的测试装置方面，由国际电工委员会ICE(International Electrotechnical Commission)曾出台过相关行业测试标准ICE60332-1、ICE60332-2、ICE60332-3等。其中对于单束电缆的测试，主要是将电缆试样竖直放置，从底部用火源进行引燃，从而模拟竖向火蔓延过程，并衡量该电缆试样的耐火性能。但目前关于电缆火蔓延行为的研究装置中，不少都是针对竖直、水平等简单构型的电缆，其局限性在于：电缆空间布设方式上较为单一，与实际情况中电缆的复杂构型状态差距较大；引燃方式上多采用局部明火，难以提供较准确的实验初始、边界条件；对于环境风场的作用没有过多考虑，也与实际火场有所出入。因此现有的测试装置及方法实际上已经限制了对电缆火灾动力学研究及其失效规律的深入分析。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种多自由度的电缆火蔓延测试装置，可通过外部可控环境风和电缆内部电芯大电流热效应的耦合作用，研究复杂空间自由度下单束被测电缆试样的特殊火蔓延、最终失效状态发展及其临界条件。
本发明采用如下技术方案：
一种多自由度的电缆火蔓延测试装置，其特征在于：包括底座、支架、点火单元、风机单元、称重单元和检测电路；该底座放置于称重单元上，并设有可转动的圆台；该支架底部与圆台可转动连接，顶部设有接线杆，该接线杆与被测电缆串联；该点火单元安装于被测电缆上；该风机单元位于底座一侧并朝向被测电缆；该检测电路与接线杆串联构成闭合回路以检测电压和电流。
优选的，所述支架包括有两接线杆和两走线筒，该两接线杆底端分别插入两走线筒，该两走线筒底端分别与所述圆台为可转动连接。
优选的，所述底座采用耐热石膏板，所述圆台底部安装有柱体，该柱体所述底座可转动连接。
优选的，所述风机单元包括底台、变频风机、风机外壳、机架和风速仪；该底台底部设有伸缩脚；该机架底部固定于底台上；该风机外壳与该机架为可转动连接，其出风口设有若干导流板；该变频风机位于风机外壳一端，该风速仪靠近风机外壳另一端。
优选的，所述检测电路包括电流表、调压器、滑动变阻器、电压表和电源输入回路，该电源输入回路与电流表、调压器、滑动变阻器串联，该电压表与电流表并连。
优选的，还包括有两接线块，该两接线块与所述检测电路的两接线端相连；所述底座设有两接线柱，每个接线柱与对应的接线杆和接线块电连接。
优选的，还包括有高清摄像机和辐射热流计，该辐射热流计和高清摄像机位于所述底座另一侧。
优选的，还包括有倾角量角器和若干热电偶，该倾角量角器靠近所述被测电缆，该热电偶与所述被测电缆相连。
优选的，所述点火单元包括点火器、连接支架，该点火器安装于所述被测电缆外周，该连接支架与点火器连接。
优选的，还包括有数据采集卡，该数据采集卡与所述检测电路和所述称重单元相连。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的装置，其被测电缆的空间构型灵活多变、且可多自由度调整，利用接线杆的长度伸缩、绝缘走线筒的角度开合以及圆台的角度转动，可构建出复杂倾角、松紧弯曲度下的电缆火蔓延空间构型，并与风机出风呈预定的各种夹角。
(2)本发明的装置，风机出风的角度及风速可灵活调整，且整体高度方便可控，能够为被测电缆营造出预定的环境风场。
(3)本发明的装置，设置有连接块，利用自身重量的力平衡及不发生形变等特点，可以较好的阻断外部连线发生位移时对称重单元读数的影响。
(4)本发明的装置，点火器的点火功率灵活可调，可形成阴燃或明火等多种引燃方式，且由于受两组半圆筒形的陶土制点火器外壳包裹，可使热量约束其中，具有较好的定量与定向性。
(5)本发明的装置，可同时、也可分别开展环境风作用下，被测电缆外部加热及内部电流热效应所引发的火蔓延研究。
(6)本发明的装置，所布设的热电偶阵列可在线测量被测电缆发生火蔓延后特征位置的温度变化，再利用称重单元实时记录其质量损失，可进一步研究电缆复杂构型火灾的热重特性，并确定相应的临界条件。
(7)本发明的装置，利用检测电路中的电流表、电压表数据，结合温度、辐射、质量等数据，可望发展针对单束电缆复杂条件热失效的新型判据。
附图说明
图1为本发明的测试装置部分结构立体图；
图2为本发明被测电缆相关连接示意图；
图3为风机单元立体图；
图4为本发明整体图；
其中：100为包层，101为电缆铜芯，102为接线杆，103为走线筒，104为锁固螺钉，105为延长导线，106为阻尼转轴，108为圆台，109为柱体，110为耐热石膏板，111为接线柱，113为称重单元，114为软质导线，115为接线块，116为接线端，117为调压器输出导线，119为电压表，120为电流表，121为滑动变阻器，122为调压器，123为开关，124为电源回路，125为交流电源，126为风机外壳，127为导流板，129为变频风机，130为机架，131为底台，132为伸缩脚，133为高度调节杆，134为风速仪，135为辐射热流计，136为高清摄像机，137为热电偶，138为点火器外壳，139为电热丝，140为连接支架，141为倾角量角器。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
参照图1至图4，一种多自由度的电缆火蔓延测试装置，包括底座、支架、点火单元、风机单元、称重单元113、检测电路等。该底座设有可转动的圆台108，该圆台108置于一个柱体109上，两者保持同轴，并且可以同轴转动，而该柱体109与底座可转动连接，该底座采用正方形耐热石膏板110。在圆台108和耐热石膏板110上均刻有角度标尺，从正上方观察可以精确的判断当圆台108转动时，两者的相对角度变化，该耐热石膏板110的正下方安放称重单元113，该称重单元11采用电子天平，用于测量被测电缆受热后火蔓延过程中的质量变化。该圆台108外径50cm、厚度6cm，由硬质尼龙材质制成，同样为绝缘材质。
被测电缆包括包层100和电缆筒芯101。支架包括有两接线杆102和两走线筒103，该两接线杆102底端分别插入两走线筒103，该两走线筒103底端分别与圆台108为可转动连接。该电缆铜芯101的两端，分别缠绕在两个接线杆102的顶端的绕线槽上，本例中，电缆可选用长度为50cm、外部直径为2cm的单芯动力电缆。
接线杆102由铜棒制成，优选长度为30cm，直径为8mm，而走线筒103为陶瓷材质，优选长度为30cm，内径为10mm，壁厚3mm。接线杆102通过一个锁固螺钉104以旋转紧压的方式，可将其固定在走线筒103的任意位置，两个走线筒103远离接线杆102的一端，分别通过一对阻尼转轴106安装于圆台108上的两个相对开设的转动槽内。两个走线筒103可以通过阻尼转轴106在圆台108上作120度大角度范围内的转动，并在适当强度阻尼的作用下，稳定在转动角范围内的任意位置。
在耐热石膏板110的两个相邻角上，嵌入接线柱111，并贯穿该耐热石膏板110，两个接线柱111位于该耐热石膏板110上面的部分，分别利用一段留有充足余量的铜质的延长导线105，从走线筒103的下部开口穿入，并分别缠绕在两个接线杆102另一端的绕线槽上。
而接线柱111位于耐热石膏板110下面的部分分别通过一条硬度不高的软质导线114各自连接上一个铜制的接线块115，本例中该接线块115具有相当重量，用于实现应力消除。并且接线块115中，连接软质导线114的接线孔向上翘起，以保证该两条导线114完全不与地面接触。两个接线块115的另一端各自焊接一个竖直向上的铜质的接线端116，两个接线端116与检测电路相连。
检测电路包括电压表119、电流表120、调压器122、滑动变阻器121和电源输入回路等，其设有两调压器输出导线117，分别与两接线端116连接。
调压器122输出电极中的其中一极与其中一调压器输出导线117相连，另一调压器输出导线117串接电流表120和滑动变阻器121后连接上调压器122输出电极中的另一极，形成调压器122的封闭输出回路。同时在调压器输出导线117靠近接线端116的位置，并联一个电压表119。
电源输入回路包括交流电源125和开关123，该220V市电的交流电源125通过电源回路124和开关123，以串联方式接入调压器122输入端的两个电极。本例中，滑动变阻器121的阻值范围为0～200欧，电流表120最大量程为50A，电压表119最大量程为300V。
风机单元设置在耐热石膏板110的一侧，例如左侧0.5米处，其包括底台131、风机外壳126、变频风机129、机架130和风速仪134等。该风机外壳126为矩形并与底座在地面的投影平行且共对称轴，本例中该风机外壳126由3mm钢板焊接而成，外部尺寸为0.5m高、0.5m宽及1m长，该风机外壳126的出风口焊接6个平行且等距的导流板127，以保证其出风均匀，另一端安装变频风机129。
整个风机外壳126通过两个机架130架设在底台131上，该底台131的下部四角安装四个圆柱形的伸缩脚132，每个伸缩脚132下方攻孔，并旋入螺纹式的高度调节杆133，本例中，整个底台131的高度调节范围为0.4～0.8m，配合机架130旋转风机外壳126，可灵活产生各种角度的出风。还设有风速仪134，，其靠近风机外壳126的出风一侧，用于对出风的风速进行标定与校准，
在被测电缆的包层100表面布置一组热电偶137构成温度测量阵列，本例中包括4支热电偶，每支间距为8cm，且在该耐热石膏板110相对风机外壳126的另一侧距1m处、与包层100中点等高布置一支辐射热流计135，该辐射热流计135用于检测对外辐射强度。在被测电缆的斜上方，还设置一台高清摄像机136，该高清摄像机136从斜上方拍摄被测电缆的包层100的受热变化及火蔓延整个过程阀物理形貌变化。
点火单元设有包括点火器和连接支架140。该点火器设有两组半圆筒形的点火器外壳138，使用陶土材质，在其内部布设电热丝139，点火器外壳138外部与连接支架140焊接，该连接支架140为万向点连接支架，用于定位和走线，本例中，两个点火器外壳138组成的圆筒形内径为2.3cm，长度为4cm，而两个电热丝139功率合计1千瓦，同时采用一个倾角量角器141来对被测电缆的包层100的整体或局部倾角进行测量与校准。
本发明还设有数据采集卡，其与称重单元113、辐射热流计135、热电偶137、以及所使用的电压表119、电流表120等相连，并通过计算机软件进行实时数据采集。
本发明在实际应用中，需注意以下几点，其软质导线114长度需适度，且不能过长，而铜制的应力消除的接线块115质量需达到一定重量。两个绝缘走线筒103可通过阻尼转轴106在圆台108上作大角度范围的转动，并在阻尼作用下，可牢牢稳定在转动角范围内的任意位置。风机单元的机架130可机械控制，使所述风机的出风角度灵活多样。延长导线105需放置在耐热石膏板110上，不与地面或称重单元113发生力的接触，且长度需足够，以保证圆台108在旋转构型时有足够的走线余量。风机外壳126的出风口截面积需足够大，可囊括各种倾角的所述被测电缆截面，保证电缆整体处于恒定的风速环境中。
测试开始前，首先将电缆铜芯101两端缠绕在接线杆102上部的绕线槽上，通过接线杆102在走线筒103外部的长度、两个走线筒103的角度、配合锁固螺钉104来确定电缆铜芯101两端的位置。利用倾角量角器141校准包层100至预设角度，本例中为拉直后斜30度，且转动圆台108，通过其上的刻度，使对走线筒103进行限位的两个转动槽连线与耐热石膏板110横向对称轴呈45度夹角，至此完成电缆空间位置的设置。
将风机外壳126通过机架130调整至水平，再通过高度调节杆133将风机外壳126的中心调整至与包层100中心水平，利用风速仪134，将变频风机129的出风校准至2m/s，同时将调压器122的输出调至150V，并断开开关123。
测试过程中，接通开关123，开启变频风机129，同时使两个点火器外壳138相对并处于包层100中点位置，将其包裹后利用电热丝139将包层100引燃，形成向上和向下的耦合火蔓延。
其质量损失变化由称重单元113进行测量，包层100在火焰和内部强电流共同加热过程中的特征位置温度变化由热电偶137阵列进行测量，电压表119和电流表120将同时测量电缆受热过程中电缆铜芯101的伏安特性，据此可对被测电缆是否失效作出判断，火蔓延过程中的对外辐射强度由辐射热流计135测量，而物理图像信息则由高清摄像机136进行全程记录。数据采集卡实时采集称重单元113、辐射热流计135、热电偶137、以及所使用的电压表119、电流表120等测量信号。
本发明主要包括电缆测试平台、风机单元及相应供电回路，电缆测试平台主要包括被测电缆、多自由度电缆构型装置(底座和支架)，可灵活调整被测电缆的倾角、松紧弯曲度及与环境风的夹角，并在其下方设置电子天平；通过风机单元用于营造各种风速、出风角度的环境风场；供电回路包含参数可控的电缆供电回路与点火器供电回路。通过电缆试样的外部点火器引燃，在其内部可控电流热效应的耦合作用下，研究复杂环境风作用下，不同空间构型被测电缆试样的火蔓延发展规律及火灾动力学特性。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (8)
1.一种多自由度的电缆火蔓延测试装置，其特征在于：包括底座、支架、点火单元、风机单元、称重单元和检测电路；该底座放置于称重单元上，并设有可转动的圆台；支架包括有两接线杆和两走线筒，该两接线杆位于支架顶部且底端分别插入两走线筒，该两走线筒底端分别与圆台为可转动连接，两个走线筒远离接线杆的一端，分别通过一对阻尼转轴安装于圆台上的两个相对开设的转动槽内，两个走线筒通过阻尼转轴在圆台上作120度大角度范围内的转动，并在适当强度阻尼的作用下，稳定在转动角范围内的任意位置，该两接线杆与被测电缆串联；该点火单元安装于被测电缆上；该风机单元位于底座一侧并朝向被测电缆；该检测电路与接线杆串联构成闭合回路以检测电压和电流，据此可对被测电缆是否失效作出判断；还包括有两接线块，该两接线块与所述检测电路的两接线端相连；所述底座设有两接线柱，每个接线柱与对应的接线杆和接线块电连接；底座和支架可灵活调整被测电缆的倾角、松紧弯曲度及与环境风的夹角。
2.如权利要求1所述的一种多自由度的电缆火蔓延测试装置，其特征在于：所述底座采用耐热石膏板，所述圆台底部安装有柱体，该柱体与 所述底座可转动连接。
3.如权利要求1所述的一种多自由度的电缆火蔓延测试装置，其特征在于：所述风机单元包括底台、变频风机、风机外壳、机架和风速仪；该底台底部设有伸缩脚；该机架底部固定于底台上；该风机外壳与该机架为可转动连接，其出风口设有若干导流板；该变频风机位于风机外壳一端，该风速仪靠近风机外壳另一端。
4.如权利要求1所述的一种多自由度的电缆火蔓延测试装置，其特征在于：所述检测电路包括电流表、调压器、滑动变阻器、电压表和电源输入回路，该电源输入回路与电流表、调压器、滑动变阻器串联，该电压表与电流表并连。
5.如权利要求1所述的一种多自由度的电缆火蔓延测试装置，其特征在于：还包括有高清摄像机和辐射热流计，该辐射热流计和高清摄像机位于所述底座另一侧。
6.如权利要求1所述的一种多自由度的电缆火蔓延测试装置，其特征在于：还包括有倾角量角器和若干热电偶，该倾角量角器靠近所述被测电缆，该热电偶与所述被测电缆相连。
7.如权利要求1所述的一种多自由度的电缆火蔓延测试装置，其特征在于：所述点火单元包括点火器、连接支架，该点火器安装于所述被测电缆外周，该连接支架与点火器连接。
8.如权利要求1所述的一种多自由度的电缆火蔓延测试装置，其特征在于：还包括有数据采集卡，该数据采集卡与所述检测电路和所述称重单元相连。
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