低压环境下航空电缆和普通电缆燃烧性能的对比研究

张政 贺元骅* 伍毅* 

(中国民用航空飞行学院民航安全工程学院，四川 广汉 618307)

摘 要：在康定机场（61.0kpa）低压力环境下，开展了FXL航空电缆和YCW普通电缆的燃烧实验。通过热辐射加热平台和氧指数分析平台测量电缆点燃时间、点燃温度、电缆燃烧形态、氧指数及质量损失速率，研究低压对电缆燃烧特性的影响。实验结果显示，两种材料燃烧的温度-时间曲线整体趋势大致相同，FXL点燃时间和点燃温度低于YCW，并且FXL燃烧形态稳定性更强；其次，两种材料的氧浓度-质量损失速率曲线趋势也各有不同，经实验测定，FXL和YCW的临界极限氧浓度分别为29%和35%。揭示了低压环境下飞机电缆燃烧特性，为预防飞机电缆火灾、增强航空电缆安全性能提供参考。

关键词：低压环境；航空电缆；燃烧性能；氧指数；质量损失速率

项目支持：飞机模拟机库新型细水雾消防安全技术研究，省部级

          中国民用航空飞行学院大学生创新创业项目编号:201810624141.

第一作者简介：张政（1993-），男，汉，在读研究生。研究方向：交通运输工程民航安全及火灾安全。E-mail:376755464@qq.com

Comparative Study on Combustion Performance of Avation Cables and Ordinary Cables in Low-voltage Environment

ZHANG Zheng, HE Yuan-hua*, WU Yi*

(Civil Aviation Flight University of China, Sichuan Guanghan 618307,China)

Abstract: In the low pressure environment of Kangding Airport (61.0kpa), the combustion experiments of FXL cable and YCW ordinary cable were carried out. The ignition time, ignition temperature, aviation cable combustion pattern, oxygen index and mass loss rate were measured by means of thermostatic heating box and oxygen index analyzer. The effects of low pressure environment on the combustion characteristics of aeronautical cables were studied. The experimental results show that the overall trend of the temperature-time curve of the two materials is approximately the same, but the ignition time and the ignition temperature are obviously different. Secondly, the trends of oxygen concentration-mass loss rate curves of the two materials are different. The critical limit oxygen concentrations of FXL and YCW were 29% and 40% respectively. The experimental results reveal the combustion characteristics of aircraft cables under low pressure environment and provide a reference for preventing aircraft cables from fire and enhancing the safety performance of aircraft cables.

Key words: low pressure environment; aviation cable; combustion characteristics; oxygen concentration; mass loss rate

1 引言

随着人们生活水平逐步提高，国内外出行日益增加，从而促进了民航业迅猛发展。据统计全国有229个机场共拥有3261架民航飞机，2017年中国民航全年的旅客运输量为5.52亿人次，比上年增长13.0%，民航运输机场的旅客吞吐量达到11.48亿人次，比上年增长12.9%。庞大的运载需求为民航安全带来了极大的压力，由于飞机舱内电缆使用数量众多，电缆护套层和绝缘层老化、接触不良、短路和接触不良等现象时有发生，形成潜在的安全隐患。近年来发生过几起由电缆引发的航空事故，2016年英国Blue Islands航空公司客机，因飞机引擎内导线老化起火，最终迫降；2015年美国动力航空公司佛罗里达州劳德代尔堡起飞时，由于引擎内部电缆等部件突然着火，导致机上人员损伤；2014年南航CZ3739航班起飞约半小时，飞机左侧引擎下方发动机电线电缆等器件冒烟，机舱内出现烧焦烟雾和气味，最后备降白云机场等。

国内外在电缆火方面已逐步开展研究，目前研究主要针对普通电缆，且多集中在电缆火灾蔓延、生烟量、毒性、电缆熔融滴落情况、烟气对电气设备的腐烛性、数学模型以及计算机模拟仿真等方面。张佳庆等人揭示了外部引燃条件下，电压电流变量对电缆燃烧特性及蔓延速度的影响规律^[1]。彭玉辉等人用pyrosim软件对电缆火灾进行数值模拟，揭示在空间内电缆火灾烟气的迁移蔓延规律^[2]。付强等对电缆火灾的热解性能、燃烧性能、电缆热传导数学模型等方面进行研究，揭示常压环境下电缆燃烧的传热规律^[3]。Matheson AF等人在对聚氯乙稀电缆燃烧性能分析，揭示了阻燃与非阻燃聚氯乙稀电缆点燃性、热释放速率和耐燃性等方面的差异^[4]。Anderson P等人对不同通风状况下电缆的燃烧过程进行研究，结果表明在不良的通风条件下，无卤电缆燃烧会产生更多碳氢化合物和CO等燃烧产物^[5]。Delichatsios M M.等人主要研究多根电缆燃烧性能，提出FSG模型预测电缆束的火焰蔓延和相应临界条件^[6]。

根据文献总结，研究大多针对普通电缆在正常压力环境下的燃烧特性，对于飞机低压环境选用的FXL电缆进行的燃烧实验较少，因此本文主要开展低压环境下航空电缆的燃烧实验，分析其燃烧相关特性，为航空电缆的安全性能提供参考。

2 实验内容

2.1实验目的

本文选用FXL和YCW，对比研究两种电缆在不同温度下的点燃时间及其极限值、不同氧浓度下燃烧持续时间和质量损失速率等参数，测定电缆的耐热程度、极限点燃氧浓度和质量损失变化速率等参数，最后针对两种电缆存在的差异进行分析。

2.2实验材料

本实验选取飞机FXL型腊克电缆和普通YCW型油浸电缆，电缆特性及表观形貌分别如下表和下图所示。此实验和测试方法按照国家标准（GBT12666/IEC332-3）、电缆燃烧性能检测标准GB31247-2014《电缆及光缆燃烧性能分级》进行。

表1 航空电缆材料和工作属性

图1 实验材料

2.3实验平台及相关仪器设备

（1）热辐射加热平台：主要利用PLC控制系统控制箱内温度恒定，能够将精度保持在±1℃范围内，从而测试航空电缆的点燃温度、点燃时间。实验中工作示意图如下：

图2 热辐射恒温加热箱工作原理

（2）氧指数分析平台：能够将氧氮混合气体流量保持在10L/min 不变，来测量电缆被点火源引燃后，维持电缆燃烧50mm长度或燃烧时间180s时所需的最低氧浓度数值。实验中工作示意图如下：

图3 氧指数分析仪工作原理

（3）高精度天平：选用高精度天平来进行电缆燃烧前后质量的称量，准确记录实验前后电缆的质量变化。

2.4实验测试方法

（1）热辐射加热平台测试方法：

利用热辐射恒温加热箱测量点燃温度，首先在400-800℃区间内每隔100℃设定一个数值，初步测量电缆的点燃温度及点燃时间，随后根据实验测量结果，将航空电缆的点燃温度区间设定为300-400℃，采用二分法经过多次实验，最终测得航空电缆的极限点燃温度，由于电缆在高温区间下燃烧速度过快，时间差别小，因此定义最高极限点燃温度为该种电缆的最高温度无法用秒表人为计量时的温度（误差0.5s以内）。实验前航空电缆实验样品均放入干燥箱中保存，避免空气的潮湿度对实验带来误差影响。在实验过程中，均保持在60Kpa，23℃同一工况下进行，每次实验调节至待测温度静至二分钟，待温度稳定后开始实验。

（2）氧指数分析平台测试方法：

实验开始前通过多组空白测量，从而设定氧浓度为30%、35%、40%、45%、50%数值，模拟飞机舱内氧气供给范围开展实验。实验前裁剪长度为60mm的航空电缆作为试样，由于电缆一旦点燃都能蔓延，所以记录燃烧超过50mm时间，在电缆50mm处标记记号。待氧氮混合气体稳定后，用丁烷手持式点火器插入试验台点燃电缆，直至电缆端口燃烧3s，随后关闭点火源并用秒表记录电缆燃烧时间，同时记录电缆燃烧长度。在测试不同氧浓度下电缆燃烧的数值后，通过二分法多次降低氧浓度找出电缆的最低极限氧浓度。为减少实验误差，本次实验均取质量损失、燃烧时间和质量损失速率的平均值。

3.实验结果分析

3.1 电缆点燃特性分析

图4 低压情况下电缆点燃温度-点燃时间

  图5 低压情况下极限点燃时间                 图6 低压情况下极限点燃温度

3.1.1点燃温度分析

从图4可以看出，航空电缆和普通电缆的点燃时间均随外加温度的增加而减小，当温度较高时，两者间的差异不大。同一温度下，FXL点燃时间整体较YCW低。这是由于电缆护套层材料的热特性差异所致。当温度较高时，两者间的差异不大。由FXL曲线知，其护套层最低点燃温度是415℃，对应的点燃时间是44.817s；随着温度增高，在415℃-425℃区间内，曲线下降最快；当辐射炉温度升至625℃，曲线开始趋于平缓，此时的点燃温度是1.507s；随后在800℃高温下，测得FXL点燃时间是1.44s。最后分析800℃以上两个数据点，点燃时间差距仅有0.1s。为保证数据准确性，在625℃-800℃区间内，增设700℃和750℃两个数值，最后测得点燃时间分别是1.425s和1.439s，综合分析，测得FXL最大极限点燃温度为625℃、点燃时间1.507s。同时为了测量FX最低极限点燃温度，本实验分别对300℃、350℃、400℃多次开展实验，结果均显示不燃。最后在400℃-500℃区间采用二分法测得最低点燃温度415℃和点燃时间44.817s。

相比较而言，YCW作为FXL对照试验材料，测量400℃、450℃、475℃和480℃的辐射温度均不能点燃YCW，温度缓慢升至485℃时，YCW能够被点燃且点燃时间为42.933s。在500℃-600℃温度区间，点燃时间从39.268s快速降至9.737s。同时对700℃和800℃温度进行测量，点燃温度分别为3.543s和1.833s。为实验数据准确性，分别对810℃、820℃、825℃和850℃等温度点进行实验，点燃时间分别为1.067s、0.94s、0.767s和0.763s，最后测得YCW最大极限点燃温度是825℃，点燃时间是0.767s。对比结果显示，由于YCW适用特殊油浸工况，所以FXL耐热性弱于YCW，但FXL表面腊克材料有耐摩擦和低发烟量等优点，为更好提高FXL抗烧性能，需参考YCW护套层添加元素来对其进行改善。

表2.点燃时间差值表

  根据表2，在图4中分别选择500℃、600℃、700℃和800℃四个温度点来分析变化率，大致刻画每增加100℃分析FXL和YCW的耐热时间程度。若曲线变化率越大，则说明电缆对热量反应灵敏度较高而耐热持续时间小，结果表明FXL一旦被点燃，随着火焰温度的升高，周围相同材质的航空电缆会迅速被引燃，从而会大面积扩展火灾范围和影响救援、灭火和逃生时间。分析FXL和YCW，500℃和600℃两点间升高100℃，FXL时间间隔为6.589s,曲线变化率为-0.06589。对比分析YCW点燃时间相差29.531s，FXL更易被点燃。在600℃和700℃两点间，FXL时间差为2.179s,而YCW时间差快速缩减至6.194s，变化率为0.06194，由于达到YCW耐热限度，YCW下降幅度比FXL大。在700℃和800℃两个时间点，FXL被点燃时间相差0.015s，而YCW点燃时间差是1.71s，对应的曲线斜率是-0.0171，此时FXL达到最大极限温度，所以FXL比YCW时间差小。对于FXL和YCW每增加100℃初始耐热时间都明显下降，各自达到最大极限温度后，则会趋于平衡状态。对比发现在高温火灾下，FXL比YCW更没有耐热性，从而说明在飞机低压环境中FXL一旦发生燃烧，在起初阶段灭火显得尤为关键，若失去初期的最佳灭火时间，后期则很难能及时处理。

3.1.2 拟合分析

（1）曲线拟合

通过对实验所得数据进行非线性曲线拟合分析，得到电缆点燃时间与点燃温度关系的公式：

                     （1）

其中y0、A和R0为参数；x为点燃温度；y为点燃时间

曲线拟合y0、A和R0参数如下：

表3. 曲线拟合y0、A和R0参数

将参数代入公式（1），得到的FXL和YCW关系如下:

（FXL）

（YCW）

（2）曲线拟合误差分析

点燃时间-点燃温度曲线存在拟合误差，分别对Reduced Chi-Sqr、残差平方和及COD（R^2）进行分析，误差均在可接受范围内，曲线拟合成功。误差实验数据如下：

表4. 拟合误差数据

3.1.3 电缆燃烧形态分析  

图7 FXL                           图8 YCW

    从燃烧产物形态分析，为揭示FXL和YCW燃烧程度，根据电缆护套层热解情况粗略将燃烧温度划分为四个阶段，分别为缓慢段、过度段、剧烈段和闪燃段。在400℃-500℃缓慢阶段，FXL腊克护套层变黑且产生轻微白色烟气，YCW塑料护套层有微微凸起小泡且伴随黑烟，FXL发烟量少于YCW，并且形态变化小；在500℃-600℃过度阶段，FXL迅速碳化且表面有断裂，YCW护套层有熔融且能燃烧，同时表面出现膨胀，此阶段FXL稳定性强于YCW；在600℃-700℃剧烈阶段，FXL腊克棉纱层被迅速燃烧降解且碳化严重，伴随大量白烟，YCW表面有大量熔融液滴，同时表皮向外膨胀且呈现不规则形状，燃烧剧烈伴随响声，从图中明显发现，虽两者皆被点燃，但FXL形态变化小于YCW，同时FXL内芯几乎不受影响，在飞机低压环境中，FXL更能够保持稳定性；在700℃-800℃闪燃阶段，FXL和YCW表面皆严重碳化且形变大，因此在高温阶段前要预防飞机环境内电缆蔓延和开展及时扑救。

3.2 氧指数分析

3.2.1燃烧持续时间

    由表5知，在低压下FXL最低极限氧浓度29%，燃烧持续时间179.713s，由于起初氧浓度较低，燃烧时间偏长，当氧浓度30%时，FXL燃烧持续时间大幅降低至89.637s，燃烧变快，在30%-45%范围，由于氧浓度能充分维持燃烧过程，燃烧持续时间降到29.02s；YCW在40%氧浓度下燃烧持续时间为51.333s，因为油浸特殊材料，YCW耐氧性能强于FXL。最后在50%高氧浓度下，测量FXL和YCW燃烧持续时间分别为19.96s和38.897s, 氧浓度增加会加快燃烧，由于材料热特性差异前者燃烧速度快于后者，飞机舱内一旦发生电缆火灾随着不断增氧，FXL燃烧会愈加剧烈。

表5 氧浓度-平均燃烧持续时间

FXL		YCW
氧指数(v)	燃烧持续时间（s）	氧指数(v)	燃烧持续时间（s）
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