维普资讯 http://www.cqvip.com 防火电线电缆燃烧特性分析及检测 Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｎ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｏｆＡｎｔｉ—・ｆｉｒｅ Ｗｉｒｅｓ ａｎｄ Ｃａｂｌｅｓ 王倩Ｗａｎｇ Ｑｉａｎ晏才圣Ｙａｎ Ｃａｉｓｈｅｎｇ 摘要：本文分析了防火电线电缆阻燃、耐火、无卤、 缆的结构作防火设计。 低烟和低毒方面的燃烧特性和对应的防火性能实现机理，并 １．阻燃性能及机理 结合国家标准ＧＢ／Ｔ １９６６６－２００５介绍了防火电线电缆燃烧特 所谓的阻燃，就是在规定的试验条件下，试样 性的检测方法和技术指标要求。 被燃烧，在撤去火源后，火焰在试样上的蔓延仅在 关键词：电线电缆；防火；阻燃；耐火；无卤；低烟； 低毒 限定范围内并且自行熄灭的特性，即具有阻止或延 缓火焰发生或蔓延的能力。电线电缆除了作为导 一体、屏蔽和铠装的金属材料外，其他结构材料（例 、引言 据消防部门的统计，国内大火灾案例中电气火 如绝缘层、护套层和填充层）大多是塑料、橡胶和 灾约占８０％，其中每年发生的电气火灾中因电线电 纤维等聚合物材料，由于金属材料是不会燃烧的， 缆引发的火灾占５０％以上，居各类火灾之首，给企 因此电线电缆的阻燃主要是实现电缆结构材料中的 聚合物材料的阻燃。有些聚合物材料本身就具有良 业和社会造成了巨大的经济损失和人身伤亡【ｌ】。电 好的阻燃性能，如电线电缆中用量最大的聚氯乙烯 线电缆引起火灾，大多数是由于电缆过负荷、短 塑料（ＰＶＣ）在没有添加其它助剂时的氧指数高达 路、接触电阻过大及外部热源作用引起的。电线电 缆的接头触点表面易氧化、松动和接触不良，造成 ４７％，是典型的高阻燃聚合物材料。但是，在加工 电阻增大，产生过热，在短路、局部过热等故障状 ＰＶＣ时，需要加入一定量的增塑剂，特别是电线电 态及外热作用下，绝缘材料绝缘电阻下降、失去绝 缆的绝缘材料和护套材料加工时需要加入大量的增 缘能力，甚至燃烧，进而引发火灾。 塑剂，这就使材料的阻燃性能显著下降。一般阻燃 大部分聚合物材料为可燃材料，燃烧时火焰会 电缆料的氧指数需要在３０％以上。为了达到阻燃的 蔓延。尽管聚氯乙烯塑料（ＰＶＣ）和一些含卤的电 目的，其处理方法主要是添加阻燃剂：一种是添加 线电缆材料有阻燃自熄性，但一旦燃烧，会释放出 卤系阻燃剂，即将含氟、氯、溴等元素的阻燃剂添 大量腐蚀性气体、毒性气体和浓烟，这些腐蚀性气 加到塑料、橡胶电缆料中，这是应用最普遍的阻燃 体、毒性气体和浓烟不仅危及到生命安全，而且还 处理方法；另一种是添加无卤阻燃剂，如ＡＩ（ＯＨ）、 严重腐蚀设备和建筑物，同时给消防救生、财产撤 Ｍｇ（ＯＨ）、硼酸锌、磷系阻燃剂、膨胀型阻燃剂添 离工作造成很大的困难。 加到塑料、橡胶电缆料中，用以提高其阻燃性能， 这种方法在无卤电线电缆中应用较为普遍。 二、防火电线电缆的燃烧特性分析 不同的阻燃剂在实现电线电缆的阻燃时遵循不 防火电线电缆是具有防火性能电线电缆的总 同的阻燃机理，常见的聚合物阻燃机理有三种【３】： 称，按ＧＢ／Ｔ１９６６６—２００５《阻燃和耐火电线电缆通 （１）气相阻燃机理，即抑制在燃烧反应中起链增长作 则》的规定［２】，现行防火电线电缆产品根据其本身 用的自由基，而发挥阻燃的作用。在聚合物中添加 具有的燃烧特性，可分为（有卤）阻燃系列、无卤 含卤阻燃剂，或采用本身含卤的聚合物材料就是利 低烟阻燃系列、（有卤）耐火系列、无卤低烟耐火 用气相阻燃机理的一种阻燃措施。因为含卤化合物 系列四类。各种防火电线电缆产品的燃烧特性要求 可将活性较大的ＨＯ？自由基置换成活性较小的Ｘ？等 各不相同，需符合阻燃性能、耐火性能、无卤性 自由基，从而降低活性自由基ＨＯ？的浓度，减缓连 能、低烟性能、低毒性能中的一项或多项的要求。 锁氧化反应，达到阻燃目的。（２）凝聚相阻燃机 为了满足防火性能的要求，需要利用不同的机理对 理，即在固相中阻止聚合物的热分解和阻止聚合物 制造电线电缆的材料进行一定的处理或者对电线电 释放出可燃气体。在聚合物材料中添加磷化合物就 一６３— 维普资讯 http://www.cqvip.com 是这种阻燃机理实施的例证。磷化合物受热后，由 于脱水反应，会按照磷化合物？磷酸？偏磷酸？聚偏磷 着电绝缘及耐火作用的材料。天然云母分白云母和 金云母两种，它是一种具有片状结构的铝．硅酸盐矿 酸的顺序，在聚合物表面形成一层玻璃状保护膜， 把可燃物与氧气隔离，从而阻止聚合物的燃烧。另 外，磷化合物受热后，能使聚合物表面脱水炭化， 形成一个不可燃的炭化层，同样能起隔氧的效果， 达到阻燃的目的。某些水合金属化合物如 ＡＩ（ＯＨ）３和Ｍｇ（ＯＨ）２受热后，会产生分解反应，这 种分解反应是吸热反应，反应产生结晶水汽化，吸 物质，可经过特殊的热处理、化学处理和机械加工 将云母浆化，并制成云母纸；合成云母是指以氟离 子替代羟基人工合成而制得的云母。由于云母具有 出色的介电性能、热稳定性、辐射稳定性和化学稳 定性，云母一直被认为电气领域最佳的绝缘材料之 一。但是，单独的云母纸不能用来制作耐火电缆的 耐火层，因为它几乎没有强度。这就要求采用补强 材料与云母纸复合制成云母带，而要使云母纸和玻 璃丝布成为一体就要使用粘合剂。 ３．无卤、低毒性能及机理 众所周知，含卤阻燃材料具有优良的阻燃性 能。但是，当它们与火焰接触，在热分解和燃烧过 收大量热量，从而降低聚合物表面的温度，阻止聚 合物延燃。（３）中断热交换机理，即将聚合物产生 的热量带走而不反馈到聚合物上，使聚合物不再不 断分解。如液体或低分子量液化石蜡，或其与 Ｓｂ２０３协效的阻燃体系，由于能促进聚合物解聚或 分解，有利于聚合物受热熔解；当燃烧的聚合物融 程中，会产生大量烟雾和有毒的腐蚀性卤化氢气 体。因此，为了提高防火电线电缆的安全性，目前 不仅要求电线电缆阻燃、耐火，而且要求尽可能的 减少电线电缆燃烧时的烟雾和有害气体的发生量。 无卤电线电缆就是在制作电线电缆的电缆料中 使用无卤聚合物材料并添加无卤阻燃剂。聚烯烃是 无卤材料，分子链上只有碳和氢两种元素，燃烧时 分解出水和二氧化碳，不产生明显的烟雾和有毒的 滴或本体聚合物滴落时，能将大部分燃烧热带走， 从而中断了热反馈到聚合物上的过程，最终终止了 燃烧。阻燃机理使人们对燃烧和阻燃有了更深刻的 认识，实际意义上的燃烧和阻燃是一个很复杂的过 程，某种阻燃体系的阻燃实现往往是几种阻燃机理 协同作用的结果。电线电缆的阻燃措施除利用阻燃 机理外，还可以有其他方法，如利用电缆的截面结 构设计，隔氧层电缆、铠装电缆、成缆包带采用涂 覆阻燃剂的玻璃纤维编织带等设计也可以达到阻止 燃烧的目的。 腐蚀性气体，如聚乙烯、交联聚乙烯、乙丙橡胶、 乙烯一醋酸乙烯共聚物等。聚烯烃本身是可燃的， 在聚烯烃里添加无卤阻燃剂作为电线电缆的绝缘材 ２．耐火性能及机理 所谓耐火，即在规定的火源和时间下燃烧时能 持续地在指定状态下运行的能力，即保持线路完整 性的能力。在一些重要场合，如消防设备、救生逃 料和护套材料，可得到燃烧时不产生有毒的腐蚀性 气体的无卤电线电缆。 ４．低烟性能及机理 电缆燃烧发烟的问题，很早就被人们提出来 了。电线电缆燃烧发烟在火灾中的危害主要体现 生设施、重要通讯设施的电力输送等，要求在火灾 条件下保证正常输送电力或信号。耐火电缆就是在 规定火焰燃烧条件下能够保持一定时间正常输送电 力或信号的电缆。耐火电缆之不同于普通电缆，最 主要的是它增加了一个耐火层。该耐火层通常设置 在导体与绝缘之间。电缆一旦被燃烧，构成电缆的 所有有机材料将被烧尽，而要保持电缆的线路完整 性，就要保证耐火层不被烧掉和击穿。 耐火电缆的耐火层几乎都是用耐火云母带来制 作，目前市场上供应的耐火云母带品种有三种【４】： 在：（１）迅速扩散的浓密烟雾使火灾中的人们迷失方 向，找不到逃生的出口；（２）毒性烟雾是火灾中的人 们过早地丧失自救的能力；（３）浓密的烟雾使救灾工 作无法正常实施，往往还要造成二次灾害。 某些制造电线电缆的聚合物材料，如ＰＶＣ具有 高阻燃性能和高电绝缘性能，但低烟性能较差，因 此，对于此类材料来说“抑烟”比“阻燃”更为重 要。通过添加各种助剂可以提高聚合物材料阻燃、 低烟性能。无机阻燃剂如ＡＩ（ＯＨ）３、Ｍｇ（ＯＨ）２、红 白云母带、金云母带和氟金合成云母带。而制作耐 火云母带的材料是云母纸、粘合剂和玻璃丝布，其 中，由天然云母或合成云母制成的云母纸是真正起 一磷、三氧化二锑、硼化合物等在聚合物材料中使用 时，除了有阻燃效果外，还有抑制发烟和氯化氢生 成的作用，而得到广泛的应用。采用阻燃剂与抑烟 ６４— 维普资讯 http://www.cqvip.com 剂复配使用，可以同时达到阻燃和抑烟的效果。目 前发现最好的抑烟剂是钼类化合物，常用的有三氧 化钼和钼酸铵。将钼化合物与锌化合物混合用于 ＰＶＣ中，可使ＰＶＣ能在电线电缆绝缘层和护套层中 的应用与含氟聚合物竞争，特别是要求低烟的领 域。 塑料燃烧性能氧指数试验方法是模拟塑料在空 气中燃烧的过程，通过氮气和氧气间浓度的改变而 得出使物质持续燃烧所需的极限氧浓度。一般电线 电缆生产厂用它评价绝缘材料和护套材料的阻燃性 能，该试验方法的国家标准为ＧＢ／Ｔ ２４０６．９３。 按国家标准ＧＢ／Ｔ １９６６６．２００５的规定，电线电缆 的阻燃性能要求如表Ｉ： 三、防火电线电缆燃烧特性检测 按ＧＢ／１ｒ１９６６６．２００５《阻燃和耐火电线电缆通 代号 供火时间 试样外径‘Ｄ≤２５ｍｔｌｍ，６０ｓ Ｚ 表ｌ阻燃性能要求 合格指标 试样烧焦应不超过距上夹具 下缘５０ｍｍ￣５４０ｍｍ的范围 内 试验方法 则》的规定，防火电线电缆的燃烧特性检测有阻燃 性能、耐火性能、无卤性能、低烟性能和低毒性能 （在考虑中）五个方面的检测。而根据ＧＡ３０６． 试样外径２５ｍｍ＜Ｄ￣＜５０ｍｍ １２０ｓ 试样外径５０ｍｍ＜Ｄ￣＜７５ｍｍ，２４０ｓ 试样外径Ｄ＞７５ｍｍ．４８０ｓ ＧＢ，ｒ ｌ８３８０．Ｉ ＧＢ／Ｔ １８３８０ ２ ｚＡ 试样非金属材科体积７（１抽）．４０ｒａｉｎ １）试样上炭化的长度最大不 皿 试样非金属材科体积３ ５（Ｌ／ｍ），４０ｒａｉｎ 应超过距喷嘴底边向上２．５ｍ； ＧＢ，ｒ１８３８０ ３ ２００１《阻燃及耐火电缆：塑料绝缘阻燃及耐火电缆 分级和要求》的规定［５】，防火电线电缆的燃烧特性 ＺＣ 试样非金属材科体积１．５（Ｌ／ｍ），２０ｍｉＪａ ２）停止供火后试样上的有焰 试样非金属材科体积０．５（Ｌ／ｍ），２０ｍｉＪａ 燃烧时间不应超过１ｈ ａ对非圈彤电缆或光缆如扁电缆．应测量其周长并换算成等效直径。 ｂ直径（０Ａ￣０ ８）ｍｍ实心铜导体和截ｔｉ（０ １￣０－５）ｗｘａ２绞舍铜导体电线电缆采用ＧＢ１１８３８０ ２。 ｃ ＺＤ适合于试样外径不大于１２ａｍ的电线电缆．ｒ ｍＣ ６０３３２．３—２５ 检测有阻燃性能、耐火性能、烟气毒性和烟密度四 个方面的检测。另外，有些企业标准中也用塑料燃 烧性能测试的氧指数法和水平垂直法来评价防火电 线电缆的燃烧特性。 １。阻燃性能检测 常用的阻燃性能检测试验方法有单根垂直燃 ２．耐火性能检测 在火焰条件下电缆或光缆的线路完整性试验就 是评价在火灾条件下电缆也能在一段时间内保持线 路的正常运行。该试验方法是在规定的火焰温度和 供火时间下进行耐火试验，如果电缆或光缆具备在 指定的供电状态下输送电力或信号的能力，即耐火 烧、成束燃烧、氧指数法等。单根绝缘电线或电缆 垂直燃烧试验方法主要评价单根电线电缆的阻燃性 能，是目前使用比较多的一种试验方法，很多电线 电缆产品标准中都引用它。该试验方法的国家标准 为ＧＢ／１ｒ １８３８０。１－２００１，等同于ＩＥＣ ６０３３２．１：１９９３。 单根铜芯绝缘细电线或电缆垂直燃烧试验方法 也是评价单根电线电缆的阻燃性能的一种试验方 法。当采用ＧＢ／Ｔ １８３８０．１．２００１规定试验方法时，有 些小规格导体可能在供火期间被熔化，此时应采用 单根铜芯绝缘细电线或电缆垂直燃烧试验方法。一 性能符合要求。该试验方法的国家标准为ＧＢ／Ｔ １９２１６．２００３，等同于ＩＥＣ ６０３３Ｉ：１９９９。 为了更好地评价耐火电缆的耐火性能，除了火 焰条件之外，有些新的试验方法采用更严格的检测 条件来考核耐火电缆的耐火性能，如模拟火灾现场 的火焰加冲击和火焰加喷水等更严酷的试验条件。 最新的ＩＥＣ标准已增加了火焰加冲击的试验条件。 按国家标准ＧＢ／Ｔ １９６６６．２００５的规定，电线电缆 的耐火性能要求如表２： 表２耐火性能要求 代 适用范围 号 ０６６，１．弛ｖ及 时间Ｉｍｉｎ 般指直径为（０。４～０。８）ｍｍ实心铜导体和截面积为 （０。１～０。５）ｕｒｔｎ２绞合铜导体电线电缆。该试验方法的 国家标准为ＧＢ／Ｔ Ｉ８３８０．２．２００１，等同于ＩＥＣ ６０３３２． ２：１９８９。 供火时问＋冷却 试验电压，ｖ 舍格指标 试验方法 Ｎ 以下电缆 ９Ｏ＋ｌ５ ９Ｏ＋１５ 额定值 相对地１１０±１０ Ｉ）２Ａ熔断器不断 ＧＢ，ｒ ｌ９２１６．２ｌ ２）指示灯不熄 ＧＢ，ｒ１９２１６ ２３ 电线电缆在实际使用场合经常是成束敷设的， 因此评价成束敷设电缆的阻燃性能更具有实际意 义，成束电线或电缆燃烧试验方法是一种模拟实际 使用状况的大型的试验方法，用来评价成束敷设电 缆在规定条件下抑制火焰蔓延的能力。该试验方法 教据电缆 注｛供火沮度为７５ 啪℃。 ３。低卤无卤性能检测 电缆或光缆的绝缘层和护套层很多是以卤化聚 合物为基础或含卤添加剂的制成的，其卤酸气体的 释出量往往要超过５ｍｇ／ｇ。卤酸气体总量的测定是 评价电缆的低卤性能的试验方法，它是测定取自电 的国家标准为ＧＢ／Ｔ １８３８０。３．２００ｌ，等同于ＩＥＣ ６０３３２．３：１９９２。 －６５—— 维普资讯 http://www.cqvip.com 缆或光缆结构的以卤化聚合物为基础的混合物和含 方法》，烟气毒性的评价采用在规定条件下实验小 卤添加剂混合物，‘在燃烧时释出的除氢氟酸外的卤 鼠动态吸入烟气染毒试验方法和烟气毒性评价方 酸气体总量。该试验方法的国家标准为ＧＢ／Ｔ 法，标准名称为Ｇ Ｔ ５０５．２００４《火灾烟气毒性危险 １７６５０．１．１９９８，等同于ＩＥＣ ６０７５４．１：１９９４ 评价方法一动物试验方法》。 目前，由于材料制造技术的提高，无卤电缆使 化学分析方法中最具代表性的方法为电线电缆 用的越来越多。由于化学滴定的方法比较精度不 行业普遍使用的“毒性指数测定法”，采用英国海 高，不能满足卤酸气体总量小于５ｍｇ／ｇ的情况，所 军工程标准ＮＥＳ７１３：１９８５（第三版）《小样材料燃烧产 以用测量ｐＨ值和电导率来测定气体的酸度来评价电 物毒性指数测定》，其原理是基于某种气体的实际 缆的无卤性能，它适用于所有卤酸的相当含量小于 浓度同此气体３０ｍｉｎ致死浓度的比值作为该气体的 Ｏ．５ｍｇ／ｇ时混合物或材料。该试验方法的国家标准为 毒性因子，由于该方法可比性强，所以被广泛使 ＧＢ／Ｔ １７６５０．２．１９９８等同于ＩＥＣ６０７５４．２：１９９１（１９９７年 用。 第一次修订）。 按公共安全行业标准ＧＡ ３０６．２００１的规定，阻燃 一按国家标准ＧＢ／１ｒ １９６６６．２ｏ０５的规定，电线电缆 级、阻燃二级、耐火一级和耐火二级的电缆的烟 的无卤性能要求如表３： 气毒性（浓度）要求≥１２．４ｍｇ／Ｌ，阻燃三级和耐火三 级的电缆的烟气毒性（浓度）要求＞／６．１５ｍｇ／Ｌ。 四、结束语 目前，人们对建筑物的火灾安全越来越重视， 政府的法律法规不断的完善，新的防火电线电缆标 ４．低烟性能的检测 准的出台，检测水平的不断提高，我国的电线电缆 电缆燃烧发烟性是一个相当重要的技术指标， 的安全问题已经初步具备预防的条件。今后，随着 评价电缆燃烧发烟也成为非常有意义的工作。电缆 人们不断的探索研究，电线电缆中使用的聚合物材 或光缆在特定条件下燃烧的烟密度测定方法就是评 料的技术水平的提高，制造电线电缆的技术能力的 价电缆低烟性能的有效方法。该方法的国家标准为 提高，低烟低毒电线电缆的研制，可进一步减缓电 ＧＢ／Ｔ１７６５１．１９９８，等同于ＩＥＣ ６１０３４：１９９７。 线电缆火灾逐年上涨的趋势和火灾带来的危害，并 按国家标准ＧＢ／Ｔ １９６６６．２００５的规定，电线电缆 最终从根本上预防火灾威胁，给人民生命财产安全 的低烟性能要求如表４： 提供保证。 （作者单位：广州市公安局黄埔区分局、广州市建筑材 料工业研究所有限公司；２００６．２） 参考文献 …１徐晓楠、李洪刚．电线电缆火灾及阻燃处理．消防 技术与产品信息，２００１．９ ５．低毒性能检测 【２】ＧＢ／Ｔ１９６６６—２０ｏ５．阻燃和耐火电线电缆通则． 评价电线电缆的低毒性能主要有两种方法，一 ［３于永忠、吴启鸿、葛世成．３】等编著．阻燃材料手 类是动物试验方法，另一类为化学分析方法。我国 册．群众出版社，１９９７． 【４】王玮、谢万春．耐火电缆中云母带的应用和选 公共安全行业标准ＧＡ １３２．１９９６《材料产烟毒性分 择．电线电缆，１９９９．３ 级》是一种动物试验分级方法。该分级方法的烟气 ［５ ＧＡ３０６－２００１．５】阻燃及耐火电缆．塑料绝缘阻燃及耐火 制取采用ＧＡ／Ｔ ５０５．２００４《材料的火灾场景烟气制取 电缆分级和要求． ——６６——