金属芯热传导效应对电缆线水平火蔓延的影响.pdf

消防科学与技术2023年 8 月第 42 卷第 8 期消防理论研究金属芯热传导效应对电缆线水平火蔓延的影响祝现礼1,孙绪绪2（1.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，安徽 合肥 230601；2.武汉理工大学 安全科学与应急管理学院，湖北 武汉 430070）摘要：为研究金属芯热传导效应对导线水平火蔓延的影响，建立水平火蔓延速率预测模型，开展了不同热导率金属芯导线的火蔓延试验研究，从火焰形态、质量损失速率及火蔓延速率三个角度，分析了不同热导率及不同直径对电缆导线火蔓延的影响。研究结果表明，导线护套的质量损失速率随金属芯直径的增加先增加后减小。由于铜芯的热传导率较不锈钢芯大，铜芯导线预热区积累的热量较多，其质量损失速率相比不锈钢芯较大。铜芯、不锈钢芯直径分别为 3.5、4.5 mm 时，其质量损失速率分别达到极大值 0.007 1、0.006 8 g/s。金属芯直径较小时，随着直径的增加，金属芯向已燃区的热传导热量增强，进而导致火蔓延速率下降；金属芯直径大于 3.5 mm 时，仅有金属芯下部的绝缘护套参与燃烧蔓延，相比于金属芯绝缘护套整体燃烧蔓延而言，下部的绝缘护套燃烧较快，进而导致火蔓延速率短暂上升；随着金属芯直径进一步增加，金属冷却作用显著增强，导致火蔓延速率再次下降。此外，在火焰完全覆盖导线表面时，火蔓延速率理论计算值与试验评估值吻合较好，表明推导的水平火蔓延速率理论模型适应性较好。关键词：导线火；热传导效应；水平火蔓延；火蔓延速率中图分类号：TM247；X932 文献标志码：A 文章编号：1009-0029（2023）08-1057-06电缆导线一般由金属内芯和绝缘层组成，通常用作传输能量的媒介，如电力系统的主干供电线路上的高压电缆，市民用电导线以及各种信号传递的导线，电话线、网线、各种数据线等。但电弧、短路或过热可能会引燃电缆导线绝缘层，进而引起火灾，对电气设备构成严重安全隐患。一旦电缆导线被引燃，火焰可能沿着电缆导线的可燃绝缘层或者控制线路而蔓延，并产生大量的热量、烟雾和有毒气体，将造成大规模的破坏1。因此，开展电缆导线火蔓延特性研究对火灾安全防护有重要意义。国 内 外 学 者 在 电 缆 导 线 火 方 面 开 展 了 广 泛 的 研究2-10。为了探索不同热导率金属内芯在导线火蔓延过程中的作用，国内外学者开展了大量研究。HIRATA T等11以乙烯-四氟乙烯共聚物为绝缘护套，开展了导线的火蔓延试验研究，试验结果表明，加热内芯会促进导线的火蔓延速率，这也表明金属内芯的热传导效应在导线蔓延过程中起着重要作用。为了进一步探索金属内芯热传导效应，朱珂珂12-13开展了高热导率铜芯导线在低压下的水平火焰传播行为的试验研究，结果表明，镍铬芯导线的火蔓延速率呈上升趋势，而铜芯导线则先下降后上升，出现了一个转折点，进一步得出随着铜芯导线内芯直径的减小，或者绝缘厚度的增大，前后两种趋势的转折点对 应 的 临 界 压 力 也 会 增 大。此 外，NAKAMURA Y等14-15选用聚乙烯镍铬芯和铁芯两种金属内芯导线，探索了压强对火焰形态、火蔓延特性的影响规律。研究发现，热导率较低的镍铬芯导线火蔓延速率随压强的减少而增大，热导率较高的铁芯导线火蔓延速率随压强减小并没有明显变化，提出了“内芯驱动”和“火焰驱动”两种导线火蔓延控制机制。BAKHMAN N N 等16在常重力环境下研究了聚乙烯绝缘层玻璃芯和铜芯两种导线火蔓延的特性，发现对于特定铜芯直径的导线而言，绝缘层越厚，导线火蔓延速率就越小，进一步得出热导率较高的金属内芯的导热效应会加快绝缘层的燃烧速率。然而，对金属内芯直径与金属内芯热导率的热传导效应对电缆导线水平火蔓延的综合影响仍缺乏系统性的认识。因此，为探索不同金属内芯直径、不同金属内芯对电缆导线水平火蔓延的影响，选用铜和不锈钢内芯两种聚乙烯绝缘层的导线，开展相同绝缘层厚度下不同金属内芯直径对导线水平火蔓延影响的试验研究，结合传热学理论和能量守恒方程，建立导线火水平火蔓延速率预测模型，揭示不同直径金属内芯热传导对火蔓延的影响机制，对导线火灾安全防护有重要的理论指导意义。1试验设计与数据处理1.1试验设计试验装置如图 1所示。长度 20 cm 的铝型材（横截面1 cm1 cm）4 根，长度 9 cm 的铝型材（横截面 1 cm1 cm）4根，长度 5 cm 的铝型材（横截面 1 cm1 cm）4根，共同组装搭建试验框架。选用铜芯和不锈钢内芯的聚乙烯 PE 绝缘层导线作为试验样本导线。铜芯或不锈钢内芯导线的铜芯直径分别选取 1.50、2.00、2.5、3.0、3.5、4.0 mm 共 6种不同金属内芯直径导线，试验中样本导线相关物理参数如表 1 所示，表中 Ac/A0指金属芯横截面积与导线横截面积的比值，APE/A0是 PE 护套横截面积与导线横截面积的比值。样本导线的绝缘护套的厚度为 2 mm，长度为 90 mm。试验前，选用螺旋状的电阻丝加热并点燃不同直径金属内基金项目：中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室开放基金（HZ2022-KF09）1057Fire Science and Technology,August 2023,Vol.42,No.8芯的导线。点火电阻丝选用直径约为 0.5 mm 镍铬电阻丝，螺旋直径约为 8.0 mm，横向覆盖长度约为 2 cm，能保证点燃导线绝缘护套。为稳定地向电阻丝供电，采用 5 A恒流电源供电，点火电阻丝温度约为 1 000。导线聚乙烯 PE 绝缘护套被电阻丝引燃并点火成功后立即断掉电源，防止发热电阻丝对导线水平火蔓延产生干扰。断掉电源的同时，启动电子天平记录导线绝缘护套质量随时间的变化。试验过程中，电子天平每隔 1.0 s 采集一次导线质量，并将采集的数据进行保存。一旦镍铬电阻丝引燃导线，位于试验设备正前方的摄像机启动，记录导线火蔓延过程中火焰的形态及导线绝缘护套的形态变化，直至导线绝缘护套燃尽结束摄像。试验前，摄像机已进行标定。使用已知长度的标尺放置在试验设备的左、中、右 3个方位，获取 3组摄像机像素与实际长度的比值关系，将 3 组像素与长度的比值关系平均后，即可获得像素与实际长度之间的比值关系。试验过程中，绝缘护套燃烧产生的熔融液滴易滴落。为防止熔融液滴滴落在电子天平上，在电子天平托盘上方放置 1块耐热的玻璃纤维环氧板，隔绝滴落的液滴与电子天平直接接触。为清晰捕捉火焰形态及绝缘护套的形状变化，试验在漆黑、无风、室温（202）、相对湿度（483）%的环境下进行。每组试验重复 5次，减少试验的偶然误差。1.2数据处理研究涉及导线绝缘护套质量损失、火焰形态及热解前锋位置等数据的采集与处理。其中，导线绝缘护套质量随时间的变化由电子天平进行采集，火焰形态及热解前锋位置变化由图像处理软件进行特征参量的提取。在图像处理软件进行特征参量提取前，先将试验采集的不同金属内芯导线火蔓延视频导入 MATLAB，随后将视频分割成多帧图片。视频转成由多帧图片后，导入Image J图像处理软件，将试验前摄像机标定的像素与实际尺寸的比值输入 Image J 中进行特征参量的提取。如图 2所示。以热解前锋的位置变化速率为导线火蔓延速率。考虑到不同金属内径的导线着火蔓延一定距离后，火焰蔓延趋于稳定，以导线火焰蔓延稳定状态为研究对象，提取该状态下火焰热解前锋、火焰高度等特征量。2理论分析火焰沿着导线水平蔓延时，以导线绝缘可燃护套热解区为控制体建立传热分析简化模型，如图 3所示。热解长度 LpQ.srQ.cc热解区燃烬区导线内芯PE绝缘护套未燃区火焰高度Lf导线火蔓延方向Q.fcQ.fr+图 3导线火蔓延传热分析简图Fig.3The diagram of the heat transfer analysis for the wire horizontal flame spread导线的水平火蔓延是一个复杂的气固两相相互耦合的化学燃烧反应。为深入认识与了解导线的水平火蔓延，做如下几点假设：忽略绝缘层 PE 熔化引起导线绝缘耐热隔板铝型材电子天平聚乙烯PE绝缘护套金属芯支撑架2rs2rc导线点火电阻丝图 1导线火蔓延试验装置示意图Fig.1The experimental apparatus diagram for the wire horizontal flame spread表 1铜芯与不锈钢芯样本导线相关参数Table 1The physical parameters for different metal core wire编号1234567PE管外径/mm2.03.04.05.06.07.08.0PE管内径/mm4.05.06.07.08.09.010.0铜或不锈钢芯直径/mm1.52.53.54.55.56.57.5Ac/A00.140.250.340.410.470.520.56APE/A00.750.640.560.490.440.400.36火焰高度Lf热解位置 XP热解长度Lp图 2火焰特征参数示意图Fig.2The diagram of characteristic parameter for the flame层形状的变化；考虑到绝缘护套的导热能力相对较差，忽略垂直方向上的热量传导；热解区温度相同，忽略热量横向的传导。基于热薄假设，导线绝缘层厚度与金属内芯直径之和远小于热穿透厚度。在进行理论推导时，关于铜芯、不锈钢芯导线及绝缘 PE护套的热物理化学属性参数如表 2所示。以热解区为控制体，建立能量守恒方程，如式（1）所示。(r2s-r2c)PVfcP(TP-T0)+HP+r2ccccVf(TP-T0)=Q.fc+Q.fr-Qcc.-Qsr.（1）式中：、c分别为材料（PE 绝缘护套、导线金属内芯）的密度和比热容；Hp为导线绝缘护套材料的热解潜热；rs、rc分别为导线的半径和金属内芯的半径，其中rs=rc+；为导线绝缘护套的厚度；TP、T0分别为绝缘护套材料的热解温度和环境初始温度；Q.fc为火焰对热解区导线的对流传热；Q.fr为火焰对热解区导线绝缘材料的辐射传热；Q.cc为火焰对热解区向未燃区的热传导热量；Q.sr为指热解区向环境的辐射热量；下标 c、p分别表示导线金属内芯和导线绝缘层 PE材料。火焰对热解区导线的对流传热Q.fc，由式（2）来评估。Q.fc=0.27kgLp(g()Tf-TpL3p)1/4(Tf-Tp)(2rsLp)（2）火焰对热解区导线的辐射传热Q.fr如式（3）所示。Q.fr=F(T4f-T4p)(2rsLp)Q.sr（3）火焰对热解区向未燃区的热传导热量Q.cc，可由式（4）来计算。Q.cc=-02rch(Tp-T)exp()2hrccr2 cx dx =rc2hcrcc()Tp-T（4）联立式（1）式（4），导线火焰蔓延速率vf如式（5）所示。vf=0.27kgLp g()Tf-TpLp31/4()Tf-Tp()2rsLp-rc2hcrcc()Tp-T/(r2 s-r2 c)PcP()TP-T0+HP+r2cccc()TP-T0（5）3结果与分析3.1火焰形态不同热导率导线水平火蔓延火焰形态变化如图 4 所示。导线经加热线圈点火后，导线绝缘护套表面的火焰不断以热辐射和热对流的形式加热绝缘护套至发生热解，热解释放的可燃挥发分参与到燃烧反应中，使得火焰不断成长，颜色由浅蓝色变成明亮的黄色。火焰经历短暂的加速阶段后，过渡到稳定蔓延阶段，以特定速率匀速水平蔓延。1 s6 s11 s16 s26 s36 s51 s66 s46 s36 s31 s26 s21 s16 s6 s1 s1 s11 s31 s41 s51 s61 s71 s81 s（a）2.5 mm Cu（b）2.5 mm 不锈钢（c）7.5 mm Cu图 4不同金属直径导线火蔓延形态Fig.4The flame characteristic of the wire flame spread for different core metal diameters图 4 中，对于某一特定热导率内芯的电缆导线，随着金属芯直径的增加，点火至稳定蔓延阶段的时间也增加。加速阶段，火焰高度较低、波动大；稳定阶段，火焰高度相对较高。对于金属直径较小的电缆导线水平火蔓延，热解长度在加速阶段逐渐增加；然而，对于直径较大的电缆导线而言，热解长度的变化较小。对于两种不同热导率金属芯的电缆导线而言，加速阶段铜芯电缆导线的加速时间较不锈钢芯电缆导线要长，这是因为铜的导热率比不锈钢大，铜芯对热解区的散热作用比不锈钢更加明显，使铜导线达到其稳定阶段所需时间更长。3.2质量损失速率不同直径、不同金属内芯电缆导线绝缘护套质量随时间的变化如图 5、图 6所示。对于铜芯或不锈钢内芯的电缆导线而言，绝缘护套质量随时间的变化展现出相似的趋势：可燃绝缘护套着火后，质量随时间的变化速率（斜率）不断增加，随后质量以恒定速率衰减。表 2不同热导率导线热物理化学属性参数Table 2Thermophysical and chemical parameters for different metal core wire1058消防科学与技术2023年 8 月第 42 卷第 8 期层形状的变化；考虑到绝缘护套的导热能力相对较差，忽略垂直方向上的热量传导；热解区温度相同，忽略热量横向的传导。基于热薄假设，导线绝缘层厚度与金属内芯直径之和远小于热穿透厚度。在进行理论推导时，关于铜芯、不锈钢芯导线及绝缘 PE护套的热物理化学属性参数如表 2所示。以热解区为控制体，建立能量守恒方程，如式（1）所示。(r2s-r2c)PVfcP(TP-T0)+HP+r2ccccVf(TP-T0)=Q.fc+Q.fr-Qcc.-Qsr.（1）式中：、c分别为材料（PE 绝缘护套、导线金属内芯）的密度和比热容；Hp为导线绝缘护套材料的热解潜热；rs、rc分别为导线的半径和金属内芯的半径，其中rs=rc+；为导线绝缘护套的厚度；TP、T0分别为绝缘护套材料的热解温度和环境初始温度；Q.fc为火焰对热解区导线的对流传热；Q.fr为火焰对热解区导线绝缘材料的辐射传热；Q.cc为火焰对热解区向未燃区的热传导热量；Q.sr为指热解区向环境的辐射热量；下标 c、p分别表示导线金属内芯和导线绝缘层 PE材料。火焰对热解区导线的对流传热Q.fc，由式（2）来评估。Q.fc=0.27kgLp(g()Tf-TpL3p)1/4(Tf-Tp)(2rsLp)（2）火焰对热解区导线的辐射传热Q.fr如式（3）所示。Q.fr=F(T4f-T4p)(2rsLp)Q.sr（3）火焰对热解区向未燃区的热传导热量Q.cc，可由式（4）来计算。Q.cc=-02rch(Tp-T)exp()2hrccr2 cx dx =rc2hcrcc()Tp-T（4）联立式（1）式（4），导线火焰蔓延速率vf如式（5）所示。vf=0.27kgLp g()Tf-TpLp31/4()Tf-Tp()2rsLp-rc2hcrcc()Tp-T/(r2 s-r2 c)PcP()TP-T0+HP+r2cccc()TP-T0（5）3结果与分析3.1火焰形态不同热导率导线水平火蔓延火焰形态变化如图 4 所示。导线经加热线圈点火后，导线绝缘护套表面的火焰不断以热辐射和热对流的形式加热绝缘护套至发生热解，热解释放的可燃挥发分参与到燃烧反应中，使得火焰不断成长，颜色由浅蓝色变成明亮的黄色。火焰经历短暂的加速阶段后，过渡到稳定蔓延阶段，以特定速率匀速水平蔓延。1 s6 s11 s16 s26 s36 s51 s66 s46 s36 s31 s26 s21 s16 s6 s1 s1 s11 s31 s41 s51 s61 s71 s81 s（a）2.5 mm Cu（b）2.5 mm 不锈钢（c）7.5 mm Cu图 4不同金属直径导线火蔓延形态Fig.4The flame characteristic of the wire flame spread for different core metal diameters图 4 中，对于某一特定热导率内芯的电缆导线，随着金属芯直径的增加，点火至稳定蔓延阶段的时间也增加。加速阶段，火焰高度较低、波动大；稳定阶段，火焰高度相对较高。对于金属直径较小的电缆导线水平火蔓延，热解长度在加速阶段逐渐增加；然而，对于直径较大的电缆导线而言，热解长度的变化较小。对于两种不同热导率金属芯的电缆导线而言，加速阶段铜芯电缆导线的加速时间较不锈钢芯电缆导线要长，这是因为铜的导热率比不锈钢大，铜芯对热解区的散热作用比不锈钢更加明显，使铜导线达到其稳定阶段所需时间更长。3.2质量损失速率不同直径、不同金属内芯电缆导线绝缘护套质量随时间的变化如图 5、图 6所示。对于铜芯或不锈钢内芯的电缆导线而言，绝缘护套质量随时间的变化展现出相似的趋势：可燃绝缘护套着火后，质量随时间的变化速率（斜率）不断增加，随后质量以恒定速率衰减。表 2不同热导率导线热物理化学属性参数Table 2Thermophysical and chemical parameters for different metal core wire材 料密度/kg/m3热导率/W/（mK）比热容/J/（kgK）热解温度/K火焰温度/K热解潜热/kJ/kgCu8 954398400-不锈钢7 98013.8384-PE护套9440.3224001 2001 800(r2 s-r2 c)PcP()TP-T0+HP+r2cccc()TP-T01059Fire Science and Technology,August 2023,Vol.42,No.8进一步地，不同金属内芯电缆导线稳定蔓延阶段质量损失速率随金属内芯直径的变化如图 7 所示。对铜芯或者不锈钢芯的电缆导线，绝缘护套质量损失速率均随着金属芯直径的增加呈现先上升后下降的趋势。对铜芯导线，当金属芯直径小于 3.5 mm 时，质量损失速率随着金属芯直径的增加而增加，质量损失速率在金属芯直径dc为 3.5 mm 时达到较大值，随后随着金属芯直径增加而降低。当电缆线金属芯直径较小时（铜芯直径小于 3.5 mm，不锈钢芯直径小于 4.5 mm），火焰热驱动占主导作用，随着导线绝缘层护套直径增加，更多的绝缘层参与到燃烧过程中，使得燃烧更加剧烈，故此燃烧蔓延阶段导线绝缘层护套质量损失速率整体上呈现上升趋势。该电缆导线燃烧蔓延阶段下，铜芯电缆导线质量损失速率整体上较不锈钢芯电缆导线大，这是因为与不锈钢芯电缆导线相比，铜的热传导效应大，与绝缘护套热解区相邻的预热区域接受更多的热量，导致更多的绝缘护套参与热解并燃烧。因此，铜芯导线绝缘护套的质量损失速率较大。进一步地，随着金属芯直径的增加，金属芯热传导对燃烧区的散热冷却作用也逐渐增加，此燃烧蔓延阶段下金属芯冷却作用（金属芯向已燃区的热传导能量增加，向预热区的热传导热量降低）显著增强。因此，当铜芯导线内芯直径大于 3.5 mm 后，由于金属内芯热量的损失或金属内芯的冷却作用，使得燃烧区的燃烧变得缓慢，从而使得质量损失速率下降。对不锈钢芯电缆导线，其绝缘护套质量损失速率随金属芯直径的变化表现出与铜芯相同的趋势。但是，不锈钢芯电缆导线的质量损失速率在金属芯直径为 4.5 mm时达到较大值。这是因为不锈钢的导热率低于铜，其热传导到预热区的热量比铜小，因此在更大内芯直径下达到质量损失速率的极大值。对于金属芯直径相同的电缆导线，由于铜的热导率大，其热传导到预热区域的热量较大，导致预热区绝缘护套积累的热量较多，使得其绝缘护套更快地达到热解温度，进而铜芯导线的质量损失速率大于不锈钢芯导线质量损失速率。在不锈钢内芯直径4.5 mm 时，其水平火蔓延试验表明，该内芯直径下电缆导线仅下方绝缘护套参与燃烧，相比于铜芯直径 3.5 mm 的电缆导线上下部分绝缘护套全参与燃烧，前者单位时间内质损较大，因此该情形下的不锈钢内芯电缆导线质量损失速率较大。3.3火蔓延速率以绝缘护套热解前锋位置随时间的变化率为电缆导线火蔓延速度。不同热导率的铜芯与不锈钢芯电缆导线水平火蔓延速率随金属内芯直径的变化如图 8所示。金属芯直径/mm1 2 3 4 5 6 7 81.31.21.11.00.90.80.70.60.50.40.3火蔓延速率/mm/s铜芯导线试验测量值铜芯导线理论计算值不锈钢芯导线试验测量值不锈钢芯导线理论计算值图 8不同热导率金属芯导线水平火蔓延速率变化Fig.8The horizontal fire spread rate of the wire for different heat conductivity and core由图 8可知，铜芯和不锈钢芯导线火蔓延速率随内芯直径变化表现出相同的趋势：先是随着导线内芯直径的金属芯直径/mm1 2 3 4 5 6 7 80.0080.0070.0060.0050.0040.0030.0020.001质量损失速率/g/s铜芯导线不锈钢芯导线图 7不同热导率金属芯导线质量损失速率Fig.7The mass loss rates of the wire with different heat conductivity and core diameters时间/s0 60 120 180 240 300 3601.81.61.41.21.00.80.60.40.20.0质量/g2 mm Cu3 mm Cu4 mm Cu5 mm Cu6 mm Cu5 mm Cu图 5不同直径铜芯导线质量损失变化情况Fig.5The mass variation with the time for copper wire with different core diameters时间/s0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5501.81.61.41.21.00.80.60.40.20.0质量/g2 mm Cu3 mm Cu4 mm Cu5 mm Cu6 mm Cu5 mm Cu图 6不同直径不锈钢芯导线质量损失变化Fig.6The mass variation with the time for stainless steel wire with different core diameters1060消防科学与技术2023年 8 月第 42 卷第 8 期增加而减少，短暂地增加至较大值后不断降低。在相同的金属芯直径下（金属芯直径小于 3.5 mm），由于铜比不锈钢的热导热率大，铜芯对预热区的热传导加热更快，因此铜芯导线比不锈钢芯导线的火蔓延速率大。在该金属内芯直径范围内，随着金属内芯直径的增加，金属内芯的散热冷却作用增强，导致金属内芯热传导至预热区的热量较少，因此水平火蔓延表现出随内芯直径增加而下降的趋势。在铜芯或不锈钢芯直径大于 3.5 mm 时，铜芯电缆或不锈钢芯电缆水平火蔓延过程中，可燃绝缘护套 PE不能全部参与燃烧蔓延过程，仅金属芯下方的可燃绝缘护套参与燃烧蔓延，导致预热区绝缘护套燃烧蔓延加快。相对于整个导线绝缘护套参与燃烧蔓延而言，仅有导线下方的绝缘护套参与燃烧，类似于整个护套一半厚度参与燃烧蔓延。基于热薄材料理论，可燃材料厚度越小，燃烧蔓延速度越大。因此，在铜芯或不锈钢芯直径大于 3.5 mm 时，电缆导线水平火蔓延速率呈现出短暂地上升趋势。随着金属内芯直径进一步增加（铜芯直径大于 5.5 mm，不锈钢芯直径大于 4.5 mm），金属内芯热传导散热冷却作用增强，导致金属内芯向热解区传热较少，因此电缆导线水平火蔓延速度降低。当金属内芯直径大于 3.5 mm 时，分析电缆导线水平火蔓延火焰形态发现，导线绝缘护套在点火电阻丝的加热着火后，水平蔓延的火焰仅存在于导线下部的绝缘护套表面，能量守恒方程不适用于该金属直径导线下的情形，因此图 8 仅展示了金属内芯直径小于 3.5 mm 的导线火蔓延速率的理论计算值。显然，在金属内芯直径小于3.5 mm 时，导线火蔓延速率的试验值和理论值吻合较好，均随金属内芯直径的增加而减少。4结 论通过试验研究与理论计算相结合的方式，研究了不同内芯热导率及其直径对导线水平火蔓延速率的影响，揭示了不同热导率内芯导线水平火蔓延规律。主要结论如下。（1）不锈钢芯、铜芯导线绝缘护套质量损失速率随金属芯直径的变化趋势相似：随着金属芯直径的增加，先增加至较大值后不断减少。铜芯直径小于 3.5 mm 或不锈钢芯直径小于 4.5 mm 时，金属芯热传导对燃烧区的散热作用较小，火焰向绝缘护套热解区的热辐射占主导作用，质量损失速率增加。随着金属芯直径的进一步增加（铜芯直径大于 3.5 mm 或不锈钢芯直径大于 4.5 mm），金属芯对燃烧区的冷却散热作用显著增强，预热区接收的净热量降低，进而导致质量损失速率呈现下降趋势。（2）导线火蔓延速率随金属芯直径的增加呈现先下降后上升最后再次下降的趋势。在金属芯直径小于 3.5 mm 时，随着直径的增加，金属散热冷却作用增强，导致热传导至预热区的热量较少，水平火蔓延呈下降趋势。随着直径的增加（铜芯直径小于 5.5 mm 或不锈钢芯直径小于 4.5 mm），仅有导线下方的护套参与燃烧蔓延，相比于护套整个厚度参与燃烧，水平火蔓延呈上升趋势。随着直径的进一步增加（铜芯直径大于 5.5 mm 或不锈钢芯直径大于 4.5 mm），金属散热冷却作用显著增强，导线下方护套燃烧速率衰退，火蔓延速率不断下降。此外，由于铜比不锈钢的导热率大，铜芯对预热区的热传导加热更快，因此铜芯导线比不锈钢芯导线的火蔓延速率大。（3）基于热解区域能量守恒定律，以热解区为控制体进行传热分析，建立了不同金属内芯直径下水平火蔓延速率的理论预测模型。在金属芯内径小于 3.5 mm 时，不同热导率导线火蔓延速率的理论计算值与试验值吻合较好，验证了水平火蔓延速率理论预测模型的准确性。参考文献：1 陆勇.环境风速和导线间距对火蔓延行为的影响研究D.合肥:中国科学技术大学,2019.2 王志.线缆绝缘材料热解特性与线缆燃烧及火蔓延行为研究D.合肥:中国科学技术大学,2020.3 梁凯.城市地下综合管廊电缆火蔓延行为及烟流特性研究D.徐州:中国矿业大学,2020.4 张佳庆,祝现礼,过羿,等.不同着火位置对高压开关柜火灾影响的数值研究J/OL.高压电器:1-82023-01-10.5 刘志扬.典型热塑性电缆导线火蔓延行为特性实验研究D.武汉:武汉理工大学,2020.6 陈善求,赵雯筠,颜龙,等.基于 CONE 的超高温耐火电缆火灾危险性分析J.消防科学与技术,2022,41(2):156-160.7 李陈莹,陈杰,张伟,等.电缆表面温度对电弧引燃电缆及火焰蔓延影响J.消防科学与技术,2022,41(2):180-184.8 贾伯岩,张鹏,王涛,等.平行双电缆火蔓延特性及预测模型研究J.消防科学与技术,2021,40(6):847-850.9 UMEMURA A,UCHIDA M,HIRATA T,et al.Physical model analysis of flame spreading along an electrical wire in microgravityJ.Proceedings of the Combustion Institute,2002,29(2):2535-2543.10 LEUNG C H,STAGGS J E J,BRINDLEY J,et al.The effects of an inert central core on the thermal pyrolysis of an electrical cableJ.Fire Safety 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then decreases.Due to the higher thermal conductivity for the copper wire,a large amount of heat conduction was accumulated in the preheated area,and the MLR is higher than these of the stainless steel wire.The bigger MLR of 0.007 1 g/s is obtained for the copper inner diameter of 3.5 mm while the bigger MLR is 0.006 8 g/s for the stainless steel inner diameter of 4.5 mm.Also,compared to the stainless steel wire,the mass loss rate and the flame spread rate for the copper wire attained the bigger value.For the smaller mental core diameter,the heat conduction of the mental core from the pyrolysis area to the preheated area is relatively larger with the insulating sheath diameter increasing,and thus the flame spread velocity gradually decreases.For the mental core diameter bigger than 3.5 mm,only the insulating sheath below the metal core gets involved in the combustion and thus the larger mass loss rate is obtained,further causing a bigger flame spread rate.With the mental core diameter further increasing,the effect of heat sink for the mental core is strengthened,making the flame spread rate decrease again.Moreover,when the flame fully cover the wire,the measured flame spread velocity form the experiment is in a good agreement with the predicted velocity from the model,further verifying the adaptability of the predicted model.Key words:wire fire;the heat conduction effect;horizontal wire fire spread;flame spread rate作者简介：祝现礼(1991-)，男，安徽亳州人，国网安徽省电力有限公司电力科学研究院工程师，博士，主要从事输变电设施火灾防控方面的研究，安徽省合肥市经开区紫云路 299号，230601。收稿日期：2