线缆作为重要的传输媒介已广泛应用到民用建筑、工业厂房、核电站、航空航天等领域。由于线缆绝缘材料多为高聚物,无论是否经阻燃处理,在过载、短路、外部加热等作用下都易发生分解及起火。一旦线缆被点燃,其火焰不但会沿敷设方向快速传播而且还会引起附近其他可燃物着火,进而扩大火灾规模,同时释放大量毒害性烟气和气体,增加火灾危害性。国内火灾统计显示,因线缆故障起火所引发的电气火灾已超过一半。因此,开展线缆火灾行为研究具有重要的理论价值和实际意义。线缆因其独特的构造使得燃烧及火蔓延方面有别于一般的固体可燃物,且相应火灾行为易受环境压力、通电电流、辐射强度、热老化程度、环境温度等因素影响。另外,聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)是当前线缆行业比较常用的两种绝缘材料,故选取PE和PVC作为绝缘材料的导线和商用电缆为研究对象。综上,本文围绕典型线缆绝缘材料热解特性、线缆燃烧及火蔓延行为,采用实验观察和理论分析相结合的方法,对不同工况条件下线缆火灾行为开展相关研究,主要涵盖以下三个方面的内容:(1)研究了 PE和PVC绝缘材料的热解特性。在氮气氛围下,PE绝缘材料仅有一个热解阶段,PVC绝缘材料呈现三个热解阶段且以前两个阶段为主。而在空气氛围下,因氧化反应的参与,绝缘材料热解过程趋于复杂。当升温速率和热老化程度增加时,质量损失和质量损失速率曲线整体上均向高温侧移动。采用KAS、FWO和Friedman三种无模型函数法估算了不同转化率下的活化能,并基于多升温速率下热重数据,通过两种模型拟合函数法:Criado法和Generalized master-plots法,确定了热解反应机理。结果表明,老化PE绝缘材料的活化能较未老化样品高,但二者热解反应机理均符合二维几何模型(R2)。老化PVC绝缘材料在第一和第二热解阶段的活化能分别低于和高于未老化样品,且两个热解阶段的反应机理分别为成核增长模型A2和A3,而未老化样品的反应机理分别符合成核增长模型A4和A3。此外,应用SCE(Shuffled Complex Evolution)全局优化算法对PE绝缘材料的热解动力学参数实行优化分析并进行热重模拟,利用基于MATLAB开发的ANN(Artificial Neural Network)模型模拟PVC绝缘材料的热解过程,预测数据与热重实验数据吻合度较高。(2)分析了辐射强度和热老化对商用电缆燃烧特性的影响规律。利用锥形量热仪和火焰传播量热仪对四种商用电缆的点燃特性、热释放特性、气体消耗及生成特性等方面进行分析。结果发现,护套的可燃性能决定了电缆的整体点燃特性。电缆点燃时间随辐射强度增加而降低,随热老化程度增加而增大。点燃时间基本上与辐射强度的-2次方成正比,符合热厚性材料的经典点燃模型,可忽略电缆几何特征的影响。点燃时间与热老化程度之间具有幂函数关系,指数大小与电缆类型有关。当辐射强度增加或热老化程度降低时,热释放速率和质量损失速率均增大。最大峰值热释放速率和最大质量损失速率与辐射强度均呈良好的线性关系,但直线斜率受热老化和电缆类型影响。O2消耗及CO2和CO生成随辐射强度和热老化程度的变化规律大致与热释放速率规律一致。此外,对比分析了电缆燃烧残渣的宏观形貌。(3)研究了压力和热作用下PE导线和PVC电缆火蔓延行为。开展了不同压力下导线火蔓延实验,研究发现,当压力升高时,火焰高度单调增大,而火焰宽度逐渐减小。火蔓延速率随压力增加而增大,基于简化传热分析,结合所定义的热特性长度,建立了导线火蔓延速率压力模型;开展了不同压力和电流下导线火蔓延实验,揭示了火蔓延速率与电流、压力和导线尺寸的关系,结果表明,火蔓延速率随压力和电流的增加而增大,总体上与电流的平方成正比,与压力之间具有幂函数关系,而与绝缘层厚度和金属芯直径呈负相关;开展了导线火蔓延中熔融滴落实验,通过量化滴落特性,揭示了滴落频率随压力和电流的演化规律,划分了非滴落区、过渡区和频繁滴落区,提出了压力和电流耦合作用下滴落频率预测模型;开展了不同热环境下导线和电缆火蔓延实验,结果显示,火蔓延速率随环境温度和辐射强度增加而增大,电缆火蔓延伴随“停滞火焰”、“跳跃火焰”等特殊火行为,影响火蔓延速率。导线火蔓延速率的-1次方与绝缘材料热解温度和环境温度之差成正比,而电缆火蔓延速率的-1/2次方与辐射强度成正比。此外,间距10mm双根电缆的火焰相互作用强化传热和燃烧,促使火蔓延速率增大。