電纜燃燒試驗新舊標準的火災動力學仿真對比分析*

高俊國，孔譯輝，孫偉峰，李 明，房權生，張曉虹

(1.哈爾濱理工大學 工程電介質及其應用教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080；2.寶勝集團有限公司，江蘇 揚州 225800)

0 引言

為便于監督部門對電纜產品的監督管理和規范企業生產，我國相繼發布了多項國家標準規定電纜及光纜在火焰條件下的燃燒試驗方法，但這些方法標準相互獨立，不利于對電纜及光纜燃燒性能優劣的綜合評價。新標準《電纜或光纜在受火條件下火焰蔓延、熱釋放和產煙特性的試驗方法》(GB 31248-2014)(簡稱新標準)是根據我國電纜及光纜燃燒性能的實際發展水平制定的，相對于舊標準GB/T 18380-2008(簡稱舊標準)是一個全新的阻燃體系。與舊標準對比，其對電纜及光纜燃燒性能等級進行了重新劃分，從試驗設備到供火時間和進風流量，都作了重要調整。新標準可通過試驗獲得電纜火災初起階段的燃燒性能數據，通過熱釋放速率反應火焰沿電纜蔓延的危險性，通過煙密度測試可體現起火區域能見度，使標準水平提高了一步[1,2]。筆者通過查閱資料及咨詢電纜企業發現：新標準在頒布后的3 a中并未真正有項目上的應用，電纜及光纜燃燒性能檢測仍然使用舊標準[3-4]。自從2017年“西安地鐵事件”后，有關部門注意到了舊標準的不足，避免類似事件的發生，決定在阻燃檢測方面全面啟用更為完善、要求更高的新標準。但是舊標準的使用已近10 a，各電纜企業對其非常熟悉，新標準對電纜燃燒性能檢測的影響未知，所以有必要對新舊標準進行對比分析，為阻燃電纜的研發與設計提供理論依據。

目前電纜燃燒性能的各項指標試驗并未在各個生產廠家全面展開，究其原因可能是由于電纜燃燒的試驗設備、電纜樣品造價高，一般廠家無力承擔。但是部分高校已經嘗試了用計算機仿真的方法對電纜成束燃燒試驗進行研究，并與實體試驗進行了對比，發現試驗與仿真數據能夠較好吻合[4-5]。曹會等[6]利用FDS軟件模擬LDH阻燃材料和非LDH阻燃材料在不同條件下的火災蔓延特性；曹彬等[7]應用火災動力學模擬軟件FDS對無風情況下池火災對周圍大氣環境的熱輻射強度進行模擬，發現FDS輻射強度結果與經驗模型結果吻合較好；李營等[8]利用FDS對無電纜參與的火災和有電纜參與的火災進行了仿真研究，得出了電纜在火災中是否被引燃主要取決于是否與火焰直接接觸的結論。

FDS是由美國火災科研機構NIST開發的一種適用于求解火災驅動流體流動問題的程序，其中主要功能是利用場模擬求解火災過程中各種狀態參數在空間上的分布及其隨時間的變化。因此，本文選擇利用火災動力學模擬軟件FDS按照新舊國家標準分別建立簡化的燃燒室及成束電纜模型，對比分析新舊標準中的差異因素對電纜燃燒性能試驗的影響，進而分析新標準下電纜通過燃燒性能試驗的難易程度，并將分析結果進一步用于電纜成束燃燒的實體試驗中。

1 兩版標準差異對比

1.1 電纜及光纖燃燒性能等級劃分

新標準對電纜及光纖燃燒性能等級進行了重新劃分[9-10]，等級劃分如表1所示。

表1 新舊標準對燃燒性能等級的劃分Table 1 Classification of combustion performance grades in new and old standards

1.2 部分差異對比

新標準中的B1級為阻燃1級電纜(光纜)，與舊標準中的阻燃A類電纜(光纜)相對應，都屬于各自標準中阻燃電纜的最高等級，因此選擇這2個等級進行差異點對比，差異點對比列入表2中。其中主要在點火源數量、進風流量、電纜排列方式、供火時間和炭化高度方面進行了調整。

表2 新舊標準的差異點對比Table 2 Comparison of difference between new and old standards

2 電纜及燃燒室模型的建立

2.1 求解方程

FDS軟件嚴格遵守以下方程[11]：

連續方程：

(1)

動量方程：

(2)

組分方程：

(3)

能量方程：

(4)

式中：ρ為組分密度，g/m3；u為組分速度，m/s；m為組分質量，g；Cp為定壓比熱，J/(kg·K)；T為組分溫度，K；μ為組分粘性系數，Pa·s；Pr為普朗特數；wsQs為干擾源。

對于火災場景，不能假設燃料和氧氣在混合時完全反應。因此阻燃電纜燃燒試驗中的燃燒反應也不為完全反應，存在除一步反應外的額外反應[11]：

(5)

(6)

2.2 仿真模型的簡化

模型的規模直接影響計算時間，適當的簡化模型可以有效縮短計算時間，提高效率[12]。同時，簡化方法需要建模經驗和跟蹤仿真結果。在建模工程中，對電纜及燃燒室模型做以下處理：

1)略去燃燒室內外的非必要支撐，忽略燃燒室壁面材料及厚度，將壁面統一設置為絕熱表面；

2)將電纜簡化為只保留線芯層和護套層的長方體模型；

3)采用非均勻網格劃分方法，在點火源附近區域采用細網格劃分，以保證計算結果的可靠性，點火源上部和下部區域采用粗網格劃分，以縮短計算時間；

4)將煙密度測量裝置簡化為一個位于燃燒室上出口處的煙密度傳感器。

圖1為根據新標準建立的模型，電纜模型在燃燒室內垂直于地面平行排列，電纜模型下部黑色條狀物為點火源。

圖1 簡化模型的網格劃分及傳感器位置示意Fig.1 The simplified model mesh division and the schematic diagram of sensor position

2.3 材料屬性、重要參數比較和傳感器

FDS的材料庫有豐富的材料可以選取，如果沒有所需的材料，還可以自定義。為不失一般性，且綜合3D模型的仿真速度，設置電纜護套及線芯屬性如表3所示。其中護套選擇的是聚氯乙烯(PVC)，線芯選擇的是銅。

表3 電纜護套及線芯屬性Table 3 Properties of cable sheath and core

本文選擇舊標準中的阻燃A類電纜與新標準中的B1級阻燃電纜，對其供火1 200 s，根據早期的燃燒數據對電纜燃燒情況進行火災動力學仿真計算對比及分析預測，表4中列出了根據新舊標準所建立模型中的重要參數。

表4 模型中的重要參數Table 4 Important parameters in the model

隨著耗氧理論的廣泛應用，大量傳統的燃燒試驗數據已經被熱釋放速率、總熱釋放量等所取代，此類參數是對火災危險性評價和性能化防火設計的基礎[13]。考慮到實體試驗中安裝的傳感器數量較少，為了更細致地對電纜燃燒的過程情況進行分析及預測，在仿真模型中設置了除標準規定外的若干傳感器，所設置的傳感器數量如表5所示。其中的動態監測平面設置在電纜的前后表面，可以用來監測表面的溫度及氧氣的動態變化過程。

表5 模型中的各傳感器個數Table 5 Number of sensors in the model

3 數值仿真結果與分析討論

3.1 新標準對箱體溫度的影響

圖2為燃燒室箱體溫度的擬合曲線，其中舊標準箱體溫度曲線波動幅度小，總體呈上升趨勢，這一現象與實體試驗中箱體溫度變化趨勢一致；新標準箱體溫度曲線較舊標準曲線波動幅度大、平均值高，700 s前呈上升趨勢，700～1 000 s間出現連續下降后溫度回升，可能在700～1 000 s間電纜模型中距離點火源較近的材料燒盡，1 000～1 200 s間火焰延電纜向上發生了蔓延。且舊標準箱體最高溫度為103℃，新標準箱體最高溫度為115℃。根據經驗，箱體溫度越高電纜不合格的幾率越大，所以從箱體溫度擬合曲線來看在新標準下電纜通過燃燒性能試驗的難度增大。

圖2 燃燒室箱體溫度的擬合曲線Fig.2 Fitting curve of combustion chamber box temperature

3.2 新標準對電纜前后表面溫度的影響

通過仿真試驗發現：在2個點火源同時作用的情況下，正中間的電纜火焰蔓延速度較位于點火源中間處的電纜慢，故將溫度傳感器設置在位于點火源中間處的電纜表面。

圖3和圖4分別為舊標準與新標準下位于點火源上方1.18 m處的電纜前后表面溫度變化曲線。圖3顯示，在舊標準下電纜前表面的溫度比后表面的溫度低，溫度差在100℃左右，而圖4顯示在新標準下該點的前后表面溫度相差無幾，且與圖3中后表面溫度接近。

圖3 舊標準下電纜前后表面溫度變化曲線Fig.3 Temperature variation curves of front and rear surfaces of cables in the old standard

圖4 新標準下電纜前后表面溫度變化曲線Fig.4 Temperature variation curves of front and rear surfaces of cables in the new standard

實體試驗過程中，電纜的爬火現象在后表面較為嚴重，故后表面的溫度較高，但在新標準下電纜燃燒過程中，隨著火焰的蔓延，前后表面溫度沒有明顯區別，這表明電纜前后表面具有相同程度的爬火現象，而不是單一的后表面爬火現象嚴重，且新標準中允許的最大炭化高度為1.5 m，較舊標準減少1 m，所以根據表面溫度曲線推測新標準下電纜通過燃燒性能試驗的難度增大。

3.3 新標準對煙密度的影響

在模型簡化中將煙密度測量裝置簡化為一個位于燃燒室上出口處的煙密度傳感器，該傳感器距離上出口10 mm。通過仿真計算得出的煙密度變化曲線如圖5所示，由圖可見阻燃A類電纜較B1級阻燃電纜在20 min供火時間內煙霧產生速率快、密度大。因此在煙密度方面新標準下的電纜試驗容易通過檢測。

圖5 煙密度變化曲線Fig.5 Change curve of smoke density

3.4 新標準對熱釋放速率的影響

圖6為通過數值仿真求解出的燃燒室內總熱釋放速率(HRR)曲線。從圖6中可以看出舊標準下的總HRR曲線增長速率一直高于新標準。

圖6 燃燒室內總熱釋放速率曲線Fig.6 Total HRR curve in combustion chamber

圖7為電纜燃燒過程中各熱釋放速率監測器對應的熱釋放速率曲線。熱釋放速率監測器是對一片區域進行監測，綜合考慮仿真速度和計算精度，采用等間距設置，即從點火源下方90 mm處開始向上每隔250 mm設置1個監測器，一共設置10個監測器，且在新舊標準模型中所設置的熱釋放速率監測器數量和位置相同。從圖7中可以看出，隨著時間的推移，火焰逐漸沿著電纜向上攀爬，即爬火過程，在這一過程中新舊標準的HRR曲線之間的差距從2倍逐漸增大到百倍，即在電纜燃燒的早期，新標準下電纜的爬火能力較弱；如果人為假定HRR數值在低于10-3時電纜的燃燒反應停止，觀察圖7中(c)，(d)，(e)發現，舊標準下電纜炭化高度在1.75～2 m之間，新標準下電纜炭化高度在1.25～1.5 m之間，且2種標準情況下的炭化高度在供火1 200 s內基本達到穩定，由此推測新標準下的電纜模型的炭化高度超過最大炭化高度(1.5 m)的風險較大。

圖7 各熱釋放速率監測器對應的熱釋放速率曲線Fig.7 HRR curves corresponding to various heat release rate monitors

4 結論

1)舊標準箱體最高溫度為103℃，新標準箱體最高溫度為115℃，根據經驗，箱體最高溫度越高電纜不合格的幾率越大，故推測在新標準下電纜通過燃燒性能試驗的難度增大。

2)新標準在炭化高度方面要求較為嚴格，且新標準下電纜前表面的爬火現象嚴重，這導致了電纜成束燃燒試驗在炭化高度方面不易通過檢測。

3)電纜在新標準下的煙密度是舊標準下的一半，可見新標準下的成束電纜燃燒試驗在煙密度方面容易通過檢測。

4)將成束電纜燃燒的火災動力學仿真結果進一步用于實體試驗中。在保證電纜機械強度的前提下，為達到新標準中的B1級阻燃等級，需要在舊標準下A類阻燃的基礎上增加電纜的阻燃效果，特別需要抑制的是火焰在電纜表面垂直蔓延的能力。