CN117110518A - 基于高压电缆等效燃烧模拟的电缆隧道防火产品检测方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于高压电缆等效燃烧模拟的电缆隧道防火产品检测方法。其中，该方法包括：等比例搭建电缆隧道火灾试验平台，布置真实电缆并引燃，获取真实电缆燃烧试验过程中电缆隧道火灾试验平台的温升特性曲线；建立电缆燃烧模型，结合电缆燃烧的试验数据修正电缆燃烧模型，使电缆燃烧仿真与真实电缆燃烧试验的温升特性曲线的平均误差小于设置阈值；利用得到的电缆模型仿真电缆燃烧过程，获取真实电缆的燃烧功率变化情况；采用清洁燃料替代真实电缆进行燃烧，结合燃烧功率变化数据和清洁燃料的燃烧热值确定清洁燃料的质量流变化数据，通过控制清洁燃料燃烧的进气量等效模拟电缆隧道火灾环境，以通过电缆隧道火灾环境对防火产品进行检测。
Description
技术领域
本申请涉及电缆隧道灾害防护技术领域，具体而言，涉及基于高压电缆等效燃烧模拟的电缆隧道防火产品检测方法。
背景技术
近年来，城市电网为满足城市经济快速发展所带来的电力需求，电缆隧道容纳的电缆数量日益增多，电缆电压等级也不断提高。电缆随着运行年限增加，其绝缘材料逐渐老化、导电性能逐渐下降，在电缆过载、热量聚集时，易引发电弧击穿或导线短路，从而引发火灾；同时外部环境的明火、电击等因素也可能诱导电缆隧道发生火灾。因此，为避免火势蔓延损伤同通道电缆，扩大火灾范围，电缆隧道需布置大量的防灭火产品。为验证防火产品的防护性能，需要对防火产品进行性能检测。
但目前防火产品主要考虑建筑物防火规范，电网公司的入网检测主要开展防火产品材料小样的燃烧性能和力学性能测试，其主要包括耐火性能、热释放速率、烟密度、机械性能、气体腐蚀性和毒性等方面的测试，但与产品的整体燃烧性能测试有一定差异。为验证产品整体防护性能，同时考虑到真实电缆燃烧污染大、成本高、不易控制等问题，部分网省公司采用燃气灶、丙烷燃烧器等对整体产品进行耐火试验，测试阻燃性和隔热效果等，获得温度分布、耐火时间等数据，但上述试验开展时主要采用定功率火源，火势发展与实际电缆隧道火灾情况有一定差异。另外依据建筑物防火规范，其技术标准与电缆所需防护要求有一定差异，例如国标规定在标准测试条件下防火隔板背火面温升不超过180℃即符合要求，但如果采用此标准考虑产品有效防护时间，隧道内温度30℃时，背火面温度达200℃时仍满足标准，此时主要材料为聚氯乙烯的电缆外护套早已烧损，防火产品没有有效防护电缆。因此采用目前国标的火灾实验室测试方法，并不完全适用于电缆隧道中电缆配置的防火产品的性能要求。
针对上述问题，根据实际高压电缆火灾的起因和发展情况，考虑高压电缆隧道主要由中间接头击穿故障电弧高温引燃起火，开发模拟等效起火的火源装置，模拟隧道环境布置，对防火产品进行耐火性能测试，可更有效的获得防火产品的有效防护时间，判断防火产品是否满足防护需求。
发明内容
为解决上述问题，本申请实施例提供了基于高压电缆等效燃烧模拟的电缆隧道防火产品检测方法，以至少解决相关技术中对电缆隧道的防火产品的检测缺乏与实际电缆隧道火情等效的检测方法，导致检测结果与其实际在电缆隧道中的防火性能存在偏差，以及采用电缆燃烧进行测试污染大、成本高、不易控制的技术问题。
本申请采取的技术方案为：
一种基于高压电缆等效燃烧模拟的电缆隧道防火产品检测方法，包括以下步骤：
步骤1：按照真实电缆隧道等比例搭建电缆隧道火灾试验平台，配备试验设备，其中，所述试验设备至少包括：点火器、热电偶；处理真实电缆以模拟火灾前真实电缆被击穿的情况，进行真实电缆燃烧试验，监测并记录燃烧过程中电缆隧道火灾试验平台的温度数据，获取真实电缆燃烧试验的温升特性曲线；
步骤2：获取所述真实电缆的电压等级、结构参数、各层燃烧物质的种类及各层燃烧物质的物理参数，根据步骤1的真实电缆燃烧试验获取燃烧产物的种类；
步骤3：等比例建立电缆隧道仿真模型，所述电缆隧道仿真模型的隧道结构、电缆结构、测温点布置及试验条件与所述电缆隧道火灾试验平台一致；利用获取的真实电缆的燃烧物质和燃烧产物的种类，确定电缆燃烧模型及化学燃烧方程；
步骤4：初步设定电缆燃烧模型的多层燃烧物质参与燃烧的燃烧比例，进行电缆仿真燃烧试验，获取多个测温点的温度数据，建立燃烧比例与温度数据的映射关系；将电缆仿真燃烧试验的多个测温点的温度数据与真实电缆燃烧试验的温度数据进行对比，根据对比结果增加或减少各层燃烧物质参与燃烧的燃烧比例，得到新的电缆燃烧模型，修正并配平所述化学燃烧方程，直至电缆仿真燃烧试验获得的温升特性曲线与真实电缆燃烧试验的平均误差小于设置阈值；
步骤5：将修正后温升特性曲线最接近真实电缆燃烧试验的电缆燃烧模型作为电缆模型，计算该电缆模型仿真燃烧过程中的燃料质量变化速率和热释放速率，进而获取所述电缆模型在仿真燃烧过程中的燃烧功率变化情况；
步骤6：采用清洁燃料替代所述真实电缆进行燃烧，结合清洁燃料的燃烧热值和步骤5获取的燃烧功率变化数据，确定清洁燃料的质量流变化情况，再通过控制清洁燃料燃烧的进气量来等效模拟电缆隧道火灾环境，以通过所述电缆隧道火灾环境对防火产品进行检测。
所述步骤1中，按照真实电缆隧道等比例搭建电缆隧道火灾试验平台，进行真实电缆燃烧试验，获取真实电缆燃烧试验的温升特性曲线，包括以下步骤：
S1.1：根据真实电缆隧道的尺寸以及试验需求，等比例建立电缆隧道火灾试验平台；所述电缆隧道火灾试验平台具体尺寸为W*D*H，隧道截面为矩形，所述电缆隧道火灾试验平台的一侧根据真实电缆隧道内的支架布置情况安装电缆支架，相邻支架水平间距L1，底层支架距地面h1，每层支架之间垂直间隔h2，所述电缆隧道火灾试验平台的另一侧的墙面设置透明防火玻璃供试验观测，同时开放电缆隧道火灾试验平台的两侧，以保证真实电缆燃烧试验的氧气供应；
S1.2：真实电缆燃烧试验中，将真实电缆设置于第二层电缆支架；真实电缆的中部正下方布置的燃烧物为丙烷、尺寸为L2*B2、与真实电缆垂直距离为h3、点火功率为P1的点火器，以点燃真实电缆；在放置真实电缆的支架的四周布置多个热电偶，以监测温度变化并记录燃烧过程；在电缆隧道火灾试验平台顶部布置气体传感器，监测电缆燃烧产生的气体成分及浓度；配备可见光摄像机记录整个真实电缆燃烧试验过程；
S1.3：选取长度为L3，电缆横切面直径为d1，电缆横切面直径d2的真实电缆；剥开电缆外层的保护铜壳，暴露出内部可燃物，在外护套、填充物、绝缘层分别开出l1*l1、l2*l2、l3*l3的豁口，以模拟真实电缆被电弧击穿的状态；将真实电缆放置于第二层电缆支架上，暴露部分位于两个支架中央，且豁口位置朝下；利用点火器引燃电缆内部可燃物，在真实电缆能自主燃烧后，撤离点火器，以模拟电缆燃烧爆炸后的状态；同时开启可见光摄像机、开始温度采集、开启秒表计时，记录整个电缆隧道火灾试验平台中、真实电缆燃烧试验过程的燃烧物质的融化过程、温度分布及温度变化情况，得到真实电缆燃烧试验的温升特性曲线。
所述步骤2中，通过查找所述真实电缆的产品说明书获取电缆外护套、填充物和绝缘层中的燃烧物质，及每层燃烧物质的物理参数，所述物理参数至少包括：外径，导热系数和比热容；根据所述步骤1的真实电缆燃烧试验，分析电缆燃烧过程，考虑燃烧物质是否充分燃烧和热量传递情况，确定不同可燃物质的燃烧产物。所述步骤3中，等比例建立电缆隧道仿真模型，所述电缆隧道仿真模型的隧道结构及试验条件等参数与所述电缆隧道火灾试验平台一致；利用获取的真实电缆典型电缆的燃烧物质和燃烧产物的种类，确定电缆燃烧模型及化学燃烧方程，包括以下步骤：
S3.1：等比例建立电缆隧道仿真模型，所述电缆隧道仿真模型的隧道结构及试验条件与电缆隧道火灾试验平台一致，其中，电缆隧道仿真模型尺寸为W*D*H，试验条件包括：风速，外部火源功率P2，供火时间/>；依据所述步骤2的物理参数确定电缆结构，搭建出所述电缆隧道仿真模型，其中，所述电缆隧道仿真模型用于进行电缆仿真燃烧试验；
S3.2：确定出所述化学燃烧方程的反应方程通式为：
其中，分别为碳、氢、氧、氮、氯元素；/>分别为护套层、填充物、绝缘层的参与燃烧的物质的量；/>分别为原子系数；/>为烟雾即碳单质；/>分别为产物含量系数；/>为空气部分的化学式系数；/>为燃料的相对分子质量；/>为燃烧产物的相对分子质量；/>为燃烧产物的量产率；
各层燃烧物质的燃烧比例计算方程包括：
其中，表示护套层、填充物与绝缘层的燃烧比例，/>；/>、/>、/>分别为护套层、填充物与绝缘层材料物质的量；/>为不同燃烧物质的体积；/>为不同燃烧物质的密度；/>为不同燃烧物质的相对分子质量。
所述步骤4中，初步设定电缆燃烧模型的多层燃烧物质参与燃烧的燃烧比例，进行电缆仿真燃烧试验，获取多个测温点的温度数据，建立燃烧比例与温度数据的映射关系；将电缆仿真燃烧试验的多个测温点的温度数据与真实电缆燃烧试验的温度数据进行对比，增加或减少各层燃烧物质参与燃烧的燃烧比例，得到新的电缆燃烧模型，修正并配平所述化学燃烧方程，直至电缆仿真燃烧试验获得的温升特性曲线与真实电缆燃烧试验的误差小于设置阈值，包括以下步骤：
S4.1：设定各层燃烧物质参与燃烧的燃烧比例，且按该燃烧比例完全燃烧进行计算，当三层燃烧物最外层护套层、中间层填充物与最内层绝缘层的燃烧比例为，对应的反应物表示为/>，可得电缆燃烧模型的燃料分子式为/>，配平化学燃烧方程如式(6)
其中，分别为各反应物的化学分子式系数，由化学燃烧方程的燃料分子式和氧气含量推出；在不同燃烧比例下，分别配平原子系数不同和化学分子式系数不同的化学燃烧方程；
S4.2：在所述燃料分子式的基础上，将电缆仿真燃烧试验各测温点的温度数据与真实电缆燃烧试验的温度数据进行对比，根据对比结果增加或减少各层燃烧物质参与燃烧的燃烧比例，得到新的燃料分子式，并配平化学燃烧方程，重复步骤S4.1的操作，直至电缆仿真燃烧试验获得的温升特性曲线与真实电缆燃烧试验的温升特性曲线的平均误差小于所述设置阈值时。
所述步骤5中，选取修正后温升特性曲线最接近真实电缆燃烧试验的电缆燃烧模型作为电缆模型，计算该电缆模型仿真燃烧过程中的燃料质量变化速率和热释放速率，进而获取所述电缆模型在仿真燃烧过程中的燃烧功率变化情况，包括以下步骤：
利用最终确定的电缆模型和燃烧模型进行仿真燃烧试验，计算所述电缆模型仿真燃烧过程中燃料的质量变化速率和热释放速率，获取燃烧功率变化情况；其中，所述燃烧模型包括有限速率的化学反应模型和混合燃烧模型，所述混合燃烧模型中燃料的平均化学源使用涡流耗散概念建模；
所述燃料质量变化速率如下所示：
式中，为燃料质量变化速率；/>为密度；/>为燃料的质量分数；/>为空气的质量分数；/>为混合时间尺度。
热释放速率通过燃料的质量变化速率求得：
式中，为热释放速率；/>为燃料的燃烧热。
所述步骤6中，采用清洁燃料替代所述真实电缆进行燃烧，结合清洁燃料的燃烧热值和步骤5获取的燃烧功率变化数据，确定清洁燃料的质量流变化情况，再通过控制清洁燃料燃烧的进气量来等效模拟电缆隧道火灾环境，以通过所述电缆隧道火灾环境对防火产品进行检测，包括以下步骤：
根据步骤5获取的燃烧功率变化数据，利用燃烧装置的电机调整所述清洁燃料的进气量来控制输出功率，从而模拟电缆燃烧时不同阶段的火势变化；其中，燃烧装置由电机、供气装置、进气控制阀门、火源功率控制器、点火器和燃烧器组成；
其中，供气装置为丙烷气瓶，提供试验所需的清洁燃料丙烷，自动控制阀门通过电机控制管道开口面积来控制进气量，火源功率控制器与进气控制阀门配套使用，输入所需火源功率即可控制进气控制阀门动作，燃烧器为多孔火排，使丙烷充分燃烧，点火器可远程点火；火源功率计算公式如式（9）所示：
式中，为热释放速率(kW)，即火源功率；/>为丙烷的质量流(g/s)；/>为丙烷的有效燃烧热(kJ/g)，/>等于/>。
本申请提出一种电缆隧道环境下，基于高压电缆等效燃烧模拟的电缆隧道防火产品检测方法，本申请的优点在于：
（1）目前电缆隧道消防产品的检测主要依据建筑物防火规范，在专用燃烧室进行测试，部分电网公司利用喷灯、燃气灶、丙烷燃烧器等对电缆隧道消防产品进行测试，但目前测试火源与实际电缆燃烧特性相比有较大差异，也没有模拟实际电缆隧道中的火灾情况，现有测试无法获得防火产品在实际电缆隧道火灾时的防护效果，本申请考虑电缆本身的燃烧特性，考虑包括电缆本体和接头的燃烧特性，并在等尺寸隧道试验段进行测试，温升特性与实际火灾类似，可根据电缆受损温度限值获得有效防护时间。
（2）部分电网公司采用退运电缆进行燃烧对防火产品进行测试，但采用电缆燃烧污染大、成本高且不受控制。本申请提出采用清洁燃烧进行等效燃烧模拟，获得类似的环境温升，对防火产品进行检测。模拟等效温升环境的关键还在于清洁燃烧的流量变化需要根据燃烧功率变化确定。目前一般通过锥型量热仪测试分析材料燃烧功率，但这种测试仅适用于小尺寸样品，整个电缆段在隧道试验平台的燃烧无法测量整体燃烧功率，本申请考虑通过建立仿真模型，利用仿真和和试验多点温升特性对比修正仿真参数，获得有效模型，仿真可以通过化学燃烧热读取燃烧过程的整体燃烧功率，另外获得燃烧仿真模型后，可以仿真多种火灾工况，也是本申请的优点。
（3）在仿真模型方面，一般的计算方法直接设置化学反应式和物质量，进行燃烧仿真，并没有考虑类似电缆这种多层结构，且内外可能燃烧不充分的情况，本申请考虑与试验结果对比，通过改变多层结构不同物质参与燃烧的量，修正化学反应方程，使仿真计算的温度与实际温度更为接近。同时考虑单点温度无法映射多层材料燃烧的量，利用多点测量温度对比进行分析，这样获得的仿真模型更为准确有效，这也是本申请的优势。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请中一种等比例电缆隧道火灾试验平台的结构示意图；
图2为本申请中一种热电偶布置及电缆支架示意图；
图3为本申请中一种仿真模型测温点1温度对比；
图4为本申请中一种仿真模型测温点2温度对比；
图5为本申请中一种仿真模型测温点3温度对比；
图6为本申请中一种仿真模型测温点4温度对比；
图7为本申请中一种电缆中间接头燃烧功率曲线；
图8为本申请中一种电缆中间接头等效燃烧模拟装置示意图；
图9为本申请中一种电缆中间接头等效燃烧与真实燃烧测温点1和测温点2温度对比的示意图；
图10为本申请中一种电缆中间接头等效燃烧与真实燃烧测温点3和测温点4温度对比的示意图；
图11为本申请中一种根据本申请实施例的电缆隧道防火产品检测方法的流程图；
图8中，1、丙烷气瓶；2、进气阀门；3、总阀门；4、减压阀；5、供气装置；6、自动调节阀门；7、火源功率控制器；8、火源功率自动调节装置；9燃烧器。
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的实施例。
参照附图并结合具体的实例，对本申请作进一步详细说明：
一种等比例电缆隧道环境下，基于高压电缆接头等效燃烧模拟的电缆隧道防火产品检测方法，首先建立等比例电缆隧道火灾试验平台，布置各种监测设备，进行真实的电缆接头燃烧试验（以典型110kV电缆中间接头为例），记录燃烧过程及温度变化情况；分析电缆中间接头可燃物类型、燃烧产物类型及产物含量，在燃烧比例确定的极限燃烧情况下获取燃料分子式，并配平气相反应方程；建立等比例电缆隧道仿真模型，多次对燃料分子式进行仿真试验，并根据试验结果对燃料分子式进行修正，将最贴近真实电缆中间接头燃烧温度变化情况的燃料分子式作为最终的电缆中间接头模型；根据电缆中间接头模型仿真燃烧过程，获取功率变化曲线，利用功率可控的火源装置模拟该功率曲线变化过程，实现电缆隧道环境下的、电缆中间接头等效燃烧的模拟效果，从而可对不同类型的电缆隧道防火产品的防火效果进行测试。
具体实施方式如下：
图11是本申请提供的一种电缆隧道防火产品检测方法的流程图，具体包括以下步骤：
步骤1：按照真实电缆隧道等比例搭建电缆隧道火灾试验平台，配备试验设备，其中，所述试验设备至少包括：点火器、热电偶；处理真实电缆以模拟火灾前真实电缆被击穿的情况，进行真实电缆燃烧试验，监测并记录燃烧过程中电缆隧道火灾试验平台的温度数据，获取真实电缆燃烧试验的温升特性曲线；
基于上述步骤1，电缆中间接头真实燃烧试验步骤如下：
S1.1：为更好还原真实电缆隧道内火灾发展趋势，根据实际电缆隧道尺寸以及试验需求，建立等比例电缆隧道如图1所示。其具体尺寸为2.3m×2.3m×6m，隧道截面为矩形，其中一侧根据实际电缆隧道内支架布置情况安装电缆支架，相邻支架水平间距0.8m，底层支架距地面0.6m，每层支架之间垂直间隔0.4m，另一侧墙面设置透明防火玻璃供试验观测，同时开放电缆隧道两侧，以保证电缆中间接头燃烧试验的氧气供应；
S1.2：燃烧试验中，电缆接头将被放置于第二层电缆支架；其中部正下方布置燃烧物为丙烷、尺寸为0.5m*0.5m、与电缆接头垂直距离为0.18m、点火功率为400kW的点火器，以点燃电缆中间接头；在电缆中间接头上层支架的上方第一层和上方第二层、左右两侧分别布置一个热电偶（分布为测温点1、测温点2、测温点3、测温点4），如图2所示，以监测温度变化、记录燃烧过程；在电缆隧道顶部布置气体传感器，监测电缆燃烧产生的气体成分及浓度；配备可见光摄像机记录整个燃烧试验过程；
S1.3：选取的典型110kV电缆接头，长度为1.3m，电缆横切面直径为0.13m，电缆接头横切面直径0.2m；剥开电缆接头外层的保护铜壳，暴露出内部可燃物，在外护套、填充物、绝缘层分别开出0.05m*0.05m、0.03m*0.03m、0.01m*0.01m的豁口，以模拟电缆接头被电弧击穿的状态；将其放置于第二层电缆支架上，暴露部分位于两个支架中央，且豁口位置朝下。等比例电缆隧道试验平台中，初始温度为23℃，初始湿度为47%。利用点火器引燃电缆内部可燃物，在其能自主燃烧后，撤离点火器，以模拟电缆接头燃烧爆炸后的状态；同时开启可见光摄像机、开始温度采集、开启秒表计时，记录整个真实电缆隧道下的、电缆接头燃烧试验过程的可燃物融化过程、温度分布及温度变化情况，得到电缆接头燃烧试验温升特性曲线。
步骤2：获取所述真实电缆的电压等级、结构参数、各层燃烧物质的种类及各层燃烧物质的物理参数，根据步骤1的真实电缆燃烧试验获取燃烧产物的种类；
真实电缆的结构参数、物理参数如表1所示：
表1电缆中间接头结构及物理参数
电缆中间接头热解产生的挥发性气体包含有可燃气体、非可燃气体及碳烟颗粒。电缆中间接头在整个热解过程中产生的可燃性气体在燃烧的初期主要由护套层生成，可燃性气体产生后于固体表面与空气接触，进行氧化反应释放热量，完成燃烧。随着热量的传递，填充物热解也开始产生可燃性气体，护套层与填充物同时产生的可燃性气体促进火势的发展。热量传递至绝缘层，三层结构同时热解产生的可燃性气体同时反应，燃烧更为剧烈，电缆中间接头进一步燃烧。
表2 燃烧产物生产率
步骤3：等比例建立电缆隧道仿真模型，所述电缆隧道仿真模型的隧道结构、电缆结构、测温点布置及试验条件与所述电缆隧道火灾试验平台一致；利用获取的真实电缆的燃烧物质和燃烧产物的种类，确定电缆燃烧模型及化学燃烧方程；
S3.1：建立等比例电缆隧道仿真模型，隧道结构及试验条件等参数与真实电缆隧道火灾试验平台一致（如多个测温点布置位置一致），其中电缆隧道仿真模型尺寸为2.3m×2.3m×6m，设定风速1.5m/s，外部火源功率为400kW，供火时间为60s，依据工况设置进行电缆中间接头仿真燃烧试验。
S3.2：热解产生的气体中含有多种可燃气体，在空气中与氧气发生反应，形成的产物含多种形态，且数量很多，在模拟过程中，若对所有可燃气体的质量输运方程进行求解将极大增加计算量，容易导致计算不收敛。电缆中间接头燃烧生成的可燃气体与氧气发生反应释放热量，该动力学机理尚不完善，为了简化模拟过程，避免复杂的计算，采用混合控制燃烧模型。模型将气体燃料和氧气的燃烧分成燃料、空气和产物三部分，每个部分看作一个整体进行运算并求解，其反应方程通式为：
式中，分别为碳、氢、氧、氮、氯元素；/>分别为护套层、填充物、绝缘层的参与燃烧的物质的量；/>分别为原子系数；/>为烟雾即碳单质；/>分别为产物含量系数；/>为空气部分的化学式系数；/>为燃料的相对分子质量；/>为燃烧产物的相对分子质量；/>为燃烧产物的量产率。
各层燃烧物比例计算方程如式所示：
式中，表示护套层、填充物与绝缘层的燃烧比例，/>；/>、/>、/>分别为护套层、填充物与绝缘层材料物质的量；/>为不同燃烧物的体积；/>为不同燃烧物的密度；/>为不同燃烧物的相对分子质量。
步骤4：初步设定电缆燃烧模型的多层燃烧物质参与燃烧的燃烧比例，进行电缆仿真燃烧试验，获取多个测温点的温度数据，建立燃烧比例与温度数据的映射关系；将电缆仿真燃烧试验的多个测温点的温度数据与真实电缆燃烧试验的温度数据进行对比，根据对比结果增加或减少各层燃烧物质参与燃烧的燃烧比例，得到新的电缆燃烧模型，修正并配平所述化学燃烧方程，直至电缆仿真燃烧试验获得的温升特性曲线与真实电缆燃烧试验的平均误差小于设置阈值；
上述步骤4具体通过以下步骤来实现：
S4.1：由于电缆中间接头的结构复杂，在电缆中间接头燃烧试验中，其燃烧首先从绝缘层的交联聚乙烯材料开始，然后中间层的填充物与最外层的护套层一起燃烧，填充物燃烧，熔融物滴落进一步露出绝缘层，最后由护套层、填充物和绝缘层三层燃烧物同时燃烧，由于中间层的填充物较厚，试验中位于最内层的绝缘层参与燃烧的量无法确定。
因此对极限情况下的燃烧物反应比例进行分析，假设绝缘层不参与燃烧，最外层的聚氯乙烯与中间层的聚氨酯燃烧比例为0.17与0.83，对应的反应物可表示为，可得燃料分子式为C3H4.16O0.83Cl0.17N0.33，配平气相反应方程如式(6)；绝缘层一半参与燃烧，三层燃烧物的燃烧比例为0.12、0.6与0.28，对应的反应物可表示为/>，可得燃料分子式为C2.72H4.12O0.6Cl0.12N0.24，配平气相反应方程如式（7)；绝缘层全部参与燃烧，三层燃烧物的燃烧比例为0.08、0.4与0.52，对应的反应物可表示为，可得燃料分子式为C2.48H4.08O0.4Cl0.08N0.16，配平气相反应方程如式(8)。
表3修正前的仿真模型燃料分子式
S4.2：分别对绝缘层不参与燃烧、绝缘层一半参与燃烧、绝缘层全部参与燃烧三种情况下的电缆中间接头模型进行仿真燃烧试验，且温度监测点与电缆中间接头真实燃烧试验一致。对三种燃料分子式的电缆中间接头模型进行仿真燃烧试验，对比其温度变化情况与真实电缆中间接头燃烧试验的温度变化情况，选出温度变化最接近真实情况的燃料分子式；
由于电缆中间接头仿真模型燃烧所得的特征点温度呈现振荡趋势，为更好反应温度的变化趋势，对其燃烧过程的温度变化结果进行拟合。三种极限情况下（分别对应式一、式二、式三的燃料分子式），电缆中间接头仿真模型燃烧的4个特征点温度，与真实电缆中间接头燃烧试验的4个特征点温度，对比结果如图3、图4、图5、图6所示。由图可知，极限情况下，绝缘层参与燃烧的比例越低，仿真模型燃烧所产生的温度上升速率越快，且火势稳定后的温度越高；在三种燃烧模型中，燃料分子式为C2.72H4.12O0.6Cl0.12N0.24时，特征点温度更接近于燃烧试验，但火势稳定阶段温度仍高出10%左右。
S4.3：在燃料分子式C2.72H4.12O0.6Cl0.12N0.24的基础上，护套层和填充层参与燃烧的含量不变，增加绝缘层参与燃烧的比例，得到比绝缘层一半参与燃烧时，温度上升速率更慢、火势稳定阶段温度更低的仿真模型。其中绝缘层全部参与燃烧时所占比例为0.52，一半参与时所占比例为0.28，在绝缘层一半参与燃烧的基础上将所绝缘层所占比例每增加0.06，可得三个燃料分子式，当三层燃烧物的燃烧比例为0.11、0.55与0.34，对应的反应物可表示为，可得燃料分子式为C2.66H4.11O0.55Cl0.11N0.22，配平气相反应方程如式（9）；当三层燃烧物的燃烧比例为0.1、0.5与0.4，对应的反应物可表示为/>，可得燃料分子式为C2.6H4.1O0.5Cl0.1N0.2，配平气相反应方程如式（10)；当三层燃烧物的燃烧比例为0.09、0.45与0.46，对应的反应物可表示为/>，可得燃料分子式为C2.54H4.09O0.45Cl0.09N0.18，配平气相反应方程如式(11)。
表4 修正后的仿真模型燃料分子式
依据修正后的三种气相反应方程建立仿真模型，将仿真所得特征点温度与燃烧试验进行对比，可以发现，随着绝缘层含量所占比例升高，温度上升曲率逐渐降低，且火势稳定阶段的最高温度也相对较低。当燃料分子式为C2.66H4.11O0.55Cl0.11N0.22时，其燃烧获得的温升特性曲线与真实情况差异最小，平均误差小于8%，等效性最好。
步骤5：将修正后温升特性曲线最接近真实电缆燃烧试验的电缆燃烧模型作为电缆模型，计算该电缆模型仿真燃烧过程中的燃料质量变化速率和热释放速率，进而获取所述电缆模型在仿真燃烧过程中的燃烧功率变化情况；
获取燃烧功率变化情况的具体实施方式为：
进行电缆中间接头模型的仿真燃烧试验，计算该模型仿真燃烧过程的燃料质量变化速率和热释放速率，获取燃烧功率变化情况。燃烧模型包括有限速率的化学反应模型和混合燃烧模型。其中混合燃烧模型中燃料的平均化学源使用涡流耗散概念建模，模型假设所有反应物最初未混合，每个计算单元内的气体存在两种状态，未混合态和混合态，未混合部分不发生反应，混合的部分完全反应，因此燃料质量变化速率如式（12）所示：
式中，为燃料质量变化速率；/>为密度；/>为燃料的质量分数；/>为空气的质量分数；/>为混合时间尺度。
热释放速率通过燃料的质量变化速率求得：
式中，为热释放速率；/>为燃料的燃烧热。
根据仿真模拟，得到400kW引燃功率下的电缆中间接头燃烧功率曲线如图7所示。
步骤6：采用清洁燃料替代所述真实电缆进行燃烧，结合清洁燃料的燃烧热值和步骤5获取的燃烧功率变化数据，确定清洁燃料的质量流变化情况，再通过控制清洁燃料燃烧的进气量来等效模拟电缆隧道火灾环境，以通过所述电缆隧道火灾环境对防火产品进行检测
为模拟电缆中间接头燃烧，同时降低试验成本和保证燃烧过程的可控性，采用清洁燃料替代电缆进行燃烧，结合清洁燃料的燃烧热值和步骤5获取的热功率变化数据，确定对应燃料的质量流变化情况，再通过流量控制单元控制燃料燃烧得到等效电缆隧道火灾环境，对防火产品进行检测。整个等效燃烧模拟装置由供气装置、进气控制阀门、火源功率控制器、点火器和燃烧器组成，如图8所示。
其中供气装置为丙烷气瓶，提供试验所需的燃烧物丙烷，自动控制阀门通过电机控制管道开口面积达到控制进气量的作用，火源功率控制器与进气控制阀门配套使用，输入所需火源功率即可控制进气控制阀门动作，燃烧器为多孔火排，使丙烷充分燃烧，点火器可远程点火。火源功率计算公式如式（14）所示。
式中，为热释放速率(kW)，即火源功率；/>为丙烷的质量流(g/s)；/>为丙烷的有效燃烧热(kJ/g)，一般为46.4kJ/g。
通过上述步骤2～步骤5建立并修正电缆中间接头燃烧等效模型，仿真获取电缆中间接头燃烧过程的等效燃烧功率，再经步骤6利用清洁燃料替代电缆进行燃烧，根据燃烧功率变化过程调节燃料质量流、控制燃料燃烧强度，以实现等比例电缆隧道环境下电缆接头的等效燃烧模拟。该电缆接头等效燃烧模拟方法，其燃烧试验可控、环境友好且试验成本低，可对不同类型的电缆隧道防火产品的防火隔热效果进行检测，为电缆隧道防火提供理论依据和试验数据。
燃烧等效模型的特征点温度变化曲线与真实燃烧试验的特征点温度变化对比如图9和图10所示。图9为电缆中间接头真实燃烧试验和燃烧等效模型模拟电缆燃烧时，火源上方的温度对比图；图10为电缆中间接头两端温度对比图，其中火源上方处和两端温度上升趋势一致。燃烧开始100s内，由于火源功率较低，温度上升缓慢，燃烧等效模型模拟与真实燃烧试验的温度曲线暂时保持一致；100s-250s燃烧等效模型模拟与真实燃烧试验的特征点温度开始出现差异；200s-250s燃烧等效模型模拟上升速率不变，真实燃烧试验相比等效模型的温度上升更快；250s-400s，电缆中间接头的燃烧试验由于熔融物停止滴落，上升趋势变缓；400s后熔融物大量滴落，燃烧等效模型模拟的电缆燃烧情况温度上升较为平滑；570s后火势达到最大，燃烧等效模型模拟的燃烧温度比电缆中间接头真实燃烧温度低8%左右。
由燃烧等效模型模拟与真实燃烧试验的温度对比图（图9-图10）可知，所提出的电缆中间接头燃烧等效模拟方法可以模拟实际电缆中间接头的燃烧过程，该等效模型可替代真实的电缆中间接头燃烧，进而检验不同材质防火隔板的防火隔热效果。
Claims (7)
1.一种基于高压电缆等效燃烧模拟的电缆隧道防火产品检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：按照真实电缆隧道等比例搭建电缆隧道火灾试验平台，配备试验设备，其中，所述试验设备至少包括：点火器、热电偶；处理真实电缆以模拟火灾前真实电缆被击穿的情况，进行真实电缆燃烧试验，监测并记录燃烧过程中电缆隧道火灾试验平台的温度数据，获取真实电缆燃烧试验的温升特性曲线；
步骤2：获取所述真实电缆的电压等级、结构参数、各层燃烧物质的种类及各层燃烧物质的物理参数，根据步骤1的真实电缆燃烧试验获取燃烧产物的种类；
步骤3：等比例建立电缆隧道仿真模型，所述电缆隧道仿真模型的隧道结构、电缆结构、测温点布置及试验条件与所述电缆隧道火灾试验平台一致；利用获取的真实电缆的燃烧物质和燃烧产物的种类，确定电缆燃烧模型及化学燃烧方程；
步骤4：初步设定电缆燃烧模型的多层燃烧物质参与燃烧的燃烧比例，进行电缆仿真燃烧试验，获取多个测温点的温度数据，建立燃烧比例与温度数据的映射关系；将电缆仿真燃烧试验的多个测温点的温度数据与真实电缆燃烧试验的温度数据进行对比，根据对比结果增加或减少各层燃烧物质参与燃烧的燃烧比例，得到新的电缆燃烧模型，修正并配平所述化学燃烧方程，直至电缆仿真燃烧试验获得的温升特性曲线与真实电缆燃烧试验的平均误差小于设置阈值；
步骤5：将修正后温升特性曲线最接近真实电缆燃烧试验的电缆燃烧模型作为电缆模型，计算该电缆模型仿真燃烧过程中的燃料质量变化速率和热释放速率，进而获取所述电缆模型在仿真燃烧过程中的燃烧功率变化情况；
步骤6：采用清洁燃料替代所述真实电缆进行燃烧，结合清洁燃料的燃烧热值和步骤5获取的燃烧功率变化数据，确定清洁燃料的质量流变化情况，再通过控制清洁燃料燃烧的进气量来等效模拟电缆隧道火灾环境，以通过所述电缆隧道火灾环境对防火产品进行检测。
2.根据权利要求1所述的基于高压电缆等效燃烧模拟的电缆隧道防火产品检测方法，其特征在于：所述步骤1中，按照真实电缆隧道等比例搭建电缆隧道火灾试验平台，进行真实电缆燃烧试验，获取真实电缆燃烧试验的温升特性曲线，包括以下步骤：
S1.1：根据真实电缆隧道的尺寸以及试验需求，等比例建立电缆隧道火灾试验平台；所述电缆隧道火灾试验平台具体尺寸为W*D*H，隧道截面为矩形，所述电缆隧道火灾试验平台的一侧根据真实电缆隧道内的支架布置情况安装电缆支架，相邻支架水平间距L1，底层支架距地面h1，每层支架之间垂直间隔h2，所述电缆隧道火灾试验平台的另一侧的墙面设置透明防火玻璃供试验观测，同时开放电缆隧道火灾试验平台的两侧，以保证真实电缆燃烧试验的氧气供应；
S1.2：真实电缆燃烧试验中，将真实电缆设置于第二层电缆支架；真实电缆的中部正下方布置的燃烧物为丙烷、尺寸为L2*B2、与真实电缆垂直距离为h3、点火功率为P1的点火器，以点燃真实电缆；在放置真实电缆的支架的四周布置多个热电偶，以监测温度变化并记录燃烧过程；在电缆隧道火灾试验平台顶部布置气体传感器，监测电缆燃烧产生的气体成分及浓度；配备可见光摄像机记录整个真实电缆燃烧试验过程；
S1.3：选取长度为L3，电缆横切面直径为d1，电缆横切面直径d2的真实电缆；剥开电缆外层的保护铜壳，暴露出内部可燃物，在外护套、填充物、绝缘层分别开出l1*l1、l2*l2、l3*l3的豁口，以模拟真实电缆被电弧击穿的状态；将真实电缆放置于第二层电缆支架上，暴露部分位于两个支架中央，且豁口位置朝下；利用点火器引燃电缆内部可燃物，在真实电缆能自主燃烧后，撤离点火器，以模拟电缆燃烧爆炸后的状态；同时开启可见光摄像机、开始温度采集、开启秒表计时，记录整个电缆隧道火灾试验平台中、真实电缆燃烧试验过程的燃烧物质的融化过程、温度分布及温度变化情况，得到真实电缆燃烧试验的温升特性曲线。
3.根据权利要求1所述的基于高压电缆等效燃烧模拟的电缆隧道防火产品检测方法，其特征在于：所述步骤2中，通过查找所述真实电缆的产品说明书获取电缆外护套、填充物和绝缘层中的燃烧物质，及每层燃烧物质的物理参数，所述物理参数至少包括：外径，导热系数和比热容；根据所述步骤1的真实电缆燃烧试验，分析电缆燃烧过程，考虑燃烧物质是否充分燃烧和热量传递情况，确定不同可燃物质的燃烧产物。
4.根据权利要求1所述的基于高压电缆等效燃烧模拟的电缆隧道防火产品检测方法，其特征在于：所述步骤3中，等比例建立电缆隧道仿真模型，所述电缆隧道仿真模型的隧道结构及试验条件等参数与所述电缆隧道火灾试验平台一致；利用获取的真实电缆典型电缆的燃烧物质和燃烧产物的种类，确定电缆燃烧模型及化学燃烧方程，包括以下步骤：
S3.1：等比例建立电缆隧道仿真模型，所述电缆隧道仿真模型的隧道结构及试验条件与电缆隧道火灾试验平台一致，其中，电缆隧道仿真模型尺寸为W*D*H，试验条件包括：风速，外部火源功率P2，供火时间/>；依据所述步骤2的物理参数确定电缆结构，搭建出所述电缆隧道仿真模型，其中，所述电缆隧道仿真模型用于进行电缆仿真燃烧试验；
S3.2：确定出所述化学燃烧方程的反应方程通式为：
，
其中，分别为碳、氢、氧、氮、氯元素；/>分别为护套层、填充物、绝缘层的参与燃烧的物质的量；/>分别为原子系数；/>为烟雾即碳单质；/>分别为产物含量系数；/>为空气部分的化学式系数；/>为燃料的相对分子质量；/>为燃烧产物的相对分子质量；/>为燃烧产物的量产率；
各层燃烧物质的燃烧比例计算方程包括：
，
其中，表示护套层、填充物与绝缘层的燃烧比例，/>；/>、/>、/>分别为护套层、填充物与绝缘层材料物质的量；/>为不同燃烧物质的体积；/>为不同燃烧物质的密度；/>为不同燃烧物质的相对分子质量。
5.根据权利要求1所述的基于高压电缆等效燃烧模拟的电缆隧道防火产品检测方法，其特征在于：所述步骤4中，初步设定电缆燃烧模型的多层燃烧物质参与燃烧的燃烧比例，进行电缆仿真燃烧试验，获取多个测温点的温度数据，建立燃烧比例与温度数据的映射关系；将电缆仿真燃烧试验的多个测温点的温度数据与真实电缆燃烧试验的温度数据进行对比，增加或减少各层燃烧物质参与燃烧的燃烧比例，得到新的电缆燃烧模型，修正并配平所述化学燃烧方程，直至电缆仿真燃烧试验获得的温升特性曲线与真实电缆燃烧试验的误差小于设置阈值，包括以下步骤：
S4.1：设定各层燃烧物质参与燃烧的燃烧比例，且按该燃烧比例完全燃烧进行计算，当三层燃烧物最外层护套层、中间层填充物与最内层绝缘层的燃烧比例为，对应的反应物表示为/>，可得电缆燃烧模型的燃料分子式为/>，配平化学燃烧方程如式(6)
，
其中，分别为各反应物的化学分子式系数，由化学燃烧方程的燃料分子式和氧气含量推出；在不同燃烧比例下，分别配平原子系数不同和化学分子式系数不同的化学燃烧方程；
S4.2：在所述燃料分子式的基础上，将电缆仿真燃烧试验各测温点的温度数据与真实电缆燃烧试验的温度数据进行对比，根据对比结果增加或减少各层燃烧物质参与燃烧的燃烧比例，得到新的燃料分子式，并配平化学燃烧方程，重复步骤S4.1的操作，直至电缆仿真燃烧试验获得的温升特性曲线与真实电缆燃烧试验的温升特性曲线的平均误差小于所述设置阈值时。
6.根据权利要求1所述的基于高压电缆等效燃烧模拟的电缆隧道防火产品检测方法，其特征在于：所述步骤5中，选取修正后温升特性曲线最接近真实电缆燃烧试验的电缆燃烧模型作为电缆模型，计算该电缆模型仿真燃烧过程中的燃料质量变化速率和热释放速率，进而获取所述电缆模型在仿真燃烧过程中的燃烧功率变化情况，包括以下步骤：
利用最终确定的电缆模型和燃烧模型进行仿真燃烧试验，计算所述电缆模型仿真燃烧过程中燃料的质量变化速率和热释放速率，获取燃烧功率变化情况；其中，所述燃烧模型包括有限速率的化学反应模型和混合燃烧模型，所述混合燃烧模型中燃料的平均化学源使用涡流耗散概念建模；
所述燃料质量变化速率如下所示：
，
其中，为燃料质量变化速率；/>为密度；/>为燃料的质量分数；/>为空气的质量分数；/>为混合时间尺度；
热释放速率通过燃料的质量变化速率求得：
，
其中，为热释放速率；/>为燃料的燃烧热。
7.根据权利要求1所述的基于高压电缆等效燃烧模拟的电缆隧道防火产品检测方法，其特征在于：所述步骤6中，采用清洁燃料替代所述真实电缆进行燃烧，结合清洁燃料的燃烧热值和步骤5获取的燃烧功率变化数据，确定清洁燃料的质量流变化情况，再通过控制清洁燃料燃烧的进气量来等效模拟电缆隧道火灾环境，以通过所述电缆隧道火灾环境对防火产品进行检测，包括以下步骤：
根据步骤5获取的燃烧功率变化数据，利用燃烧装置的电机调整所述清洁燃料的进气量来控制输出功率，从而模拟电缆燃烧时不同阶段的火势变化；其中，燃烧装置由电机、供气装置、进气控制阀门、火源功率控制器、点火器和燃烧器组成；
其中，供气装置为丙烷气瓶，提供试验所需的清洁燃料丙烷，自动控制阀门通过电机控制管道开口面积来控制进气量，火源功率控制器与进气控制阀门配套使用，输入所需火源功率即可控制进气控制阀门动作，燃烧器为多孔火排，使丙烷充分燃烧，点火器可远程点火；火源功率计算公式如式（9）所示：
，
其中，为热释放速率(kW)，即火源功率；/>为丙烷的质量流(g/s)；/>为丙烷的有效燃烧热(kJ/g)，/>等于/>。
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