周 蠡，周秋鵬，謝 東，姜 山，范虹興，張宇嬌

(1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，武漢 430077；2.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

隨著城市規(guī)劃管理的深入，形成了越來越多的高壓電纜線路。但是地下綜合管廊空間有限且管線復(fù)雜繁多(包括電力、通訊、給水、中水、供冷、供熱及垃圾真空等系統(tǒng))，導(dǎo)致地下管線埋設(shè)混亂問題突出，嚴(yán)重影響綜合管廊內(nèi)地下管線的安全水平[1-2]。特別是電纜線路，由于其回路較多，且不可能同期實(shí)施，因此電纜的敷設(shè)順序和交叉跨越順序難以確定。當(dāng)出現(xiàn)較大負(fù)荷引起的較大電纜通流時(shí)，電纜及其接頭的發(fā)熱現(xiàn)象可能會(huì)較為嚴(yán)重；如果缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，一旦發(fā)生火災(zāi)易導(dǎo)致火勢(shì)迅速擴(kuò)大蔓延，最終導(dǎo)致整個(gè)綜合管廊的火災(zāi)事故，造成極其嚴(yán)重的影響。由于綜合管廊密閉性較強(qiáng)，廊內(nèi)存在大量發(fā)熱源，電纜及其它設(shè)施在運(yùn)行、維護(hù)過程中容易發(fā)生火災(zāi)[3-4]。

《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50838-2015)中第6.6.2條規(guī)定，應(yīng)對(duì)綜合管廊內(nèi)的電力電纜設(shè)置電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在電纜接頭處應(yīng)設(shè)置自動(dòng)滅火裝置[5-6]。目前針對(duì)綜合管廊電力艙內(nèi)溫度監(jiān)控的研究主要集中在溫度監(jiān)控系統(tǒng)的研究，其中包括溫度檢測(cè)傳感器的研究、系統(tǒng)模塊的研究等；對(duì)于如何有效地布置溫度監(jiān)控點(diǎn)研究較少。文獻(xiàn)[2,4,7]提到在每層電纜表面鋪設(shè)光纖感溫火災(zāi)探測(cè)器。然而，在每層電纜都鋪設(shè)探測(cè)器，雖然可以大范圍地實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)控，但是提高了工程造價(jià)和綜合管廊的運(yùn)維成本[8]。由于不同城市的綜合管廊，其電力艙中電纜線路布置形式不同，用統(tǒng)一模式的溫度監(jiān)控系統(tǒng)無法更有針對(duì)性、更有效地去實(shí)施監(jiān)控。

針對(duì)上述的研究現(xiàn)狀，本文提出了一種基于磁-熱耦合的綜合管廊電力艙溫度監(jiān)控方法。以某城市地下綜合管廊電力艙實(shí)際模型為例進(jìn)行二維溫度場(chǎng)仿真計(jì)算，研究正常工況下的電力艙溫升分布規(guī)律，得出電力艙最高溫度點(diǎn)即最容易引起火災(zāi)的位置。對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，以提高電力電纜運(yùn)行的可靠性和安全性。

1 溫度監(jiān)控布置方法原理

根據(jù)工程實(shí)際中的綜合管廊電力艙數(shù)據(jù)，建立電力艙二維模型，對(duì)不同回路和不同電壓等級(jí)電纜線路施加實(shí)際正常運(yùn)行時(shí)的電流。考慮電力艙內(nèi)空氣自然對(duì)流的散熱狀態(tài)，采用有限元法進(jìn)行電磁場(chǎng)、流場(chǎng)及溫度場(chǎng)耦合數(shù)值計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在溫度較高的空氣區(qū)域選取4條溫度觀測(cè)線，讀取計(jì)算結(jié)果中觀測(cè)線上各溫度值，擬合成溫度曲線進(jìn)行對(duì)比分析，得到電力艙內(nèi)環(huán)境溫度最高的點(diǎn)。在進(jìn)行電力艙內(nèi)火災(zāi)消防布置溫度監(jiān)控時(shí)應(yīng)對(duì)此處進(jìn)行重點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)，以確保運(yùn)行安全，其流程圖如圖1所示。

圖1 綜合管廊電力艙仿真流程圖Fig.1 Integrated corridor power module simulation process

1.1 電纜電磁場(chǎng)計(jì)算方法

針對(duì)不同回路不同電壓等級(jí)的電纜線路，電纜纜芯銅導(dǎo)體區(qū)域加載實(shí)際正常運(yùn)行時(shí)的電流，對(duì)整個(gè)二維模型的計(jì)算區(qū)域采用有限元法進(jìn)行電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算[9]。通過對(duì)電磁場(chǎng)控制方程(1)-(3)進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算得到導(dǎo)體區(qū)域的電磁損耗Q：

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1.2 電力艙自然對(duì)流原理分析

《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50838-2015)中第7.2.2條規(guī)定，綜合管廊正常通風(fēng)換氣次數(shù)不少于2次/h.故在不通風(fēng)的情況下，綜合管廊電力艙內(nèi)可視為密閉環(huán)境，沒有強(qiáng)制通風(fēng)，主要以空氣自然對(duì)流方式散熱。自然對(duì)流動(dòng)量微分方程(4)、(5)和能量方程(6)聯(lián)立求解，此外還需要同時(shí)計(jì)算熱傳導(dǎo)方程(7)，采用有限元法進(jìn)行流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的直接耦合計(jì)算，得到電力艙中溫度分布情況[10-11]；

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2 綜合管廊電力艙溫度場(chǎng)仿真

2.1 綜合管廊電力艙物理模型

以某城市地下綜合管廊電力艙實(shí)際工程圖為例。該艙包括左側(cè)多回水平排列型號(hào)為YJV22-8.7/10 kV-3×185mm2三芯10 kV電纜線路、右側(cè)四回品字形排列型號(hào)為YJLW02-64/110 kV-1×630 mm2單芯110 kV電纜線路和右側(cè)兩回品字形排列型號(hào)為YJLW02-Z-127/220 kV-1*2 500 mm2單芯220 kV電纜線路，及每層電纜線路鋼支架。某城市地下綜合管廊電力艙實(shí)際工程圖如圖2所示。

圖2 某城市地下綜合管廊電力艙實(shí)際工程圖Fig.2 The actual engineering drawing of an underground power corridor

2.2 電力艙建模仿真

由于本文所提出的研究方法是基于尋找溫度最高點(diǎn)進(jìn)行溫度監(jiān)控，以達(dá)到有效監(jiān)測(cè)的目的，因此得到計(jì)算域中溫度最大值所在的位置為所提出方案的關(guān)鍵點(diǎn)，而溫度計(jì)算的絕對(duì)精度并非本文關(guān)注的重點(diǎn)。此外，由于電纜線路及隧道可近似看成是一個(gè)具有平面對(duì)稱結(jié)構(gòu)的三維模型，支架體積較小且有可能為不導(dǎo)磁導(dǎo)電的材料構(gòu)成，因此可忽略其對(duì)溫度分布的影響，也將其等效為平面對(duì)稱模型。綜上所述，在不影響本文方法實(shí)現(xiàn)的前提下，為了節(jié)約計(jì)算資源，將整體計(jì)算域簡(jiǎn)化為二維模型進(jìn)行電磁-流體-溫度多物理場(chǎng)耦合分析，其二維模型圖如圖3所示。

圖3 某城市地下綜合管廊電力艙二維模型Fig.3 The dimensional model of electric power cabin for a city under-ground pipe gallery

以某城市地下綜合管廊電力艙內(nèi)電纜實(shí)際運(yùn)行電流為例，針對(duì)不同回路不同電壓等級(jí)的電纜線路，電纜纜芯銅導(dǎo)體區(qū)域加載正常運(yùn)行時(shí)的電流，實(shí)際參數(shù)如表1所示。

表1 各電壓等級(jí)電纜實(shí)際加載電流表Table 1 Every voltage level actual load current of the cable

利用有限元法對(duì)綜合管廊電力艙進(jìn)行磁場(chǎng)-溫度場(chǎng)-流體場(chǎng)耦合分析時(shí)，需設(shè)置邊界條件。磁場(chǎng)求解的邊界條件為求解域外邊界磁力線平行邊界條件，即邊界處的矢量磁位A為0；由于綜合管廊電力艙在地下，管廊頂部離地面2.5～3 m，周邊環(huán)境溫度較低，設(shè)置環(huán)境初始溫度為18 ℃；電力艙內(nèi)沒有設(shè)置強(qiáng)制通風(fēng)，內(nèi)部散熱形式主要為空氣的自然對(duì)流，艙壁和支架邊界設(shè)置空氣流速為0的約束條件[12]。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 溫度場(chǎng)分析

綜合管廊在不加強(qiáng)制通風(fēng)的情況下，電力艙內(nèi)散熱主要為空氣自然對(duì)流散熱。采用有限元法進(jìn)行流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的直接耦合計(jì)算，得到電力艙中溫度分布情況，如圖4所示。

圖4 電力艙內(nèi)溫度分布云圖及溫度最高點(diǎn)Fig.4 Temperature distribution of the power cabin and the highest temperature point

通過圖4可得出電力艙內(nèi)最低溫度為18.265 1 ℃，最高溫度為45.846 1 ℃.10 kV電纜側(cè)發(fā)熱量比較大，溫度明顯高于110 kV和220 kV電纜側(cè)，且電力艙內(nèi)主要發(fā)熱集中在10 kV電纜一側(cè)，進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)時(shí)主要監(jiān)測(cè)10 kV電纜。

3.2 溫度監(jiān)控點(diǎn)設(shè)置

考慮到測(cè)溫傳感器安裝的需要，在最左列10 kV電纜與電力艙左側(cè)艙壁中間和各列10 kV電纜中間建立4條溫度觀測(cè)線，觀測(cè)線從電力艙底部往電力艙頂部沿伸，如圖5所示。分別導(dǎo)出4條觀測(cè)線上各單元的溫度、與觀測(cè)線起點(diǎn)的相對(duì)距離，再擬合成溫度曲線，如圖6所示。電纜鋼支架的熱傳遞系數(shù)為48 W/(m·K)，熱傳遞性能較強(qiáng)，故電纜支架整體溫度相差不大。所以在圖6中近似平行于x軸的曲線便是電纜支架上的溫度曲線。電纜通電使電纜表面溫度上升，電纜表面與空氣之間通過熱輻射和對(duì)流使電纜表面空氣溫度上升?？拷娎|的下層空氣受熱膨脹上升，上層的冷空氣下降。通過對(duì)比4條溫度曲線可以得到電力艙內(nèi)環(huán)境溫度最高的點(diǎn)在第四個(gè)電纜支架上方，即圖4中的A點(diǎn)處是最容易引起火災(zāi)的位置。在此處設(shè)置溫度監(jiān)控系統(tǒng)，可以有效地實(shí)施溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警。

圖5 4條溫度觀測(cè)線Fig.5 4 temperature observation lines

圖6 4條觀測(cè)線上溫度折線圖Fig.6 4 observation line temperature line chart

4 結(jié)論

綜合管廊電力艙中起火點(diǎn)一般都是溫度最高點(diǎn)，找出溫度最高點(diǎn)并將其進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)消防預(yù)警起到重要作用。本文首先建立實(shí)際的城市地下綜合管廊電力艙二維模型，在電纜加載正常運(yùn)行電流的情況下，采用有限元法計(jì)算得出電力艙內(nèi)的溫度分布云圖，為找出溫度最高點(diǎn)奠定基礎(chǔ)。其次觀察溫度分布云圖，在溫度較高處設(shè)置多條合適的溫度觀測(cè)線，讀取觀測(cè)線上的溫度，并擬合成曲線，通過對(duì)比找出溫度最高點(diǎn)。最后對(duì)溫度最高點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)，能有效預(yù)防火災(zāi)。

文章提出的溫度監(jiān)測(cè)方法針對(duì)具體的城市綜合管廊電力艙工程實(shí)際模型，加載實(shí)際運(yùn)行電流進(jìn)行分析，得到的最高溫度點(diǎn)與實(shí)際工程對(duì)象符合，而不是通過一種統(tǒng)一布置監(jiān)控系統(tǒng)的方法來實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)，這樣的監(jiān)測(cè)更具有針對(duì)性，更為有效。相比目前采用每層電纜表面鋪設(shè)探測(cè)器的方法，本方法極大地降低了工程造價(jià)，節(jié)約了綜合管廊運(yùn)行維護(hù)成本，同時(shí)對(duì)電纜線路入廊的規(guī)劃也有一定參考價(jià)值。