張 偉，陳 紅，李陳瑩，陳 杰，徐智恒，謝啟源*

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院,南京,211103;2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥,230026;3.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院,合肥,230088)

0 引言

隨著我國(guó)城市現(xiàn)代化、信息化和智能化建設(shè)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市電力輸送網(wǎng)絡(luò)的重要性不斷凸顯。電力電纜，已成為社會(huì)與經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)的“動(dòng)脈”，而高壓電力電纜則是其中的“主動(dòng)脈”，該系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，是人民安居樂(lè)業(yè)的重要保障[1]。由于建設(shè)用地不足和城市美觀安全等要求，原有架空高壓線(xiàn)路逐漸轉(zhuǎn)入地下隧道。大力推進(jìn)城市高壓電力隧道、電纜溝以及城市綜合管廊的建設(shè)，一方面有利于抵御外界突發(fā)惡劣天氣和極端氣候的影響，降低自然災(zāi)害誘發(fā)電網(wǎng)次生災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn);另一方面與原有架空高壓電力線(xiàn)路大多采用金屬線(xiàn)纜不同，隧道內(nèi)電力電纜的絕緣層和護(hù)套層等含有大量可燃聚合材料，一旦地下電纜隧道發(fā)生火災(zāi)，易造成較大直接和間接損失。此外，在當(dāng)前高度信息化和電氣化時(shí)代，民眾對(duì)電力與網(wǎng)絡(luò)信息的強(qiáng)烈依賴(lài)，局部區(qū)域的失電事故甚至可能引發(fā)小規(guī)模社會(huì)騷動(dòng)。因此，高壓電力電纜隧道的火災(zāi)預(yù)防，是整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要一環(huán)[2]。近年來(lái)，高壓電力電纜隧道火災(zāi)屢見(jiàn)不鮮，如：2016年 8月，遼寧大連市某66 kV電纜隧道發(fā)生火災(zāi)，造成市區(qū)大面積停電達(dá)6 h以上，多個(gè)城市基礎(chǔ)設(shè)施受到破壞，嚴(yán)重影響城市正常運(yùn)行。2014年3月，成都某220 kV電纜線(xiàn)路1號(hào)直通接頭B相和C相爆炸燃燒，引發(fā)隧道內(nèi)電纜線(xiàn)路火災(zāi)，消防人員撲滅明火后，現(xiàn)場(chǎng)大量煙氣通過(guò)風(fēng)機(jī)排出[3]。

圖1 高壓電力電纜隧道火災(zāi)早期煙氣模擬與測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig. 1 Experimental setup for early smoke movement and measurement for high-voltage power tunnel

高壓電力電纜火災(zāi)的早期預(yù)警是火災(zāi)防治系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，當(dāng)前各隧道內(nèi)，主要通過(guò)纏繞于電纜表面的感溫光纖實(shí)現(xiàn)電纜內(nèi)部線(xiàn)芯過(guò)熱的間接監(jiān)控[4-6]。而對(duì)于整個(gè)電纜隧道空間，針對(duì)可能發(fā)生的典型火災(zāi)過(guò)程，發(fā)展火災(zāi)早期預(yù)警及處置系統(tǒng)，有利于全面提升其火災(zāi)防控能力，保護(hù)電力電纜的安全運(yùn)行。關(guān)于電纜隧道空間中的火災(zāi)發(fā)展特性和監(jiān)控方法，前人已開(kāi)展一些相關(guān)研究。其中，Liu等[7]針對(duì)綜合管廊內(nèi)的線(xiàn)性火源，研究了彎曲側(cè)壁對(duì)其中縱向溫度分布的影響，提出了管廊內(nèi)溫度分布預(yù)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)公式。An等[8]開(kāi)展了隧道內(nèi)電纜燃燒系列實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)分析了電纜層間距對(duì)于層間電纜火蔓延特性的影響，給出了層間火蔓延臨界距離。趙永昌等[9]基于1∶3.6的小尺寸地下綜合管廊模型，利用不同半徑的油池火模擬隧道火源，得到了煙氣溫度與火源距離的關(guān)系，在不同火源功率下，煙氣溫度均隨距離的變化呈冪函數(shù)降低。李陳瑩等[10]研究了綜合管廊內(nèi)電纜火災(zāi)蔓延特性，對(duì)比分析了各種火災(zāi)探測(cè)方式，給出了探測(cè)器選型的一些建議。劉洋等[11]利用環(huán)形加熱引燃與燃燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了阻燃涂層對(duì)高壓電力電纜受熱引燃過(guò)程的影響規(guī)律，給出了膨脹型涂層的厚度與電纜著火時(shí)間的相關(guān)模型。Xie等[12]利用感溫光纖監(jiān)測(cè)電纜表面溫度并反演電纜內(nèi)部線(xiàn)芯溫度的預(yù)警方法，研究了高壓電力電纜內(nèi)部的空氣層對(duì)該反演預(yù)警模型的影響，指出空氣層會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部過(guò)熱線(xiàn)芯向外熱流傳遞受阻而延遲報(bào)警乃至漏報(bào)。

綜上所述，前人對(duì)于高壓電力隧道內(nèi)的電纜燃燒與報(bào)警系統(tǒng)的研究，大多針對(duì)電纜燃燒特性和探測(cè)方式選型，未能?chē)@隧道內(nèi)典型電纜火災(zāi)發(fā)展過(guò)程，研究其中的主要標(biāo)志性產(chǎn)物的“時(shí)空”分布及演化特性。此外，現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外關(guān)于早期預(yù)警的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中描述了一些標(biāo)準(zhǔn)火[13-18]，如我國(guó)主要采用的4種標(biāo)準(zhǔn)火[16]：木材熱解陰燃火(SH1)、棉繩陰燃火(SH2)、聚氨酯塑料火(SH3)和正庚烷火(SH4)，針對(duì)的是常規(guī)場(chǎng)景下的火災(zāi)發(fā)展過(guò)程，未能表征高壓電力電纜隧道內(nèi)的典型可燃材料和空間結(jié)構(gòu)特征。因此，本文通過(guò)搭建高壓電力電纜隧道模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)典型電纜火災(zāi)發(fā)展過(guò)程，在不同隧道邊界條件下，對(duì)電纜受熱燃燒過(guò)程中的典型特征參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，從而研究適用于高壓電纜隧道內(nèi)的火災(zāi)早期預(yù)警判據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 外加熱條件下高壓電力電纜受熱與燃燒模擬裝置Fig. 2 Bench-scale fire source of high-voltage cable by external heating

圖1(a)給出了高壓電力電纜隧道火災(zāi)早期煙氣模擬與測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的示意圖，該平臺(tái)長(zhǎng)6 m、寬1.5 m、高1.2 m，頂部、底部及一側(cè)由耐火板材構(gòu)成，整體放置于室內(nèi)。另一側(cè)面為鋼化玻璃墻，可實(shí)時(shí)觀測(cè)內(nèi)部火源發(fā)展與煙氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，隧道兩端分別設(shè)置兩扇推拉門(mén)，從而可調(diào)節(jié)隧道端部的開(kāi)口狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將模擬電纜火源放置于隧道中部，在隧道頂棚內(nèi)側(cè)中心線(xiàn)上，以1 m為間距均勻布設(shè)6組測(cè)量傳感器，包括：CO/CO2傳感器、煙顆粒濃度傳感器以及溫度傳感器，其中，火源正上方頂棚位置安裝1組，該組兩邊頂棚分別安裝3組(西側(cè))和2組(東側(cè))，隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)和頂棚傳感器分布如圖1(b)所示。各傳感器通過(guò)采集器接入計(jì)算機(jī)終端，并通過(guò)軟件實(shí)時(shí)采集記錄。此外，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在電纜隧道內(nèi)靠近端部位置，布設(shè)一臺(tái)攝像機(jī)，實(shí)時(shí)記錄隧道內(nèi)火災(zāi)發(fā)展和煙氣運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

圖2(a)給出了外加熱條件下高壓電力電纜火源模擬裝置圖，主要由電加熱爐、金屬托盤(pán)、電纜樣品和電子天平組成。由于實(shí)際外加熱條件下，電纜皺紋鋁層內(nèi)部材料往往不發(fā)生燃燒，這里的電纜樣品僅由外護(hù)套層和皺紋鋁層構(gòu)成，在電纜樣品底部與金屬托盤(pán)接觸位置，布設(shè)1根熱電偶監(jiān)測(cè)電纜底部受熱升溫與引燃過(guò)程。圖2(b)給出了該電纜火源模擬裝置的實(shí)物圖。

基于該高壓電力電纜隧道火災(zāi)早期煙氣模擬與測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，圍繞電纜隧道火災(zāi)早期預(yù)警判據(jù)的確定，針對(duì)典型高壓電力電纜(YJLW03-64/110 kV)，截取10 cm長(zhǎng)樣品，在隧道兩端不同開(kāi)口條件下，開(kāi)展了一系列實(shí)驗(yàn)測(cè)量，具體工況如表1所示。當(dāng)加熱爐功率為2 kW(強(qiáng)加熱火源)時(shí)，電纜初期為陰燃，后期發(fā)展為明火燃燒，而加熱爐功率為1 kW(弱加熱火源)時(shí)，電纜一直保持陰燃狀態(tài)，未發(fā)生明火燃燒。

表1 高壓電力電纜隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣模擬與測(cè)量實(shí)驗(yàn)工況

2 結(jié)果與討論

圖3給出了強(qiáng)加熱火源、兩側(cè)門(mén)半開(kāi)條件下的隧道內(nèi)電力電纜火源發(fā)展與煙氣蔓延的典型序列過(guò)程。由圖3可見(jiàn)，加熱約420 s后，電纜樣品開(kāi)始釋放出煙氣，480 s后，煙氣明顯增多，并已呈現(xiàn)頂棚射流沿頂部輸運(yùn)特征。此后，煙氣濃度進(jìn)一步增大，660 s時(shí)，電纜已出現(xiàn)較大明火燃燒，隧道內(nèi)煙氣彌漫，幾分鐘后停止加熱，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，開(kāi)啟隧道一端開(kāi)口處的排煙風(fēng)機(jī)，排出煙氣。

圖3 強(qiáng)加熱火源條件下高壓電力隧道內(nèi)電纜過(guò)熱與燃燒發(fā)展過(guò)程(兩端半開(kāi))Fig. 3 Snap-shots of cable burning in tunnel with the cable in strong heating with the doors half-open

圖4給出了隧道兩端全開(kāi)、強(qiáng)加熱火源條件下隧道頂部各位置CO濃度變化，可見(jiàn)，在電纜被加熱的陰燃階段，即加熱約400 s后，火源正上方的CO濃度最早響應(yīng)升高，其濃度值也顯著高于其余頂棚位置CO濃度。隨著陰燃煙氣的逐漸增多與頂棚射流發(fā)展，其余位置CO濃度也緩慢增大，隨著電纜出現(xiàn)明火燃燒，由于明火燃燒煙氣與熱量釋放的顯著增強(qiáng)，各頂棚位置CO濃度都明顯加速增大。從電纜的整個(gè)陰燃與明火燃燒階段綜合可見(jiàn)，與其他頂棚位置相比，火源正上方的CO濃度值響應(yīng)時(shí)間明顯更早，增速也顯著更大。

圖4 強(qiáng)加熱火源條件下隧道頂部各位置 CO濃度變化(兩端全開(kāi))Fig. 4 CO concentration at tunnel ceiling for the strong heating case with doors open

圖5 強(qiáng)加熱火源條件下隧道頂部各位置 煙顆粒濃度變化(兩端全開(kāi))Fig. 5 Smoke density at tunnel ceiling for the strong heating case with doors open

圖5給出了相應(yīng)工況條件下的隧道頂部各位置煙顆粒濃度變化，可見(jiàn)，加熱約450 s后，火源正上方的煙顆粒濃度迅速升高，隨后該煙顆粒濃度傳感器相鄰的左右兩個(gè)位置上的煙顆粒濃度也隨之增大。與圖4相比，同一火源條件下，頂棚各位置煙顆粒濃度響應(yīng)升高次序與CO濃度變化過(guò)程類(lèi)似，即，火源正上方探測(cè)器最早響應(yīng)升高，一定時(shí)間后，相鄰位置相應(yīng)參數(shù)值也隨之開(kāi)始升高。此外，在電力電纜出現(xiàn)明火燃燒前，CO濃度值和煙顆粒濃度值都已經(jīng)顯著升高。然而，也存在一些差異之處，首先，火源正上方的煙顆粒濃度傳感器測(cè)量值響應(yīng)時(shí)間相對(duì)推遲了約50 s，因此，在隧道開(kāi)口條件下，CO到達(dá)頂棚的時(shí)間相對(duì)更早。其次，與其他位置CO傳感器響應(yīng)時(shí)間和CO濃度升高速度相比，火源正上方CO濃度上升更早更快，而對(duì)于煙顆粒濃度，離火源位置越遠(yuǎn)，其濃度開(kāi)始增大的時(shí)間越晚，而一旦開(kāi)始上升，則增速都較大。

圖6和圖7分別給出了該工況下頂棚6個(gè)位置CO2濃度和溫度變化。由圖6可見(jiàn)，在電纜受熱陰燃階段，各頂棚位置CO2濃度升高不明顯；電纜燃燒轉(zhuǎn)入明火階段后，火源正上方頂棚位置CO2濃度開(kāi)始急劇上升，隨后相鄰位置CO2濃度值也開(kāi)始上升。由圖7可見(jiàn)，在電加熱爐開(kāi)始工作及電纜陰燃階段，火源正上方頂棚位置的溫度呈一定上升趨勢(shì)，其余相鄰位置的溫度也略有上升，電纜進(jìn)入明火燃燒后，各頂棚位置溫度上升趨于明顯。

圖6 強(qiáng)加熱火源條件下隧道頂部各位置 CO2濃度變化(兩端全開(kāi))Fig. 6 CO2 concentration at tunnel ceiling for the strong heating case with doors open

圖7 強(qiáng)加熱火源條件下隧道頂部 各位置溫度變化(兩端全開(kāi))Fig. 7 Temperature at tunnel ceiling for the strong heating case with doors open

類(lèi)似地，對(duì)于僅有陰燃階段的弱加熱火源過(guò)程，圖8給出了隧道內(nèi)該火源發(fā)展與煙氣蔓延的序列圖，由圖8中t=1 080 s所示圖片可見(jiàn)，此時(shí)，電纜樣品已經(jīng)開(kāi)始釋放出明顯煙氣，隨后煙氣逐漸增多，不斷向上蔓延并橫向沿頂棚運(yùn)動(dòng)，由于電纜未形成明火燃燒，與圖3相比，火源煙氣生成速率相對(duì)較慢，然而，到實(shí)驗(yàn)后期，由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束前，隧道內(nèi)積累的煙氣依然較多，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，開(kāi)啟隧道一端開(kāi)口處的風(fēng)機(jī)進(jìn)行排煙。

圖9給出了隧道兩端全開(kāi)、弱加熱火源條件下隧道頂部各位置CO濃度變化，可見(jiàn)，在電纜受熱約900 s后，火源正上方的CO濃度開(kāi)始升高，升高到一定階段后，經(jīng)過(guò)一段緩慢波動(dòng)上升期，繼而以較高速率快速增大。頂棚其余相鄰位置的CO濃度隨后也增大，然而，與圖4所示類(lèi)似，其余位置CO濃度升高時(shí)間明顯晚于火源正上方，升高速率也明顯較低。綜合對(duì)比圖4與圖9所示各對(duì)應(yīng)CO濃度變化曲線(xiàn)可見(jiàn)，強(qiáng)加熱條件下，即使僅在陰燃階段，CO濃度在較短時(shí)間內(nèi)增大至100 ppm；而在弱加熱條件下，各位置CO濃度增大較小，僅約25 ppm。由于正常電力電纜隧道空間內(nèi)，CO本底濃度基本為0，對(duì)于弱加熱條件下的較小電纜陰燃火源，CO濃度也變化明顯，可作為典型火災(zāi)預(yù)警參數(shù)之一。

類(lèi)似地，圖10給出了弱加熱火源條件下的隧道頂部各位置煙顆粒濃度變化，可見(jiàn)，加熱約1 050 s后，火源正上方的煙顆粒濃度首先開(kāi)始升高，隨后各相鄰位置煙顆粒濃度隨之上升。與圖9相比，弱加熱火源條件下，火源正上方的煙顆粒濃度開(kāi)始響應(yīng)的時(shí)間，比CO濃度響應(yīng)時(shí)間遲了約150 s。另一方面，盡管煙顆粒濃度響應(yīng)時(shí)間比CO濃度響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較晚，由于高壓電力電纜隧道內(nèi)正常環(huán)境條件下的煙顆粒和其他顆粒濃度本底值較穩(wěn)定且基本為零，此外，也較少發(fā)生類(lèi)似地下車(chē)庫(kù)內(nèi)由于車(chē)輛行駛通過(guò)引起的揚(yáng)塵干擾，如圖10所示，弱加熱火源條件下，煙顆粒濃度依然具有顯著變化特征。因此，煙顆粒濃度也可作為高壓電力電纜隧道內(nèi)的火災(zāi)早期預(yù)警參數(shù)之一。

圖8 弱加熱火源條件下高壓電力隧道內(nèi)電纜過(guò)熱與燃燒發(fā)展過(guò)程(兩端全開(kāi))Fig. 8 Snap-shots of cable burning in tunnel with the cable in slow heating with the doors open

圖9 弱加熱火源條件下隧道頂部 各位置CO濃度變化(兩端全開(kāi))Fig. 9 CO concentration at tunnel ceiling for the slow heating case with doors open

圖10 弱加熱火源條件下隧道頂部 各位置煙顆粒濃度變化(兩端全開(kāi))Fig. 10 Smoke density at tunnel ceiling for the slow heating case with doors open

圖11給出了弱加熱火源條件下各位置CO2濃度的變化，可見(jiàn)，由于該模擬火源未發(fā)生明火燃燒，整個(gè)陰燃實(shí)驗(yàn)階段，頂棚各位置CO2濃度并未發(fā)生顯著變化，僅在其環(huán)境本底值上下波動(dòng)。因此，若以CO2濃度作為電力電纜隧道內(nèi)火災(zāi)預(yù)警參數(shù)，則難以對(duì)陰燃火災(zāi)過(guò)程進(jìn)行早期預(yù)警，由于人體呼吸過(guò)程釋放CO2，對(duì)于相對(duì)密閉的地下電纜隧道空間，檢修人員呼出的CO2，往往可能對(duì)基于CO2濃度的火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生顯著的干擾，易引發(fā)誤報(bào)警。

圖11 弱加熱火源條件下隧道頂部 各位置CO2濃度變化(兩端全開(kāi))Fig. 11 CO2 concentration at tunnel ceiling for the slow heating case with doors open

圖12給出了弱加熱火源條件下頂棚各位置的溫度變化，可見(jiàn)，在電加熱爐開(kāi)始加熱及整個(gè)電纜陰燃階段，僅火源正上方頂棚位置的溫度相對(duì)較明顯上升，在約20 min的整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段，該位置溫度上升約4 ℃，頂棚其余位置溫度上升約1 ℃?？梢?jiàn)，對(duì)于電力電纜隧道內(nèi)的火災(zāi)探測(cè)，以頂棚溫度為預(yù)警參數(shù)，往往很難對(duì)早期慢速陰燃過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。此外，盡管電力電纜隧道內(nèi)溫度相對(duì)穩(wěn)定，依然存在一定的季節(jié)、早晚的溫度變化，也可能對(duì)基于感溫的預(yù)警方法造成一定的不利影響。

圖12 弱加熱火源條件下隧道頂部 各位置溫度變化(兩端全開(kāi))Fig. 12 Temperature at tunnel ceiling for the slow heating case with doors open

圖13和圖14分別給出了表1所示6種工況條件下、火源正上方的CO濃度和煙顆粒濃度的變化趨勢(shì)。由圖13和圖14可見(jiàn)，強(qiáng)加熱火源條件下，對(duì)于電纜隧道兩端不同開(kāi)口狀態(tài)，CO濃度和煙顆粒濃度都顯著更早上升且升高速度更大，當(dāng)電纜燃燒進(jìn)入明火階段后，CO濃度在各開(kāi)口狀態(tài)都呈急劇上升的趨勢(shì)。由圖13可見(jiàn)，電纜隧道兩端完全打開(kāi)的狀態(tài)下，CO濃度最早開(kāi)始上升，而兩端完全關(guān)閉時(shí)，則CO濃度上升相對(duì)較晚，可見(jiàn)，電纜隧道兩端打開(kāi)之后的自由通風(fēng)條件，更有利于電纜陰燃煙氣的上升和輸運(yùn)。開(kāi)口狀態(tài)對(duì)頂棚煙顆粒濃度的影響則不同，由圖14可見(jiàn)，當(dāng)隧道兩端關(guān)閉時(shí)，頂棚煙顆粒濃度反而最早開(kāi)始迅速升高，而端部開(kāi)口全開(kāi)和半關(guān)閉狀態(tài)下，則明顯較晚上升。可見(jiàn)，在電纜隧道內(nèi)，不同端部開(kāi)口狀態(tài)下，高壓電力電纜陰燃過(guò)程中生成的氣體和煙顆粒輸運(yùn)特性存在一定差異。

圖13 不同加熱功率火源和隧道兩端不同開(kāi)口時(shí)的 火源正上方CO濃度變化Fig. 13 CO concentration above fire for the varied heating and doors opening

綜上分析，對(duì)于電力電纜隧道內(nèi)的火災(zāi)早期預(yù)警，高壓電力電纜作為其中主要可燃物，綜合其在不同熱源、不同燃燒方式下的CO濃度、CO2濃度、煙顆粒濃度以及溫度參數(shù)變化特征，可見(jiàn)，CO濃度和煙顆粒濃度可作為該場(chǎng)所內(nèi)早期預(yù)警的優(yōu)選參數(shù)。上述2項(xiàng)參數(shù)在電力電纜隧道正常運(yùn)行環(huán)境中的穩(wěn)定性和低本底值特性，有利于報(bào)警系統(tǒng)的可靠運(yùn)行并準(zhǔn)確識(shí)別火災(zāi)。因此，以下將針對(duì)CO濃度和煙顆粒濃度，基于本系列實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，初步分析確定其作為預(yù)警判據(jù)的相對(duì)響應(yīng)性能。

綜合參考國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于各參量報(bào)警閾值的取值范圍[16,18]，結(jié)合實(shí)驗(yàn)火源發(fā)展速度和空間結(jié)構(gòu)等因素，設(shè)定CO濃度和煙顆粒濃度預(yù)警閾值分別為10 ppm和0.05 dB/m。圖15給出了以頂棚CO預(yù)警濃度為10 ppm時(shí)各傳感器的報(bào)警時(shí)間，可見(jiàn)，該判據(jù)下，各頂棚位置均可實(shí)現(xiàn)報(bào)警，強(qiáng)加熱火源的3個(gè)工況下，其報(bào)警時(shí)間明顯早于弱加熱火源工況。各工況下，不同頂棚位置報(bào)警時(shí)間，呈以火源正上方傳感器報(bào)警時(shí)間為低點(diǎn)的V字形分布，越遠(yuǎn)離火源的相鄰位置，報(bào)警時(shí)間差異越小。其中，對(duì)于強(qiáng)加熱火源的3個(gè)工況，由圖15可見(jiàn)，以CO濃度閾值為預(yù)警判據(jù)，當(dāng)隧道兩端開(kāi)口關(guān)閉條件下，頂棚各位置CO傳感器明顯報(bào)警更晚。

圖16給出了以頂棚煙顆粒預(yù)警濃度為0.05 dB/m時(shí)各傳感器的報(bào)警時(shí)間，各報(bào)警時(shí)間也呈以火源正上方位置報(bào)警時(shí)間為低點(diǎn)的V形分布特征，與圖15類(lèi)似。然而，也存在一些差異，若以煙顆粒濃度為預(yù)警判據(jù)，在靠近火源位置，當(dāng)隧道兩端開(kāi)口關(guān)閉時(shí)，頂棚煙顆粒濃度傳感器更早報(bào)警，正好與圖15所示相反。可見(jiàn)，高壓電力電纜受熱燃燒生成的特征氣體與煙顆粒產(chǎn)物在隧道內(nèi)豎向與橫向輸運(yùn)特性與隧道開(kāi)口狀態(tài)等因素相關(guān)。盡管基于CO濃度和煙顆粒濃度都可實(shí)現(xiàn)報(bào)警，為實(shí)現(xiàn)最佳響應(yīng)性能，應(yīng)針對(duì)具體工程，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖15 基于CO濃度閾值(10 ppm)為預(yù)警判據(jù)的 頂棚各位置報(bào)警時(shí)間Fig. 15 Alarm time for different cases predicted by the threshold of 10 ppm CO

圖16 基于煙顆粒濃度閾值(0.05 dB/m)為預(yù)警判據(jù)的 頂棚各位置報(bào)警時(shí)間Fig. 16 Alarm time for different cases predicted by the threshold of 0.05 dB/m smoke density

3 結(jié)論

本文針對(duì)高壓電力電纜隧道內(nèi)火災(zāi)早期預(yù)警特征參數(shù)，搭建了電纜隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣模擬與測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了高壓電力電纜受熱著火燃燒的典型火源，研究了電纜隧道兩端不同開(kāi)口狀態(tài)下的頂棚系列位置CO濃度、CO2濃度、煙顆粒濃度和溫度的變化特性，得到如下結(jié)論：

(1)高壓電力電纜隧道內(nèi)，典型電纜火源工況下的綜合實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，頂棚CO濃度和煙顆粒濃度可作為該場(chǎng)所內(nèi)優(yōu)選的標(biāo)志性參數(shù)；盡管電纜燃燒進(jìn)入明火階段后，CO2濃度迅速升高，然而，在電纜長(zhǎng)時(shí)間受熱陰燃過(guò)程中未發(fā)生顯著變化，此外，CO2濃度本底值較大和檢修人員呼出的CO2在地下空間易導(dǎo)致誤報(bào)警；類(lèi)似的，頂棚溫度在電纜陰燃發(fā)展過(guò)程中升高相對(duì)較小，不易實(shí)現(xiàn)早期可靠報(bào)警，因此，CO2濃度和溫度參數(shù)不應(yīng)作為該場(chǎng)所內(nèi)的優(yōu)選火災(zāi)預(yù)警參數(shù)。

(2)基于相關(guān)國(guó)標(biāo)和各工況實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，設(shè)定CO濃度(10 ppm)和煙顆粒濃度(0.05 dB/m)為高壓電纜隧道內(nèi)火災(zāi)預(yù)警閾值時(shí)，各頂棚位置傳感器均可實(shí)現(xiàn)相對(duì)可靠報(bào)警。此外，各工況下，不同頂棚位置報(bào)警時(shí)間，呈以火源正上方探頭報(bào)警時(shí)間為低點(diǎn)的V字形分布，在越遠(yuǎn)離火源的相鄰位置，報(bào)警時(shí)間差異越小。

(3)電纜隧道兩端的不同開(kāi)口狀態(tài)對(duì)隧道內(nèi)CO和煙顆粒運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一定影響。其中，當(dāng)以CO濃度為預(yù)警判據(jù)時(shí)，隧道兩端開(kāi)口全打開(kāi)或半開(kāi)條件，有利于電纜陰燃所生成的CO更快輸運(yùn)至頂棚位置，進(jìn)而更早報(bào)警；而以煙顆粒濃度為火災(zāi)預(yù)警判據(jù)時(shí)，則是隧道兩端開(kāi)口關(guān)閉條件，更有利于煙顆粒更快到達(dá)頂棚，從而更早報(bào)警。為實(shí)現(xiàn)最佳響應(yīng)性能，應(yīng)針對(duì)具體工程實(shí)際，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。