孔譯輝，高俊國

1.國網(wǎng)延邊供電公司；2. 哈爾濱理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院

隨著現(xiàn)代化進程的推進和城市化的快速發(fā)展，開閉所、環(huán)網(wǎng)柜、配電亭、箱式變電站分布在城市的各個角落，為企業(yè)和居民的電力供應(yīng)發(fā)揮著積極作用。配電設(shè)施的穩(wěn)定運行非常重要，設(shè)備隱患一旦轉(zhuǎn)化為故障，就會影響配電系統(tǒng)的正常運行，對企業(yè)和居民的安全用電構(gòu)成威脅。如果不能及時發(fā)現(xiàn)隱患并立即處理，可能會對電氣設(shè)備造成不可逆的損壞，同時降低供電的可靠性[1-2]。配電設(shè)備生產(chǎn)管理包括防外力破壞、防火、防小動物等，其中，防火是配網(wǎng)生產(chǎn)管理的重點。環(huán)網(wǎng)柜是配電網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分和關(guān)鍵節(jié)點，環(huán)網(wǎng)柜的運行狀態(tài)不僅關(guān)系到供電系統(tǒng)的可靠性，而且影響供電質(zhì)量。金琪[3]等為實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜早期放電現(xiàn)象的智能故障報警，設(shè)計了一款環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)臭氧濃度在線監(jiān)測裝置，根據(jù)高壓下空氣放電產(chǎn)生臭氧的原理，檢測環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)臭氧濃度，進而發(fā)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜的早期放電現(xiàn)象，在檢測的同時將信號傳輸回調(diào)度室，并根據(jù)不同的放電現(xiàn)象，設(shè)置不同的報警節(jié)點。吳敏秀[4]等利用機柜內(nèi)溫、濕度的變化，采用數(shù)字一體化溫、濕度傳感器，設(shè)計了一款智能在線監(jiān)控設(shè)備。該設(shè)備可實時獲取機柜內(nèi)環(huán)境溫、濕度，如超過閾值將啟動自動報警。劉泊辰[5]等采用對環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)所有電纜路的接頭溫度進行監(jiān)測的方法，建立了一種電纜線路接頭溫度監(jiān)測和火災(zāi)報警系統(tǒng)來實現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警。胡翔[6]等為完善環(huán)網(wǎng)柜火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計了一種基于一二次融合分布式DTU環(huán)網(wǎng)柜監(jiān)測系統(tǒng)，進而應(yīng)對復(fù)雜多變的環(huán)境。

隨著配網(wǎng)自動化和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，仿真技術(shù)逐漸被應(yīng)用于環(huán)網(wǎng)柜火災(zāi)預(yù)警中。張運雙[7]等基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實現(xiàn)了環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)電纜線路接頭溫度監(jiān)測與預(yù)警功能。徐衛(wèi)東[8]等為研究在強電磁環(huán)境下環(huán)網(wǎng)柜的溫度變化，利用Ansoft有限元和MATLAB溫度場仿真軟件對環(huán)網(wǎng)柜主要發(fā)熱導(dǎo)體進行有限元建模，并驗證了模型的準(zhǔn)確性。王寅超[9]等利用COMSOL仿真軟件研究除濕器的安裝位置對環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)溫度、濕度變化的影響。同時，計算機模擬能夠克服開閉所、環(huán)網(wǎng)柜、箱式變電站等全尺寸試驗存在的成本高、污染高、周期長等缺點，同時精度較高。本文通過 FDS（Fire Dynamics Simulator）仿真軟件建立全尺寸環(huán)網(wǎng)柜模型，模擬環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部電纜燃燒，確定電纜間隔內(nèi)溫度與煙密度變化最快的位置，并根據(jù)仿真模擬結(jié)果設(shè)計火災(zāi)預(yù)警與初步控制系統(tǒng)。

一、環(huán)網(wǎng)柜模型的構(gòu)建

（一）模型簡化與傳感器設(shè)置

FDS是美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會開發(fā)的火災(zāi)動力學(xué)模擬和分析軟件。該軟件能夠充分反映火焰燃燒現(xiàn)象以及燃燒過程中相關(guān)物理量的分布和變化[10-11]。其在火災(zāi)模擬方面的仿真與計算的準(zhǔn)確性已被大量的實驗研究所驗證。同時，F(xiàn)DS具有完整的程序架構(gòu)和強大的數(shù)據(jù)處理功能，并且已通過各種實驗驗證了其仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本文利用FDS模擬軟件對HXGW型環(huán)網(wǎng)柜進行1：1建模。在建模過程中，省略環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)外的非必要支撐，只保留一個電纜間隔，忽略環(huán)網(wǎng)柜壁面厚度，將壁面設(shè)置為材料鋼，保留電纜間隔內(nèi)的通風(fēng)口，并設(shè)置引燃源，簡化后的環(huán)網(wǎng)柜模型如圖1所示。

圖1 簡化后的環(huán)網(wǎng)柜模型

為了更準(zhǔn)確地找到電纜出現(xiàn)故障時，電纜間隔內(nèi)溫度與煙密度變化最快的位置，在仿真模型中設(shè)置了若干溫度傳感器和煙密度傳感器，電纜間隔內(nèi)傳感器位置如圖2所示，電纜間隔內(nèi)傳感器數(shù)量如表1所示。

圖2 電纜間隔內(nèi)傳感器數(shù)量

表1 燃燒室內(nèi)傳感器數(shù)量

（二）材料屬性與邊界條件設(shè)置

在FDS的場模擬中，需要在Materials與Surfaces模塊中定義與材料屬性和邊界條件相關(guān)的參數(shù)。其中，材料屬性包括體積密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、單位面積熱釋放速率、起燃溫度等。邊界條件包括進出口面設(shè)置、引燃源面設(shè)置、電纜表面幾何形狀、電纜表面切線邊界條件、護套初始內(nèi)部溫度等。

上述模型中的線芯材料設(shè)置為鋁；電纜絕緣層材料設(shè)置為交聯(lián)聚乙烯；電纜護套材料設(shè)置為聚氯乙烯；肘型電纜終端頭材料設(shè)置為硅橡膠；材料的體密度、單位面積熱釋放速率與起燃溫度采用仿真軟件自帶數(shù)值；通風(fēng)口設(shè)置為開放；引燃源的供火能量按照電纜阻燃性能檢測標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。

由于在FDS中數(shù)據(jù)的計算域傳遞是通過劃分網(wǎng)格進行的，可以說所有的計算過程都在網(wǎng)格中發(fā)生，參與計算的物質(zhì)將會被轉(zhuǎn)化為一個個規(guī)則的立方體，而本次數(shù)值模擬的對象實際上是圓柱體，這就可能使得計算過程在一定程度上失真，但FDS對于此類問題提供了解決的方法，對于軸對稱物體可以將電纜表面幾何形狀設(shè)置為“CYLINDRICAL”，對軸對稱物體進行圓柱體計算[12]。

聚乙烯絕緣料在制成電纜后，在加熱后會出現(xiàn)移行性，即出現(xiàn)流動與變形。

為了更接近于實際情況，將電纜表面切線邊界條件（Tangential Boundary Condition）設(shè)置為“No Slip”，將聚乙烯設(shè)置為有粘流體[13]。

二、仿真模擬結(jié)果

在生產(chǎn)實際中，可能由于工藝問題，造成電纜表面電場分布不均勻，出現(xiàn)電場集中的現(xiàn)象，當(dāng)負(fù)荷電流增大時，缺陷處會因電場集中而發(fā)熱甚至出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。本次模擬分別對肘型電纜終端頭和應(yīng)力錐兩個易發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域進行燃燒模擬。得到了熱釋放速率曲線、溫度曲線和煙密度曲線，并進行分析。

（一）應(yīng)力錐燃燒模擬

在初始環(huán)境溫度為20℃的情況下，對應(yīng)力錐區(qū)域進行60s燃燒模擬，熱釋放速率曲線如圖3所示。在0-38s區(qū)間熱釋放速率隨時間上升，之后隨時間下降，但在50s時發(fā)生了轟燃現(xiàn)象，50s時熱釋放速率與煙密度模擬圖如圖4所示。通過仿真對比發(fā)現(xiàn)，不是距離燃燒點較近的溫度傳感器變化最快，而是電纜正上方的溫度傳感器變化速率最快，因為電纜在燃燒過程中所釋放的熱量在電纜間隔這個相對密閉的空間中向上擴散，熱量在電纜間隔頂部集中，溫度傳感器曲線如圖5所示，22s時達到60℃，32s時達到120℃，50s后溫度上升速度減慢。在模擬過程中，當(dāng)煙密度傳感器感應(yīng)到煙時需啟動，顏色由紅色變?yōu)榫G色，仿真發(fā)現(xiàn)，位于電纜間隔頂部正中間位置的煙密度傳感器顏色最先變化，動作最快的煙密度傳感器曲線如圖6所示。

圖6 煙密度傳感器曲線

（二）肘型電纜終端頭燃燒模擬

在初始環(huán)境溫度為20℃的情況下，對肘型電纜終端頭區(qū)域進行60s燃燒模擬，熱釋放速率曲線如圖7所示，與應(yīng)力錐燃燒模擬相比，在0-27s間呈穩(wěn)步上升的趨勢，因火焰向上蔓延無可燃物，且橫向順肘型電纜終端頭蔓延速度較慢，固時間較短，沒有出現(xiàn)明顯的轟燃現(xiàn)象。雖然仿真模擬的燃燒位置發(fā)生了變化，但溫度變化速率最快的傳感器位置沒有變，溫度傳感器曲線如圖8所示，溫度上升速率基本無變化，18s時達到60℃，27s時達到120℃，且60s時溫度較應(yīng)力錐燃燒時高200℃。煙密度傳感器曲線如圖9所示，燃燒位置改變，煙密度反應(yīng)速度最快的位置相同，且增長速率相似。

圖7 熱釋放速率曲線

圖8 溫度傳感器曲線

圖9 煙密度傳感器曲線

三、結(jié)論

本文利用FDS對環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部電纜進行了全尺寸燃燒模擬，與傳統(tǒng)試驗相比可節(jié)約資源、保護環(huán)境。仿真模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)：環(huán)網(wǎng)柜電纜間隔內(nèi)不同位置發(fā)生燃燒時，電纜頂部的溫度傳感器變化速率最快，并且煙密度傳感器反應(yīng)速度最快；當(dāng)電纜應(yīng)力錐部位發(fā)生燃燒時，如不及時采取措施，電纜間隔內(nèi)會出現(xiàn)轟燃現(xiàn)象，在制作電纜終端頭時，應(yīng)多加注意該位置的工藝精度。