張 皓，馬國(guó)慶，姚金霞，李鵬飛，段玉兵

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

近年來(lái)，隨著電網(wǎng)建設(shè)的步伐加快，電網(wǎng)智能化建設(shè)水平逐步提高，變電站數(shù)量及電纜規(guī)模大幅增加。電纜是輸電系統(tǒng)的重要組成部分，幾乎遍布整個(gè)變電站及城市地下管廊，且電纜具有易燃性、著火后具有串延性［1-6］，一旦發(fā)生火災(zāi)，將會(huì)嚴(yán)重影響電網(wǎng)生產(chǎn)部門(mén)的正常生產(chǎn)工作，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還影響到地方經(jīng)濟(jì)的成長(zhǎng)和附近地區(qū)人們的日常生活。由于電纜安全運(yùn)行的防火措施比較單一［7-11］，對(duì)于電纜火災(zāi)隱患尚不能做到及時(shí)有效的控制，因此針對(duì)電纜溝道的防火措施性能的研究亟不可待。

對(duì)運(yùn)行的電纜采取有效的防火及監(jiān)測(cè)預(yù)警措施，可以避免電纜火災(zāi)事故的發(fā)生，對(duì)電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行有非常重要的意義，國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者進(jìn)行相關(guān)研究。趙永昌等［12］通過(guò)研究綜合管廊電力艙室內(nèi)火災(zāi)初期溫度場(chǎng)，得到火災(zāi)條件下地下綜合管廊內(nèi)的煙氣溫度衰減規(guī)律以及煙氣蔓延規(guī)律。彭玉輝［13］揭示了火災(zāi)條件下火災(zāi)煙氣在電纜所在空間的遷移蔓延規(guī)律。戴文濤［14］分析了目前電纜隧道火災(zāi)探測(cè)應(yīng)用技術(shù)與其存在的問(wèn)題，研究了電纜隧道的火災(zāi)特點(diǎn)及探測(cè)預(yù)防技術(shù)。王明年等［15］采用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)三維模擬軟件建立全尺寸火災(zāi)模型，分析了電纜艙室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展過(guò)程及煙氣溫度分布規(guī)律，研究了艙室截面尺寸對(duì)電纜火災(zāi)熱釋放速率的影響規(guī)律。羅夏等［16］通過(guò)分析不同電纜間隙的豎向電纜燃燒過(guò)程中質(zhì)量損失速率，得到電纜間隙與電纜燃燒速率的關(guān)系。王方舜［17］通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamic，CFD）模擬綜合管廊內(nèi)電纜火災(zāi)發(fā)展過(guò)程，得到不同工況下的管廊內(nèi)熱釋放速率、管廊內(nèi)溫度分布、管廊內(nèi)煙氣擴(kuò)散及一氧化碳濃度分布等情況；郝冠宇［18］利用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件（Fire Dynamics Simulator，F(xiàn)DS）建立管廊模型進(jìn)行分析，得到了電纜艙內(nèi)電纜火災(zāi)期間的火勢(shì)發(fā)展、煙氣擴(kuò)散和溫度變化等規(guī)律；Roberto Passalacqua 等［19］從電力電纜線路布置方式的角度出發(fā)，對(duì)火災(zāi)橫向縱向蔓延趨勢(shì)進(jìn)行了分析。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)電纜分層敷設(shè)方式對(duì)變電站電纜溝火災(zāi)蔓延的影響研究相對(duì)較少，而電纜溝道火災(zāi)蔓延趨勢(shì)研究，是提升電纜線路火災(zāi)防護(hù)能力、實(shí)現(xiàn)通道火災(zāi)預(yù)警及自動(dòng)滅火的基礎(chǔ)性研究。

采用PyroSim 分析軟件建立基于有限元模擬的地下電纜溝火災(zāi)蔓延仿真模型，研究電纜不同分層敷設(shè)方式對(duì)變電站電纜溝火災(zāi)蔓延的影響。研究表明，電纜溝火災(zāi)蔓延以縱向蔓延為主，電纜層數(shù)對(duì)火勢(shì)發(fā)展有顯著影響，適當(dāng)減少敷設(shè)的電纜層數(shù)可有效延緩火勢(shì)發(fā)展，降低火災(zāi)造成的損失。

1 地下電纜溝道火災(zāi)蔓延仿真建模

地下電纜溝道火災(zāi)蔓延仿真模型設(shè)定為變電站35 kV 出線電纜隧道，模擬設(shè)置熱電偶、煙氣探測(cè)器和煙氣含量切片設(shè)備。電纜溝道仿真模型如圖1 所示，長(zhǎng)16.6 m，寬2 m，高2.5 m。電纜溝道側(cè)壁、頂壁為混凝土結(jié)構(gòu)，底部敷設(shè)0.1 m 的防火磚。三相電纜“一”字型排列于同一層支架，電纜半徑為0.04 m，每相電纜間距為0.04 m。電纜由鋼支架支撐，鋼支架間距為1 m。

圖1 電纜溝道仿真模型示意

四層電纜敷設(shè)的隧道，底層電纜距地面距離為0.2 m，層與層間距為0.53 m，最頂層電纜距頂壁為0.39 m；五層電纜敷設(shè)的隧道，底層電纜距地面距離為0.2 m，層與層間距為0.4 m，最頂層電纜距頂壁為0.3 m。

2 火勢(shì)蔓延趨勢(shì)仿真分析

在電纜下方設(shè)置燃燒面來(lái)模擬電纜燃燒釋放的熱量，燃燒面積設(shè)定為0.4 m2，燃燒位置設(shè)置于底層中部，火源功率為3.2 MW，圖2、圖3 為火勢(shì)蔓延的過(guò)程。

圖2 四層電纜敷設(shè)條件下火勢(shì)蔓延過(guò)程

圖3 五層電纜敷設(shè)條件下火勢(shì)蔓延過(guò)程

由圖2 可知，四層電纜敷設(shè)條件下，當(dāng)?shù)讓与娎|燃燒時(shí)，電纜縱向燃燒，火勢(shì)蔓延于火源附近的底層電纜及上一層的電纜?；鹎榘l(fā)生到159 s 時(shí)，第二層電纜發(fā)生燃燒并逐漸擴(kuò)大；火情發(fā)生到512 s 時(shí)，第三層電纜出現(xiàn)明顯的燃燒。隨著溫度升高，炙熱的煙氣沖到電纜溝道頂層，使得最上層電纜發(fā)生熱解，但在600 s時(shí)間內(nèi)最上層電纜未燃燒。

由圖3 可知，五層電纜敷設(shè)條件下，火情發(fā)生到98 s 時(shí)，第二層電纜發(fā)生燃燒并逐漸擴(kuò)大；火情發(fā)生到395 s 時(shí)，第三層電纜出現(xiàn)明顯的燃燒；火情發(fā)生到530 s時(shí)，第四層電纜開(kāi)始燃燒。

電纜不同分層敷設(shè)方式下從火勢(shì)蔓延過(guò)程如表1所示。時(shí)間上來(lái)看，四層電纜敷設(shè)時(shí)，從第一層蔓延至第二層用了120 s，從第二層蔓延至第三層用了350 s，縱向蔓延速度變慢；五層電纜敷設(shè)時(shí)，從第一層蔓延至第二層用了67 s，從第二層蔓延至第三層用了297 s，從第三層蔓延至第四層用了135 s左右的時(shí)間，縱向蔓延速度先慢后快。

表1 電纜不同分層敷設(shè)方式下火勢(shì)蔓延過(guò)程 單位：s

隨著電纜層數(shù)由四層變?yōu)槲鍖樱?dāng)?shù)讓与娎|發(fā)生燃燒時(shí)，火災(zāi)縱向蔓延速度明顯加快。五層電纜敷設(shè)時(shí)，火勢(shì)蔓延至第二層耗時(shí)98 s，比四層敷設(shè)快40%；火勢(shì)蔓延至第三層耗時(shí)395 s，比四層敷設(shè)快23%。由此可知電纜層數(shù)的增加，加快了火勢(shì)蔓延速度。

3 電纜溝道溫度場(chǎng)分析

火災(zāi)發(fā)生時(shí)，熱量交換作用直接影響到火情發(fā)展趨勢(shì)。模型中將溫度傳感器設(shè)置在火源點(diǎn)正上方1.4 m（火源點(diǎn)附近）和距離火源點(diǎn)水平距離15 m 正上方1.4 m（非火源點(diǎn)附近）。電纜溝道內(nèi)部溫度變化曲線如圖4所示。

圖4 電纜溝道內(nèi)部溫度變化曲線

由圖4 可知，電纜分層敷設(shè)方式對(duì)火災(zāi)后電纜溝道溫度場(chǎng)的影響不大，在火源點(diǎn)附近的溫度場(chǎng)基本一致，考慮非火源點(diǎn)附近溫度場(chǎng)時(shí)，在五層電纜敷設(shè)的條件下其整體溫度比四層電纜敷設(shè)溫度平均略低30 ℃。在150 s 后，火源點(diǎn)附近區(qū)域溫度穩(wěn)定在550 ℃上下，而非火源點(diǎn)附近區(qū)域的平均溫度也穩(wěn)定在275 ℃上下。

在非火源點(diǎn)附近分別選取4 個(gè)點(diǎn)，縱向高度依次為0.1 m、0.4 m、0.9 m 和1.4 m，各點(diǎn)溫度變化曲線如圖5所示。

圖5 非火源點(diǎn)附近區(qū)域不同高度溫度曲線

在電纜溝道發(fā)生火災(zāi)以后，非火源區(qū)域溫度場(chǎng)存在著明顯的分層現(xiàn)象，溫度隨著縱向高度的增加而逐漸增加。電纜燃燒后產(chǎn)生的炙熱煙氣漂浮于電纜溝道頂層是形成溫度場(chǎng)分層現(xiàn)象的主要原因。

4 氣體濃度分布規(guī)律及分析

常見(jiàn)電纜（如交聯(lián)聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯緣等）發(fā)生燃燒時(shí)，當(dāng)主絕緣燃燒充分時(shí)，產(chǎn)生CO2；當(dāng)主絕緣燃燒不充分時(shí)，產(chǎn)生CO；并且電纜常用材料含氯聚合物，燃燒會(huì)產(chǎn)生HCl。因此，CO、CO2、HCl、O2常作為表征有機(jī)聚合物材料火災(zāi)狀態(tài)的指標(biāo)。模型中設(shè)置了CO 氣體探測(cè)器、CO2氣體探測(cè)器、HCl 氣體探測(cè)器、空氣質(zhì)量探測(cè)器，布置于火源正上方棚頂位置。

4.1 有毒氣體分布規(guī)律

圖6 為溝道內(nèi)部CO、HCl 等有毒氣體的平均摩爾濃度變化曲線。

圖6 電纜溝道內(nèi)部有毒氣體摩爾濃度變化曲線

根據(jù)圖6 分析發(fā)現(xiàn)四層電纜敷設(shè)方式下所產(chǎn)生的CO 和HCl 要明顯的低于五層敷設(shè)；四層敷設(shè)方式下CO 產(chǎn)生時(shí)間要更早更快，但穩(wěn)定后的摩爾濃度水平低很多；HCl 的產(chǎn)生時(shí)間和速度在兩種敷設(shè)條件下基本同步。

研究中發(fā)現(xiàn)火災(zāi)過(guò)程中電纜溝道內(nèi)有毒氣體濃度呈現(xiàn)出顯著地分層現(xiàn)象。圖7 為各時(shí)間點(diǎn)有毒氣體摩爾濃度切片示意。

圖7 各時(shí)間點(diǎn)有毒氣體摩爾濃度切片示意

圖7 所示，在電纜燃燒過(guò)程中，有毒氣體濃度隨著縱向高度的增加而升高，這一結(jié)論對(duì)電纜溝道災(zāi)后救援有著指導(dǎo)性意義。

4.2 空氣組分氣體分布規(guī)律

圖8 為溝道內(nèi)部CO2、O2等空氣組分氣體的平均摩爾濃度變化曲線。

圖8 電纜溝道內(nèi)部各氣體平均摩爾濃度變化曲線

對(duì)兩種電纜敷設(shè)方式下的氣體濃度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)四層電纜敷設(shè)方式下電纜燃燒所產(chǎn)生的CO2濃度略高于五層敷設(shè)，電纜溝道內(nèi)剩余的O2含量也略高于五層敷設(shè)。

4.3 分析

產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因在于當(dāng)發(fā)生電纜溝道火災(zāi)時(shí)，四層敷設(shè)方式下燃燒更為充分，所產(chǎn)生的CO2含量略高，五層電纜敷設(shè)方式下不充分燃燒的概率更大，所產(chǎn)生的有毒氣體CO 含量要高于四層敷設(shè)。另外，在單位時(shí)間段內(nèi)五層電纜敷設(shè)方式下的可燃物更多，所以釋放產(chǎn)生的HCl氣體更多。

綜上所述，當(dāng)發(fā)生電纜溝道火災(zāi)時(shí)，四層電纜敷設(shè)方式下所釋放的有毒氣體濃度要比五層電纜敷設(shè)方式顯著降低，故四層電纜敷設(shè)方式要優(yōu)于后者；同時(shí)有毒氣體濃度分布存在顯著分層現(xiàn)象，有毒氣體濃度隨著縱向高度增加而升高。

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究了變電站電纜溝內(nèi)電纜不同分層敷設(shè)方式對(duì)火災(zāi)蔓延趨勢(shì)的影響，得出如下結(jié)論：

1）電纜溝道火災(zāi)蔓延以縱向蔓延為主，四層電纜敷設(shè)方式與五層電纜敷設(shè)相比，可有效地減緩火勢(shì)的縱向蔓延速度，減少電纜火災(zāi)損失。

2）電纜分層敷設(shè)方式對(duì)火災(zāi)后電纜溝道溫度場(chǎng)的影響不大，在電纜溝道火災(zāi)過(guò)程中，溫度場(chǎng)存在分層現(xiàn)象。

3）當(dāng)發(fā)生電纜溝道火災(zāi)時(shí)，四層電纜敷設(shè)方式下所釋放的有毒氣體濃度要比五層電纜敷設(shè)方式顯著降低，同時(shí)有毒氣體濃度分布存在顯著分層現(xiàn)象。