開放與受限條件下電纜燃燒特性模擬對比研究

白宇濤,高 飛,于 唯,屠 越,儀 濤

(1.國網江蘇省電力有限公司南京供電分公司,南京,210009;2.中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司,南京,211102)

0 引言

電網系統作為城市電力系統的重要組成部分,在城市建設和發展中起到了至關重要的作用。電網供、輸電系統通常采用高壓輸電線和城市配電網高架的形式架設在城市高空,但隨著我國社會經濟發展以及城市化進程的不斷推進,土地資源越來越緊張,高空電線對城市建設的限制開始顯現出來。因此,城市配電網高架的形式逐漸減少,在受限空間內(電纜溝、電纜隧道)敷設高壓電纜的方式逐漸成為城市建設的優選。這種方式不僅滿足了城市建設的用電需求,便于日常的電纜維護檢修,還緩解了建設項目用地緊張的現狀,合理地利用了規劃空間。

但由于受限空間具有空間狹小、通風受限的特殊性[1],一旦發生火災,熱煙氣將匯聚在電纜溝內,溫度可在短時間內急劇上升至千度,火勢蔓延極快,往往會導致巨大的經濟財產損失,甚至造成大規模的城市電力癱瘓事故[2-4]。例如2008年2月13日,內蒙古豐鎮市地下電纜火災事故造成豐鎮市大規模停電,電纜過火長度超288 m,18根電纜被燒斷,造成了巨大的經濟損失[5];2016年10月12日日本琦玉縣地下輸電線火災造成琦玉縣大規模停電,約58.6萬棟房屋受影響,造成了無法估量的經濟損失。

目前,關于電纜火災的研究主要集中在電纜燃燒性能[6-8]、受限空間內的火災行為[9-13]、電纜橋架火災特性[14-16]和安全設計評估[17,18]等方面。Tewarson等[19]研究了不同煙氣濃度下電纜火災豎向蔓延特征,測量了蔓延過程中的熱釋放速率、蔓延速率等火災參數,并給出了電纜豎向蔓延速率計算公式;Konno等[20]研究了不同氧濃度下電纜火災蔓延情況,量化分析了不同材質的電纜火焰結構和火蔓延速率,并提出了相關火災發展的理論模型;滴落物燃燒作為電纜區別于一般可燃物的特性也受到了廣泛的關注,王勇等[21]針對垂直布置常見的PE、PP等熱塑性材料受熱后的熔融物滴落行為進行研究,建立了材料熔融物的質量損失速率模型;Xie等[22,23]研究PE熱塑性材料在熔融、滴落及流動狀態下的燃燒行為并對燃燒過程中的火災參數進行量化分析。

然而,目前針對在開放和受限條件下電纜燃燒行為的對比分析少有報道,同時研究不同布置間距下的電纜燃燒特性,能夠為電纜工程建設及消防設計提供理論參考。因此,本文擬通過FDS對開放及受限兩種條件下的電纜燃燒特性進行數值模擬,并圍繞電纜布置間距對電纜燃燒的影響,對比分析兩種形式下的電纜燃燒行為。

1 模型及工況設置

針對受限條件下電纜燃燒特性,設計了9 m(長)×1.05 m(寬)×0.62 m(高)的電纜溝模型,兩端為自然開口,管廊壁面材料設置為內置材料-混凝土,壁面及頂板厚度為0.15 m,而開放條件不設電纜溝側壁及頂板,具體如圖 1所示。在兩種條件下均敷設3根3 m長的220 kV大截面高壓電纜,其截面為直徑0.16 m 的圓形,電纜材料設置為61.5%的聚氯乙烯(PVC)和38.5%的銅。電纜軸心位置距離電纜溝頂板高度為0.28 m。為模擬真實電纜溝內的電纜布置形式,每根電纜由鋼制獨立管扣固定,管扣外側形狀為矩形,內側截面形狀為厚度0.1 m、直徑0.17 m的圓形,管扣與電纜相貼合,模型中一共使用了6個管扣。電纜通過支撐結構固定在底板上方0.25 m處。該支撐結構由尺寸為0.1 m(長)×0.1 m(寬)×0.2 m(高)的混凝土支撐柱以及尺寸為0.9 m(長)×0.2 m(寬)×0.05 m(高)支撐板組成,每一截面位置布置兩根支撐柱,整個模型一共布置4根,在支撐柱上設置混凝土支撐板,板柱連接處設置了鋼制固定塊,電纜管扣固定在支撐板上。本文設計了0.15 m(長)×0.15 m(寬)×0.15 m(高)的固體加熱源,布置在中間電纜中部下側,用于引燃高壓電纜,其中固體加熱源溫度為2 500 ℃,以模擬電纜短路條件下的極端溫度。環境溫度為20 ℃,環境壓力為標準大氣壓。

圖1 數值模擬模型Fig.1 Numerical simulation model

在開放條件及受限條件下,均在距離電纜上表面0.2 m處(位置A)設置溫度、O2濃度測點。按照模擬中電纜完全燃燒的熱釋放速率,計算FDS模型模擬網格尺寸,確定火災規模為：

(1)

模型網格尺寸劃分按照FDS中有關于網格尺寸確定的指導方式計算確定[25]：

(2)

式中,D*為火源特征直徑,m;ρa為環境密度,取 1.164 kg/m3;cp為比熱,此處取值1.01 kJ/(kg·℃);Ta為環境溫度,K;g為重力加速度,取9.81 m/s2。

D*/δx為火源跨越網格單元數量(δx：網格尺寸,m),據FDS技術手冊,D*/δx宜取4 ～16,即得出網格尺寸δx應小于0.209 m,因此,網格尺寸采用0.05 m×0.05 m×0.05 m。

本文工況設置情況如表1,其中電纜間距指電纜外緣之間的距離。

表1 工況表Table 1 Work condition

2 開放與受限條件下電纜燃燒行為分析

圖 2展示了開放條件下不同電纜間距(K-1～K-5)的溫度分布云圖?？梢园l現,當電纜被點燃后,火焰主要在垂直方向蔓延,緊貼電纜上方的溫度分布比較均衡,均為1 200 ℃左右;隨著燃燒持續進行,高溫區域增加,同時最高溫度值要高于其他時間節點?？梢耘袛喑鲈陂_放條件下不同間距電纜火災規模差距不大,空氣供應充分,整個階段的燃燒均屬于燃料控制型。圖3為工況A-1電纜燃燒溫度分布云圖。受限條件下電纜燃燒以電纜管廊中心為軸對稱向兩側橫向蔓延,電纜溝頂部的溫度比較均勻,整體已經形成完全的高溫區域;在300 s時,管廊內整體溫度明顯下降,但火焰仍在持續,電纜溝內整體溫度直至800 s后才完全降低,明顯區別于開放條件下的電纜燃燒溫度分布特征。

圖3 受限條件下電纜溝整體溫度變化( A-1工況)Fig.3 Overall temperature change of the cable trench under confined condition (A-1 condition)

3 開放條件下電纜燃燒特性分析

3.1 頂部溫度變化

通過選取電纜中間正上方的溫度測點,能夠進一步研究開放條件和受限條件下不同布置間距電纜火災的溫度變化特征。圖4展現了開放條件下電纜火災的溫度變化情況,圖5～圖9對比了受限與開放工況在不同電纜間距條件下的溫度曲線?？梢园l現,在開放工況下,溫度長期處于峰值附近,且波動更小;而在受限條件下,溫度峰值低于開放條件且波動更大。這說明在開放條件下有充足的空氣供應保證燃燒進行,相較于受限條件,開放條件的燃燒更加穩定、充分。

圖4 開放條件下不同間距對位置A處溫度的影響Fig. 4 Influence of different distances on the temperature at position A under open condition

圖5 在100 mm電纜間距下,位置A處溫度對比情況Fig. 5 Temperature comparison at position A under the cable of 100 mm spacing

圖6 在125 mm電纜間距下,位置A處溫度對比情況Fig. 6 Temperature comparison at position A under the cable of 125 mm spacing

圖7 在150 mm電纜間距下,位置A處溫度對比情況Fig. 7 Temperature comparison at position A under the cable of 150 mm spacing

圖8 在175 mm電纜間距下,位置A處溫度對比情況Fig. 8 Temperature comparison at position A under the cable of 175 mm spacing

圖9 在200 mm電纜間距下,位置A處溫度對比情況Fig. 9 Temperature comparison at position A under the cable of 200 mm spacing

在加熱初期,受限條件下電纜更容易被點燃。在火災初期,電纜內空氣還相對充足,同時因為環境受限,熱源產生的熱量會聚集在電纜周圍加熱電纜,使電纜點燃時間更短。而開放條件下,部分熱量會發散到開放環境中,進而導致電纜引燃時間更久。通過圖5～圖9可以發現,在開放條件下,電纜引燃初期測點處溫度上升更慢。

隨著燃燒的持續進行,開放工況的溫度開始下降,溫度測點位置處的溫度下降到400 ℃。同時,受限條件下的電纜燃燒時間較久,溫度下降速度低于開放工況。

此外,受限條件下電纜上方溫度逐漸下降時,出現了溫度突升的現象(復燃),且受限工況組的溫度顯著高于開放工況組。在開放工況條件下,300 s后溫度已經下降至較低水平,其中K-1和K-2工況中,溫度仍在浮動;當電纜間距較小時,電纜燃燒持續時間更久,而間距越大,溫度衰減越快。臨界間距出現在125 mm處,當電纜間距超過這一水平時,電纜溫度波動程度減弱。此外,在開放條件下,由于供氧條件充足,燃燒更充分,溫度峰值更高且波動更小。其中,間距為125 mm工況加熱段的升溫速度較快,待燃燒后期呈現波動下降趨勢,并沒有出現溫度驟減情況?？梢婇_放條件下電纜間距對電纜燃燒效率存在一個最佳間距。

當電纜間距大于175 mm,開放條件下電纜燃燒波動性增強,且溫度峰值下降,而間距為200 mm時開放條件下的溫度峰值與受限條件相差不大,具體如圖8所示。這主要是由于電纜間距增大,正在燃燒的電纜較難引燃大間距的兩側電纜,即3根電纜的燃燒獨立性增強了。而在受限條件下,火焰被限制在一定空間范圍內,3根電纜的火焰獨立性在大間距條件下較弱,因此其穩定性要強于該間距下的開放工況。

圖2 開放條件下不同間距電纜燃燒溫度變化Fig.2 Temperature change of cables combustion with different distances under open condition

O2濃度是判斷發生火災時受困人員以及救援人員生命安全的重要指標。圖10給出了開放條件與受限條件下不同電纜間距對電纜燃燒時測點處O2濃度的影響?？梢园l現,開放條件下通風情況良好,為燃料控制型燃燒模式,電纜燃燒過程中O2濃度緩慢下降,下降速率隨電纜間距增加而降低;而在受限條件下,電纜溝內空氣含量有限,僅在加熱點燃初期為燃料控制型燃燒,當電纜被點燃后,電纜溝內空氣被迅速消耗,燃燒轉為通風控制型燃燒,在較短的時間消耗大量O2,導致O2濃度維持在較低水平。此外,在開放條件下,消耗的O2濃度在燃燒結束后迅速增加至初始值,增加速率隨電纜間距增大而增加;而在受限條件下,由于通風條件的限制,O2濃度在300 s左右時緩慢上升,而在400 s左右時突降,這主要是由于出現復燃現象導致的,隨后緩慢恢復至O2濃度初始值。

圖10 兩種條件下不同間距對位置A處O2 濃度的影響Fig.10 Influence of different distances on the O2 concentration at position A under two conditions

4 結論

(1)開放條件下的電纜燃燒主要屬于燃料控制型,而受限條件的電纜燃燒主要屬于先燃料控制型,后通風控制型;

(2)在開放條件下,氧氣充足,燃燒更為充分,形成的火焰高度及溫度更高,更容易引燃上方可燃物體。而在受限條件下,電纜火焰受到頂板限制后形成的頂棚射流,會加強火焰對電纜的熱輻射作用,有助于電纜燃燒;

(3)針對受限條件,由于側壁的存在,電纜燃燒過程中的空氣卷吸受到了一定的限制,由于通風不足,受限空間內的O2濃度逐漸下降,電纜燃燒受到抑制,而隨著空氣的補充,電纜極可能出現復燃現象;

(4)兩種條件下電纜間距對燃燒的影響均較為明顯,當間距較小時,燃燒電纜之間的影響顯著,燃燒更為劇烈,而隨著電纜間距增大,燃燒電纜間的相互熱輻射減弱,更接近于單根電纜的獨立燃燒,其中開放條件相對更為明顯。

值得注意的是,本文以大截面高壓電纜為研究對象開展數值模擬分析,探究了開放與受限兩種條件下高壓電纜的燃燒行為,對高壓電纜復雜結構進行了一定程度的簡化,所獲得的結論也主要適用于上述參數設定的條件。此外,電纜燃燒過程也受到外界因素影響,需要對此深入研究。