电缆隧道通风流速对内部高温区影响的研究

王淼 刘刚 甘长德

东华大学环境科学与工程学院

电力电缆隧道在运行的过程中，电缆作为一种电阻，在时刻向外散发热量。对于国内很多电力电缆隧道而言，大部分的电缆隧道设计仅仅当作电缆沟来看，基本上不考虑隧道的通风问题[1]。国家在颁布有关电缆隧道方面的专用标准规范《电力电缆隧道设计规程》中[2]，只简单提及了电缆隧道的排风温度应按照《小型火力发电厂设计规范》[3]：“电缆隧道通风，应按照夏季排风温度不超过40℃，进风和出风温度差不超过10℃”，且对于隧道中高温区的控制以及通风系统也没有门的要求。电缆隧道的相关研究文献对于隧道内的电缆发热所造成的高温区及削弱手段也少有研究。通风对于电缆隧道的运行至关重要，电力输送导致电力隧道内的空气温度不断累加上升，长此以往，过高的隧道内环境温度会造成电缆线路的载流量减少无法满载运行并减少电缆外皮绝缘层的使用寿命[4]，对电力隧道的运行的安全稳定性产生影响[5]。所以，通过选用相关有效措施来降低电缆隧道内环境的空气温，保证电力隧道的平稳运行。对于隧道内的换热情况进行研究，考虑到隧道较长，无法实地进行实验性研究，因此使用CFD的模拟方法对隧道内的通风换热进行分析[6]，为后续的隧道内风量的设计提出了参考依据[7]。

1 工程概况

本文以中国南方福建某地的地下高压220 kV电力电缆隧道为研究对象，隧道位于地下8 m位置处。高压电力线路在电力输送时，电缆线路作为一种发热体，在运行时会向外界散发热量，若不及时排出，热量累积会造成隧道内的空气温度较高，必须通过通风的方式来将隧道内的产热及时排出，降低隧道内的环境温度。当地的实际气象条件参数以及隧道内电缆的发热量为依据，通过三维数值模拟的方式，分析隧道在不同断面风速的情况下隧道内高温的变化规律情况。

2 研究模型及设计

2.1 物理模型

以某隧道的实际尺寸为依据，截取隧道长度150 m作为计算物理模型。隧道为圆形管状，直径为2.4 m，扣除隧道内找平地面后隧道横断面空气流通4.14 m2，隧道外层土壤厚度为3 m。在隧道入口及出口处各有一防火隔断门，大小为1.9 m×0.8 m，隧道计算模型和隧道横断面布置分别如图1和图2所示：

图1 2.4 m隧道通风换热计算模型

图2 2.4 m隧道通风换热计算模型

2.2 模型网格及求解条件

由于电缆隧道较长，长宽比例悬殊，在生成模型时网格数量较多。所以非结构性的网格进行划分，并对网格自行加密。使用Fluent软件进行模拟，求解器设置如表1所示：

表1 Fluent求解器设置

模拟计算的边界条件分别为：隧道入口处设为等速度边界条件，速度值为隧道入口风速，温度值为当地夏季室外通风温度。隧道出口设为压力边界条件，压力值为室外的大气压力，温度为室外计算通风温度。土壤温度取当地实际温度，为第一类边界条件。电缆隧道的发热设为第二类定热流密度边界条件，取值根据电力部门给出的正常负荷运行工况下的发热量为依据进行计算。隧道内壁面的摩擦阻力系数取根据混凝土隧道壁面相关参数取值。

3 计算结果及分析

在2.4 m隧道内，进风温度风取当地夏季通风计算参数33.1℃，通风风量取值为隧道断面流速为0.5 m/s的风量8600 m3/h，隧道外层土壤温度根据当地实际条件取23℃，电缆发热量根据电力部门所给资料为输电线路正常负荷运行工况下的发热量100 W/m。

根据模拟结果表明，在隧道进风温度为33.1℃，断面风速为0.5 m/s的情况下，此时隧道通风风量稍大于六次换气次数。隧道排风口处的出风温度为37℃，对于这个温度，就国标的规定来说，隧道出口处的排风温度满足相关规范的要求不超过40℃。

对于电缆隧道内的高温热点区域无法从出风温度处进一步体现。通过观察图3、图4隧道横截面的温度云图不难发现，隧道内通风温度较高的区域主要集中在电缆与电缆的间隔位置处，所以定义电缆间隔中心位置处为隧道内的高温区，通过进一步研究电缆间隔位置处的温度变化来研究隧道内高温区域的变化情况。

图3 隧道75 m处断面温度分布

图4 隧道150 m处断面温度分布

如图5所示，取电缆与电缆之间的中心点导出电缆间隔位置处在隧道轴向方向的温度，观察其在隧道轴向方向的温度变化情况。因为左右电缆间隔对称，所取单侧右侧电缆间隔出的温度绘制曲线图。

图5 隧道内电缆间隔处间隔位置意图

图6 2.4 m隧道截面0.5 m/s风速时电缆间隔处温度变化规律

由图6可见，对于0.5 m/s的断面流速的通风情况下，由于隧道内空气断面流速较低，电缆间隔位置处的温度升高较为明显，间隔位置处温度呈上侧间隔处温度较低，下侧间隔位置处温度较高，这是由于在电缆布置时上侧间隔空间较大而下侧间隔空间较小。下侧间隔位置处的温度在靠近隧道出口处最高温度超过50℃，达到51.3℃，温度较高。

虽然国标只针对隧道出口位置处的排风温度要求在低于40℃，但是对于隧道内的具体通风系统的布置和环境温度等并无具体要求。输电线缆的周围产生较高的空气环境温度，会使得电缆线路在运行过程中造成载流量的下降和加速电缆线路的老化。所以，通过适当的通风方式来降低电缆周围的高温区进行十分重要。

通过在原来隧道模型的基础之上，其他边界条件不改变，提高隧道内空气的断面流速，观察对于隧道内高温区的改善情况。模拟的断面流速分别取1 m/s（15700 m3/h）和 1.5 m/s（23500 m3/h）和上述的结果进行比较。

根据模拟结果表明，在隧道空气断面流速为1m/s的情况下，此时风量15700 m3/h，出口位置处排风温度为35.3℃，相比之前37℃的排风温度进一步降低。对于电缆隧道内电缆间间隔位置处，如图7所示，电缆间隔处的温升较幅度较之前相比已经趋于缓和，温度的最高点位于下侧电缆靠近隧道出口位置处为43.7℃。较0.5 m/s空气断面流速下的间隔处温度最高点51.3℃相比，温度下降明显，电缆间隔位置处的最高温度下降7.6℃。由此可见，保证电缆隧道内的断面内合理空气流速对于削弱电缆隧道内高温区至关重要。

图7 2.4 m隧道截面1 m/s风速时电缆间隔处温度变化规律

在隧道空气断面流速为1.5 m/s的情况下，此时风量23500 m3/h，出口位置处排风温度为34.5℃，相比之前1 m/s的断面风速的工况排风温度进一步降低。对于电缆隧道内电缆间间隔位置处，如图8所示，电缆间隔处的温升较幅度较之前相比更加缓和，温度的最高点仍然位于下侧电缆靠近隧道出口位置处，为41.4℃。较上述1 m/s空气断面流速工况下的电缆间隔处温度最高点43.7℃相比，温度略有下降不明显。

图8 2.4 m隧道截面1.5 m/s风速时电缆间隔处温度变化规律

4 结语

1）对于2.4 m管径的电缆隧道，在隧道断面空气流速为0.5 m/s，电缆发热量为100 W/m进风温度为夏季室外通风温度33.1℃的情况下，出口处排风温度为37℃，满足相关标准规范出口处排风温度低于40℃，进出口通风温差低于10℃的要求。但电缆间隔位置处温度较隧道内其他区域相比明显较高，可认为是隧道内的高温区，其温度在隧道轴向方向温升较快，温度最高点在靠近隧道出口处下侧电缆间隔处，为51.3℃。

2）电缆隧道内的高温区主要分布在上下两根电缆的间隔位置处，通过提高隧道内断面的空气流速能有效削弱电缆隧道内的高温，保证电力隧道的安全运行和延长电缆使用寿命。

3）将隧道断面空气流速提高到1 m/s时，电缆间隔位置处温升趋明显减缓。间隔位置处的最高温度在靠近排风口位置处为43.7℃，和原0.5 m/s隧道断面风速下的最高温度51.3℃相比下降明显，电缆间隔位置处的最高温度下降7.6℃。再进一步将断面空气流速控制在1.5 m/s时，电缆间隔位置处温度较高为41.4℃，电缆间隔处的温度相比1m/s的断面空气流速时略有下降但不明显，最高温度仅仅下降2.3℃。在通风系统的实际运行过程中，考虑到通风系统的相关运行能耗，建议将隧道内的断面空气流速控制在1 m/s左右。