隧道电缆的火灾影响因素与仿真分析

2020-04-09闫广颖韩艾强牛慧芳

山东农业大学学报（自然科学版） 2020年1期

闫广颖，郭达，韩艾强，牛慧芳

国网太原供电公司，山西太原 030012

随着我国经济的快速发展，城市基础建设越来越受到重视[1]。传统的城市架空电力线难以维护和破坏城市形象，作为地下结构的电缆隧道在城市中的应用越来越多[2]。它可以在不破坏地面景观的情况下方便输电线路的扩展和维护。然而，由于电缆材料的易燃性，电缆火灾在世界范围内经常发生并造成重大损失。电缆隧道作为一个封闭的地下空间，一旦发生火灾，可能造成严重经济损失和人员伤亡。因此，研究地下电缆隧道的防火因素具有重要的现实意义。

目前，国内外研究人员对电缆隧道的火灾风险进行了深入的研究。在文献[3]中，对核级电缆进行了多种外部热辐射和护套厚度的燃烧实验，得到了电缆的热释放效率和质量损失率等燃烧特性；在文献[4]中，对电缆隧道火灾进行了数值模拟，主要对火灾分布和故障进行研究。仿真表明，该系统可以将隧道内的热量释放率降至10%以下。在文献[5]中，主要分析了隧道起火的原因和各种灭火系统的性能比较，并提出了一种城市隧道自动灭火系统的最佳解决方案。这些研究为电力电缆隧道火灾的风险分析提供了理论依据。

在此背景下，在分析电缆火灾的致因的基础上，并结合流体力学模型和燃烧模型的计算原理，对不同工况下电缆燃烧后的温度和燃烧速率进行了仿真。

1 模型建立

模拟火灾发展规律的模型主要有经验模式、区域模式和场模式。目前，消防安全工程领域中最常用的火场模型软件是由NIST 开发的FDS。

1.1 FDS 原理

FDS 用两种技术求解热驱动下的低马赫数流动N-S 方程：大涡模拟（LES）和直接模拟（DNS）。该研究集中于火烟和热传递过程[6]。Pyro Sim 是一个基于流体运动的火灾动力学软件。利用守恒方程，可以精确计算低速热流体的流动。在计算中把计算区域根据计算方法划分为若干个三维网格，并计算每个网格设置的物理条件。

在FDS 火灾模拟过程中，网格的大小决定了模拟结果的准确性。网格越多相应的计算时间越长，准确性越高。因此，网格的尺寸通常由火源的特征直径决定。研究表明，当栅格尺寸为火源直径的1/10 时，仿真结果更加准确。如式（1）所示计算火源的特征直径。

在式中，Q为火灾热释放速率，kW；ρ∞为空气密度，kg/m3；c∞为空气比热容，kJ/(kg·K)；T∞为环境温度，K；g∞为重力加速度，m/s2。

1.2 燃烧模型

FDS 有两种燃烧模型(有限反应速率和混合分数)可以结合直接模型（DNS）和大涡模型（LES）。使用哪种模型取决于区域的基本网格大小。直接模拟与反应速率有限的燃烧模型搭配。大涡模拟简化了网格生成，不能直接求解，更适合于混合燃烧模型[7]。

在大涡模拟中，使用混合分数表示气体组分的浓度。式（2）为可燃物和氧气反应。

在式中，燃料F 与氧气O 发生反应。生成一定量燃烧产物vp，i，为各组分的化学当量系数。从式（2）中可以看出，燃烧的质量损失和氧气消耗量构成了以下的状态关联，如式（3）所示。

在此引入混合分数Z，是测定燃烧过程非常重要的参数，如式（4）和（5）所示[8]。

上式中，。为气流中的可燃气体组成；MF、MO为可燃气体和氧气的分子量，Z在0-1 之间。如果某处Z=1，这意味着此处都是可燃气体。Z=0 表示这里的氧浓度等于大气中的氧浓度；混合分数满足守恒定律，可由式（6）的线性燃烧方程求解。

2 仿真分析

2.1 仿真参数

模型中使用的电缆不考虑其自身因素。表1 为电缆的材料特性。将火源设置为从电缆表面燃烧。也就是说，使用A 区域作为火源，选择T2模型和8000 kW/m2火源功率。模拟时间设置为600 s。网格分为（45，20，20）。设定了8 种工况，如表2 所示

表1 电缆不同层详细信息Table 1 Details on cable layer

为了研究各工况对电缆隧道火灾的影响，设定了8 种工况，如表2 所示采用Pyro Sim 软件对多种工况进行模拟，对着火后的温度和燃烧速率变化进行分析。

表2 各工况参数Table 2 Parameters of each working condition

2.2 电缆铺设深度分析

图1 所示在一定的电缆间距和排列下，不同电缆敷设深度（1 m，0.8 m，0.6 m）的环境温度和燃烧速率曲线。由图（a）可知，0～300 s 三个工况曲线之间没有显著差异，敷设深度对火灾影响不大。300 s 后隧道温度迅速上升，可以看到电缆燃烧最剧烈时达到温度900 ℃。0.6 m 深度工况燃烧最剧烈，外部空气为燃烧提供了条件，0.8 m 深度工况次之1 m 深度工况燃烧最剧烈温度为650 ℃。由图（b）可知，1 m 深度燃率最低，单位时间的电缆燃烧量最低。结果表明，在规定范围内选择1 m深度对地下电缆火灾的影响最小。

图1 不同敷设深度对电缆火灾的影响Fig.1 Influences of different cable laying depths on fire risk

2.3 电缆间距分析

图2 所示在一定的敷设深度和排列方式下，不同电缆间距（0.1 m，0.15 m，0.2 m）下环境温度、放热率和燃烧率的变化。由图（a）可知，当电缆之间的距离为0.15 m 时，环境温度最低。由图（b）可知，0.2 m 燃烧速度最快，其次为0.15 m，最低0.1 m。因此，0.1 m～0.15 m 电缆间距对电缆散射非常有利，对火灾的影响也最小。

图2 不同间距对电缆火灾的影响Fig.2 Influences of different intervals on cable fire risk

2.4 电缆排列方式分析

图3 所示两种电缆敷设方法（平行敷设和品字形敷设）在一定敷设深度和电缆间距下对A 区域温度和散热率的影响曲线。图（a）可知，当电缆平行排列时，热量少，环境温度也低。从图（b）中可以看出，600 s 平行和品字形排列电缆燃烧速度分别为1.71 kg/s 和2.4 kg/s。结果表明，平行排列的电缆具有更好的防护作用，对电缆火灾的影响也最小。