基于高压电缆燃烧试验的电缆隧道末端火灾模拟

2023-07-13王舒寒张永康汤敏吉陈艳羚臧建彬

电力与能源 2023年2期

王舒寒，张永康，王玲，汤敏吉，陈艳羚，王承，臧建彬

（1.国网上海市电力公司电缆分公司，上海 200072； 2.同济大学机械与能源工程学院，上海 200092）

电缆隧道具有空间封闭、潜在可燃物多、火灾扑救难度大等特点，一旦发生火灾就会造成严重后果，严重威胁城市电网的安全运行［1-2］。电缆隧道内发生火灾的可能性较小，但其为封闭的地下空间，如果发生火灾，隧道内的温度高、能见度低，并且火源易复燃，加大了灭火救援的难度［3-4］。据相关研究统计，约30%的电缆隧道火灾事故源于电缆自身故障，其余约70%的火灾事故由外界因素引起［5-6］。因此，对于电缆隧道火灾的仿真模拟具有十分重要的研究价值。

文献［3］通过对T 型电缆隧道建立模型，使用FDS 仿真软件对其进行全尺寸模拟，得出了烟气在电缆隧道中的流动先呈层流状态，后处于紊流状态的结论；文献［4］通过应用FDS 软件对电缆隧道火灾过程进行模拟，得出由于隧道内持续高温状态，电缆将会不断地燃烧，并且电缆隧道火灾发展迅速、救援难度大；文献［5］通过FDS 软件分别对端口无封堵、封堵1/8、封堵1/4、封堵1/2 和封堵3/4 五种工况下的隧道火灾进行模拟，结果表明封堵的比例越大，烟气蔓延至隧道端的时间越快，温度降低越快，CO 含量越高；文献［6］利用FDS 进行隧道火灾数值模拟，将模拟结果中的温度、CO 浓度和能见度作为分析指标，通过正交试验分析发现，通风风速、火源功率、火源位置对隧道火灾的影响依次减小。

由于电缆隧道火灾的特殊性，必须对高压电缆的燃烧特性进行试验，而以往电缆隧道火灾模拟的数据取值有一定的不确定性。本文通过将电缆燃烧试验得到的确切数据代入FDS 仿真软件进行电缆隧道的火灾模拟，使得模拟的结果更贴近真实的结果，以此为电缆隧道火灾后续的排烟、救援提供合理有效的指导。

1 电缆燃烧试验

近年来，能够真实反映材料燃烧性能的理想试验仪器为锥形量热仪，真实火灾的燃烧环境和试验环境极其相似。它通过氧消耗的原理来测定可燃材料在火灾中的燃烧参数所得到的相关数据，如热释放率、有效燃烧热、点燃时间、总释放热、烟气及毒性参数和质量变化等，用以评价试验材料在火灾中的燃烧行为。

考虑到试验结果的实用价值，本试验选取了上海市某电缆隧道内广泛使用的电力电缆进行试验，即型号为ZB-YJLW03-Z 的220 kV 交联聚乙烯高压电缆。试验依照ISO 5660-1 对火反应试验——热释放、产烟量及质量损失率，第1 部分：热释放速率（锥形量热仪法）进行，采用锥形量热仪对高压电缆进行热辐射燃烧试验，主要由燃烧室、载重台、氧分析仪、烟测量系统通风装置及有关辅助设备等六部分组成，并选择辐射热引燃的方式，辐射功率为50 kW·m-2。

2 试验结果分析

2.1 密度

交联聚乙烯电缆密度试验主要通过电子天平和数显卡尺测得，测试环境温度为23 ℃，湿度为53.1%。通过质量与体积的比值得到交联聚乙烯电缆的密度，测量4 次并取平均值，试验结果见表1。

表1 220 kV 交联聚乙烯高压电缆密度检测结果

由图1 可知，电缆的点燃时间在30 s 左右，此时的热释放率最大，为228 kW·m-2。0～30 s 在持续的辐射热作用下，电缆的热释放率呈直线式激增；随后在金属护套的阻燃作用下，热释放率有所下降，经过约150 s 的热量积聚，电缆内部的绝缘层开始燃烧，热释放率又开始上升；然后随着绝缘层的燃烧殆尽，热释放率开始缓慢下降至30 kW·m-2，但并未降至0 kW·m-2，可见燃烧结束后，电缆残渣依然会释放出少许的热量。

图1 电缆燃烧试验热释放率曲线

由图2 可知，电缆燃烧的总热释放量一直处于上升状态，0～700 s 上升趋势比较明显，700 s 后总热释放量上升趋势开始变缓，最终燃烧结束时，共释放热量151 MJ·m-2。

图2 电缆燃烧试验总热释放量曲线

2.2 热量释放

交联聚乙烯高压电缆燃烧试验热释放率曲线如图1 所示，总热释放量曲线如图2 所示，电缆燃烧状态如图3 所示。

图3 电缆燃烧状态

2.3 质量损失

电缆燃烧质量损失曲线如图4 所示。由图4可知，电缆燃烧的质量损失呈下降趋势，0～700 s质量损失速度较快，700～1 800 s 质量损失速度变缓。结合图2 总热释放量来看，二者呈负相关，前期电缆燃烧反应剧烈，可燃物的损失速度比较快，随着大面积的绝缘层燃烧殆尽，总热释放开始放缓，质量损失也因此变慢。

图4 电缆燃烧试验质量损失曲线

2.4 烟气产量

隧道中的电缆燃烧除了会带来明显的热危害，电缆燃烧产生的烟气同样威胁着电缆隧道的消防安全。用比消光密度表示燃烧材料在规定的试验条件下产烟浓度的光学特性。电缆燃烧试验的烟气产量曲线如图5 所示。

图5 电缆燃烧试验烟气产量曲线

从图5（a）比消光密度曲线可以看出，电缆在未燃烧之前一直处于阴燃状态，在短短30 s 内产生了大量的烟气，比消光密度达到了峰值1 500 m2·kg-1，因此可以得出电缆燃烧的大量烟气主要来自阴燃阶段。随着可燃物的逐渐减少，烟气量也开始下降，在600 s 时已经不再产生烟气。

由图5（b）和图5（c）可以看出，0～500 s 时CO和CO2的生成速率具有相同的发展趋势。CO2在250 s 达到峰值0.13 g·s-1后开始缓慢下降，在1 000 s后开始稳定在0.02 g·s-1左右。CO 在500 s降至最低点0.000 60 g·s-1，然后开始上升至0.001 25 g·s-1，可能原因为导体屏蔽层的材质燃烧会产生CO，导致了CO产生速率的增加，随着燃烧的继续，CO产生速率开始缓慢下降至0.006 2 g·s-1。

2.5 其他气体及毒性指标

通过试验检测，电缆燃烧除产生CO，CO2气体外，还会产生HBr，HCN，NOx，SO2等气体，如表2 所示。

表2 电缆燃烧气体生成及含量

3 数值模拟

本文采用火灾仿真软件FDS 建立地下电缆隧道的火灾模型，FDS 是由美国国家标准研究所和火灾研究试验室合作共同研发的一款基于场模型的计算火灾动力学的模拟软件，其能够根据火灾的燃烧特性，通过直观的动画展示火灾的发展过程，并且能够对火灾中的烟气蔓延、温度、能见度、CO 含量的变化规律进行分析［7-12］。

3.1 模型建立

电缆隧道模型主要以上海市某电缆隧道的通风区间实况为参考，由于电缆支架、消防及通信设备、排水沟等设施的可燃物质较少，对于电缆隧道火灾的模拟无较大影响，因此建立模型时予以忽略。现实环境中，电缆隧道一般长达数公里，模拟所需时间较长，因此按照电缆隧道防火的相关要求，建立截面直径为3.5 m 的圆形电缆隧道模型，此模型处于电缆隧道通风区间的末端，左侧处于封闭状态，右侧建设有通风井，通风井与外界环境连通。设置隧道长度为200 m，电缆隧道壁面由混凝土构建，厚度为0.3 m；高压电缆为0.2 m×0.2 m×200 m 的长方体，由内部PVC 塑料和外部的聚氯乙烯组成，隧道内共设置3 层电缆，电缆层的高度分别为0.3，1.5，1.9 m。电缆隧道实况如图6所示，电缆隧道模型如图7 所示。

图6 电缆隧道实况

图7 电缆隧道模型

3.2 网格划分

网格质量的好坏直接决定模拟结果的正确与否，一般来说，网格越小，计算精度越高。但试验结果表明，网格设置的不合理将直接导致计算误差。因此，为保障模拟结果的准确性，对网格的正确划分极为重要［13］。网格尺寸的经验值为特征火焰的1/4～1/16 较为合适。特征火焰的直径直径采用下式计算：

式中Q̇——火源的热释放速率，kW·m-2；ρ∞——空气密度，取1.2 kg·m-3；cp——空气比热，取1 kJ·（kg·K）-1；T∞——环境空气温度，取297 K；g——重力加速度，取9.81 m·s-2。

其中，火源的热释放速率取5 MW·m-2，经计算，特征火焰的直径为3.46，由此可以得出模拟的网格尺寸范围为0.28～0.86，综合考虑网格精度和计算时间，由于考虑电缆直径方向的尺寸相对于电缆隧道整体尺寸较小，温度在电缆的径向分布梯度比较大，需要对电缆进行网格加密，网格大小设置为0.2×0.2×0.1，共计361 000 个网格［14］。

3.3 边界条件

根据电缆密度检测和燃烧试验结果，其密度为1 565.17 kg·m-3，单位热释放率为224.89 kW·m-2，燃点为250 ℃。电缆隧道内环境温度根据实测数据取值25 ℃，火源尺寸为0.45 m×2 m，火源材料采取FDS 软件资源库中的庚烷，火源设置于电缆隧道50 m 处的最底层左侧电缆的底部位置，火源功率设置为5 MW。电缆隧道在实际的火灾发展过程中属于t2火模型，其公式可简化如下：

式中Q——热释放速率，kW·m-2；α——增长系数，kW·s-2；t——时间，s。

不同类型火灾的增长系数如表3 所示。根据美国NFPA 的分类标准，对应电缆材质的火灾增长系数为 0.187 8［15］，t为163 s。

表3 不同类型火灾的增长系数

4 模拟结果与分析

4.1 火势发展及烟气扩散

烟气扩散和火势蔓延能够反映电缆隧道内火灾的真实状况。X=1.75 m 烟气扩散切片如图8所示。50 s 时隧道内高压电缆处于初始燃烧阶段的阴燃状态，产生了大量的烟气，此时的烟气与隧道内的原有空气存在温度差，在浮升力的作用下，烟气近乎竖直地不断向隧道顶部冲击，由于隧道壁面的阻挠，便又朝隧道纵向方向迅速蔓延流动约40 m。由于二层电缆与底层电缆存在1.2 m 的高度差，底层电缆起火后，火势并不会直接向二层电缆扩散，而是向着底层电缆的长度方向蔓延。随着电缆从阴燃状态向充分燃烧状态过渡，火源的尺寸不断扩大，烟气蔓延的速度反而呈下降趋势。这是因为电缆燃烧的火势不断变大，所需的氧气量剧增，而电缆燃烧产生的烟气在一定程度上抑制了火源的继续发展。

图8 X=1.75 m 烟气扩散切片

火势和烟气向火源下游蔓延的速度明显要大于向火源上游蔓延，这是因为处于隧道上游的防火门在发生火灾后会自动关闭，上游的隧道口近似于封堵状态，氧气含量有限，而下游隧道口与通风井相连接，通风井与外界空气连通，因此火势发展和烟气扩散向下游的倾向也更大。

4.2 能见度

能见度是在指定的空间内人眼可以看到的最远的距离。对于密闭空间而言，能见度的高低决定着安全疏散的效率。X=1.75 m 能见度切片如图 9 所示。在图9 中，t=50 s 时，电缆隧道的能见度处于10 m 安全范围以上，此时为逃生的最佳时机；t=100 s 时，火源位置附近已经出现能见度低于10 m 的区域，随着火势的不断蔓延，烟气继续下沉，能见度迅速降低；t=300 s 时，电缆隧道内能见度低于10 m 的区域不断扩大，长度约为120 m。

图9 X=1.75 m 能见度切片

4.3 温度变化

温度是衡量火灾强弱的重要指标之一。电缆隧道不同时刻温度对比如图10 所示。由图10 可知，随着电缆从阴燃到完全燃烧发展，火源尺寸不断增大，电缆燃烧所释放的热量也不断增大，隧道内的温度逐渐上升。温度最高处不在火源位置，而是在火源的下游方向，且距离火源有一定的距离。300 s 时，火源下游处的烟气还未蔓延至隧道口，且下游隧道口与外界空气连接，靠近下游隧道口的烟气与外界空气进行热量交换，导致隧道末端120～200 m 处的温度最低，并且越靠近隧道末端，隧道内的空气温度也越低。

图10 电缆隧道不同时刻的温度对比

对电缆隧道火灾时250～300 s 的平均温度进行统计，并对1.4，2.0，3.2 m 高度处的隧道温度进行对比。电缆隧道不同高度处的温度对比如图11 所示。由图11 可知，在隧道火灾的初始阶段，火源的温度明显高于隧道的初始温度，二者明显存在一定的密度差，因而在火源处会产生压力差，烟气与隧道空气发生热量传递后形成火羽流，烟气在浮升力的作用下向隧道顶部不断冲击，导致隧道顶部的温度最高。随着火源的继续发展，火灾烟气纵向影响距离不断扩大，同时高温烟气在对隧道顶部进行冲击之后有一定程度的下沉，导致电缆隧道在高度方向上的温度呈上升趋势。

图11 电缆隧道不同高度处的温度对比

4.4 CO 生成量

当火灾产生的CO 含量达到临界值4×10-4mol·mol-1时，烟气中的CO 与血红蛋白结合，人体会在45 min 之内眼花、恶心，2 h 内失去知觉，难以正常逃离隧道，因此研究CO 的浓度分布对于人员逃生和救援具有重要意义。不同时刻电缆隧道的CO 含量对比如图12 所示。由图12 可知，在100 s 时，只有火源附近产生了少量的CO，随着火源向隧道两端蔓延，300 s 时上游隧道口CO 含量达到2×10-4mol·mol-1，下游隧道口与外界空气直接接触，稀释了隧道末端120～200 m 处的CO含量，隧道80 m 处CO 含量达到峰值1.52×10-4mol·mol-1，但均在临界值以下，不会对人员疏散造成严重威胁。

图12 不同时刻电缆隧道的CO 含量对比

5 灾后排烟

电缆隧道结构狭长，一旦内部发生火灾，造成的后果将难以估量。因此，在保证人员安全的前提下，采用电缆隧道本身配置的纵向通风的方式排出隧道内烟气是较为有效的方法。而临界风速是隧道纵向排烟的重要因素。隧道临界风速是指当隧道内发生火灾时，保证火灾所产生的烟气不发生逆流的最小通风速度。

Thomas 提出了临界风速的概念，并给出了临界风速与火源功率三分之一的关系，再考虑隧道坡度的影响，进一步提出了如下的临界风速计算公式：

式中Vc——临界风速，m·s-1；Kg——坡度修正因数；K——常数，0.61；g——自由落体加速度，9.8 m·s-1；H——隧道截面净高，m；Q——火源热释放速率，W；ρ——隧道内空气密度，1.2 kg·m-3；Cp——空气比定压热容，1 kJ·（kg·K）-1；A——隧道通风截面积，m2；Tf——热空气温度，K；T——环境温度。

以上各项参数取值为：H=3.5 m，A=9.6 m2，Kg=1，Q=5 MW，T=298 K。经计算，此电缆隧道火灾排烟的断面临界风速为1.4 m·s-1。