基于磁-熱耦合分析的綜合管廊電力艙溫度監(jiān)控布置方法

周 蠡，周秋鵬，謝 東，姜 山，范虹興，張宇嬌

(1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司 經(jīng)濟技術研究院，武漢 430077；2.三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

隨著城市規(guī)劃管理的深入，形成了越來越多的高壓電纜線路。但是地下綜合管廊空間有限且管線復雜繁多(包括電力、通訊、給水、中水、供冷、供熱及垃圾真空等系統(tǒng))，導致地下管線埋設混亂問題突出，嚴重影響綜合管廊內(nèi)地下管線的安全水平[1-2]。特別是電纜線路，由于其回路較多，且不可能同期實施，因此電纜的敷設順序和交叉跨越順序難以確定。當出現(xiàn)較大負荷引起的較大電纜通流時，電纜及其接頭的發(fā)熱現(xiàn)象可能會較為嚴重；如果缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，一旦發(fā)生火災易導致火勢迅速擴大蔓延，最終導致整個綜合管廊的火災事故，造成極其嚴重的影響。由于綜合管廊密閉性較強，廊內(nèi)存在大量發(fā)熱源，電纜及其它設施在運行、維護過程中容易發(fā)生火災[3-4]。

《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》(GB 50838-2015)中第6.6.2條規(guī)定，應對綜合管廊內(nèi)的電力電纜設置電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)，在電纜接頭處應設置自動滅火裝置[5-6]。目前針對綜合管廊電力艙內(nèi)溫度監(jiān)控的研究主要集中在溫度監(jiān)控系統(tǒng)的研究，其中包括溫度檢測傳感器的研究、系統(tǒng)模塊的研究等；對于如何有效地布置溫度監(jiān)控點研究較少。文獻[2,4,7]提到在每層電纜表面鋪設光纖感溫火災探測器。然而，在每層電纜都鋪設探測器，雖然可以大范圍地實現(xiàn)溫度監(jiān)控，但是提高了工程造價和綜合管廊的運維成本[8]。由于不同城市的綜合管廊，其電力艙中電纜線路布置形式不同，用統(tǒng)一模式的溫度監(jiān)控系統(tǒng)無法更有針對性、更有效地去實施監(jiān)控。

針對上述的研究現(xiàn)狀，本文提出了一種基于磁-熱耦合的綜合管廊電力艙溫度監(jiān)控方法。以某城市地下綜合管廊電力艙實際模型為例進行二維溫度場仿真計算，研究正常工況下的電力艙溫升分布規(guī)律，得出電力艙最高溫度點即最容易引起火災的位置。對該點進行重點監(jiān)控，以提高電力電纜運行的可靠性和安全性。

1 溫度監(jiān)控布置方法原理

根據(jù)工程實際中的綜合管廊電力艙數(shù)據(jù)，建立電力艙二維模型，對不同回路和不同電壓等級電纜線路施加實際正常運行時的電流?？紤]電力艙內(nèi)空氣自然對流的散熱狀態(tài)，采用有限元法進行電磁場、流場及溫度場耦合數(shù)值計算。根據(jù)計算結果，在溫度較高的空氣區(qū)域選取4條溫度觀測線，讀取計算結果中觀測線上各溫度值，擬合成溫度曲線進行對比分析，得到電力艙內(nèi)環(huán)境溫度最高的點。在進行電力艙內(nèi)火災消防布置溫度監(jiān)控時應對此處進行重點溫度監(jiān)測，以確保運行安全，其流程圖如圖1所示。

圖1 綜合管廊電力艙仿真流程圖Fig.1 Integrated corridor power module simulation process

1.1 電纜電磁場計算方法

針對不同回路不同電壓等級的電纜線路，電纜纜芯銅導體區(qū)域加載實際正常運行時的電流，對整個二維模型的計算區(qū)域采用有限元法進行電磁場數(shù)值計算[9]。通過對電磁場控制方程(1)-(3)進行有限元數(shù)值計算得到導體區(qū)域的電磁損耗Q：

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1.2 電力艙自然對流原理分析

《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》(GB 50838-2015)中第7.2.2條規(guī)定，綜合管廊正常通風換氣次數(shù)不少于2次/h.故在不通風的情況下，綜合管廊電力艙內(nèi)可視為密閉環(huán)境，沒有強制通風，主要以空氣自然對流方式散熱。自然對流動量微分方程(4)、(5)和能量方程(6)聯(lián)立求解，此外還需要同時計算熱傳導方程(7)，采用有限元法進行流場與溫度場的直接耦合計算，得到電力艙中溫度分布情況[10-11]；

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2 綜合管廊電力艙溫度場仿真

2.1 綜合管廊電力艙物理模型

以某城市地下綜合管廊電力艙實際工程圖為例。該艙包括左側多回水平排列型號為YJV22-8.7/10 kV-3×185mm2三芯10 kV電纜線路、右側四回品字形排列型號為YJLW02-64/110 kV-1×630 mm2單芯110 kV電纜線路和右側兩回品字形排列型號為YJLW02-Z-127/220 kV-1*2 500 mm2單芯220 kV電纜線路，及每層電纜線路鋼支架。某城市地下綜合管廊電力艙實際工程圖如圖2所示。

圖2 某城市地下綜合管廊電力艙實際工程圖Fig.2 The actual engineering drawing of an underground power corridor

2.2 電力艙建模仿真

由于本文所提出的研究方法是基于尋找溫度最高點進行溫度監(jiān)控，以達到有效監(jiān)測的目的，因此得到計算域中溫度最大值所在的位置為所提出方案的關鍵點，而溫度計算的絕對精度并非本文關注的重點。此外，由于電纜線路及隧道可近似看成是一個具有平面對稱結構的三維模型，支架體積較小且有可能為不導磁導電的材料構成，因此可忽略其對溫度分布的影響，也將其等效為平面對稱模型。綜上所述，在不影響本文方法實現(xiàn)的前提下，為了節(jié)約計算資源，將整體計算域簡化為二維模型進行電磁-流體-溫度多物理場耦合分析，其二維模型圖如圖3所示。

圖3 某城市地下綜合管廊電力艙二維模型Fig.3 The dimensional model of electric power cabin for a city under-ground pipe gallery

以某城市地下綜合管廊電力艙內(nèi)電纜實際運行電流為例，針對不同回路不同電壓等級的電纜線路，電纜纜芯銅導體區(qū)域加載正常運行時的電流，實際參數(shù)如表1所示。

表1 各電壓等級電纜實際加載電流表Table 1 Every voltage level actual load current of the cable

利用有限元法對綜合管廊電力艙進行磁場-溫度場-流體場耦合分析時，需設置邊界條件。磁場求解的邊界條件為求解域外邊界磁力線平行邊界條件，即邊界處的矢量磁位A為0；由于綜合管廊電力艙在地下，管廊頂部離地面2.5～3 m，周邊環(huán)境溫度較低，設置環(huán)境初始溫度為18 ℃；電力艙內(nèi)沒有設置強制通風，內(nèi)部散熱形式主要為空氣的自然對流，艙壁和支架邊界設置空氣流速為0的約束條件[12]。

3 仿真結果與分析

3.1 溫度場分析

綜合管廊在不加強制通風的情況下，電力艙內(nèi)散熱主要為空氣自然對流散熱。采用有限元法進行流場與溫度場的直接耦合計算，得到電力艙中溫度分布情況，如圖4所示。

圖4 電力艙內(nèi)溫度分布云圖及溫度最高點Fig.4 Temperature distribution of the power cabin and the highest temperature point

通過圖4可得出電力艙內(nèi)最低溫度為18.265 1 ℃，最高溫度為45.846 1 ℃.10 kV電纜側發(fā)熱量比較大，溫度明顯高于110 kV和220 kV電纜側，且電力艙內(nèi)主要發(fā)熱集中在10 kV電纜一側，進行溫度監(jiān)測時主要監(jiān)測10 kV電纜。

3.2 溫度監(jiān)控點設置

考慮到測溫傳感器安裝的需要，在最左列10 kV電纜與電力艙左側艙壁中間和各列10 kV電纜中間建立4條溫度觀測線，觀測線從電力艙底部往電力艙頂部沿伸，如圖5所示。分別導出4條觀測線上各單元的溫度、與觀測線起點的相對距離，再擬合成溫度曲線，如圖6所示。電纜鋼支架的熱傳遞系數(shù)為48 W/(m·K)，熱傳遞性能較強，故電纜支架整體溫度相差不大。所以在圖6中近似平行于x軸的曲線便是電纜支架上的溫度曲線。電纜通電使電纜表面溫度上升，電纜表面與空氣之間通過熱輻射和對流使電纜表面空氣溫度上升?？拷娎|的下層空氣受熱膨脹上升，上層的冷空氣下降。通過對比4條溫度曲線可以得到電力艙內(nèi)環(huán)境溫度最高的點在第四個電纜支架上方，即圖4中的A點處是最容易引起火災的位置。在此處設置溫度監(jiān)控系統(tǒng)，可以有效地實施溫度監(jiān)測預警。

圖5 4條溫度觀測線Fig.5 4 temperature observation lines

圖6 4條觀測線上溫度折線圖Fig.6 4 observation line temperature line chart

4 結論

綜合管廊電力艙中起火點一般都是溫度最高點，找出溫度最高點并將其進行重點監(jiān)測對消防預警起到重要作用。本文首先建立實際的城市地下綜合管廊電力艙二維模型，在電纜加載正常運行電流的情況下，采用有限元法計算得出電力艙內(nèi)的溫度分布云圖，為找出溫度最高點奠定基礎。其次觀察溫度分布云圖，在溫度較高處設置多條合適的溫度觀測線，讀取觀測線上的溫度，并擬合成曲線，通過對比找出溫度最高點。最后對溫度最高點進行重點溫度監(jiān)測，能有效預防火災。

文章提出的溫度監(jiān)測方法針對具體的城市綜合管廊電力艙工程實際模型，加載實際運行電流進行分析，得到的最高溫度點與實際工程對象符合，而不是通過一種統(tǒng)一布置監(jiān)控系統(tǒng)的方法來實現(xiàn)溫度監(jiān)測，這樣的監(jiān)測更具有針對性，更為有效。相比目前采用每層電纜表面鋪設探測器的方法，本方法極大地降低了工程造價，節(jié)約了綜合管廊運行維護成本，同時對電纜線路入廊的規(guī)劃也有一定參考價值。