高壓電力電纜隧道火災(zāi)早期預(yù)警判據(jù)的實驗研究

張 偉，陳 紅，李陳瑩，陳 杰，徐智恒，謝啟源*

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學研究院,南京,211103;2.中國科學技術(shù)大學火災(zāi)科學國家重點實驗室,合肥,230026;3.中國科學技術(shù)大學先進技術(shù)研究院,合肥,230088)

0 引言

隨著我國城市現(xiàn)代化、信息化和智能化建設(shè)進程的不斷推進，城市電力輸送網(wǎng)絡(luò)的重要性不斷凸顯。電力電纜，已成為社會與經(jīng)濟運轉(zhuǎn)的“動脈”，而高壓電力電纜則是其中的“主動脈”，該系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，是人民安居樂業(yè)的重要保障[1]。由于建設(shè)用地不足和城市美觀安全等要求，原有架空高壓線路逐漸轉(zhuǎn)入地下隧道。大力推進城市高壓電力隧道、電纜溝以及城市綜合管廊的建設(shè)，一方面有利于抵御外界突發(fā)惡劣天氣和極端氣候的影響，降低自然災(zāi)害誘發(fā)電網(wǎng)次生災(zāi)害的風險;另一方面與原有架空高壓電力線路大多采用金屬線纜不同，隧道內(nèi)電力電纜的絕緣層和護套層等含有大量可燃聚合材料，一旦地下電纜隧道發(fā)生火災(zāi)，易造成較大直接和間接損失。此外，在當前高度信息化和電氣化時代，民眾對電力與網(wǎng)絡(luò)信息的強烈依賴，局部區(qū)域的失電事故甚至可能引發(fā)小規(guī)模社會騷動。因此，高壓電力電纜隧道的火災(zāi)預(yù)防，是整個電網(wǎng)系統(tǒng)安全可靠運行的重要一環(huán)[2]。近年來，高壓電力電纜隧道火災(zāi)屢見不鮮，如：2016年 8月，遼寧大連市某66 kV電纜隧道發(fā)生火災(zāi)，造成市區(qū)大面積停電達6 h以上，多個城市基礎(chǔ)設(shè)施受到破壞，嚴重影響城市正常運行。2014年3月，成都某220 kV電纜線路1號直通接頭B相和C相爆炸燃燒，引發(fā)隧道內(nèi)電纜線路火災(zāi)，消防人員撲滅明火后，現(xiàn)場大量煙氣通過風機排出[3]。

圖1 高壓電力電纜隧道火災(zāi)早期煙氣模擬與測量實驗平臺Fig. 1 Experimental setup for early smoke movement and measurement for high-voltage power tunnel

高壓電力電纜火災(zāi)的早期預(yù)警是火災(zāi)防治系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，當前各隧道內(nèi)，主要通過纏繞于電纜表面的感溫光纖實現(xiàn)電纜內(nèi)部線芯過熱的間接監(jiān)控[4-6]。而對于整個電纜隧道空間，針對可能發(fā)生的典型火災(zāi)過程，發(fā)展火災(zāi)早期預(yù)警及處置系統(tǒng)，有利于全面提升其火災(zāi)防控能力，保護電力電纜的安全運行。關(guān)于電纜隧道空間中的火災(zāi)發(fā)展特性和監(jiān)控方法，前人已開展一些相關(guān)研究。其中，Liu等[7]針對綜合管廊內(nèi)的線性火源，研究了彎曲側(cè)壁對其中縱向溫度分布的影響，提出了管廊內(nèi)溫度分布預(yù)測的經(jīng)驗公式。An等[8]開展了隧道內(nèi)電纜燃燒系列實驗，重點分析了電纜層間距對于層間電纜火蔓延特性的影響，給出了層間火蔓延臨界距離。趙永昌等[9]基于1∶3.6的小尺寸地下綜合管廊模型，利用不同半徑的油池火模擬隧道火源，得到了煙氣溫度與火源距離的關(guān)系，在不同火源功率下，煙氣溫度均隨距離的變化呈冪函數(shù)降低。李陳瑩等[10]研究了綜合管廊內(nèi)電纜火災(zāi)蔓延特性，對比分析了各種火災(zāi)探測方式，給出了探測器選型的一些建議。劉洋等[11]利用環(huán)形加熱引燃與燃燒實驗平臺，研究了阻燃涂層對高壓電力電纜受熱引燃過程的影響規(guī)律，給出了膨脹型涂層的厚度與電纜著火時間的相關(guān)模型。Xie等[12]利用感溫光纖監(jiān)測電纜表面溫度并反演電纜內(nèi)部線芯溫度的預(yù)警方法，研究了高壓電力電纜內(nèi)部的空氣層對該反演預(yù)警模型的影響，指出空氣層會導致內(nèi)部過熱線芯向外熱流傳遞受阻而延遲報警乃至漏報。

綜上所述，前人對于高壓電力隧道內(nèi)的電纜燃燒與報警系統(tǒng)的研究，大多針對電纜燃燒特性和探測方式選型，未能圍繞隧道內(nèi)典型電纜火災(zāi)發(fā)展過程，研究其中的主要標志性產(chǎn)物的“時空”分布及演化特性。此外，現(xiàn)有國內(nèi)外關(guān)于早期預(yù)警的相關(guān)標準中描述了一些標準火[13-18]，如我國主要采用的4種標準火[16]：木材熱解陰燃火(SH1)、棉繩陰燃火(SH2)、聚氨酯塑料火(SH3)和正庚烷火(SH4)，針對的是常規(guī)場景下的火災(zāi)發(fā)展過程，未能表征高壓電力電纜隧道內(nèi)的典型可燃材料和空間結(jié)構(gòu)特征。因此，本文通過搭建高壓電力電纜隧道模擬實驗平臺，設(shè)計典型電纜火災(zāi)發(fā)展過程，在不同隧道邊界條件下，對電纜受熱燃燒過程中的典型特征參數(shù)進行實驗測量，從而研究適用于高壓電纜隧道內(nèi)的火災(zāi)早期預(yù)警判據(jù)。

1 實驗裝置

圖2 外加熱條件下高壓電力電纜受熱與燃燒模擬裝置Fig. 2 Bench-scale fire source of high-voltage cable by external heating

圖1(a)給出了高壓電力電纜隧道火災(zāi)早期煙氣模擬與測量實驗平臺的示意圖，該平臺長6 m、寬1.5 m、高1.2 m，頂部、底部及一側(cè)由耐火板材構(gòu)成，整體放置于室內(nèi)。另一側(cè)面為鋼化玻璃墻，可實時觀測內(nèi)部火源發(fā)展與煙氣運動狀態(tài)，隧道兩端分別設(shè)置兩扇推拉門，從而可調(diào)節(jié)隧道端部的開口狀態(tài)。實驗時，將模擬電纜火源放置于隧道中部，在隧道頂棚內(nèi)側(cè)中心線上，以1 m為間距均勻布設(shè)6組測量傳感器，包括：CO/CO2傳感器、煙顆粒濃度傳感器以及溫度傳感器，其中，火源正上方頂棚位置安裝1組，該組兩邊頂棚分別安裝3組(西側(cè))和2組(東側(cè))，隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)和頂棚傳感器分布如圖1(b)所示。各傳感器通過采集器接入計算機終端，并通過軟件實時采集記錄。此外，實驗過程中，在電纜隧道內(nèi)靠近端部位置，布設(shè)一臺攝像機，實時記錄隧道內(nèi)火災(zāi)發(fā)展和煙氣運動過程。

圖2(a)給出了外加熱條件下高壓電力電纜火源模擬裝置圖，主要由電加熱爐、金屬托盤、電纜樣品和電子天平組成。由于實際外加熱條件下，電纜皺紋鋁層內(nèi)部材料往往不發(fā)生燃燒，這里的電纜樣品僅由外護套層和皺紋鋁層構(gòu)成，在電纜樣品底部與金屬托盤接觸位置，布設(shè)1根熱電偶監(jiān)測電纜底部受熱升溫與引燃過程。圖2(b)給出了該電纜火源模擬裝置的實物圖。

基于該高壓電力電纜隧道火災(zāi)早期煙氣模擬與測量實驗平臺，圍繞電纜隧道火災(zāi)早期預(yù)警判據(jù)的確定，針對典型高壓電力電纜(YJLW03-64/110 kV)，截取10 cm長樣品，在隧道兩端不同開口條件下，開展了一系列實驗測量，具體工況如表1所示。當加熱爐功率為2 kW(強加熱火源)時，電纜初期為陰燃，后期發(fā)展為明火燃燒，而加熱爐功率為1 kW(弱加熱火源)時，電纜一直保持陰燃狀態(tài)，未發(fā)生明火燃燒。

表1 高壓電力電纜隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣模擬與測量實驗工況

2 結(jié)果與討論

圖3給出了強加熱火源、兩側(cè)門半開條件下的隧道內(nèi)電力電纜火源發(fā)展與煙氣蔓延的典型序列過程。由圖3可見，加熱約420 s后，電纜樣品開始釋放出煙氣，480 s后，煙氣明顯增多，并已呈現(xiàn)頂棚射流沿頂部輸運特征。此后，煙氣濃度進一步增大，660 s時，電纜已出現(xiàn)較大明火燃燒，隧道內(nèi)煙氣彌漫，幾分鐘后停止加熱，實驗結(jié)束，開啟隧道一端開口處的排煙風機，排出煙氣。

圖3 強加熱火源條件下高壓電力隧道內(nèi)電纜過熱與燃燒發(fā)展過程(兩端半開)Fig. 3 Snap-shots of cable burning in tunnel with the cable in strong heating with the doors half-open

圖4給出了隧道兩端全開、強加熱火源條件下隧道頂部各位置CO濃度變化，可見，在電纜被加熱的陰燃階段，即加熱約400 s后，火源正上方的CO濃度最早響應(yīng)升高，其濃度值也顯著高于其余頂棚位置CO濃度。隨著陰燃煙氣的逐漸增多與頂棚射流發(fā)展，其余位置CO濃度也緩慢增大，隨著電纜出現(xiàn)明火燃燒，由于明火燃燒煙氣與熱量釋放的顯著增強，各頂棚位置CO濃度都明顯加速增大。從電纜的整個陰燃與明火燃燒階段綜合可見，與其他頂棚位置相比，火源正上方的CO濃度值響應(yīng)時間明顯更早，增速也顯著更大。

圖4 強加熱火源條件下隧道頂部各位置 CO濃度變化(兩端全開)Fig. 4 CO concentration at tunnel ceiling for the strong heating case with doors open

圖5 強加熱火源條件下隧道頂部各位置 煙顆粒濃度變化(兩端全開)Fig. 5 Smoke density at tunnel ceiling for the strong heating case with doors open

圖5給出了相應(yīng)工況條件下的隧道頂部各位置煙顆粒濃度變化，可見，加熱約450 s后，火源正上方的煙顆粒濃度迅速升高，隨后該煙顆粒濃度傳感器相鄰的左右兩個位置上的煙顆粒濃度也隨之增大。與圖4相比，同一火源條件下，頂棚各位置煙顆粒濃度響應(yīng)升高次序與CO濃度變化過程類似，即，火源正上方探測器最早響應(yīng)升高，一定時間后，相鄰位置相應(yīng)參數(shù)值也隨之開始升高。此外，在電力電纜出現(xiàn)明火燃燒前，CO濃度值和煙顆粒濃度值都已經(jīng)顯著升高。然而，也存在一些差異之處，首先，火源正上方的煙顆粒濃度傳感器測量值響應(yīng)時間相對推遲了約50 s，因此，在隧道開口條件下，CO到達頂棚的時間相對更早。其次，與其他位置CO傳感器響應(yīng)時間和CO濃度升高速度相比，火源正上方CO濃度上升更早更快，而對于煙顆粒濃度，離火源位置越遠，其濃度開始增大的時間越晚，而一旦開始上升，則增速都較大。

圖6和圖7分別給出了該工況下頂棚6個位置CO2濃度和溫度變化。由圖6可見，在電纜受熱陰燃階段，各頂棚位置CO2濃度升高不明顯；電纜燃燒轉(zhuǎn)入明火階段后，火源正上方頂棚位置CO2濃度開始急劇上升，隨后相鄰位置CO2濃度值也開始上升。由圖7可見，在電加熱爐開始工作及電纜陰燃階段，火源正上方頂棚位置的溫度呈一定上升趨勢，其余相鄰位置的溫度也略有上升，電纜進入明火燃燒后，各頂棚位置溫度上升趨于明顯。

圖6 強加熱火源條件下隧道頂部各位置 CO2濃度變化(兩端全開)Fig. 6 CO2 concentration at tunnel ceiling for the strong heating case with doors open

圖7 強加熱火源條件下隧道頂部 各位置溫度變化(兩端全開)Fig. 7 Temperature at tunnel ceiling for the strong heating case with doors open

類似地，對于僅有陰燃階段的弱加熱火源過程，圖8給出了隧道內(nèi)該火源發(fā)展與煙氣蔓延的序列圖，由圖8中t=1 080 s所示圖片可見，此時，電纜樣品已經(jīng)開始釋放出明顯煙氣，隨后煙氣逐漸增多，不斷向上蔓延并橫向沿頂棚運動，由于電纜未形成明火燃燒，與圖3相比，火源煙氣生成速率相對較慢，然而，到實驗后期，由于實驗時間相對較長，在實驗結(jié)束前，隧道內(nèi)積累的煙氣依然較多，實驗結(jié)束后，開啟隧道一端開口處的風機進行排煙。

圖9給出了隧道兩端全開、弱加熱火源條件下隧道頂部各位置CO濃度變化，可見，在電纜受熱約900 s后，火源正上方的CO濃度開始升高，升高到一定階段后，經(jīng)過一段緩慢波動上升期，繼而以較高速率快速增大。頂棚其余相鄰位置的CO濃度隨后也增大，然而，與圖4所示類似，其余位置CO濃度升高時間明顯晚于火源正上方，升高速率也明顯較低。綜合對比圖4與圖9所示各對應(yīng)CO濃度變化曲線可見，強加熱條件下，即使僅在陰燃階段，CO濃度在較短時間內(nèi)增大至100 ppm；而在弱加熱條件下，各位置CO濃度增大較小，僅約25 ppm。由于正常電力電纜隧道空間內(nèi)，CO本底濃度基本為0，對于弱加熱條件下的較小電纜陰燃火源，CO濃度也變化明顯，可作為典型火災(zāi)預(yù)警參數(shù)之一。

類似地，圖10給出了弱加熱火源條件下的隧道頂部各位置煙顆粒濃度變化，可見，加熱約1 050 s后，火源正上方的煙顆粒濃度首先開始升高，隨后各相鄰位置煙顆粒濃度隨之上升。與圖9相比，弱加熱火源條件下，火源正上方的煙顆粒濃度開始響應(yīng)的時間，比CO濃度響應(yīng)時間遲了約150 s。另一方面，盡管煙顆粒濃度響應(yīng)時間比CO濃度響應(yīng)時間相對較晚，由于高壓電力電纜隧道內(nèi)正常環(huán)境條件下的煙顆粒和其他顆粒濃度本底值較穩(wěn)定且基本為零，此外，也較少發(fā)生類似地下車庫內(nèi)由于車輛行駛通過引起的揚塵干擾，如圖10所示，弱加熱火源條件下，煙顆粒濃度依然具有顯著變化特征。因此，煙顆粒濃度也可作為高壓電力電纜隧道內(nèi)的火災(zāi)早期預(yù)警參數(shù)之一。

圖8 弱加熱火源條件下高壓電力隧道內(nèi)電纜過熱與燃燒發(fā)展過程(兩端全開)Fig. 8 Snap-shots of cable burning in tunnel with the cable in slow heating with the doors open

圖9 弱加熱火源條件下隧道頂部 各位置CO濃度變化(兩端全開)Fig. 9 CO concentration at tunnel ceiling for the slow heating case with doors open

圖10 弱加熱火源條件下隧道頂部 各位置煙顆粒濃度變化(兩端全開)Fig. 10 Smoke density at tunnel ceiling for the slow heating case with doors open

圖11給出了弱加熱火源條件下各位置CO2濃度的變化，可見，由于該模擬火源未發(fā)生明火燃燒，整個陰燃實驗階段，頂棚各位置CO2濃度并未發(fā)生顯著變化，僅在其環(huán)境本底值上下波動。因此，若以CO2濃度作為電力電纜隧道內(nèi)火災(zāi)預(yù)警參數(shù)，則難以對陰燃火災(zāi)過程進行早期預(yù)警，由于人體呼吸過程釋放CO2，對于相對密閉的地下電纜隧道空間，檢修人員呼出的CO2，往往可能對基于CO2濃度的火災(zāi)探測系統(tǒng)產(chǎn)生顯著的干擾，易引發(fā)誤報警。

圖11 弱加熱火源條件下隧道頂部 各位置CO2濃度變化(兩端全開)Fig. 11 CO2 concentration at tunnel ceiling for the slow heating case with doors open

圖12給出了弱加熱火源條件下頂棚各位置的溫度變化，可見，在電加熱爐開始加熱及整個電纜陰燃階段，僅火源正上方頂棚位置的溫度相對較明顯上升，在約20 min的整個實驗階段，該位置溫度上升約4 ℃，頂棚其余位置溫度上升約1 ℃?？梢?，對于電力電纜隧道內(nèi)的火災(zāi)探測，以頂棚溫度為預(yù)警參數(shù)，往往很難對早期慢速陰燃過程進行準確識別。此外，盡管電力電纜隧道內(nèi)溫度相對穩(wěn)定，依然存在一定的季節(jié)、早晚的溫度變化，也可能對基于感溫的預(yù)警方法造成一定的不利影響。

圖12 弱加熱火源條件下隧道頂部 各位置溫度變化(兩端全開)Fig. 12 Temperature at tunnel ceiling for the slow heating case with doors open

圖13和圖14分別給出了表1所示6種工況條件下、火源正上方的CO濃度和煙顆粒濃度的變化趨勢。由圖13和圖14可見，強加熱火源條件下，對于電纜隧道兩端不同開口狀態(tài)，CO濃度和煙顆粒濃度都顯著更早上升且升高速度更大，當電纜燃燒進入明火階段后，CO濃度在各開口狀態(tài)都呈急劇上升的趨勢。由圖13可見，電纜隧道兩端完全打開的狀態(tài)下，CO濃度最早開始上升，而兩端完全關(guān)閉時，則CO濃度上升相對較晚，可見，電纜隧道兩端打開之后的自由通風條件，更有利于電纜陰燃煙氣的上升和輸運。開口狀態(tài)對頂棚煙顆粒濃度的影響則不同，由圖14可見，當隧道兩端關(guān)閉時，頂棚煙顆粒濃度反而最早開始迅速升高，而端部開口全開和半關(guān)閉狀態(tài)下，則明顯較晚上升?？梢?，在電纜隧道內(nèi)，不同端部開口狀態(tài)下，高壓電力電纜陰燃過程中生成的氣體和煙顆粒輸運特性存在一定差異。

圖13 不同加熱功率火源和隧道兩端不同開口時的 火源正上方CO濃度變化Fig. 13 CO concentration above fire for the varied heating and doors opening

綜上分析，對于電力電纜隧道內(nèi)的火災(zāi)早期預(yù)警，高壓電力電纜作為其中主要可燃物，綜合其在不同熱源、不同燃燒方式下的CO濃度、CO2濃度、煙顆粒濃度以及溫度參數(shù)變化特征，可見，CO濃度和煙顆粒濃度可作為該場所內(nèi)早期預(yù)警的優(yōu)選參數(shù)。上述2項參數(shù)在電力電纜隧道正常運行環(huán)境中的穩(wěn)定性和低本底值特性，有利于報警系統(tǒng)的可靠運行并準確識別火災(zāi)。因此，以下將針對CO濃度和煙顆粒濃度，基于本系列實驗測量結(jié)果，初步分析確定其作為預(yù)警判據(jù)的相對響應(yīng)性能。

綜合參考國家相關(guān)標準中關(guān)于各參量報警閾值的取值范圍[16,18]，結(jié)合實驗火源發(fā)展速度和空間結(jié)構(gòu)等因素，設(shè)定CO濃度和煙顆粒濃度預(yù)警閾值分別為10 ppm和0.05 dB/m。圖15給出了以頂棚CO預(yù)警濃度為10 ppm時各傳感器的報警時間，可見，該判據(jù)下，各頂棚位置均可實現(xiàn)報警，強加熱火源的3個工況下，其報警時間明顯早于弱加熱火源工況。各工況下，不同頂棚位置報警時間，呈以火源正上方傳感器報警時間為低點的V字形分布，越遠離火源的相鄰位置，報警時間差異越小。其中，對于強加熱火源的3個工況，由圖15可見，以CO濃度閾值為預(yù)警判據(jù)，當隧道兩端開口關(guān)閉條件下，頂棚各位置CO傳感器明顯報警更晚。

圖16給出了以頂棚煙顆粒預(yù)警濃度為0.05 dB/m時各傳感器的報警時間，各報警時間也呈以火源正上方位置報警時間為低點的V形分布特征，與圖15類似。然而，也存在一些差異，若以煙顆粒濃度為預(yù)警判據(jù)，在靠近火源位置，當隧道兩端開口關(guān)閉時，頂棚煙顆粒濃度傳感器更早報警，正好與圖15所示相反?？梢姡邏弘娏﹄娎|受熱燃燒生成的特征氣體與煙顆粒產(chǎn)物在隧道內(nèi)豎向與橫向輸運特性與隧道開口狀態(tài)等因素相關(guān)。盡管基于CO濃度和煙顆粒濃度都可實現(xiàn)報警，為實現(xiàn)最佳響應(yīng)性能，應(yīng)針對具體工程，進行優(yōu)化設(shè)計。

圖15 基于CO濃度閾值(10 ppm)為預(yù)警判據(jù)的 頂棚各位置報警時間Fig. 15 Alarm time for different cases predicted by the threshold of 10 ppm CO

圖16 基于煙顆粒濃度閾值(0.05 dB/m)為預(yù)警判據(jù)的 頂棚各位置報警時間Fig. 16 Alarm time for different cases predicted by the threshold of 0.05 dB/m smoke density

3 結(jié)論

本文針對高壓電力電纜隧道內(nèi)火災(zāi)早期預(yù)警特征參數(shù)，搭建了電纜隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣模擬與測量實驗平臺，設(shè)計了高壓電力電纜受熱著火燃燒的典型火源，研究了電纜隧道兩端不同開口狀態(tài)下的頂棚系列位置CO濃度、CO2濃度、煙顆粒濃度和溫度的變化特性，得到如下結(jié)論：

(1)高壓電力電纜隧道內(nèi)，典型電纜火源工況下的綜合實驗測量結(jié)果表明，頂棚CO濃度和煙顆粒濃度可作為該場所內(nèi)優(yōu)選的標志性參數(shù)；盡管電纜燃燒進入明火階段后，CO2濃度迅速升高，然而，在電纜長時間受熱陰燃過程中未發(fā)生顯著變化，此外，CO2濃度本底值較大和檢修人員呼出的CO2在地下空間易導致誤報警；類似的，頂棚溫度在電纜陰燃發(fā)展過程中升高相對較小，不易實現(xiàn)早期可靠報警，因此，CO2濃度和溫度參數(shù)不應(yīng)作為該場所內(nèi)的優(yōu)選火災(zāi)預(yù)警參數(shù)。

(2)基于相關(guān)國標和各工況實驗測量結(jié)果，設(shè)定CO濃度(10 ppm)和煙顆粒濃度(0.05 dB/m)為高壓電纜隧道內(nèi)火災(zāi)預(yù)警閾值時，各頂棚位置傳感器均可實現(xiàn)相對可靠報警。此外，各工況下，不同頂棚位置報警時間，呈以火源正上方探頭報警時間為低點的V字形分布，在越遠離火源的相鄰位置，報警時間差異越小。

(3)電纜隧道兩端的不同開口狀態(tài)對隧道內(nèi)CO和煙顆粒運動產(chǎn)生一定影響。其中，當以CO濃度為預(yù)警判據(jù)時，隧道兩端開口全打開或半開條件，有利于電纜陰燃所生成的CO更快輸運至頂棚位置，進而更早報警；而以煙顆粒濃度為火災(zāi)預(yù)警判據(jù)時，則是隧道兩端開口關(guān)閉條件，更有利于煙顆粒更快到達頂棚，從而更早報警。為實現(xiàn)最佳響應(yīng)性能，應(yīng)針對具體工程實際，進行優(yōu)化設(shè)計。