開(kāi)放與受限條件下電纜燃燒特性模擬對(duì)比研究

白宇濤,高 飛,于 唯,屠 越,儀 濤

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司,南京,210009;2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司,南京,211102)

0 引言

電網(wǎng)系統(tǒng)作為城市電力系統(tǒng)的重要組成部分,在城市建設(shè)和發(fā)展中起到了至關(guān)重要的作用。電網(wǎng)供、輸電系統(tǒng)通常采用高壓輸電線和城市配電網(wǎng)高架的形式架設(shè)在城市高空,但隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn),土地資源越來(lái)越緊張,高空電線對(duì)城市建設(shè)的限制開(kāi)始顯現(xiàn)出來(lái)。因此,城市配電網(wǎng)高架的形式逐漸減少,在受限空間內(nèi)(電纜溝、電纜隧道)敷設(shè)高壓電纜的方式逐漸成為城市建設(shè)的優(yōu)選。這種方式不僅滿足了城市建設(shè)的用電需求,便于日常的電纜維護(hù)檢修,還緩解了建設(shè)項(xiàng)目用地緊張的現(xiàn)狀,合理地利用了規(guī)劃空間。

但由于受限空間具有空間狹小、通風(fēng)受限的特殊性[1],一旦發(fā)生火災(zāi),熱煙氣將匯聚在電纜溝內(nèi),溫度可在短時(shí)間內(nèi)急劇上升至千度,火勢(shì)蔓延極快,往往會(huì)導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失,甚至造成大規(guī)模的城市電力癱瘓事故[2-4]。例如2008年2月13日,內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)市地下電纜火災(zāi)事故造成豐鎮(zhèn)市大規(guī)模停電,電纜過(guò)火長(zhǎng)度超288 m,18根電纜被燒斷,造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[5];2016年10月12日日本琦玉縣地下輸電線火災(zāi)造成琦玉縣大規(guī)模停電,約58.6萬(wàn)棟房屋受影響,造成了無(wú)法估量的經(jīng)濟(jì)損失。

目前,關(guān)于電纜火災(zāi)的研究主要集中在電纜燃燒性能[6-8]、受限空間內(nèi)的火災(zāi)行為[9-13]、電纜橋架火災(zāi)特性[14-16]和安全設(shè)計(jì)評(píng)估[17,18]等方面。Tewarson等[19]研究了不同煙氣濃度下電纜火災(zāi)豎向蔓延特征,測(cè)量了蔓延過(guò)程中的熱釋放速率、蔓延速率等火災(zāi)參數(shù),并給出了電纜豎向蔓延速率計(jì)算公式;Konno等[20]研究了不同氧濃度下電纜火災(zāi)蔓延情況,量化分析了不同材質(zhì)的電纜火焰結(jié)構(gòu)和火蔓延速率,并提出了相關(guān)火災(zāi)發(fā)展的理論模型;滴落物燃燒作為電纜區(qū)別于一般可燃物的特性也受到了廣泛的關(guān)注,王勇等[21]針對(duì)垂直布置常見(jiàn)的PE、PP等熱塑性材料受熱后的熔融物滴落行為進(jìn)行研究,建立了材料熔融物的質(zhì)量損失速率模型;Xie等[22,23]研究PE熱塑性材料在熔融、滴落及流動(dòng)狀態(tài)下的燃燒行為并對(duì)燃燒過(guò)程中的火災(zāi)參數(shù)進(jìn)行量化分析。

然而,目前針對(duì)在開(kāi)放和受限條件下電纜燃燒行為的對(duì)比分析少有報(bào)道,同時(shí)研究不同布置間距下的電纜燃燒特性,能夠?yàn)殡娎|工程建設(shè)及消防設(shè)計(jì)提供理論參考。因此,本文擬通過(guò)FDS對(duì)開(kāi)放及受限兩種條件下的電纜燃燒特性進(jìn)行數(shù)值模擬,并圍繞電纜布置間距對(duì)電纜燃燒的影響,對(duì)比分析兩種形式下的電纜燃燒行為。

1 模型及工況設(shè)置

針對(duì)受限條件下電纜燃燒特性,設(shè)計(jì)了9 m(長(zhǎng))×1.05 m(寬)×0.62 m(高)的電纜溝模型,兩端為自然開(kāi)口,管廊壁面材料設(shè)置為內(nèi)置材料-混凝土,壁面及頂板厚度為0.15 m,而開(kāi)放條件不設(shè)電纜溝側(cè)壁及頂板,具體如圖 1所示。在兩種條件下均敷設(shè)3根3 m長(zhǎng)的220 kV大截面高壓電纜,其截面為直徑0.16 m 的圓形,電纜材料設(shè)置為61.5%的聚氯乙烯(PVC)和38.5%的銅。電纜軸心位置距離電纜溝頂板高度為0.28 m。為模擬真實(shí)電纜溝內(nèi)的電纜布置形式,每根電纜由鋼制獨(dú)立管扣固定,管扣外側(cè)形狀為矩形,內(nèi)側(cè)截面形狀為厚度0.1 m、直徑0.17 m的圓形,管扣與電纜相貼合,模型中一共使用了6個(gè)管扣。電纜通過(guò)支撐結(jié)構(gòu)固定在底板上方0.25 m處。該支撐結(jié)構(gòu)由尺寸為0.1 m(長(zhǎng))×0.1 m(寬)×0.2 m(高)的混凝土支撐柱以及尺寸為0.9 m(長(zhǎng))×0.2 m(寬)×0.05 m(高)支撐板組成,每一截面位置布置兩根支撐柱,整個(gè)模型一共布置4根,在支撐柱上設(shè)置混凝土支撐板,板柱連接處設(shè)置了鋼制固定塊,電纜管扣固定在支撐板上。本文設(shè)計(jì)了0.15 m(長(zhǎng))×0.15 m(寬)×0.15 m(高)的固體加熱源,布置在中間電纜中部下側(cè),用于引燃高壓電纜,其中固體加熱源溫度為2 500 ℃,以模擬電纜短路條件下的極端溫度。環(huán)境溫度為20 ℃,環(huán)境壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

圖1 數(shù)值模擬模型Fig.1 Numerical simulation model

在開(kāi)放條件及受限條件下,均在距離電纜上表面0.2 m處(位置A)設(shè)置溫度、O2濃度測(cè)點(diǎn)。按照模擬中電纜完全燃燒的熱釋放速率,計(jì)算FDS模型模擬網(wǎng)格尺寸,確定火災(zāi)規(guī)模為：

(1)

模型網(wǎng)格尺寸劃分按照FDS中有關(guān)于網(wǎng)格尺寸確定的指導(dǎo)方式計(jì)算確定[25]：

(2)

式中,D*為火源特征直徑,m;ρa(bǔ)為環(huán)境密度,取 1.164 kg/m3;cp為比熱,此處取值1.01 kJ/(kg·℃);Ta為環(huán)境溫度,K;g為重力加速度,取9.81 m/s2。

D*/δx為火源跨越網(wǎng)格單元數(shù)量(δx：網(wǎng)格尺寸,m),據(jù)FDS技術(shù)手冊(cè),D*/δx宜取4 ～16,即得出網(wǎng)格尺寸δx應(yīng)小于0.209 m,因此,網(wǎng)格尺寸采用0.05 m×0.05 m×0.05 m。

本文工況設(shè)置情況如表1,其中電纜間距指電纜外緣之間的距離。

表1 工況表Table 1 Work condition

2 開(kāi)放與受限條件下電纜燃燒行為分析

圖 2展示了開(kāi)放條件下不同電纜間距(K-1～K-5)的溫度分布云圖?？梢园l(fā)現(xiàn),當(dāng)電纜被點(diǎn)燃后,火焰主要在垂直方向蔓延,緊貼電纜上方的溫度分布比較均衡,均為1 200 ℃左右;隨著燃燒持續(xù)進(jìn)行,高溫區(qū)域增加,同時(shí)最高溫度值要高于其他時(shí)間節(jié)點(diǎn)。可以判斷出在開(kāi)放條件下不同間距電纜火災(zāi)規(guī)模差距不大,空氣供應(yīng)充分,整個(gè)階段的燃燒均屬于燃料控制型。圖3為工況A-1電纜燃燒溫度分布云圖。受限條件下電纜燃燒以電纜管廊中心為軸對(duì)稱(chēng)向兩側(cè)橫向蔓延,電纜溝頂部的溫度比較均勻,整體已經(jīng)形成完全的高溫區(qū)域;在300 s時(shí),管廊內(nèi)整體溫度明顯下降,但火焰仍在持續(xù),電纜溝內(nèi)整體溫度直至800 s后才完全降低,明顯區(qū)別于開(kāi)放條件下的電纜燃燒溫度分布特征。

圖3 受限條件下電纜溝整體溫度變化( A-1工況)Fig.3 Overall temperature change of the cable trench under confined condition (A-1 condition)

3 開(kāi)放條件下電纜燃燒特性分析

3.1 頂部溫度變化

通過(guò)選取電纜中間正上方的溫度測(cè)點(diǎn),能夠進(jìn)一步研究開(kāi)放條件和受限條件下不同布置間距電纜火災(zāi)的溫度變化特征。圖4展現(xiàn)了開(kāi)放條件下電纜火災(zāi)的溫度變化情況,圖5～圖9對(duì)比了受限與開(kāi)放工況在不同電纜間距條件下的溫度曲線?？梢园l(fā)現(xiàn),在開(kāi)放工況下,溫度長(zhǎng)期處于峰值附近,且波動(dòng)更小;而在受限條件下,溫度峰值低于開(kāi)放條件且波動(dòng)更大。這說(shuō)明在開(kāi)放條件下有充足的空氣供應(yīng)保證燃燒進(jìn)行,相較于受限條件,開(kāi)放條件的燃燒更加穩(wěn)定、充分。

圖4 開(kāi)放條件下不同間距對(duì)位置A處溫度的影響Fig. 4 Influence of different distances on the temperature at position A under open condition

圖5 在100 mm電纜間距下,位置A處溫度對(duì)比情況Fig. 5 Temperature comparison at position A under the cable of 100 mm spacing

圖6 在125 mm電纜間距下,位置A處溫度對(duì)比情況Fig. 6 Temperature comparison at position A under the cable of 125 mm spacing

圖7 在150 mm電纜間距下,位置A處溫度對(duì)比情況Fig. 7 Temperature comparison at position A under the cable of 150 mm spacing

圖8 在175 mm電纜間距下,位置A處溫度對(duì)比情況Fig. 8 Temperature comparison at position A under the cable of 175 mm spacing

圖9 在200 mm電纜間距下,位置A處溫度對(duì)比情況Fig. 9 Temperature comparison at position A under the cable of 200 mm spacing

在加熱初期,受限條件下電纜更容易被點(diǎn)燃。在火災(zāi)初期,電纜內(nèi)空氣還相對(duì)充足,同時(shí)因?yàn)榄h(huán)境受限,熱源產(chǎn)生的熱量會(huì)聚集在電纜周?chē)訜犭娎|,使電纜點(diǎn)燃時(shí)間更短。而開(kāi)放條件下,部分熱量會(huì)發(fā)散到開(kāi)放環(huán)境中,進(jìn)而導(dǎo)致電纜引燃時(shí)間更久。通過(guò)圖5～圖9可以發(fā)現(xiàn),在開(kāi)放條件下,電纜引燃初期測(cè)點(diǎn)處溫度上升更慢。

隨著燃燒的持續(xù)進(jìn)行,開(kāi)放工況的溫度開(kāi)始下降,溫度測(cè)點(diǎn)位置處的溫度下降到400 ℃。同時(shí),受限條件下的電纜燃燒時(shí)間較久,溫度下降速度低于開(kāi)放工況。

此外,受限條件下電纜上方溫度逐漸下降時(shí),出現(xiàn)了溫度突升的現(xiàn)象(復(fù)燃),且受限工況組的溫度顯著高于開(kāi)放工況組。在開(kāi)放工況條件下,300 s后溫度已經(jīng)下降至較低水平,其中K-1和K-2工況中,溫度仍在浮動(dòng);當(dāng)電纜間距較小時(shí),電纜燃燒持續(xù)時(shí)間更久,而間距越大,溫度衰減越快。臨界間距出現(xiàn)在125 mm處,當(dāng)電纜間距超過(guò)這一水平時(shí),電纜溫度波動(dòng)程度減弱。此外,在開(kāi)放條件下,由于供氧條件充足,燃燒更充分,溫度峰值更高且波動(dòng)更小。其中,間距為125 mm工況加熱段的升溫速度較快,待燃燒后期呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì),并沒(méi)有出現(xiàn)溫度驟減情況?？梢?jiàn)開(kāi)放條件下電纜間距對(duì)電纜燃燒效率存在一個(gè)最佳間距。

當(dāng)電纜間距大于175 mm,開(kāi)放條件下電纜燃燒波動(dòng)性增強(qiáng),且溫度峰值下降,而間距為200 mm時(shí)開(kāi)放條件下的溫度峰值與受限條件相差不大,具體如圖8所示。這主要是由于電纜間距增大,正在燃燒的電纜較難引燃大間距的兩側(cè)電纜,即3根電纜的燃燒獨(dú)立性增強(qiáng)了。而在受限條件下,火焰被限制在一定空間范圍內(nèi),3根電纜的火焰獨(dú)立性在大間距條件下較弱,因此其穩(wěn)定性要強(qiáng)于該間距下的開(kāi)放工況。

圖2 開(kāi)放條件下不同間距電纜燃燒溫度變化Fig.2 Temperature change of cables combustion with different distances under open condition

O2濃度是判斷發(fā)生火災(zāi)時(shí)受困人員以及救援人員生命安全的重要指標(biāo)。圖10給出了開(kāi)放條件與受限條件下不同電纜間距對(duì)電纜燃燒時(shí)測(cè)點(diǎn)處O2濃度的影響?？梢园l(fā)現(xiàn),開(kāi)放條件下通風(fēng)情況良好,為燃料控制型燃燒模式,電纜燃燒過(guò)程中O2濃度緩慢下降,下降速率隨電纜間距增加而降低;而在受限條件下,電纜溝內(nèi)空氣含量有限,僅在加熱點(diǎn)燃初期為燃料控制型燃燒,當(dāng)電纜被點(diǎn)燃后,電纜溝內(nèi)空氣被迅速消耗,燃燒轉(zhuǎn)為通風(fēng)控制型燃燒,在較短的時(shí)間消耗大量O2,導(dǎo)致O2濃度維持在較低水平。此外,在開(kāi)放條件下,消耗的O2濃度在燃燒結(jié)束后迅速增加至初始值,增加速率隨電纜間距增大而增加;而在受限條件下,由于通風(fēng)條件的限制,O2濃度在300 s左右時(shí)緩慢上升,而在400 s左右時(shí)突降,這主要是由于出現(xiàn)復(fù)燃現(xiàn)象導(dǎo)致的,隨后緩慢恢復(fù)至O2濃度初始值。

圖10 兩種條件下不同間距對(duì)位置A處O2 濃度的影響Fig.10 Influence of different distances on the O2 concentration at position A under two conditions

4 結(jié)論

(1)開(kāi)放條件下的電纜燃燒主要屬于燃料控制型,而受限條件的電纜燃燒主要屬于先燃料控制型,后通風(fēng)控制型;

(2)在開(kāi)放條件下,氧氣充足,燃燒更為充分,形成的火焰高度及溫度更高,更容易引燃上方可燃物體。而在受限條件下,電纜火焰受到頂板限制后形成的頂棚射流,會(huì)加強(qiáng)火焰對(duì)電纜的熱輻射作用,有助于電纜燃燒;

(3)針對(duì)受限條件,由于側(cè)壁的存在,電纜燃燒過(guò)程中的空氣卷吸受到了一定的限制,由于通風(fēng)不足,受限空間內(nèi)的O2濃度逐漸下降,電纜燃燒受到抑制,而隨著空氣的補(bǔ)充,電纜極可能出現(xiàn)復(fù)燃現(xiàn)象;

(4)兩種條件下電纜間距對(duì)燃燒的影響均較為明顯,當(dāng)間距較小時(shí),燃燒電纜之間的影響顯著,燃燒更為劇烈,而隨著電纜間距增大,燃燒電纜間的相互熱輻射減弱,更接近于單根電纜的獨(dú)立燃燒,其中開(kāi)放條件相對(duì)更為明顯。

值得注意的是,本文以大截面高壓電纜為研究對(duì)象開(kāi)展數(shù)值模擬分析,探究了開(kāi)放與受限兩種條件下高壓電纜的燃燒行為,對(duì)高壓電纜復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化,所獲得的結(jié)論也主要適用于上述參數(shù)設(shè)定的條件。此外,電纜燃燒過(guò)程也受到外界因素影響,需要對(duì)此深入研究。