基于高壓電纜燃燒試驗的電纜隧道末端火災模擬

王舒寒，張永康，王 玲，湯敏吉，陳艷羚，王 承，臧建彬

（1.國網上海市電力公司電纜分公司，上海 200072； 2.同濟大學 機械與能源工程學院，上海 200092）

電纜隧道具有空間封閉、潛在可燃物多、火災撲救難度大等特點，一旦發(fā)生火災就會造成嚴重后果，嚴重威脅城市電網的安全運行［1-2］。電纜隧道內發(fā)生火災的可能性較小，但其為封閉的地下空間，如果發(fā)生火災，隧道內的溫度高、能見度低，并且火源易復燃，加大了滅火救援的難度［3-4］。據(jù)相關研究統(tǒng)計，約30%的電纜隧道火災事故源于電纜自身故障，其余約70%的火災事故由外界因素引起［5-6］。因此，對于電纜隧道火災的仿真模擬具有十分重要的研究價值。

文獻［3］通過對T 型電纜隧道建立模型，使用FDS 仿真軟件對其進行全尺寸模擬，得出了煙氣在電纜隧道中的流動先呈層流狀態(tài)，后處于紊流狀態(tài)的結論；文獻［4］通過應用FDS 軟件對電纜隧道火災過程進行模擬，得出由于隧道內持續(xù)高溫狀態(tài)，電纜將會不斷地燃燒，并且電纜隧道火災發(fā)展迅速、救援難度大；文獻［5］通過FDS 軟件分別對端口無封堵、封堵1/8、封堵1/4、封堵1/2 和封堵3/4 五種工況下的隧道火災進行模擬，結果表明封堵的比例越大，煙氣蔓延至隧道端的時間越快，溫度降低越快，CO 含量越高；文獻［6］利用FDS 進行隧道火災數(shù)值模擬，將模擬結果中的溫度、CO 濃度和能見度作為分析指標，通過正交試驗分析發(fā)現(xiàn)，通風風速、火源功率、火源位置對隧道火災的影響依次減小。

由于電纜隧道火災的特殊性，必須對高壓電纜的燃燒特性進行試驗，而以往電纜隧道火災模擬的數(shù)據(jù)取值有一定的不確定性。本文通過將電纜燃燒試驗得到的確切數(shù)據(jù)代入FDS 仿真軟件進行電纜隧道的火災模擬，使得模擬的結果更貼近真實的結果，以此為電纜隧道火災后續(xù)的排煙、救援提供合理有效的指導。

1 電纜燃燒試驗

近年來，能夠真實反映材料燃燒性能的理想試驗儀器為錐形量熱儀，真實火災的燃燒環(huán)境和試驗環(huán)境極其相似。它通過氧消耗的原理來測定可燃材料在火災中的燃燒參數(shù)所得到的相關數(shù)據(jù)，如熱釋放率、有效燃燒熱、點燃時間、總釋放熱、煙氣及毒性參數(shù)和質量變化等，用以評價試驗材料在火災中的燃燒行為。

考慮到試驗結果的實用價值，本試驗選取了上海市某電纜隧道內廣泛使用的電力電纜進行試驗，即型號為ZB-YJLW03-Z 的220 kV 交聯(lián)聚乙烯高壓電纜。試驗依照ISO 5660-1 對火反應試驗——熱釋放、產煙量及質量損失率，第1 部分：熱釋放速率（錐形量熱儀法）進行，采用錐形量熱儀對高壓電纜進行熱輻射燃燒試驗，主要由燃燒室、載重臺、氧分析儀、煙測量系統(tǒng)通風裝置及有關輔助設備等六部分組成，并選擇輻射熱引燃的方式，輻射功率為50 kW·m-2。

2 試驗結果分析

2.1 密度

交聯(lián)聚乙烯電纜密度試驗主要通過電子天平和數(shù)顯卡尺測得，測試環(huán)境溫度為23 ℃，濕度為53.1%。通過質量與體積的比值得到交聯(lián)聚乙烯電纜的密度，測量4 次并取平均值，試驗結果見表1。

表1 220 kV 交聯(lián)聚乙烯高壓電纜密度檢測結果

由圖1 可知，電纜的點燃時間在30 s 左右，此時的熱釋放率最大，為228 kW·m-2。0～30 s 在持續(xù)的輻射熱作用下，電纜的熱釋放率呈直線式激增；隨后在金屬護套的阻燃作用下，熱釋放率有所下降，經過約150 s 的熱量積聚，電纜內部的絕緣層開始燃燒，熱釋放率又開始上升；然后隨著絕緣層的燃燒殆盡，熱釋放率開始緩慢下降至30 kW·m-2，但并未降至0 kW·m-2，可見燃燒結束后，電纜殘渣依然會釋放出少許的熱量。

圖1 電纜燃燒試驗熱釋放率曲線

由圖2 可知，電纜燃燒的總熱釋放量一直處于上升狀態(tài)，0～700 s 上升趨勢比較明顯，700 s 后總熱釋放量上升趨勢開始變緩，最終燃燒結束時，共釋放熱量151 MJ·m-2。

圖2 電纜燃燒試驗總熱釋放量曲線

2.2 熱量釋放

交聯(lián)聚乙烯高壓電纜燃燒試驗熱釋放率曲線如圖1 所示，總熱釋放量曲線如圖2 所示，電纜燃燒狀態(tài)如圖3 所示。

圖3 電纜燃燒狀態(tài)

2.3 質量損失

電纜燃燒質量損失曲線如圖4 所示。由圖4可知，電纜燃燒的質量損失呈下降趨勢，0～700 s質量損失速度較快，700～1 800 s 質量損失速度變緩。結合圖2 總熱釋放量來看，二者呈負相關，前期電纜燃燒反應劇烈，可燃物的損失速度比較快，隨著大面積的絕緣層燃燒殆盡，總熱釋放開始放緩，質量損失也因此變慢。

圖4 電纜燃燒試驗質量損失曲線

2.4 煙氣產量

隧道中的電纜燃燒除了會帶來明顯的熱危害，電纜燃燒產生的煙氣同樣威脅著電纜隧道的消防安全。用比消光密度表示燃燒材料在規(guī)定的試驗條件下產煙濃度的光學特性。電纜燃燒試驗的煙氣產量曲線如圖5 所示。

圖5 電纜燃燒試驗煙氣產量曲線

從圖5（a）比消光密度曲線可以看出，電纜在未燃燒之前一直處于陰燃狀態(tài)，在短短30 s 內產生了大量的煙氣，比消光密度達到了峰值1 500 m2·kg-1，因此可以得出電纜燃燒的大量煙氣主要來自陰燃階段。隨著可燃物的逐漸減少，煙氣量也開始下降，在600 s 時已經不再產生煙氣。

由圖5（b）和圖5（c）可以看出，0～500 s 時CO和CO2的生成速率具有相同的發(fā)展趨勢。CO2在250 s 達到峰值0.13 g·s-1后開始緩慢下降，在1 000 s后開始穩(wěn)定在0.02 g·s-1左右。CO 在500 s降至最低點0.000 60 g·s-1，然后開始上升至0.001 25 g·s-1，可能原因為導體屏蔽層的材質燃燒會產生CO，導致了CO產生速率的增加，隨著燃燒的繼續(xù)，CO產生速率開始緩慢下降至0.006 2 g·s-1。

2.5 其他氣體及毒性指標

通過試驗檢測，電纜燃燒除產生CO，CO2氣體外，還會產生HBr，HCN，NOx，SO2等氣體，如表2 所示。

表2 電纜燃燒氣體生成及含量

3 數(shù)值模擬

本文采用火災仿真軟件FDS 建立地下電纜隧道的火災模型，F(xiàn)DS 是由美國國家標準研究所和火災研究試驗室合作共同研發(fā)的一款基于場模型的計算火災動力學的模擬軟件，其能夠根據(jù)火災的燃燒特性，通過直觀的動畫展示火災的發(fā)展過程，并且能夠對火災中的煙氣蔓延、溫度、能見度、CO 含量的變化規(guī)律進行分析［7-12］。

3.1 模型建立

電纜隧道模型主要以上海市某電纜隧道的通風區(qū)間實況為參考，由于電纜支架、消防及通信設備、排水溝等設施的可燃物質較少，對于電纜隧道火災的模擬無較大影響，因此建立模型時予以忽略?，F(xiàn)實環(huán)境中，電纜隧道一般長達數(shù)公里，模擬所需時間較長，因此按照電纜隧道防火的相關要求，建立截面直徑為3.5 m 的圓形電纜隧道模型，此模型處于電纜隧道通風區(qū)間的末端，左側處于封閉狀態(tài)，右側建設有通風井，通風井與外界環(huán)境連通。設置隧道長度為200 m，電纜隧道壁面由混凝土構建，厚度為0.3 m；高壓電纜為0.2 m×0.2 m×200 m 的長方體，由內部PVC 塑料和外部的聚氯乙烯組成，隧道內共設置3 層電纜，電纜層的高度分別為0.3，1.5，1.9 m。電纜隧道實況如圖6所示，電纜隧道模型如圖7 所示。

圖6 電纜隧道實況

圖7 電纜隧道模型

3.2 網格劃分

網格質量的好壞直接決定模擬結果的正確與否，一般來說，網格越小，計算精度越高。但試驗結果表明，網格設置的不合理將直接導致計算誤差。因此，為保障模擬結果的準確性，對網格的正確劃分極為重要［13］。網格尺寸的經驗值為特征火焰的1/4～1/16 較為合適。特征火焰的直徑直徑采用下式計算：

式中Q?——火源的熱釋放速率，kW·m-2；ρ∞——空氣密度，取1.2 kg·m-3；cp——空氣比熱，取1 kJ·（kg·K）-1；T∞——環(huán)境空氣溫度，取297 K；g——重力加速度，取9.81 m·s-2。

其中，火源的熱釋放速率取5 MW·m-2，經計算，特征火焰的直徑為3.46，由此可以得出模擬的網格尺寸范圍為0.28～0.86，綜合考慮網格精度和計算時間，由于考慮電纜直徑方向的尺寸相對于電纜隧道整體尺寸較小，溫度在電纜的徑向分布梯度比較大，需要對電纜進行網格加密，網格大小設置為0.2×0.2×0.1，共計361 000 個網格［14］。

3.3 邊界條件

根據(jù)電纜密度檢測和燃燒試驗結果，其密度為1 565.17 kg·m-3，單位熱釋放率為224.89 kW·m-2，燃點為250 ℃。電纜隧道內環(huán)境溫度根據(jù)實測數(shù)據(jù)取值25 ℃，火源尺寸為0.45 m×2 m，火源材料采取FDS 軟件資源庫中的庚烷，火源設置于電纜隧道50 m 處的最底層左側電纜的底部位置，火源功率設置為5 MW。電纜隧道在實際的火災發(fā)展過程中屬于t2火模型，其公式可簡化如下：

式中Q——熱釋放速率，kW·m-2；α——增長系數(shù)，kW·s-2；t——時間，s。

不同類型火災的增長系數(shù)如表3 所示。根據(jù)美國NFPA 的分類標準，對應電纜材質的火災增長系數(shù)為 0.187 8［15］，t為163 s。

表3 不同類型火災的增長系數(shù)

4 模擬結果與分析

4.1 火勢發(fā)展及煙氣擴散

煙氣擴散和火勢蔓延能夠反映電纜隧道內火災的真實狀況。X=1.75 m 煙氣擴散切片如圖8所示。50 s 時隧道內高壓電纜處于初始燃燒階段的陰燃狀態(tài)，產生了大量的煙氣，此時的煙氣與隧道內的原有空氣存在溫度差，在浮升力的作用下，煙氣近乎豎直地不斷向隧道頂部沖擊，由于隧道壁面的阻撓，便又朝隧道縱向方向迅速蔓延流動約40 m。由于二層電纜與底層電纜存在1.2 m 的高度差，底層電纜起火后，火勢并不會直接向二層電纜擴散，而是向著底層電纜的長度方向蔓延。隨著電纜從陰燃狀態(tài)向充分燃燒狀態(tài)過渡，火源的尺寸不斷擴大，煙氣蔓延的速度反而呈下降趨勢。這是因為電纜燃燒的火勢不斷變大，所需的氧氣量劇增，而電纜燃燒產生的煙氣在一定程度上抑制了火源的繼續(xù)發(fā)展。

圖8 X=1.75 m 煙氣擴散切片

火勢和煙氣向火源下游蔓延的速度明顯要大于向火源上游蔓延，這是因為處于隧道上游的防火門在發(fā)生火災后會自動關閉，上游的隧道口近似于封堵狀態(tài)，氧氣含量有限，而下游隧道口與通風井相連接，通風井與外界空氣連通，因此火勢發(fā)展和煙氣擴散向下游的傾向也更大。

4.2 能見度

能見度是在指定的空間內人眼可以看到的最遠的距離。對于密閉空間而言，能見度的高低決定著安全疏散的效率。X=1.75 m 能見度切片如圖 9 所示。在圖9 中，t=50 s 時，電纜隧道的能見度處于10 m 安全范圍以上，此時為逃生的最佳時機；t=100 s 時，火源位置附近已經出現(xiàn)能見度低于10 m 的區(qū)域，隨著火勢的不斷蔓延，煙氣繼續(xù)下沉，能見度迅速降低；t=300 s 時，電纜隧道內能見度低于10 m 的區(qū)域不斷擴大，長度約為120 m。

圖9 X=1.75 m 能見度切片

4.3 溫度變化

溫度是衡量火災強弱的重要指標之一。電纜隧道不同時刻溫度對比如圖10 所示。由圖10 可知，隨著電纜從陰燃到完全燃燒發(fā)展，火源尺寸不斷增大，電纜燃燒所釋放的熱量也不斷增大，隧道內的溫度逐漸上升。溫度最高處不在火源位置，而是在火源的下游方向，且距離火源有一定的距離。300 s 時，火源下游處的煙氣還未蔓延至隧道口，且下游隧道口與外界空氣連接，靠近下游隧道口的煙氣與外界空氣進行熱量交換，導致隧道末端120～200 m 處的溫度最低，并且越靠近隧道末端，隧道內的空氣溫度也越低。

圖10 電纜隧道不同時刻的溫度對比

對電纜隧道火災時250～300 s 的平均溫度進行統(tǒng)計，并對1.4，2.0，3.2 m 高度處的隧道溫度進行對比。電纜隧道不同高度處的溫度對比如圖11 所示。由圖11 可知，在隧道火災的初始階段，火源的溫度明顯高于隧道的初始溫度，二者明顯存在一定的密度差，因而在火源處會產生壓力差，煙氣與隧道空氣發(fā)生熱量傳遞后形成火羽流，煙氣在浮升力的作用下向隧道頂部不斷沖擊，導致隧道頂部的溫度最高。隨著火源的繼續(xù)發(fā)展，火災煙氣縱向影響距離不斷擴大，同時高溫煙氣在對隧道頂部進行沖擊之后有一定程度的下沉，導致電纜隧道在高度方向上的溫度呈上升趨勢。

圖11 電纜隧道不同高度處的溫度對比

4.4 CO 生成量

當火災產生的CO 含量達到臨界值4×10-4mol·mol-1時，煙氣中的CO 與血紅蛋白結合，人體會在45 min 之內眼花、惡心，2 h 內失去知覺，難以正常逃離隧道，因此研究CO 的濃度分布對于人員逃生和救援具有重要意義。不同時刻電纜隧道的CO 含量對比如圖12 所示。由圖12 可知，在100 s 時，只有火源附近產生了少量的CO，隨著火源向隧道兩端蔓延，300 s 時上游隧道口CO 含量達到2×10-4mol·mol-1，下游隧道口與外界空氣直接接觸，稀釋了隧道末端120～200 m 處的CO含量，隧道80 m 處CO 含量達到峰值1.52×10-4mol·mol-1，但均在臨界值以下，不會對人員疏散造成嚴重威脅。

圖12 不同時刻電纜隧道的CO 含量對比

5 災后排煙

電纜隧道結構狹長，一旦內部發(fā)生火災，造成的后果將難以估量。因此，在保證人員安全的前提下，采用電纜隧道本身配置的縱向通風的方式排出隧道內煙氣是較為有效的方法。而臨界風速是隧道縱向排煙的重要因素。隧道臨界風速是指當隧道內發(fā)生火災時，保證火災所產生的煙氣不發(fā)生逆流的最小通風速度。

Thomas 提出了臨界風速的概念，并給出了臨界風速與火源功率三分之一的關系，再考慮隧道坡度的影響，進一步提出了如下的臨界風速計算公式：

式中Vc——臨界風速，m·s-1；Kg——坡度修正因數(shù)；K——常數(shù)，0.61；g——自由落體加速度，9.8 m·s-1；H——隧道截面凈高，m；Q——火源熱釋放速率，W；ρ——隧道內空氣密度，1.2 kg·m-3；Cp——空氣比定壓熱容，1 kJ·（kg·K）-1；A——隧道通風截面積，m2；Tf——熱空氣溫度，K；T——環(huán)境溫度。

以上各項參數(shù)取值為：H=3.5 m，A=9.6 m2，Kg=1，Q=5 MW，T=298 K。經計算，此電纜隧道火災排煙的斷面臨界風速為1.4 m·s-1。

6 結語

本文采用試驗與數(shù)值模擬相結合的方法，通過FDS 軟件建立了電纜隧道末端模型并對電纜燃燒過程進行了數(shù)值模擬，所得火勢及煙氣擴散規(guī)律、溫度變化規(guī)律、能見度變化規(guī)律和CO 含量變化規(guī)律具有一定的可信度。

（1）隧道火災的初始階段，由于高溫煙氣與隧道內的空氣存在溫差，煙氣在浮升力的作用下不斷沖擊隧道頂部，而后開始在隧道內縱向蔓延。在這個過程中煙氣又會有一定程度的下沉，導致在高度方向上的隧道溫度呈上升趨勢。

（2）由于電纜隧道末端一般建有通風井與外界連通，隧道內的火勢發(fā)展及煙氣擴散呈現(xiàn)出向隧道末端方向發(fā)展的趨勢，并且越靠近隧道末端處的溫度和CO 含量越低，越有利于人員逃生和消防救援。

（3）電纜隧道末端火災的煙氣溫度和CO 含量的峰值并不在火源位置處，而是在火源下游處且距離火源有一定的距離。

（4）電纜隧道末端火災發(fā)生后，災后排煙的斷面臨界風速為1.4 m·s-1，以防止煙氣回流。