隧道電纜的火災(zāi)影響因素與仿真分析

閆廣穎，郭 達(dá)，韓艾強(qiáng)，牛慧芳

國(guó)網(wǎng)太原供電公司，山西 太原 030012

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市基礎(chǔ)建設(shè)越來(lái)越受到重視[1]。傳統(tǒng)的城市架空電力線難以維護(hù)和破壞城市形象，作為地下結(jié)構(gòu)的電纜隧道在城市中的應(yīng)用越來(lái)越多[2]。它可以在不破壞地面景觀的情況下方便輸電線路的擴(kuò)展和維護(hù)。然而，由于電纜材料的易燃性，電纜火災(zāi)在世界范圍內(nèi)經(jīng)常發(fā)生并造成重大損失。電纜隧道作為一個(gè)封閉的地下空間，一旦發(fā)生火災(zāi)，可能造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此，研究地下電纜隧道的防火因素具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)電纜隧道的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了深入的研究。在文獻(xiàn)[3]中，對(duì)核級(jí)電纜進(jìn)行了多種外部熱輻射和護(hù)套厚度的燃燒實(shí)驗(yàn)，得到了電纜的熱釋放效率和質(zhì)量損失率等燃燒特性；在文獻(xiàn)[4]中，對(duì)電纜隧道火災(zāi)進(jìn)行了數(shù)值模擬，主要對(duì)火災(zāi)分布和故障進(jìn)行研究。仿真表明，該系統(tǒng)可以將隧道內(nèi)的熱量釋放率降至10%以下。在文獻(xiàn)[5]中，主要分析了隧道起火的原因和各種滅火系統(tǒng)的性能比較，并提出了一種城市隧道自動(dòng)滅火系統(tǒng)的最佳解決方案。這些研究為電力電纜隧道火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)分析提供了理論依據(jù)。

在此背景下，在分析電纜火災(zāi)的致因的基礎(chǔ)上，并結(jié)合流體力學(xué)模型和燃燒模型的計(jì)算原理，對(duì)不同工況下電纜燃燒后的溫度和燃燒速率進(jìn)行了仿真。

1 模型建立

模擬火災(zāi)發(fā)展規(guī)律的模型主要有經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ健^(qū)域模式和場(chǎng)模式。目前，消防安全工程領(lǐng)域中最常用的火場(chǎng)模型軟件是由NIST 開(kāi)發(fā)的FDS。

1.1 FDS 原理

FDS 用兩種技術(shù)求解熱驅(qū)動(dòng)下的低馬赫數(shù)流動(dòng)N-S 方程：大渦模擬（LES）和直接模擬（DNS）。該研究集中于火煙和熱傳遞過(guò)程[6]。Pyro Sim 是一個(gè)基于流體運(yùn)動(dòng)的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)軟件。利用守恒方程，可以精確計(jì)算低速熱流體的流動(dòng)。在計(jì)算中把計(jì)算區(qū)域根據(jù)計(jì)算方法劃分為若干個(gè)三維網(wǎng)格，并計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格設(shè)置的物理?xiàng)l件。

在FDS 火災(zāi)模擬過(guò)程中，網(wǎng)格的大小決定了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。網(wǎng)格越多相應(yīng)的計(jì)算時(shí)間越長(zhǎng)，準(zhǔn)確性越高。因此，網(wǎng)格的尺寸通常由火源的特征直徑?jīng)Q定。研究表明，當(dāng)柵格尺寸為火源直徑的1/10 時(shí)，仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確。如式（1）所示計(jì)算火源的特征直徑。

在式中，Q為火災(zāi)熱釋放速率，kW；ρ∞為空氣密度，kg/m3；c∞為空氣比熱容，kJ/(kg·K)；T∞為環(huán)境溫度，K；g∞為重力加速度，m/s2。

1.2 燃燒模型

FDS 有兩種燃燒模型(有限反應(yīng)速率和混合分?jǐn)?shù))可以結(jié)合直接模型（DNS）和大渦模型（LES）。使用哪種模型取決于區(qū)域的基本網(wǎng)格大小。直接模擬與反應(yīng)速率有限的燃燒模型搭配。大渦模擬簡(jiǎn)化了網(wǎng)格生成，不能直接求解，更適合于混合燃燒模型[7]。

在大渦模擬中，使用混合分?jǐn)?shù)表示氣體組分的濃度。式（2）為可燃物和氧氣反應(yīng)。

在式中，燃料F 與氧氣O 發(fā)生反應(yīng)。生成一定量燃燒產(chǎn)物vp，i，為各組分的化學(xué)當(dāng)量系數(shù)。從式（2）中可以看出，燃燒的質(zhì)量損失和氧氣消耗量構(gòu)成了以下的狀態(tài)關(guān)聯(lián)，如式（3）所示。

在此引入混合分?jǐn)?shù)Z，是測(cè)定燃燒過(guò)程非常重要的參數(shù)，如式（4）和（5）所示[8]。

上式中，。為氣流中的可燃?xì)怏w組成；MF、MO為可燃?xì)怏w和氧氣的分子量，Z在0-1 之間。如果某處Z=1，這意味著此處都是可燃?xì)怏w。Z=0 表示這里的氧濃度等于大氣中的氧濃度；混合分?jǐn)?shù)滿足守恒定律，可由式（6）的線性燃燒方程求解。

2 仿真分析

2.1 仿真參數(shù)

模型中使用的電纜不考慮其自身因素。表1 為電纜的材料特性。將火源設(shè)置為從電纜表面燃燒。也就是說(shuō)，使用A 區(qū)域作為火源，選擇T2模型和8000 kW/m2火源功率。模擬時(shí)間設(shè)置為600 s。網(wǎng)格分為（45，20，20）。設(shè)定了8 種工況，如表2 所示

表1 電纜不同層詳細(xì)信息Table 1 Details on cable layer

為了研究各工況對(duì)電纜隧道火災(zāi)的影響，設(shè)定了8 種工況，如表2 所示采用Pyro Sim 軟件對(duì)多種工況進(jìn)行模擬，對(duì)著火后的溫度和燃燒速率變化進(jìn)行分析。

表2 各工況參數(shù)Table 2 Parameters of each working condition

2.2 電纜鋪設(shè)深度分析

圖1 所示在一定的電纜間距和排列下，不同電纜敷設(shè)深度（1 m，0.8 m，0.6 m）的環(huán)境溫度和燃燒速率曲線。由圖（a）可知，0～300 s 三個(gè)工況曲線之間沒(méi)有顯著差異，敷設(shè)深度對(duì)火災(zāi)影響不大。300 s 后隧道溫度迅速上升，可以看到電纜燃燒最劇烈時(shí)達(dá)到溫度900 ℃。0.6 m 深度工況燃燒最劇烈，外部空氣為燃燒提供了條件，0.8 m 深度工況次之1 m 深度工況燃燒最劇烈溫度為650 ℃。由圖（b）可知，1 m 深度燃率最低，單位時(shí)間的電纜燃燒量最低。結(jié)果表明，在規(guī)定范圍內(nèi)選擇1 m深度對(duì)地下電纜火災(zāi)的影響最小。

圖1 不同敷設(shè)深度對(duì)電纜火災(zāi)的影響Fig.1 Influences of different cable laying depths on fire risk

2.3 電纜間距分析

圖2 所示在一定的敷設(shè)深度和排列方式下，不同電纜間距（0.1 m，0.15 m，0.2 m）下環(huán)境溫度、放熱率和燃燒率的變化。由圖（a）可知，當(dāng)電纜之間的距離為0.15 m 時(shí)，環(huán)境溫度最低。由圖（b）可知，0.2 m 燃燒速度最快，其次為0.15 m，最低0.1 m。因此，0.1 m～0.15 m 電纜間距對(duì)電纜散射非常有利，對(duì)火災(zāi)的影響也最小。

圖2 不同間距對(duì)電纜火災(zāi)的影響Fig.2 Influences of different intervals on cable fire risk

2.4 電纜排列方式分析

圖3 所示兩種電纜敷設(shè)方法（平行敷設(shè)和品字形敷設(shè)）在一定敷設(shè)深度和電纜間距下對(duì)A 區(qū)域溫度和散熱率的影響曲線。圖（a）可知，當(dāng)電纜平行排列時(shí)，熱量少，環(huán)境溫度也低。從圖（b）中可以看出，600 s 平行和品字形排列電纜燃燒速度分別為1.71 kg/s 和2.4 kg/s。結(jié)果表明，平行排列的電纜具有更好的防護(hù)作用，對(duì)電纜火災(zāi)的影響也最小。

圖3 不同排列方式對(duì)電纜火災(zāi)的影響Fig.3 Influences of different arrangements on cable fire risk

2.5 結(jié)果分析

由圖1、2、3 可以看出，電纜敷設(shè)的深度越深對(duì)火災(zāi)的影響就越小，最優(yōu)選擇為1 m。當(dāng)電纜距離為0.1 m 至0.2 m 時(shí)，電纜彼此影響，綜合比較0.15 m 是最合理的選擇。排列方式對(duì)電纜火災(zāi)有一定的影響，平行排列優(yōu)于品字形排列，一般情況優(yōu)先采用平行排列。

3 結(jié)論

本文研究了電力電纜隧道火災(zāi)的影響因素，結(jié)合流體力學(xué)和燃燒模型的計(jì)算原理，對(duì)電纜在不同工況下的溫度和燃燒速率進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，合理敷設(shè)可以降低火災(zāi)溫度和燃燒率。考慮到當(dāng)前的設(shè)備和數(shù)據(jù)規(guī)模，本文剛剛處于起步階段。因此，逐步改進(jìn)和完善將是下一步工作的重點(diǎn)。