城市地下綜合管廊電纜火災(zāi)控制技術(shù)研究綜述

劉 旭，郭秀娟

（吉林建筑大學電氣與計算機學院，吉林 長春 130018）

0 引言

地下綜合管廊可以解決“空中蜘蛛網(wǎng)”等大型城鎮(zhèn)中常見的市容市貌問題，可以有效節(jié)約大量的城市用地，是保障城市正常運行的“地下通道”。西方學者們早在20 世紀就開始對地下綜合管廊進行研究，英國建造了理論上的世界第一個城市地下綜合管廊，其他國家也繼英國之后陸續(xù)開始地下綜合管廊的建設(shè)。

我國的第一條綜合管廊始建于20 世紀50 年代，經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，我國地下管廊建設(shè)也有了一定的成績。與此同時，我國也相繼出臺一些政策來鼓勵地下綜合管廊工程的發(fā)展。2013 年，國家出臺了《關(guān)于加強城市基礎(chǔ)設(shè)施的意見》，該意見決定在全國多個城市開始啟動地下綜合管廊試點工程，并且要加快城市管網(wǎng)建設(shè)和改造的進程。2015年，國家又出臺了《關(guān)于推進城市地下綜合管廊建設(shè)的指導意見》，該意見指出，要全面推動地下綜合管廊建設(shè)，逐漸增大道路配建城市地下綜合管廊的所占比例，到2020 年要建成一批能夠投入使用的國際一流水平的城市地下綜合管廊。隨著地下綜合管廊的快速發(fā)展，在管廊中存在的電力設(shè)施引起火災(zāi)隱患的問題也隨之被重視起來。

1 可燃物與起火原因

從目前來看，城市地下綜合管廊內(nèi)部可燃物主要有CH4，H2S 等氣體，電纜、電纜管線和光纜包裹物等。其中電纜絕緣外皮是由橡膠和聚氯乙烯或聚乙烯等材料制成，聚氯乙烯的燃點最低。光纜包裹物主要是由塑料外皮，塑料保護管或光導纖維等組成，可燃氣體主要是指CH4，CO 等。由于綜合管廊內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于狹長封閉空間，內(nèi)部環(huán)境潮濕，煙塵較多，一旦可燃物燃燒起來，會發(fā)生重大火災(zāi)，也會伴隨大量有毒氣體在管廊中聚集，十分危險。

起火原因[1-2]：①若電路長時間工作，電纜外部的絕緣層發(fā)生老化或機械外傷的情況，會使其保護功能完全消失。當電路短路時，設(shè)備溫度也會急劇升高，當溫度達到一定數(shù)值時會引發(fā)火災(zāi)。②線路的2 個接頭在接觸時，會有接觸電阻，如果接觸電阻過大，就會產(chǎn)生局部過熱現(xiàn)象，從而引起火災(zāi)。③當纜線的保護層發(fā)生自然老化，絕緣效果不理想，可能產(chǎn)生漏電電流，從而形成電弧和火花，引發(fā)火災(zāi)。

2 綜合管廊火災(zāi)模擬

火災(zāi)研究領(lǐng)域中，F(xiàn)DS（fire dynanics simulator）軟件由美國國家技術(shù)標準與技術(shù)研究所研發(fā)。它的模擬可信度較高，適用于研究隧道、管廊等狹長通道的安全問題。FDS 的可視化功能，能夠使我們間接觀察到火災(zāi)情況，使我們更好地了解各類火災(zāi)并能有效的進行預(yù)防。由質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律建立的方程是FDS 的基本思想。在FDS 動態(tài)模擬中，網(wǎng)格的尺寸和數(shù)量決定模擬結(jié)果的精確度，要想使結(jié)果足夠精確，必須有足夠多的網(wǎng)格數(shù)量。本文中網(wǎng)格劃分數(shù)量為100 萬，綜合管廊中部火源重點部位的網(wǎng)格尺寸為0.10 m×0.10 m×0.10 m，滿足FDS 軟件計算火災(zāi)的精度要求。

本文主要研究電力電纜所引發(fā)的火災(zāi)起因、發(fā)展過程和控制，因此只需建造1 個寬2.8 m，高3.8 m 的電力艙模型，且綜合管廊每200 m 設(shè)定1 個防火分區(qū)，所以該模型長度設(shè)為200 m。艙室兩端設(shè)寬0.5 m 的電纜橋架，其上敷設(shè)110 KV，10 KV 和220 KV 的電纜，依據(jù)電力工程設(shè)計規(guī)范[3-4]，10 KV和110 KV 電纜上下層間隔設(shè)定分別為0.2 m，0.35 m，艙室內(nèi)檢修通道都寬1.0 m，電力艙室模型截面圖（見圖1）。由于電纜是敷設(shè)在電纜橋架上，而電纜橋架上的空氣是流動的，所以對熱電纜火災(zāi)的影響極其小，可以在模擬中適當忽略。

圖1 電力艙室模型橫截面

因為地下綜合管廊的電纜是均勻分布的，電纜的用量在各處均等，所以本文將起火點放在電力艙室的中間位置，在下層電纜橋架處，將電纜引燃后，電纜火勢向各個方向擴散，能夠引燃最多的電纜，這樣可研究在最不利情況下電纜艙室火災(zāi)的危險性。

FDS 火災(zāi)模擬能夠較全面的反映電纜火災(zāi)的起因和發(fā)展全過程，圖2 為軟件運行界面[5]，根據(jù)該實驗可得出電力艙室著火分區(qū)內(nèi)電纜火災(zāi)的發(fā)展狀態(tài)，如圖3 所示。該建模防火分區(qū)內(nèi)的電纜火災(zāi)發(fā)展共有4 個階段，分別是初起階段，發(fā)展階段，充分燃燒階段及最后的衰減熄滅階段。t=10 s 時，艙室著火點附近電纜的絕緣層材料逐漸受熱并發(fā)生高溫熱解，進入陰燃階段；t=1 000 s 時，火勢逐漸增大，火源向兩側(cè)電纜蔓延；t=2 100 s 時，隨著電纜的不斷燃燒，釋放大量熱量，熱釋放速率持續(xù)上升；t=2 400 s 時，由于擴大的火勢，使得另一側(cè)電纜在達到燃點后也發(fā)生燃燒，這時電力艙室的火勢達到最大，進入充分燃燒階段。通過FDS 火災(zāi)模擬可知，在3 600 s 火災(zāi)模擬時間內(nèi)，該模型中的電纜燃燒范圍較小，火災(zāi)蔓延長度約為25 m，遠遠小于1 個防火分區(qū)的長度200 m[6]。

圖2 軟件運行界面

圖3 電纜火災(zāi)發(fā)展狀態(tài)

3 電纜火災(zāi)場景下消防系統(tǒng)的聯(lián)動控制流程

如今，計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都在飛速發(fā)展，消防聯(lián)動系統(tǒng)也隨之向全總線制、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和綜合化方向發(fā)展。經(jīng)濟發(fā)達的國家消防設(shè)施建設(shè)比較成熟，例如美國在1904 年立法強制設(shè)置消防設(shè)施，他們在各種場景下制定的消防系統(tǒng)聯(lián)動控制流程都十分規(guī)范、合理、有效。我國在綜合管廊內(nèi)的火災(zāi)控制流程的制定雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，火災(zāi)控制流程圖在提前應(yīng)對火災(zāi)問題中發(fā)揮了巨大作用。針對城市地下綜合管廊電力艙室的火災(zāi)問題，制定了如圖4 的流程圖。

火災(zāi)發(fā)生后：①開啟所有的應(yīng)急照明指示燈和火災(zāi)聲光警報設(shè)備[7]，并使用應(yīng)急廣播提醒在管廊內(nèi)的所有人員撤離到安全區(qū)域；②將所有地下管廊出入口安防設(shè)備解除，確保管廊內(nèi)人員能夠順利逃出；③啟動所有滅火系統(tǒng)，同時消防控制中心能夠人工操控消防設(shè)備[8]；④保證發(fā)生火災(zāi)區(qū)段及相鄰區(qū)段所有非消防負荷電源斷開，且保證消防控制中心能夠正常觀測所有電氣設(shè)施的工作狀態(tài)，并能接收反饋信號；⑤要關(guān)閉發(fā)生火災(zāi)區(qū)段及相鄰區(qū)段的所有防火閥組件和換氣設(shè)備，為避免地下管廊電力艙室火焰回燃，要等到火焰熄滅后且溫度下降到著火點以下，時間到達1 500 s 時，再開啟排風機[9-10]，如圖5 所示。

圖4 綜合管廊艙室火災(zāi)控制流程圖

圖5 火源處溫度變化圖

4 結(jié)語

本文對城市地下綜合管廊由電力設(shè)施引發(fā)的火災(zāi)進行了分析研究，通過軟件模擬得到電纜引發(fā)火災(zāi)的發(fā)展全過程，了解了火災(zāi)發(fā)生的4 個階段的參數(shù)，并根據(jù)實際情況制定了科學的綜合管廊火災(zāi)控制流程圖，地下管廊內(nèi)不僅有電纜等電氣設(shè)備，還有給排水管道、燃氣管道，一旦發(fā)生火災(zāi)事故，影響十分廣泛，因此進行電纜火災(zāi)控制技術(shù)方面的研究對綜合管廊的前期建設(shè)及后期安全運營有著現(xiàn)實意義。