基于有限元模擬的變電站電纜溝道火災蔓延仿真研究

張 皓，馬國慶，姚金霞，李鵬飛，段玉兵

（國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

近年來，隨著電網建設的步伐加快，電網智能化建設水平逐步提高，變電站數量及電纜規模大幅增加。電纜是輸電系統的重要組成部分，幾乎遍布整個變電站及城市地下管廊，且電纜具有易燃性、著火后具有串延性［1-6］，一旦發生火災，將會嚴重影響電網生產部門的正常生產工作，造成巨大的經濟損失，還影響到地方經濟的成長和附近地區人們的日常生活。由于電纜安全運行的防火措施比較單一［7-11］，對于電纜火災隱患尚不能做到及時有效的控制，因此針對電纜溝道的防火措施性能的研究亟不可待。

對運行的電纜采取有效的防火及監測預警措施，可以避免電纜火災事故的發生，對電力系統的安全可靠運行有非常重要的意義，國內外已有學者進行相關研究。趙永昌等［12］通過研究綜合管廊電力艙室內火災初期溫度場，得到火災條件下地下綜合管廊內的煙氣溫度衰減規律以及煙氣蔓延規律。彭玉輝［13］揭示了火災條件下火災煙氣在電纜所在空間的遷移蔓延規律。戴文濤［14］分析了目前電纜隧道火災探測應用技術與其存在的問題，研究了電纜隧道的火災特點及探測預防技術。王明年等［15］采用火災動力學三維模擬軟件建立全尺寸火災模型，分析了電纜艙室內火災發展過程及煙氣溫度分布規律，研究了艙室截面尺寸對電纜火災熱釋放速率的影響規律。羅夏等［16］通過分析不同電纜間隙的豎向電纜燃燒過程中質量損失速率，得到電纜間隙與電纜燃燒速率的關系。王方舜［17］通過計算流體動力學（Computational Fluid Dynamic，CFD）模擬綜合管廊內電纜火災發展過程，得到不同工況下的管廊內熱釋放速率、管廊內溫度分布、管廊內煙氣擴散及一氧化碳濃度分布等情況；郝冠宇［18］利用火災動力學模擬軟件（Fire Dynamics Simulator，FDS）建立管廊模型進行分析，得到了電纜艙內電纜火災期間的火勢發展、煙氣擴散和溫度變化等規律；Roberto Passalacqua 等［19］從電力電纜線路布置方式的角度出發，對火災橫向縱向蔓延趨勢進行了分析。目前國內外學者針對電纜分層敷設方式對變電站電纜溝火災蔓延的影響研究相對較少，而電纜溝道火災蔓延趨勢研究，是提升電纜線路火災防護能力、實現通道火災預警及自動滅火的基礎性研究。

采用PyroSim 分析軟件建立基于有限元模擬的地下電纜溝火災蔓延仿真模型，研究電纜不同分層敷設方式對變電站電纜溝火災蔓延的影響。研究表明，電纜溝火災蔓延以縱向蔓延為主，電纜層數對火勢發展有顯著影響，適當減少敷設的電纜層數可有效延緩火勢發展，降低火災造成的損失。

1 地下電纜溝道火災蔓延仿真建模

地下電纜溝道火災蔓延仿真模型設定為變電站35 kV 出線電纜隧道，模擬設置熱電偶、煙氣探測器和煙氣含量切片設備。電纜溝道仿真模型如圖1 所示，長16.6 m，寬2 m，高2.5 m。電纜溝道側壁、頂壁為混凝土結構，底部敷設0.1 m 的防火磚。三相電纜“一”字型排列于同一層支架，電纜半徑為0.04 m，每相電纜間距為0.04 m。電纜由鋼支架支撐，鋼支架間距為1 m。

圖1 電纜溝道仿真模型示意

四層電纜敷設的隧道，底層電纜距地面距離為0.2 m，層與層間距為0.53 m，最頂層電纜距頂壁為0.39 m；五層電纜敷設的隧道，底層電纜距地面距離為0.2 m，層與層間距為0.4 m，最頂層電纜距頂壁為0.3 m。

2 火勢蔓延趨勢仿真分析

在電纜下方設置燃燒面來模擬電纜燃燒釋放的熱量，燃燒面積設定為0.4 m2，燃燒位置設置于底層中部，火源功率為3.2 MW，圖2、圖3 為火勢蔓延的過程。

圖2 四層電纜敷設條件下火勢蔓延過程

圖3 五層電纜敷設條件下火勢蔓延過程

由圖2 可知，四層電纜敷設條件下，當底層電纜燃燒時，電纜縱向燃燒，火勢蔓延于火源附近的底層電纜及上一層的電纜。火情發生到159 s 時，第二層電纜發生燃燒并逐漸擴大；火情發生到512 s 時，第三層電纜出現明顯的燃燒。隨著溫度升高，炙熱的煙氣沖到電纜溝道頂層，使得最上層電纜發生熱解，但在600 s時間內最上層電纜未燃燒。

由圖3 可知，五層電纜敷設條件下，火情發生到98 s 時，第二層電纜發生燃燒并逐漸擴大；火情發生到395 s 時，第三層電纜出現明顯的燃燒；火情發生到530 s時，第四層電纜開始燃燒。

電纜不同分層敷設方式下從火勢蔓延過程如表1所示。時間上來看，四層電纜敷設時，從第一層蔓延至第二層用了120 s，從第二層蔓延至第三層用了350 s，縱向蔓延速度變慢；五層電纜敷設時，從第一層蔓延至第二層用了67 s，從第二層蔓延至第三層用了297 s，從第三層蔓延至第四層用了135 s左右的時間，縱向蔓延速度先慢后快。

表1 電纜不同分層敷設方式下火勢蔓延過程 單位：s

隨著電纜層數由四層變為五層，當底層電纜發生燃燒時，火災縱向蔓延速度明顯加快。五層電纜敷設時，火勢蔓延至第二層耗時98 s，比四層敷設快40%；火勢蔓延至第三層耗時395 s，比四層敷設快23%。由此可知電纜層數的增加，加快了火勢蔓延速度。

3 電纜溝道溫度場分析

火災發生時，熱量交換作用直接影響到火情發展趨勢。模型中將溫度傳感器設置在火源點正上方1.4 m（火源點附近）和距離火源點水平距離15 m 正上方1.4 m（非火源點附近）。電纜溝道內部溫度變化曲線如圖4所示。

圖4 電纜溝道內部溫度變化曲線

由圖4 可知，電纜分層敷設方式對火災后電纜溝道溫度場的影響不大，在火源點附近的溫度場基本一致，考慮非火源點附近溫度場時，在五層電纜敷設的條件下其整體溫度比四層電纜敷設溫度平均略低30 ℃。在150 s 后，火源點附近區域溫度穩定在550 ℃上下，而非火源點附近區域的平均溫度也穩定在275 ℃上下。

在非火源點附近分別選取4 個點，縱向高度依次為0.1 m、0.4 m、0.9 m 和1.4 m，各點溫度變化曲線如圖5所示。

圖5 非火源點附近區域不同高度溫度曲線

在電纜溝道發生火災以后，非火源區域溫度場存在著明顯的分層現象，溫度隨著縱向高度的增加而逐漸增加。電纜燃燒后產生的炙熱煙氣漂浮于電纜溝道頂層是形成溫度場分層現象的主要原因。

4 氣體濃度分布規律及分析

常見電纜（如交聯聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯緣等）發生燃燒時，當主絕緣燃燒充分時，產生CO2；當主絕緣燃燒不充分時，產生CO；并且電纜常用材料含氯聚合物，燃燒會產生HCl。因此，CO、CO2、HCl、O2常作為表征有機聚合物材料火災狀態的指標。模型中設置了CO 氣體探測器、CO2氣體探測器、HCl 氣體探測器、空氣質量探測器，布置于火源正上方棚頂位置。

4.1 有毒氣體分布規律

圖6 為溝道內部CO、HCl 等有毒氣體的平均摩爾濃度變化曲線。

圖6 電纜溝道內部有毒氣體摩爾濃度變化曲線

根據圖6 分析發現四層電纜敷設方式下所產生的CO 和HCl 要明顯的低于五層敷設；四層敷設方式下CO 產生時間要更早更快，但穩定后的摩爾濃度水平低很多；HCl 的產生時間和速度在兩種敷設條件下基本同步。

研究中發現火災過程中電纜溝道內有毒氣體濃度呈現出顯著地分層現象。圖7 為各時間點有毒氣體摩爾濃度切片示意。

圖7 各時間點有毒氣體摩爾濃度切片示意

圖7 所示，在電纜燃燒過程中，有毒氣體濃度隨著縱向高度的增加而升高，這一結論對電纜溝道災后救援有著指導性意義。

4.2 空氣組分氣體分布規律

圖8 為溝道內部CO2、O2等空氣組分氣體的平均摩爾濃度變化曲線。

圖8 電纜溝道內部各氣體平均摩爾濃度變化曲線

對兩種電纜敷設方式下的氣體濃度進行分析，發現四層電纜敷設方式下電纜燃燒所產生的CO2濃度略高于五層敷設，電纜溝道內剩余的O2含量也略高于五層敷設。

4.3 分析

產生此現象的原因在于當發生電纜溝道火災時，四層敷設方式下燃燒更為充分，所產生的CO2含量略高，五層電纜敷設方式下不充分燃燒的概率更大，所產生的有毒氣體CO 含量要高于四層敷設。另外，在單位時間段內五層電纜敷設方式下的可燃物更多，所以釋放產生的HCl氣體更多。

綜上所述，當發生電纜溝道火災時，四層電纜敷設方式下所釋放的有毒氣體濃度要比五層電纜敷設方式顯著降低，故四層電纜敷設方式要優于后者；同時有毒氣體濃度分布存在顯著分層現象，有毒氣體濃度隨著縱向高度增加而升高。

5 結語

本文研究了變電站電纜溝內電纜不同分層敷設方式對火災蔓延趨勢的影響，得出如下結論：

1）電纜溝道火災蔓延以縱向蔓延為主，四層電纜敷設方式與五層電纜敷設相比，可有效地減緩火勢的縱向蔓延速度，減少電纜火災損失。

2）電纜分層敷設方式對火災后電纜溝道溫度場的影響不大，在電纜溝道火災過程中，溫度場存在分層現象。

3）當發生電纜溝道火災時，四層電纜敷設方式下所釋放的有毒氣體濃度要比五層電纜敷設方式顯著降低，同時有毒氣體濃度分布存在顯著分層現象。