基于磁-热耦合分析的综合管廊电力舱温度监控布置方法

周 蠡，周秋鹏，谢 东，姜 山，范虹兴，张宇娇

(1.国网湖北省电力有限公司 经济技术研究院，武汉 430077；2.三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

随着城市规划管理的深入，形成了越来越多的高压电缆线路。但是地下综合管廊空间有限且管线复杂繁多(包括电力、通讯、给水、中水、供冷、供热及垃圾真空等系统)，导致地下管线埋设混乱问题突出，严重影响综合管廊内地下管线的安全水平[1-2]。特别是电缆线路，由于其回路较多，且不可能同期实施，因此电缆的敷设顺序和交叉跨越顺序难以确定。当出现较大负荷引起的较大电缆通流时，电缆及其接头的发热现象可能会较为严重；如果缺乏统一规划，一旦发生火灾易导致火势迅速扩大蔓延，最终导致整个综合管廊的火灾事故，造成极其严重的影响。由于综合管廊密闭性较强，廊内存在大量发热源，电缆及其它设施在运行、维护过程中容易发生火灾[3-4]。

《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838-2015)中第6.6.2条规定，应对综合管廊内的电力电缆设置电气火灾监测系统，在电缆接头处应设置自动灭火装置[5-6]。目前针对综合管廊电力舱内温度监控的研究主要集中在温度监控系统的研究，其中包括温度检测传感器的研究、系统模块的研究等；对于如何有效地布置温度监控点研究较少。文献[2,4,7]提到在每层电缆表面铺设光纤感温火灾探测器。然而，在每层电缆都铺设探测器，虽然可以大范围地实现温度监控，但是提高了工程造价和综合管廊的运维成本[8]。由于不同城市的综合管廊，其电力舱中电缆线路布置形式不同，用统一模式的温度监控系统无法更有针对性、更有效地去实施监控。

针对上述的研究现状，本文提出了一种基于磁-热耦合的综合管廊电力舱温度监控方法。以某城市地下综合管廊电力舱实际模型为例进行二维温度场仿真计算，研究正常工况下的电力舱温升分布规律，得出电力舱最高温度点即最容易引起火灾的位置。对该点进行重点监控，以提高电力电缆运行的可靠性和安全性。

1 温度监控布置方法原理

根据工程实际中的综合管廊电力舱数据，建立电力舱二维模型，对不同回路和不同电压等级电缆线路施加实际正常运行时的电流。考虑电力舱内空气自然对流的散热状态，采用有限元法进行电磁场、流场及温度场耦合数值计算。根据计算结果，在温度较高的空气区域选取4条温度观测线，读取计算结果中观测线上各温度值，拟合成温度曲线进行对比分析，得到电力舱内环境温度最高的点。在进行电力舱内火灾消防布置温度监控时应对此处进行重点温度监测，以确保运行安全，其流程图如图1所示。

图1 综合管廊电力舱仿真流程图Fig.1 Integrated corridor power module simulation process

1.1 电缆电磁场计算方法

针对不同回路不同电压等级的电缆线路，电缆缆芯铜导体区域加载实际正常运行时的电流，对整个二维模型的计算区域采用有限元法进行电磁场数值计算[9]。通过对电磁场控制方程(1)-(3)进行有限元数值计算得到导体区域的电磁损耗Q：

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1.2 电力舱自然对流原理分析

《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838-2015)中第7.2.2条规定，综合管廊正常通风换气次数不少于2次/h.故在不通风的情况下，综合管廊电力舱内可视为密闭环境，没有强制通风，主要以空气自然对流方式散热。自然对流动量微分方程(4)、(5)和能量方程(6)联立求解，此外还需要同时计算热传导方程(7)，采用有限元法进行流场与温度场的直接耦合计算，得到电力舱中温度分布情况[10-11]；

(4)

(5)

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2 综合管廊电力舱温度场仿真

2.1 综合管廊电力舱物理模型

以某城市地下综合管廊电力舱实际工程图为例。该舱包括左侧多回水平排列型号为YJV22-8.7/10 kV-3×185mm2三芯10 kV电缆线路、右侧四回品字形排列型号为YJLW02-64/110 kV-1×630 mm2单芯110 kV电缆线路和右侧两回品字形排列型号为YJLW02-Z-127/220 kV-1*2 500 mm2单芯220 kV电缆线路，及每层电缆线路钢支架。某城市地下综合管廊电力舱实际工程图如图2所示。

图2 某城市地下综合管廊电力舱实际工程图Fig.2 The actual engineering drawing of an underground power corridor

2.2 电力舱建模仿真

由于本文所提出的研究方法是基于寻找温度最高点进行温度监控，以达到有效监测的目的，因此得到计算域中温度最大值所在的位置为所提出方案的关键点，而温度计算的绝对精度并非本文关注的重点。此外，由于电缆线路及隧道可近似看成是一个具有平面对称结构的三维模型，支架体积较小且有可能为不导磁导电的材料构成，因此可忽略其对温度分布的影响，也将其等效为平面对称模型。综上所述，在不影响本文方法实现的前提下，为了节约计算资源，将整体计算域简化为二维模型进行电磁-流体-温度多物理场耦合分析，其二维模型图如图3所示。

图3 某城市地下综合管廊电力舱二维模型Fig.3 The dimensional model of electric power cabin for a city under-ground pipe gallery

以某城市地下综合管廊电力舱内电缆实际运行电流为例，针对不同回路不同电压等级的电缆线路，电缆缆芯铜导体区域加载正常运行时的电流，实际参数如表1所示。

表1 各电压等级电缆实际加载电流表Table 1 Every voltage level actual load current of the cable

利用有限元法对综合管廊电力舱进行磁场-温度场-流体场耦合分析时，需设置边界条件。磁场求解的边界条件为求解域外边界磁力线平行边界条件，即边界处的矢量磁位A为0；由于综合管廊电力舱在地下，管廊顶部离地面2.5～3 m，周边环境温度较低，设置环境初始温度为18 ℃；电力舱内没有设置强制通风，内部散热形式主要为空气的自然对流，舱壁和支架边界设置空气流速为0的约束条件[12]。

3 仿真结果与分析

3.1 温度场分析

综合管廊在不加强制通风的情况下，电力舱内散热主要为空气自然对流散热。采用有限元法进行流场与温度场的直接耦合计算，得到电力舱中温度分布情况，如图4所示。

图4 电力舱内温度分布云图及温度最高点Fig.4 Temperature distribution of the power cabin and the highest temperature point

通过图4可得出电力舱内最低温度为18.265 1 ℃，最高温度为45.846 1 ℃.10 kV电缆侧发热量比较大，温度明显高于110 kV和220 kV电缆侧，且电力舱内主要发热集中在10 kV电缆一侧，进行温度监测时主要监测10 kV电缆。

3.2 温度监控点设置

考虑到测温传感器安装的需要，在最左列10 kV电缆与电力舱左侧舱壁中间和各列10 kV电缆中间建立4条温度观测线，观测线从电力舱底部往电力舱顶部沿伸，如图5所示。分别导出4条观测线上各单元的温度、与观测线起点的相对距离，再拟合成温度曲线，如图6所示。电缆钢支架的热传递系数为48 W/(m·K)，热传递性能较强，故电缆支架整体温度相差不大。所以在图6中近似平行于x轴的曲线便是电缆支架上的温度曲线。电缆通电使电缆表面温度上升，电缆表面与空气之间通过热辐射和对流使电缆表面空气温度上升。靠近电缆的下层空气受热膨胀上升，上层的冷空气下降。通过对比4条温度曲线可以得到电力舱内环境温度最高的点在第四个电缆支架上方，即图4中的A点处是最容易引起火灾的位置。在此处设置温度监控系统，可以有效地实施温度监测预警。

图5 4条温度观测线Fig.5 4 temperature observation lines

图6 4条观测线上温度折线图Fig.6 4 observation line temperature line chart

4 结论

综合管廊电力舱中起火点一般都是温度最高点，找出温度最高点并将其进行重点监测对消防预警起到重要作用。本文首先建立实际的城市地下综合管廊电力舱二维模型，在电缆加载正常运行电流的情况下，采用有限元法计算得出电力舱内的温度分布云图，为找出温度最高点奠定基础。其次观察温度分布云图，在温度较高处设置多条合适的温度观测线，读取观测线上的温度，并拟合成曲线，通过对比找出温度最高点。最后对温度最高点进行重点温度监测，能有效预防火灾。

文章提出的温度监测方法针对具体的城市综合管廊电力舱工程实际模型，加载实际运行电流进行分析，得到的最高温度点与实际工程对象符合，而不是通过一种统一布置监控系统的方法来实现温度监测，这样的监测更具有针对性，更为有效。相比目前采用每层电缆表面铺设探测器的方法，本方法极大地降低了工程造价，节约了综合管廊运行维护成本，同时对电缆线路入廊的规划也有一定参考价值。