换流站封堵复合板抗火性能研究*

侯 东 刘晓圣 姬 军 王广克 聂京凯

(全球能源互联网研究院有限公司， 北京 100032)

换流站是电力系统重要的组成部分，若发生火灾，将严重影响居民的日常生活，造成巨大的经济损失。国内外曾发生过多起换流站火灾，如2019年泉城换流站火灾造成1死2伤，同年的沂南换流站火灾造成变压器及设备被烧毁损坏，而一些具有防火封堵的电厂，即使发生火灾，损失也会减少，如1994年北京石景山电厂火灾，电缆隧道全部烧毁，但是地面控制设备却完好无损；2004年重庆电信大楼火灾，一楼二楼完全过火，但是移动通信机房却幸免于难[1]。鉴于此，国内外均制定了防火封堵材料的相关标准，国内外学者也对防火封堵材料进行了大量研究。Ackerman研究了阻火贯穿件和多种密封剂的特性，结果表明使用渗透剂可以使试件在火灾中保持刚性[2]；Nam通过研究发现防火贯穿件可以防止火灾的扩散以保持防火封堵墙和地板的完整性[3]；Marsden等研究了一种新型的可应用于PEX和PEX-AI-PEX管道的阻火器，结果表明：PEX和PEX-A1-PEX管在室温下的性能相似，但在高温下的性能差别很大，PEX-Al-PEX管道在高温载荷下更易破碎[4]；钟伟华考虑到换流站内部的电磁环境，将新型材料应用于换流站内部的电缆屏蔽和防火封堵，结果表明新型的防火封堵模型可以有效地屏蔽电磁场，并稳定换流站内部的磁场，具有封堵效果好，施工方便等特点[5]。Sun提出了防火封堵技术的综合应用，以新型防火封堵片为代表，介绍了防火封堵产品的现状，并进行了原因分析，最后从产品质量、产品标准、产品选择和施工应用四个方面提出了相应的建议，试图为解决防火封堵问题提供一些新的思路和方法[6]；张苗研究了防火封堵对抑制火焰传播的作用，利用FDS软件模拟了不同宽度、不同位置防火封堵下幕墙保温系统的火灾蔓延情况,讨论了防火措施和抑制火焰传播的有效性和可行性,并提出了最优的防火构造组合[7]；朱辉利用ANSYS软件对防火密封墙进行了热分析,通过分析温度场、热通量和温度梯度等主要热力学参数得出了更为优秀的防火墙结构[8]。基于国内外的研究，本文采用ANSYS 软件对HC标准温升条件下的单层及多层不同厚度复合夹芯板的防火性能进行了研究，得到了各防火板背火面的温升曲线及耐火极限，提出新的耐火性能高、可用于换流站的防火封堵的复合夹芯板。

1 数值模拟方法验证

1.1 模型及边界条件

为了验证数值模拟方法的正确性，选取文献[9]中的单面受火条件下的岩棉夹芯板温度场进行模拟，并进行了对比验证，所用模型如图1所示。

a—文献[9]中的模型； b—本文模型； c—局部网格。Ls为岩棉板表面包被的钢板厚度；Lg为岩棉板厚度；T1,T2均为岩棉板与钢板夹层面的温度。

考虑瞬态热传导过程，采用热源为ISO 834的标准温升曲线：

Ts(t)=T0+345lg(8t+1)

(1)

式中：Ts(t)为t时刻的温度；T0为初始温度；t为时间。

其他热力学参数如表1所示。

表1 热力学参数

钢板及岩棉接触面间的热传导系数λ采用式(2)计算：

(2)

式中：λs和λc分别为钢板及岩棉的热传导系数，J/(kg·K)。

1.2 结果对比

图2为本文和文献[9]数值模拟得到的背火面温度对比。可知：两者升温曲线趋势一致，最大误差为8.37%，吻合度较高，说明本文的数值模拟方法是正确的。产生误差的主要原因在于两者使用的岩棉板的热工参数的差别。本文是针对换流站进行数值模拟，所以采用的是换流站防火封堵材料常用的热工参数值，如表2所示，而文献[9]所用热工参数为建筑常用值，即岩棉的导热系数为0.035+0.000 16T，比热容为1 030 J/(kg·K)，密度为120 kg/m3。

图2 背火面温度对比

2 计算模型及边界条件

选用岩棉、硅酸铝针刺毯、ALC(加气水泥)板等材料进行换流站封堵防火板的设计。为了加固组合防火板，选用碳钢作为组合板的表面;为了更好地理解组合板各板交界面处的温度变化，也对碳钢进行了耐火极限的分析。所有板的长度×宽度均为1 m×1 m，厚度和组合方式如表3所示，密度、比热容、导热系数等物理参数如表2所示。耐火极限定义为背火面温度任一点超过该点初始温度180 ℃时，便可以认为构件失去隔热性，达到其耐火极限。

表2 材料热力学参数

表3 不同材料隔热板厚度

3 仿真结果分析

3.1 单层板耐火极限

岩棉、硅酸铝针毯、碳钢、ALC四种材料单板背火面的温度随时间变化曲线如图3所示。可知，碳钢对于热量的阻隔效果最差，2 743 s便达到了耐热极限，且后续背火面温度上升和时间呈现出线性关系，升温较快，不适合作为防火板的主要材料。

图3 四种材料的背火面温度随时间的变化曲线

岩棉材料在2 935 s达到了耐火极限，与钢板不同的是，岩棉板在后续的加热中温度上升趋势逐渐变缓，经过3 h的加热，背火面温度最终达到283 ℃。

ALC与硅酸铝材料的耐火性能最好，到达耐火极限时都达到8 000 s以上，并且经过3 h的加热，ALC与硅酸铝板的背火面最高温度分别为185.65 ℃与190.77 ℃。二者从整体升温趋势来看，硅酸铝的温度均在ALC之上，但是硅酸铝的升温趋势较为平缓，而ALC板的温升曲线斜率更大且在3 h加温结束时二者温度比较接近，可以预期在更长时间的加热中ALC板的耐火性能可能会低于硅酸铝板。

ALC板在安装与运输中很容易损坏，使得ALC板在作为防火板使用时，受到很大的局限，又因为ALC板一旦出现破损，后续的修补非常容易脱落，这给后期防火板的维护造成了很大的难度，所以硅酸铝材料是换流站隔热板的理想材料。又由空气的导热系数极小可知，在理论上多层夹芯板在相同厚度下的隔热性能要强于单一固体材料制成的隔热板。所以本次最终选用多层夹芯板作为隔热板进行研究。采用硅酸铝作为夹芯板的主要材料进行不同条件下的防火性能研究。

3.2 空气层厚度对夹芯板耐火极限的影响

对于多层夹芯板的热力学模拟，首先固定两侧硅酸铝的厚度，通过改变中间的空气层厚度来观察空气层厚度对夹芯板耐火极限的影响，模拟结果如图4所示。可知，背火面温度随着空气层厚度的增大而减小，其中只有空气层厚度为20 mm厚时，夹芯板于9 543 s到达耐火极限180 ℃。

图4 不同空气层厚度夹芯板背火面的温度随时间的变化

图5给出了背火面温度随空气层厚度的变化曲线。可知,二者呈线性关系,并满足关系式:

图5 背火面温度随空气层厚度的变化曲线

T=197.2-0.87x

(3)

式中：T为背火面温度,℃;x为空气层的厚度，mm。

为了更深入地研究夹芯板中空气层对背火面温度的影响，图6给出了夹芯板各个交界面处的温度曲线。

图6b为1 mm厚钢板面与硅酸铝间夹层的温度。可知，升温曲线与环境升温曲线基本相同。这是由于钢板导热性能良好，且厚度仅为1 mm，对温度传导影响非常低。

图6c为硅酸铝与空气层的夹层的温度，即经由厚度为40 mm的硅酸铝到达空气层时的温度。可知温升曲线的趋势与温差值都很小。

a—交界面标号； b—交界面1； c—交界面2； d—交界面3； e—交界面4。

图6d为温度经由空气层到达硅酸铝面时的温度，各夹芯板的温差主要出现在这个夹面。可知：空气层越厚，升温越慢；加温3 h后，空气层厚度为50 mm的防火板升温到570.48 ℃；空气层厚度为20 mm的防火板升温到675.43 ℃，两者温差为104.95 ℃。

图6e为热量穿过第二层硅酸铝到达钢面的温度。可知：当空气层厚度为20,30,40,50 mm的夹芯板时，这一层的最终温度分别由交界面3的675.43，638.44，602.27，570.48 ℃降到187.95，175.98，166.96，159.04 ℃。此层降温效果最大，对比第一层硅酸铝的降温情况，最后一层降温如此之大的原因是，第二层硅酸铝的加热面所受温度较小，升温时间较第一层硅酸铝有滞后，所以温度下降得多。因此，对于复合夹芯板来讲，硅酸铝厚度相等时，背火面温度随着空气层厚度的增大而减小，夹芯板组合方式中厚度为1-40-50-40-1时的耐火性能最好。

图7给出了不同空气层厚度的夹芯板在加热3 h后的温度分布。由图7可以较为直观地看出各层上的温度分布。即温度基本上都集中于迎火面一侧的硅酸铝板上，经过空气层时温度会急剧下降，体现出多层夹芯板较单层板在相同厚度下有更强的隔热能力。

a—1-40-20-40-1； b—1-40-30-40-1； c—1-40-40-40-1； d—1-40-50-40-1。

3.3 硅酸铝厚度对夹芯板耐火极限的影响

图8给出了相同空气层厚度、不同硅酸铝厚度夹芯板背火面温度随时间的变化情况。可知，硅酸铝的厚度为30 mm时，加温9 372 s时背火面温度达到耐火极限值180 ℃，其余各厚度均未达到耐火极限。

图8 相同空气层厚度、不同硅酸铝厚度夹芯板背火面温度随时间的变化

为了进一步分析硅酸铝厚度对温度的影响，依然给出夹芯板各个交界面处的温度变化曲线，如图9所示。可知：不同硅酸铝厚度时，前三层的温差较小。由此可见，对于固定空气层厚度时，第二层的硅酸铝厚度对于背火面的温度影响更大。

a—交界面1； b—交界面2； c—交界面3； d—交界面4。

4 火烧试验

由第3节的仿真结果可知，多层夹芯板组合方式为碳钢-硅酸铝-空气-硅酸铝-碳钢，当厚度分别为1，40，50，40，1 mm时的耐火性能最好，其加热3 h后的温度为153.7 ℃。为了测试其是否满足耐火极限要求，进行了火烧试验。相比于给定多层夹芯板受火面的HC标准温升曲线，火烧试验时，受火面的温升更快，对材料的耐火性能要求更高。

4.1 试验装置

由于气体燃料可以任意调节试验所需的热释放速率，故选取丙烷作为燃料[10]，用多孔气体燃烧器模拟火源，燃烧器尺寸为0.1 m×0.1 m。试验中所需要的燃料由丙烷燃料罐供应，并由气瓶阀门控制以供给燃料，丙烷减压阀安装在气瓶出口处以控制试验过程中的丙烷压力。燃料的质量流量由质量流量计控制，可根据试验中需要的热释放速率来调节质量流量计的大小。

采用K型热电偶来测量夹芯板受火面及背火面各节点的升温过程。热电偶由重金属材料镍铬镍铝和镍铬镍硅组成，其测温范围为-200～1 300 ℃。试验用多层夹芯板如图10所示，热电偶布置及数据采集现场如图11所示。

图10 多层夹芯板

图11 热电偶布置及数据采集现场

4.2 试验过程

1)首先进行相同尺寸板的火烧预试验。多次调节丙烷供气的质量流量，使燃烧火焰尽量均匀地分布在板表面，且实时观测板表面热电偶读数，使受火面温度达到1 100 ℃，如图12所示。

图12 火烧试验

2)把板换成图10中的多层夹芯板，使用1)中调节好的火源功率，开始进行夹芯板的火烧试验，并实时监测受火面各节点的温度。

3)持续燃烧3 h，测定夹芯板背火面的温度变化数据。

4.3 试验结果

图13为夹芯板背火面升温曲线。可知，火烧试验中得到的背火面的温度快速升高到最高值后，在最高值附近有微小的波动。这是因为火烧试验中火焰蔓延需要一段时间，所以温度有个上升段；当火焰扩散至整个受火面之后，燃烧处于稳定状态，受火面的温度在平均值附近做微小波动，所以背火面的温度也在平均值附近做微小波动。由火烧试验得到的背火面的最高温度为165.9 ℃，小于180 ℃，满足耐火极限，故符合设计要求。

图13 夹芯板背火面温升曲线

5 结 论

1)对单层ALC、碳钢板、岩棉板以及硅酸铝板，其耐火性能由大到小排列为:ALC板、硅酸铝板、岩棉板、碳钢板；

2)当硅酸铝厚度相等时，空气层夹层的厚度对于背火面的温度起决定性作用；

3)当空气层夹层的厚度相等时，前几层对于温度的影响并不大，最后一层硅酸铝的厚度对于温度影响最大；

4)对夹芯防火板进行设计时，应加大空气层的厚度，并且可以尝试设计夹层厚度不一的防火板，以在厚度一定的情况下，最有效地增强防火板的隔热效能。