基于有限元模拟的变电站电缆沟道火灾蔓延仿真研究

张 皓，马国庆，姚金霞，李鹏飞，段玉兵

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

0 引言

近年来，随着电网建设的步伐加快，电网智能化建设水平逐步提高，变电站数量及电缆规模大幅增加。电缆是输电系统的重要组成部分，几乎遍布整个变电站及城市地下管廊，且电缆具有易燃性、着火后具有串延性［1-6］，一旦发生火灾，将会严重影响电网生产部门的正常生产工作，造成巨大的经济损失，还影响到地方经济的成长和附近地区人们的日常生活。由于电缆安全运行的防火措施比较单一［7-11］，对于电缆火灾隐患尚不能做到及时有效的控制，因此针对电缆沟道的防火措施性能的研究亟不可待。

对运行的电缆采取有效的防火及监测预警措施，可以避免电缆火灾事故的发生，对电力系统的安全可靠运行有非常重要的意义，国内外已有学者进行相关研究。赵永昌等［12］通过研究综合管廊电力舱室内火灾初期温度场，得到火灾条件下地下综合管廊内的烟气温度衰减规律以及烟气蔓延规律。彭玉辉［13］揭示了火灾条件下火灾烟气在电缆所在空间的迁移蔓延规律。戴文涛［14］分析了目前电缆隧道火灾探测应用技术与其存在的问题，研究了电缆隧道的火灾特点及探测预防技术。王明年等［15］采用火灾动力学三维模拟软件建立全尺寸火灾模型，分析了电缆舱室内火灾发展过程及烟气温度分布规律，研究了舱室截面尺寸对电缆火灾热释放速率的影响规律。罗夏等［16］通过分析不同电缆间隙的竖向电缆燃烧过程中质量损失速率，得到电缆间隙与电缆燃烧速率的关系。王方舜［17］通过计算流体动力学（Computational Fluid Dynamic，CFD）模拟综合管廊内电缆火灾发展过程，得到不同工况下的管廊内热释放速率、管廊内温度分布、管廊内烟气扩散及一氧化碳浓度分布等情况；郝冠宇［18］利用火灾动力学模拟软件（Fire Dynamics Simulator，FDS）建立管廊模型进行分析，得到了电缆舱内电缆火灾期间的火势发展、烟气扩散和温度变化等规律；Roberto Passalacqua 等［19］从电力电缆线路布置方式的角度出发，对火灾横向纵向蔓延趋势进行了分析。目前国内外学者针对电缆分层敷设方式对变电站电缆沟火灾蔓延的影响研究相对较少，而电缆沟道火灾蔓延趋势研究，是提升电缆线路火灾防护能力、实现通道火灾预警及自动灭火的基础性研究。

采用PyroSim 分析软件建立基于有限元模拟的地下电缆沟火灾蔓延仿真模型，研究电缆不同分层敷设方式对变电站电缆沟火灾蔓延的影响。研究表明，电缆沟火灾蔓延以纵向蔓延为主，电缆层数对火势发展有显著影响，适当减少敷设的电缆层数可有效延缓火势发展，降低火灾造成的损失。

1 地下电缆沟道火灾蔓延仿真建模

地下电缆沟道火灾蔓延仿真模型设定为变电站35 kV 出线电缆隧道，模拟设置热电偶、烟气探测器和烟气含量切片设备。电缆沟道仿真模型如图1 所示，长16.6 m，宽2 m，高2.5 m。电缆沟道侧壁、顶壁为混凝土结构，底部敷设0.1 m 的防火砖。三相电缆“一”字型排列于同一层支架，电缆半径为0.04 m，每相电缆间距为0.04 m。电缆由钢支架支撑，钢支架间距为1 m。

图1 电缆沟道仿真模型示意

四层电缆敷设的隧道，底层电缆距地面距离为0.2 m，层与层间距为0.53 m，最顶层电缆距顶壁为0.39 m；五层电缆敷设的隧道，底层电缆距地面距离为0.2 m，层与层间距为0.4 m，最顶层电缆距顶壁为0.3 m。

2 火势蔓延趋势仿真分析

在电缆下方设置燃烧面来模拟电缆燃烧释放的热量，燃烧面积设定为0.4 m2，燃烧位置设置于底层中部，火源功率为3.2 MW，图2、图3 为火势蔓延的过程。

图2 四层电缆敷设条件下火势蔓延过程

图3 五层电缆敷设条件下火势蔓延过程

由图2 可知，四层电缆敷设条件下，当底层电缆燃烧时，电缆纵向燃烧，火势蔓延于火源附近的底层电缆及上一层的电缆。火情发生到159 s 时，第二层电缆发生燃烧并逐渐扩大；火情发生到512 s 时，第三层电缆出现明显的燃烧。随着温度升高，炙热的烟气冲到电缆沟道顶层，使得最上层电缆发生热解，但在600 s时间内最上层电缆未燃烧。

由图3 可知，五层电缆敷设条件下，火情发生到98 s 时，第二层电缆发生燃烧并逐渐扩大；火情发生到395 s 时，第三层电缆出现明显的燃烧；火情发生到530 s时，第四层电缆开始燃烧。

电缆不同分层敷设方式下从火势蔓延过程如表1所示。时间上来看，四层电缆敷设时，从第一层蔓延至第二层用了120 s，从第二层蔓延至第三层用了350 s，纵向蔓延速度变慢；五层电缆敷设时，从第一层蔓延至第二层用了67 s，从第二层蔓延至第三层用了297 s，从第三层蔓延至第四层用了135 s左右的时间，纵向蔓延速度先慢后快。

表1 电缆不同分层敷设方式下火势蔓延过程 单位：s

随着电缆层数由四层变为五层，当底层电缆发生燃烧时，火灾纵向蔓延速度明显加快。五层电缆敷设时，火势蔓延至第二层耗时98 s，比四层敷设快40%；火势蔓延至第三层耗时395 s，比四层敷设快23%。由此可知电缆层数的增加，加快了火势蔓延速度。

3 电缆沟道温度场分析

火灾发生时，热量交换作用直接影响到火情发展趋势。模型中将温度传感器设置在火源点正上方1.4 m（火源点附近）和距离火源点水平距离15 m 正上方1.4 m（非火源点附近）。电缆沟道内部温度变化曲线如图4所示。

图4 电缆沟道内部温度变化曲线

由图4 可知，电缆分层敷设方式对火灾后电缆沟道温度场的影响不大，在火源点附近的温度场基本一致，考虑非火源点附近温度场时，在五层电缆敷设的条件下其整体温度比四层电缆敷设温度平均略低30 ℃。在150 s 后，火源点附近区域温度稳定在550 ℃上下，而非火源点附近区域的平均温度也稳定在275 ℃上下。

在非火源点附近分别选取4 个点，纵向高度依次为0.1 m、0.4 m、0.9 m 和1.4 m，各点温度变化曲线如图5所示。

图5 非火源点附近区域不同高度温度曲线

在电缆沟道发生火灾以后，非火源区域温度场存在着明显的分层现象，温度随着纵向高度的增加而逐渐增加。电缆燃烧后产生的炙热烟气漂浮于电缆沟道顶层是形成温度场分层现象的主要原因。

4 气体浓度分布规律及分析

常见电缆（如交联聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯缘等）发生燃烧时，当主绝缘燃烧充分时，产生CO2；当主绝缘燃烧不充分时，产生CO；并且电缆常用材料含氯聚合物，燃烧会产生HCl。因此，CO、CO2、HCl、O2常作为表征有机聚合物材料火灾状态的指标。模型中设置了CO 气体探测器、CO2气体探测器、HCl 气体探测器、空气质量探测器，布置于火源正上方棚顶位置。

4.1 有毒气体分布规律

图6 为沟道内部CO、HCl 等有毒气体的平均摩尔浓度变化曲线。

图6 电缆沟道内部有毒气体摩尔浓度变化曲线

根据图6 分析发现四层电缆敷设方式下所产生的CO 和HCl 要明显的低于五层敷设；四层敷设方式下CO 产生时间要更早更快，但稳定后的摩尔浓度水平低很多；HCl 的产生时间和速度在两种敷设条件下基本同步。

研究中发现火灾过程中电缆沟道内有毒气体浓度呈现出显著地分层现象。图7 为各时间点有毒气体摩尔浓度切片示意。

图7 各时间点有毒气体摩尔浓度切片示意

图7 所示，在电缆燃烧过程中，有毒气体浓度随着纵向高度的增加而升高，这一结论对电缆沟道灾后救援有着指导性意义。

4.2 空气组分气体分布规律

图8 为沟道内部CO2、O2等空气组分气体的平均摩尔浓度变化曲线。

图8 电缆沟道内部各气体平均摩尔浓度变化曲线

对两种电缆敷设方式下的气体浓度进行分析，发现四层电缆敷设方式下电缆燃烧所产生的CO2浓度略高于五层敷设，电缆沟道内剩余的O2含量也略高于五层敷设。

4.3 分析

产生此现象的原因在于当发生电缆沟道火灾时，四层敷设方式下燃烧更为充分，所产生的CO2含量略高，五层电缆敷设方式下不充分燃烧的概率更大，所产生的有毒气体CO 含量要高于四层敷设。另外，在单位时间段内五层电缆敷设方式下的可燃物更多，所以释放产生的HCl气体更多。

综上所述，当发生电缆沟道火灾时，四层电缆敷设方式下所释放的有毒气体浓度要比五层电缆敷设方式显著降低，故四层电缆敷设方式要优于后者；同时有毒气体浓度分布存在显著分层现象，有毒气体浓度随着纵向高度增加而升高。

5 结语

本文研究了变电站电缆沟内电缆不同分层敷设方式对火灾蔓延趋势的影响，得出如下结论：

1）电缆沟道火灾蔓延以纵向蔓延为主，四层电缆敷设方式与五层电缆敷设相比，可有效地减缓火势的纵向蔓延速度，减少电缆火灾损失。

2）电缆分层敷设方式对火灾后电缆沟道温度场的影响不大，在电缆沟道火灾过程中，温度场存在分层现象。

3）当发生电缆沟道火灾时，四层电缆敷设方式下所释放的有毒气体浓度要比五层电缆敷设方式显著降低，同时有毒气体浓度分布存在显著分层现象。