开放与受限条件下电缆燃烧特性模拟对比研究

白宇涛,高 飞,于 唯,屠 越,仪 涛

(1.国网江苏省电力有限公司南京供电分公司,南京,210009;2.中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司,南京,211102)

0 引言

电网系统作为城市电力系统的重要组成部分,在城市建设和发展中起到了至关重要的作用。电网供、输电系统通常采用高压输电线和城市配电网高架的形式架设在城市高空,但随着我国社会经济发展以及城市化进程的不断推进,土地资源越来越紧张,高空电线对城市建设的限制开始显现出来。因此,城市配电网高架的形式逐渐减少,在受限空间内(电缆沟、电缆隧道)敷设高压电缆的方式逐渐成为城市建设的优选。这种方式不仅满足了城市建设的用电需求,便于日常的电缆维护检修,还缓解了建设项目用地紧张的现状,合理地利用了规划空间。

但由于受限空间具有空间狭小、通风受限的特殊性[1],一旦发生火灾,热烟气将汇聚在电缆沟内,温度可在短时间内急剧上升至千度,火势蔓延极快,往往会导致巨大的经济财产损失,甚至造成大规模的城市电力瘫痪事故[2-4]。例如2008年2月13日,内蒙古丰镇市地下电缆火灾事故造成丰镇市大规模停电,电缆过火长度超288 m,18根电缆被烧断,造成了巨大的经济损失[5];2016年10月12日日本琦玉县地下输电线火灾造成琦玉县大规模停电,约58.6万栋房屋受影响,造成了无法估量的经济损失。

目前,关于电缆火灾的研究主要集中在电缆燃烧性能[6-8]、受限空间内的火灾行为[9-13]、电缆桥架火灾特性[14-16]和安全设计评估[17,18]等方面。Tewarson等[19]研究了不同烟气浓度下电缆火灾竖向蔓延特征,测量了蔓延过程中的热释放速率、蔓延速率等火灾参数,并给出了电缆竖向蔓延速率计算公式;Konno等[20]研究了不同氧浓度下电缆火灾蔓延情况,量化分析了不同材质的电缆火焰结构和火蔓延速率,并提出了相关火灾发展的理论模型;滴落物燃烧作为电缆区别于一般可燃物的特性也受到了广泛的关注,王勇等[21]针对垂直布置常见的PE、PP等热塑性材料受热后的熔融物滴落行为进行研究,建立了材料熔融物的质量损失速率模型;Xie等[22,23]研究PE热塑性材料在熔融、滴落及流动状态下的燃烧行为并对燃烧过程中的火灾参数进行量化分析。

然而,目前针对在开放和受限条件下电缆燃烧行为的对比分析少有报道,同时研究不同布置间距下的电缆燃烧特性,能够为电缆工程建设及消防设计提供理论参考。因此,本文拟通过FDS对开放及受限两种条件下的电缆燃烧特性进行数值模拟,并围绕电缆布置间距对电缆燃烧的影响,对比分析两种形式下的电缆燃烧行为。

1 模型及工况设置

针对受限条件下电缆燃烧特性,设计了9 m(长)×1.05 m(宽)×0.62 m(高)的电缆沟模型,两端为自然开口,管廊壁面材料设置为内置材料-混凝土,壁面及顶板厚度为0.15 m,而开放条件不设电缆沟侧壁及顶板,具体如图 1所示。在两种条件下均敷设3根3 m长的220 kV大截面高压电缆,其截面为直径0.16 m 的圆形,电缆材料设置为61.5%的聚氯乙烯(PVC)和38.5%的铜。电缆轴心位置距离电缆沟顶板高度为0.28 m。为模拟真实电缆沟内的电缆布置形式,每根电缆由钢制独立管扣固定,管扣外侧形状为矩形,内侧截面形状为厚度0.1 m、直径0.17 m的圆形,管扣与电缆相贴合,模型中一共使用了6个管扣。电缆通过支撑结构固定在底板上方0.25 m处。该支撑结构由尺寸为0.1 m(长)×0.1 m(宽)×0.2 m(高)的混凝土支撑柱以及尺寸为0.9 m(长)×0.2 m(宽)×0.05 m(高)支撑板组成,每一截面位置布置两根支撑柱,整个模型一共布置4根,在支撑柱上设置混凝土支撑板,板柱连接处设置了钢制固定块,电缆管扣固定在支撑板上。本文设计了0.15 m(长)×0.15 m(宽)×0.15 m(高)的固体加热源,布置在中间电缆中部下侧,用于引燃高压电缆,其中固体加热源温度为2 500 ℃,以模拟电缆短路条件下的极端温度。环境温度为20 ℃,环境压力为标准大气压。

图1 数值模拟模型Fig.1 Numerical simulation model

在开放条件及受限条件下,均在距离电缆上表面0.2 m处(位置A)设置温度、O2浓度测点。按照模拟中电缆完全燃烧的热释放速率,计算FDS模型模拟网格尺寸,确定火灾规模为：

(1)

模型网格尺寸划分按照FDS中有关于网格尺寸确定的指导方式计算确定[25]：

(2)

式中,D*为火源特征直径,m;ρa为环境密度,取 1.164 kg/m3;cp为比热,此处取值1.01 kJ/(kg·℃);Ta为环境温度,K;g为重力加速度,取9.81 m/s2。

D*/δx为火源跨越网格单元数量(δx：网格尺寸,m),据FDS技术手册,D*/δx宜取4 ～16,即得出网格尺寸δx应小于0.209 m,因此,网格尺寸采用0.05 m×0.05 m×0.05 m。

本文工况设置情况如表1,其中电缆间距指电缆外缘之间的距离。

表1 工况表Table 1 Work condition

2 开放与受限条件下电缆燃烧行为分析

图 2展示了开放条件下不同电缆间距(K-1～K-5)的温度分布云图。可以发现,当电缆被点燃后,火焰主要在垂直方向蔓延,紧贴电缆上方的温度分布比较均衡,均为1 200 ℃左右;随着燃烧持续进行,高温区域增加,同时最高温度值要高于其他时间节点。可以判断出在开放条件下不同间距电缆火灾规模差距不大,空气供应充分,整个阶段的燃烧均属于燃料控制型。图3为工况A-1电缆燃烧温度分布云图。受限条件下电缆燃烧以电缆管廊中心为轴对称向两侧横向蔓延,电缆沟顶部的温度比较均匀,整体已经形成完全的高温区域;在300 s时,管廊内整体温度明显下降,但火焰仍在持续,电缆沟内整体温度直至800 s后才完全降低,明显区别于开放条件下的电缆燃烧温度分布特征。

图3 受限条件下电缆沟整体温度变化( A-1工况)Fig.3 Overall temperature change of the cable trench under confined condition (A-1 condition)

3 开放条件下电缆燃烧特性分析

3.1 顶部温度变化

通过选取电缆中间正上方的温度测点,能够进一步研究开放条件和受限条件下不同布置间距电缆火灾的温度变化特征。图4展现了开放条件下电缆火灾的温度变化情况,图5～图9对比了受限与开放工况在不同电缆间距条件下的温度曲线。可以发现,在开放工况下,温度长期处于峰值附近,且波动更小;而在受限条件下,温度峰值低于开放条件且波动更大。这说明在开放条件下有充足的空气供应保证燃烧进行,相较于受限条件,开放条件的燃烧更加稳定、充分。

图4 开放条件下不同间距对位置A处温度的影响Fig. 4 Influence of different distances on the temperature at position A under open condition

图5 在100 mm电缆间距下,位置A处温度对比情况Fig. 5 Temperature comparison at position A under the cable of 100 mm spacing

图6 在125 mm电缆间距下,位置A处温度对比情况Fig. 6 Temperature comparison at position A under the cable of 125 mm spacing

图7 在150 mm电缆间距下,位置A处温度对比情况Fig. 7 Temperature comparison at position A under the cable of 150 mm spacing

图8 在175 mm电缆间距下,位置A处温度对比情况Fig. 8 Temperature comparison at position A under the cable of 175 mm spacing

图9 在200 mm电缆间距下,位置A处温度对比情况Fig. 9 Temperature comparison at position A under the cable of 200 mm spacing

在加热初期,受限条件下电缆更容易被点燃。在火灾初期,电缆内空气还相对充足,同时因为环境受限,热源产生的热量会聚集在电缆周围加热电缆,使电缆点燃时间更短。而开放条件下,部分热量会发散到开放环境中,进而导致电缆引燃时间更久。通过图5～图9可以发现,在开放条件下,电缆引燃初期测点处温度上升更慢。

随着燃烧的持续进行,开放工况的温度开始下降,温度测点位置处的温度下降到400 ℃。同时,受限条件下的电缆燃烧时间较久,温度下降速度低于开放工况。

此外,受限条件下电缆上方温度逐渐下降时,出现了温度突升的现象(复燃),且受限工况组的温度显著高于开放工况组。在开放工况条件下,300 s后温度已经下降至较低水平,其中K-1和K-2工况中,温度仍在浮动;当电缆间距较小时,电缆燃烧持续时间更久,而间距越大,温度衰减越快。临界间距出现在125 mm处,当电缆间距超过这一水平时,电缆温度波动程度减弱。此外,在开放条件下,由于供氧条件充足,燃烧更充分,温度峰值更高且波动更小。其中,间距为125 mm工况加热段的升温速度较快,待燃烧后期呈现波动下降趋势,并没有出现温度骤减情况。可见开放条件下电缆间距对电缆燃烧效率存在一个最佳间距。

当电缆间距大于175 mm,开放条件下电缆燃烧波动性增强,且温度峰值下降,而间距为200 mm时开放条件下的温度峰值与受限条件相差不大,具体如图8所示。这主要是由于电缆间距增大,正在燃烧的电缆较难引燃大间距的两侧电缆,即3根电缆的燃烧独立性增强了。而在受限条件下,火焰被限制在一定空间范围内,3根电缆的火焰独立性在大间距条件下较弱,因此其稳定性要强于该间距下的开放工况。

图2 开放条件下不同间距电缆燃烧温度变化Fig.2 Temperature change of cables combustion with different distances under open condition

O2浓度是判断发生火灾时受困人员以及救援人员生命安全的重要指标。图10给出了开放条件与受限条件下不同电缆间距对电缆燃烧时测点处O2浓度的影响。可以发现,开放条件下通风情况良好,为燃料控制型燃烧模式,电缆燃烧过程中O2浓度缓慢下降,下降速率随电缆间距增加而降低;而在受限条件下,电缆沟内空气含量有限,仅在加热点燃初期为燃料控制型燃烧,当电缆被点燃后,电缆沟内空气被迅速消耗,燃烧转为通风控制型燃烧,在较短的时间消耗大量O2,导致O2浓度维持在较低水平。此外,在开放条件下,消耗的O2浓度在燃烧结束后迅速增加至初始值,增加速率随电缆间距增大而增加;而在受限条件下,由于通风条件的限制,O2浓度在300 s左右时缓慢上升,而在400 s左右时突降,这主要是由于出现复燃现象导致的,随后缓慢恢复至O2浓度初始值。

图10 两种条件下不同间距对位置A处O2 浓度的影响Fig.10 Influence of different distances on the O2 concentration at position A under two conditions

4 结论

(1)开放条件下的电缆燃烧主要属于燃料控制型,而受限条件的电缆燃烧主要属于先燃料控制型,后通风控制型;

(2)在开放条件下,氧气充足,燃烧更为充分,形成的火焰高度及温度更高,更容易引燃上方可燃物体。而在受限条件下,电缆火焰受到顶板限制后形成的顶棚射流,会加强火焰对电缆的热辐射作用,有助于电缆燃烧;

(3)针对受限条件,由于侧壁的存在,电缆燃烧过程中的空气卷吸受到了一定的限制,由于通风不足,受限空间内的O2浓度逐渐下降,电缆燃烧受到抑制,而随着空气的补充,电缆极可能出现复燃现象;

(4)两种条件下电缆间距对燃烧的影响均较为明显,当间距较小时,燃烧电缆之间的影响显著,燃烧更为剧烈,而随着电缆间距增大,燃烧电缆间的相互热辐射减弱,更接近于单根电缆的独立燃烧,其中开放条件相对更为明显。

值得注意的是,本文以大截面高压电缆为研究对象开展数值模拟分析,探究了开放与受限两种条件下高压电缆的燃烧行为,对高压电缆复杂结构进行了一定程度的简化,所获得的结论也主要适用于上述参数设定的条件。此外,电缆燃烧过程也受到外界因素影响,需要对此深入研究。