基于高压电缆燃烧试验的电缆隧道末端火灾模拟_王舒寒.pdf

第 44 卷第 3 期2023 年 6 月电力与能源基于高压电缆燃烧试验的电缆隧道末端火灾模拟王舒寒1，张永康1，王玲1，汤敏吉1，陈艳羚1，王承1，臧建彬2（1.国网上海市电力公司电缆分公司，上海 200072；2.同济大学 机械与能源工程学院，上海 200092）摘要：为研究地下电缆隧道火灾的具体危害性，首先通过锥形量热仪对高压电缆进行燃烧试验，然后将试验所得数据代入 FDS 仿真软件，对地下电缆隧道末端的电缆火灾进行模拟验证，研究电缆隧道末端火灾的火势发展及烟气扩散、能见度变化、CO 生成量、温度变化等的规律。结果表明：电缆隧道末端火灾前期的大量烟气来自高压电缆的阴燃阶段，烟气的蔓延速度极快；由于浮升力的作用，在电缆隧道高度方向上的温度呈上升趋势；电缆隧道内的烟气温度和 CO 含量的峰值并不在火源位置处，而是距火源有一定的距离；越靠近电缆隧道末端，其温度和 CO 含量越低。关键词：电缆隧道；火灾蔓延；燃烧试验；数值模拟作者简介：王舒寒（1992），女，博士，主要从事高压电缆隧道运维工作。中图分类号：TM75；U458 文献标志码：A 文章编号：2095-1256（2023）03-0233-06Fire Simulation at the End of Cable Tunnel Based on HV Cable Burning TestWANG Shuhan1，ZHANG Yongkang1，WANG Ling1，TANG Minji1，CHEN Yanling1，WANG Cheng1，ZANG Jianbin2（1.State Grid Cable Branch，SMEPC，Shanghai 200072，China；2.School of Mechanical and Energy Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China）Abstract：In order to study the specific hazards of underground cable tunnel fire，the conical calorimeter was used to carry out the combustion test of high voltage cable，and the data obtained from the test were input into the FDS simulation software to simulate and verify the cable fire at the end of the underground cable tunnel.The fire development and smoke diffusion，visibility change，CO production and temperature change rule of the cable tunnel end firewe were studied.The results showed that a large amount of smoke at the end of cable tunnel in the early stage of fire comed from the smoldering stage of high voltage cable，and the smoke spreaded very fast.Due to the effect of buoyancy，the temperature in the height direction of the cable tunnel tended to rise.The peak of flue gas temperature and CO content in the cable tunnel was not at the location of the fire source，but there was a certain distance from the fire source：the closer to the end of the cable tunnel，the lower the temperature and CO content.Key words：cable tunnel，fire spread，combustion test，numerical simulation电缆隧道具有空间封闭、潜在可燃物多、火灾扑救难度大等特点，一旦发生火灾就会造成严重后果，严重威胁城市电网的安全运行1-2。电缆隧道内发生火灾的可能性较小，但其为封闭的地下空间，如果发生火灾，隧道内的温度高、能见度低，并且火源易复燃，加大了灭火救援的难度3-4。据相关研究统计，约 30%的电缆隧道火灾事故源于电缆自身故障，其余约 70%的火灾事故由外界因素引起5-6。因此，对于电缆隧道火灾的仿真模拟具有十分重要的研究价值。文献 3 通过对 T型电缆隧道建立模型，使用FDS 仿真软件对其进行全尺寸模拟，得出了烟气在电缆隧道中的流动先呈层流状态，后处于紊流状态的结论；文献 4 通过应用 FDS 软件对电缆隧道火灾过程进行模拟，得出由于隧道内持续高温状态，电缆将会不断地燃烧，并且电缆隧道火灾发展迅速、救援难度大；文献 5 通过 FDS软件分别对端口无封堵、封堵 1/8、封堵 1/4、封堵 1/2 和封堵 3/4 五种工况下的隧道火灾进行模拟，结果表明封堵的比例越大，烟气蔓延至隧道端的时间DOI：10.11973/dlyny202303007233王舒寒，等：基于高压电缆燃烧试验的电缆隧道末端火灾模拟越快，温度降低越快，CO 含量越高；文献 6 利用FDS 进行隧道火灾数值模拟，将模拟结果中的温度、CO 浓度和能见度作为分析指标，通过正交试验分析发现，通风风速、火源功率、火源位置对隧道火灾的影响依次减小。由于电缆隧道火灾的特殊性，必须对高压电缆的燃烧特性进行试验，而以往电缆隧道火灾模拟的数据取值有一定的不确定性。本文通过将电缆燃烧试验得到的确切数据代入 FDS 仿真软件进行电缆隧道的火灾模拟，使得模拟的结果更贴近真实的结果，以此为电缆隧道火灾后续的排烟、救援提供合理有效的指导。1电缆燃烧试验近年来，能够真实反映材料燃烧性能的理想试验仪器为锥形量热仪，真实火灾的燃烧环境和试验环境极其相似。它通过氧消耗的原理来测定可燃材料在火灾中的燃烧参数所得到的相关数据，如热释放率、有效燃烧热、点燃时间、总释放热、烟气及毒性参数和质量变化等，用以评价试验材料在火灾中的燃烧行为。考虑到试验结果的实用价值，本试验选取了上海市某电缆隧道内广泛使用的电力电缆进行试验，即型号为 ZB-YJLW03-Z 的 220 kV 交联聚乙烯高压电缆。试验依照 ISO 5660-1对火反应试验热释放、产烟量及质量损失率，第 1 部分：热释放速率（锥形量热仪法）进行，采用锥形量热仪对高压电缆进行热辐射燃烧试验，主要由燃烧室、载重台、氧分析仪、烟测量系统通风装置及有关辅助设备等六部分组成，并选择辐射热引燃的方式，辐射功率为 50 kW m2。2试验结果分析2.1密度交联聚乙烯电缆密度试验主要通过电子天平和数显卡尺测得，测试环境温度为23，湿度为53.1%。通过质量与体积的比值得到交联聚乙烯电缆的密度，测量 4次并取平均值，试验结果见表 1。由图 1可知，电缆的点燃时间在 30 s左右，此时的热释放率最大，为 228 kW m2。030 s 在持续的辐射热作用下，电缆的热释放率呈直线式激增；随后在金属护套的阻燃作用下，热释放率有所下降，经过约 150 s的热量积聚，电缆内部的绝缘层开始燃烧，热释放率又开始上升；然后随着绝缘层的燃烧殆尽，热释放率开始缓慢下降至30 kW m2，但并未降至 0 kW m2，可见燃烧结束后，电缆残渣依然会释放出少许的热量。由图 2 可知，电缆燃烧的总热释放量一直处于上升状态，0700 s上升趋势比较明显，700 s后总热释放量上升趋势开始变缓，最终燃烧结束时，共释放热量 151 MJ m2。2.2热量释放交联聚乙烯高压电缆燃烧试验热释放率曲线如图 1所示，总热释放量曲线如图 2所示，电缆燃烧状态如图 3所示。表 1220 kV 交联聚乙烯高压电缆密度检测结果次数第一次第二次第三次第四次试样长度/m0.144 850.147 130.148 360.146 78试样直径/m0.122 310.121 380.121 970.121 89试样体积/m30.001 71试样质量/kg2.680 6密度/（kgm-3）1 565.17图 1电缆燃烧试验热释放率曲线图 2电缆燃烧试验总热释放量曲线234王舒寒，等：基于高压电缆燃烧试验的电缆隧道末端火灾模拟2.3质量损失电缆燃烧质量损失曲线如图 4 所示。由图 4可知，电缆燃烧的质量损失呈下降趋势，0700 s质量损失速度较快，7001 800 s质量损失速度变缓。结合图 2总热释放量来看，二者呈负相关，前期电缆燃烧反应剧烈，可燃物的损失速度比较快，随着大面积的绝缘层燃烧殆尽，总热释放开始放缓，质量损失也因此变慢。2.4烟气产量隧道中的电缆燃烧除了会带来明显的热危害，电缆燃烧产生的烟气同样威胁着电缆隧道的消防安全。用比消光密度表示燃烧材料在规定的试验条件下产烟浓度的光学特性。电缆燃烧试验的烟气产量曲线如图 5所示。从图 5（a）比消光密度曲线可以看出，电缆在未燃烧之前一直处于阴燃状态，在短短 30 s内产生了大量的烟气，比消光密度达到了峰值 1 500 m2 kg1，因此可以得出电缆燃烧的大量烟气主要来自阴燃阶段。随着可燃物的逐渐减少，烟气量也开始下降，在 600 s时已经不再产生烟气。由图 5（b）和图 5（c）可以看出，0500 s时 CO和 CO2的生成速率具有相同的发展趋势。CO2在250 s 达到峰值 0.13 gs1后开始缓慢下降，在1 000 s后开始稳定在0.02 g s1左右。CO在500 s降 至 最 低 点 0.000 60 g s1，然 后 开 始 上 升 至0.001 25 g s1，可能原因为导体屏蔽层的材质燃烧会产生CO，导致了CO产生速率的增加，随着燃烧的继续，CO产生速率开始缓慢下降至0.006 2 g s1。2.5其他气体及毒性指标通过试验检测，电缆燃烧除产生 CO，CO2气体外，还会产生 HBr，HCN，NOx，SO2等气体，如表 2所示。3数值模拟本文采用火灾仿真软件 FDS 建立地下电缆隧道的火灾模型，FDS 是由美国国家标准研究所和火灾研究试验室合作共同研发的一款基于场模图 3电缆燃烧状态图 4电缆燃烧试验质量损失曲线图 5电缆燃烧试验烟气产量曲线235王舒寒，等：基于高压电缆燃烧试验的电缆隧道末端火灾模拟型的计算火灾动力学的模拟软件，其能够根据火灾的燃烧特性，通过直观的动画展示火灾的发展过程，并且能够对火灾中的烟气蔓延、温度、能见度、CO含量的变化规律进行分析7-12。3.1模型建立电缆隧道模型主要以上海市某电缆隧道的通风区间实况为参考，由于电缆支架、消防及通信设备、排水沟等设施的可燃物质较少，对于电缆隧道火灾的模拟无较大影响，因此建立模型时予以忽略。现实环境中，电缆隧道一般长达数公里，模拟所需时间较长，因此按照电缆隧道防火的相关要求，建立截面直径为 3.5 m 的圆形电缆隧道模型，此模型处于电缆隧道通风区间的末端，左侧处于封闭状态，右侧建设有通风井，通风井与外界环境连通。设置隧道长度为 200 m，电缆隧道壁面由混凝土构建，厚度为 0.3 m；高压电缆为 0.2 m0.2 m200 m 的长方体，由内部 PVC塑料和外部的聚氯乙烯组成，隧道内共设置 3层电缆，电缆层的高度分别为0.3，1.5，1.9 m。电缆隧道实况如图6所示，电缆隧道模型如图 7所示。3.2网格划分网格质量的好坏直接决定模拟结果的正确与否，一般来说，网格越