CN109635380B - 一种管廊电力舱防火间隔与电缆载流量定量关系确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种综合管廊电力舱防火间隔与电缆载流量定量关系确定方法，包括：对原型综合管廊电力舱的缩尺模型进行数学建模；对不同防火间隔下的缩尺模型进行计算机模拟分析，得到第一数据集和第二数据集；对第一数据集和第二数据集进行拟合，得到防火间隔与载流量以及电缆最高温度之间的关系；进行计算机模拟分析，验证拟合关系的准确性，将原型综合管廊电力舱防火间隔与电缆载流量代入验证后的拟合关系，得到原型综合管廊电力舱防火间隔与电缆载流量关系。本发明补充了领域中如防火间隔这种对于地下综合管廊整体施工起到巨大影响的建设部分对电缆温度以及载流量的影响上的空白，能够使工程实践和管廊建设更加科学、绿色和经济。

Description

一种管廊电力舱防火间隔与电缆载流量定量关系确定方法
技术领域
本发明涉及通风和传热领域，尤其涉及一种管廊电力舱防火间隔与电缆载流量定量关系确定方法。
背景技术
综合管廊又称共同沟，是建于城市地下，用于实施统一规划、设计、施工、维护和敷设市政公用管线的市政公用设施。
在地下综合管廊的施工设计中，安全问题十分重要，由于火灾通常在电力舱发生，因而电力舱运行中最重要的就是确保通风控温和预防火灾。因此，能够进行试验验证的缩尺模型成为模拟电力舱温度场分布以及研究电力舱电缆传热特性的有效手段。目前关于电力舱的缩尺模型理论比较缺乏，关于电力舱电缆的传热相似准则也比较少。行业标准中，目前的IEC-60287标准并没有详细论述电缆负荷率与电力舱防火间隔的关系。在现有技术中，可以通过测量电缆绝缘层外皮温度进行电力电缆载流量能力的预测以及分析不同环境下的电力电缆温度的区别，能够综合考虑电缆间距以及电缆层间距同电缆沟深度对于电缆温度的影响。但是国内外的各项研究中，仍然普遍缺乏电力舱整体尺度对于电缆载流量以及温度的影响。尤其是没有考虑到防火间隔这种对于地下综合管廊整体施工起到巨大影响的部分对电缆温度以及载流量的作用。在建设过程中，过长的防火间隔不仅增加了风机负担，提高了电缆温度，降低了电缆对突发事故的预防性，同时也增加了突发事故时工作人员的危险程度。而过短的防火间隔，又浪费了风机功率，造成了浪费，同时也对于底面的出风口进风口的修建带来了不少的工程量，为地面楼宇建设，绿化带来了不便。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种综合管廊电力舱防火间隔与电缆载流量定量关系确定方法。
本发明的目的能够通过以下技术方案实现：
一种综合管廊电力舱防火间隔与电缆载流量定量关系确定方法，具体步骤包括：
对原型综合管廊电力舱的缩尺模型进行数学建模，得到原型综合管廊电力舱传热相似准则数以及相应缩尺模型的边界条件；
对不同防火间隔下的缩尺模型进行计算机模拟分析，得到不同防火间隔下相同电缆载流量的电缆轴心温度的第一数据集和不同防火间隔下不同电缆载流量的电缆轴心温度的第二数据集；
对第一数据集和第二数据集进行拟合，得到防火间隔与电缆载流量以及电缆最高温度之间的关系；
对特定电缆载流量下不同防火间隔的电缆最高温度曲线进行计算机模拟分析，验证得到的拟合关系的准确性，将原型综合管廊电力舱防火间隔与电缆载流量代入验证后的拟合关系，得到原型综合管廊电力舱防火间隔与电缆载流量关系。
具体地，对原型综合管廊电力舱的缩尺模型进行数学建模，得到原型综合管廊电力舱传热相似准则数以及缩尺模型的边界条件步骤中，包括：
S11、采用傅里叶导热公式计算忽略辐射传热的电缆芯温度场，并对所得公式进行无量纲化处理，得到电缆芯温度场的相似准则数；
S12、采用傅里叶导热公式计算忽略辐射传热的电缆绝缘层温度场，并对所得公式进行无量纲化处理，得到电缆绝缘层温度场的相似准则数；
S13、根据努塞尔数对电力舱内通风情况进行设置，得到缩尺模型中电力舱内通风情况。
更进一步地，在步骤S11和S12的计算中，忽略辐射传热，具体为：
由于单位表面辐射传热公式为温度的四次幂方程，表示为：
Figure GDA0002927718410000031
其中，q表示电缆辐射散热的热流密度；ε表示电缆表面的发射率；T5表示电缆表面温度；T6表示电力舱内墙壁温度。
而对流传热与固体内部传热均为温度的一次幂方程，无法在同一幂次下进行无量纲化，同时辐射传热量在风速1m以上时仅占总传热的20％不到，因此能够合理地忽略辐射传热。
更进一步地，步骤S11包括：
根据傅里叶导热微分提出无量纲温度：
Figure GDA0002927718410000032
其中，T1表示电缆芯内任一点的温度，T∞表示电力舱外部环境温度。
得到电缆芯的一维温度场，表示为：
Figure GDA0002927718410000033
其中，r1表示电缆芯某点到电缆轴心距离，R1表示绝缘层内半径到电缆芯轴的距离，λ1表示电缆芯导热系数，
Figure GDA0002927718410000034
表示单位体积内热源，θ表示电缆芯内任一点的无量纲温度，所得相似准则数表示为
Figure GDA0002927718410000035
更进一步地，步骤S12包括：
简化绝缘层边界条件为对流传热，提出无量纲温度：
Figure GDA0002927718410000041
其中，T2表示电缆绝缘层内任一点的温度，Tin表示电力舱进风温度，T∞表示电力舱外部环境温度。
得到绝缘层内的无量纲温度场：
Figure GDA0002927718410000042
其中，r2表示绝缘层某点到电缆轴心距离,R2表示绝缘层外半径到电缆芯轴的距离，λ2表示绝缘层导热系数，h表示电缆表面对流换热系数，Θ表示绝缘层内任一点的无量纲温度。所得相似准则数表示为
Figure GDA0002927718410000043
和
Figure GDA0002927718410000044
更进一步地，步骤S13包括：
采用对流换热相似准则数Nu来模拟真实管廊内空气流动，其中Nu＝hl/λ。其中，Nu为努赛尔数，h表示电缆表面任一点对流换热系数，l为特征尺度。由于电力舱中绝对部分空气流动是沿着电缆长度方向流动，因此本发明中采用外掠平板的湍流换热关联式：
Figure GDA0002927718410000045
其中：Re为雷诺数，Pr为普朗特数。通过Nu数相同得到相同的Re数，进而得到试验台内部风速，确定通风流量。
具体地，采用函数对第一数据集和第二数据集进行拟合，得到防火间隔与载流量电缆最高温度之间的定量关系式步骤，包括：
S31、对所得到的第一数据集和第二数据集进行函数拟合；
S32、对不同负荷下的拟合函数的参数进行拟合，得到函数参数随负荷变化的表达式。
本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：
在本发明中，对电缆芯和电缆绝缘层的传热方程进行建模并采用了对照实验来验证所得到的传热相似准则数的准确性，通过改变防火间隔长度研究了在不通负荷下的电缆温度的变化情况，对防火间隔长度、电缆载流量和电缆最高温度点的曲线进行了拟合与验证，通过进行试验台搭建验证了计算机模拟计算的准确性。最终补充了领域中如防火间隔这种对于地下综合管廊整体施工起到巨大影响的建设部分对电缆温度以及载流量的影响上的空白，能够使工程实践和管廊建设更加科学、绿色和经济。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种管廊电力舱防火间隔与电缆载流量定量关系确定方法的流程图。
图2为本实施例中缩尺模型试验台的正视图。
图3为本实施例中缩尺模型试验台的侧视图。
图4为本实施例中每种防火间隔下电力舱温度最高的电缆的沿程温度数据示意图。
图5为本实施例中负荷量为满负荷下的计算机模拟计算结果示意图。
图6为本实施例中负荷量为90％负荷下的计算机模拟计算结果示意图。
图7为本实施例中负荷量为80％负荷下的计算机模拟计算结果示意图。
图8为本实施例中以满负荷工况下的拟合函数为标准的变参数函数的参数变化示意图。
图9为本实施例中在85％负荷下，对不同防火间隔长度下的电缆最高温度进行函数拟合的结果示意图。
图10为本实施例中在95％负荷下，对不同防火间隔长度下的电缆最高温度进行函数拟合的结果示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示为一种综合管廊电力舱防火间隔与电缆载流量定量关系确定方法的流程图，具体包括：
S1、对原型综合管廊电力舱的缩尺模型进行数学建模，得到原型综合管廊电力舱传热相似准则数以及相应缩尺模型的边界条件；
S2、对不同防火间隔下的缩尺模型进行计算机模拟分析，得到不同防火间隔下相同电缆载流量的电缆轴心温度的第一数据集和不同防火间隔下不同电缆载流量电缆轴心温度的第二数据集；
S3、对第一数据集和第二数据集进行拟合，得到防火间隔与载流量以及电缆最高温度之间的关系；
S4、对特定电缆载流量下不同防火间隔的电缆最高温度曲线进行计算机模拟分析，验证得到的拟合关系的准确性，将原型综合管廊电力舱防火间隔与电缆载流量代入验证后的拟合关系，得到原型综合管廊电力舱防火间隔与电缆载流量关系。
具体地，所述步骤S1中，包括：
S11、采用傅里叶导热公式计算忽略辐射传热的电缆芯温度场，并对所得公式进行无量纲化处理，得到电缆芯温度场的相似准则数；
S12、采用傅里叶导热公式计算忽略辐射传热的电缆绝缘层温度场，并对所得公式进行无量纲化处理，得到电缆绝缘层温度场的相似准则数；
S13、根据努塞尔数对所得相似准则数对电力舱内通风情况进行设置，得到模型中电力舱内通风情况。
更进一步地，在所述步骤S11和S12的计算中，忽略辐射传热，具体为：
由于单位表面辐射传热公式为温度的四次幂方程，表示为：
Figure GDA0002927718410000071
其中，q表示电缆辐射散热的热流密度；ε表示电缆表面的发射率；T5表示电缆表面温度；T6表示电力舱内墙壁温度。
而对流传热与固体内部传热均为温度的一次幂方程，无法在同一幂次下进行无量纲化，同时辐射传热量在风速1m以上时仅占总传热的20％不到，因此能够合理地忽略辐射传热。
更进一步地，所述步骤S11包括：
根据傅里叶导热微分提出无量纲温度：
Figure GDA0002927718410000072
其中，T1表示电缆芯内任一点的温度，T∞表示电力舱外部环境温度。
得到电缆芯的一维温度场，表示为：
Figure GDA0002927718410000073
其中，r1表示电缆芯某点到电缆轴心距离，R1表示绝缘层内半径到电缆芯轴的距离，λ1表示电缆芯导热系数，
Figure GDA0002927718410000074
表示单位体积内热源，θ表示电缆芯内任一点的无量纲温度，所得相似准则数表示为
Figure GDA0002927718410000081
更进一步地，所述步骤S12包括：
简化绝缘层边界条件为对流传热，提出无量纲温度：
Figure GDA0002927718410000082
其中，T2表示电缆绝缘层内任一点的温度，Tin表示电力舱进风温度，T∞表示电力舱外部环境温度。
得到绝缘层内的无量纲温度场：
Figure GDA0002927718410000083
其中，r2表示绝缘层某点到电缆轴心距离,R2表示绝缘层外半径到电缆芯轴的距离，λ2表示绝缘层导热系数，h表示电缆表面对流换热系数，Θ表示绝缘层内任一点的无量纲温度。所得相似准则数表示为
Figure GDA0002927718410000084
和
Figure GDA0002927718410000085
在本实施例中，以广州亚运城综合管廊管道舱为例，电力舱端面高3.1m，宽2.8m，其侧视图如图3所示，内部布置的电缆线如图2所示。
当
Figure GDA0002927718410000086
和
Figure GDA0002927718410000087
相同时，绝缘层内温度分布相同。根据相关单位提供的数据，得到理想模型的热流量为1017.1W/m2，即理想模型的电缆每米的发热量为61.96W，由于舱内风速为2.7m/s，所以计算机模拟分析模型的风速为13.5m/s。
更进一步地，所述步骤S13包括：
采用对流换热相似准则数Nu来模拟真实管廊内空气流动，其中Nu＝hl/λ。其中，Nu为努赛尔数，h表示电缆表面任一点对流换热系数，l为特征尺度。由于电力舱中绝大部分空气流动是沿着电缆长度方向流动，因此本发明中采用外掠平板的湍流换热关联式：
Figure GDA0002927718410000091
其中：Re为雷诺数，Pr为普朗特数。通过Nu数相同得到相同的Re数，进而得到试验台内部风速，确定通风流量。
在本实施例中，对于得到不同防火间隔下相同电缆载流量的电缆轴心温度的第一数据集，进行了多组模拟实验。实验中计算机1:5缩尺模型的电力舱防火间隔长度分别为：12m，18m，24m，30m，36m，相对应的是60m，90m，120m，150m，180m。由表1可知满负荷载流量为1900A，变负荷为90％，80％的载流量，即1710A，1520A。
每种防火间隔下的电力舱温度最高的电缆的沿程温度数据如图4所示。
提取不同负荷下不同防火间隔长度中最高电缆温度分布曲线，得到第二数据集。
负荷量分别为满负荷、90％负荷、80％负荷的计算机模拟计算结果分别如图5、图6和图7所示。
具体地，所述步骤S3中，包括：
S31、对所得到的第一数据集和第二数据集进行函数拟合；
S32、对不同负荷下的拟合函数的参数进行拟合，得到函数参数随负荷变化的表达式。
更进一步地，在所述步骤S31中，通过计算机模拟分析，得到100％负荷、90％负荷以及80％负荷工况下的最高温度电缆沿程温度曲线的函数拟合曲线，具体参数如表1所示。
表1
Figure GDA0002927718410000092
Figure GDA0002927718410000101
更进一步地，在所述步骤S32中，对不同负荷下的拟合函数的参数进行函数拟合，得到函数参数随负荷变化的表达式，将不同负荷下的拟合函数变成以满负荷工况下的拟合函数为标准的变参数函数，参数变化具体如图8所示。
进一步，根据所得到的拟合公式，可以看出其参数是不断变化的，其分别满足：A0＝-0.29947x+14.31984；t1＝0.1425x+2.8057；y0＝1.085x-19.4799。可知在85％负荷时的A1，t1，y0分别是：-11.13511；14.9182；72.7454。在95％负荷时的A1，t1，y0分别是：-14.12981；16.3432；83.5951。
在本实施例中，所述采用对特定载流量下的不同防火间隔电缆最高温度曲线的计算机模拟分析来验证拟合函数的准确性，将所得拟合公式还原至原型中去，从而得到原型综合管廊电力舱防火间隔与电缆载流量定量关系式步骤中，在85％负荷和95％负荷的不同防火间隔长度下的电缆最高温度进行函数拟合，所得结果分别如图9和图10所示。
由拟合函数参数变化的线性公式可知，85％负荷时的A1，t1，y0分别是：-11.61242、14.43356和72.45786。
95％负荷时的A1，t1，y0分别是：-14.19997；15.97402；83.51166。具体所得结果与数值预测如表2所示。
表2
Figure GDA0002927718410000111
由表2可知，理论预测的拟合公式参数与模拟计算的差异均小于5％，具有可靠性。
将所得拟合公式还原到原型中，根据缩放比例可得原型综合管廊电力舱防火间隔与电缆载流量定量关系式，表示为：
Figure GDA0002927718410000112
其中，R表示原型电缆绝缘层外表面直径，r2表示模型电缆绝缘层外表面直径，w表示电缆的负荷率，Y表示原型中测点处的温度。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种综合管廊电力舱防火间隔与电缆载流量定量关系确定方法，其特征在于，具体步骤包括：
S1、对原型综合管廊电力舱的缩尺模型进行数学建模，得到原型综合管廊电力舱传热相似准则数以及相应缩尺模型的边界条件；
S2、对不同防火间隔下的缩尺模型进行计算机模拟分析，得到不同防火间隔下相同电缆载流量的电缆轴心温度的第一数据集和不同防火间隔下不同电缆载流量的电缆轴心温度的第二数据集；
S3、对第一数据集和第二数据集进行拟合，得到防火间隔与电缆载流量以及电缆最高温度之间的拟合关系；
S4、对特定电缆载流量下不同防火间隔的电缆最高温度曲线进行计算机模拟分析，验证S3得到的拟合关系的准确性，将原型综合管廊电力舱防火间隔与电缆载流量代入验证后的拟合关系，得到原型综合管廊电力舱防火间隔与电缆载流量关系。
2.根据权利要求1所述的一种综合管廊电力舱防火间隔与电缆载流量定量关系确定方法，其特征在于，步骤S1包括：
S11、采用傅里叶导热公式计算忽略辐射传热的电缆芯温度场，并对所得公式进行无量纲化处理，得到电缆芯温度场的相似准则数；
S12、采用傅里叶导热公式计算忽略辐射传热的电缆绝缘层温度场，并对所得公式进行无量纲化处理，得到电缆绝缘层温度场的相似准则数；
S13、根据努塞尔数对电力舱内通风情况进行设置，得到缩尺模型中电力舱内通风情况。
3.根据权利要求2所述的一种综合管廊电力舱防火间隔与电缆载流量定量关系确定方法，其特征在于，步骤S11包括：
根据傅里叶导热微分提出无量纲温度：
Figure FDA0002927718400000011
其中，θ表示电缆芯内任一点的无量纲温度，T1表示电缆芯内任一点的温度，T∞表示电力舱外部环境温度；
得到电缆芯的一维温度场，表示为：
Figure FDA0002927718400000021
其中，r1表示电缆芯某点到电缆轴心距离，R1表示绝缘层内半径到电缆芯轴的距离，λ1表示电缆芯导热系数，
Figure FDA0002927718400000022
表示单位体积内热源，所得相似准则数表示为
Figure FDA0002927718400000023
4.根据权利要求2所述的一种综合管廊电力舱防火间隔与电缆载流量定量关系确定方法，其特征在于，步骤S12包括：
简化绝缘层边界条件为对流传热，提出无量纲温度：
Figure FDA0002927718400000024
其中，Θ表示绝缘层内任一点的无量纲温度，T2表示电缆绝缘层内任一点的温度，Tin表示电力舱进风温度，T∞表示电力舱外部环境温度；
得到绝缘层内的无量纲温度场：
Figure FDA0002927718400000025
其中，r2表示绝缘层某点到电缆轴心距离,R1表示绝缘层内半径到电缆芯轴的距离，R2表示绝缘层外半径到电缆芯轴的距离，λ2表示绝缘层导热系数，h表示电缆表面对流换热系数，
Figure FDA0002927718400000026
表示单位体积内热源；所得相似准则数表示为
Figure FDA0002927718400000027
和
Figure FDA0002927718400000028
5.根据权利要求2所述的一种综合管廊电力舱防火间隔与电缆载流量定量关系确定方法，其特征在于，步骤S13包括：
采用对流换热相似准则数Nu来模拟真实管廊内空气流动，其中Nu＝hl/λ；Nu为努赛尔数，h表示电缆表面任一点对流换热系数，l为特征尺度，λ为导热系数。
6.根据权利要求1所述的一种综合管廊电力舱防火间隔与电缆载流量定量关系确定方法，其特征在于，步骤S3包括：
S31、对所得到的第一数据集和第二数据集进行函数拟合；
S32、对不同负荷下的拟合函数的参数进行拟合，得到函数参数随负荷变化的表达式。
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