CN111159960B - 一种隧道内电缆故障致火灾的数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道内由电气故障引发电缆火灾的数值模拟方法，该方法包括以下内容，根据电缆隧道的结构和隧道内电缆的敷设情况，建立电缆隧道的物理模型，根据电缆隧道内故障电缆的位置和故障类型确定引发电缆隧道火灾的初始火源模型，将初始火源模型、电缆隧道中电缆的敷设情况等输入FLASH‑CAT模型，可得到隧道内火源的实时热释放速率，建立电缆隧道火灾的火源模型，将此火源模型直接导入到流体动力学计算软件FDS中，在FDS中设置电缆隧道模型的材料特性、边界条件，划分网格，进行数值计算，得到电缆隧道内温度、烟气浓度、火焰的蔓延、CO浓度等随时间变化规律，实现电缆隧道火灾的危险性评估。

Description

一种隧道内电缆故障致火灾的数值模拟方法

技术领域

本发明属于电力线路安全运行领域，适用于对电力电缆隧道的火灾风险分析。

背景技术

近年来，随着经济的快速发展及城市化水平的不断提高，城市电网输电系统主要从架空线发展为电缆。由于电缆隧道环境相对封闭较难巡检，随着投运年限的增加，电力电缆火灾事故频发且后果严重。国内外有多起关于电缆隧道发生火灾造成严重后果的案例，如2016年6月18日，某地电缆隧道出线失火，导致110kV变电站、330kV变电站失火，停电用户8.65万户，故障损失负荷达到24.3万kW；2014年10月5日，某地变电站11kV&33kV电缆隧道的11kV馈线由于电弧故障引发火灾，火灾蔓延到电缆隧道中的所有电缆，导致约7.5万用户停电，有2万多用户停电长达24小时。2019年国家电网总部提出构建坚强智能电网的伟大战略，对输电技术的安全性也提出了新的要求，尤其是电力电缆的火灾安全防护越来越受到重视。

目前，主要通过实验和数值模拟的方法对电力电缆火灾进行研究，由于实际的电缆隧道长达数十公里，往往很难进行全尺寸的实验。美国核管理委员会NRC(NuclearRegulatory Commission)、桑迪亚国家实验室SNL(Sandia National Laboratory)、美国国家技术与标准研究所NIST(National Institue of Standards and Technology)共同研究了电缆对火灾的响应行为，该项目通过材料尺度的小尺寸实验、外部热源对电缆试样加热的中尺寸实验来探究电缆在热作用下的失效模型，根据实验结果提出了在给定热辐射条件下的电气失效模型(THIEF模型)，但是该模型需要先通过实验得到电缆的失效温度。欧盟的FIPEC(Fire Performance of Electrical Cables)项目通过实验探究了不同尺度实验的相关性，以期使用材料级别的小尺寸实验研究实际电缆的燃烧特性，实验结果表明不同尺寸的实验在火灾的蔓延性具有很好的相关性，缩尺寸实验与全尺寸实验的相关性还需要进一步研究。由于电缆隧道火灾的全尺寸实验较难实现，数值模拟成为了一种探究电缆隧道火灾的重要方法。

由美国标准与技术研究所NIST开发的火灾动力学仿真软件FDS是一种典型的流体动力学计算模型，FDS适用于描述低速、热驱动的气体流动问题，采用大涡模拟的方法进行火灾仿真，通过可视化的输出查看软件SmokeView可以显示火灾过程中的温度、烟气浓度、热释放速率等随时间的变化情况。

很多学者已经使用FDS研究电力电缆火灾，但是现有的火灾模型往往采用固定功率、固定尺寸的火源模型，而在实际的电缆隧道中，电力电缆火灾多是由于电气故障引发的，随着电缆投运年限的增长，电缆的绝缘易发生劣化，当运行电压达到绝缘的击穿电压时就会导致电缆绝缘发生击穿，发生电弧性短路故障，电弧的温度往往高达5000-6000℃，若电缆系统的保护装置未能及时动作切断故障，间歇性的电弧产生的高温将会引燃隧道内的可燃物，引发电缆隧道火灾。在电气故障过程中输出的功率是实时变化的，火灾发生后，火源的热释放速率与隧道内火灾的蔓延范围、隧道内敷设的电缆型号等都是相关的，因此采用固定热释放速率的火源模型仿真电缆隧道的火灾是不合理的。

发明内容

本发明的目的在于解决当前电缆隧道火灾仿真中尚未考虑引发火灾的电气故障和在电缆隧道火灾中采取固定火源模型而引起较大的误差，为电缆隧道火灾的风险评估提供一种有效的方法。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种隧道内电缆故障致火灾的数值模拟方法，包括以下步骤：

1)根据电缆隧道的物理结构和隧道内电缆敷设情况，在三维制图软件中建立电缆隧道的三维模型，将此三维模型导入到FDS软件中；

2)根据引发隧道火灾的电气故障建立电缆的故障模型，将电气故障模型进行数值模拟得到引发电缆隧道火灾的初始火源模型；

3)根据美国核管理委员会NRC(Nuclear Regulatory Commission)发布的NUREG/CR-6850《Fire PRA Methodology for Nuclear Power Facilities》所提出的FLASH-CAT模型，将初始火源模型、隧道内火焰的传播规律、电缆的敷设情况、电缆隧道的物理结构等导入到FLASH-CAT模型，得到隧道内热释放速率的实时变化关系，建立隧道火灾的火源模型；

4)在FDS软件中建立电缆隧道火灾的数值模型，进行数值计算，得到电缆隧道内温度、烟气浓度、火焰的蔓延、CO浓度等实时变化情况，实现对电缆隧道火灾的危险性评估。

步骤1)中电缆隧道的三维模型，根据电缆隧道的尺寸、电缆桥架的位置及尺寸、隧道内敷设电缆的位置及尺寸在三维制图软件中建立电缆隧道的三维模型，将此三维模型导入到FDS软件中建立隧道火灾仿真的物理模型。

步骤2)电缆隧道火灾的初始火源模型，电缆电气故障是引发电缆隧道内火灾的重要原因，随着投运年限的增加电缆绝缘发生劣化，易在运行过程中发生击穿造成电弧性短路故障，若故障未被迅速切断，电弧产生的高温将引燃隧道内的可燃物。采用PSCAD软件建立电缆的电气故障模型，设置故障条件，采用动态电阻模拟电缆的电气故障，根据电缆的电气故障模型的输出结果建立隧道内火灾的初始火源模型，电缆故障位置为初始火源的位置，电缆故障点的实时功率为初始火源的热释放速率，电缆故障时间为初始火源模型的持续时间，初始火源的面积为以故障点为圆心，电缆截面半径为半径的圆的面积，由初始火源的位置、实时热释放速率、持续时间、面积共同组成了电缆隧道火灾的初始火源模型。

步骤3)中电缆隧道火灾的火源模型，根据初始火源模型、电缆隧道内电缆的敷设方式、电缆的材料组成以及火焰的横向与纵向蔓延的速率建立FLASH-CAT模型确定电缆隧道内火灾实时的热释放速率变化，美国核管理委员会发布的NUREG/CR-6850《Fire PRAMethodology for Nuclear Power Facilities》指出火焰在垂直摆放的横向电缆桥架是“V”形蔓延的，电缆火焰在垂直方向上沿着与垂直方向成35°的方向蔓延，每层电缆的引燃时间依次减少1分钟，如第一层电缆的引燃时间为5分钟，第二层电缆在第一层电缆引燃4分钟后被引燃，第三层电缆在第二层电缆引燃3分钟后被引燃，依次类推，设电缆火焰蔓延到第i+1层的电缆燃烧长度L_i+1，且L_i+1＞L_i，电缆火焰的纵向蔓延长度计算公式为：

L_i+1＝L_i+2h_itan(35°)  (1)

其中h_i表示两个电缆桥架之间的垂直距离。

电缆火焰沿电缆桥架的水平方向的蔓延公式为：

L_i＝V₀*t  (2)

V₀表示电缆火焰沿电缆桥架的横向蔓延速率，对于热固性电缆V₀＝1.1m/h，对于热塑性电缆，V₀＝3.2m/h；t表示第i层电缆的燃烧时间。

电缆的燃烧时间的计算公式为：

其中m_c″表示单位面积可燃物的质量，ΔH表示燃烧热值，

表示单位面积的热释放速率，m_c″的计算公式为：

其中n表示每个电缆桥架上电缆的数量，Y_p表示单位长度电缆中非金属材料的质量分数，υ表示单位长度电缆燃烧结束的碳成分，m′表示单位长度电缆质量，W表示电缆桥架的宽度；

热释放速率的计算公式为：

其中N表示电缆桥架的数量，t_ign,i(x)为第i个桥架上x处的引燃时间。

t_ign,i,0表示第i个桥架被引燃的初始时间，t_ign,i(x)表示位于距离水平方向中心x处的电缆初次被引燃的时间，如果点x位于首次点燃电缆的原始段内，则这两个时间相同；

依据上述公式所建立的模型为FLASH-CAT模型，将初始火源模型、电缆隧道的三维结构、电缆的组成材料等导入上述模型中，可以计算出隧道火灾过程中热释放速率的实时变化情况，得到电缆隧道火灾中准确的火源模型。

步骤4)中电缆隧道的火灾数值模型，在FDS软件中建立电缆隧道火灾的数值模拟模型，进行仿真计算，在FDS中建立的电缆隧道的物理模型的基础上，对隧道的各组成成分设置材料属性，将FLASH-CAT模型计算所得的火源模型直接导入FDS软件中作为隧道火灾的火源模型，设置隧道火灾仿真的边界条件，划分网格，进行数值计算，可以得到描述电缆隧道火灾危险性的参数包括：电缆隧道内温度、烟气浓度、火焰的蔓延、CO浓度实时变化情况，对电缆隧道火灾进行危险性评估。

本发明根据国家电网提出的构建坚强智能电网的指导方针，为解决电力电缆隧道火灾提供了一种有效的数值模拟方法，将电缆的电气故障模型作为电缆隧道的初始火源模型，根据电缆隧道内电缆的敷设情况、初始火源模型、电缆火焰的蔓延速率等建立FLASH-CAT模型，得到电缆隧道内热释放速率的实时变化值，相较于传统的采用固定热释放速率值的火源模型，提高了隧道火灾仿真时火源模型的准确性，可以实现对隧道火灾的准确评估。

附图说明

图1为本发明实施例中隧道内由电气故障引发电缆火灾的数值模拟的流程图。

图2为电缆电气故障的示意图。

图3为采用FDS数值模拟电缆隧道内火灾的算法流程图。

具体实施方式

本发明为一种隧道内电缆故障致火灾的数值模拟方法，收集发生火灾的电缆隧道的物理结构和隧道内电缆的敷设资料，建立电缆隧道的三维模型，将此三维模型导入到FDS软件中，建立隧道火灾仿真的物理模型。

建立故障电缆的电气故障模型，根据电缆电气故障模型确定电缆隧道火灾的初始火源模型，包括初始火源的位置、面积、功率及持续时间。

将初始火源模型、电缆隧道内电缆的敷设方式、电缆的结构与组成、火焰的横向与纵向蔓延规律导入FLASH-CAT模型，确定电缆隧道内火灾发生时的热释放速率随时间变化情况，得到电缆隧道火灾的火源模型。

将FLASH-CAT模型中输出的火源模型直接导入到FDS软件，在FDS中构建电缆隧道的数值模拟模型，包括对隧道内各组成结构设置材料属性、边界条件、网格划分，然后进行数值计算，得到描述电缆隧道火灾危险性的参数包括：电缆隧道内温度、烟气浓度、火焰的蔓延、CO浓度等随时间变化的规律，实现对电缆隧道火灾的危险性评估。

如图1所示，其实施过程主要包括以下步骤：

建立电缆隧道的三维模型，导入到FDS软件中。获取发生火灾的电缆隧道的尺寸、隧道内电缆桥架的位置及尺寸、隧道内电缆的位置及尺寸，在三维制图软件中建立电缆隧道的三维立体模型，将此三维模型导入FDS软件中，建立隧道火灾仿真的物理模型。

根据引发隧道火灾的电气故障建立电缆的故障模型，得到引发电缆火灾的初始火源模型。通常电缆隧道内的火灾是由电缆电气故障引发的，随着电缆投运年限的增长，电缆的绝缘易发生劣化，当运行电压达到绝缘的击穿电压时就会导致电缆绝缘发生击穿，发生电弧性短路故障，电弧的温度往往高达5000-6000℃，若电缆系统的保护装置未能及时动作切断故障，间歇性的电弧产生的高温将会引燃隧道内的可燃物，引发电缆隧道火灾。如图2所示为电缆单相电弧接地故障的电路图，采用PSCAD软件搭建电缆的电气故障模型，设置故障条件，用动态电阻模拟电缆的电气故障，进行数值模拟。将电缆电弧故障进行数值模拟得到的实时功率作为初始火源的热释放速率，初始火源的位置为电缆故障处位置，初始火源面积为以故障点为圆心，故障电缆半径为半径的圆的面积，初始火源的时间为电缆电弧故障的时间，由电缆电弧故障仿真得到的初始火源位置、面积、时间共同组成了电缆隧道火灾的初始火源模型。

建立隧道火灾的火源模型，计算电缆隧道火灾发生时的热释放速率的实时变化情况。根据美国核管理委员会NRC发布的NUREG/CR-6850《Fire PRA Methodology forNuclear Power Facilities》，垂直摆放的横向电缆桥架中的火焰是“V”形蔓延的，电缆火焰在垂直方向上沿着与垂直方向成35°的方向蔓延，每层电缆的引燃时间依次减少1分钟，如第一层电缆的引燃时间为5分钟，第二层电缆在第一层电缆引燃4分钟后被引燃，第三层电缆在第二层电缆引燃3分钟后被引燃，依次类推，设电缆火焰蔓延到第i+1层的电缆燃烧长度L_i+1，且L_i+1＞L_i，电缆火灾的纵向蔓延长度计算公式为：

L_i+1＝L_i+2h_itan(35°)  (1)

其中h_i表示两个电缆桥架之间的垂直距离。

电缆火灾沿电缆桥架的水平方向的蔓延公式为：

L_i＝V₀*t  (2)

V₀表示电缆火焰沿电缆桥架的横向蔓延速率，对于热固性电缆V₀＝1.1m/h，对于热塑性电缆，V₀＝3.2m/h；t表示第i层电缆的燃烧时间。

电缆的燃烧时间的计算公式为：

其中m_c″表示单位面积可燃物的质量，ΔH表示燃烧热值，

表示单位面积的热释放速率，m_c″的计算公式为：

其中n表示每个电缆桥架上电缆的数量，Y_p表示单位长度电缆中非金属材料的质量分数，υ表示单位长度电缆燃烧结束的碳成分，m′表示单位长度电缆质量，W表示电缆桥架的宽度。

热释放速率的计算公式为：

其中N表示电缆桥架的数量，t_ign,i(x)为第i个桥架上x处的引燃时间。

t_ign,i,0表示第i个桥架被引燃的初始时间，t_ign,i(x)表示位于距离水平方向中心x处的电缆初次被引燃的时间，如果点x位于首次点燃电缆的原始段内，则这两个时间相同。

依据上述公式所建立的模型为FLASH-CAT模型，将初始火源模型、电缆隧道的三维结构、电缆的组成材料等导入上述模型中，可以计算出隧道火灾过程中热释放速率的实时变化情况，得到电缆隧道火灾的火源模型。

在FDS软件中搭建电缆隧道火灾的数值模型，进行仿真计算，将得到的火灾数值模拟结果用于火灾的危险性评估。在FDS所搭建的电缆隧道的几何模型的基础上，对电缆隧道的墙壁、电缆桥架、电缆设置材料属性，将FLASH-CAT得到的火源模型直接导入FDS中作为火源模型，在软件中设置边界条件，包括电缆隧道的墙壁的热量传递性质、通风口的位置、大小、风速等，然后划分计算网格，FDS计算的准确度与网格尺寸的大小密切相关，网格划分越精细，则计算结果越准确，但是计算时间会大幅增加。FDS的用户手册中指出可以用无量纲参数D^*/δx表征仿真的准确度，火源特征直径的计算公式为：

其中

表示火源的热释放速率，ρ_∞表示空气密度，C_ρ为空气比热容，T_∞为环境温度，g为重力加速度。δx为网格的标称尺寸，美国核管理委员会的实验证明D^*/δx的值在4到16之间时仿真结果较为准确。

最后进行FDS计算，得到电缆隧道内温度、烟气浓度、火焰的蔓延、CO浓度等实时变化情况，进行电缆隧道的火灾风险性评估。

Claims (3)

1.一种隧道内电缆故障致火灾的数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据电缆隧道的物理结构和隧道内电缆敷设情况，在三维制图软件中建立电缆隧道的三维模型，将此三维模型导入到FDS软件中，建立隧道火灾仿真的物理模型；

2)根据引发隧道火灾的电气故障建立电缆的故障模型，将电气故障模型进行数值模拟，电缆电气故障点的实时功率即为隧道内火灾的热释放速率，根据电气故障过程建立隧道火灾的初始火源模型；

3)根据美国核管理委员会NRC(Nuclear Regulatory Commission)发布的NUREG/CR-6850《Fire PRA Methodology for Nuclear Power Facilities》所提出的FLASH-CAT模型，将初始火源模型、隧道内火焰的传播规律、电缆的敷设情况、电缆隧道的物理结构等导入到FLASH-CAT模型，得到隧道内热释放速率的实时变化关系，建立隧道火灾的火源模型；

4)在FDS软件中建立电缆隧道火灾的数值模型，进行数值计算，得到电缆隧道内温度、烟气浓度、火焰的蔓延、CO浓度等实时变化情况，实现对电缆隧道火灾的危险性评估。

2.根据权利要求1所述的一种隧道内电缆故障致火灾的数值模拟方法，其特征在于，步骤1)中电缆隧道的三维模型，根据电缆隧道的尺寸、电缆桥架的位置及尺寸、隧道内敷设电缆的位置及尺寸在三维制图软件中建立电缆隧道的三维模型，将此三维模型导入到FDS软件中建立隧道火灾仿真的物理模型。

3.根据权利要求1所述的一种隧道内电缆故障致火灾的数值模拟方法，其特征在于，步骤2)电缆隧道火灾的初始火源模型，电缆电气故障是引发电缆隧道内火灾的重要原因，随着投运年限的增加电缆绝缘发生劣化，易在运行过程中发生击穿造成电弧性短路故障，若故障未被及时切断，则电弧产生的高温将引燃隧道内的可燃物；采用PSCAD软件建立电缆的电气故障模型，设置故障条件，采用动态电阻模拟电缆的电气故障，根据电缆的电气故障模型的输出结果建立隧道内火灾的初始火源模型；电缆故障位置为初始火源的位置，电缆电气故障点的实时功率为初始火源的热释放速率，电缆故障时间为初始火源模型的持续时间，初始火源的面积为以故障点为圆心，电缆截面半径为半径的圆的面积，由初始火源的位置、实时热释放速率、持续时间、面积共同组成了电缆隧道火灾的初始火源模型。

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