基于FDS的火源位置对高压电缆沟道火灾的影响研究*

贡颢 郭耸 程洋 汤振东

（南京理工大学化学与化工学院，江苏 南京 210018）

我国每年发生的多起火灾中，电气原因造成的占比持续居前，造成的人员伤亡和财产损失数量大。目前我国城市的电力设施正在向地下空间大规模聚集发展，电缆逐步进入地下空间。由于地下空间具有复杂性、隐蔽性、封闭性等特征，如若发生火灾，人员逃生和消防救援都将比地面更加困难。在城市地下综合管廊中，有大量用于运输水电气等能源的管道，其中电缆管道最具危险性，再加上地下空间火灾产生的烟气更易聚集的特点，电缆受热分解放出大量有毒有害烟气，空间内温度高，逃生救援也极为困难。因此有必要对地下空间电缆的火灾蔓延和烟气行为及喷淋设备对其影响开展研究。国内外已有研究人员通过实验和模拟手段对电缆火灾特性机理以及电缆沟道火灾进行了大量研究和分析。杨永斌［1］研究了点火源位于不同水平和竖直位置情况对电缆火灾的影响，阐述了不同情况下管廊内部火场温度随时间的变化规律，总结了火势在不同电缆层间蔓延的趋势。周彪等［2］通过FDS软件对T型电缆沟道火灾模拟，得出沟道内烟气运动及温度分布情况。王印［3］使用数值模拟软件，研究了地下建筑机械排烟与喷淋条件下不同情况的烟气运动行为，并且得出适当的排烟口位置可大大延缓火场内烟气蔓延速度，以延长人员可用安全疏散时间。NUIANZIN O等［4］则同时采用了实验方法和数值模拟方法，确定电缆沟道发生火灾时其内部最高温度、局部区域火灾持续时间以及达到最高温度的时间与电缆沟道横截面积、火灾荷载等的关系。尽管目前已有很多针对不同条件下的电缆沟道火灾进行的研究，但所研究的电缆沟道火灾的影响因素比较单一，工况缺乏多样性，很少有研究将多种不同情况的影响进行综合分析，因此具有一定局限性。本文将采用FDS数值模拟，依托实际应用场景建立高压电缆沟道模型，在以火源位置为变量的多种不同工况下，着重探讨不同的工况条件对电缆沟道火灾的影响，并设计喷淋系统以探究其对火灾防控的作用。

本文采用FDS（Fire Dynamics Simulation）数值模拟方法，FDS是由美国国家标准与技术研究院所开发的当今主流的火灾数值模拟工具。研究模型采用以某段110 kV电缆线路部分为基础，电缆沟道路径总长度为465 m。所模拟的电缆沟道为长度15 m的纵向敞开非封闭空间，电缆沟道剖面如图1所示。电缆采用三相接触品字形布置，三芯刚性固定处间距为4 m，电缆线模型简化为圆柱体3层，从外到内分别为外层护套、绝缘层和铜制电缆芯。电缆外层护套和绝缘层材质均为聚氯乙烯（PVC）。表1列出了电缆各层尺寸参数。本模拟中电缆热释放速率峰值设定为128 kW/m2，达到峰值的时间为65 s。

表1 电缆各层尺寸参数

图1 电缆沟道剖面（单位：mm）

根据国际标准ISO/16733-1：2015［5］，本模拟将高压电缆沟道内的电缆火灾定义为超快速火，并将火源热释放速率设为8 MW/m2。由于电缆接头处容易诱发火灾事故，因此将火源的长度设为接头处绝缘层的长度，为0.28 m，火源面积为0.028 m2。通过公式计算和进行网格独立性测验后，本模拟选择将网格尺寸设为0.1 m×0.1 m×0.1 m，总网格数为109，350个。分别在横向0.5、1.0、1.5、2.0、2.3 m处和竖向火源处设置温度切片，竖向中心面处设置可见度切片。在火源上方及高度为0.6、1.0、1.4、1.8 m处设置热电偶。热电偶的布置情况如图2所示。

图2 温度数据采集装置设置示意

2.1 电缆沟火蔓延特性研究

图3给出了火源在沟道端部底层工况下火灾的火焰烟气蔓延和温度变化情况。火源中心坐标为（0.67，0.5，0.58），沟道内温度为20℃。

图3 电缆沟火势蔓延示意

由图可知，火源位置在底层电缆处，开始燃烧后火势逐渐变大，电缆释放出少量烟气，并在火源热羽流作用下，t=5.4 s时烟气上升至沟道顶部。随后，电缆受热分解产生HCl等可燃挥发性物质，这些物质被点燃后烟气增多，到达沟道顶部形成顶棚射流，向电缆沟道端口扩散。t=10.8 s时，底层电缆燃烧产生的高温烟气使得第2层电缆被点燃，火焰蔓延至第2层。t=29.7 s时，第3和第4层电缆被点燃，且烟气扩散至沟道端口y=15 m处，此后顶部烟气层缓缓变厚，且沟道中部烟气厚度略大于端部。约80 s后，沟道内烟气厚度已到达1.5 m高处，给人员逃生增加困难。约220 s后沟道中部烟气逐渐变厚，紊流逐渐加剧。至t=299.7 s时，最顶层的电缆表面出现火焰，此时右侧的6层电缆已全部被点燃。约330 s后火焰开始向水平方向蔓延，火势持续增大。

图4给出了电缆沟道火灾温度的变化情况。电缆火灾初期，电缆点燃后所释放的烟气上升至沟道顶部，t=30.6 s时，烟气扩散至沟道端部，此时火源附近的电缆温度快速升高至400℃，随后，火源持续燃烧，沟道内的温度也持续上升。600 s后，火源附近最高温度可达1 000℃左右。约800 s后，沟道内1.5 m高处的温度达到70℃，人体长期处在此温度下将会烫伤。燃烧过程中，火源上方的1~2层电缆附近温度最高，水平方向上距离火源越远，温度越低。由上图可知，电缆沟道内的温度变化主要影响因素为火焰与烟气范围。

图4 x=0 m处温度云图

2.2 火源位置对火灾的影响

研究设计了5种工况分析不同火源位置对高压电缆沟道火灾的影响。具体参数如表2。

表2 不同火源位置工况参数

表3列出了5种不同火源位置工况的火势蔓延位置时间对比。表4列出了5种不同火源位置工况的烟气蔓延情况对比。图5为5种不同火源位置工况在t=900 s时的烟气蔓延情况。由对比可发现，火源位置在高处燃烧时，产生的烟气大部分集中在火源到顶层的位置，且900 s内烟气高度未低于1.5 m，但高温烟气聚集导致上层电缆温度更高，火焰蔓延速度更快。火源靠近底层时，产生的烟气多，同时烟气流动的雷诺数大，紊流现象剧烈。火源在沟道两端时，火源附近只有一侧有电缆，而火源在沟道中间时，火源两侧皆有电缆，可燃物更多，因而火源在沟道中间时火势范围更大、燃烧更快、产生烟气更多。火源位于沟道中间的最底层电缆时，产生的烟气最多，运动最快，t=127.8 s时烟气高度在1.5 m，人员难以逃生。

表3 不同火源位置工况的火势蔓延时间 s

表4 不同火源位置工况的烟气蔓延对比 s

图5 不同火源位置工况t=900 s时烟气蔓延对比

图6为各个工况火源处不同高度的温度变化图。

图6 各工况火源处不同高度温度变化

由对比可发现，火源下方由于没有烟气聚集，温度很低，基本保持不变。而火源处并非温度最高处，由于火焰和烟气的作用，温度最高处出现在火源上方1~2层电缆处。因此，竖直方向上，火源在底层时比在中部时高温范围广，火源在顶层时，高温范围只集中在最上层电缆附近。

2.3 自动喷水灭火系统对火灾的影响

鉴于电缆沟道火灾的高危险性，我国电力部行业标准DL/T 5221—2005《城市电力电缆线路设计技术规定》［6］中规定，在电缆进出线特别集中的沟道中，可加设湿式自动喷水灭火、水喷雾灭火或气体灭火等固定灭火装置。本文设计了该电缆模型的自动喷水灭火系统。以A0工况为基础，研究在电缆模型上设置自喷系统对减小火灾危害的有效性，结果见图7—图9。

图7 有自动喷水灭火系统作用时的火势蔓延示意

图9 有自动喷水灭火系统作用的火源处y=0.5 m温度云图

根据国家标准GB 50084—2017《自动喷水灭火系统设计规范》［7］，喷水强度设为16 L/（min·m2），作用面积为240 m2。从y=0.5 m起，每隔3 m设置一喷头，喷头活化温度为68℃。表5列出了有自动喷水灭火系统作用时与无自动喷水灭火系统的A0工况火灾情况对比，图10和图11分别为有无自动喷水灭火系统作用的热释放速率对比图和火源上方0.1 m处的温度对比图。模拟结果分析如下：

图10 有无喷淋系统作用的热释放速率对比

图11 有无喷淋系统作用火源上方温度对比

表5 有自动喷水灭火系统作用的火灾情况对比

图8 有自动喷水灭火系统作用时的烟气扩散示意

由此可知，沟道内设置自动喷水灭火系统后，火灾燃烧至第5层电缆，不再向上蔓延，且600 s内火焰未出现水平蔓延现象，证明灭火系统有效阻止了火势蔓延。当有自动喷水灭火系统作用时，热释放速率始终控制在300 kW以下，火源上方温度由350℃快速降低，随后保持在220℃左右，由此可见自喷系统对电缆沟道火灾的抑制作用是有效的。

本文通过设置模型网格、测温点和温度切片等参数，设计了一段两端非封闭的电缆沟道模型。通过改变火源位置，设计多种工况进行火灾数值模拟研究。分析了火源位置对高压电缆沟道火灾的火势蔓延情况、烟气扩散运动及温度变化的影响，并研究了自动喷水灭火系统对火灾影响，得到如下结论：

1）电缆沟道发生火灾时，t=5.4 s时烟气上升至沟道顶部，形成顶棚射流。在30.6 s内火源附近温度极快升高至400℃，随后持续上升。火焰和大量烟气使600 s后，沟道内最高温度达1 000℃左右。800 s后，沟道内1.5 m高处的温度达70℃。

2）火源位置在高处时，火焰蔓延的速度最快；
火源在底层，烟气运动紊流现象明显，烟气高度达1.5 m所需时间更短；
火源在沟道中间比在两端时，火焰蔓延更快，产生烟气更多。

3）设置自动喷水灭火系统后，火焰未出现水平蔓延现象，且沟道顶部烟气最高温度降至20℃，火源附近温度保持在220℃左右。