環網柜內部電纜燃燒及火災預控仿真研究*

孔譯輝，高俊國

1.國網延邊供電公司；2. 哈爾濱理工大學 電氣與電子工程學院

隨著現代化進程的推進和城市化的快速發展，開閉所、環網柜、配電亭、箱式變電站分布在城市的各個角落，為企業和居民的電力供應發揮著積極作用。配電設施的穩定運行非常重要，設備隱患一旦轉化為故障，就會影響配電系統的正常運行，對企業和居民的安全用電構成威脅。如果不能及時發現隱患并立即處理，可能會對電氣設備造成不可逆的損壞，同時降低供電的可靠性[1-2]。配電設備生產管理包括防外力破壞、防火、防小動物等，其中，防火是配網生產管理的重點。環網柜是配電網絡的重要組成部分和關鍵節點，環網柜的運行狀態不僅關系到供電系統的可靠性，而且影響供電質量。金琪[3]等為實現環網柜早期放電現象的智能故障報警，設計了一款環網柜內臭氧濃度在線監測裝置，根據高壓下空氣放電產生臭氧的原理，檢測環網柜內臭氧濃度，進而發現環網柜的早期放電現象，在檢測的同時將信號傳輸回調度室，并根據不同的放電現象，設置不同的報警節點。吳敏秀[4]等利用機柜內溫、濕度的變化，采用數字一體化溫、濕度傳感器，設計了一款智能在線監控設備。該設備可實時獲取機柜內環境溫、濕度，如超過閾值將啟動自動報警。劉泊辰[5]等采用對環網柜內所有電纜路的接頭溫度進行監測的方法，建立了一種電纜線路接頭溫度監測和火災報警系統來實現火災預警。胡翔[6]等為完善環網柜火災監測系統，設計了一種基于一二次融合分布式DTU環網柜監測系統，進而應對復雜多變的環境。

隨著配網自動化和計算機技術的快速發展，仿真技術逐漸被應用于環網柜火災預警中。張運雙[7]等基于BP神經網絡模型，實現了環網柜內電纜線路接頭溫度監測與預警功能。徐衛東[8]等為研究在強電磁環境下環網柜的溫度變化，利用Ansoft有限元和MATLAB溫度場仿真軟件對環網柜主要發熱導體進行有限元建模，并驗證了模型的準確性。王寅超[9]等利用COMSOL仿真軟件研究除濕器的安裝位置對環網柜內溫度、濕度變化的影響。同時，計算機模擬能夠克服開閉所、環網柜、箱式變電站等全尺寸試驗存在的成本高、污染高、周期長等缺點，同時精度較高。本文通過 FDS（Fire Dynamics Simulator）仿真軟件建立全尺寸環網柜模型，模擬環網柜內部電纜燃燒，確定電纜間隔內溫度與煙密度變化最快的位置，并根據仿真模擬結果設計火災預警與初步控制系統。

一、環網柜模型的構建

（一）模型簡化與傳感器設置

FDS是美國國家標準學會開發的火災動力學模擬和分析軟件。該軟件能夠充分反映火焰燃燒現象以及燃燒過程中相關物理量的分布和變化[10-11]。其在火災模擬方面的仿真與計算的準確性已被大量的實驗研究所驗證。同時，FDS具有完整的程序架構和強大的數據處理功能，并且已通過各種實驗驗證了其仿真結果的準確性。

本文利用FDS模擬軟件對HXGW型環網柜進行1：1建模。在建模過程中，省略環網柜內外的非必要支撐，只保留一個電纜間隔，忽略環網柜壁面厚度，將壁面設置為材料鋼，保留電纜間隔內的通風口，并設置引燃源，簡化后的環網柜模型如圖1所示。

圖1 簡化后的環網柜模型

為了更準確地找到電纜出現故障時，電纜間隔內溫度與煙密度變化最快的位置，在仿真模型中設置了若干溫度傳感器和煙密度傳感器，電纜間隔內傳感器位置如圖2所示，電纜間隔內傳感器數量如表1所示。

圖2 電纜間隔內傳感器數量

表1 燃燒室內傳感器數量

（二）材料屬性與邊界條件設置

在FDS的場模擬中，需要在Materials與Surfaces模塊中定義與材料屬性和邊界條件相關的參數。其中，材料屬性包括體積密度、比熱容、導熱系數、單位面積熱釋放速率、起燃溫度等。邊界條件包括進出口面設置、引燃源面設置、電纜表面幾何形狀、電纜表面切線邊界條件、護套初始內部溫度等。

上述模型中的線芯材料設置為鋁；電纜絕緣層材料設置為交聯聚乙烯；電纜護套材料設置為聚氯乙烯；肘型電纜終端頭材料設置為硅橡膠；材料的體密度、單位面積熱釋放速率與起燃溫度采用仿真軟件自帶數值；通風口設置為開放；引燃源的供火能量按照電纜阻燃性能檢測標準設置。

由于在FDS中數據的計算域傳遞是通過劃分網格進行的，可以說所有的計算過程都在網格中發生，參與計算的物質將會被轉化為一個個規則的立方體，而本次數值模擬的對象實際上是圓柱體，這就可能使得計算過程在一定程度上失真，但FDS對于此類問題提供了解決的方法，對于軸對稱物體可以將電纜表面幾何形狀設置為“CYLINDRICAL”，對軸對稱物體進行圓柱體計算[12]。

聚乙烯絕緣料在制成電纜后，在加熱后會出現移行性，即出現流動與變形。

為了更接近于實際情況，將電纜表面切線邊界條件（Tangential Boundary Condition）設置為“No Slip”，將聚乙烯設置為有粘流體[13]。

二、仿真模擬結果

在生產實際中，可能由于工藝問題，造成電纜表面電場分布不均勻，出現電場集中的現象，當負荷電流增大時，缺陷處會因電場集中而發熱甚至出現擊穿現象。本次模擬分別對肘型電纜終端頭和應力錐兩個易發生火災的區域進行燃燒模擬。得到了熱釋放速率曲線、溫度曲線和煙密度曲線，并進行分析。

（一）應力錐燃燒模擬

在初始環境溫度為20℃的情況下，對應力錐區域進行60s燃燒模擬，熱釋放速率曲線如圖3所示。在0-38s區間熱釋放速率隨時間上升，之后隨時間下降，但在50s時發生了轟燃現象，50s時熱釋放速率與煙密度模擬圖如圖4所示。通過仿真對比發現，不是距離燃燒點較近的溫度傳感器變化最快，而是電纜正上方的溫度傳感器變化速率最快，因為電纜在燃燒過程中所釋放的熱量在電纜間隔這個相對密閉的空間中向上擴散，熱量在電纜間隔頂部集中，溫度傳感器曲線如圖5所示，22s時達到60℃，32s時達到120℃，50s后溫度上升速度減慢。在模擬過程中，當煙密度傳感器感應到煙時需啟動，顏色由紅色變為綠色，仿真發現，位于電纜間隔頂部正中間位置的煙密度傳感器顏色最先變化，動作最快的煙密度傳感器曲線如圖6所示。

圖6 煙密度傳感器曲線

（二）肘型電纜終端頭燃燒模擬

在初始環境溫度為20℃的情況下，對肘型電纜終端頭區域進行60s燃燒模擬，熱釋放速率曲線如圖7所示，與應力錐燃燒模擬相比，在0-27s間呈穩步上升的趨勢，因火焰向上蔓延無可燃物，且橫向順肘型電纜終端頭蔓延速度較慢，固時間較短，沒有出現明顯的轟燃現象。雖然仿真模擬的燃燒位置發生了變化，但溫度變化速率最快的傳感器位置沒有變，溫度傳感器曲線如圖8所示，溫度上升速率基本無變化，18s時達到60℃，27s時達到120℃，且60s時溫度較應力錐燃燒時高200℃。煙密度傳感器曲線如圖9所示，燃燒位置改變，煙密度反應速度最快的位置相同，且增長速率相似。

圖7 熱釋放速率曲線

圖8 溫度傳感器曲線

圖9 煙密度傳感器曲線

三、結論

本文利用FDS對環網柜內部電纜進行了全尺寸燃燒模擬，與傳統試驗相比可節約資源、保護環境。仿真模擬結果發現：環網柜電纜間隔內不同位置發生燃燒時，電纜頂部的溫度傳感器變化速率最快，并且煙密度傳感器反應速度最快；當電纜應力錐部位發生燃燒時，如不及時采取措施，電纜間隔內會出現轟燃現象，在制作電纜終端頭時，應多加注意該位置的工藝精度。