孔譯輝，高俊國(guó)

1.國(guó)網(wǎng)延邊供電公司；2. 哈爾濱理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院

隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)和城市化的快速發(fā)展，開(kāi)閉所、環(huán)網(wǎng)柜、配電亭、箱式變電站分布在城市的各個(gè)角落，為企業(yè)和居民的電力供應(yīng)發(fā)揮著積極作用。配電設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行非常重要，設(shè)備隱患一旦轉(zhuǎn)化為故障，就會(huì)影響配電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，對(duì)企業(yè)和居民的安全用電構(gòu)成威脅。如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患并立即處理，可能會(huì)對(duì)電氣設(shè)備造成不可逆的損壞，同時(shí)降低供電的可靠性[1-2]。配電設(shè)備生產(chǎn)管理包括防外力破壞、防火、防小動(dòng)物等，其中，防火是配網(wǎng)生產(chǎn)管理的重點(diǎn)。環(huán)網(wǎng)柜是配電網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，環(huán)網(wǎng)柜的運(yùn)行狀態(tài)不僅關(guān)系到供電系統(tǒng)的可靠性，而且影響供電質(zhì)量。金琪[3]等為實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜早期放電現(xiàn)象的智能故障報(bào)警，設(shè)計(jì)了一款環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)臭氧濃度在線監(jiān)測(cè)裝置，根據(jù)高壓下空氣放電產(chǎn)生臭氧的原理，檢測(cè)環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)臭氧濃度，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜的早期放電現(xiàn)象，在檢測(cè)的同時(shí)將信號(hào)傳輸回調(diào)度室，并根據(jù)不同的放電現(xiàn)象，設(shè)置不同的報(bào)警節(jié)點(diǎn)。吳敏秀[4]等利用機(jī)柜內(nèi)溫、濕度的變化，采用數(shù)字一體化溫、濕度傳感器，設(shè)計(jì)了一款智能在線監(jiān)控設(shè)備。該設(shè)備可實(shí)時(shí)獲取機(jī)柜內(nèi)環(huán)境溫、濕度，如超過(guò)閾值將啟動(dòng)自動(dòng)報(bào)警。劉泊辰[5]等采用對(duì)環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)所有電纜路的接頭溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法，建立了一種電纜線路接頭溫度監(jiān)測(cè)和火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警。胡翔[6]等為完善環(huán)網(wǎng)柜火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種基于一二次融合分布式DTU環(huán)網(wǎng)柜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)而應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的環(huán)境。

隨著配網(wǎng)自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，仿真技術(shù)逐漸被應(yīng)用于環(huán)網(wǎng)柜火災(zāi)預(yù)警中。張運(yùn)雙[7]等基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)了環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)電纜線路接頭溫度監(jiān)測(cè)與預(yù)警功能。徐衛(wèi)東[8]等為研究在強(qiáng)電磁環(huán)境下環(huán)網(wǎng)柜的溫度變化，利用Ansoft有限元和MATLAB溫度場(chǎng)仿真軟件對(duì)環(huán)網(wǎng)柜主要發(fā)熱導(dǎo)體進(jìn)行有限元建模，并驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)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(duì)環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)溫度、濕度變化的影響。同時(shí)，計(jì)算機(jī)模擬能夠克服開(kāi)閉所、環(huán)網(wǎng)柜、箱式變電站等全尺寸試驗(yàn)存在的成本高、污染高、周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，同時(shí)精度較高。本文通過(guò) FDS（Fire Dynamics Simulator）仿真軟件建立全尺寸環(huán)網(wǎng)柜模型，模擬環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部電纜燃燒，確定電纜間隔內(nèi)溫度與煙密度變化最快的位置，并根據(jù)仿真模擬結(jié)果設(shè)計(jì)火災(zāi)預(yù)警與初步控制系統(tǒng)。

一、環(huán)網(wǎng)柜模型的構(gòu)建

（一）模型簡(jiǎn)化與傳感器設(shè)置

FDS是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)開(kāi)發(fā)的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬和分析軟件。該軟件能夠充分反映火焰燃燒現(xiàn)象以及燃燒過(guò)程中相關(guān)物理量的分布和變化[10-11]。其在火災(zāi)模擬方面的仿真與計(jì)算的準(zhǔn)確性已被大量的實(shí)驗(yàn)研究所驗(yàn)證。同時(shí)，F(xiàn)DS具有完整的程序架構(gòu)和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，并且已通過(guò)各種實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本文利用FDS模擬軟件對(duì)HXGW型環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)行1：1建模。在建模過(guò)程中，省略環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)外的非必要支撐，只保留一個(gè)電纜間隔，忽略環(huán)網(wǎng)柜壁面厚度，將壁面設(shè)置為材料鋼，保留電纜間隔內(nèi)的通風(fēng)口，并設(shè)置引燃源，簡(jiǎn)化后的環(huán)網(wǎng)柜模型如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)化后的環(huán)網(wǎng)柜模型

為了更準(zhǔn)確地找到電纜出現(xiàn)故障時(shí)，電纜間隔內(nèi)溫度與煙密度變化最快的位置，在仿真模型中設(shè)置了若干溫度傳感器和煙密度傳感器，電纜間隔內(nèi)傳感器位置如圖2所示，電纜間隔內(nèi)傳感器數(shù)量如表1所示。

圖2 電纜間隔內(nèi)傳感器數(shù)量

表1 燃燒室內(nèi)傳感器數(shù)量

（二）材料屬性與邊界條件設(shè)置

在FDS的場(chǎng)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(guān)的參數(shù)。其中，材料屬性包括體積密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、單位面積熱釋放速率、起燃溫度等。邊界條件包括進(jìn)出口面設(shè)置、引燃源面設(shè)置、電纜表面幾何形狀、電纜表面切線邊界條件、護(hù)套初始內(nèi)部溫度等。

上述模型中的線芯材料設(shè)置為鋁；電纜絕緣層材料設(shè)置為交聯(lián)聚乙烯；電纜護(hù)套材料設(shè)置為聚氯乙烯；肘型電纜終端頭材料設(shè)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(shù)值；通風(fēng)口設(shè)置為開(kāi)放；引燃源的供火能量按照電纜阻燃性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。

由于在FDS中數(shù)據(jù)的計(jì)算域傳遞是通過(guò)劃分網(wǎng)格進(jìn)行的，可以說(shuō)所有的計(jì)算過(guò)程都在網(wǎng)格中發(fā)生，參與計(jì)算的物質(zhì)將會(huì)被轉(zhuǎn)化為一個(gè)個(gè)規(guī)則的立方體，而本次數(shù)值模擬的對(duì)象實(shí)際上是圓柱體，這就可能使得計(jì)算過(guò)程在一定程度上失真，但FDS對(duì)于此類(lèi)問(wèn)題提供了解決的方法，對(duì)于軸對(duì)稱(chēng)物體可以將電纜表面幾何形狀設(shè)置為“CYLINDRICAL”，對(duì)軸對(duì)稱(chēng)物體進(jìn)行圓柱體計(jì)算[12]。

聚乙烯絕緣料在制成電纜后，在加熱后會(huì)出現(xiàn)移行性，即出現(xiàn)流動(dòng)與變形。

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

二、仿真模擬結(jié)果

在生產(chǎn)實(shí)際中，可能由于工藝問(wèn)題，造成電纜表面電場(chǎng)分布不均勻，出現(xiàn)電場(chǎng)集中的現(xiàn)象，當(dāng)負(fù)荷電流增大時(shí)，缺陷處會(huì)因電場(chǎng)集中而發(fā)熱甚至出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。本次模擬分別對(duì)肘型電纜終端頭和應(yīng)力錐兩個(gè)易發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域進(jìn)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(jìn)行分析。

（一）應(yīng)力錐燃燒模擬

在初始環(huán)境溫度為20℃的情況下，對(duì)應(yīng)力錐區(qū)域進(jìn)行60s燃燒模擬，熱釋放速率曲線如圖3所示。在0-38s區(qū)間熱釋放速率隨時(shí)間上升，之后隨時(shí)間下降，但在50s時(shí)發(fā)生了轟燃現(xiàn)象，50s時(shí)熱釋放速率與煙密度模擬圖如圖4所示。通過(guò)仿真對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不是距離燃燒點(diǎn)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?yàn)殡娎|在燃燒過(guò)程中所釋放的熱量在電纜間隔這個(gè)相對(duì)密閉的空間中向上擴(kuò)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(shí)達(dá)到60℃，32s時(shí)達(dá)到120℃，50s后溫度上升速度減慢。在模擬過(guò)程中，當(dāng)煙密度傳感器感應(yīng)到煙時(shí)需啟動(dòng)，顏色由紅色變?yōu)榫G色，仿真發(fā)現(xiàn)，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(dòng)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(huán)境溫度為20℃的情況下，對(duì)肘型電纜終端頭區(qū)域進(jìn)行60s燃燒模擬，熱釋放速率曲線如圖7所示，與應(yīng)力錐燃燒模擬相比，在0-27s間呈穩(wěn)步上升的趨勢(shì)，因火焰向上蔓延無(wú)可燃物，且橫向順肘型電纜終端頭蔓延速度較慢，固時(shí)間較短，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的轟燃現(xiàn)象。雖然仿真模擬的燃燒位置發(fā)生了變化，但溫度變化速率最快的傳感器位置沒(méi)有變，溫度傳感器曲線如圖8所示，溫度上升速率基本無(wú)變化，18s時(shí)達(dá)到60℃，27s時(shí)達(dá)到120℃，且60s時(shí)溫度較應(yīng)力錐燃燒時(shí)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(yīng)速度最快的位置相同，且增長(zhǎng)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(jié)論

本文利用FDS對(duì)環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部電纜進(jìn)行了全尺寸燃燒模擬，與傳統(tǒng)試驗(yàn)相比可節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境。仿真模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)：環(huán)網(wǎng)柜電纜間隔內(nèi)不同位置發(fā)生燃燒時(shí)，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(yīng)速度最快；當(dāng)電纜應(yīng)力錐部位發(fā)生燃燒時(shí)，如不及時(shí)采取措施，電纜間隔內(nèi)會(huì)出現(xiàn)轟燃現(xiàn)象，在制作電纜終端頭時(shí)，應(yīng)多加注意該位置的工藝精度。