城市地下综合管廊电缆火灾控制技术研究综述

刘 旭，郭秀娟

（吉林建筑大学电气与计算机学院，吉林 长春 130018）

0 引言

地下综合管廊可以解决“空中蜘蛛网”等大型城镇中常见的市容市貌问题，可以有效节约大量的城市用地，是保障城市正常运行的“地下通道”。西方学者们早在20 世纪就开始对地下综合管廊进行研究，英国建造了理论上的世界第一个城市地下综合管廊，其他国家也继英国之后陆续开始地下综合管廊的建设。

我国的第一条综合管廊始建于20 世纪50 年代，经过半个世纪的发展，我国地下管廊建设也有了一定的成绩。与此同时，我国也相继出台一些政策来鼓励地下综合管廊工程的发展。2013 年，国家出台了《关于加强城市基础设施的意见》，该意见决定在全国多个城市开始启动地下综合管廊试点工程，并且要加快城市管网建设和改造的进程。2015年，国家又出台了《关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见》，该意见指出，要全面推动地下综合管廊建设，逐渐增大道路配建城市地下综合管廊的所占比例，到2020 年要建成一批能够投入使用的国际一流水平的城市地下综合管廊。随着地下综合管廊的快速发展，在管廊中存在的电力设施引起火灾隐患的问题也随之被重视起来。

1 可燃物与起火原因

从目前来看，城市地下综合管廊内部可燃物主要有CH4，H2S 等气体，电缆、电缆管线和光缆包裹物等。其中电缆绝缘外皮是由橡胶和聚氯乙烯或聚乙烯等材料制成，聚氯乙烯的燃点最低。光缆包裹物主要是由塑料外皮，塑料保护管或光导纤维等组成，可燃气体主要是指CH4，CO 等。由于综合管廊内部结构复杂，属于狭长封闭空间，内部环境潮湿，烟尘较多，一旦可燃物燃烧起来，会发生重大火灾，也会伴随大量有毒气体在管廊中聚集，十分危险。

起火原因[1-2]：①若电路长时间工作，电缆外部的绝缘层发生老化或机械外伤的情况，会使其保护功能完全消失。当电路短路时，设备温度也会急剧升高，当温度达到一定数值时会引发火灾。②线路的2 个接头在接触时，会有接触电阻，如果接触电阻过大，就会产生局部过热现象，从而引起火灾。③当缆线的保护层发生自然老化，绝缘效果不理想，可能产生漏电电流，从而形成电弧和火花，引发火灾。

2 综合管廊火灾模拟

火灾研究领域中，FDS（fire dynanics simulator）软件由美国国家技术标准与技术研究所研发。它的模拟可信度较高，适用于研究隧道、管廊等狭长通道的安全问题。FDS 的可视化功能，能够使我们间接观察到火灾情况，使我们更好地了解各类火灾并能有效的进行预防。由质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律建立的方程是FDS 的基本思想。在FDS 动态模拟中，网格的尺寸和数量决定模拟结果的精确度，要想使结果足够精确，必须有足够多的网格数量。本文中网格划分数量为100 万，综合管廊中部火源重点部位的网格尺寸为0.10 m×0.10 m×0.10 m，满足FDS 软件计算火灾的精度要求。

本文主要研究电力电缆所引发的火灾起因、发展过程和控制，因此只需建造1 个宽2.8 m，高3.8 m 的电力舱模型，且综合管廊每200 m 设定1 个防火分区，所以该模型长度设为200 m。舱室两端设宽0.5 m 的电缆桥架，其上敷设110 KV，10 KV 和220 KV 的电缆，依据电力工程设计规范[3-4]，10 KV和110 KV 电缆上下层间隔设定分别为0.2 m，0.35 m，舱室内检修通道都宽1.0 m，电力舱室模型截面图（见图1）。由于电缆是敷设在电缆桥架上，而电缆桥架上的空气是流动的，所以对热电缆火灾的影响极其小，可以在模拟中适当忽略。

图1 电力舱室模型横截面

因为地下综合管廊的电缆是均匀分布的，电缆的用量在各处均等，所以本文将起火点放在电力舱室的中间位置，在下层电缆桥架处，将电缆引燃后，电缆火势向各个方向扩散，能够引燃最多的电缆，这样可研究在最不利情况下电缆舱室火灾的危险性。

FDS 火灾模拟能够较全面的反映电缆火灾的起因和发展全过程，图2 为软件运行界面[5]，根据该实验可得出电力舱室着火分区内电缆火灾的发展状态，如图3 所示。该建模防火分区内的电缆火灾发展共有4 个阶段，分别是初起阶段，发展阶段，充分燃烧阶段及最后的衰减熄灭阶段。t=10 s 时，舱室着火点附近电缆的绝缘层材料逐渐受热并发生高温热解，进入阴燃阶段；t=1 000 s 时，火势逐渐增大，火源向两侧电缆蔓延；t=2 100 s 时，随着电缆的不断燃烧，释放大量热量，热释放速率持续上升；t=2 400 s 时，由于扩大的火势，使得另一侧电缆在达到燃点后也发生燃烧，这时电力舱室的火势达到最大，进入充分燃烧阶段。通过FDS 火灾模拟可知，在3 600 s 火灾模拟时间内，该模型中的电缆燃烧范围较小，火灾蔓延长度约为25 m，远远小于1 个防火分区的长度200 m[6]。

图2 软件运行界面

图3 电缆火灾发展状态

3 电缆火灾场景下消防系统的联动控制流程

如今，计算机技术和网络技术都在飞速发展，消防联动系统也随之向全总线制、智能化、网络化和综合化方向发展。经济发达的国家消防设施建设比较成熟，例如美国在1904 年立法强制设置消防设施，他们在各种场景下制定的消防系统联动控制流程都十分规范、合理、有效。我国在综合管廊内的火灾控制流程的制定虽然起步较晚，但发展迅速，火灾控制流程图在提前应对火灾问题中发挥了巨大作用。针对城市地下综合管廊电力舱室的火灾问题，制定了如图4 的流程图。

火灾发生后：①开启所有的应急照明指示灯和火灾声光警报设备[7]，并使用应急广播提醒在管廊内的所有人员撤离到安全区域；②将所有地下管廊出入口安防设备解除，确保管廊内人员能够顺利逃出；③启动所有灭火系统，同时消防控制中心能够人工操控消防设备[8]；④保证发生火灾区段及相邻区段所有非消防负荷电源断开，且保证消防控制中心能够正常观测所有电气设施的工作状态，并能接收反馈信号；⑤要关闭发生火灾区段及相邻区段的所有防火阀组件和换气设备，为避免地下管廊电力舱室火焰回燃，要等到火焰熄灭后且温度下降到着火点以下，时间到达1 500 s 时，再开启排风机[9-10]，如图5 所示。

图4 综合管廊舱室火灾控制流程图

图5 火源处温度变化图

4 结语

本文对城市地下综合管廊由电力设施引发的火灾进行了分析研究，通过软件模拟得到电缆引发火灾的发展全过程，了解了火灾发生的4 个阶段的参数，并根据实际情况制定了科学的综合管廊火灾控制流程图，地下管廊内不仅有电缆等电气设备，还有给排水管道、燃气管道，一旦发生火灾事故，影响十分广泛，因此进行电缆火灾控制技术方面的研究对综合管廊的前期建设及后期安全运营有着现实意义。