防火隔熱電力光纜槽盒模擬仿真研究

沈雨生，荀思超，徐 榮，徐興永

（國(guó)網(wǎng)鹽城供電公司，江蘇鹽城224000）

電力系統(tǒng)的火災(zāi)較難避免，而火災(zāi)之中對(duì)各種管線的破壞過(guò)程，特別是燒蝕作用對(duì)電纜光纜的絕緣層保護(hù)層的損壞，將會(huì)給電力系統(tǒng)的維修恢復(fù)工作帶來(lái)巨大的壓力[1]。所以，如何在常規(guī)火災(zāi)中避免500℃～800℃的高溫對(duì)電力管線及光纜管線的燒蝕作用，成為電力系統(tǒng)部署過(guò)程中必須考慮的問(wèn)題。當(dāng)前技術(shù)條件下，使用防火隔熱板材構(gòu)建防火槽盒，讓500℃～800℃火焰直燃環(huán)境下光纜槽盒內(nèi)的光纜及電纜設(shè)備不至于受到足以融化或引燃其絕緣保護(hù)材料層的燃燒影響，是當(dāng)前電力系統(tǒng)防火系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要技術(shù)實(shí)現(xiàn)方向[2]。

在早期防火槽盒的設(shè)計(jì)中，多孔材料和陶瓷材料成為防火槽盒的重要實(shí)現(xiàn)方式[3]。近20年來(lái)，因?yàn)楹娇占夹g(shù)的民用轉(zhuǎn)化，燃燒蒸發(fā)材料在電力防火槽盒設(shè)計(jì)中用途越來(lái)越廣泛。而且，槽盒本身的復(fù)合材料設(shè)計(jì)，也讓電力防火槽盒可以承受更長(zhǎng)時(shí)間的燒蝕過(guò)程。當(dāng)前條件下，一般電力防火槽盒分為至少三層設(shè)計(jì)，內(nèi)層為多孔復(fù)合材料，中層為陶瓷防火材料，外層為燃燒蒸發(fā)材料[4]。外層材料可以在燃燒初期的180s～240s內(nèi)，提供充分的自燃燒蒸發(fā)散熱過(guò)程，此過(guò)程中可以確保蒸發(fā)層內(nèi)部溫度低于100℃，而在燃燒蒸發(fā)層完全耗散后，陶瓷材料和多孔材料可以提供更長(zhǎng)時(shí)間的抗燃作用，基本可以確保在20min之內(nèi)的高溫?zé)g過(guò)程中，槽盒內(nèi)部溫度控制在150℃以?xún)?nèi)，確保電纜及光纜的絕緣保護(hù)層得到有效保護(hù)[5]。

在對(duì)相關(guān)材料的研究過(guò)程中，采用基于CAE的有限元分析法，可以讓相關(guān)研究結(jié)果更貼近真實(shí)燃燒過(guò)程[6]。

1 防火隔熱環(huán)境的設(shè)定與研究目標(biāo)

一般電力機(jī)房的燃燒材料，多為電弧激發(fā)的機(jī)房易燃材料燃燒，燃燒材料多為烴類(lèi)聚合物的空氣激發(fā)燃燒過(guò)程。該過(guò)程中，電弧溫度多為1200℃～1800℃，但一般持續(xù)時(shí)間在10s以?xún)?nèi)（因保護(hù)系統(tǒng)跳閘而停止電弧作用），而烴類(lèi)聚合物燃燒溫度多為500℃～800℃，在防火消防系統(tǒng)有效動(dòng)作的前提下，其燃燒過(guò)程一般持續(xù)時(shí)間在20min以?xún)?nèi)，絕大部分燃燒過(guò)程中不會(huì)超過(guò)10min。所以，在實(shí)際對(duì)光纜槽盒進(jìn)行燃燒環(huán)境設(shè)定中，按照800℃、20min燃燒燒蝕過(guò)程進(jìn)行設(shè)定，可以抵御大部分燃燒過(guò)程的燒蝕作用。

常規(guī)未阻燃材料的電纜及光纜的PVC保護(hù)層的燃點(diǎn)為256℃，熔點(diǎn)高于燃點(diǎn)。其他材料的熔點(diǎn)、燃點(diǎn)均遠(yuǎn)高于該溫度。按照40%的冗余度保護(hù)策略，防火隔熱槽盒的保護(hù)作用下，應(yīng)確保槽盒內(nèi)溫度在800℃、20min燃燒燒蝕環(huán)境下，內(nèi)部溫度不應(yīng)高于153.6℃，本文將150℃設(shè)定為控制點(diǎn)，研究一種在800℃、20min燃燒燒蝕環(huán)境下確保內(nèi)部溫度始終低于150℃防火隔熱槽盒的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

受到安裝條件設(shè)計(jì)，槽盒壁厚應(yīng)小于12mm，槽盒內(nèi)部空間應(yīng)大于300mm×180mm，如圖1所示。

圖1 光纜槽盒基本架構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Schematic diagram of basic structure design of optical cable trough box

2 仿真模擬比較方案設(shè)計(jì)

2.1 陶瓷材料與多孔材料的占比設(shè)計(jì)

設(shè)光纜槽盒壁厚為12mm，內(nèi)外封裝層厚度均為1mm，那么金屬多孔層厚度L1與陶瓷致密層厚度L2之間存在L1+L2=10mm ，設(shè)定 δ=L2/(L1+ L2)，研究變量δ的實(shí)際值與隔熱材料之間的關(guān)系，可以得到不同光纜槽盒壁結(jié)構(gòu)條件下的隔熱性能。詳見(jiàn)圖2。

圖2 光纜槽盒結(jié)構(gòu)板結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of structural board of optical cable trough box

圖2 中，金屬多孔層設(shè)計(jì)為鋁鈦鎳合金多孔材料，孔隙比為0.84，最大孔徑為0.4mm，采用高溫離心發(fā)泡工藝制成金屬多孔層軋板，陶瓷致密層采用合成陶土高溫全瓷化陶瓷板，陶土成份為Al2AiO5陶土，瓷化溫度為2200℃，屬于高溫高瓷化高密度陶瓷板。金屬多孔層比重為0.32，陶瓷致密層比重為3.68。

2.2 內(nèi)外封裝層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

內(nèi)封裝層一般采用沸點(diǎn)低于150℃的二甲苯環(huán)己烷溶劑的有機(jī)涂料進(jìn)行涂刷，當(dāng)溫度超過(guò)其沸點(diǎn)時(shí)，部分溶劑氣化并保持電纜槽內(nèi)氣壓略高于外部氣壓，防止外部高溫氣體融化密封墊層后涌入電纜槽內(nèi)。本文研究在實(shí)際考察該環(huán)境時(shí)，并不給予內(nèi)部封裝層的相關(guān)仿真研究，故此處不展開(kāi)討論。

外部封裝層有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一種是采用反射式外部材料層，一般采用高反射鎳鋁合金涂層，可以反射大部分紅外線、可見(jiàn)光和紫外線，確保隔熱層溫度在外部封裝層完全燒蝕之前隔熱層不會(huì)受到直接燒蝕。一種采用蒸發(fā)式外部材料層，一般采用Si2O4或Si02材料配合易氣化溶劑（如HAWS或LAWS等溶劑材料）使其在200℃左右的外部環(huán)境中快速氣化并吸收大量熱量。其中HAWS沸點(diǎn)在151℃～193℃，LAWS沸點(diǎn)在151℃～196℃，實(shí)際環(huán)境中，受到其表面反射率影響，該涂層的氣化點(diǎn)將高于該值20%～30%。

下文仿真測(cè)試中，將上述兩種外部封裝層的實(shí)際隔熱效果進(jìn)行單獨(dú)分析。

3 隔熱層的實(shí)際隔熱效果

3.1 不考慮外部涂層影響下的隔熱效果分析

使用CAE對(duì)不同δ值下800℃下盒壁材質(zhì)內(nèi)的溫度分布曲線及其內(nèi)部溫度變化關(guān)系進(jìn)行分析，可以首先得到圖3。

圖3 盒壁材質(zhì)內(nèi)溫度分布曲線仿真模擬圖Fig.3 Simulation diagram of temperature distribution curve in box wall material

圖3 中，在致密陶瓷材料L2區(qū)域，靠近高溫區(qū)部分出現(xiàn)急劇下降沿，但隨著該區(qū)域的深度加大，其溫度下降沿速率顯著降低，而在金屬多孔層L1區(qū)域，靠近高溫區(qū)域的溫度下降較為遲緩，但隨著深度加大，其下降沿逐漸陡峭。所以，當(dāng)L1區(qū)域減小，L2區(qū)域加大時(shí)，該復(fù)合材料的溫度隔熱效果明顯增強(qiáng)，所以，當(dāng)時(shí)δ=0.45時(shí)，同樣在表面溫度達(dá)到800℃時(shí)，內(nèi)部區(qū)域的溫度達(dá)到155℃，而當(dāng)δ=0.75時(shí)，該條件下內(nèi)部區(qū)域的溫度只能控制在212℃。鑒于此規(guī)律，對(duì)不同δ值下內(nèi)外度溫度進(jìn)行加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同δ值盒壁內(nèi)側(cè)溫度分布仿真模擬結(jié)果Table 1 Simulation results of temperature distribution inside box wall with different values

表1中，當(dāng)δ=0.25時(shí)，該材料的隔熱性能達(dá)到最佳，此時(shí)，L2過(guò)程前沿和L1過(guò)程后沿的陡峭降溫過(guò)程均可以達(dá)到最大利用，當(dāng)δ＜0.25時(shí)，因?yàn)長(zhǎng)2過(guò)程前沿的陡峭降溫效應(yīng)不能得到充分發(fā)揮，且該降溫效率遠(yuǎn)大于L1過(guò)程后沿的降溫效率，所以此時(shí)隨著值減小，其隔熱效果反而不能充分發(fā)揮。

同時(shí)，通過(guò)該測(cè)試條件，可以發(fā)現(xiàn)在不適用外部涂層對(duì)內(nèi)部溫度進(jìn)行有效控制時(shí)，條件下已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)800℃、20min燒蝕條件的內(nèi)部溫度控制在150℃以?xún)?nèi)的隔熱控制目標(biāo)。

3.2 外部涂層對(duì)隔熱效果的影響分析

本文計(jì)劃對(duì)比兩種隔熱外部封裝層與無(wú)隔熱外部封裝層條件下的盒壁材料隔熱效果。兩種隔熱層的隔熱原理和材料構(gòu)成前文已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)分析。通過(guò)燒蝕實(shí)驗(yàn)，800℃穩(wěn)定燒蝕條件下，反射式隔熱層的抗燒蝕時(shí)間在160s～280s即2.7min～4.7min；蒸發(fā)式隔熱層抗燒蝕時(shí)間在180s～240s即3.0min～4.0min，對(duì)兩種外部封裝隔熱層實(shí)現(xiàn)模式與不適用外部封裝隔熱層的實(shí)現(xiàn)模式的抗燒蝕條件進(jìn)行仿真分析，可得表2結(jié)果。

表2 不同外部封裝條件盒壁內(nèi)側(cè)溫度分布仿真模擬結(jié)果(δ=0.25)Table 2 Simulation results of temperature distribution inside the box wall under different external packaging conditions

表2中，在δ=0.25條件下，800℃、20min的燒蝕條件，無(wú)封裝層支持的內(nèi)部溫度可控制在136℃，而兩種封裝模式均可以使該條件下的內(nèi)部溫度顯著下降，而反射式外部封裝可將內(nèi)部溫度控制在118℃，蒸發(fā)式外部封裝可將內(nèi)部溫度控制在107℃。蒸發(fā)式外部封裝模式的抗燒蝕效果更佳。

在本次試驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)室按照室溫20℃、濕度40%進(jìn)行環(huán)境控制，而在800℃、5min燒蝕條件下，兩種外部封裝模式的內(nèi)部溫度控制均接近室溫，可見(jiàn)室溫對(duì)實(shí)際燃燒隔熱效果影響較大。當(dāng)室溫上升時(shí)，該外部隔熱條件下的內(nèi)部溫度控制結(jié)果會(huì)顯著削弱并使800℃、5min燒蝕條件下的內(nèi)部溫度上升，進(jìn)而影響到最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果。而部分室溫控制條件較差的電力機(jī)房?jī)?nèi)，室溫可能超過(guò)30℃，所以為進(jìn)一步確認(rèn)較嚴(yán)苛室溫條件下的蒸發(fā)式外部封裝隔熱材料配合δ=0.25隔熱負(fù)荷材料的實(shí)際效果，對(duì)不同室溫下該隔熱模式的抗燒蝕效果進(jìn)行進(jìn)一步加強(qiáng)仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表3。

表3 不同室溫下蒸發(fā)式外部封裝條件盒壁內(nèi)側(cè)溫度分布仿真模擬結(jié)果δ=0.25Table 3 Simulation results of temperature distribution inside the box wall under different room temperature conditions

表3中，不同室溫條件下，800℃、5min燒蝕條件下光纜槽盒內(nèi)部溫度變化較為劇烈，但較室溫提升幅度均在2℃～5℃，隨著室溫升高，其5min溫度上升速度加快，主要原因是高室溫條件下蒸發(fā)式涂層本身活躍度提升，穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致其本身的耐燒蝕性能下降。但當(dāng)該蒸發(fā)式封裝涂層燒蝕完畢后，后續(xù)室溫對(duì)實(shí)際光纜槽盒內(nèi)部溫度控制結(jié)果的影響并不顯著，最終控制效果均可實(shí)現(xiàn)在120℃以?xún)?nèi)，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)目標(biāo)的150℃。

4 防火隔熱光纜槽盒的技術(shù)展望及討論

4.1 防火隔熱光纜槽盒的技術(shù)局限

本文設(shè)計(jì)中，光纜槽盒壁的厚度控制在12mm，其中包含外部蒸發(fā)式防火隔熱涂層1mm，但此厚度相比較普通光纜槽盒壁的3mm～5mm更加笨重。即在可以單方面增加光纜槽盒壁厚度的條件下可以有效優(yōu)化光纜槽盒壁的隔熱性能，但勢(shì)必犧牲其厚度性能，使光纜槽盒壁過(guò)厚而影響現(xiàn)場(chǎng)的空間利用率。

經(jīng)過(guò)本文優(yōu)化，該光纜槽盒壁的實(shí)際構(gòu)造如圖4所示。

圖4 防火隔熱槽盒壁最終優(yōu)化構(gòu)型圖Fig.4 The final optimized configuration of the box wall of fire and heat insulation tank

該設(shè)計(jì)思路下，該材料的綜合比重為1.19，即12mm條件下每平米重量為14.2kg，在圖1構(gòu)型下，每米槽盒自重為14.65kg，該自重可滿足一般吊裝及側(cè)裝緊固件的承重能力。但相比較厚度1.5mm的比重7.75的同等內(nèi)部空間非隔熱不銹鋼材料槽盒來(lái)講，其每米自重為11.4kg。后者較本文方案在自重方面有顯著優(yōu)勢(shì)。且在相同燒蝕條件下，非隔熱電力光纜槽盒可以通過(guò)內(nèi)部及外部充氮、局部重點(diǎn)淋水等方式進(jìn)行充分降溫。也可在一定程度上降低槽盒內(nèi)部溫度。所以在實(shí)際工程部署過(guò)程中，使用何種電纜光纜槽盒也是工程設(shè)計(jì)中的討論重點(diǎn)。

但是，本文研究方案有其充分優(yōu)勢(shì)，即在同樣進(jìn)行內(nèi)部外部充氮及加強(qiáng)淋水降溫的輔助防火條件下，使用防火隔熱槽盒會(huì)有效降低對(duì)輔助防火設(shè)施的部署密度，降低其部署成本。使用本文研究防火槽盒進(jìn)行防火管理固然會(huì)增加初期投入量，在一定程度上影響空間利用率，但因?yàn)榇蠓葴p少了輔助降溫防火設(shè)施，在初期投入量和空間利用率方面本文方案反而占有優(yōu)勢(shì)。即如果在初期設(shè)計(jì)方案討論中全面考慮所有因素，且以火災(zāi)發(fā)生時(shí)不破壞槽盒內(nèi)電纜光纜設(shè)施作為設(shè)計(jì)前提，本文槽盒方案優(yōu)勢(shì)顯著。

4.2 防火隔熱電力光纜槽盒的技術(shù)整合

根據(jù)前文分析，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，不單純使用防火槽盒進(jìn)行防火，而是在槽盒內(nèi)部充氮保護(hù)、槽盒附近及全火場(chǎng)的噴砂噴淋及惰性氣體沖入滅火等諸多防火設(shè)施進(jìn)行全面防火控制。單純?cè)诠饫|槽盒中進(jìn)行充氮降溫等技術(shù)過(guò)程，就可以極大程度地控制槽盒內(nèi)的溫度。可以使其短時(shí)間內(nèi)無(wú)法將溫度燒蝕至室溫以上。

當(dāng)前，大部分防火技術(shù)來(lái)自航空航天技術(shù)的民用轉(zhuǎn)化，包括致密陶瓷隔熱層、多孔金屬隔熱層、蒸發(fā)式隔熱涂層、反射式隔熱涂層、充氮冷卻技術(shù)等，均來(lái)自此轉(zhuǎn)化領(lǐng)域。以較早實(shí)現(xiàn)民用轉(zhuǎn)化的反射式隔熱涂層和充氮冷卻技術(shù)為例，這些技術(shù)在轉(zhuǎn)化初期受到產(chǎn)量制約，技術(shù)附加值較高，應(yīng)用單價(jià)較高，難以得到有效推廣。但該技術(shù)在國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)化愈30年來(lái)，前者已經(jīng)廣泛應(yīng)用于民用建筑日光隔熱領(lǐng)域，后者已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)降溫領(lǐng)域。其他技術(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化均不超過(guò)10年，此時(shí)正處于單價(jià)適度降低且民用范圍日趨廣泛的技術(shù)發(fā)展階段。不久的將來(lái)，這些技術(shù)隨著應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，相關(guān)材料產(chǎn)能得到進(jìn)一步釋放，其實(shí)際應(yīng)用成本會(huì)繼續(xù)降低。該方案在不久的將來(lái)會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

5 總結(jié)

通過(guò)基于CAE的模擬分析，本文確定了使用2.5mm厚度的致密陶瓷隔熱層復(fù)合7.5mm厚度的多孔金屬隔熱層作為核心隔熱設(shè)備，在設(shè)備的防火面布置1mm厚度的蒸發(fā)式防火隔熱材料，在火災(zāi)初期提供3min～4min的燒蝕蒸發(fā)隔熱條件。經(jīng)過(guò)仿真分析，該材料可在800℃、20min穩(wěn)定燒蝕條件下確保內(nèi)部溫度始終低于130℃，遠(yuǎn)低于無(wú)阻燃特性電纜光纜保護(hù)層絕緣層材料的256℃防火耐熱需求。同時(shí)，結(jié)合槽盒內(nèi)充氮降溫技術(shù)和防火重點(diǎn)噴淋降溫技術(shù)，可以將該槽盒防火性能更加充分發(fā)揮。通過(guò)討論，本文方案使用的材料及技術(shù)，多為航空航天技術(shù)的民用轉(zhuǎn)化技術(shù)，當(dāng)前部分相關(guān)技術(shù)仍有較高的技術(shù)附加值和較高的應(yīng)用單價(jià)，但展望在不久的將來(lái)，相關(guān)技術(shù)因?yàn)楫a(chǎn)能充分釋放，其應(yīng)用價(jià)格會(huì)逐漸降低。