电气仿真工程师关于巴黎圣母院火灾原因的仿真分析
电气仿真工程师关于巴黎圣母院火灾原因的仿真分析
2019年4月15日下午6点50分，法国的巴黎圣母院惨遭火灾，人类的一大瑰宝，灰飞烟灭，整个世界为之震惊，让人们有开始重视了火灾的隐患，尤其是博物馆等文物场所的火灾预防。
北京科技大学通过计算流体力学CFD模拟手段再现了巴黎圣母院的火灾蔓延过程，为火灾事故原因调查提供了初步的参考。
另外刘笑天老师从结构的角度模拟了，巴黎圣母院塔尖四棱锥模型的倒塌原因，主要是局部受热，支撑梁弯曲，材料性能变弱，导致其应力不均衡，从而带动整个结构，发生刚度崩溃，最终向一个方向倒塌的结果
纵观过去的大火记录，其原因除了人为纵火之外，剩下的大部分都是电路的短路引起的，那么电线短路到底有多大的危害，我们为什么要采用安全的电线，我们电气仿真工程师从仿真的角度为大家来解释一下电线发生短路的温度变化情况。
我们定性的分析一下电气设备发生故障，电气设备发生短路之后的危害，从用三个方面来分析电线发热的危害
0.用电设备正常使用，电流在额定电流以内导致电线温度变化情况
1. 用电设备长时间工作，导致电线逐渐发热产生火灾(如电热水壶，电吹风机等时间使用的线路)
2. 用电设备瞬间短路，导致用电设备和电线瞬间燃烧，产生火灾（常规线路发生短路）
首先我们建立导线的模型和用电设备的模型
由于发生火灾的时间是下午的6点50分，从欧洲人的传统来看，这个时间段应该是大家休息的时间，不太应该是工作人员使用的大功率的用电设备导致的火灾，应该是照明一类的灯泡或者监控，插线板等等小功率的设备，而且该设备没有没有人监管，不然火灾也会及时的被发现熄灭。
不管什么设备，我们假定用电设备的合计功率为1100W，由于法国的电压标准为220V，所以用电设备通过电流应该为5A，根据如下的导线载流量的表格可以知道，其电线的标称横截面为1.5mm2，就此我们建立标准的模型，结果如下所示
模型的横截面如图所示，两相导线为火线和零线，外侧为PVC绝缘材料，在材料属性中输入相应的属性，建立导线铜和PVC材料，需要密度、比热、导热系数、电阻率等几项参数，如图所示
在模型分析时，我们不考虑用电设备对电线的热传导影响，因此接触面设置很小的热传导系数，相当于绝热，而电线采用常规水平散热条件，由于电线放在木质地面上，假定地面没有散热，如图所示
鉴于以上的设置，我们采用瞬态分析方法，给定相应的电压和电流，进行如下三次结果的分析
1.用电设备正常使用
在此，我们假定用电设备的电阻较大，额定电压为220V，相应的设备正常使用的电流为5A，则经过电热耦合的瞬态计算，我们获取相应电线温度分布情况，达到稳态时间，如图所示
经过计算我们可以发现横截面为1.5mm2的导线在5A的电流情况下，电线整体温度在半小时左右达到稳定状态，其温度值约为40度（环境温度22度，以下相同），该温度在合理范围之内，且不会引发火灾等重大灾害，故载流量有一定的使用余量.正常使用没有发热相关的问题。
2.用电设备超负荷使用
用电设备超负荷使用，是指设备的故障或者用电设备电流过大，导致电线的载流量不满足要求，大功率设备使用小截面的电线
本次分析采用的电线截面为1.5mm2，最大载流量为20A，我们假定设备超负荷运行，电流达到了25A,则通过瞬态分析我们获取温度结果如图所示
通过计算，我们发现电线在超负荷运行时，1200s时达到稳定状态的温度已经达到265度，这个温度很显然已经严重超标，导致外侧 绝缘发生了燃烧，而且导线在超载情况下不到1分钟即达到了100度，已经严重危险，这就是为什么烧水壶、吹风机等用电设备在使用劣质插座的时候，插座电线在使用一会之后开始冒烟燃烧，所以如果有装修的家庭或买插座等用电设备的，一定要注意电线截面，宁可多花一倍的钱也不要有发生火灾的 隐患。
3.用电设备发生短路
当用电设备发生短路的时候，则电流瞬间达到很大值，本次我们假定电压为220V，用电设备的导线为10m长，横截面为1.5mm2，则电线的电阻为1.71e-8*10m/1.5mm2=0.114Ω，则相应的短路电流为220V/0.114Ω=1929A，实际情况由于线路长度和电感的影响导致结果有所不同，我们假定电流为1920A，瞬态分析之后我们查看结果
通过结果，我们可以看到，当小截面的电线承载短路电流的时候，铜线几乎在0.1s左右就达到铜的熔点，导致导线融化，引发外侧绝缘材料的燃烧，当然在实际情况下，由于短路的发生，会触发上级电路的断路器，导致电路瞬间被切断，从而保护用电设备和防止发生火灾
本次分析通过ANSYS Workbench的热电耦合分析模块，更改为瞬态分析，获取随时间变化 情况下，电线发热导致的问题。通过以上分析可以初步得知，巴黎圣母院的木质结构导致其易燃性，另外铺在地上的导线发生短路或超负荷运行或者线路老化导致线路的有效载流面积减小从而发热严重，引发导线燃烧，再引起周围木质结构等易燃品的燃烧，最终导致了悲剧的发生。
作者：范文哲（fwz0703@163.com，公众号：CAE_ANSYS）
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