浅析隧道内高压电力电缆的阻燃性能

浅析隧道内高压电力电缆的阻燃性能

时下，地下电缆的敷设主要采取的型式是直埋、排管、电缆沟以及电力隧道等方式。电力电缆隧道因为其线路输送能力强，占地面积少，空间利用率较高，将逐渐成为以后城市电网发展中高压电力电缆的主要输送通道。

可是，因为隧道空间大，电缆线路布置集中，潜在火源较多，隧道内一旦发生火情，影响范围广，容易造成大面积停电。尤其是敷设有多回220kV及以上电缆的隧道，发生火灾时甚至可能危及整个电网的安全稳定运行。

从统计情况来看，电缆火灾发生在110kV及以上电缆较少，而发生在35 kV及以下的电缆较多；由电缆自身原因引起的火灾少，而由外部原因导致的火灾多。

由于电缆绝缘材料均为纸或塑料制造，隧道内电缆发生火灾时烟雾大、温度高，并伴有有毒气体产生，影响人体健康甚至可能造成人员伤亡；火灾容易沿隧道蔓延，给灭火造成困难；隧道出入口少，隧道两壁敷设电缆，中间通道狭窄，发生火灾后，给灭火人员带来不便；高压电缆密集布置在隧道内，发生火灾如不切断所有电缆电源，消防人员有触电危险。

1 电力电缆类型及特点

电力电缆的使用至今已有百余年历史，其按绝缘材料可分为油浸纸绝缘电力电缆、塑料绝缘电力电缆、橡皮绝缘电力电缆；按电压等级可分为中、低压电力电缆(35 kV及以下)、高压电缆(110kV以上)、超高压电缆(275～800 kV)以及特高压电缆(1000kV及以上)。

油浸纸绝缘电力电缆以油浸纸作绝缘，应用历史最长，安全可靠，使用寿命长，价格低廉。主要缺点是敷设受落差限制。自从开发出不滴流浸纸绝缘后，解决了落差限制问题，使油浸纸绝缘电缆得以继续广泛应用。

塑料绝缘电力电缆的绝缘层为挤压塑料。常用的塑料有聚氯乙烯、聚乙烯、交联聚乙烯。塑料电缆结构简单，制造加工方便，重量轻，敷设安装方便，不受敷设落差限制。因此广泛应用作中低压电缆，并有取代粘性浸渍油纸电缆的趋势。特别是交联聚乙烯电力电缆，其绝缘层材料是将聚乙烯挤压经过交联工艺过程，聚乙烯分子从线型分子变为网状结构分子，电缆工作温度可提高到90～130℃，机械强度也相应提高。我国已能生产110kV交联聚乙烯电缆，110kV以下等级交联聚乙烯电力电缆已有取代油浸纸绝缘电力电缆的趋势。国外如日本、法国等国家也已经开发研制成功了500kV的交联聚乙烯电力电缆，在上海世博电力电缆隧道中也有所应用。

橡皮绝缘电力电缆的绝缘层为橡胶加上各种配合剂，经过充分混炼后挤包在导电线心上，经过加温硫化而成。柔软富有弹性，适合于移动频繁、敷设弯曲半径小的场合。因此经常作为矿用电缆、船用电缆以及采掘机械、x光机上用电缆。其结构特点是线心用多根较细单丝绞合，绞合节距较小。常用作绝缘的胶料有天然胶一丁苯胶混合物，乙丙胶、丁基胶等。

阻燃电缆具有难燃性(在特定试验条件下的火焰作用使电缆被烧着后撤去火源能迅

速即自熄的特性)按阻燃性能一般分为A、B、C三类，必须通过相应类型的成束电缆燃烧试验。A类燃烧试验电缆可燃物(非金属物质)的体积不小于7L，供火时间为40min；B 类燃烧试验电缆可燃物(非金属物质)的体积不小于3.5L，供火时间为40min；C类燃烧试验电缆可燃物(非金属物质)的体积不小于1.5L，供火时间为20min。

阻燃电缆依阻燃材料特性可分为一般阻燃电缆、低烟低卤阻燃电缆和低烟无卤阻燃电缆。

目前我国阻燃电缆产品以含卤阻燃为主，这种电缆在燃烧时释放出大量的浓烟和腐蚀性卤化物，造成人员伤亡并腐蚀各种设备，即所谓的"二次灾害"。为达到低烟、低毒及阻燃目的，国内外许多厂家都致力于低烟低卤、低烟无卤阻燃材料的开发。这类材料燃烧时发烟量少，释放出有毒气体少，减少对人体及仪器设备的伤害。

国外发达国家对低烟低卤、低烟无卤阻燃电缆料的研究比较早，技术较成熟，现在已进入实用阶段。

目前，我国的低烟无卤阻燃电缆料主要依赖进口，价格昂贵，应用受到一定的限制。随着我国经济建设的快速发展，对安全性能要求的提高，对低烟无卤阻燃电缆的需求越来越大，国内众多厂家都加大力度对低烟无卤阻燃电缆料进行研制。

2 电缆燃烧试验

为进一步研究高压电力电缆的阻燃性能，拟利用与实际隧道安装和运行条件相同的隧道模拟段，进行电缆在隧道内的燃烧模拟试验。对比不同类型电缆在事故环境下的燃烧情况，加以观察和分析，为隧道内选用的高压电力电缆的种类确定提供依据，并制定相应的防火措施。试验的主要目标是：模拟隧道内电缆火灾的实际状况；测试交联电缆绝缘、外护套阻燃的阻燃电缆的阻燃性能；测试非阻燃电缆缠绕防火包带后的阻燃性能。

通过外加火源使隧道内形成起火的初始环境，观察隧道内电缆在不带电情况下(由于采用完善的电力系统保护措施，电缆能在故障瞬间切断电源)的燃烧特性，及火情范围。

根据电缆燃烧试验情况、火灾蔓延长度、隧道内烟密度和温度状况，分析并确认电缆隧道内电缆选用的原则。

试样应由若干根相同长度电缆组成，根据目前国内外电缆隧道敷设电缆的实际情况，试样的选择如下：

(1)110kV及以上电压等级--交联聚乙烯绝缘PE(聚乙烯)护套电缆；

(2)110kV及以上电压等级--交联聚乙烯绝缘阻燃PVC(聚氯乙烯)护套电缆；

(3)110 kV及以上电压等级--自容式充油电缆；

(4)辅助防火材料--自粘性阻燃包带。

试验空间采用试验专用试制隧道，隧道为Φ≥2700mm的圆形空间，隧道长度不小于5.0m。

隧道试验空间的两端采用电缆隧道内使用的防火墙形式，一侧防火墙中间设有防火门可供出入(平面布置见图1)。试验电缆应有部分回路穿过防火墙，电缆与墙体间的缝隙使用防火封堵进行密封。在试验隧道防火墙上应开设一定大小的出气口，以对试验段内空气进行抽取化验。(一端防火墙应有进气孔，另一端有出气孔，空气需有一定流量，否则电缆燃烧不可能蔓延)试验开始之前，恒定控制温度在(20±10)℃，试验后将数据回归到20℃进行分析。 电缆在隧道内的敷设主要采用水平敷设和三角形敷设两种方式，这两种形式对火的传导效果也有所不同。因此在试验隧道内这两种形式均应采用，使用方式可根据实际情况调整。

为模拟电缆在隧道内的真实敷设形式，电缆采用蛇形敷设，以5m作为一个完整蛇形段。

隧道内固定电缆的支架i横担、夹具均采用电力工程中通用的形式。其他燃烧试验方式均按照GB／T 1 8380．3-2001《电缆在火焰条件下的燃烧试验第3部分：成束电线或电缆的燃烧试验方法》进行。

图1 试验平面布置图

试验过程中测量了以下数据：

(1)测量电缆燃烧时试验隧道段内的温度分布，用12个温度热电偶测量试验隧道段内在电缆燃烧时温度的空间分布。

(2)测量燃烧结束后火焰在试验电缆上的蔓延长度。

(3)测量燃烧过程中排出烟气在管道中的烟密度透光率。

(4)测量燃烧过程中排出烟气的毒性。