一種新型防火材料在電纜運(yùn)行中的應(yīng)用研究

傅曉杰 秦貞良 王 恂

國(guó)網(wǎng)上海市北供電公司

0 引言

近年來(lái)，隨著城市“架空線落地”、“地下管廊工程”等項(xiàng)目逐步實(shí)施，電纜安裝公里數(shù)逐年遞增。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)外電力電纜火災(zāi)事故頻發(fā)，造成一定程度的經(jīng)濟(jì)損失和相關(guān)的社會(huì)負(fù)面影響，給電纜的運(yùn)行和維護(hù)帶來(lái)挑戰(zhàn)。因此，電纜的防火阻燃措施顯得尤為重要，尤其是在密集敷設(shè)的電纜通道內(nèi)，如何有效防止電纜火災(zāi)蔓延和事故擴(kuò)大是亟待解決的問題。隨著國(guó)標(biāo)及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于電纜防火防爆及阻燃要求的不斷提高，早期建設(shè)的電站出線電纜的技改已成為電纜運(yùn)行人員下一步工作重點(diǎn)。

2018年12月，國(guó)網(wǎng)安全生產(chǎn)會(huì)議提出：要加快推進(jìn)消防隱患治理，加強(qiáng)消防安全管理，深刻吸取電纜火災(zāi)教訓(xùn)，認(rèn)真做好電纜及通道的運(yùn)行、維護(hù)、監(jiān)測(cè)和應(yīng)急處置等相關(guān)工作。防止電纜火災(zāi)事故發(fā)生已成為企業(yè)當(dāng)前急需解決的重要難題。

1 常用電纜防火與阻燃技術(shù)措施

防止電纜延燃的具體措施分為封、堵、涂、隔、包等。常用防火材料封堵各種貫穿物，電纜穿過墻壁、樓板時(shí)形成的各種開口以及電纜橋架的防火分隔，以免火勢(shì)通過這些開口及縫隙蔓延。常用電纜防火與阻燃技術(shù)措施有以下幾個(gè)方面：

1.1 選用耐火電纜和阻燃電纜

耐火電纜是指在規(guī)定試驗(yàn)條件下，燃燒一定時(shí)間仍能保持正常運(yùn)行特性的電纜，即：著火時(shí)仍能具有持續(xù)供電的能力。按絕緣材質(zhì)可分為有機(jī)型和無(wú)機(jī)型兩種。其主要用于火災(zāi)時(shí)，仍須保持正常運(yùn)行的線路，如工業(yè)與民用建筑消防系統(tǒng)、應(yīng)急照明供電等場(chǎng)合，但價(jià)格昂貴，不具普及性。

阻燃電纜是指在規(guī)定試驗(yàn)條件下燃燒，撤去火源后，火焰在試樣上的蔓延僅限定范圍內(nèi)且自行熄滅的電纜，即具有阻止或延緩火焰發(fā)生或蔓延的能力。其主要特點(diǎn)是不著火或者在著火后延燃僅限在一定范圍內(nèi)，國(guó)標(biāo)推薦變電站電纜夾層采用C類及C類以上的阻燃電纜（非強(qiáng)制措施）。

1.2 防火涂料及阻燃包帶

電纜防火涂料為涂覆于電纜表面，能形成具有防火阻燃保護(hù)及一定裝飾作用涂膜的防火涂料。常用于電纜接口、洞口處。主要優(yōu)點(diǎn)為經(jīng)濟(jì)安全實(shí)用，工程造價(jià)低，對(duì)電纜載流量影響小，缺點(diǎn)是目前在用電纜防火涂料不能形成致密的覆蓋層，炭化層硬度差，容易被燒穿或吹落，電纜彎曲處易出現(xiàn)裂縫，耐火性不佳易老化。

阻燃包帶纏繞在電纜表面，工作要求為將自粘性阻燃包帶按疊加一半的規(guī)定均勻纏繞，具有阻燃性、可操作性等特點(diǎn)。阻燃包帶與防火涂料共同的缺點(diǎn)是防火材料耐火性能差，使用壽命較短、時(shí)效性差，長(zhǎng)期運(yùn)行后其阻燃效果會(huì)減弱，需要重復(fù)施工，增加電纜運(yùn)行維護(hù)成本和負(fù)擔(dān)。

1.3 耐火槽盒及防火堵料

耐火槽盒具有隔熱、防火、不燃、無(wú)毒及機(jī)械強(qiáng)度好、重量輕、安全可靠、安裝方便等特點(diǎn)，是有效防止電纜著火時(shí)火焰延燃的理想材料。其兩端用耐火柔性堵料嚴(yán)密封堵，作為阻火區(qū)段，使用壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)是造價(jià)較高，未考慮電纜夾層垂直方向阻火分隔問題。

防火堵料在產(chǎn)品類別上可分為有機(jī)和無(wú)機(jī)兩大類，具有可塑性和柔韌性，可以切割、搓揉，封堵各種形狀的孔洞，施工、維修比較方便，但缺點(diǎn)是封堵容易出現(xiàn)松動(dòng)脫落，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)周圍環(huán)境要求較高。

2 新型材料防火延燃的性能指標(biāo)

上述分析可見，常用防火涂料及阻燃包帶存在使用壽命短、不耐久、可靠性低等問題。本文所闡述的防火延燃技術(shù)是采用一種室內(nèi)使用壽命為永久性的新型防火材料實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜的防火阻燃，并依據(jù)國(guó)標(biāo)及相關(guān)行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新型材料應(yīng)用效果開展性能測(cè)試，初步得出其防火、延燃及供電可持續(xù)性等性能參數(shù)指標(biāo)。

2.1 新型材料延燃性能研究

選用的新型材料延燃性能的研究，實(shí)驗(yàn)按照國(guó)標(biāo)GB/T 2408塑料燃燒性能測(cè)定，采用水平法和垂直法的要求及步驟展開。被試樣品材料及型號(hào)見表1和圖1。

表1 防火阻燃材料型號(hào)表

圖1 新型電纜防火材料樣品

依據(jù)國(guó)標(biāo)要求，受試材料通過水平垂直燃燒儀開展實(shí)驗(yàn)，水平法垂直法實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)后樣品如圖2和圖3所示，可以看出，在水平和垂直燃燒實(shí)驗(yàn)中，電纜防火材料在實(shí)驗(yàn)明火作用下出現(xiàn)了明顯的膨脹發(fā)泡。垂直法實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)后樣品如圖4和圖5所示。

圖2 水平燃燒實(shí)驗(yàn)示意圖

圖3 水平燃燒后材料樣品

圖4 垂直燃燒實(shí)驗(yàn)示意圖

圖5 垂直燃燒后材料樣品

采用水平法對(duì)所制備的3根試樣（電纜防火包帶1-3）進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：3組實(shí)驗(yàn)中，防火包帶試樣在移去引燃源后，均無(wú)可見的有焰燃燒出現(xiàn)，延燃時(shí)間均為0 s，燃燒過程中均未有滴落物出現(xiàn)，因此可以判定，基于水平法燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果，防火包帶的燃燒等級(jí)為HB級(jí)（最高等級(jí)），見表2。

垂直法進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)的結(jié)果見表3。采用垂直法對(duì)所制備的10根試樣（電纜防火包帶7-26）進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)。根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求，前五根試樣實(shí)驗(yàn)前在23±2℃及50±5%相對(duì)濕度的環(huán)境中調(diào)節(jié)了48 h；后五根試樣實(shí)驗(yàn)前在75±2℃空氣循環(huán)烘箱內(nèi)老化了168±2 h，并在干燥實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)冷卻了4 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明20組實(shí)驗(yàn)中，防火包帶的余焰時(shí)間均為0 s，第二次施加火焰后單個(gè)試樣的余焰和余輝總時(shí)間均為0 s、余焰和（或）余輝未蔓延至夾具，實(shí)驗(yàn)過程中材料試樣無(wú)滴落物、未引燃棉墊，因此綜合判定，基于垂直法燃燒實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，防火包帶的燃燒等級(jí)為V-0級(jí)（最高等級(jí)）。

表2 水平燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 垂直燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 新型材料防火性能研究

在防火性能研究上，主要包括電纜防火材料的引燃特性、熱釋放特性和氣體釋放特性等三個(gè)方面。

2.2.1 新型材料引燃特性研究

利用錐型量熱儀得到了新型材料、YJV電纜、以及包覆有新型材料的YJV電纜在不同外加輻射熱通量條件下的引燃時(shí)間，如表4所示。由表4數(shù)據(jù)可以看出，隨著外加輻射熱通量的增大，材料的引燃時(shí)間呈現(xiàn)持續(xù)減小的趨勢(shì)，所測(cè)試的電纜新型材料在延長(zhǎng)電纜材料引燃時(shí)間方面效果較好。從實(shí)驗(yàn)后電纜外觀方面分析，防火包帶對(duì)電纜具有較好的防護(hù)效果。包覆有防火包帶電纜與未包覆防火包帶電纜實(shí)驗(yàn)后外觀對(duì)比如圖6和圖7所示。

圖6 未包覆防火包帶YJV電纜

圖7 包覆防火包帶的YJV電纜

表4 不同實(shí)驗(yàn)工況中材料引燃時(shí)間

2.2.2新型材料熱釋放特性研究

未包覆新型材料與包覆有新型材料的電纜樣品在實(shí)驗(yàn)過程中熱釋放速率對(duì)比曲線如圖8所示。包覆有新型材料的VJV電纜輻射熱通量明顯低于未包覆防火包帶的VJV電纜，其原因是電纜新型材料在熱量作用下會(huì)膨脹發(fā)泡形成炭層，一方面由于其導(dǎo)熱系數(shù)低，阻礙了熱量向內(nèi)部電纜的傳遞，另一方面也阻隔了電纜防護(hù)和填充材料受熱生成的可燃?xì)怏w與空氣中氧氣的接觸，從而減小了電纜樣品燃燒速率，導(dǎo)致熱釋放速率降低。對(duì)降低其燃燒的熱危害性具有明顯的效果。

圖8 防火包帶對(duì)非阻燃電纜熱釋放特性的影響

2.2.3 新型材料氣體釋放特性研究

在相同外加輻射熱通量條件下，包覆有新型材料和未包覆新型材料的電纜樣品燃燒中CO和CO2氣體釋放速率隨時(shí)間變化曲線如圖9所示，可以看出，相比于未包覆新型材料的電纜，包覆有新型材料的電纜燃燒過程中CO和CO2生成速率明顯降低，其原因是新型材料降低了電纜的燃燒速率，由此可見，電纜防火包帶對(duì)于減小電纜燃燒過程中毒性氣體釋放速率具有明顯效果。

圖9 防火包帶對(duì)非阻燃電纜氣體釋放特性的影響

2.3 新型材料對(duì)電纜持續(xù)供電能力的研究

利用電線電纜燃燒完整性實(shí)驗(yàn)儀，針對(duì)四類材料開展試驗(yàn)研究，所得主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。對(duì)于工況1中的YJV電纜，供火5分30秒后，熔斷器斷開，電纜無(wú)法繼續(xù)供電，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電纜樣品在火災(zāi)條件下的持續(xù)供電能力不合格；對(duì)于工況2中包覆有新型材料的電纜，在90分鐘的供火時(shí)間以及15分鐘的冷卻時(shí)間內(nèi)，熔斷器未斷，電纜樣品在火災(zāi)條件下的持續(xù)供電能力合格。

表5 完整性實(shí)驗(yàn)主要結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型材料對(duì)于提高電纜在火災(zāi)條件下的持續(xù)供電能力具有明顯的效果。新型材料能使電纜在火災(zāi)條件下的持續(xù)供電能力由不合格提升至合格，持續(xù)供電時(shí)間得到顯著提升。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

上海位于中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最前沿，電纜應(yīng)用普及較早，隨著國(guó)標(biāo)及相關(guān)行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高以及國(guó)網(wǎng)對(duì)消防安全等隱患治理的重視，對(duì)于中性點(diǎn)非直接接地的小電流運(yùn)行方式的變電站，在發(fā)生單相接地故障時(shí)（大部分電力系統(tǒng)故障均為單相接地故障），非故障相對(duì)地電壓升高1.732倍，但相間電壓對(duì)稱性未被破壞，可以帶故障運(yùn)行一段時(shí)間。由于上海氣候溫和濕潤(rùn)，地表水豐富，舊電纜極易形成水樹枝等絕緣老化。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，產(chǎn)生弧光重燃過電壓，極易造成電纜絕緣擊穿，且由于允許帶故障升壓運(yùn)行，極大增加了電纜火災(zāi)甚至爆炸事故的發(fā)生，故需對(duì)站內(nèi)電纜進(jìn)行整治。

基于該新型材料在電纜火災(zāi)條件下的防護(hù)效果的分析和評(píng)價(jià)，上海市北地區(qū)結(jié)合區(qū)域內(nèi)實(shí)際電纜運(yùn)行情況，決定采用此新型材料對(duì)月浦站內(nèi)電纜夾層及通道進(jìn)行防火阻燃整治。

圖10 月浦站電纜整治后效果圖

在施工過程中，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)該新型電纜防火防爆材料為柔性材料，體積小、重量輕，采用繞包式安裝方式。在電纜溝或電纜井內(nèi)進(jìn)行安裝時(shí)十分便攜和快速，安裝后不影響周邊電纜線路運(yùn)行和檢修。材料為網(wǎng)孔式設(shè)計(jì)方式，具有良好的通風(fēng)性，有利于空氣流通，運(yùn)行中電纜產(chǎn)生的熱量可及時(shí)散發(fā)到外部環(huán)境，降低電纜的溫度。通過日常紅外測(cè)溫顯示，溫度在正常范圍內(nèi)，對(duì)電纜載流量的影響在合理范圍內(nèi)。綜上，該新型材料對(duì)站內(nèi)防火防爆阻燃的治理，發(fā)揮積極作用，滿足站內(nèi)電纜層整治的要求。

4 總結(jié)

針對(duì)近年來(lái)電纜火災(zāi)事故頻發(fā)，分析了常用電纜防火與阻燃技術(shù)措施。針對(duì)傳統(tǒng)包帶使用壽命短等難題，研制出一種新型阻燃防火材料，按國(guó)標(biāo)和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新型材料的應(yīng)用效果開展實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明該阻燃材料水平法燃燒等級(jí)為HB級(jí)，垂直法燃燒等級(jí)為V-0級(jí)，均為各類燃燒材料的最高等級(jí)，阻燃性能良好。在電纜防火性能方面，從引燃時(shí)間、熱釋放、氣體釋放三個(gè)方面證明該材料能有效提高引燃時(shí)間，對(duì)降低電纜火災(zāi)的熱危害性和毒性具有較為顯著效果。在增強(qiáng)電纜火災(zāi)持續(xù)供電能力方面，該新型材料具有明顯效果。結(jié)合上海市北地區(qū)電纜整治實(shí)際工作，發(fā)現(xiàn)該新型電纜安裝方便，對(duì)電纜載流量、溫度等影響均在允許范圍內(nèi)，驗(yàn)證了新型防火材料的可行性和實(shí)用性。