城市電力電纜隧道消防安全評估研究

張佳慶，李文杰，范明豪，歐陽本紅

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601；2.國家電網(wǎng)公司輸變電設(shè)施火災(zāi)防護實驗室，安徽 合肥 230601;3.中國電力科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢 430074)

近年來，隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和城市化進程的不斷加快，越來越多的輸電線路采用電纜隧道的方式敷設(shè)于城市地下。電纜隧道不僅便于電力工人對輸電線路進行維護與更換，還在一定程度上減小了對地面景觀的破壞。然而電力電纜隧道的火災(zāi)事故卻時有發(fā)生，嚴重威脅了城市的安全運行。2015年4月1日，位于英國倫敦Holborn地區(qū)的一處電纜隧道發(fā)生火災(zāi)，滅火行動共持續(xù)了36 h，火災(zāi)造成市中心5 000人緊急疏散，附近商場和劇院的電力供應(yīng)受到了嚴重影響[1]。2016年8月，遼寧大連市大連海事大學(xué)附近66 kV電纜隧道起火，事故造成大連市區(qū)內(nèi)大面積停電6 h以上，城市交通、自來水供應(yīng)、醫(yī)院、商業(yè)經(jīng)營都受到影響[2]。住房城鄉(xiāng)建設(shè)部在2016年《城市地下空間開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》中明確指出要加強城市地下管線建設(shè)管理，保障城市安全運行。電力電纜隧道作為城市地下管線的重要組成部分，其安全問題不容忽視，且電纜隧道屬于地下無人場所，火災(zāi)發(fā)生早期不易被發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)時火災(zāi)已轉(zhuǎn)入劇烈燃燒階段，給火災(zāi)的預(yù)防和撲救造成了巨大的困難。因此，在城市電力線路的建設(shè)與管理中應(yīng)當(dāng)高度重視電纜隧道的消防安全問題，預(yù)防火災(zāi)事故的發(fā)生。

國內(nèi)外關(guān)于城市建筑及地下空間的火災(zāi)風(fēng)險評估的研究很多，如徐堅強等[3]利用層次分析法建立了建筑火災(zāi)風(fēng)險評估指標體系；MENG等[4]認識到了隧道消防中存在的不確定性問題，提出使用Monte Carlo模擬和事故樹相結(jié)合的方法構(gòu)建公路隧道火災(zāi)事故的定量風(fēng)險評估模型；WU等[5]使用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和德爾菲法對地鐵站火災(zāi)發(fā)展過程中的風(fēng)險后果問題進行了研究。而關(guān)于城市地下電纜隧道火災(zāi)風(fēng)險評估的研究則相對較少，研究也并不充分。如方鴻強等[6]采用模糊層次分析法和熵權(quán)法對電纜隧道火災(zāi)風(fēng)險影響因素開展識別研究；HOSTIKKA等[7]針對核電站電纜隧道，采用數(shù)值模擬的方法對隧道內(nèi)火災(zāi)風(fēng)險進行了定量分析。因此，筆者從火災(zāi)風(fēng)險評估的角度出發(fā)，建立電力電纜隧道消防安全評估指標體系，并利用模糊層次分析法對某電纜隧道開展消防安全評估實例研究。

1 電力電纜隧道消防安全評估指標體系構(gòu)建

1.1 電纜燃燒屬性

電纜是電纜隧道內(nèi)最主要的可燃物，電纜的外護套和絕緣層在強烈的熱輻射下都會發(fā)生分解并釋放出可燃性揮發(fā)物質(zhì)，從而引起火災(zāi)。因此，在對電纜隧道的消防安全進行評估時，應(yīng)著重考慮隧道內(nèi)電纜自身燃燒帶來的火災(zāi)危險性。評價電纜燃燒危險性通?？紤]電纜材料的引燃特性、熱危害性、產(chǎn)煙特性和毒性4個方面[8]。引燃特性主要用來衡量電纜在隧道內(nèi)被引燃并發(fā)生蔓延的可能性，熱危害性用來衡量電纜燃燒產(chǎn)熱帶來的危害，產(chǎn)煙特性和毒性則用來評價煙氣濃度與毒性對隧道內(nèi)人員逃生及消防救援的影響。

1.2 電纜運行狀態(tài)

電纜隧道，特別是在役期間的電纜隧道，其中敷設(shè)的電纜并不是簡單的電纜本體，而是帶電運行的電力線路，因此還需從電纜運行的角度評價電纜隧道的火災(zāi)危險性。電纜運行過程中表現(xiàn)出來的老化與故障通常包括電纜本體的老化、過負荷、電纜接頭故障等[9]。這些老化與故障都有可能造成電纜絕緣性下降，從而引起短路并發(fā)生火災(zāi)。因此，在對電纜隧道進行消防安全評估時，應(yīng)對電纜的一些基本運行參數(shù)和老化情況進行評價，例如與電纜故障密切相關(guān)的金屬護層接地電流、電纜接頭溫度和電纜本體溫度等[10]，評價電纜老化則主要考慮電纜的在役時間和電纜外表面的腐蝕情況等。

1.3 電纜隧道環(huán)境特征

電纜隧道作為一種對電纜進行保護的地下構(gòu)筑物，因此其結(jié)構(gòu)特征、自然條件和附屬設(shè)施狀態(tài)都會對隧道內(nèi)火災(zāi)的發(fā)生發(fā)展造成影響。例如電纜隧道內(nèi)通常會設(shè)置一定的防火分隔，防火分隔的設(shè)置間距直接關(guān)系著隧道內(nèi)火災(zāi)的蔓延情況。此外，電纜隧道位于地下，因此通常伴著高溫、高濕的自然條件，過高的溫度和濕度會顯著提高電纜火災(zāi)發(fā)生的概率。除了這些客觀因素外，隧道內(nèi)還布置有大量的附屬設(shè)施，附屬設(shè)施的狀態(tài)也與電纜火災(zāi)的發(fā)生密切相關(guān)，例如接地箱能夠有效限制電纜金屬屏蔽層(金屬護套)感應(yīng)電壓和設(shè)備故障過電壓，該設(shè)備故障后電纜短路起火的機率會明顯增大。

1.4 電纜隧道消防配置

電纜隧道的消防配置也是影響電纜隧道內(nèi)消防安全的重要因素。電纜隧道的在線監(jiān)測設(shè)備能實現(xiàn)對火災(zāi)的早期探測，電纜隧道的防火措施則能在電纜火災(zāi)初期起到抑制作用，滅火措施決定了電纜隧道對火災(zāi)的控制作用，而消防管理則從消防培訓(xùn)、人員巡查、消防預(yù)案制定等方面對應(yīng)急響應(yīng)水平進行了衡量。

通過對影響電力電纜隧道火災(zāi)風(fēng)險的因素進行識別，構(gòu)建各因素之間的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系，建立電力電纜隧道消防安全評估指標體系，如圖1所示。

圖1 電力電纜隧道消防安全評估指標體系

2 評估指標權(quán)重分析及參數(shù)量化

2.1 模糊層次分析法

層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)是一種針對多因素分析、多指標分級的評價方法。模糊層次分析法則是在層次分析法的基礎(chǔ)上引入了模糊數(shù)學(xué)的思想，從而將專家的決策意見模糊化，減少專家判斷主觀性的影響。利用模糊層次分析法進行評價時，多采用三角模糊數(shù)對專家的意見進行模糊化，以構(gòu)建模糊判斷矩陣。模糊層次分析法中對不同因素間兩兩進行比較判斷時，通常采用三角模糊集合的標度方式對因素之間的重要程度進行表示，如表1所示。

表1 判斷術(shù)語對應(yīng)的三角模糊集合

(1)

(2)

由于模糊判斷矩陣得到的特征向量中各元素以模糊集的形式表示，因此還需對權(quán)向量進行去模糊化處理，去模糊化后的值即為因素的指標權(quán)重。去模糊化的過程如式(3)所示[12]。

(3)

2.2 指標權(quán)重計算結(jié)果

利用問卷調(diào)查的形式對電纜隧道消防安全各因素間的重要程度進行調(diào)研，共收集了15位行業(yè)內(nèi)專家的意見。將專家意見轉(zhuǎn)化為模糊判斷矩陣后，利用模糊層次分析法計算各專家判斷的模糊權(quán)重向量，得到電力電纜隧道消防安全評估體系中各級指標的權(quán)重，如表2所示。從表2可以看出，三級指標中臨界熱通量(A11)、電壓等級(B11)、引燃時間(A12)、平均CO釋放量(A41)和電纜腐蝕狀態(tài)(B42)的指標權(quán)重相對較高。其中，臨界熱通量、引燃時間和平均CO釋放量屬于電纜自身的燃燒屬性，電壓等級和電纜腐蝕狀態(tài)則屬于電纜的運行狀態(tài)。因此，可以看出電纜自身燃燒特性與其在運行過程中的故障是影響電纜隧道消防安全的重要因素。

表2 電力電纜隧道消防安全評估體系指標權(quán)重

2.3 指標量化標準

為便于評估操作者快速識別風(fēng)險和量化風(fēng)險，筆者針對各指標建立了相應(yīng)的評價量化標準，量化總分值為10分，分數(shù)越高代表越危險，各指標的量化標準及參考依據(jù)如表3所示。

表3 電力電纜隧道消防安全評估各指標參數(shù)量化

指標量化的依據(jù)主要參考了與電纜隧道相關(guān)的國家及行業(yè)規(guī)范與規(guī)范，同時針對電纜火災(zāi)危險性的指標也參考了相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)及文獻。在對數(shù)據(jù)進行處理時，由于各指標對應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可能包括定性的描述類數(shù)據(jù)或定量的連續(xù)型參數(shù)數(shù)據(jù)，因此對數(shù)據(jù)的處理方式也不同。對于描述類的數(shù)據(jù)，可以通過劃分不同的類別來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分類量化；對于連續(xù)型的數(shù)據(jù)，可采用歸一化的方法在一定范圍內(nèi)根據(jù)數(shù)值的大小按比例進行量化，例如臨界熱通量(A11)，當(dāng)測得電纜樣品的臨界熱通量CHF，則指標量化得分S可通過式(4)計算得到。

(4)

3 電力電纜隧道火災(zāi)風(fēng)險評估實例研究

3.1 評估基本參數(shù)收集

筆者以某處110 kV電纜隧道為實例，對其消防安全現(xiàn)狀進行了評估。首先,對隧道內(nèi)敷設(shè)電纜樣品的燃燒特性進行測試。測試標準為《ASTM E2058-13a用火焰蔓延儀(FPA)測量合成聚合物材料易燃性的標準試驗方法》[26]。測試的電纜樣品型號為YJV22-8.7/15 kV-3 70交聯(lián)聚乙烯絕緣銅芯電纜。電纜外護套、填充物和絕緣層進行燃燒特性測試的樣品及燃燒產(chǎn)物如圖2所示。其次，對該隧道的實際消防安全情況進行實地調(diào)研，隧道內(nèi)電纜整體布局、防火分隔封堵及相應(yīng)的消防設(shè)施的情況如圖3所示。最后，通過對電纜燃燒性能的測試及對電纜隧道的實地調(diào)研可完成評價基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集，利用上述指標量化標準對各指標進行量化打分。

圖2 電纜燃燒性能測試

圖3 電纜隧道內(nèi)部分設(shè)施的消防安全情況

3.2 評估結(jié)果分析與討論

基于各指標的得分和權(quán)重，可計算出電力電纜隧道的火災(zāi)風(fēng)險值為3.446。參照評價結(jié)果與風(fēng)險等級的對應(yīng)表(如表4所示)，可知該電纜隧道現(xiàn)處于較低火災(zāi)風(fēng)險等級，總體消防安全水平良好。

表4 火災(zāi)風(fēng)險等級界定

部分關(guān)鍵因素的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及其排序如表5所示，結(jié)果顯示對該隧道火災(zāi)風(fēng)險影響較大的因素主要包括臨界熱通量(A11)、引燃時間(A12)、有效燃燒熱(A22)、隧道類型(C11)和在役時間(B41)，普遍來自于一級指標電纜自身燃燒屬性和電纜運行狀態(tài)。電纜自身燃燒屬性方面，由于該電纜隧道內(nèi)普遍敷設(shè)的電纜型號為YJV22，且電纜采用非阻燃型，因此在臨界熱通量和引燃時間等參數(shù)上均表現(xiàn)出較大的火災(zāi)危險性。電纜運行狀態(tài)方面，該隧道中電纜大多數(shù)為2010年敷設(shè)并投入使用，已使用超過8年，存在老化情況，電纜的運行可靠性逐漸開始下降，故火災(zāi)發(fā)生可能性大大增加。

表5 電力電纜隧道部分指標基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及指標排序結(jié)果

3.3 改進建議

針對該電纜隧道存在的部分問題，可以從以下幾個方面改進電纜隧道的消防安全水平。

(1)對隧道內(nèi)的電纜進行升級。建議今后對于該電纜隧道的關(guān)鍵部位應(yīng)盡量采用阻燃型電纜，降低電纜火災(zāi)發(fā)生蔓延的可能。對于已敷設(shè)的電纜應(yīng)在電纜接頭等關(guān)鍵部位采用防火布或涂刷防火涂料進行保護。

(2)加強對電纜運行參數(shù)的監(jiān)測。由于該電纜隧道中電纜運行時間較長，因此隧道運維人員應(yīng)重點關(guān)注隧道內(nèi)電纜的老化情況，加強對電纜絕緣性能、電纜接頭溫度的定期檢測，及時發(fā)現(xiàn)存在老化問題的電纜。

(3)加強對電纜隧道內(nèi)消防設(shè)施的檢查和維護。該電纜隧道中配備的消防設(shè)施對控制電纜隧道火災(zāi)風(fēng)險起到了明顯的作用，但是隨著使用時間的延長，這些設(shè)備的可靠性問題也同樣值得關(guān)注。因此，建議隧道運維人員定期對電纜隧道內(nèi)的消防設(shè)施進行巡邏和檢測，發(fā)現(xiàn)無法正常工作的消防設(shè)備，應(yīng)及時更換。

4 結(jié)論

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市生活越來越離不開電力，電纜隧道作為未來城市輸電線路的重要組成，存在的火災(zāi)風(fēng)險應(yīng)得到高度重視。筆者從風(fēng)險評估的角度出發(fā)，對城市電力電纜隧道的消防安全評估指標體系進行了研究，得到以下結(jié)論：

(1)城市電力電纜隧道的消防安全問題復(fù)雜，受多重因素的影響，僅從單一方面對問題進行分析缺乏系統(tǒng)性認識。火災(zāi)風(fēng)險評估作為一種系統(tǒng)性方法，能為綜合評價電纜隧道消防安全提供一種有效途徑。

(2)不同于建筑消防安全評估指標體系，電纜隧道消防安全評估指標體系不僅要考慮可燃物自身和配備的消防設(shè)施，還要考慮電纜在役期間的運行狀態(tài)和隧道內(nèi)的環(huán)境特征。因此，從電纜燃燒屬性、電纜運行狀態(tài)、電纜隧道環(huán)境特征和電纜隧道消防配置4個方面構(gòu)建指標體系，并對電纜隧道消防安全進行了評價。

(3)基于模糊層次分析法的城市電力電纜隧道消防安全評估方法，能客觀反映電纜隧道的消防安全水平，找出影響電纜隧道火災(zāi)風(fēng)險的關(guān)鍵因素，從而幫助決策者制定提高消防安全水平的方案，顯示出了方法的科學(xué)性和工程應(yīng)用價值。