雄安新區(qū)高壓電力電纜阻燃選型思考與建議

劉 哲,沈?qū)W良,張明燦

(1.電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院,北京 100120;2.國(guó)網(wǎng)雄安新區(qū)供電公司,河北 雄安新區(qū) 071600;3.中國(guó)電建集團(tuán)河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,河北 石家莊 050031)

0 引言

電纜隧道節(jié)省寶貴地面資源,空間利用率高,雄安新區(qū)的高壓輸電線路大部分為電纜隧道型式。電纜隧道內(nèi)電纜布置密集,一旦發(fā)生火災(zāi),對(duì)供電影響較大,容易造成較大面積停電。雄安新區(qū)隧道內(nèi)主要為220 k V 高壓電纜,并為遠(yuǎn)期500 k V 高壓電纜預(yù)留了空間,若發(fā)生火災(zāi)會(huì)危及整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

目前,雄安新區(qū)發(fā)布了DB13(J)8330—2019《雄安新區(qū)地下空間消防安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》,對(duì)電纜阻燃等級(jí)進(jìn)行了明確要求,但該要求與110 k V 及以上電壓等級(jí)交聯(lián)聚乙烯電纜(簡(jiǎn)稱“高壓電纜”)類規(guī)范要求屬于不同規(guī)范體系,不同規(guī)范對(duì)高壓電纜阻燃特性要求見表1。電力設(shè)計(jì)單位若僅按DB13(J)8330—2019 執(zhí)行,將造成嚴(yán)重錯(cuò)誤,因此,需要電力設(shè)計(jì)單位對(duì)國(guó)家阻燃系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行溯源與測(cè)試體系研究[1]。一味追求阻燃性能的提高,會(huì)引出一系列其他問(wèn)題,雄安新區(qū)建設(shè)提高高壓電纜阻燃等級(jí)時(shí),應(yīng)對(duì)電纜外護(hù)套的其他性能展開研究,科學(xué)合理地選擇高壓電纜外護(hù)套阻燃類型與等級(jí)。

表1 相關(guān)規(guī)范對(duì)高壓電力電纜阻燃特性要求

1 阻燃電纜分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

阻燃系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)體系分為兩大類,其中一類為參照IEC 標(biāo)準(zhǔn)編寫的GB/T 19666—2015《阻燃或耐火電線電纜或光纜通則》與GA 306.1—2007《阻燃和耐火電纜 塑料絕緣阻燃及耐火電纜分級(jí)及要求 第1部分:阻燃電纜》,該標(biāo)準(zhǔn)體系的電纜廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)所有場(chǎng)所。另外一類為參照EN歐洲標(biāo)準(zhǔn)編寫的GB 31247—2014《電纜及光纜燃燒性能分級(jí)》,該標(biāo)準(zhǔn)體系的電纜廣泛應(yīng)用在高鐵、地鐵等人口密集場(chǎng)所,對(duì)于煙密度、熱釋放、產(chǎn)煙總量等指標(biāo)都有嚴(yán)格的規(guī)定,一般使用低煙無(wú)鹵材料。電纜燃燒性能分級(jí)阻燃等級(jí)對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 電纜阻燃等級(jí)相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

表1中GB/T 19666—2005《阻燃或耐火電線電纜光纜通則》,燃燒等級(jí)分類是電力設(shè)計(jì)單位熟悉的ZA、ZB、ZC、ZD 等,其根據(jù)的試驗(yàn)方法規(guī)范GB 18380.3—2001《電纜在火焰條件下的燃燒試驗(yàn) 第3部分:成束電線或電纜的燃燒試驗(yàn)方法》已經(jīng)作廢,這個(gè)試驗(yàn)規(guī)范參照的是IEC 60332-3-25:2000《著火條件下電纜和光纖光纜的試驗(yàn) 第3-25部分:垂直安裝的成束電線或電纜的垂直火焰蔓延的試驗(yàn).D 類》。主要按照試樣非金屬材料體積與供火時(shí)間區(qū)分阻燃等級(jí)。

GA 306.1—2007《阻燃和耐火電纜 塑料絕緣阻燃及耐火電纜分級(jí)及要求 第1 部分:阻燃電纜》,按照GB 18380.31~36—2008《電纜在火焰條件下的燃燒試驗(yàn)》試驗(yàn)方法進(jìn)行分級(jí),主要區(qū)別是考慮了煙氣毒性、透光率、耐腐蝕性,把A、B、C 又進(jìn)行了5個(gè)等級(jí)的區(qū)分。

GB 31247—2014《電纜及光纜燃燒性能分級(jí)》是最新的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)方法是GB/T 31248—2014《電纜或光纜在受火條件下火焰蔓延、熱釋放和產(chǎn)煙特性的試驗(yàn)方法》,參照的是EN 50399:2011著火條件下電纜的通用試驗(yàn),火焰蔓延試驗(yàn)中測(cè)量熱釋放量和冒煙量-測(cè)試儀器、程序和結(jié)果》,主要區(qū)別是考慮了火焰蔓延、熱釋放總量、熱釋放速率峰值、產(chǎn)煙總量等判據(jù)。

兩個(gè)分級(jí)體系試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、供火時(shí)間、判據(jù)都不同,應(yīng)用的領(lǐng)域也不同。高壓電纜的ZC級(jí)阻燃性能與B1級(jí)阻燃性能不能相互替代,即使是ZB 分級(jí)里面的B級(jí)也達(dá)不到B1級(jí)的要求[2],主要差別是B1級(jí)強(qiáng)調(diào)了低煙無(wú)鹵特性,高壓電纜外護(hù)套如果具有低煙無(wú)鹵特性,會(huì)引起一系列問(wèn)題。

2 高壓電纜無(wú)法選擇B1級(jí)的原因

2.1 缺乏低煙防腐材料

如果要達(dá)到低煙性能,就需要涂瀝青漆,但是瀝青漆達(dá)不到防腐要求,同時(shí)歐洲標(biāo)準(zhǔn)也不允許應(yīng)用瀝青,因此低煙性能就達(dá)不到。高壓電纜采用金屬鋁護(hù)套,瀝青防腐結(jié)構(gòu),燃燒時(shí)產(chǎn)生大量煙霧,國(guó)外一般使用瀝青漆或者熱熔膠,但是這種結(jié)構(gòu),目前國(guó)內(nèi)沒有廠家生產(chǎn)過(guò),也沒有工程使用過(guò)。因此,在高壓電力電纜外護(hù)套材料領(lǐng)域,限制了達(dá)到B1級(jí)別低煙性能的要求。

2.2 低煙無(wú)鹵電纜絕緣電阻較低

高壓電纜與中壓電纜(6~35 k V)在電纜外護(hù)套材料的使用上區(qū)別明顯。因?yàn)楦邏弘娏﹄娎|載流量較大,過(guò)電壓較高,且為單芯電纜,從運(yùn)行與安全考慮,外護(hù)套需要優(yōu)良的絕緣性能,因此,高壓電纜外護(hù)套為絕緣級(jí),而中壓電纜材料為護(hù)套級(jí)。低煙無(wú)鹵護(hù)套材料由于添加了大量的無(wú)機(jī)阻燃劑,導(dǎo)致護(hù)套絕緣電阻比較差[36]。不同護(hù)套材料絕緣性能見表3。

表3 不同護(hù)套材料的絕緣電阻

按照絕緣性能強(qiáng)弱排序,PE護(hù)套≥阻燃PE護(hù)套≥PVC護(hù)套≥低煙無(wú)鹵系列護(hù)套。由于這個(gè)原因,目前GB/T 11017.1—2014《額定電壓110 k V(Um=126 k V)交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件第1部分:試驗(yàn)方法和要求》和GB/T 18890.1—2015《額定電壓220 k V(Um=252 k V)交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件 第1部分:試驗(yàn)方法和要求》等高壓電纜標(biāo)準(zhǔn),都未將低煙無(wú)鹵護(hù)套料納入標(biāo)準(zhǔn)體系。而與之對(duì)應(yīng)的中壓電纜,由于對(duì)護(hù)套絕緣性能要求不如高壓電纜苛刻,則已經(jīng)將低煙無(wú)鹵護(hù)套料納入標(biāo)準(zhǔn)體系。

2.3 低煙無(wú)鹵電纜不利于保護(hù)器參數(shù)配置

護(hù)套絕緣電阻下降,不利于護(hù)層保護(hù)器(簡(jiǎn)稱“保護(hù)器”)安全運(yùn)行。保護(hù)器主要對(duì)電纜外護(hù)套起保護(hù)作用,在正常狀態(tài),保護(hù)器對(duì)地開路,保持絕緣狀態(tài),在雷電沖擊或操作沖擊發(fā)生時(shí),產(chǎn)生的過(guò)電壓超過(guò)保護(hù)器的放電電壓時(shí),保護(hù)器對(duì)地放電,將入侵波導(dǎo)入大地,使之不傷害護(hù)套絕緣,當(dāng)過(guò)電壓消失,保護(hù)器又迅速恢復(fù)成絕緣狀態(tài)。

保護(hù)器的放電電壓與護(hù)套絕緣電阻有關(guān),放電電壓必須低于護(hù)套的絕緣水平,但是過(guò)低的放電電壓,保護(hù)器會(huì)頻繁動(dòng)作,造成保護(hù)器損壞或系統(tǒng)不穩(wěn)定。一般保護(hù)器選型按照外護(hù)套絕緣電阻良好狀態(tài)下進(jìn)行設(shè)計(jì),此時(shí)保護(hù)器沖擊電壓較高,可以對(duì)護(hù)套有效保護(hù)。護(hù)套絕緣電阻快速下降后,當(dāng)雷電沖擊過(guò)電壓或者操作沖擊過(guò)電壓發(fā)生時(shí),有可能出現(xiàn)保護(hù)器沒有動(dòng)作,但是護(hù)套已經(jīng)出現(xiàn)擊穿的現(xiàn)象。

2.4 低煙無(wú)鹵電纜護(hù)套強(qiáng)化絕緣電阻與阻燃性能的矛盾

飽和吸水狀態(tài)下外護(hù)套吸水率以及飽和吸水狀態(tài)下的護(hù)套絕緣電阻率這2個(gè)指標(biāo)較差。電纜隧道防火形勢(shì)嚴(yán)峻,阻燃等級(jí)是高壓電纜選型的重要考慮因素。阻燃材料是常規(guī)護(hù)套材料里面添加了阻燃劑等,使得材料具備了阻燃性能,常見護(hù)套的阻燃性能見表4。

表4 常見外護(hù)套材料阻燃性能比較

阻燃PE是常規(guī)PE護(hù)套里面添加了阻燃劑。阻燃劑分為無(wú)機(jī)和有機(jī)2種,目前多數(shù)以添加無(wú)機(jī)阻燃劑為主,常用的無(wú)機(jī)阻燃劑有氧化鎂和氧化鋁等,這2種材料在常規(guī)狀態(tài)下極易吸水發(fā)生水合反應(yīng)。因此,護(hù)套材料采購(gòu)回來(lái)一般會(huì)迅速投入生產(chǎn),否則就容易吸水,導(dǎo)致擠出出現(xiàn)氣孔等不良現(xiàn)象。在將阻燃劑顆粒微小化,表面改性處理,增加材料相容性后,阻燃護(hù)套料才具備良好的加工性能。

雄安新區(qū)電纜隧道由于存在與其他線性建筑交叉問(wèn)題,勢(shì)必存在一定的坡度,縱然采取了優(yōu)良的排水措施,也難以避免積水,電纜在長(zhǎng)期使用過(guò)程中,會(huì)有大量時(shí)間處于潮濕環(huán)境中,水分會(huì)逐漸滲透到外護(hù)套塑料中。

材料的透水率與材料的分子結(jié)構(gòu)、密度、極性、配方等都有關(guān)系。高密度PE透水率要小于低密度PE,高分子量PE要小于低分子量PE。一般情況下,非極性材料透水率要小于極性材料,比如PE透水率要小于PVC,非阻燃PE 材料的透水率要遠(yuǎn)小于常規(guī)的阻燃材料。材料在水分子透入之后,會(huì)造成護(hù)套絕緣電阻下降,甚至?xí)铀俨牧显陔?、光、化學(xué)等因素下降解。

水分侵入電纜的速率與環(huán)境、溫度等影響因素有關(guān)。高溫下水分侵入電纜的時(shí)間要遠(yuǎn)小于常溫下的時(shí)間。電纜在滿負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中,護(hù)套表面溫度高達(dá)60 ℃,會(huì)加速水分的侵入。對(duì)于剛投運(yùn)的電纜護(hù)套來(lái)說(shuō),護(hù)套絕緣電阻一般都能滿足要求,但是在運(yùn)行幾個(gè)月之后,就會(huì)有大量線路的護(hù)套絕緣電阻檢測(cè)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。當(dāng)護(hù)套絕緣電阻下降到一定程度后,下降速度會(huì)趨于平緩。加入大量無(wú)機(jī)阻燃劑的低煙無(wú)鹵外護(hù)套的絕緣性能遠(yuǎn)低于高壓電纜常用的PVC 或PE 外護(hù)套,因此上述水分子透入過(guò)程會(huì)更加快速。

2.5 低鹵電纜抗開裂性能差

ST2是PVC護(hù)套、ST7是PE護(hù)套,老化后的抗張強(qiáng)度均為12.5 N/mm2,斷裂伸長(zhǎng)率分別為150%和300%。ST8是低煙無(wú)鹵阻燃護(hù)套,老化后的抗張強(qiáng)度為9.0 N/mm2,斷裂伸長(zhǎng)率為125%。低煙無(wú)鹵阻燃護(hù)套的抗張強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率都差很多。低煙無(wú)鹵阻燃護(hù)套電纜施工要求嚴(yán)格,尤其在北方室外地區(qū),這是由于低煙無(wú)鹵護(hù)套低溫下容易開裂,甚至在運(yùn)行過(guò)程中也容易出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象,國(guó)內(nèi)中低壓電纜已經(jīng)出現(xiàn)很多起類似的質(zhì)量故障。

低煙無(wú)鹵主要用于室內(nèi)建筑,人員密集地方,比如車站、地鐵、公共建筑。電力隧道不屬于人員密集區(qū)域。

綜上分析,低煙無(wú)鹵系列材料比目前的絕緣級(jí)阻燃護(hù)套材料在部分性能上更差,更加容易出現(xiàn)問(wèn)題,因此,目前GB/T 11017.1—2014和GB/T 18890.1—2015等高壓電纜標(biāo)準(zhǔn),都未將低煙無(wú)鹵護(hù)套料納入標(biāo)準(zhǔn)體系。

3 結(jié)論

GB/T 19666—2019《阻燃或耐火電線電纜或光纜通則》的B 級(jí)不等同于GB 31247—2014《電纜及光纜燃燒性能分級(jí)》的B1級(jí),這兩者對(duì)于燃燒的性能要求完全不同,兩者應(yīng)用場(chǎng)所也不同。當(dāng)應(yīng)用于地鐵、高鐵等人員密集場(chǎng)所,可燃物較多,出于對(duì)生命和財(cái)產(chǎn)安全考慮,采用B1級(jí)加強(qiáng)燃燒過(guò)程控制是合適的。對(duì)于高壓電纜,建議采用GB/T 19666—2019《阻燃或耐火電線電纜或光纜通則》要求的B 阻燃等級(jí),不建議采用GB 31247—2014《電纜及光纜燃燒性能分級(jí)》B1或者B2阻燃等級(jí),否則,施工和運(yùn)維部門將承擔(dān)巨大的壓力。

鑒于雄安新區(qū)的防火要求嚴(yán)格,阻燃等級(jí)提高到B級(jí)后,對(duì)于排管或者直埋無(wú)阻燃要求的可選PE外護(hù)套(無(wú)阻燃添加劑,絕緣電阻性能穩(wěn)定);隧道中敷設(shè)的高壓電纜建議選擇PVC 外護(hù)套(缺點(diǎn)是燃燒時(shí)釋放有毒氣體,優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)配方增強(qiáng)耐水性能,絕緣電阻相對(duì)PE 的B 級(jí)阻燃電纜更穩(wěn)定)。同時(shí),建議盡快聯(lián)合開展外護(hù)套的材料與結(jié)構(gòu)研究,從根本上解決護(hù)套絕緣電阻下降與阻燃性的矛盾。