一種新型防火材料在電纜運行中的應用研究

傅曉杰 秦貞良 王 恂

國網上海市北供電公司

0 引言

近年來，隨著城市“架空線落地”、“地下管廊工程”等項目逐步實施，電纜安裝公里數逐年遞增。與此同時，國內外電力電纜火災事故頻發，造成一定程度的經濟損失和相關的社會負面影響，給電纜的運行和維護帶來挑戰。因此，電纜的防火阻燃措施顯得尤為重要，尤其是在密集敷設的電纜通道內，如何有效防止電纜火災蔓延和事故擴大是亟待解決的問題。隨著國標及相關技術標準對于電纜防火防爆及阻燃要求的不斷提高，早期建設的電站出線電纜的技改已成為電纜運行人員下一步工作重點。

2018年12月，國網安全生產會議提出：要加快推進消防隱患治理，加強消防安全管理，深刻吸取電纜火災教訓，認真做好電纜及通道的運行、維護、監測和應急處置等相關工作。防止電纜火災事故發生已成為企業當前急需解決的重要難題。

1 常用電纜防火與阻燃技術措施

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、樓板時形成的各種開口以及電纜橋架的防火分隔，以免火勢通過這些開口及縫隙蔓延。常用電纜防火與阻燃技術措施有以下幾個方面：

1.1 選用耐火電纜和阻燃電纜

耐火電纜是指在規定試驗條件下，燃燒一定時間仍能保持正常運行特性的電纜，即：著火時仍能具有持續供電的能力。按絕緣材質可分為有機型和無機型兩種。其主要用于火災時，仍須保持正常運行的線路，如工業與民用建筑消防系統、應急照明供電等場合，但價格昂貴，不具普及性。

阻燃電纜是指在規定試驗條件下燃燒，撤去火源后，火焰在試樣上的蔓延僅限定范圍內且自行熄滅的電纜，即具有阻止或延緩火焰發生或蔓延的能力。其主要特點是不著火或者在著火后延燃僅限在一定范圍內，國標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。主要優點為經濟安全實用，工程造價低，對電纜載流量影響小，缺點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定均勻纏繞，具有阻燃性、可操作性等特點。阻燃包帶與防火涂料共同的缺點是防火材料耐火性能差，使用壽命較短、時效性差，長期運行后其阻燃效果會減弱，需要重復施工，增加電纜運行維護成本和負擔。

1.3 耐火槽盒及防火堵料

耐火槽盒具有隔熱、防火、不燃、無毒及機械強度好、重量輕、安全可靠、安裝方便等特點，是有效防止電纜著火時火焰延燃的理想材料。其兩端用耐火柔性堵料嚴密封堵，作為阻火區段，使用壽命長。缺點是造價較高，未考慮電纜夾層垂直方向阻火分隔問題。

防火堵料在產品類別上可分為有機和無機兩大類，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，但缺點是封堵容易出現松動脫落，對現場周圍環境要求較高。

2 新型材料防火延燃的性能指標

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是采用一種室內使用壽命為永久性的新型防火材料實現對電纜的防火阻燃，并依據國標及相關行業技術標準對新型材料應用效果開展性能測試，初步得出其防火、延燃及供電可持續性等性能參數指標。

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，實驗按照國標GB/T 2408塑料燃燒性能測定，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見表1和圖1。

表1 防火阻燃材料型號表

圖1 新型電纜防火材料樣品

依據國標要求，受試材料通過水平垂直燃燒儀開展實驗，水平法垂直法實驗過程及實驗后樣品如圖2和圖3所示，可以看出，在水平和垂直燃燒實驗中，電纜防火材料在實驗明火作用下出現了明顯的膨脹發泡。垂直法實驗過程及實驗后樣品如圖4和圖5所示。

圖2 水平燃燒實驗示意圖

圖3 水平燃燒后材料樣品

圖4 垂直燃燒實驗示意圖

圖5 垂直燃燒后材料樣品

采用水平法對所制備的3根試樣（電纜防火包帶1-3）進行燃燒實驗，結果表明：3組實驗中，防火包帶試樣在移去引燃源后，均無可見的有焰燃燒出現，延燃時間均為0 s，燃燒過程中均未有滴落物出現，因此可以判定，基于水平法燃燒實驗結果，防火包帶的燃燒等級為HB級（最高等級），見表2。

垂直法進行燃燒實驗的結果見表3。采用垂直法對所制備的10根試樣（電纜防火包帶7-26）進行燃燒實驗。根據測試標準要求，前五根試樣實驗前在23±2℃及50±5%相對濕度的環境中調節了48 h；后五根試樣實驗前在75±2℃空氣循環烘箱內老化了168±2 h，并在干燥實驗箱內冷卻了4 h。實驗結果表明20組實驗中，防火包帶的余焰時間均為0 s，第二次施加火焰后單個試樣的余焰和余輝總時間均為0 s、余焰和（或）余輝未蔓延至夾具，實驗過程中材料試樣無滴落物、未引燃棉墊，因此綜合判定，基于垂直法燃燒實驗的結果，防火包帶的燃燒等級為V-0級（最高等級）。

表2 水平燃燒實驗結果

表3 垂直燃燒實驗結果

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間，如表4所示。由表4數據可以看出，隨著外加輻射熱通量的增大，材料的引燃時間呈現持續減小的趨勢，所測試的電纜新型材料在延長電纜材料引燃時間方面效果較好。從實驗后電纜外觀方面分析，防火包帶對電纜具有較好的防護效果。包覆有防火包帶電纜與未包覆防火包帶電纜實驗后外觀對比如圖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 不同實驗工況中材料引燃時間

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驗過程中熱釋放速率對比曲線如圖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膨脹發泡形成炭層，一方面由于其導熱系數低，阻礙了熱量向內部電纜的傳遞，另一方面也阻隔了電纜防護和填充材料受熱生成的可燃氣體與空氣中氧氣的接觸，從而減小了電纜樣品燃燒速率，導致熱釋放速率降低。對降低其燃燒的熱危害性具有明顯的效果。

圖8 防火包帶對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 防火包帶對非阻燃電纜氣體釋放特性的影響

2.3 新型材料對電纜持續供電能力的研究

利用電線電纜燃燒完整性實驗儀，針對四類材料開展試驗研究，所得主要實驗結果見表5。對于工況1中的YJV電纜，供火5分30秒后，熔斷器斷開，電纜無法繼續供電，根據標準規定電纜樣品在火災條件下的持續供電能力不合格；對于工況2中包覆有新型材料的電纜，在90分鐘的供火時間以及15分鐘的冷卻時間內，熔斷器未斷，電纜樣品在火災條件下的持續供電能力合格。

表5 完整性實驗主要結果

實驗結果表明，新型材料對于提高電纜在火災條件下的持續供電能力具有明顯的效果。新型材料能使電纜在火災條件下的持續供電能力由不合格提升至合格，持續供電時間得到顯著提升。

3 現場應用

上海位于中國經濟發展的最前沿，電纜應用普及較早，隨著國標及相關行業技術標準的不斷提高以及國網對消防安全等隱患治理的重視，對于中性點非直接接地的小電流運行方式的變電站，在發生單相接地故障時（大部分電力系統故障均為單相接地故障），非故障相對地電壓升高1.732倍，但相間電壓對稱性未被破壞，可以帶故障運行一段時間。由于上海氣候溫和濕潤，地表水豐富，舊電纜極易形成水樹枝等絕緣老化。當發生單相接地故障時，產生弧光重燃過電壓，極易造成電纜絕緣擊穿，且由于允許帶故障升壓運行，極大增加了電纜火災甚至爆炸事故的發生，故需對站內電纜進行整治。

基于該新型材料在電纜火災條件下的防護效果的分析和評價，上海市北地區結合區域內實際電纜運行情況，決定采用此新型材料對月浦站內電纜夾層及通道進行防火阻燃整治。

圖10 月浦站電纜整治后效果圖

在施工過程中，技術人員發現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進行安裝時十分便攜和快速，安裝后不影響周邊電纜線路運行和檢修。材料為網孔式設計方式，具有良好的通風性，有利于空氣流通，運行中電纜產生的熱量可及時散發到外部環境，降低電纜的溫度。通過日常紅外測溫顯示，溫度在正常范圍內，對電纜載流量的影響在合理范圍內。綜上，該新型材料對站內防火防爆阻燃的治理，發揮積極作用，滿足站內電纜層整治的要求。

4 總結

針對近年來電纜火災事故頻發，分析了常用電纜防火與阻燃技術措施。針對傳統包帶使用壽命短等難題，研制出一種新型阻燃防火材料，按國標和相關技術標準對新型材料的應用效果開展實驗研究。研究結果表明該阻燃材料水平法燃燒等級為HB級，垂直法燃燒等級為V-0級，均為各類燃燒材料的最高等級，阻燃性能良好。在電纜防火性能方面，從引燃時間、熱釋放、氣體釋放三個方面證明該材料能有效提高引燃時間，對降低電纜火災的熱危害性和毒性具有較為顯著效果。在增強電纜火災持續供電能力方面，該新型材料具有明顯效果。結合上海市北地區電纜整治實際工作，發現該新型電纜安裝方便，對電纜載流量、溫度等影響均在允許范圍內，驗證了新型防火材料的可行性和實用性。