城市軌道交通耐火電纜應(yīng)用及發(fā)展方向

陳 勇

（上海市隧道工程軌道交通設(shè)計研究院，上海 200235）

軌道交通地下車站空間狹小、濕度高，高峰時段，車站內(nèi)人員密集，一旦發(fā)生火災(zāi)事故，消防滅火、排煙通風(fēng)和人員疏散非常困難。如果不能保證消防供電安全，啟動正確的消防和疏散模式，容易造成大面積人員傷亡事故。軌道交通有著非常可靠的外電源，作為傳輸介質(zhì)的電纜起著至關(guān)重要的作用。對于在火災(zāi)工況下保障軌道交通消防持續(xù)供電的耐火電纜，民用建筑和軌道交通設(shè)計規(guī)范都有明確規(guī)定，隨著軌道交通的不斷發(fā)展，耐火電纜的要求也在不斷提高。

1 消防耐火電纜的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 耐火電纜的產(chǎn)生

瑞士工程師在1894年發(fā)明了礦物絕緣電纜，19世紀末開始運用于工程中。由于礦物絕緣電纜昂貴的造價、精密的制作工藝以及電纜生產(chǎn)長度受限等，20世紀60年代，歐美國家為適應(yīng)陸上建筑物和海上石油平臺防火要求，開始關(guān)注有機聚合物絕緣和護套耐火電纜的研制，以替代氧化鎂礦物絕緣耐火電纜。

1.2 國內(nèi)耐火電纜的研究

隨著改革開放的深入，我國經(jīng)濟高速發(fā)展，電氣火災(zāi)逐年上升，國內(nèi)電纜行業(yè)在20世紀80年代初開始著手研究耐火電線電纜，云母帶還是以進口為主，1987年開始正式投入生產(chǎn)。

1.3 軌道交通耐火電纜的應(yīng)用

國內(nèi)軌道交通耐火電纜運用大致分為3個階段。

第一階段：1990年3月上海地鐵1號線正式開工，由于中、高壓阻燃電纜國內(nèi)技術(shù)尚未成熟，因此全部采用德國AEG、SIEMENS公司進口電纜；消防設(shè)備及應(yīng)急照明用0.6/1kV低壓耐火電纜由國內(nèi)電纜廠提供。隨著國內(nèi)軌道交通的建設(shè)發(fā)展，以云母帶為防火介質(zhì)的有機絕緣耐火電纜成為消防配電線路的唯一選擇。至今，國內(nèi)很多城市軌道交通消防設(shè)備供電的電纜線路，依然是此類耐火電纜，只是根據(jù)現(xiàn)行的設(shè)計規(guī)范，方式改為穿管或封閉橋架內(nèi)敷設(shè)，并涂以防火涂料。

第二階段：鑒于氧化鎂防火和絕緣的優(yōu)異性能，配合銅護套的抗沖擊和抗噴水的特性，氧化鎂礦物絕緣電纜在火焰條件下保持線路完整性的耐火性能得到國內(nèi)外的一致認可。2003年左右，上海地鐵開始啟用此類消防電纜，由于造價較高、大截面電纜敷設(shè)困難、施工工藝要求高等，只是在專用消防設(shè)備（例如消防泵、排煙風(fēng)機等）電纜上選用了氧化鎂礦物絕緣電纜，而另外一部分兼用消防設(shè)備（例如區(qū)間隧道風(fēng)機、排熱風(fēng)機、主廢水泵等）仍采用有機絕緣耐火電纜。國內(nèi)部分城市也相繼采用氧化鎂礦物絕緣和有機絕緣耐火電纜混合搭配，作為消防配電線路。

第三階段：2010年左右，國內(nèi)電纜生產(chǎn)廠家開始著手研究柔性礦物絕緣電纜，將剛性礦物絕緣電纜優(yōu)異的耐火性能和有機絕緣耐火電纜長度不受限制、敷設(shè)方便的特性相結(jié)合，滿足越來越嚴格的消防規(guī)范的要求和工程運用的實用性。在《額定電壓750V及以下金屬護套無機礦物絕緣電纜及終端》（JG/T 313-2011）行業(yè)標(biāo)準引領(lǐng)下，上海、杭州等城市開始將此類電纜運用于軌道交通工程，取代了原來用于配電設(shè)備的剛性礦物絕緣電纜以及環(huán)控電控柜進線大截面有機絕緣電纜，兼用消防設(shè)備仍采用有機絕緣耐火電纜。

2 設(shè)計規(guī)范的規(guī)定

耐火電纜運用與設(shè)計規(guī)范和電纜試驗標(biāo)準的規(guī)定以及更新迭代有著密不可分的聯(lián)系。軌道交通耐火電纜發(fā)展的3個階段，也是國內(nèi)電纜行業(yè)參照國外標(biāo)準發(fā)展，在吸收國外的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，不斷實踐探索，并不斷改進創(chuàng)新的過程。與此同時，制定了我國的設(shè)計規(guī)范和電纜試驗標(biāo)準。

（1）《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB 50157-2013）規(guī)定明敷時應(yīng)采用耐火銅芯電纜或礦物絕緣電纜。耐火銅芯電纜是否穿管或封閉橋架敷設(shè)并涂防火漆，沒有明確規(guī)定。最新出版的《地鐵設(shè)計防火標(biāo)準》（GB 51298-2018）規(guī)定一般消防設(shè)備應(yīng)采用耐火電纜，專用消防設(shè)備宜采用礦物絕緣電纜。

（2）《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》（JGJ/T 16-1992）規(guī)定消防設(shè)備采用耐火電纜，沒有明確敷設(shè)方式，對于消防報警、應(yīng)急照明等線路規(guī)定暗敷于不少于3cm厚非燃燒墻體內(nèi)，明敷時需穿涂防火涂料的金屬管。《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》（JGJ 16-2008）明確了礦物絕緣電纜可以明敷；耐火電纜暗敷于不少于3cm厚非燃燒墻體內(nèi)，明敷時穿金屬管或封閉電纜橋架，并應(yīng)涂防火涂料。

（3）《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB J16-87）規(guī)定耐火電纜暗敷于不少于3cm厚非燃燒墻體內(nèi)，明敷時穿金屬管或封閉電纜橋架，并應(yīng)涂防火涂料。直到《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB 50016-2006）頒布，增加了礦物絕緣電纜，并可以明敷。《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB 50045-95）規(guī)定與《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB J16-87）相同，2005年版《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》增加了礦物絕緣電纜，并可以明敷。2014年兩本規(guī)范合一，要求不變。

3 軌道交通耐火電纜存在的問題

軌道交通消防用電纜，一種是全部用有機絕緣耐火電纜；另一種是大部分用有機絕緣耐火電纜，專用消防設(shè)備采用剛性或者柔性礦物絕緣電纜。

（1）有機絕緣耐火電纜采用金云母帶作為耐火絕緣層，溫度在750～800℃，電壓1000V不擊穿。國家標(biāo)準沒有規(guī)定繞包幾層，可靠性取決于廠家的工藝和良心。

（2）早期軌道交通有機絕緣耐火電纜采用明敷不能滿足防火要求，因為它不具有抗沖擊和噴淋要求。四川消防所2001年試驗證明只有敷設(shè)不少于3cm厚非燃燒墻體內(nèi)，或者明敷時穿金屬管或封閉橋架，并涂防火涂料，才能通過燃燒試驗。

（3）后期軌道交通機絕緣耐火電纜敷設(shè)于封閉電纜橋架，并涂防火涂料。但是軌道交通管線密集，空間狹小，電纜槽盒內(nèi)電力電纜容積率幾乎都達到100%，遠超規(guī)范的40%的規(guī)定。容積率太高，電纜溫升高，載流量下降；消防與非消防電纜混合敷設(shè)，可靠性降低；封蓋不嚴，降低了電纜抗火和抗噴淋可靠性。

（4）剛性礦物絕緣電纜采用氧化鎂作為耐火絕緣層，氧化鎂熔點在2800℃，護套為經(jīng)過退火的銅管或焊接銅帶，可以抵擋燃燒、沖擊和噴淋，依然是消防電纜中最佳之選。但是軌道交通大截面電纜沒有選用，主要原因還是其采用實心導(dǎo)體，長度受限，敷設(shè)接頭多，轉(zhuǎn)彎不方便，施工困難。另外，其價格也比其他耐火電纜高。

（5）柔性礦物絕緣電纜誕生以來，主要出現(xiàn)了YTTW、BTLV和BBTR等產(chǎn)品，從耐火結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場使用來看，還是有待于進一步改進和發(fā)展。YTTW銅護套采用焊接軋紋，因為沒有退火，存在應(yīng)力，容易開裂；銅護套與絕緣層之間有空隙，潮濕空氣容易傾入。BTLV鋁護套外的隔氧層很厚，鋁護套延展性差，導(dǎo)致電纜外徑大，彎曲性能很差。BBTR由于沒有金屬外護套，其抗沖擊和噴淋會差一些。

4 國標(biāo)與英國消防試驗標(biāo)準的差距

無論哪類耐火電纜，都必須滿足電纜試驗標(biāo)準和現(xiàn)場實際需求，國內(nèi)的試驗標(biāo)準參照了IEC標(biāo)準，應(yīng)該說IEC標(biāo)準是國際最低的標(biāo)準要求。柔性礦物絕緣電纜在軌道交通工程中要替代剛性礦物絕緣電纜，其耐火、抗沖擊、抗噴淋性能向英國BS標(biāo)準看齊。

4.1 英國耐火電纜試驗標(biāo)準

（1）Test method for resistance to fire of cable required to maintain circuit integrity under fire conditions（BS 6387:2013）。①適用范圍：額定電壓0.6/1kV及以下，直徑小于等于20mm電纜。②電纜試驗：協(xié)議C、W、Z三類試驗。③協(xié)議C：僅耐受火焰950±40℃燃燒。協(xié)議C耐火試驗裝置圖如圖1所示，試驗裝置包括電纜支撐系統(tǒng)、熱源、電源系統(tǒng)和電路通斷指示。電纜耐受950±40℃燃燒3h。④協(xié)議W：耐受火焰650±40℃燃燒，并直接噴水。協(xié)議W耐火試驗裝置圖如圖2所示，試驗裝置包括電纜支撐系統(tǒng)、熱源、噴水裝置、電源系統(tǒng)和電路通斷指示。電纜耐受650±40℃燃燒，燃燒15min后噴水15min，噴水速度0.25～0.3。⑤協(xié)議Z：耐受火焰950±40℃燃燒，并機械震動。協(xié)議Z耐火試驗裝置圖如圖3所示，試驗裝置包括電纜支撐系統(tǒng)、熱源、沖擊裝置、電源系統(tǒng)和電路通斷指示。電纜耐受950±40℃燃燒，燃燒至少15min，以長600mm、直徑25mm圓鋼，每隔30s敲擊一次電纜支撐板。⑥試驗合格要求。2A熔斷器熔絲不熔斷，指示燈點亮。三個試驗采用不同電纜試樣，每通過一個試驗被認為滿足一個協(xié)議，當(dāng)三個試驗均通過，該電纜判定類別為CWZ。

圖1 協(xié)議C耐火試驗裝置圖

圖2 協(xié)議W耐火試驗裝置圖

圖3 協(xié)議Z耐火試驗裝置圖

（2）Method for assessment of fire integrity of large diameter power cables for use as components for smoke and heat control systems and certain other active fire safety systems（BS 8491:2008）。①適用范圍：額定電壓0.6/1kV及以下，直徑大于20mm電纜。②電纜試驗：耐受火焰830℃+（0～40℃）燃燒，同時機械沖擊和噴水，時間分為30min、60min和120min三種試驗。③試驗程序：耐火試驗裝置圖如圖4所示，試驗裝置包括測試梯、測試墻、熱源、沖擊裝置、噴射器、電源系統(tǒng)和電路通斷指示。電纜耐受830℃+（0～40℃）燃燒，燃燒后以長600mm、直徑25mm圓鋼，大約10N的力，每隔10min直接敲擊電纜。火焰和沖擊結(jié)束前5min，以噴水12.5L/min速度每隔1min噴水，噴水延續(xù)時間5s。④試驗合格要求：2A熔斷器熔絲不熔斷，指示燈點亮。

4.2 國內(nèi)耐火電纜試驗標(biāo)準

（1）2003年頒布了《在火焰條件下電纜或光纜的線路完整性試驗 第11部分：試驗裝置-火焰溫度不低于750℃的單獨供火》（GB/T 19216.11-2003）和《在火焰條件下電纜或光纜的線路完整性試驗 第21部分：試驗步驟和要求-額定電壓0.6/1kV及以下電纜》（GB/T 19216.21-2003），等同于Tests for electric cables under fire conditions-Circuit integrity-Part 11: Apparatus-Fire alone at a flame temperature of at least 750℃（IEC 60331-11：1999）和Tests for electric cables under fire conditions-Circuit integrity-Part 21: Procedures and requirements-Cable of rated voltage up to and including 0.6/1.0 kV（IEC 60331-21：1999）。規(guī)范只規(guī)定了750℃單獨供火90min的要求，試驗裝置同圖1。

（2）2008年頒布了《在火焰條件下電纜或光纜的線路完整性試驗 第12部分：試驗裝置-火焰溫度不低于830℃的供火并施加沖擊》（GB/T 19216.12-2008）和《在火焰條件下電纜或光纜完整性試驗 第31部分：供火并施加沖擊的試驗程序和要求 額定電壓0.6/1kV及以下電纜》（GB/T 19216.31-2008），等同于Tests for electric cables under fire conditions-Circuit integrity-Part 12: Apparatus-Fire with shock at a temperature of at least 830℃（IEC 60331-12：2002）和Tests for electric cables under fire conditions-Circuit integrity-Part 31:Procedures and requirements for fire with shock-Cables of rated voltage up to and including 0.6/1kV（IEC 60331-31：2002）。規(guī)范適用范圍為額定電壓0.6/1kV及以下、直徑大于20mm的電纜，830℃供火120min，并施加5min一次敲擊試驗梯架，試驗裝置如圖4所示，不同處在于缺少噴水裝置且未直接敲擊電纜。

從上面的試驗要求對比可以看到與英國標(biāo)準的差距，英國標(biāo)準從火災(zāi)現(xiàn)場實際需求出發(fā)，電纜具有耐火、抗沖擊和噴淋性能，國內(nèi)標(biāo)準只有耐火、抗沖擊性能，而且抗沖擊還不是直接敲擊電纜。

5 軌道交通耐火電纜發(fā)展方向

隨著規(guī)范和標(biāo)準的日趨嚴格，對軌道交通耐火電纜選用和敷設(shè)方式提出了更高的要求。

（1）有機絕緣耐火電纜必須采用封閉橋架敷設(shè)，并在橋架外涂防火漆。

圖4 耐火試驗裝置圖

（2）耐火電纜與非消防設(shè)備阻燃電纜分橋架敷設(shè)，提高供電可靠性，降低橋架容積率和溫升。

（3）剛性礦物絕緣電纜可以裸敷，其防火性能最優(yōu)。在經(jīng)濟和敷設(shè)空間條件允許情況下，可以作為首選。

（4）每條軌道交通線路耐火電纜品種不宜過多，可以采用有機絕緣耐火電纜和剛性礦物絕緣電纜（柔性礦物絕緣電纜）組合方式。

（5）柔性礦物絕緣電纜抗沖擊和噴淋性能需加強，所以必須采用金屬護套，金屬護套防開裂、密閉性能有待完善。

（6）2017年頒布了柔性礦物絕緣電纜國家標(biāo)準《額定電壓0.6/1kV及以下云母帶礦物絕緣波紋銅護套電纜及終端》（GB/T 34926-2017），對于人員密集場所采用煅燒云母價格太高，金屬護套采用銅護套，這些方面值得探討。

（7）國家標(biāo)準《在火焰條件下電纜或光纜的線路完整性試驗》（GB/T 19216）依然停留在《控制電纜的耐火時間及標(biāo)準》（IEC 60331-1999）1999年版本水平，而該標(biāo)準已經(jīng)在2018年更新，并不斷向英國標(biāo)準靠攏，國標(biāo)也應(yīng)做相應(yīng)更新。

6 結(jié)束語

軌道交通是人員密集場所，每天的早晚高峰人滿為患，不斷提高耐火電纜性能是當(dāng)務(wù)之急。軌道交通耐火電纜選用應(yīng)向英國標(biāo)準靠攏，才能滿足實際火災(zāi)的需求。