鋼箱梁內敷電纜火災防控現狀及建議分析

章李剛、張慧鋒、何必想

（1.浙江華云電力工程設計咨詢有限公司，浙江 杭州 310015；2.溫州市公路與運輸管理中心，浙江 溫州 325000）

1 鋼箱梁內敷電纜火災防控現狀

為了響應國家建設“兩型”社會的號召，各基建單位、國網電力公司提出了隨橋電纜敷設模式，用以解決跨江越海輸電難題。相較于水（海）底電纜，利用交通橋梁敷設電力電纜可以降低電力輸送的難度，便于搶、檢修工作的進行，從而顯著提升電纜敷設的經濟性和運行可靠性[1]。電力電纜隨橋敷設已在國內外廣泛應用（見表1），其敷設方式主要有防撞護欄外側橋面敷設、橋梁翼緣板下懸掛敷設、箱梁內敷設、橋面下主梁外側敷設等6 種[2]。

表1 國內外隨橋電纜工程

其中，在箱梁內敷設具有可避免重型汽車直接撞擊，運行安全性和可靠性高，不易受太陽輻射、風雨等環境因素影響等優點，已成為電纜隨橋敷設的首選方式。相較于混凝土箱梁，鋼箱梁由于自重小、易拼裝和施工快而被逐漸推廣，其內部空間則成為良好的電纜敷設通道（見圖1）。

圖1 鋼箱梁內敷電纜現場圖

電纜護套材料一般為可燃的聚氯乙烯、聚烯烴和橡膠，在接頭短路、電纜超溫等情況下可引發火災，且火勢非常容易沿著密集敷設的電纜蔓延。電纜火災會對敷設通道（如電纜溝、電力隧道）混凝土結構造成嚴重的破壞（見圖2），而耐高溫性能更差的鋼材可能受到更加嚴重的破壞。此外，電纜燃燒將產生大量高溫、有毒的煙氣，會嚴重威脅橋內人員的安全。鋼箱梁內敷電纜的火災安全問題已成為影響電纜輸電安全、橋梁結構安全的關鍵所在。

圖2 某隧道電纜火災破壞情況

與交通隧道、電力隧道和綜合管廊等狹長受限空間相似，內敷電纜的鋼箱梁也是一種狹長受限空間。這種輸電方式起步較晚，國內外學者所關注的狹長受限空間火災主要集中在交通隧道、電力隧道和綜合管廊等結構中，并在煙氣蔓延特征和溫度分布規律方面取得了長足的進展[3-5]。由于鋼箱梁內部特征兼具常規腔室和狹長通道的特征，現有的電纜火災防控技術適用性尚待進一步分析。

2 致災因素

電力工程中火災主要由電纜燃燒引起，而電纜著火的原因多種多樣。根據電纜著火方式的不同可以分為“自燃”和“點燃”。“自燃”主要是由于線芯發熱與外部散熱未達到平衡而導致絕緣材料溫度升高至燃點，形成由內而外的燃燒；“點燃”主要是由于外部熱源（如電火花和相鄰電纜火焰等）導致的強迫燃燒，形成由外而內的燃燒。具體而言，電纜被引燃的原因主要包括：不可靠連接、空氣電弧、外部熱源、過載和短路等。

2.1 內部因素

不可靠連接的地方一般存在固體氧化物橋及液體發光細絲，其中，固體氧化物橋的電阻遠高于發光細絲。當電流流經不可靠連接位置時，發光細絲的溫度將急劇升高（超過1200℃），將會引燃絕緣材料從而造成電纜燃燒。因此，在電纜保存、運輸和安裝過程中應盡量避免外力損壞，避免不可靠連接。

電纜過載會導致線芯過熱，如果散熱速率小于產熱速率則會導致熱失衡。此外，電纜周圍環境不利于散熱則會進一步導致線芯過熱，比如鋼箱梁內橫、縱隔板交錯，不利于通風散熱，夏季時梁內溫度高達60℃。常見的交聯聚乙烯電纜絕緣層的正常運行溫度是90℃，一旦過載雖然不會立即導致電纜燃燒，長時間過載會加速絕緣層老化甚至熱解產生可燃氣體，在不易通風換氣的鋼箱梁內逐漸囤積，造成安全隱患。電纜絕緣的失效是引發短路的重要原因，電纜短路極易誘發電弧故障。短路時，由于短路電流很大，短時間迸發大量熱量，導致導體溫度迅速升高，絕緣材料電氣性能急劇下降，或變成黏流狀態而擊穿，絕緣擊穿后線芯對地或線芯之間易產生并聯電弧。

2.2 外部因素

外部熱源主要包括施工動火、電火花和相鄰起火電纜等。在外部熱源的持續作用下，電纜絕緣層和外護套將加速形成劣化通道，從而導致電弧和短路等故障，高濕環境下尤甚。PVC 作為一種常見的電纜包覆材料，在160℃下老化10h 和110℃下老化30 天即可劣化，導致電流泄漏。此外，PVC 材料在高溫環境下會熱解出可燃氣體，在電弧或者火花的作用下即可引燃電纜。

空氣電弧是一種氣體放電現象，電流通過某些絕緣介質所產生的瞬間火花，具有較高的熱效應。電纜外護套和絕緣層發生劣化而導致電流泄露，極易產生電弧，其溫度可達6500K，并且可以隨著電弧電流增加而升高。由于電弧的自限流特性，雖然電弧電流遠小于短路電流，但是電弧故障通常能夠持續很長時間，威脅設備安全，甚至會造成兩相或三相短路。

一般而言，電纜的燃燒大部分是上述原因綜合作用所導致。值得注意的是，相比于架空敷設和直埋敷設，如鋼箱梁、綜合管廊、電纜隧道、電纜溝等換熱受限的敷設環境會顯著增大電纜火災的風險。

3 防火技術

由于鋼箱梁材質的熱特性，其耐火性能較差，因此鋼箱梁內敷電纜防火技術需同時關注鋼箱梁結構防火和電纜防火。

3.1 橋梁防火技術

目前，還沒有專門的橋梁工程防火相關規范，更沒有針對鋼箱梁的防火規范。一般情況下，橋梁火災主要是由車輛本身碰撞、自燃和運輸的可燃危化品爆炸引起的。現有研究主要涉及火災高溫對橋梁結構的致損機制、損傷評價及災后修復加固[6-7]，少有涉及具體的橋梁防火技術的研究。

由于橋梁結構種類繁多，火災環境復雜，各種橋梁結構遭遇不同火災時的性能衰變機理還未能全面揭示，橋梁工程現行規范中未涉及橋梁抗火設計的要求。《建筑鋼結構防火技術規范》（GB 51249—2017）中對不同場景下的鋼結構的耐火極限做出了詳細規定，當鋼箱梁在特定火災荷載下不能滿足耐火極限要求時需要加設防火措施，如防火涂裝。《建筑設計防火規范》（GB 50016—2014）對鋼管柱及鋼梁的防火涂料材質、厚度及耐火極限做了相應規定。例如采用LG 防火隔熱涂料、保護層厚度為15mm 的鋼梁耐火極限為1.5h。由于鋼箱梁內部存在較多小空間，會將火源限制在1～2 個小空間內，火災發展特性有別于其他開放或室內火災，受火面的最高溫度尚待確定，對應的防火涂料設計不能直接借鑒《建筑設計防火規范》（GB 50016—2014）。

3.2 電纜防火技術

電力電纜的防火設計是一個系統的工程，包括電纜本體的主動防火設計和敷設環境的被動防火設計。電纜主動防火即是在電纜選型和敷設過程中采取措施防止電纜起火蔓延，而被動防火設計則是在電纜起火之后限制火災發展并及時滅火。主動防火設計一般包括選用阻燃耐火電纜、涂覆防火涂料、包覆阻燃包帶，而被動防火設計則包括施作防火封堵、接頭耐火槽盒、防火隔板（隔斷）以及自動報警滅火系統等。

4 滅火方法

內敷電纜的鋼箱梁是一種受限空間，與電纜隧道（管廊）等受限空間存在一定相似性，相關滅火方法可以借鑒。《城市綜合管廊消防技術規程》（GB 50838—2015）和《城市地下綜合管廊防火技術規程》（T/CECS 838—2021）均指出綜合管廊電纜艙應每隔200m 采用耐火極限不低于3.0h 的防火隔墻進行分隔，當發生火災之后須關閉通風系統，但并未明確給出具體的滅火方法。

現有研究表明，電纜隧道（管廊）火災可以采用“窒息滅火+滅火裝置”的方式進行控制[8]。窒息滅火是通過關閉通風系統和防火門以形成密閉空間，使得艙室內火災缺氧而自行熄滅。為進一步加快滅火效率，需要連鎖啟動密閉空間中的輔助滅火裝置，如細水霧滅火裝置、超細干粉滅火裝置、壓縮空氣泡沫滅火裝置等[9]。鋼箱梁內部縱橫交錯的隔板可形成防火分區，輔之防火門即可在火災發生時形成密閉空間，達成“窒息滅火”目的。考慮建設經濟性、復雜性和運行可靠性，鋼箱梁內部防火分區需根據火災風險大小設置，不得盲目將每一個小空間設置為防火分區。

5 通風排煙

受限空間火災通常會產生高溫的有毒有害煙氣，并嚴重影響救援搶險效率，甚至會造成作業人員健康損傷。由于鋼箱梁結構的封閉特點，內敷電纜燃燒產生的大量有毒、有害氣體（如SO2、CO 等）會在箱梁內部長期聚積，故搶修之前需要對鋼箱梁火災區域進行通風排煙。

同為受限空間的電力隧道（管廊），其相關標準明確規定火災發生后需要進行事故通風，且事故通風頻率不宜低于6 次/h。鑒于電力隧道（管廊）的細長結構特點，其災后事故通風多為采用縱向“自然進風+自然排風”的模式。而鋼箱梁內部存在縱橫交錯的隔板，雖有人孔連通，但縱向通風阻力過大，難以實現有效的通風排煙。針對縱向通風排煙困難的火災場景，現有研究提出了“重點排煙”的方式[10]，即通過準確地控制排煙風管的排煙閥，利用火災事故點最近的排煙閥（口）組織排煙。鋼箱梁內部的隔板已經形成了多個蓄煙空間，火災煙氣會在火災鄰近蓄煙空間填充和蔓延，因此可利用橫縱隔板設計合理尺寸的排煙分區，并設置相應的排煙風機。

6 結論

在廣泛調研了國內外涉及橋梁防火設計和電纜防火設計的研究成果，通過對比分析獲得以下結論和建議：

第一，鋼箱梁內敷電纜火災致災因素可分為內部因素和外部因素，實際火災卻是在多種因素互相誘導下發生的。如外部熱源、過載、不可靠連接、短路等造成的高溫環境容易導致絕緣劣化，加速電弧的形成，從而引燃電纜。

第二，鋼箱梁內敷電纜防火設計應兼顧橋梁結構和電纜本體，橋梁防火設計沒有專門的標準或規范，相近標準或規范中對鋼結構橋梁（如鋼箱梁）僅提供了抗火設計的原則或者流程，尚無具體的技術措施。目前，電纜防火設計主要聚焦在如電力隧道、電力管廊、電纜溝等常規電力工程，具體又可分為主動防火設計和被動防火設計。

第三，考慮到鋼箱梁結構復雜、通風困難，建議充分利用橫、縱隔板的隔斷作用，采用“窒息滅火”的方式進行滅火，并采用“重點排煙”技術進行災后通風排煙。

第四，為進一步提高鋼箱梁內敷電纜火災安全性，可以實行橋纜協同規劃、協同設計、協同施工，并結合國內外規范和工程案例制定專門的防火技術規程。