雄安新區高壓電力電纜阻燃選型思考與建議

劉 哲,沈學良,張明燦

(1.電力規劃設計總院,北京 100120;2.國網雄安新區供電公司,河北 雄安新區 071600;3.中國電建集團河北省電力勘測設計研究院有限公司,河北 石家莊 050031)

0 引言

電纜隧道節省寶貴地面資源,空間利用率高,雄安新區的高壓輸電線路大部分為電纜隧道型式。電纜隧道內電纜布置密集,一旦發生火災,對供電影響較大,容易造成較大面積停電。雄安新區隧道內主要為220 k V 高壓電纜,并為遠期500 k V 高壓電纜預留了空間,若發生火災會危及整個電網的安全運行。

目前,雄安新區發布了DB13(J)8330—2019《雄安新區地下空間消防安全技術標準》,對電纜阻燃等級進行了明確要求,但該要求與110 k V 及以上電壓等級交聯聚乙烯電纜(簡稱“高壓電纜”)類規范要求屬于不同規范體系,不同規范對高壓電纜阻燃特性要求見表1。電力設計單位若僅按DB13(J)8330—2019 執行,將造成嚴重錯誤,因此,需要電力設計單位對國家阻燃系列標準進行溯源與測試體系研究[1]。一味追求阻燃性能的提高,會引出一系列其他問題,雄安新區建設提高高壓電纜阻燃等級時,應對電纜外護套的其他性能展開研究,科學合理地選擇高壓電纜外護套阻燃類型與等級。

表1 相關規范對高壓電力電纜阻燃特性要求

1 阻燃電纜分級標準

阻燃系列國家標準體系分為兩大類,其中一類為參照IEC 標準編寫的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及要求 第1部分:阻燃電纜》,該標準體系的電纜廣泛應用于國內所有場所。另外一類為參照EN歐洲標準編寫的GB 31247—2014《電纜及光纜燃燒性能分級》,該標準體系的電纜廣泛應用在高鐵、地鐵等人口密集場所,對于煙密度、熱釋放、產煙總量等指標都有嚴格的規定,一般使用低煙無鹵材料。電纜燃燒性能分級阻燃等級對應的試驗標準見表2。

表2 電纜阻燃等級相關試驗標準

表1中GB/T 19666—2005《阻燃或耐火電線電纜光纜通則》,燃燒等級分類是電力設計單位熟悉的ZA、ZB、ZC、ZD 等,其根據的試驗方法規范GB 18380.3—2001《電纜在火焰條件下的燃燒試驗 第3部分:成束電線或電纜的燃燒試驗方法》已經作廢,這個試驗規范參照的是IEC 60332-3-25:2000《著火條件下電纜和光纖光纜的試驗 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.D 類》。主要按照試樣非金屬材料體積與供火時間區分阻燃等級。

GA 306.1—2007《阻燃和耐火電纜 塑料絕緣阻燃及耐火電纜分級及要求 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》試驗方法進行分級,主要區別是考慮了煙氣毒性、透光率、耐腐蝕性,把A、B、C 又進行了5個等級的區分。

GB 31247—2014《電纜及光纜燃燒性能分級》是最新的分級標準,對應的試驗方法是GB/T 31248—2014《電纜或光纜在受火條件下火焰蔓延、熱釋放和產煙特性的試驗方法》,參照的是EN 50399:2011著火條件下電纜的通用試驗,火焰蔓延試驗中測量熱釋放量和冒煙量-測試儀器、程序和結果》,主要區別是考慮了火焰蔓延、熱釋放總量、熱釋放速率峰值、產煙總量等判據。

兩個分級體系試驗標準、供火時間、判據都不同,應用的領域也不同。高壓電纜的ZC級阻燃性能與B1級阻燃性能不能相互替代,即使是ZB 分級里面的B級也達不到B1級的要求[2],主要差別是B1級強調了低煙無鹵特性,高壓電纜外護套如果具有低煙無鹵特性,會引起一系列問題。

2 高壓電纜無法選擇B1級的原因

2.1 缺乏低煙防腐材料

如果要達到低煙性能,就需要涂瀝青漆,但是瀝青漆達不到防腐要求,同時歐洲標準也不允許應用瀝青,因此低煙性能就達不到。高壓電纜采用金屬鋁護套,瀝青防腐結構,燃燒時產生大量煙霧,國外一般使用瀝青漆或者熱熔膠,但是這種結構,目前國內沒有廠家生產過,也沒有工程使用過。因此,在高壓電力電纜外護套材料領域,限制了達到B1級別低煙性能的要求。

2.2 低煙無鹵電纜絕緣電阻較低

高壓電纜與中壓電纜(6~35 k V)在電纜外護套材料的使用上區別明顯。因為高壓電力電纜載流量較大,過電壓較高,且為單芯電纜,從運行與安全考慮,外護套需要優良的絕緣性能,因此,高壓電纜外護套為絕緣級,而中壓電纜材料為護套級。低煙無鹵護套材料由于添加了大量的無機阻燃劑,導致護套絕緣電阻比較差[36]。不同護套材料絕緣性能見表3。

表3 不同護套材料的絕緣電阻

按照絕緣性能強弱排序,PE護套≥阻燃PE護套≥PVC護套≥低煙無鹵系列護套。由于這個原因,目前GB/T 11017.1—2014《額定電壓110 k V(Um=126 k V)交聯聚乙烯絕緣電力電纜及其附件第1部分:試驗方法和要求》和GB/T 18890.1—2015《額定電壓220 k V(Um=252 k V)交聯聚乙烯絕緣電力電纜及其附件 第1部分:試驗方法和要求》等高壓電纜標準,都未將低煙無鹵護套料納入標準體系。而與之對應的中壓電纜,由于對護套絕緣性能要求不如高壓電纜苛刻,則已經將低煙無鹵護套料納入標準體系。

2.3 低煙無鹵電纜不利于保護器參數配置

護套絕緣電阻下降,不利于護層保護器(簡稱“保護器”)安全運行。保護器主要對電纜外護套起保護作用,在正常狀態,保護器對地開路,保持絕緣狀態,在雷電沖擊或操作沖擊發生時,產生的過電壓超過保護器的放電電壓時,保護器對地放電,將入侵波導入大地,使之不傷害護套絕緣,當過電壓消失,保護器又迅速恢復成絕緣狀態。

保護器的放電電壓與護套絕緣電阻有關,放電電壓必須低于護套的絕緣水平,但是過低的放電電壓,保護器會頻繁動作,造成保護器損壞或系統不穩定。一般保護器選型按照外護套絕緣電阻良好狀態下進行設計,此時保護器沖擊電壓較高,可以對護套有效保護。護套絕緣電阻快速下降后,當雷電沖擊過電壓或者操作沖擊過電壓發生時,有可能出現保護器沒有動作,但是護套已經出現擊穿的現象。

2.4 低煙無鹵電纜護套強化絕緣電阻與阻燃性能的矛盾

飽和吸水狀態下外護套吸水率以及飽和吸水狀態下的護套絕緣電阻率這2個指標較差。電纜隧道防火形勢嚴峻,阻燃等級是高壓電纜選型的重要考慮因素。阻燃材料是常規護套材料里面添加了阻燃劑等,使得材料具備了阻燃性能,常見護套的阻燃性能見表4。

表4 常見外護套材料阻燃性能比較

阻燃PE是常規PE護套里面添加了阻燃劑。阻燃劑分為無機和有機2種,目前多數以添加無機阻燃劑為主,常用的無機阻燃劑有氧化鎂和氧化鋁等,這2種材料在常規狀態下極易吸水發生水合反應。因此,護套材料采購回來一般會迅速投入生產,否則就容易吸水,導致擠出出現氣孔等不良現象。在將阻燃劑顆粒微小化,表面改性處理,增加材料相容性后,阻燃護套料才具備良好的加工性能。

雄安新區電纜隧道由于存在與其他線性建筑交叉問題,勢必存在一定的坡度,縱然采取了優良的排水措施,也難以避免積水,電纜在長期使用過程中,會有大量時間處于潮濕環境中,水分會逐漸滲透到外護套塑料中。

材料的透水率與材料的分子結構、密度、極性、配方等都有關系。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 材料的透水率要遠小于常規的阻燃材料。材料在水分子透入之后,會造成護套絕緣電阻下降,甚至會加速材料在電、光、化學等因素下降解。

水分侵入電纜的速率與環境、溫度等影響因素有關。高溫下水分侵入電纜的時間要遠小于常溫下的時間。電纜在滿負荷運行過程中,護套表面溫度高達60 ℃,會加速水分的侵入。對于剛投運的電纜護套來說,護套絕緣電阻一般都能滿足要求,但是在運行幾個月之后,就會有大量線路的護套絕緣電阻檢測發現問題。當護套絕緣電阻下降到一定程度后,下降速度會趨于平緩。加入大量無機阻燃劑的低煙無鹵外護套的絕緣性能遠低于高壓電纜常用的PVC 或PE 外護套,因此上述水分子透入過程會更加快速。

2.5 低鹵電纜抗開裂性能差

ST2是PVC護套、ST7是PE護套,老化后的抗張強度均為12.5 N/mm2,斷裂伸長率分別為150%和300%。ST8是低煙無鹵阻燃護套,老化后的抗張強度為9.0 N/mm2,斷裂伸長率為125%。低煙無鹵阻燃護套的抗張強度、斷裂伸長率都差很多。低煙無鹵阻燃護套電纜施工要求嚴格,尤其在北方室外地區,這是由于低煙無鹵護套低溫下容易開裂,甚至在運行過程中也容易出現龜裂現象,國內中低壓電纜已經出現很多起類似的質量故障。

低煙無鹵主要用于室內建筑,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域。

綜上分析,低煙無鹵系列材料比目前的絕緣級阻燃護套材料在部分性能上更差,更加容易出現問題,因此,目前GB/T 11017.1—2014和GB/T 18890.1—2015等高壓電纜標準,都未將低煙無鹵護套料納入標準體系。

3 結論

GB/T 19666—2019《阻燃或耐火電線電纜或光纜通則》的B 級不等同于GB 31247—2014《電纜及光纜燃燒性能分級》的B1級,這兩者對于燃燒的性能要求完全不同,兩者應用場所也不同。當應用于地鐵、高鐵等人員密集場所,可燃物較多,出于對生命和財產安全考慮,采用B1級加強燃燒過程控制是合適的。對于高壓電纜,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,不建議采用GB 31247—2014《電纜及光纜燃燒性能分級》B1或者B2阻燃等級,否則,施工和運維部門將承擔巨大的壓力。

鑒于雄安新區的防火要求嚴格,阻燃等級提高到B級后,對于排管或者直埋無阻燃要求的可選PE外護套(無阻燃添加劑,絕緣電阻性能穩定);隧道中敷設的高壓電纜建議選擇PVC 外護套(缺點是燃燒時釋放有毒氣體,優點是可以通過配方增強耐水性能,絕緣電阻相對PE 的B 級阻燃電纜更穩定)。同時,建議盡快聯合開展外護套的材料與結構研究,從根本上解決護套絕緣電阻下降與阻燃性的矛盾。