直流电缆线路消防设计及电缆...性直流输电科技示范工程为例_章婉彤.pdf

光源与照明 总第 176 期 2023 年 1 月 照明电气189作者简介：章婉彤，女，本科，工程师，研究方向为线路电气方向。文章编号：2096-9317（2023）01-0189-03直流电缆线路消防设计及电缆外护套设计方案研究 以厦门柔性直流输电科技示范工程为例章婉彤福建永福电力设计股份有限公司，福建 福州 350000摘要：文章依托厦门柔性直流输电科技示范工程，针对沿海地区直流电缆线路，利用长距离海底隧道敷设的环境条件，创新地提出直流电缆线路消防设计与电缆外护套设计方案，同时满足对海底隧道内电缆防火和防潮性能的要求。关键词：沿海地区；海底隧道；消防方案；直流电缆；外护套分类号：TM773；TM721.10引言目前各城市都有现成的电缆隧道，城市建设跨海类大跨越隧道时，需要综合考虑交通通道、市政管线通道。途径特殊大跨越区域的电缆线路很可能将面临与交通道路、市政管线同隧道，与交流电缆共舱敷设的问题，此时电缆线路消防设计在隧道的安全运行中具有十分重要的作用1。1工程概况厦门柔性直流输电科技示范工程是国家电网公司重点科技示范工程，是世界上第一个采用真双极接线，输送电压和容量双双达到国际之最的柔性直流工程，电压等级为 320 kV，输送容量为 1 000 MW。直流线路起自厦门岛外翔安区新建彭厝换流站，止于岛内湖里区新建湖边换流站。新建直流电缆线路长度约 10.7 km，采用 2 根交联聚乙烯单芯铜导体电力电缆，导体截面为 1 800 mm2；另外根据工程需要设置第3 根电缆作为回流线，回流线标称电压为 10 kV，导体截面为 1 600 mm2。直流线路由三个部分组成，其中厦门岛外段长约 2.3 km，翔安海底隧道段长约 6.2 km，厦门岛内段长约 2.2 km。2直流电缆线路消防设计方案工程直流线路部分全线均采用电缆，除翔安海底隧道段利用已建海底隧道预留的专用电力隧道外，其余段均敷设于电缆专用隧道内。因此，工程线路除需要满足线路工程消防要求外，还需要满足海底隧道主管部门的消防要求。2.1 海底隧道概况厦门翔安海底隧道全长 6.05 km，2010 年 4 月 26 日建成通车，为国内第一条海底隧道。采用三孔隧道方案设计，两侧为行车主洞各设置 3 车道，中孔为服务隧道。主洞隧道建筑限界净宽 13.50 m，净高 5.0 m；服务隧道建筑限界净宽 6.5 m，净高 6 m，隧道洞体上方预留检修车辆兼逃生空间 3.0 m（宽）2.5 m（高），下方预留供水管道空间 2.6 m（宽）2.15 m（高）和高压电缆空间 3.0 m（宽）2.15 m（高）。隧道最深处位于海平面下约 70 m。隧道全线共设 12 处行人横通道和 5 处行车横通道，横通道间距为 300 m。双向六车道的厦门翔安海底隧道通道是厦门岛第五条进出岛通道，兼具公路和城市道路双重功能，形成了厦门市从海上到海底的全天候立体交通格局。同时该通道也是厦门北上泉州、福州等城市的主要通道，安全要求等级极高。厦门柔性直流线路利用服务隧道中高压电缆通道敷设，其中高压电缆通道一侧为已建成投运的厦门电力进岛第四通道，另一侧为工程线路2。2.2 电缆通道火灾危险性分析由于翔安海底隧道的重要性，避免火灾等重大事故的发生，将灾害程度降到最低，是在海底隧道设计阶段的重点工作之一。保证海底隧道的防火安全包括两个方面，一是不因电缆通道的火灾影响海底遂道的正常营运；二是不因海底遂道的火灾影响电缆线路的安全运行3。电缆通道全部独立封闭，运行环境单一，无外界干绕，几乎不会出现由外界因素引起的火灾。照明电气 2023 年 第 1 期 总第 176 期 光源与照明190因此，工程设计仅考虑电缆本体引起的火灾。国际大电网会议文件 CIGRE WE WR 21-06 号分析了电缆线路的故障起源，外力损伤及运行环境不良引起的电缆事故占总事故的 82%，电缆本体引起的火灾所占比例较小。电缆本体故障，如电缆过负荷、短路、绝缘介质老化、受潮、接头氧化、接触电阻增大、电缆接头过热等，会造成电缆着火，此类火灾偶有发生，如辽宁发电厂电缆接头过热引起火灾、黑龙江富拉尔基发电厂电缆沟内发生火灾、吉林浑江发电厂二号循环水控制电缆中间头过热而烧毁沟内所有电缆造成被迫停机事故、上海供电局因电缆中间头过热引起电缆通道火灾导致大面积电缆被烧损和市区局部停电事故等。虽然电缆本体引起火灾的概率很小，但因为工程十分重要，需要将火灾概率减少到最小，因此，需要加强电缆本体的防火防爆设计。2.3 厦门电力进岛第四通道消防设计方案工程作为国家电网科技示范项目，是厦门电网重要的电源点，工程的重要性不言而喻。工程走廊大部分利用已建的厦门进岛第四通道的隧道，并利用翔安海底隧道的电力专用仓，因此，工程的防火防爆等级以高于第四通道的标准配置。由于第四通道在建设初期已经根据交通主管部门的评审意见进行了详细的防火设计，因此，工程主要利用其已有系统平台，补充工程专用部分设备，同时，增加了电缆局放监测系统、电缆接头防爆槽盒等，以使工程安全防火能力更强。2.3.1 电缆通道建设要求（1）电缆通道的防火分类和耐火等级。根据火力发电厂与变电站设计防火标准（GB 502292019），电缆通道属丙类建筑物，其耐火等级为二级。考虑到工程与交通隧道共存，与服务隧道相隔的楼板、进入孔及盖板均按一类隧道要求（耐火极限为 2 h）设计。（2）电缆通道构造和布置。防火分区和安全孔的设置。根据城市电力电缆线路设计技术规定（DL/T 52212016）第 9.4 条，电缆通道每隔 200 m 设 1 防火分区，用阻火墙分隔，阻火墙采用阻火包垒成，厚度为 300 mm，阻火墙上设甲级防火门，防火门平时处于常闭状态，可手动双向开启。电缆通道沿纵向每隔 75 m 设安全孔，供巡检修人员出入，同时当电缆线路故障时，可让人员就近迅速逃离通道。构造措施。电缆通道采用钢筋混凝土结构，进入孔盖板采用钢筋混凝土盖板，其结构的耐火时间按一类隧道（耐火时间为 2 h）设计。（3）移动式灭火器配置。电缆通道以及上方的服务通道内，每隔 50m 设置磷酸铵盐移动式灭火器，作为电缆通道的辅助消防措施。2.3.2 避免外因影响的防火措施（1）弱电及控制电缆。在低、中、高压电缆混杂、电缆数量众多的电缆通道中，因低压电力系统多为中性点不接地系统，线路故障时间长，常因电缆过热着火而引起中、高压电缆燃烧。在电缆通道布置了交流220 kV 电缆 1 回、直流 320 kV 线路 2 根、弱电及控制电缆若干。为防止因弱电及控制电缆故障过热着火而引燃高压电缆，将弱电及控制电缆套入镀锌铁管。（2）电缆通道的温控系统。沿电缆通道全线布置温度监控系统，监视通道气温和电缆的实时运行温度，温控系统与通道通风、消防、报警系统联动，确保电缆线路的安全运行。（3）安全孔。电缆海底通道与服务隧道连通的唯一出口 安全孔平时用混凝土盖板盖上，与服务隧道为两个独立的防火区间，其孔口高出服务隧道路面，防止隧道内的液体可燃物（如汽油等）流入电缆通道。（4）防火阀。在安全孔上的进风口设置防火阀，防火阀平时常开，在周围温度高于 70 时，防火阀自动关闭，这样保证了电缆通道和隧道内的火情不会互相影响。3直流电缆外护套设计方案3.1 电缆外护套的功能（1）机械防护功能。高压 XLPE 绝缘电缆的导体截面大，绝缘厚，大部分为单芯结构。其外护套要能防护电缆金属屏蔽层（金属套及其他屏蔽层）不受敷设环境（直埋、电缆沟、隧道等）有害物质，如水、潮气和其他气体的浸蚀，保持金属屏蔽层对 XLPE 主绝缘的密封。确保绝缘 40 年的运行寿命。（2）绝缘功能。在金属屏蔽层单端接地的情况下，交流电缆运行时，或直流电缆受临近线路影响时，其金属屏蔽层将在线路正常运行工况、短路工况、雷击工况下产生感应电压。因此要求外护套具备相应的绝缘功能。（3）阻燃功能。在多回路电缆隧道敷设条件下，高压电缆还应具有一定的阻燃功能，以在火情发生时起到一定的阻止延燃效果。3.2 电缆外护套的种类目前常用的电缆外护套材料有聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）。PVC 燃烧分解得到的氯气可以阻燃，光源与照明 总第 176 期 2023 年 1 月 照明电气191但 PVC 在燃烧时会释放氯化氢等有毒气体。而且 PVC中加入了大量填料和阻燃剂，机械性能差，抗开裂性能较差，在潮湿、高温、辐射等恶劣环境下使用更容易开裂。PE 具有较好的绝缘性能，其电阻常数为 PVC 的10 倍，同时 PE 的防吸水性能优于 PVC。大连相关人士曾对高压绝缘电缆外护套绝缘电阻做过一次普测，发现 PVC 外护套直埋电缆绝缘下降 50%，而 PE 外护套基本未变化。PE 对丙酮、二甲苯、三氯甲烷、石油乙醚、杂酚油、氢氧化钠等化学药物的耐受性也优于PVC，同时燃烧时 PE 不像 PVC 会释放氯化氢等毒性气体。因此，目前国内高压电缆的外护套多为 PE 材料，福建省所有运行的高压电缆也多用 PE 材料。3.3 外护套设计的专家意见与规范（1）消防审查专家意见。厦门东通道为厦门市重要的公共交通通道，具有低毒性要求，因专家意见明确不允许高压电缆采用 PVC 外护套，要求采用 PE 外护套。（2）电力设计规范。目前，电缆消防设计主要参考规范包括建筑设计防火规范（2018 年版）（GB 500162014）、火力发电厂与变电站设计防火标准（GB 502292019）、建筑灭火器配置设计规范（GB 501402005）、火灾自动报警系统设计规范（GB 50116-2013）、城市电力电缆线路设计技术规定（DL/T 52212016）和 电力工程电缆设计标准（GB 502172018）。根据电力工程电缆设计标准，在人员密集的公共设施，或是有低毒阻燃性防火要求的场所，可选用交联聚乙烯等不含卤素的绝缘电缆；明确需要与环境保护相协调时，不得采用聚氯乙烯外护层。3.4 国内高压电缆常用外护套型式调研结果根据对国内已建隧道高压电缆线路外护套型式的调研情况，PVC 外护套已逐渐被淘汰，PE 外护套成为常规选型方案。福建地区目前已投产的高压电缆线路大部分采用 PE 绝缘外护套，如厦门 220 kV 湖边变配套线路、厦门 220 kV 安兜变配套线路、厦门 220 kV金榜变配套进线、厦门 220 kV 东渡变配套线路、福州220 kV 凤坂变配套进线等多条 220 kV 高压电缆隧道线路均采用 PE 外护套。3.5 电缆外护套的选择根据上述分析，工程电缆外护套不宜选择 PV 材质，因此工程极线与回流线电缆外护套在设计初期选用 PE。为了进一步提高防火性能，对 PE 外护套又进行了选型分析。临近交流线路对极线电缆金属护套感应电压的分析如下：（1）稳态运行时，交流线路对直流正负极金属护套的感应对地电压最大不超过 70 V，正负极金属护套之间的电压最大不超过 20 V；当交流线路双拼线路负荷平衡时，交流线路对直流正负极金属护套的感应对地电压最大不超过 40 V，正负极金属护套之间的电压最大不超过 5 V。（2）交流线路发生单相对地接地故障时，直流电缆金属护套最大对地电压为 171.8 kV，正负极金属护套之间电压为 2.2 kV；三相短路时，直流电缆金属护套最大对地电压为 1.55 kV，正负极金属护套之间电压0.3 kV。由于交流线路单相短路接地故障时，直流电缆金属护套的感应电压较大，因此极线电缆金属护套除了须采用一端直接接地一端保护接地的接地方式外，对电缆外护套也有长期稳定的绝缘能力要求。由于添加了阻燃性添加剂，阻燃 PE 相对于普通PE 具有更好的阻燃性能。但同时其机械性能和绝缘性能却有明显的下降。尤其阻燃 PE 的阻潮气穿透性能差，工程极线电缆位于翔安海底隧道电力仓内靠海侧墙壁，海底隧道目前渗水较严重，潮气很大，长期运行过程中局部段将有可能大量进水。综合考虑隧道内电缆防火和防潮性能要求，工程极线与回流线电缆外护套最终选择采用双层结构，其中外层为阻燃 PE，内层为中密度 PE。4结束语城市输电一般采用电缆网络，随着新型分布式发电的并网与城市的扩大，电缆输电已经在世界范围内得到了推广应用。厦门柔性直流输电科技示范工程的研究成果可为今后此类电缆敷设环境提供有力的指导性依据，从而节约宝贵的电缆通道资源，并提高输电容量。参考文献1 李小潇,牛海清,聂程,等.防火封堵对隧道电缆影响的多场耦合仿真研究J.广东电力,2022,35(9):94-101.2 郝振昆,刘安畅,周菲.电缆隧道消防安全管理问题及对策研究J.中国电力企业管理,2020(32):76-78.3 严有祥,朱婷,张那明,等.交直流电缆共沟敷设电磁环境影响因素J.电工技术学报,2022,37(6):1329-1337.