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城市电缆隧道消防解决方案

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城市电缆隧道消防解决方案

提要: 本文经过对电缆及电缆隧道的火灾危险性和危害性分析以及几种解决方案的比较: 提出某城市电缆隧道应设消防分隔和采取防火阻燃措施, 消防报警应在每层电缆桥架上按弦波形式布置多极线型感温探测器, 应设水喷雾封堵和通风系统, 在危险性大、 重要性强的区域应设水喷雾灭火系统。
关键词: 电缆隧道 消防设计分析 危险性 燃烧特性 危害性 多极线型感温探测器 水喷雾

1、 概况
某城市中心新建有南北、 东西纵横相交的两条电缆隧道, 总长16.7KM, 位于主要交通要道地下约10米处。我们仅对东西向隧道作一详述。该电缆隧道包括主电缆隧道、 分支电缆隧道2415.2m和接头室182m。另外还有分支电缆隧道共计135m, 下接头室25m等, 主电缆隧道断面尺寸为净宽×墙宽=2.6m×2.0m, 采用半圆拱顶。净断面积为7.86㎡。该电缆隧道内主要敷设有两回220KV城市进线电缆( 该进线电缆为市中心供电, 范围包括省、 市政府机关、 邮电和电信枢纽、 多家银行系统、 重要的星级宾馆和LG工厂的生产基地等重要部门主要建筑和各重点企业, 占该市总面积约1/4。) 另有经220KV变电站变压后的10回110KV电缆及32回10KV电缆。

2、 火灾危险性和危害性分析
2.1 电缆火灾的危险性
电缆的绝缘材料、 填充物和覆盖层多是可燃物质, 如橡胶、 塑料、 绝缘油等, 很容易被引燃。特别是聚氯乙烯塑料电缆, 在150℃～270℃的高温时, 电缆虽未着火燃烧, 但易燃气体和黑烟雾已经释放出来, 烟雾中含有大量的HCL的有毒气体, 对人的生命构成威胁。当温度继续升高, 温度升至390℃时, 聚氯乙烯塑料便被引燃。当可燃物重量超过1kg时, 聚氯乙烯一经点烯( 约为450℃) , 就会以20m/min的速度沿着垂直和水平两个方向传播, 燃烧速度惊人。
普通高压动力电缆的自燃温度为355～530℃。充油电缆用的电缆的燃点为165℃。自燃温度为332℃, 一经有外来火源, 能够马上引燃电缆, 火焰以很高速度传播。
电缆的相间距离是很小的, 主要靠绝缘材料绝缘。由于机械损伤或地面下沉, 或腐蚀性气体或液体等, 造成电缆保护层损作, 导致电缆绝缘击穿, 产生电弧, 将绝缘层和填料燃着起火。
电缆终端头和中间T接头室是电缆线路绝缘薄弱环节, 容易引起电缆爆炸。电缆运行中温度较高, 缆芯正常工作温度为50～80℃。长时间在高温下工作, 易使绝缘材料老化, 中间接头易氧化而被引燃。由此可见电缆着火的危险性很大。
2.2 隧道火灾的燃烧特性
电缆隧道属地下空间, 不象地面建筑有玻璃窗与大气相通。普通窗玻璃在温度280℃时就会破碎, 当地面建筑发生火灾时, 70%～80%的热烟能够经过窗口排出建筑物外, 在热烟从窗口上部排出的同时, 窗口下部能够补入空气, 降低房间的火灾的温度。而电缆隧道受条件限制, 与大气相通的孔洞少且面积较小, 火灾发生时, 热烟无法排出, 热量集聚, 散热缓慢, 空间的温度提升很快, 可能较早出现轰燃现象, 涉及之处温度由400℃左右陡燃上升到800～900℃, 会使原来未燃烧的可燃物燃烧, 使火灾空间内的可燃物全部烧着, 空气体积也急剧膨胀, 一氧化碳、 二氧化碳等有害气体的浓度迅速增高。这种高温度浓烟冲到哪里, 哪里的可燃物就会速燃。
2.3电缆火灾的危害性
电缆火灾事故不论何因, 在着火后, 都具有蔓延快、 火热猛、 扑救困难、 损失大等特点。而城市电缆隧道发生火灾, 其传播范围大, 对该城市政治、 经济及投资环境的影响和损失极为巨大; 电缆隧道属下空间, 火灾的人工扑救十分困难, 因其范围广阔, 造成点火源分布和强度有难以预测的危害, 火灾隐患无法估计。
本工程电缆隧道中敷设有该城市中心的两个主要进线电源, 同时敷设有各大重点企业和许多高层或重要建筑的双电源回路。一旦发生火灾, 就意味着建筑消防规范和高层建筑消防规范中所强调的该城市重点企业和主要建筑提供可靠的双电源问题无法得到保证。

3、 消防分隔和防火阻燃措施
本工程电缆隧道的消防设置是根据国家标准《电力工程电缆设计规范》( GB50229-96) 中有关规定而制定的。
3.1合理选择是电缆。可选用足够GB12666.5《电线电缆燃烧实验方法》中A类成束燃烧试验条件的阻燃型电缆或A类耐火强度试验条件的耐火型电缆。
3.2在隧道两侧敷设电缆的位置按每间隔75m设置一道耐火墙。阻火墙高×宽×厚=2m×1m×0.2×, 岩棉材料。在紧靠阻火墙的两侧1m区段内涂加A60-2型膨胀型防火材料或氧指数在45以上的阻燃包带。
3.3在电缆竖井中, 每隔7m设阻火隔火层, 用阻火腻子和无机型防火堵料等防火材料对电缆贯穿的孔洞予以防火封堵。
3.4在隧道内还能够采用诸如防火枕、 防火槽盒和防火门等封堵措施。
上述防火措施均是一些被动防火措施, 它能够延缓火灾的传播。需要指出, 采用难燃型或阻燃电缆, 仍须采取有效的防火延燃的措施。因为: ①阻燃电缆不能理解为具有不会着火的耐火特性。电缆材料经阻燃处理后, 其热分解、 引燃着火自燃起火的温度值, 虽有所提高, 但程度有限。②自熄不意味着不燃, 具有阻燃自熄性电缆仍能够燃烧。聚氯乙烯含有氯, 硬性的能够自熄。然而在实际火灾情况下, 聚氯乙烯能够燃烧, 温度高时燃烧速度更快。因此, 不能认为阻燃电缆在所有情况下, 都能实现阻止延燃而自熄。

4、 消防报警
《火灾自动报警系统设计规范》规定: 长度为750m以上城市地下电缆隧道应设线型感温探测器。根据有关资料及消防规范条文说明, 由于电缆隧道中存在强电磁干扰、 潮湿度可超过95%、 火灾发生时有大量黑烟产生、 且暴发性强、 延燃迅速等, 普通的点型感温、 感烟探测器均不适合该环境条件。早期建设的电缆隧道多设有普通感温探测器, 但由于误报高、 检修维护困难等原因处于瘫痪状态, 有的甚至还取消了火灾自动报警系统。因此, 消防规范规定采用更稳定可靠、 更适合该环境条件下的线型感温探测器自动报警系统保护电缆隧道。可是, 可能由于线型感温探测器产品当前都还不够成熟、 不够完善等原因, 消防规范中没有关于采用何种类型感温探测器, 如何敷设、 如何预防火灾、 发生火灾后如何有效灭火的具体规定。
根据一年多以来, 我们收集到的一些资料, 整理出来几个主流的解决方案, 进行对比, 以期找到一个适合本工程的既稳定可靠又经济适用的解决方案。

主流线型感温电缆隧道探测系统对比表:
对

比

类

型

原 理
优 点
缺 点
设备投资成本
普通1号2芯线型感温探测器
利用2芯导线间的导电介质在某一温度导电性能跃变的特性, 测到跃变就报警。
1、 原理简单, 容易实现; 2、 控制设备简单、 技术成熟; 3、 产品国产化成度高; 4、 产品便宜、 投资低; 5、 系统布线方便
1、 抗干扰能力差, 可靠性差; 2、 报警部分需切除, 检测、 维护较困难; 3、 需根据不同的保护对象选不同的报警温度的电缆, 通用性差
国产产品约40元/米, 接口控制设备约500元/台
带屏蔽多级报警2号4芯线型感温探测器
与1号系统原理类同, 只是具有高、 低温2个报警信号输出。
1、 原理简单、 容易实现; 2、 控制设备简单; 3、 产品国产化程度高, 技术较成熟; 4、 产品较便宜、 投资较省; 5、 带屏蔽保护, 抗干扰能力强; 6、 可靠性较高; 7、 较好地解决了预警、 报警问题; 8、 系统布线方便。
1、 报警部分需切除检测、 维护较困难; 2、 需根据不同的保护对象选择不同报警温度的电缆, 通用性差。
国产产品约75元/米, 接口控制设备约1000元/台
可重复报警3号4芯线型感温探测器
利用4芯导线间的导电介质在不同温度下导电特性的改变, 经过监测分析该变化确定电缆的温度变化情况, 并在温度设定上限时报警。
1、 可连续监视温度变化情况, 比较直观; 2、 可重复报警, 检测维护方便; 3、 电缆通用性好; 4可靠性较高。
1、 原理较复杂, 调试较困难; 2、 国产化低, 感温电缆需进口; 3、 系统布线为多线制, 较复杂; 4、 投资费用高。
进口产品约160元/米, 接口控制设备约2万元/台
可连续监视4号单芯线型感温探测器
利用光在不同温度不同位置的光纤中散射变化, 检测到不同位置的温度连续变化情况, 并在温度超设定上限时报警。
1、 抗干扰能力强; 2、 可靠性高; 3、 可重复报警检测、 维护方便; 4、 可连接监视温度变化情况, 较直观; 5、 光纤通用性高。
1、 原理复杂、 产品还不够成熟; 2、 安装调试困难; 3、 布线较复杂; 4、 投资费用昂贵。
光纤约15元/米, 接口控制设备约10万元/台

经过以上对比, 我们认为2号、 3号系统比较适合本工程。而它们也各有优缺点, 都有需要完善的地方, 从既考虑安全可靠, 又节约投资的角度, 我们认为2号系统更适合本工程。
其具体设计方案如下:
1) 探测器设置: 每个防火分区的每条电缆桥架上正弦波形式布置一根线型感温探测器。
2) 布线: 电缆隧道内设一条报警总线, 探测器经过普通信号模块( 接口控制设备) 联结到报警总线上。
3) 报警功能: 在报警主机上可显示何区何段电缆的预警或报警信号。
4) 联动功能: 经过报警联动主机, 可联动切断预警或报警电缆上的电源; 联动风机降温, 联动水喷雾系统降温或灭火。

5、 关于电缆隧道内设置封堵的问题
电缆隧道属地下空间, 自然环境相对密闭, 电缆进行时不断释放热能。为改进隧道内气候和工作环境, 整个隧道内设置了必要的通风系统。设置通风系统意味着平时将电缆隧道分隔成若干段独立的防火分区, 如果不采取一些措施( 如封堵技术) 整个隧道就只能视为一个防火分区。有资料证明, 电缆起火, 其传播速度就以20m/min沿着垂直和水平两个方向传播, 燃烧速度惊人, 整个电缆隧道内就迅速充满火灾。因此, 对城市电缆隧道有必要进行合理的防火分区。
有关规范中规定, 在隧道两侧安装电缆的位置, 每隔75m设置一道阻火墙。本工程按规定结合安全井的位置设置阻火墙, 同时在紧靠阻火墙两侧1m区段内涂加阻火腻子防火涂为。可解决电缆间的火灾窜燃。仍没有形成一个个独立防火分区。要想实现若干个独立的防火分区, 且不影响空间的畅通性, 便于人员检修维护及区域通风, 只有水雾封堵技术才能满足要求。
水雾封堵技术, 就是利用灭火介质( 水) 本身进行封堵, 在防火分区分隔处将来用水雾喷头特殊布置。系统动作时在区与区之间形成一道水雾墙, 以达到隔火的目的。由于水雾墙是具备相当厚度的高压水雾团, 它能较好地形成氧气窒息带, 从而阻隔火焰传播, 同时对临近的火灾具有冷却作用。这与民用消防中常见的喷淋水幕具有很大区别。

6、 通风
城市电缆隧道一般都建在地表下十几米处, 自然环境相对密闭。隧道内敷设的各种电缆运行时, 电缆损耗较大, 这部分能耗除小部分转化为使电缆振动发声的机械能外, 其它部分主要是以热能的形式释放出来。
根据有关理论, 当电缆运行到一段时间后( 一般为1000h) , 岩壁的吸热已趋稳定, 岩壁调温圈也已达到一定厚度, 电缆运行时不断释放的热能只可能经过三种途径传导出去:
1) 岩壁调温圈与大气层和地壳恒温层进行热交换, 这部分热可经过傅立叶热传导定律计算, 其结果仅占湿热部分的2%～3%。
2) 以潜热的方式( 如水的汽化等) 消耗一部分热能。
3) 绝大部分热能以湿热的方式存在, 即在隧道内的空气进行热交换, 使隧道内的空气温度不断升高。
经过上述有关电缆运行时热能传导途径的叙述可知, 隧道内气候和工作环境也是电缆隧道发生火灾的因素之一。为改进隧道内的气候和工作环境, 防止事故发生, 必须考虑设置通风系统, 供给适量的新鲜空气以排除电缆所释放的热量和可能存在的各种不良气体。

7、 灭火设备选用分析
由于电缆火灾原因是复杂性多的, 在工程运用中, 仅采取一些被动防火措施是不够的, 有必要设置主动消防设施——自动灭火系统, 从而使电缆隧道的火灾处于完全监控中。
自动灭火系统有自动喷水灭火系统、 水幕系统、 1211灭火系统、 干粉灭火系统、 蒸汽灭火系统、 二氧化碳灭火系统、 泡沫灭火系统等, 下面我们分别对上述灭火系统进行分析、 找到适用电缆隧道的自动灭火系统。
7.1自动喷水灭火系统
自动喷水灭火系统根据其工作原理的组成部件的不同, 有五种方式。其中水喷淋灭火系统和水喷雾灭火系统在工程中适用较多。水喷淋的灭火机理主要在于冷却、 冲击作用, 而水喷雾灭火机理则包括冷却、 窒息、 乳化及稀释等作用, 它是以一定的强度经过水雾喷头将水雾化, 以包络覆盖的方式进行灭火, 具有灭火速度快, 火灾扑灭后不复燃, 可靠性高以及具有很好的可持续灭火能力。最新研制的SL-S260系统非电控远程手动自动复位雨淋控制阀, 以及水雾封堵技术的运用, 使得跟踪灭火, 保证将工业火灾在最短时间, 最小范围内扑灭, 使火灾损失降为最低。北京首安工业消防工程有限公司为武汉汉钢集团第三炼钢厂提供的”全厂电缆隧道水喷雾自动灭火系统”迅速而成功地扑救了199年月28日因200钢水意外跑漏而波及到电缆隧道着火的火灾, 为水喷雾灭火系统在电缆隧道中的运用提供了一个实例。
7.2气体灭火系统
气体灭火系统以卤代烷灭火剂的灭火效果最好, 其次是二氧化碳, 根据蒙特利尔协议精神, 卤代烷灭火剂必须逐步限制和以代。最后期限为 。我们国家已在实施中, 二氧化碳灭火系统具有不沾污物品, 没有水渍损失和不导电的优点、 在相对密闭的空间内运用较多。
对于电缆隧道这补长距离大空间, 气体灭火系统要求对其进行分隔, 设置防火门或防火卷帘等以达到气体灭火密封空间。这将影响到隧道通风系统和维护检修的通畅。

8、 结束语:
经过以上分析, 我们认为在城市电缆隧道中除应设置必要的被动灭火措施外, 还应设置主动灭火系统。而水喷雾灭火系统是一种比较理想的主动灭火系统, 它灭火速度快, 火灾扑灭后不复燃, 可靠性高, 同时具有良好的可持续灭火能力。
在城市电缆隧道火灾自动报警系统设计中, 宜采用技术比较成熟, 兼有预警、 报警联动控制功能的带屏蔽多极线型感温探测器的自动报警及联动控制系统。

附录: 电缆隧道火灾案例
1) 1987年12月9日, 某电厂3、 4号机组公用电缆隧道内, 因施工单位使用200W照明灯具挂在电缆支架上, 并紧贴运行电缆, 烤燃下边的工作服, 燃起明火, 烧着了电缆外皮, 造成带电电缆短路, 助长了火势, 引起重大电缆火灾事故。事故共烧毁各种电缆2112m, 直接经济损失3万多元, 事故少发电量1.34×108kwh.
2) 美国大古力水电站电缆事故。美国大古力水电站装机9600MW, 是世界上最大的水力发电站。1981年7月20日, 在一条穿过坝体的电缆隧道内电缆着火, 引起重大火灾事故。火灾烧了其中一部分电缆, 即第三厂中3台700MW机组的电缆, 使3900MW机组中断发电。12月15日2台700MW机组首先恢复发电。火灾发生在三厂至开关站中间, 横穿坝体的廊道和斜井进入开关站处的斜处顶部。起火原因, 初步分析是日本厂家提供的电缆有缺陷, 修复电缆等费用约500万美元。
3) 1987年6月4日, 某电厂3号炉( 410t/h) , 停炉检修时发生电缆着火。因锅炉零米电缆隧道内长期积存的灰水造成电缆短路, 使隧道内的动力、 控制电缆燃烧, 共烧毁6KV动力电缆822m, 380V动力电缆2500m, 以及部分控制电缆, 使机组检修延期。
4) 北京某化工厂, 1982年8月18日, 在距变电所入口侧8.4m处隧道内, 因通风差, 夏季温度高达43℃, 绝缘老化, 致使电缆弧光接地引起短路, 电缆着火, 在密集敷设的146根电缆隧道里全部电缆烧毁。大火持续180min, 烧毁电缆总长度4 m, 直接经济损失68.6万元, 修复时间40天。
5) 1978年11月28日, 鞍山某变电所, 隧道内一根中压电缆运行中因故障产生电弧, 将电缆燃着, 并蔓延扩大至附近20余根电缆全部烧毁。烟气顺着未堵的电缆孔洞窜向变电所, 造成附近供电的生产厂全部停产。烧毁电缆总长度12346m, 直接经济损失60万元, 修复时间40h, 少供电量500×104KWH。