城市轨道交通耐火电缆应用及发展方向

陈 勇

（上海市隧道工程轨道交通设计研究院，上海 200235）

轨道交通地下车站空间狭小、湿度高，高峰时段，车站内人员密集，一旦发生火灾事故，消防灭火、排烟通风和人员疏散非常困难。如果不能保证消防供电安全，启动正确的消防和疏散模式，容易造成大面积人员伤亡事故。轨道交通有着非常可靠的外电源，作为传输介质的电缆起着至关重要的作用。对于在火灾工况下保障轨道交通消防持续供电的耐火电缆，民用建筑和轨道交通设计规范都有明确规定，随着轨道交通的不断发展，耐火电缆的要求也在不断提高。

1 消防耐火电缆的应用现状

1.1 耐火电缆的产生

瑞士工程师在1894年发明了矿物绝缘电缆，19世纪末开始运用于工程中。由于矿物绝缘电缆昂贵的造价、精密的制作工艺以及电缆生产长度受限等，20世纪60年代，欧美国家为适应陆上建筑物和海上石油平台防火要求，开始关注有机聚合物绝缘和护套耐火电缆的研制，以替代氧化镁矿物绝缘耐火电缆。

1.2 国内耐火电缆的研究

随着改革开放的深入，我国经济高速发展，电气火灾逐年上升，国内电缆行业在20世纪80年代初开始着手研究耐火电线电缆，云母带还是以进口为主，1987年开始正式投入生产。

1.3 轨道交通耐火电缆的应用

国内轨道交通耐火电缆运用大致分为3个阶段。

第一阶段：1990年3月上海地铁1号线正式开工，由于中、高压阻燃电缆国内技术尚未成熟，因此全部采用德国AEG、SIEMENS公司进口电缆；消防设备及应急照明用0.6/1kV低压耐火电缆由国内电缆厂提供。随着国内轨道交通的建设发展，以云母带为防火介质的有机绝缘耐火电缆成为消防配电线路的唯一选择。至今，国内很多城市轨道交通消防设备供电的电缆线路，依然是此类耐火电缆，只是根据现行的设计规范，方式改为穿管或封闭桥架内敷设，并涂以防火涂料。

第二阶段：鉴于氧化镁防火和绝缘的优异性能，配合铜护套的抗冲击和抗喷水的特性，氧化镁矿物绝缘电缆在火焰条件下保持线路完整性的耐火性能得到国内外的一致认可。2003年左右，上海地铁开始启用此类消防电缆，由于造价较高、大截面电缆敷设困难、施工工艺要求高等，只是在专用消防设备（例如消防泵、排烟风机等）电缆上选用了氧化镁矿物绝缘电缆，而另外一部分兼用消防设备（例如区间隧道风机、排热风机、主废水泵等）仍采用有机绝缘耐火电缆。国内部分城市也相继采用氧化镁矿物绝缘和有机绝缘耐火电缆混合搭配，作为消防配电线路。

第三阶段：2010年左右，国内电缆生产厂家开始着手研究柔性矿物绝缘电缆，将刚性矿物绝缘电缆优异的耐火性能和有机绝缘耐火电缆长度不受限制、敷设方便的特性相结合，满足越来越严格的消防规范的要求和工程运用的实用性。在《额定电压750V及以下金属护套无机矿物绝缘电缆及终端》（JG/T 313-2011）行业标准引领下，上海、杭州等城市开始将此类电缆运用于轨道交通工程，取代了原来用于配电设备的刚性矿物绝缘电缆以及环控电控柜进线大截面有机绝缘电缆，兼用消防设备仍采用有机绝缘耐火电缆。

2 设计规范的规定

耐火电缆运用与设计规范和电缆试验标准的规定以及更新迭代有着密不可分的联系。轨道交通耐火电缆发展的3个阶段，也是国内电缆行业参照国外标准发展，在吸收国外的经验基础上，不断实践探索，并不断改进创新的过程。与此同时，制定了我国的设计规范和电缆试验标准。

（1）《地铁设计规范》（GB 50157-2013）规定明敷时应采用耐火铜芯电缆或矿物绝缘电缆。耐火铜芯电缆是否穿管或封闭桥架敷设并涂防火漆，没有明确规定。最新出版的《地铁设计防火标准》（GB 51298-2018）规定一般消防设备应采用耐火电缆，专用消防设备宜采用矿物绝缘电缆。

（2）《民用建筑电气设计规范》（JGJ/T 16-1992）规定消防设备采用耐火电缆，没有明确敷设方式，对于消防报警、应急照明等线路规定暗敷于不少于3cm厚非燃烧墙体内，明敷时需穿涂防火涂料的金属管。《民用建筑电气设计规范》（JGJ 16-2008）明确了矿物绝缘电缆可以明敷；耐火电缆暗敷于不少于3cm厚非燃烧墙体内，明敷时穿金属管或封闭电缆桥架，并应涂防火涂料。

（3）《建筑设计防火规范》（GB J16-87）规定耐火电缆暗敷于不少于3cm厚非燃烧墙体内，明敷时穿金属管或封闭电缆桥架，并应涂防火涂料。直到《建筑设计防火规范》（GB 50016-2006）颁布，增加了矿物绝缘电缆，并可以明敷。《高层民用建筑设计防火规范》（GB 50045-95）规定与《建筑设计防火规范》（GB J16-87）相同，2005年版《高层民用建筑设计防火规范》增加了矿物绝缘电缆，并可以明敷。2014年两本规范合一，要求不变。

3 轨道交通耐火电缆存在的问题

轨道交通消防用电缆，一种是全部用有机绝缘耐火电缆；另一种是大部分用有机绝缘耐火电缆，专用消防设备采用刚性或者柔性矿物绝缘电缆。

（1）有机绝缘耐火电缆采用金云母带作为耐火绝缘层，温度在750～800℃，电压1000V不击穿。国家标准没有规定绕包几层，可靠性取决于厂家的工艺和良心。

（2）早期轨道交通有机绝缘耐火电缆采用明敷不能满足防火要求，因为它不具有抗冲击和喷淋要求。四川消防所2001年试验证明只有敷设不少于3cm厚非燃烧墙体内，或者明敷时穿金属管或封闭桥架，并涂防火涂料，才能通过燃烧试验。

（3）后期轨道交通机绝缘耐火电缆敷设于封闭电缆桥架，并涂防火涂料。但是轨道交通管线密集，空间狭小，电缆槽盒内电力电缆容积率几乎都达到100%，远超规范的40%的规定。容积率太高，电缆温升高，载流量下降；消防与非消防电缆混合敷设，可靠性降低；封盖不严，降低了电缆抗火和抗喷淋可靠性。

（4）刚性矿物绝缘电缆采用氧化镁作为耐火绝缘层，氧化镁熔点在2800℃，护套为经过退火的铜管或焊接铜带，可以抵挡燃烧、冲击和喷淋，依然是消防电缆中最佳之选。但是轨道交通大截面电缆没有选用，主要原因还是其采用实心导体，长度受限，敷设接头多，转弯不方便，施工困难。另外，其价格也比其他耐火电缆高。

（5）柔性矿物绝缘电缆诞生以来，主要出现了YTTW、BTLV和BBTR等产品，从耐火结构和现场使用来看，还是有待于进一步改进和发展。YTTW铜护套采用焊接轧纹，因为没有退火，存在应力，容易开裂；铜护套与绝缘层之间有空隙，潮湿空气容易倾入。BTLV铝护套外的隔氧层很厚，铝护套延展性差，导致电缆外径大，弯曲性能很差。BBTR由于没有金属外护套，其抗冲击和喷淋会差一些。

4 国标与英国消防试验标准的差距

无论哪类耐火电缆，都必须满足电缆试验标准和现场实际需求，国内的试验标准参照了IEC标准，应该说IEC标准是国际最低的标准要求。柔性矿物绝缘电缆在轨道交通工程中要替代刚性矿物绝缘电缆，其耐火、抗冲击、抗喷淋性能向英国BS标准看齐。

4.1 英国耐火电缆试验标准

（1）Test method for resistance to fire of cable required to maintain circuit integrity under fire conditions（BS 6387:2013）。①适用范围：额定电压0.6/1kV及以下，直径小于等于20mm电缆。②电缆试验：协议C、W、Z三类试验。③协议C：仅耐受火焰950±40℃燃烧。协议C耐火试验装置图如图1所示，试验装置包括电缆支撑系统、热源、电源系统和电路通断指示。电缆耐受950±40℃燃烧3h。④协议W：耐受火焰650±40℃燃烧，并直接喷水。协议W耐火试验装置图如图2所示，试验装置包括电缆支撑系统、热源、喷水装置、电源系统和电路通断指示。电缆耐受650±40℃燃烧，燃烧15min后喷水15min，喷水速度0.25～0.3。⑤协议Z：耐受火焰950±40℃燃烧，并机械震动。协议Z耐火试验装置图如图3所示，试验装置包括电缆支撑系统、热源、冲击装置、电源系统和电路通断指示。电缆耐受950±40℃燃烧，燃烧至少15min，以长600mm、直径25mm圆钢，每隔30s敲击一次电缆支撑板。⑥试验合格要求。2A熔断器熔丝不熔断，指示灯点亮。三个试验采用不同电缆试样，每通过一个试验被认为满足一个协议，当三个试验均通过，该电缆判定类别为CWZ。

图1 协议C耐火试验装置图

图2 协议W耐火试验装置图

图3 协议Z耐火试验装置图

（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适用范围：额定电压0.6/1kV及以下，直径大于20mm电缆。②电缆试验：耐受火焰830℃+（0～40℃）燃烧，同时机械冲击和喷水，时间分为30min、60min和120min三种试验。③试验程序：耐火试验装置图如图4所示，试验装置包括测试梯、测试墙、热源、冲击装置、喷射器、电源系统和电路通断指示。电缆耐受830℃+（0～40℃）燃烧，燃烧后以长600mm、直径25mm圆钢，大约10N的力，每隔10min直接敲击电缆。火焰和冲击结束前5min，以喷水12.5L/min速度每隔1min喷水，喷水延续时间5s。④试验合格要求：2A熔断器熔丝不熔断，指示灯点亮。

4.2 国内耐火电缆试验标准

（1）2003年颁布了《在火焰条件下电缆或光缆的线路完整性试验 第11部分：试验装置-火焰温度不低于750℃的单独供火》（GB/T 19216.11-2003）和《在火焰条件下电缆或光缆的线路完整性试验 第21部分：试验步骤和要求-额定电压0.6/1kV及以下电缆》（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）。规范只规定了750℃单独供火90min的要求，试验装置同图1。

（2）2008年颁布了《在火焰条件下电缆或光缆的线路完整性试验 第12部分：试验装置-火焰温度不低于830℃的供火并施加冲击》（GB/T 19216.12-2008）和《在火焰条件下电缆或光缆完整性试验 第31部分：供火并施加冲击的试验程序和要求 额定电压0.6/1kV及以下电缆》（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）。规范适用范围为额定电压0.6/1kV及以下、直径大于20mm的电缆，830℃供火120min，并施加5min一次敲击试验梯架，试验装置如图4所示，不同处在于缺少喷水装置且未直接敲击电缆。

从上面的试验要求对比可以看到与英国标准的差距，英国标准从火灾现场实际需求出发，电缆具有耐火、抗冲击和喷淋性能，国内标准只有耐火、抗冲击性能，而且抗冲击还不是直接敲击电缆。

5 轨道交通耐火电缆发展方向

随着规范和标准的日趋严格，对轨道交通耐火电缆选用和敷设方式提出了更高的要求。

（1）有机绝缘耐火电缆必须采用封闭桥架敷设，并在桥架外涂防火漆。

图4 耐火试验装置图

（2）耐火电缆与非消防设备阻燃电缆分桥架敷设，提高供电可靠性，降低桥架容积率和温升。

（3）刚性矿物绝缘电缆可以裸敷，其防火性能最优。在经济和敷设空间条件允许情况下，可以作为首选。

（4）每条轨道交通线路耐火电缆品种不宜过多，可以采用有机绝缘耐火电缆和刚性矿物绝缘电缆（柔性矿物绝缘电缆）组合方式。

（5）柔性矿物绝缘电缆抗冲击和喷淋性能需加强，所以必须采用金属护套，金属护套防开裂、密闭性能有待完善。

（6）2017年颁布了柔性矿物绝缘电缆国家标准《额定电压0.6/1kV及以下云母带矿物绝缘波纹铜护套电缆及终端》（GB/T 34926-2017），对于人员密集场所采用煅烧云母价格太高，金属护套采用铜护套，这些方面值得探讨。

（7）国家标准《在火焰条件下电缆或光缆的线路完整性试验》（GB/T 19216）依然停留在《控制电缆的耐火时间及标准》（IEC 60331-1999）1999年版本水平，而该标准已经在2018年更新，并不断向英国标准靠拢，国标也应做相应更新。

6 结束语

轨道交通是人员密集场所，每天的早晚高峰人满为患，不断提高耐火电缆性能是当务之急。轨道交通耐火电缆选用应向英国标准靠拢，才能满足实际火灾的需求。