钢箱梁内敷电缆火灾防控现状及建议分析

2022-02-25章李刚张慧锋何必想

运输经理世界 2022年31期

章李刚、张慧锋、何必想

（1.浙江华云电力工程设计咨询有限公司，浙江杭州 310015；2.温州市公路与运输管理中心，浙江温州 325000）

1 钢箱梁内敷电缆火灾防控现状

为了响应国家建设“两型”社会的号召，各基建单位、国网电力公司提出了随桥电缆敷设模式，用以解决跨江越海输电难题。相较于水（海）底电缆，利用交通桥梁敷设电力电缆可以降低电力输送的难度，便于抢、检修工作的进行，从而显著提升电缆敷设的经济性和运行可靠性[1]。电力电缆随桥敷设已在国内外广泛应用（见表1），其敷设方式主要有防撞护栏外侧桥面敷设、桥梁翼缘板下悬挂敷设、箱梁内敷设、桥面下主梁外侧敷设等6 种[2]。

表1 国内外随桥电缆工程

其中，在箱梁内敷设具有可避免重型汽车直接撞击，运行安全性和可靠性高，不易受太阳辐射、风雨等环境因素影响等优点，已成为电缆随桥敷设的首选方式。相较于混凝土箱梁，钢箱梁由于自重小、易拼装和施工快而被逐渐推广，其内部空间则成为良好的电缆敷设通道（见图1）。

图1 钢箱梁内敷电缆现场图

电缆护套材料一般为可燃的聚氯乙烯、聚烯烃和橡胶，在接头短路、电缆超温等情况下可引发火灾，且火势非常容易沿着密集敷设的电缆蔓延。电缆火灾会对敷设通道（如电缆沟、电力隧道）混凝土结构造成严重的破坏（见图2），而耐高温性能更差的钢材可能受到更加严重的破坏。此外，电缆燃烧将产生大量高温、有毒的烟气，会严重威胁桥内人员的安全。钢箱梁内敷电缆的火灾安全问题已成为影响电缆输电安全、桥梁结构安全的关键所在。

图2 某隧道电缆火灾破坏情况

与交通隧道、电力隧道和综合管廊等狭长受限空间相似，内敷电缆的钢箱梁也是一种狭长受限空间。这种输电方式起步较晚，国内外学者所关注的狭长受限空间火灾主要集中在交通隧道、电力隧道和综合管廊等结构中，并在烟气蔓延特征和温度分布规律方面取得了长足的进展[3-5]。由于钢箱梁内部特征兼具常规腔室和狭长通道的特征，现有的电缆火灾防控技术适用性尚待进一步分析。

2 致灾因素

电力工程中火灾主要由电缆燃烧引起，而电缆着火的原因多种多样。根据电缆着火方式的不同可以分为“自燃”和“点燃”。“自燃”主要是由于线芯发热与外部散热未达到平衡而导致绝缘材料温度升高至燃点，形成由内而外的燃烧；“点燃”主要是由于外部热源（如电火花和相邻电缆火焰等）导致的强迫燃烧，形成由外而内的燃烧。具体而言，电缆被引燃的原因主要包括：不可靠连接、空气电弧、外部热源、过载和短路等。

2.1 内部因素

不可靠连接的地方一般存在固体氧化物桥及液体发光细丝，其中，固体氧化物桥的电阻远高于发光细丝。当电流流经不可靠连接位置时，发光细丝的温度将急剧升高（超过1200℃），将会引燃绝缘材料从而造成电缆燃烧。因此，在电缆保存、运输和安装过程中应尽量避免外力损坏，避免不可靠连接。

电缆过载会导致线芯过热，如果散热速率小于产热速率则会导致热失衡。此外，电缆周围环境不利于散热则会进一步导致线芯过热，比如钢箱梁内横、纵隔板交错，不利于通风散热，夏季时梁内温度高达60℃。常见的交联聚乙烯电缆绝缘层的正常运行温度是90℃，一旦过载虽然不会立即导致电缆燃烧，长时间过载会加速绝缘层老化甚至热解产生可燃气体，在不易通风换气的钢箱梁内逐渐囤积，造成安全隐患。电缆绝缘的失效是引发短路的重要原因，电缆短路极易诱发电弧故障。短路时，由于短路电流很大，短时间迸发大量热量，导致导体温度迅速升高，绝缘材料电气性能急剧下降，或变成黏流状态而击穿，绝缘击穿后线芯对地或线芯之间易产生并联电弧。

2.2 外部因素

外部热源主要包括施工动火、电火花和相邻起火电缆等。在外部热源的持续作用下，电缆绝缘层和外护套将加速形成劣化通道，从而导致电弧和短路等故障，高湿环境下尤甚。PVC 作为一种常见的电缆包覆材料，在160℃下老化10h 和110℃下老化30 天即可劣化，导致电流泄漏。此外，PVC 材料在高温环境下会热解出可燃气体，在电弧或者火花的作用下即可引燃电缆。

空气电弧是一种气体放电现象，电流通过某些绝缘介质所产生的瞬间火花，具有较高的热效应。电缆外护套和绝缘层发生劣化而导致电流泄露，极易产生电弧，其温度可达6500K，并且可以随着电弧电流增加而升高。由于电弧的自限流特性，虽然电弧电流远小于短路电流，但是电弧故障通常能够持续很长时间，威胁设备安全，甚至会造成两相或三相短路。

一般而言，电缆的燃烧大部分是上述原因综合作用所导致。值得注意的是，相比于架空敷设和直埋敷设，如钢箱梁、综合管廊、电缆隧道、电缆沟等换热受限的敷设环境会显著增大电缆火灾的风险。

3 防火技术

由于钢箱梁材质的热特性，其耐火性能较差，因此钢箱梁内敷电缆防火技术需同时关注钢箱梁结构防火和电缆防火。

3.1 桥梁防火技术

目前，还没有专门的桥梁工程防火相关规范，更没有针对钢箱梁的防火规范。一般情况下，桥梁火灾主要是由车辆本身碰撞、自燃和运输的可燃危化品爆炸引起的。现有研究主要涉及火灾高温对桥梁结构的致损机制、损伤评价及灾后修复加固[6-7]，少有涉及具体的桥梁防火技术的研究。

由于桥梁结构种类繁多，火灾环境复杂，各种桥梁结构遭遇不同火灾时的性能衰变机理还未能全面揭示，桥梁工程现行规范中未涉及桥梁抗火设计的要求。《建筑钢结构防火技术规范》（GB 51249—2017）中对不同场景下的钢结构的耐火极限做出了详细规定，当钢箱梁在特定火灾荷载下不能满足耐火极限要求时需要加设防火措施，如防火涂装。《建筑设计防火规范》（GB 50016—2014）对钢管柱及钢梁的防火涂料材质、厚度及耐火极限做了相应规定。例如采用LG 防火隔热涂料、保护层厚度为15mm 的钢梁耐火极限为1.5h。由于钢箱梁内部存在较多小空间，会将火源限制在1～2 个小空间内，火灾发展特性有别于其他开放或室内火灾，受火面的最高温度尚待确定，对应的防火涂料设计不能直接借鉴《建筑设计防火规范》（GB 50016—2014）。

3.2 电缆防火技术

电力电缆的防火设计是一个系统的工程，包括电缆本体的主动防火设计和敷设环境的被动防火设计。电缆主动防火即是在电缆选型和敷设过程中采取措施防止电缆起火蔓延，而被动防火设计则是在电缆起火之后限制火灾发展并及时灭火。主动防火设计一般包括选用阻燃耐火电缆、涂覆防火涂料、包覆阻燃包带，而被动防火设计则包括施作防火封堵、接头耐火槽盒、防火隔板（隔断）以及自动报警灭火系统等。

4 灭火方法

内敷电缆的钢箱梁是一种受限空间，与电缆隧道（管廊）等受限空间存在一定相似性，相关灭火方法可以借鉴。《城市综合管廊消防技术规程》（GB 50838—2015）和《城市地下综合管廊防火技术规程》（T/CECS 838—2021）均指出综合管廊电缆舱应每隔200m 采用耐火极限不低于3.0h 的防火隔墙进行分隔，当发生火灾之后须关闭通风系统，但并未明确给出具体的灭火方法。

现有研究表明，电缆隧道（管廊）火灾可以采用“窒息灭火+灭火装置”的方式进行控制[8]。窒息灭火是通过关闭通风系统和防火门以形成密闭空间，使得舱室内火灾缺氧而自行熄灭。为进一步加快灭火效率，需要连锁启动密闭空间中的辅助灭火装置，如细水雾灭火装置、超细干粉灭火装置、压缩空气泡沫灭火装置等[9]。钢箱梁内部纵横交错的隔板可形成防火分区，辅之防火门即可在火灾发生时形成密闭空间，达成“窒息灭火”目的。考虑建设经济性、复杂性和运行可靠性，钢箱梁内部防火分区需根据火灾风险大小设置，不得盲目将每一个小空间设置为防火分区。

5 通风排烟

受限空间火灾通常会产生高温的有毒有害烟气，并严重影响救援抢险效率，甚至会造成作业人员健康损伤。由于钢箱梁结构的封闭特点，内敷电缆燃烧产生的大量有毒、有害气体（如SO2、CO 等）会在箱梁内部长期聚积，故抢修之前需要对钢箱梁火灾区域进行通风排烟。

同为受限空间的电力隧道（管廊），其相关标准明确规定火灾发生后需要进行事故通风，且事故通风频率不宜低于6 次/h。鉴于电力隧道（管廊）的细长结构特点，其灾后事故通风多为采用纵向“自然进风+自然排风”的模式。而钢箱梁内部存在纵横交错的隔板，虽有人孔连通，但纵向通风阻力过大，难以实现有效的通风排烟。针对纵向通风排烟困难的火灾场景，现有研究提出了“重点排烟”的方式[10]，即通过准确地控制排烟风管的排烟阀，利用火灾事故点最近的排烟阀（口）组织排烟。钢箱梁内部的隔板已经形成了多个蓄烟空间，火灾烟气会在火灾邻近蓄烟空间填充和蔓延，因此可利用横纵隔板设计合理尺寸的排烟分区，并设置相应的排烟风机。