民用建筑消防用防火与耐火电缆选型优化分析

李 广 杰

(新亚特电缆股份有限公司, 安徽 芜湖 241003)

0 引 言

据权威部门统计,我国火灾事故中,电气火灾占比达33%,而电气线路(电线电缆)火灾占电气火灾的60%。在各类电气火灾事故中,归其原因主要由于未考虑现代社会用电负荷的快速增长因素,造成电缆线路超载,电缆线路敷设不规范或敷设时造成电缆绝缘机械损伤,长期使用过程中绝缘短路或击穿等;以及非电缆线路原因,如电气设备选择和安装不合理,导体与用电设备接头处接触不良产生打火或接触电阻增大产生高温引燃附近非金属箱盖或其他易燃物等。电线电缆引发的火灾事故触目惊心,关注电线电缆的防火耐火特性及在消防领域的应用,具有非常重要的社会价值和现实意义。

以往关注最多的是防火耐火电缆是如何设计、制造和检验检测,很少在电缆与消防电气设备设施和消防场所之间的连接与应用上面下功夫。场所和消防电气设备选用哪一类防火耐火电缆,虽然相关设计规范中有规定,但比较笼统,本文着眼火灾危险性、建筑耐火极限、消防电气设备在火灾时需要的持续供电时间展开探讨,对电缆的选型进行分析。

1 防火耐火电缆介绍

按照火灾危险性分类,含有非金属材料的电线电缆属于丙类危险性物质,所以电线电缆是可燃的,从阻燃特性来看,分为B1级阻燃、B2级阻燃。对于防火耐火电缆,从定义来看,防火与耐火电缆是有差异的:

防火:“防”的本义指事先阻止发生,防火应理解为本身具有防止燃烧的能力,在消防领域,此类电缆燃烧性能等级为A级,属不燃电缆,如BTTZ、BTTQ、RTTZ等。

耐火:“耐”释义为承受得住,经受得起,在GB/T 19666—2019《阻燃和耐火电缆或光缆 通则》中,耐火被定义为“试样在规定火源和时间下被燃烧时能持续地在指定条件下运行的特性[1]”,电缆具有保持线路完整性的能力,火灾时电缆能在规定的时间内有效运行一定时间,此类电缆较多,有代表性的如BTLY、BBTRZ等。

目前,国内主流防火耐火电缆结构分为以下几类。

1.1 氧化镁矿物绝缘电缆

采用氧化镁作为绝缘材料,铜管作为护套的电缆,国际上称为MI电缆,代表型号为BTTZ、BTTQ,执行标准为GB/T 13033.1—2007《额定电压750 V及以下矿物绝缘电缆及终端第1部分:电缆》。采用的工艺包括氧化镁灌注、铜管拉拔,氧化镁全自动灌装-焊接等,根据工程需要可在铜护套外挤包非金属外护套。氧化镁矿物绝缘电缆结构示意图如图1所示。

1.2 云母带矿物绝缘波纹铜护套电缆

采用合成云母带或煅烧云母带为绕包绝缘的轧纹铜护套电缆,代表型号为RTTZ和YTTW,执行标准为GB/T 34926—2017《额定电压0.6/1 kV及以下云母带矿物绝缘波纹铜护套电缆及终端》和JG/T 313—2014《额定电压0.6/1 kV及以下金属护套无机矿物绝缘电缆及终端》。采用的工艺包括氩弧焊焊接、轧纹,有需要时电缆金属护套外可挤包一层非金属外护套。云母带矿物绝缘波纹铜护套电缆结构示意图如图2所示。

图2 云母带矿物绝缘波纹铜护套电缆结构示意图

1.3 执行企业标准的“柔性”耐火电缆

此类电缆的结构类型多而杂,常见的绝缘结构为云母带绕包和挤包非金属绝缘层复合结构,隔氧层采用隔氧泥挤包、陶瓷化硅橡胶挤包或陶瓷化硅橡胶带绕包结构,金属护套以氩弧焊皱纹铝或铝带连锁铠装结构为主,外护套通常为挤包的橙色无卤低烟阻燃聚烯烃材料。执行企业标准的“柔性”耐火电缆结构示意图如图3所示。

图3 执行企业标准的“柔性”耐火电缆结构示意图

1.4 常规云母带耐火电缆

此类耐火电缆结构简单,较为常见,耐火层由绕包在铜导体外的云母带构成,其型号和技术要求在GB/T 19666—2019中均有规定。常规云母带耐火电缆结构示意图如图4所示。

图4 常规云母带耐火电缆结构示意图

耐火电缆的试验方法如表1所示。

表1 耐火试验方法对比

2 与火灾延续时间有关的规定

从被动防火角度看,消防规范中规定了建筑不同场所的火灾延续时间,在没有主动灭火的情况下,这是不同建筑本身能满足的耐火极限时间,民用建筑不同场所的火灾延续时间汇总如表2所示。从表2可以看出,火灾延续时间3.0 h的场所,可采用防火耐火时间为180 min的电缆;火灾延续时间2.0 h的场所,可采用防火耐火时间为120 min的电缆;火灾延续时间1.0 h的场所,可采用防火耐火时间为90 min的电缆。

表2 民用建筑不同场所的火灾延续时间汇总[5]

从主动灭火角度看,发生火灾后各类消防电气设备开始工作。消防用电设备在火灾发生期间的最少持续供电时间[6]如表3所示。消防用电设备在火灾时持续一段时间可靠工作是应急供配电系统的重要职责,防火耐火的目标就是各类消防用电设备在火灾发生期间,最少持续供电时间应符合表3的规定。表3中规定的持续供电时间是最低要求,也是对应急供配电系统的整体要求,且不是只对电缆的要求,电缆在火灾时要继续承担载流的职责。随着相关规范的不断完善,表3中的数据也会做出相应调整。

表3 消防用电设备在火灾发生期间的最少持续供电时间[6]

就消防设备线路而言,能否达到3 h以上的防火耐火能力,除电线电缆因素外,还有电缆接头、终端以及电缆桥架、槽盒、支架、吊杆等因素,从系统角度来看,防火耐火不单是电线电缆的职责,还要看线路其他设备的防火耐火能力。疏散照明最少持续供电时间[6]如表4所示。

表4 疏散照明最少持续供电时间[6]

3 防火耐火电缆的选择

从火灾的统计数据来看,88%的火灾可在1.5 h之内扑灭,80%的火灾可在1 h之内扑灭,再结合表2、表3和表4中所表述的时间关系,选择电缆时应根据消防场所、消防电气设备有所侧重。由于不同场所及场所中所存储物品火灾危险性不同,造成火灾时热释放速率及热释放总量各有差异,建筑耐火完整性时间是支撑建筑最终倒塌时间的参考,电缆选择时应结合这些因素综合评定,以科学选择、确定导体的截面积和耐火电缆的耐火等级等。

火灾时,可燃物快速燃烧并产生大量的热,这些热量会对电缆本体进行直接传递和辐射传递,使得电缆导体温度同步且迅速升高,导体电阻呈指数增大,形成电-热耦合场[7],当导体温度升高到800 ℃至1 000 ℃时,导体电阻约增大3到5倍,电压降也约为正常时的3到5倍,此时仍应保证电气系统正常工作,电缆选型时,需按此条件校验电压损失,电压损失超标准可能会导致消防用电设备无法起动,火灾工况下导体温升和电压降曲线如图5所示。对于防排烟设备、消防泵和消防电梯等需要较高电压和较大电流方能正常起动的重要消防设备来讲尤为重要。

图5 火灾工况下导体温升和电压降曲线

需耐火+防水+防冲击及防重物坠落损伤时,明敷电缆应采用矿物型防火电缆。

对于地铁、大型体验场馆等有鼠蚁活动的场所,金属铜护套防火电缆应在选型中得到考虑,使电缆具备一定的防鼠蚁功能。

一、二类建筑消防负荷的干线,一些在火灾时执行重要功能的消防设施的电源及控制线路,宜采用矿物绝缘型电缆。若采用有机型耐火电缆明敷,应采用耐火电缆槽盒或穿管保护,同时盒/管表面涂防火涂料。需要明确指出的是,这些重要的用电设备设施包括执行灭火功能的消防喷淋泵,以及那些辅助灭火和逃生的消防电梯、防排烟风机等。

在GB 50116—2013《火灾自动报警系统设计规范》中明确规定了火灾自动报警系统的供电线路、消防联动控制线路,报警总线、消防应急广播和消防专用电话等传输线路应选择的电缆类型。火灾自动报警系统传输线路的线芯截面选择,除应满足自动报警装置技术条件的要求外,还应满足机械强度的要求。铜芯绝缘导线和铜芯电缆线芯的最小截面面积,不应小于表5的规定。铜芯绝缘导线和铜芯电缆线芯的最小截面面积如表5所示。

表5 铜芯绝缘导线和铜芯电缆线芯的最小截面面积

消防火灾报警系统用线缆应用举例,消防火灾报警系统用线缆如表6所示。

表6 消防火灾报警系统用线缆

2)24 V电源线的截面积,应根据具体负载电流、导线长度及被控设备最低工作电压的要求来选取。在实际工程中,防火阀、排烟阀等电磁阀类设备的工作电流比较大,对于由不同输入/输出模块控制的设备,可通过编程实现顺序延时启动,以避免峰值电流冲击。若一只输入/输出模块控制的电磁阀比较多或电流很大,应选择截面积更大的导线。可燃气探测器工作电流较大,24 V电源线铜导体截面积应足够大,必要时采取多路电源线或采取分布供电。

3)火灾之初执行疏散指示标志、应急照明、消防通讯等功能的线路采用ZR-RVS型电线。

4 结 语

综合来看,对于在火灾时需要启动大功率消防设施的线路应考虑采用防火电缆,执行信号传输、联动控制、网络与通讯、广播与电话等功能的,可采用云母带型耐火电缆或具有阻燃自熄功能的电线。

对于高层与超高层建筑,由于有效的建筑面积非常宝贵,电缆井空间十分有限,所以我们不仅要关注防火耐火电缆的设计、制造和质量,还要更多的关注它的应用,尽量减小电缆的外径,减少电缆占用电缆井的空间,减小电缆的热释放速率和热释放总量,以期更好的服务于建筑消防。

防火耐火电缆的选型要根据消防电气设备所需载流量、设备启动电压及信号传输防干扰等各类因素综合考虑,选择此类电缆是人命关天的事,需要慎之又慎。

此外,有些工程为节约电缆成本,在需要耐火电缆的场所使用非耐火电缆,通过在非耐火电缆或电缆槽盒/桥架上涂敷防火涂料来增加其耐火性能延长耐火时间,殊不知,要使电缆达到3.0 h的耐火时间,需采用厚涂型的防火涂料涂敷,涂层厚度达50 mm,是桥架板材厚度的数倍、甚至十几倍。因此,采用防火涂料增加电缆的耐火极限是不现实的。最安全、最负责任的做法是选用防火耐火电缆,来保证消防电气设备线路的运行有效性。