电缆防火与在线监控措施

王安才

（攀钢能源动力分公司，四川攀枝花 617062）

前言

在冶金企业的生产过程中，电缆火灾事故时有发生。尤其是电缆隧道内的火灾事故，由于空间狭窄，隧道内电缆敷设密集，以及烟雾的影响和电缆带电运行等，灭火人员进入电缆隧道灭火存在很大的人身安全问题，从而不能及时扑灭火灾，导致事故扩大，有时造成了巨大的损失。

结合电缆火灾分析典型案列，系统分析电缆火灾发生的原因，并提出相应的治理措施，以提高电缆线路的安全运行水平。

1 电缆火灾原因分析

引起电缆发生火灾的原因是多方面的。有外部原因引起的电缆着火；有系统过电压引起的电缆放炮着火；也有电缆材料和施工安装过程中的缺陷引起的电缆放炮着火。外部原因如2015 年某公司钢水进入电缆隧道引起电缆着火；2017 年某工程公司人员在电缆桥架旁焊接管道，火星引燃杂草树枝，将热电主母线送三焦化2#电缆烧坏。这里主要从电缆材料、施工安装和维护管理方面的着火原因进行分析。

1.1 电缆材料质量差

1.1.1 电缆附件质量差

使用了过期的电缆头材料。由于附件老化，塑性降低，制做的电缆头紧密度达不到标准，容易形成空气间隙和水树枝放电，直接影响电缆头的电气绝缘性能。

假冒伪劣附件问题更多，如：材质不纯、管壁薄、外观粗糙、使用年限不长就会出现裂纹老化等现象，而且耐压值也远不如正品。

1.1.2 电缆质量差

劣质电缆往往线芯偏心度大，线芯绝缘层不均匀，或绝缘层偏薄，甚至线芯截面积偏小。制做出的电缆中间头自然接触电阻大，载流量减小。

以一个电缆使用周期统计，在普遍使用铝芯电缆时期的电缆故障明显多于普遍使用铜芯电缆时期的电缆故障。铝的强度不高。纯铝熔点低，易氧化，易断裂。铝的导电性能比铜差。铝芯电缆热稳定性差，在接头部位通常发热较多，在电缆连接处容易发生接触不良的恶性循环，从而导致火灾事故的发生。表1是某公司不同材质高压电缆的故障统计表。

表1 能动供配电作业区6～110 kV铜芯、铝芯电缆运行情况统计表

1.2 电缆施工质量差

一些明显的施工缺陷，是导致电缆事故的直接原因。例如：施工时附件安装位置错位和绝缘端部没有削成锥体，致使铜屏蔽和绝缘端部电场分布不均和电场强度集中，或爬距不够而导致电缆头质量不合格；电缆头制做时防水密封没做好；在阴雨天气或灰尘大的环境中作业，导致电缆头受潮或进入杂质，影响电缆头质量；剥除外半导电层时，刀痕过深，破坏了主绝缘层，或主绝缘层上半导电层没清除干净，造成电气绝缘强度降低；电缆中间头连接金具接触面处理不佳、导体连接时线芯不到位、导体损伤、压力不够等，都会导致电缆中间头接触电阻超过允许值。［1］电缆头接触电阻过大，引起发热是导致电缆故障的一个重要原因。图1是某公司电缆放炮和火灾事故后图片。

图1 电缆中间头放炮事故

电缆头制做工艺粗糙等原因，给电缆发生火灾留下了隐患。据统计，因电缆头故障而导致的电缆火灾、爆炸事故占到电缆总事故的70%左右。

1.3 电缆运行环境差

电缆周边有热源或电缆散热不好，使电缆环境温度较高，导致电缆中间头和本体的温度也同步上升。电缆长期运行温度较高，形成恶性循环，容易发生绝缘老化和热击穿事故。表2是某发电机10 kV电缆在不同环境温度下的本体温度。

表2 25 MW发电机电缆在不同散热地段的温度

电缆被水浸泡。电缆在厂区通常敷设在地下，位置较低，被水浸泡的风险较大。电缆被水浸泡后潮气进入电缆材料与线芯绝缘之间，降低电缆绝缘强度和电气强度，形成水树枝放电，引起电缆事故。2002年12月31日和2003年2月6日，能动分公司坪二变电所送炼钢1#板坯35 kV 方317 电缆2 次被水浸泡后放炮起火，每次都造成较大的经济损失和生产影响。2016 年2 月25 日，新冶炼变电所送新五水1#电缆中间头被水浸泡2 次后放炮，更换隧道内200 m电缆，制做两个中间接头。

1.4 电缆负载过重或温度过高

电缆过负荷运行将导致电缆超温。电缆长期在温度较高状态下运行，将使绝缘老化过速，降低电缆的电气绝缘强度，缩短电缆的使用寿命。图2是某发电机10 kV电缆增容前后的断面图。

图2 25 MW发电机电缆增容前后断面图

能动分公司25 MW 发电机电缆原来是6根ZCYJV-10-1×800 的单芯电缆，A、B、C 三相三角形排列，于2005 年11 月投入运行，经常负荷为1 450 A。在新冶炼至坪一变电所隧道1#-2#电缆井之间环境温度32 ℃时，电缆中间头温度达62 ℃。2011 年，此开路又增加了3 根相同规格型号的电缆，同样在冶坪隧道1#-2#电缆井之间环境温度32 ℃时，电缆中间头温度降为42 ℃。表3 是某发电机10 kV 电缆增容前后相同负荷下的本体温度。

表3 25 MW发电机增加电缆前后的温度

1.5 电缆没有自动灭火装置

电缆没有自动灭火装置，一旦封闭在隧道内的电缆发生火灾，人员不能进入隧道灭火的情况下，只能任由火灾蔓延。

1989 年10 月12 日，供电局向阳变电站配出阳10 电缆放炮起火，导致在向阳变电站至焦化厂隧道1#－2#电缆井之间所有电缆全部烧毁，该公司所有高炉全停。

2009 年3 月26 日17∶26，能动分公司新冶炼变电所送炼铁厂烧结3#受电过流保护跳闸，随后冶烧隧道内15 开路电缆相继跳闸，截至3 月27 日0∶45，隧道内的火被全部扑灭，燃烧时间持续约7 h。事故导致4座高炉停产，造成重大经济损失和生产影响。图3是该起电缆火灾事故局部图片。

图3 2009年3.26冶烧电缆隧道火灾事故现场

这两起重大的电缆火灾事故都是隧道内电缆着火后，没有可靠的灭火措施。从电缆井喷进的水都在地上流，起不到灭火的作用，燃烧到下一个电缆井时，才将火扑灭。

2 电缆火灾的治理措施

引发电缆火灾事故有多方面的原因，它贯穿着电缆的制造、施工安装、维护管理、火灾预防、火灾控制的整个过程。其中任何一个环节出现问题，都会给电缆火灾事故留下隐患。因此，应从质量方面入手，从安全方面控制，改善环境，完善措施，确保电缆稳定运行。

2.1 确保电缆及其施工质量

电缆质量不合格主要表现为电缆耐压不合格、绝缘电阻低、泄漏电流大，电缆头发热严重等。

设计施工中，应选用电缆线芯标准、绝缘层标准、偏心度符合标准的电缆。避免在敷设时对电缆造成伤害，环境复杂的地方宜选用铠装电缆。图4是电缆头制做安装图。

图4 电缆中间头制做

规程规定：电缆中间头的线芯接触电阻不大于电缆本体电阻的1.2 倍。电缆施工后，运行中电缆绝缘强度和电气强度等符合标准，泄漏电流在合格范围内。所使用电缆附件质量可靠，施工人员应熟炼掌握施工工艺，严格按照施工规范进行操作。绝缘表面应清除干净，不得伤及主绝缘。接头应做好防水措施，防止绝缘强度不够拉弧放电造成电缆放炮事故。反应力锥锥面必须光滑，锥面的长度远大于绝缘端部直角边的长度，这样延着锥面的切向场强远小于绝缘直角边的切向场强，延锥面击穿的可能性大大降低，从而提高了电缆头的电气性能。［1］选用压接吨位大、模具吻合好、压坑面积足，压接效果能满足技术要求的压接机具，并做好压接前的界面处理。

2.2 加强电缆的点检维护管理

2.2.1 掌握电缆劣化倾向、实施预知状态维修

建立岗位点检、专职点检、精密点检和技术诊断相结合的电缆管理防护体系。对电缆的温度，负荷电流，定检试验的耐压值、泄漏电流、绝缘电阻等数据进行统计，分析对比，掌握电缆的运行稳定性和劣化倾向程度。通过预知状态维修，以达到充分利用电缆价值和在电缆发生事故前及时将其隐患处理掉。表4是电力电缆点检标准参照表。

表4 点检执行标准登记-工作项目

2.2.2 改善电缆的运行环境

电缆通廊的选择应确保电缆不被外部因素伤害，避开容易地质位移和热辐射的地方。应采取可靠的保证安全的技术措施，使电缆通风散热良好，降低电缆运行环境温度，避免被水浸泡等。

电缆载流量应留有适当余度，不要使电缆载流量刚好能满足负荷电流，负荷电流应占电缆实际载流量的70%～80%为宜。

2.3 安装电缆在线监测装置

当电缆的某一点或局部发热严重时，通过测量该点的温度及其变化率，可及时报告该位置火灾隐患，防止电缆的爆炸或失火。

2.3.1 电缆温度实时监测装置

感温电缆［2］：用感温电缆安装在电缆上，当电缆某处的温度达到感温电缆出厂时的设定值时，感温电缆呈现短路状态报警，通过检则感温电缆的短路状态，可知电缆故障点的大概位置，并及时进行检测和处理。图5是电缆在线测温装置网络图。

图5 电缆在线测温管理装置

测温探头：由于电缆发生故障多在电缆接头处或恶劣环境处，将密闭式集成电路点式感温传感器，放在电缆中的可疑或重要部位，可检测到电缆局部的温度及其变化率，可掌握电缆运行状况和及时发现问题。

离子感温探测器：当火灾事故一旦发生了，它会产生大量的热量和高温。可以通过离子感温探测器来判断电缆隧道中温度的变化，并用最快的速度报告人们火灾发生的位置。

2.3.2 火灾自动报警装置

针对电缆发生火灾后不能及时知道发生火灾和着火点的问题，安装火灾自动报警装置。电缆着火后，其烟雾或温度被安装在隧道顶部的离子感烟探测器或离子感温探测器探测到，立即在控制室主机上报警，值班人员根据报警探头编号就可知道报警位置，并迅速组织人员检查灭火或启动灭火装置灭火。

火灾自动报警系统是由触发装置（探头、手动报警按钮）、火灾报警装置、联动输出装置以及具有其它辅助功能的装置组成。

火灾自动报警系统具有能在火灾初期，将燃烧产生的烟雾、热量、火焰等物理量，通过火灾探测器变成电信号，传输到火灾报警控制器，并同时以声或光的形式通知监测区域。

控制器记录火灾发生的部位、时间等，使人们能够及时发现火灾，并及时采取有效措施，扑灭初期火灾，最大限度的减少因火灾造成的生命和财产损失。图6是火灾报警原理图及探测器。

图6 火灾自动报警系统

这种感烟探测器不仅对烟雾报警，对煤气、灰尘也会报警。所以人员去检查时，要了解设备情况，通过各方面信息综合分析判断，对现场情况有所了解。2016 年5·23 事故3 人在电缆隧道内煤气中毒死亡，就是因为火灾报警探头探测到一氧化碳超标报警后进入隧道处理而造成的。

2.4 安装自动灭火装置

即使加强电缆的施工管理和运行维护管理，完善各种监测手段，也不能完全避免电缆火灾事故的发生。因此，只有寻找采用完善、先进、自动的灭火装置，才能保证电缆燃爆故障时能及时并自动处理不扩大火灾事故，从而保证供电系统的稳定运行和企业的安全生产。

2.4.1 细水雾灭火系统

针对电缆着火后没有自动灭火装置，只能任由火灾蔓延的问题，在重要电缆隧道、变电所地下室、电缆夹层等区域安装细水雾灭火系统。其细水雾能快速全淹没隧道分区的所有空间，利用窒息和冷却原理，迅速将火熄灭。图7 是细水雾灭火系统原理图。

图7 细水雾灭火系统原理图

细水雾灭火技术于20 世纪40 年代用于轮船灭火。自90年代开始，我国也把细水雾灭火系统的开发列入国家“九五”科技攻关项目。细水雾灭火系统对火灾反应速度快、火灾损失小、耗水量低、工程和安装成本低、加上它绿色环保、二次灾害损失小等各方面综合比较，优于传统的气体灭火系统和水喷雾、水喷淋灭火系统，已经越来越多的被用户采用。图8 是细水雾灭火系统泵房、分区控制阀及差定温火灾探测器。

图8 细水雾灭火系统

自2017 年至2020 年，该公司分四期对火灾风险很大的弄弄坪冶烧、冶水、矿槽、冶坪电缆隧道，坪钢、钢铸电缆隧道，坪焦、坪铁、冶电电缆隧道，方轨和方热电缆隧道等完成了细水雾灭火系统的安装调试，总长5 420 m。

2.4.2 安装悬挂式干粉灭火器

在电缆隧道、电缆夹层、变电所或地下室等电缆交叉密集或火灾危险性大的地方，安装悬挂式干粉灭火器，用于自动扑灭电缆火灾。

悬挂式干粉灭火器通常由罐体、感温玻璃喷头、压力表、吊环等部件组成。内装碳酸氢钠干粉灭火剂，然后再充以适量的驱动气体氮气。在喷口部位装有感温玻璃喷头，起火时温度升高，内部的灭火药剂发生分解、汽化和膨胀。当膨胀力超过玻璃管的耐压强度的时候，玻璃管就会发生爆破，从而产生大量的二氧化碳和氨气，对着火区域进行窒息和冷却。

悬挂式干粉灭火器不用敷设管线。其结构轻便、小巧合理。悬挂式干粉自动灭火器是各种消防系统的辅助消防设备。图9是悬挂式干粉灭火器及在电缆隧道内的安装。

该公司通过对主要变配电站所受电电缆的精心维护管理，提高电缆施工质量和监测手段等方法，电缆故障大幅下降，电缆的运行稳定性大幅提高，进一步增强了供电系统的稳定性和确保了各生产单位的正常生产。表5是对电缆更新改造和精心维护前后的统计分析表。

图9 悬挂式干粉灭火器

3 结束语

电缆火灾的预防和控制，以起火为零界点，分为事前预防和事后控制。事前预防措施包括确保电力电缆及附件质量、电缆头质量，改善电缆运行环境，对电缆定期检测试验，设置电缆监测装置等。电缆火灾事后控制措施包括安装火灾自动灭火系统，火灾自动报警装置，防火墙，防火门，防火槽盒，灭火器等。

近年来，能动分公司充分发挥各岗位部门的作用，做好电缆及附属设施的维护检修管理，采取提高电缆施工质量、改善电缆运行环境、增设电缆监测装置和灭火设施等方法，有效的预防和控制了电缆火灾事故的发生。通过检修岗位人员的精心维护，各级管理部门的精细化管理，能动分公司高压电缆故障次数大幅下降，在高压电缆数量增加112 km 的情况下，故障从1989～1999年平均每年8.6次，降到2000～2019 年平均每年4.1 次，故障率减少1.72 次/（a·102km）。电缆着火事故从前10 年的5.7次/a减少到2.1 次/a。

预防和控制电缆火灾事故是一个综合性的课题。它不是靠一种方法或一种措施就可以做到的，它包括从电缆的负载及容量设计、电缆通廊的设计、电缆制造和运输、施工安装、以及维护管理等方面的一个“大设备”体系。只有将各个环节都做好了，才可以减少电缆故障，避免火灾事故的发生。