雄安新区高压电力电缆阻燃选型思考与建议

刘 哲,沈学良,张明灿

(1.电力规划设计总院,北京 100120;2.国网雄安新区供电公司,河北 雄安新区 071600;3.中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司,河北 石家庄 050031)

0 引言

电缆隧道节省宝贵地面资源,空间利用率高,雄安新区的高压输电线路大部分为电缆隧道型式。电缆隧道内电缆布置密集,一旦发生火灾,对供电影响较大,容易造成较大面积停电。雄安新区隧道内主要为220 k V 高压电缆,并为远期500 k V 高压电缆预留了空间,若发生火灾会危及整个电网的安全运行。

目前,雄安新区发布了DB13(J)8330—2019《雄安新区地下空间消防安全技术标准》,对电缆阻燃等级进行了明确要求,但该要求与110 k V 及以上电压等级交联聚乙烯电缆(简称“高压电缆”)类规范要求属于不同规范体系,不同规范对高压电缆阻燃特性要求见表1。电力设计单位若仅按DB13(J)8330—2019 执行,将造成严重错误,因此,需要电力设计单位对国家阻燃系列标准进行溯源与测试体系研究[1]。一味追求阻燃性能的提高,会引出一系列其他问题,雄安新区建设提高高压电缆阻燃等级时,应对电缆外护套的其他性能展开研究,科学合理地选择高压电缆外护套阻燃类型与等级。

表1 相关规范对高压电力电缆阻燃特性要求

1 阻燃电缆分级标准

阻燃系列国家标准体系分为两大类,其中一类为参照IEC 标准编写的GB/T 19666—2015《阻燃或耐火电线电缆或光缆通则》与GA 306.1—2007《阻燃和耐火电缆 塑料绝缘阻燃及耐火电缆分级及要求 第1部分:阻燃电缆》,该标准体系的电缆广泛应用于国内所有场所。另外一类为参照EN欧洲标准编写的GB 31247—2014《电缆及光缆燃烧性能分级》,该标准体系的电缆广泛应用在高铁、地铁等人口密集场所,对于烟密度、热释放、产烟总量等指标都有严格的规定,一般使用低烟无卤材料。电缆燃烧性能分级阻燃等级对应的试验标准见表2。

表2 电缆阻燃等级相关试验标准

表1中GB/T 19666—2005《阻燃或耐火电线电缆光缆通则》,燃烧等级分类是电力设计单位熟悉的ZA、ZB、ZC、ZD 等,其根据的试验方法规范GB 18380.3—2001《电缆在火焰条件下的燃烧试验 第3部分:成束电线或电缆的燃烧试验方法》已经作废,这个试验规范参照的是IEC 60332-3-25:2000《着火条件下电缆和光纤光缆的试验 第3-25部分:垂直安装的成束电线或电缆的垂直火焰蔓延的试验.D 类》。主要按照试样非金属材料体积与供火时间区分阻燃等级。

GA 306.1—2007《阻燃和耐火电缆 塑料绝缘阻燃及耐火电缆分级及要求 第1 部分:阻燃电缆》,按照GB 18380.31~36—2008《电缆在火焰条件下的燃烧试验》试验方法进行分级,主要区别是考虑了烟气毒性、透光率、耐腐蚀性,把A、B、C 又进行了5个等级的区分。

GB 31247—2014《电缆及光缆燃烧性能分级》是最新的分级标准,对应的试验方法是GB/T 31248—2014《电缆或光缆在受火条件下火焰蔓延、热释放和产烟特性的试验方法》,参照的是EN 50399:2011着火条件下电缆的通用试验,火焰蔓延试验中测量热释放量和冒烟量-测试仪器、程序和结果》,主要区别是考虑了火焰蔓延、热释放总量、热释放速率峰值、产烟总量等判据。

两个分级体系试验标准、供火时间、判据都不同,应用的领域也不同。高压电缆的ZC级阻燃性能与B1级阻燃性能不能相互替代,即使是ZB 分级里面的B级也达不到B1级的要求[2],主要差别是B1级强调了低烟无卤特性,高压电缆外护套如果具有低烟无卤特性,会引起一系列问题。

2 高压电缆无法选择B1级的原因

2.1 缺乏低烟防腐材料

如果要达到低烟性能,就需要涂沥青漆,但是沥青漆达不到防腐要求,同时欧洲标准也不允许应用沥青,因此低烟性能就达不到。高压电缆采用金属铝护套,沥青防腐结构,燃烧时产生大量烟雾,国外一般使用沥青漆或者热熔胶,但是这种结构,目前国内没有厂家生产过,也没有工程使用过。因此,在高压电力电缆外护套材料领域,限制了达到B1级别低烟性能的要求。

2.2 低烟无卤电缆绝缘电阻较低

高压电缆与中压电缆(6~35 k V)在电缆外护套材料的使用上区别明显。因为高压电力电缆载流量较大,过电压较高,且为单芯电缆,从运行与安全考虑,外护套需要优良的绝缘性能,因此,高压电缆外护套为绝缘级,而中压电缆材料为护套级。低烟无卤护套材料由于添加了大量的无机阻燃剂,导致护套绝缘电阻比较差[36]。不同护套材料绝缘性能见表3。

表3 不同护套材料的绝缘电阻

按照绝缘性能强弱排序,PE护套≥阻燃PE护套≥PVC护套≥低烟无卤系列护套。由于这个原因,目前GB/T 11017.1—2014《额定电压110 k V(Um=126 k V)交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件第1部分:试验方法和要求》和GB/T 18890.1—2015《额定电压220 k V(Um=252 k V)交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件 第1部分:试验方法和要求》等高压电缆标准,都未将低烟无卤护套料纳入标准体系。而与之对应的中压电缆,由于对护套绝缘性能要求不如高压电缆苛刻,则已经将低烟无卤护套料纳入标准体系。

2.3 低烟无卤电缆不利于保护器参数配置

护套绝缘电阻下降,不利于护层保护器(简称“保护器”)安全运行。保护器主要对电缆外护套起保护作用,在正常状态,保护器对地开路,保持绝缘状态,在雷电冲击或操作冲击发生时,产生的过电压超过保护器的放电电压时,保护器对地放电,将入侵波导入大地,使之不伤害护套绝缘,当过电压消失,保护器又迅速恢复成绝缘状态。

保护器的放电电压与护套绝缘电阻有关,放电电压必须低于护套的绝缘水平,但是过低的放电电压,保护器会频繁动作,造成保护器损坏或系统不稳定。一般保护器选型按照外护套绝缘电阻良好状态下进行设计,此时保护器冲击电压较高,可以对护套有效保护。护套绝缘电阻快速下降后,当雷电冲击过电压或者操作冲击过电压发生时,有可能出现保护器没有动作,但是护套已经出现击穿的现象。

2.4 低烟无卤电缆护套强化绝缘电阻与阻燃性能的矛盾

饱和吸水状态下外护套吸水率以及饱和吸水状态下的护套绝缘电阻率这2个指标较差。电缆隧道防火形势严峻,阻燃等级是高压电缆选型的重要考虑因素。阻燃材料是常规护套材料里面添加了阻燃剂等,使得材料具备了阻燃性能,常见护套的阻燃性能见表4。

表4 常见外护套材料阻燃性能比较

阻燃PE是常规PE护套里面添加了阻燃剂。阻燃剂分为无机和有机2种,目前多数以添加无机阻燃剂为主,常用的无机阻燃剂有氧化镁和氧化铝等,这2种材料在常规状态下极易吸水发生水合反应。因此,护套材料采购回来一般会迅速投入生产,否则就容易吸水,导致挤出出现气孔等不良现象。在将阻燃剂颗粒微小化,表面改性处理,增加材料相容性后,阻燃护套料才具备良好的加工性能。

雄安新区电缆隧道由于存在与其他线性建筑交叉问题,势必存在一定的坡度,纵然采取了优良的排水措施,也难以避免积水,电缆在长期使用过程中,会有大量时间处于潮湿环境中,水分会逐渐渗透到外护套塑料中。

材料的透水率与材料的分子结构、密度、极性、配方等都有关系。高密度PE透水率要小于低密度PE,高分子量PE要小于低分子量PE。一般情况下,非极性材料透水率要小于极性材料,比如PE透水率要小于PVC,非阻燃PE 材料的透水率要远小于常规的阻燃材料。材料在水分子透入之后,会造成护套绝缘电阻下降,甚至会加速材料在电、光、化学等因素下降解。

水分侵入电缆的速率与环境、温度等影响因素有关。高温下水分侵入电缆的时间要远小于常温下的时间。电缆在满负荷运行过程中,护套表面温度高达60 ℃,会加速水分的侵入。对于刚投运的电缆护套来说,护套绝缘电阻一般都能满足要求,但是在运行几个月之后,就会有大量线路的护套绝缘电阻检测发现问题。当护套绝缘电阻下降到一定程度后,下降速度会趋于平缓。加入大量无机阻燃剂的低烟无卤外护套的绝缘性能远低于高压电缆常用的PVC 或PE 外护套,因此上述水分子透入过程会更加快速。

2.5 低卤电缆抗开裂性能差

ST2是PVC护套、ST7是PE护套,老化后的抗张强度均为12.5 N/mm2,断裂伸长率分别为150%和300%。ST8是低烟无卤阻燃护套,老化后的抗张强度为9.0 N/mm2,断裂伸长率为125%。低烟无卤阻燃护套的抗张强度、断裂伸长率都差很多。低烟无卤阻燃护套电缆施工要求严格,尤其在北方室外地区,这是由于低烟无卤护套低温下容易开裂,甚至在运行过程中也容易出现龟裂现象,国内中低压电缆已经出现很多起类似的质量故障。

低烟无卤主要用于室内建筑,人员密集地方,比如车站、地铁、公共建筑。电力隧道不属于人员密集区域。

综上分析,低烟无卤系列材料比目前的绝缘级阻燃护套材料在部分性能上更差,更加容易出现问题,因此,目前GB/T 11017.1—2014和GB/T 18890.1—2015等高压电缆标准,都未将低烟无卤护套料纳入标准体系。

3 结论

GB/T 19666—2019《阻燃或耐火电线电缆或光缆通则》的B 级不等同于GB 31247—2014《电缆及光缆燃烧性能分级》的B1级,这两者对于燃烧的性能要求完全不同,两者应用场所也不同。当应用于地铁、高铁等人员密集场所,可燃物较多,出于对生命和财产安全考虑,采用B1级加强燃烧过程控制是合适的。对于高压电缆,建议采用GB/T 19666—2019《阻燃或耐火电线电缆或光缆通则》要求的B 阻燃等级,不建议采用GB 31247—2014《电缆及光缆燃烧性能分级》B1或者B2阻燃等级,否则,施工和运维部门将承担巨大的压力。

鉴于雄安新区的防火要求严格,阻燃等级提高到B级后,对于排管或者直埋无阻燃要求的可选PE外护套(无阻燃添加剂,绝缘电阻性能稳定);隧道中敷设的高压电缆建议选择PVC 外护套(缺点是燃烧时释放有毒气体,优点是可以通过配方增强耐水性能,绝缘电阻相对PE 的B 级阻燃电缆更稳定)。同时,建议尽快联合开展外护套的材料与结构研究,从根本上解决护套绝缘电阻下降与阻燃性的矛盾。