電纜隧道火災(zāi)事故特點與滅火系統(tǒng)研究綜述

曾曉亮，李富祥，李明偉，譚文強，宋 宇，王方強

(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院, 四川 成都 610041；2.國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041；3.國網(wǎng)四川省電力公司綿陽供電公司，四川 綿陽 621000)

0 引 言

隨著中國社會和經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市電力輸送逐漸由地上架空線路向地下隧道深入發(fā)展。電纜隧道可抵御外界惡劣氣候的影響，極大地提高了城市輸電線路維護保養(yǎng)的便利性，也有效緩解了地面空間緊缺的壓力。截至2021年年底，國網(wǎng)四川省電力公司成都供電公司共有地下電纜8467 km，其中110 kV及以上電纜1473 km，電纜隧道310 km，長度排名全國第二，僅次于北京。然而，電纜隧道具有空間封閉性、潛在可燃物較多、火災(zāi)撲救難度大等特點，一旦發(fā)生火災(zāi)就會造成嚴(yán)重后果，嚴(yán)重威脅城市電網(wǎng)的安全運行[1-2]。2020年5月4日凌晨，位于西安市高新區(qū)的地下隧道綜合體工程施工現(xiàn)場內(nèi)電纜橋架起火，多條電纜線路故障，造成周邊區(qū)域約6000戶用戶停電。2009年2月10日，昆明市區(qū)東南部由于高壓電纜外護套被盜引發(fā)短路起火，造成兩回220 kV電纜、兩回110 kV電纜燒損，220 kV官渡變電站等多個變電站全站失壓，導(dǎo)致昆明市區(qū)東南部發(fā)生大面積停電，影響惡劣。因此研究電纜隧道火災(zāi)事故發(fā)生的原因和特點，分析電纜隧道滅火系統(tǒng)的適用性，有利于預(yù)防電纜隧道火災(zāi)，減少電纜隧道火災(zāi)事故造成的損失和影響。

1 電纜隧道火災(zāi)事故原因分析

電纜隧道內(nèi)存在較多的可燃物，主要包括電纜護套層、絕緣層材料及電纜接頭中的環(huán)氧樹脂等可燃物，引起電纜隧道發(fā)生火災(zāi)的原因可分為電纜自身故障引起著火和外界因素引發(fā)著火。據(jù)相關(guān)研究統(tǒng)計，約30%的電纜隧道火災(zāi)事故源于電纜自身故障，其余約70%的事故由外界因素引起[3-5]。

電纜自身故障主要包括3個方面：1)電纜接地不良或短路。電纜接地不良導(dǎo)致電纜護套層懸浮電壓升高，擊穿絕緣的電弧可能引燃電纜，發(fā)生火災(zāi)。電纜受水浸漬或其他原因?qū)е码娎|發(fā)生接地和短路事故時，過電流將引起電纜過熱而自燃。2)電纜及其附件質(zhì)量或施工工藝不達標(biāo)。電纜本身質(zhì)量不達標(biāo)，或電纜接頭因制造、安裝工藝不良等，可能導(dǎo)致運行中電纜接頭氧化、局部發(fā)熱或爆炸引起火災(zāi)。3)電纜絕緣老化或長期過負荷運行。電纜使用壽命一般為15～20年，運行時間的增加會使其逐漸老化，容易引起自燃。此外，長期過負荷運行也將損壞電纜絕緣，容易造成電纜短路起火。

外界因素較為復(fù)雜，主要包括3個方面：1)施工引起的焊接火花飛濺或機械性損傷。施工過程中，電氣焊接產(chǎn)生的火花飛濺，可能會引起電纜火災(zāi)；外力導(dǎo)致的電纜機械性損傷，可能導(dǎo)致接地故障并引發(fā)火災(zāi)。2)外部火災(zāi)蔓延引燃。電纜隧道防火措施不完善，可能造成外部火災(zāi)侵入，引燃電纜從而擴大火災(zāi)事故。3)鼠害。電纜隧道內(nèi)冬暖夏涼，是老鼠的“理想”棲息地，電纜容易被老鼠咬壞并造成接地或短路起火。

2 電纜隧道火災(zāi)事故特點

電纜隧道屬地下建筑物，無法自然采光，且為狹長的管道空間。這些建筑構(gòu)造特點決定其火災(zāi)事故主要呈現(xiàn)以下特點：

1)起火點隱蔽，初期難以被發(fā)現(xiàn)。封閉性是電纜隧道的基本特點，而且其空間結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多樣，使起火點的位置在火災(zāi)初期無法被及時發(fā)現(xiàn)，因此難以對初期火災(zāi)采取有效的滅火措施，也無法對其進行有效控制，最終可能造成嚴(yán)重后果。

2)氣熱難以擴散，火災(zāi)蔓延速度快。電纜隧道發(fā)生火災(zāi)事故后，受到地形等自然因素限制，產(chǎn)生的氣熱難以快速擴散，煙氣積聚達到一定閾值后會出現(xiàn)爆燃的情況。由于電纜堆疊密集布置、可燃物連續(xù)排列、通道狹小熱量不易排出等特點，火勢會沿著電纜線迅速蔓延燃燒。電纜燃燒過程中還會釋放出大量高濃度可燃氣體和濃煙，在隧道內(nèi)特定氣流作用下，溫度、濃煙急劇上升，將進一步加速火勢的蔓延。實驗表明，電纜火災(zāi)傳播速度一般可達20 m/min，即使在電纜發(fā)生爆炸后迅速切斷電源，也難以控制火勢[6]。

3)空間狹窄，滅火難度大。一方面，電纜隧道內(nèi)部具有較大的縱深且空間狹窄，電纜橋架密集堆放，影響滅火救援行動的實施；另一方面，電纜隧道封閉且照明條件差，發(fā)生火災(zāi)時，隧道內(nèi)迅速充滿有毒有害煙氣(一氧化碳和氯化氫等)，能見度低，嚴(yán)重危害救援人員身體健康并影響滅火救援行動。因此，電纜隧道一旦著火，滅火搶救非常困難。

4)損失嚴(yán)重，恢復(fù)困難。電纜隧道著火，常常會造成嚴(yán)重的火災(zāi)，不僅燒毀大量的電纜和電氣設(shè)備，還會引發(fā)大范圍的停電，嚴(yán)重影響人們的生產(chǎn)生活。電纜隧道發(fā)生火災(zāi)，后期修復(fù)難度極大、時間長，也會造成巨大的經(jīng)濟損失。

3 電纜隧道滅火系統(tǒng)比較分析

目前，比較成熟的滅火系統(tǒng)種類較多，主要有水噴霧滅火系統(tǒng)、高壓細水霧滅火系統(tǒng)、氣體滅火系統(tǒng)、氣溶膠滅火系統(tǒng)、超細干粉滅火系統(tǒng)等，其中在電纜隧道和綜合管廊電力艙中應(yīng)用業(yè)績較為成熟的是高壓細水霧滅火系統(tǒng)和超細干粉滅火系統(tǒng)等[7-10]。下面將從滅火機理、滅火性能、空間利用和成本等方面綜合比較分析幾種滅火系統(tǒng)的優(yōu)劣，從而結(jié)合電纜隧道火災(zāi)特點及投資選用合適的滅火系統(tǒng)。

3.1 水噴霧滅火系統(tǒng)

水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)相對比較成熟，適用范圍廣，滅火機理主要為表面冷卻、窒息、乳化及稀釋等作用。相比其他滅火系統(tǒng)，水噴霧滅火系統(tǒng)具有設(shè)備簡單、滅火速度快、不復(fù)燃、可靠性高、持續(xù)滅火能力強等特點，但存在系統(tǒng)用水量大、消防后需大量排水，可能影響電力電纜的絕緣性等不足[7，11-12]。電纜隧道空間狹長且封閉，不適合鋪設(shè)大直徑水噴霧滅火系統(tǒng)，并且由于無法及時排除大量積水及影響電纜絕緣性等不足，不建議在電纜隧道中使用水噴霧滅火系統(tǒng)。

3.2 高壓細水霧滅火系統(tǒng)

高壓細水霧是通過向特殊的噴嘴加壓，使水在空間中形成細小的水霧狀態(tài)(微米級尺寸)，隔離火焰和被保護對象，通過吸熱、表面冷卻、隔離、窒息等綜合作用實現(xiàn)滅火。與其他滅火系統(tǒng)相比，高壓細水霧具有用水量少、滅火效果好、可撲救電氣火災(zāi)等優(yōu)點，在電力設(shè)施滅火系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，但也存在前期安裝成本高、安裝工藝復(fù)雜、對水質(zhì)和管材要求高等不足。

文獻[13]選取“霧滴粒徑”為研究對象，依據(jù)相關(guān)地下綜合管廊電力艙的設(shè)計參數(shù)，采用數(shù)值模擬方法，研究了“霧滴粒徑”對電纜橋架底層火場溫度、滅火時間和火災(zāi)熱釋放速率的影響規(guī)律，提出在實際工程中采用粒徑為75～100 μm的高壓細水霧滅火系統(tǒng)具有較好的滅火效果。文獻[14]則研究了霧滴粒徑對I型結(jié)構(gòu)地下綜合管廊滅火效果的影響。通過火災(zāi)數(shù)值模擬，分析了溫度場、煙氣流動以及能見度變化情況，實驗結(jié)果表明霧滴粒徑越小對煙氣層沉降的影響越顯著。在研究的6種粒徑細水霧中，50 μm高壓細水霧滅火效果最好，200 μm高壓細水霧降溫效果最快。

文獻[15]利用FDS建立了全尺寸綜合管廊模型，研究了高壓細水霧滅火系統(tǒng)噴頭壓力對滅火效率的影響，實驗結(jié)果表明：適當(dāng)增加噴頭壓力有利于提高滅火效率，但噴頭壓力過大可能導(dǎo)致最大熱釋放速率波動變大，不利于滅火；當(dāng)噴頭壓力為17 MPa時，滅火效果最好。文獻[16]在自建的綜合管廊實體火災(zāi)試驗平臺上，開展了不同工況下的高壓細水霧滅火系統(tǒng)局部應(yīng)用與全淹沒應(yīng)用的滅火試驗研究，結(jié)果表明：對于綜合管廊電力艙，宜采用全淹沒滅火方式的高壓細水霧滅火系統(tǒng)；若采用局部滅火方式，需同時對著火分區(qū)與相鄰分區(qū)噴射細水霧，并保證一定的噴霧強度和滅火區(qū)間。文獻[7]則從技術(shù)性能、設(shè)計方案和全生命周期成本等3個方面對常用的幾種滅火系統(tǒng)進行了對比分析，結(jié)果表明高壓細水霧滅火系統(tǒng)在設(shè)計使用合理性、滅火性能和全生命周期成本方面均具有優(yōu)勢。

研究者們對高壓細水霧滅火系統(tǒng)的霧滴粒徑、噴頭壓力、管網(wǎng)布置和安裝成本等重要影響因素進行了深入研究，結(jié)果表明高壓細水霧滅火系統(tǒng)在綜合滅火效果、性價比以及設(shè)計適用合理性等方面均具有顯著優(yōu)勢，也是目前在電纜隧道中應(yīng)用較為廣泛和成熟的滅火系統(tǒng)[17-19]。

3.3 氣體滅火系統(tǒng)

氣體滅火系統(tǒng)是以氣體作為滅火介質(zhì)，絕大部分為全淹沒應(yīng)用滅火方式，在密閉空間內(nèi)滅火效果好。盡管二氧化碳及六氟丙烷滅火系統(tǒng)可用于開放空間的局部應(yīng)用滅火，但所需滅火劑濃度較高。目前，氣體滅火介質(zhì)很多，主要有二氧化碳、七氟丙烷、IG541混合氣體和全氟己酮等，其中七氟丙烷滅火介質(zhì)具有較高的性價比，市場占有份額高達47%，是中國目前應(yīng)用最多的氣體滅火介質(zhì)[20]。氣體滅火系統(tǒng)具有清潔無殘留、密閉空間滅火效率高等優(yōu)點，但也存在儲瓶間占地面積大、全生命周期成本高、無法撲滅復(fù)燃火災(zāi)等不足。

文獻[20]以全氟己酮滅火劑局部應(yīng)用滅火技術(shù)為研究對象，對旋芯噴嘴的霧化特性進行了深入研究，結(jié)果表明：溫度升高、霧化半角變大、粒徑變小等均會導(dǎo)致滅火流量增大，其中霧化半角對滅火流量的影響最為顯著；根據(jù)實體滅火模型計算結(jié)果，局部應(yīng)用高度在3.5～5.0 m區(qū)間內(nèi)滅火流量較低，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠滅火。文獻[21]對比了備壓式和儲壓式兩種七氟丙烷滅火系統(tǒng)的特點和應(yīng)用區(qū)別，結(jié)果表明備壓式七氟丙烷滅火系統(tǒng)更適合用于城市綜合管廊，具有輸送距離更遠(可達200m)、充裝密度更大、輸送能力更強、資金投入相對較低等優(yōu)勢。文獻[7]從防火分區(qū)內(nèi)氣體滅火系統(tǒng)配置、全生命周期成本等方面，詳細對比了氣體滅火系統(tǒng)和其他常見滅火系統(tǒng)在電力電纜艙室的應(yīng)用特點，相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果表明七氟丙烷等氣體滅火系統(tǒng)占地空間大、藥劑量大，不宜保護長距離電纜隧道和綜合管廊，此外還存在資金投入高等不足。因此，目前氣體滅火系統(tǒng)主要應(yīng)用于短距離封閉空間內(nèi)的全淹沒應(yīng)用滅火，但不適用于保護長距離、大容積的電纜隧道和綜合管廊，幾乎無相關(guān)應(yīng)用業(yè)績，不建議在電纜隧道中使用氣體滅火系統(tǒng)。

3.4 氣溶膠滅火系統(tǒng)

目前，氣溶膠滅火系統(tǒng)根據(jù)滅火藥劑不同主要分為S型和K型。其中K型氣溶膠滅火分解產(chǎn)物和噴射物吸水后會生成氫氧化鉀，對電纜隧道內(nèi)的設(shè)備具有腐蝕作用，此外其噴射物中的金屬離子具有一定的導(dǎo)電性，可能導(dǎo)致線路短路，因此不適用于電纜隧道。S型氣溶膠以鍶鹽類物質(zhì)為主氧化劑，其分解產(chǎn)物的吸濕性較小，不會產(chǎn)生腐蝕性物質(zhì)，通常采用全淹沒應(yīng)用滅火方式，滅火效果較好，前期安裝方便、空間占用體積小，但存在后期維護成本高、設(shè)備故障率高、保護容積有限等不足，且不具備強制性產(chǎn)品認證制度(3C認證)，因此不推薦在長距離、大容積的電纜隧道內(nèi)使用[9,12,19]。

3.5 超細干粉滅火系統(tǒng)

超細干粉成分為磷酸銨鹽，滅火劑的主要顆粒粒徑不大于20 μm，具有較好的流動性、彌散性、抗復(fù)燃性和電絕緣性，可撲救A、B、C 類火災(zāi)及帶電電氣火災(zāi)。滅火機理為化學(xué)和物理雙重滅火，以化學(xué)滅火為主。超細干粉與燃燒物火焰發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，捕獲燃燒自由基及熱量，切斷燃燒鏈，迅速熄滅火焰；超細干粉還可隔絕空氣與被保護物，通過物理作用防止復(fù)燃。相比其他滅火系統(tǒng)，超細干粉滅火系統(tǒng)具有滅火能力強、安裝方便、 初期成本低等優(yōu)點，但存在后期維護成本高、滅火后難以清理、可能破壞電纜絕緣等不足。

文獻[22]基于實際工程對懸掛式超細干粉和高壓細水霧兩種滅火系統(tǒng)的技術(shù)性能、參數(shù)配置、費用等進行了詳細對比，研究結(jié)果表明：長度小于2 km的綜合管廊宜采用懸掛式超細干粉自動滅火系統(tǒng)；長度大于2 km的綜合管廊宜采用高壓細水霧滅火系統(tǒng)。文獻[23]整理了目前綜合管廊消防保護相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，總結(jié)分析了干粉滅火裝置在綜合管廊的應(yīng)用情況，從干粉滅火裝置特點出發(fā)，提出了其在管廊內(nèi)應(yīng)用的設(shè)計方法和應(yīng)用優(yōu)缺點；但針對滅火后難以清理、后期維護費用高等不足仍未提出很好的解決方法。綜合來看，超細干粉滅火系統(tǒng)在短距離或電纜接頭等局部滅火應(yīng)用上具有一定優(yōu)勢，但不適合保護長距離、大容積的電纜隧道。

3.6 其他新型滅火系統(tǒng)

壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)是近年來新發(fā)展的滅火系統(tǒng)，其基本原理是向泡沫混合液中通入一定比例的壓縮空氣，充分混合后產(chǎn)生滅火泡沫再經(jīng)管路輸出。與傳統(tǒng)的吸氣式泡沫滅火技術(shù)相比，壓縮空氣泡沫滅火技術(shù)具有滅火效率高、環(huán)境污染小、防復(fù)燃能力強等優(yōu)點，適用于撲救電纜接頭火災(zāi)。但目前壓縮空氣泡沫系統(tǒng)還沒有相應(yīng)的國家規(guī)范，應(yīng)用受限，其產(chǎn)品設(shè)計、電氣火災(zāi)應(yīng)用拓展等還有待深入研究[24]。文獻[25]對液氮撲滅綜合管廊電纜火災(zāi)的適用性進行了實驗研究，結(jié)果論證了液氮撲滅綜合管廊火災(zāi)的有效性。但目前液氮滅火系統(tǒng)面臨費用昂貴、技術(shù)不成熟等不足，不適用于長距離、大容積電纜隧道的高效滅火，有待進一步發(fā)展。

3.7 各滅火系統(tǒng)技術(shù)比較

各滅火系統(tǒng)技術(shù)比較如表1 所示。

表1 各滅火系統(tǒng)技術(shù)比較

4 結(jié) 論

上面總結(jié)了電纜隧道火災(zāi)事故的原因和特點，綜述并分析了目前應(yīng)對電纜隧道火災(zāi)的各種消防滅火系統(tǒng)及其適用性。分析主要從滅火性能、空間利用、噴射后處理和全生命周期成本等方面開展，所得主要結(jié)論如下：

1)高壓細水霧滅火系統(tǒng)在綜合滅火效果、性價比以及電纜隧道適用性等方面均具有較大優(yōu)勢，尤其適用于保護長距離、大容積的電纜隧道，是目前在電纜隧道中應(yīng)用業(yè)績較為成熟的滅火系統(tǒng)。

2)水噴霧系統(tǒng)盡管具有降溫除煙效果好、綠色環(huán)保、全生命周期成本低等優(yōu)點，但其占地面積大、噴射后需排水等不足導(dǎo)致其在電纜隧道適用性較差；氣體滅火系統(tǒng)具有鋼瓶數(shù)量多、占地面積大、全生命周期成本高、無法撲滅復(fù)燃火災(zāi)等不足；氣溶膠滅火系統(tǒng)雖然前期安裝方便，但存在后期維護成本高、設(shè)備故障率高、不具備強制性產(chǎn)品認證制度(3C認證)等不足。因此不建議在長距離、大容積的電纜隧道中使用水噴霧滅火系統(tǒng)、氣體滅火系統(tǒng)和氣溶膠滅火系統(tǒng)。

3)超細干粉滅火系統(tǒng)在設(shè)計上具有可行性，可用于電纜接頭等故障多發(fā)區(qū)域的局部滅火應(yīng)用，但由于其全生命周期成本高、需清理殘留粉末等不足，性價比在長距離、大容積電纜隧道保護上不如高壓水噴霧滅火系統(tǒng)。

總的來說，不同的滅火系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，適用場景和范圍也各有不同，因此在實際工程中應(yīng)根據(jù)電纜隧道的實際情況和特點綜合選用合適的滅火系統(tǒng)。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各種新型滅火系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，如壓縮空氣泡沫、液氮等滅火系統(tǒng)，為電纜隧道滅火應(yīng)用提供了更多選擇，但這些新型滅火系統(tǒng)在滅火效能、全生命周期成本、降溫除煙性能等方面還有待進一步完善和改進。