电力电缆的在线检测与隧道电缆的防火

电力电缆的在线检测与隧道电缆的防火

The Online Examine of Power Cable and the Fireproofing of Tunnel Cabl

e

张振存韩伯锋

（西安四方机电有限责任公司西安710021）

摘要：本文针对近年来频繁发生的隧道电缆火灾事故，叙述了沟道、隧道电力电缆在线检测的必要性和检测方法,以供参考。

Abstract: As the fire hazard of the tunnel cable happened frequenc y recent year,The writer tell the necessary of the channel、tunnel、power cable online examine and account the check means for you refere nce.

关键词：电缆故障温度火灾灭火

Key works : cable fault temperature fire hazard outfire

0 引言

无论是城市建设还是工矿企业的规划，都越来越注重地上空间的利用和环境的安全，电力供应作为工矿企业和城市规划建设的重要部分，其供电线路越来越多地使用电力电缆，由于在一个局部范围内，电力电缆的数目较多，有些工矿企业采用桥架式结构敷设电缆，但大多数工矿企业则采用沟道或隧道结构敷设电缆，而城建中则全部采用沟道或隧道结构敷设电缆；由于电力电缆的特殊结构和相对集中（甚至重叠），当一条电缆发生故障后，往往会使周围其它电缆严重地产生重大火灾事故；由于桥架电缆几乎暴露在地面以上的空间，当电缆发生故障后而引起严重火灾时，人们则较容易发现并及时采取处理措施。相对来说，沟道或隧道电缆则由于在地面以下，当电缆发生故障后而引起严重火灾时，由于很难发现而延误事故处理，可能会造成较大的经济损失，为了及时解决沟道或隧道电缆存在的这一隐患，在此我们较详细地介绍一下有关沟隧道电缆的安全防护技术问题。

1 电力电缆引起火灾原因分析

1.1 火灾原因分析

引起沟隧道电缆火灾原因无外乎两点：

其一、外因：可燃气体（如煤气、天然气、沼气等）串入电缆的沟隧道中，由于沟隧道比较密闭，当遇到明火（人为或电缆放电等）便立即引起整段电缆爆炸失火。

其二、内因：由电缆自己本身引起火灾故障。在我国，中高压供电系统采用中性点不接地系统，当电缆发生单相接地故障时，系统对地电容较大，单相接地电流会引起较大电弧，较大的电弧有时持续数小时之久而不熄灭，失火电缆将殃

及相隧的周边电缆，导致严重火灾事故。因此，电缆出现故障是产生火灾事故的内在根本原因。

电力电缆产生故障的原因很多，归纳有以下几点：

a、电缆产品的质量问题；

b、电缆运行时间较长，产生老化；

c、电缆长期过负荷运行或处于恶劣的环境中；

d、电缆施工质量或接头制作工艺水平较低；

e、人为对电缆的破坏；

作为电缆本身，无论是什么原因引起火灾事故，在火灾事故以前的时间过程或物理过程大致相同。

电缆某处绝缘受损→间歇或连续放电→电缆绝缘明显下降局部发热→电缆某处爆炸或发生电弧，并产生不良气体→整个电缆沟隧道失火。

因此，如果人们能及时处理并采取措施，将完全可以防止火灾事故的发生。

1.2 电缆火灾特点

a、蔓延快、火势猛电缆本身是一种易燃物。随着城市的发展和城农网改造的进行，变电所内的电缆数量越来越多，又采用隧道和架空密集敷设，有的还处于与高温热管道重迭或交错布置的环境中，电缆夹层更是布满蜘蛛网似的电缆，再加上电缆竖井的高差形成自然抽风，以及发生故障或火情的电缆又不能马上断电。因此，这些场所一旦着火，火势就特别凶猛，沿着电缆群很快延燃扩大，加之地方狭小，现有的消防器具往往难以充分投入，使得火势不能遏止在小范围内并短时扑灭。沟隧道电缆的火灾凶猛可想而知。

b、抢修困难电缆着火时产生大量的烟雾和有毒气体，CO、CO2含量很高，特别是普通塑料电缆不但易着火，而且产生氯化氢气体通过缝隙、孔洞会弥漫到电气装置室内，形成稀盐酸附着在电气装置上，并形成一层导电膜，严重降低了设备和接线回路的绝缘，因此即使火被扑灭后，仍影响安全运行。即使采用绝缘清洗剂清洗效果也不佳。这种灾害称为二次危害。

c、损失严重电缆火灾事故，造成严重损失，直接和间接经济损失，少则几十万，多则几十亿元人民币，而且修复也比较困难。

2 预防沟隧道电缆失火的理论分析

由以上分析可知：若同时对电缆沟隧道中的有害可燃气体和对电缆本身进行实时监控便可达到预防沟隧道电缆失火的目的。对有害可燃气体进行预测则比较容易，本节主要探讨对电缆本身的实时监控问题。

2.1 电力电缆绝缘在线检测技术

采用这一技术可以早期发现电力电缆特别是交联聚乙烯电缆存在的绝缘缺陷及老化情况,通常有以下几种方法：

a、直流分量法通过检测电缆芯线与屏蔽层电流中极微弱的直流成分，对XLPE电缆中某一点或某一局部存在的树枝化（水树枝、电树枝）绝缘缺陷进行劣化诊断。

b、直流叠加法通过电缆的电压互感器的中性点处施加一几十伏左右的直流电源，该直流电压与运行中电缆的交流电压叠加，检测通过电缆绝缘层的极微弱的直流电流，即可测得整条电缆的绝缘电阻，从而可对电缆的好坏进行判断。

c、tanδ法通过电压互感器和电流互感器来在线检测电缆的tanδ值，

以便分析发现整条电缆中是否存在水树枝的绝缘缺陷进行劣化诊断。

如果采用上述方法可有效地发现电缆绝缘缺陷情况，并及时处理，相信绝对不会有火灾事故的发生，但事实上因各种原因很难做到这一点。

2.2 电力电缆故障在线测试

当电缆的绝缘缺陷较明显时，在某一点（或一局部）将存在电缆芯线对屏蔽层的间隙或连续放电。依据行波理论，电缆的放电将会在放电处和电缆端头产生反射波，通过检测这一反射波便可确定电缆的放电现象或缺陷点的位置，应用这一技术也可较早预防电缆失火，这一技术则相对比较成熟。

2.3 电缆温度实时监测

当电缆绝缘受损程度严重时，在电缆的某一点或局部便会严重发热，通过测量整条电缆或电缆中某些可疑点的温度及其变化率，如此可防止电缆的爆炸或失火，或及时报告失火点位置。

通常有以下几种方法来检测电缆的温度及其变化率：

感温电缆用感温电缆缠绕在电缆上，当电缆某处的温度达到感温电缆出厂时的特定值时，感温电缆呈现短路状态，并始终保持这状态，通过检则感温电缆的短路状态，方可知电缆的故障点大概位置。采用这一方法的主要缺点有：

a、需要对隧道中的每一条电缆进行缠绕式分布，隧道中有多少电缆就需要多少条感温电缆，电缆有多长，感温电缆就要缠绕多长，费时、费工，实用性太差；

b、没有任何抗电磁干扰措施，抗干扰性太差；

c、由于感温电缆在出厂时温度检测点为一定值（如65℃、85℃、105℃），即当温度到达定值时，电缆成短路状态。因此，不能实时反映电缆的温度变化情况，达不到实时监控的目的。同时当感温电缆短路后不能再恢复，为一次性使用，维护工作量较大。

d、只能监控电缆温度，对电缆的泄漏电流、故障及隧道的进水是无能为力的。

缆式感温光纤国外现在有应用光纤感温缆式传感技术，与缆式感温电缆相类似，但只解决了抗干扰问题，除具有缆式温度传感器的其它缺点以外，价格高于缆式温度传感器的十几倍。所以，推广应用起来很困难，销售市场面较窄，在中国市场开拓比较困难。

点式温度传感器由于电缆发生故障多在电缆接头处或恶劣环境处，密闭式集成电路点式感温的传感器，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。这一技术已经成熟。

离子感烟传感器当火灾事故一旦发生了，它的第一现象一定烟雾。可以通过离子感烟传感器来实时监测沟隧道中烟雾变化，并用最快的速度报告人们火灾发生的位置。这一技术应用十分广泛。

3 SCA-4000电缆监控灭火系统

3.1 系统简介

系统参照电缆的设计规范，利用电子技术、通信技术和现代控制技术，使电缆在高性能的工业控制计算机的协调控制下，24小时实时监控，通过图文显示、声光报警等方式提示故障隐患性质和具体位置，以便电缆维护人员及时采取措施，防患于未然。即使报警后没有及时处理导致电缆放炮，在自动灭火分系统的配合下，使整个系统将会自动扑灭火焰，把损失降到最低。而故障监测分系统将会告诉您电缆放炮的具体位置。彻底克服电缆过温引起的连锁火灾事故，保障安

全生产，提高生产效率。该系统适用于发电、变电、大(中)型石化企业、冶金企业等敷设有隧道、沟道、夹层、桥架电缆的各种单位安装使用。

系统集隧道中电缆的泄漏电流、电缆故障、本体温度、接头温度，重要区域的环境温度、环境湿度、环境烟雾、隧道水位及自动排水等实时监控为一体，再加上自动灭火分系统那就是隧道电缆监控的完美组合，在国内处领先地位。

3.2 系统特点

·具有故障在线检测功能，可对运行中的电缆故障进行准确判断和定位；

·实时监测电缆运行状态，并自动生成电缆运行报告；

·实时监控隧道、沟道等易进水的地方，并可做到自动排水；

·系统兼容多种传感装置：环境温度、本体温度、接头温度、缆式感温电缆、离子感烟、区域红外光束探测、湿度、水位、电流等传感装置，并能适应于各种恶劣的环境；

·工控机控制：12.1″大屏幕彩色液晶显示器，专用抽屉式红外键盘及鼠标，微型热敏打印机，WINDOW S操作平台，全汉字菜单，界面友好，人机对话方便，操作简单；

·配有标准图符、操作密码、管理密码等管理方便，维护简易；

·采用交直流两套供电系统，并配有专用消防电源，安全可靠；

·运行可显示隧道平面示意图，传感装置的示意位置，并有物理描述和工程描述等，直观方便；

·系统报警或自身故障时，屏幕自动提示相关图文信息，并发出声光报警信号，同时自动打印报警文字信息；

·系统具有自动数据存储功能，以便查阅历史记录，且具有统计分析功能，协助使用者对电缆的运行状态进行分析，并绘制直方图的曲线图。提供科学的状态检修依据；

·系统可通过局域网与其他自动化系统互联。

3.3 系统构成

本系统主要由中央控制分系统、报警终端分系统、测温终端分系统，故障监测分系统和自动灭火分系统五大部分组成。其系统原理布线框图如下：

3.4 在线检测

控制中心监控中心在系统网络中具有最高控制权，能够调节在线所监控管辖的变电站，在系统网络中主要用于观察、分析、记录隧道（沟道）电缆的在线运行状况、在线监测数据。中心数据服务器用于存储各个监测站点的监测信息，便于查询各设备的历史运行状况。它经WEB服务器接入局内MIS网，MIS网内的用户只需安装一套软件，而不必添置任何硬件设备即可成为远程综合监测系统的终端。在线监测计算机主要用于收集各监测站点的监测信息，接受各监测站点的报警信息，对监测数据进行分析、处理。与中心服务器之间的通讯方式灵活，可采用光纤连接、计算机串口直连、载波通讯、MODEM拨号实现现场数据的实时传送和命令控制，系统利用不同通讯介质实现远程定时或实时监测。在数据通讯量不很大的情况下，中心数据服务器、WEB服务器可以合为一台服务器，甚至可以利用现场监测计算机实现中心数据服务器、WEB服务器的功能。网络结构可以根据监测数据浏览终端的多少而灵活配置。

报警终端终端采用先进的单片机技术，保证了系统的高速信息交换和数据采集，提高了系统的可靠性，适合于多点数，大区域，多个模块组成的监控系统。使用符合GB12476.1-90及IEC61241-1-1防爆标准的机壳，可直接在现场使用，密闭性好，防熏蒸。而且带有过压、过流、突波、隔离、雷击保护电路。支持离子感烟、区域红外、感/测温电缆、电流、水位等多种传感装置。

温度终端采用先进的双CPU技术，保证了系统的高速信息交换和数据采集，提高了系统的可靠性，适合于多点数，大区域，多个模块组成的监控系统。使用符合GB12476.1-90 及IEC61241-1-1防爆标准的机壳，可直接在现场使用，密闭性好，防熏蒸。而且带有过压、过流、突波、隔离、雷击保护电路。

故障在线监测在线监控系统中的电缆故障在线测距功能，是我公司十多年的SDCA系列高智能电缆故障闪测仪加上现代计算机技术和网络技术结合而成的数字化时代的产品，可以使电缆一出现故障就能知道故障点所在的具体位置，从而减少线路寻找的工作量，缩短故障修复时间，节约大量的人力、物力，提高供电可靠性，减少停电损失，加强并提高系统运行管理水平。基于已获国家专利的SDCA高智能电缆故障闪测仪（专利号：ZL 93 1 05422.2）和SDCG一种电力电缆故障的数据采集及保护装置（专利号：ZL 01 2 40569.8），首次采用在线专家系统和内置专家诊断系统，实时采集故障波形，并确定故障点距离。测距精度基本不受线路长度、故障位置、故障类型、负荷电流、接地电阻、故障时电压相角、大地电阻率及一些较强干扰的影响。利用全球定位系统（GPS）作为同步时间单元。

3.5 消防灭火

电缆防爆灭火壳近年来，国内电缆隧道（沟道）不断着火，损失惨重。通过现场考察分析，失火直接原因主要由电缆薄弱环节，特别是中间接头过热爆炸并产生电弧所引起。本公司与国家电力公司武汉高压研究所共同开发研制的新壳体，可完全防止电缆因中间接头所引起的电缆隧道（沟道）着火，与国内外同类产品相比，具有以下特点：不改变原电缆接头的结构，安装方便；防爆壳由外壳及灭火阻燃粉（或灭火泥）等组成，可完全阻止故障接头产生的电弧外喷。如果产生高温、高压，外壳上的压力孔打开，使灭火阻燃粉喷出，可以扑灭接头以外可能产生的火苗。不会因增加本装置使电缆的中间接头温度有明显变化（实验数据表明防爆壳内外温差＜±1℃，散热性能较好。壳体材料：ABS 阻燃塑料；填充材料：灭火阻燃粉或灭火泥

二氧化碳（CO2）二氧化碳（CO2）自动灭火系统是目前国内外应用非常广泛的一种气体消防设备，二氧化碳（CO2）作为灭火剂具有不污损设备，绝缘性能好等优点。设计成单元独立系统和组合分配系统，对单元或多区采用全淹没或局部灭火方式扑灭防护区内发生的火灾。

细水雾细水雾灭火技术于20世纪40年代用于轮船灭火，自90年代开始，为了寻求替代卤代烷1301、1211的理想灭火剂，一些发达国家相继研究和开发了细水雾灭火系统。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。细水雾灭火系统在灭火效果、工程造价、环境保护、二次灾害损失等各方面综合比较，优于传统的气体灭火系统和水喷雾、水喷淋灭火系统，已经越来越多地被用户采用。

作为新兴的水消防灭火技术，细水雾灭火系统工程具有气体灭火和水灭火的双重优点，同时又最大化的降低了它们的缺点。具有工程和安装成本低、对火灾反应速度快、耗水量低、火灾损失少、火灾蔓延、报警速度快等一系列优点，加上它绿色环保、应用广泛的特点，细水雾灭火系统将是新世纪最佳的灭火系统。目前在欧美已进入推广普及阶段，并以其良好的性价比、卓越的环保内涵用以代替气体灭火系统及水喷淋灭火系统。我公司于数年前引进国外先进技术，结合国内消防环境的需要，进行了大量的实验和优化设计，目前已在全国率先推出该产品。

七氟丙烷（HFC-227ea）洁净气体七氟丙烷（HFC-227ea）自动灭火系统是一种高效能的气体灭火设备，其灭火剂七氟丙烷（HFC-227ea）是一种无色、无味、不导电、无污染的气体，对大气臭氧层的耗损潜能值（ODP值）为零，满足环保要求。是到目前为止研究开发比较成功的一种洁净气体灭火剂，是替代卤代烷（Halon）灭火系统的理想灭火设备。

IG541洁净气体 IG541洁净气体灭火系统是一种绿色环保型灭火系统，其灭火剂只包括自然界存在的三种惰性气体的混合物（52%氮气、40%氩气、8%二氧化碳），臭氧损耗潜能值（ODP值）为零；温室效应潜能值（GWP值）为零；来自于大气而又以原有的状态回归大气，更不会产生具有长久危害大气寿命的化学物质；是替代卤代烷（Halon）灭火系统的理想灭火设备。

垂直防火卷帘防火卷帘系列产品是严格遵照中华人民共和国颁布《GB14102-93》的技术标准进行生产，经国家固定灭火系统和耐火检验测试中心按照《GB7633-87》标准进行测试合格，耐火极限3-4小时其完整性、稳定性未受到破坏；产品全部符合国际ISO03008标准。我公司的防火卷帘系列产品，以其外观高雅、性能稳定、档次高、售后服务良好而赢得广大用户的高度信赖与支持。

横向推送防火卷帘（简称侧卷）横向推送防火卷帘产品，经“国家固定灭火系统和耐火构件质量监督检测中心”检验测试合格，其耐火极限达到F2和F4，产品符合国际ISO03008标准。因是横向推送，不同垂直防火卷帘整樘悬在上空，而是安装在一侧或两侧（视宽度大小而定），由横向推送式运行，故绝对安全。 PCB-超薄型钢结构防火涂料该涂料受火时膨胀发泡，形成厚实的、蜂窝状的防火隔热层，可使钢质构件在火灾中得到隔热保护，该涂料有优良的理化性，干燥快、抗潮、耐酸碱、耐水。涂料为白色（可调色），涂层厚度薄，用于钢结构防火保护时，其装饰性大大优于传统的厚涂型防火涂料。该涂料具有施工方便的优点，可广泛用于地下工程，也适用于设施内的木材、纤维、塑料、电缆等易燃基材和电缆托盘的防火保护。

PSM-饰面型膨胀防火涂料它以防火型树脂为基料，添加各种阻燃剂、耐火材料组成。该涂料具有优异的膨胀发泡性能，湿涂500g/m2，涂层的防火性能可达到国家标准一级防火要求。同时该涂料还具有良好的耐水、耐碱以及装饰性，是保护易燃建材的理想材料。

4 电缆温度测量与监控系统的用途

电力电缆中间连接头的故障原因有两个：一个是接触不良；另一个是绝缘压力不够。由于存在体电阻和接触电阻，当电流通过电缆中接头时要消耗电能而发热，其发热量与电流的平方和电缆线密度的乘积成正比，正常情况下接触电阻很小可忽略不计，电阻引起的温升应在正常的工作范围内，当电缆头接触不良时其接触电阻增大，从而引起温升增大，当温升超过正常值时会引起电缆头的氧化及压接头松动，氧化及压接头松动又使接触电阻进一步增大和温度进一步提高，这样恶性循环最终会使电缆中间头的温升大大增大，从而使绝缘完全被破坏而引起短路放炮。

当电缆中间头的绝缘压力不够时，或产生持续的漏泄电流，或产生继续的闪络电流，这些电流会引起发热，当漏泄电流持续一定的时间后会使绝缘老化，绝缘的老化又使漏泄电流进一步增大和温升进一步提高，同样这也是一个恶性循环的过程，最终也会使电缆中间头的绝缘完全被破坏而引起短路放炮。

电缆温度测量与监控系统的基本工作原理就是建立在上述现象基础之上的，它实时地检测电缆头和电缆本体的温度，然后通过一些计算来判断电缆的运行情况，当出现异常现象系统将通过声、光和图文等方式报警；当真的发生短路放炮等火灾事故时，消防灭火系统将自动启动进行灭火，把损失降到最低。

5 电缆温度测量与监控系统的优势

1）、系统优势体现在预先判断和准确报警上，以往对电缆故障采取的措施都是在事后起作用，并且许多措施并不能阻止事故的发展和蔓延。

2）、系统兼容了目前世界上独一无二的电缆故障在线测距系统，当电缆发生故障时，在线测距系统自动测量出故障所在的位置，使电缆维护人员不费吹灰之力便能知道故障位置，从而大大降低了电缆维护的人力、物力和时间。

3）、整个系统是一个多功能的复合型系统，每个分系统是相互独立的，可以任意地进行组合，从而适应各种不同的场合和不同等级要求的用户。

4）、系统算法：

（1）电缆头与电缆体温度的比较：电缆头与体的温度是它们所通电流、电缆线电阻密度和环境温度的函数，正常情况下电缆的接触电阻很小，可以忽略不计，电缆头与其附近的同一电缆体因通过的是同一个负荷电流，又处在同一个环境温度中，因此正常情况下它们的温度也应该相同，如果电缆头的温度超过体的温度达到某一个值时说明电缆头的工作偏离了正常情况。

（2）电缆头与电缆体温升变化率的比较：电缆头与电缆体的温度变化率是电流平方变化与电缆线电阻密度乘积的函数，在正常情况下电缆头的接触电阻可忽略不计，电缆头与同一电缆体的线电阻密度相同，它们通过的是同一负荷电流，因此它们的温升变化率也应该相同，监控系统结合电缆头与电缆体温升变化率的比较结果来判断电缆头的运行状况，温升变化率的比较有超前效应，它使系统的

故障检测的灵敏度得到提高，因而能较早地发现电缆头存在的问题。

（3）电缆头与电缆体温升最大历史差值的记录和比较：正常情况下电缆头与体的温度基本一致，因此其温升差值是个较小的值，系统记录此差值的历史最大值，在系统投入实际运行一段时间如果出现了新的最大差值，则电缆头可能存在有问题。

综合上述三种算法来判断电缆的运行情况，它不但准确，而且还能及早地发现电缆头存在的问题，不使故障进一步发展和扩散。因此它与传统的措施相比具有无可比拟的优越性。

6 结论

根据实践证明SCA-4000系列电缆在线监控系统是稳定可靠的。因此，本项目的研制具有重大的社会意义和现实意义，有效地确保了国民生产，从而提高了社会经济效益。

参考文献

1 GB50166-9

2 火灾自动报警系统施工验收规范

2 GB12666-90 电线电缆燃烧试验方法

第6部分GB12666.6-90 电线电缆耐火特性试验方法A类

第7部分GB12666.7-90 电线电缆燃烧烟浓度试验方法

3 IEC SC 20C 电缆燃烧性能

IEC 60331 (1970) 电缆耐火特性

IEC 60745 (1994) 取睚电缆的材料烯烧时析出气体的试验

4 BS6387：1994 用于火灾条件下保持电路完整电缆执行标准英国

5 NFC32 070 电缆火灾测试，CR1 、C1和C2级，法国

6 GB50217-94 电力工程电缆设计规范

7 GB50229-96 火力发电厂与变电所设计防火规范