電纜隧道火災事故特點與滅火系統研究綜述

曾曉亮，李富祥，李明偉，譚文強，宋 宇，王方強

(1.國網四川省電力公司電力科學研究院, 四川 成都 610041；2.國網四川省電力公司，四川 成都 610041；3.國網四川省電力公司綿陽供電公司，四川 綿陽 621000)

0 引 言

隨著中國社會和經濟的快速發展，城市電力輸送逐漸由地上架空線路向地下隧道深入發展。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、火災撲救難度大等特點，一旦發生火災就會造成嚴重后果，嚴重威脅城市電網的安全運行[1-2]。2020年5月4日凌晨，位于西安市高新區的地下隧道綜合體工程施工現場內電纜橋架起火，多條電纜線路故障，造成周邊區域約6000戶用戶停電。2009年2月10日，昆明市區東南部由于高壓電纜外護套被盜引發短路起火，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，導致昆明市區東南部發生大面積停電，影響惡劣。因此研究電纜隧道火災事故發生的原因和特點，分析電纜隧道滅火系統的適用性，有利于預防電纜隧道火災，減少電纜隧道火災事故造成的損失和影響。

1 電纜隧道火災事故原因分析

電纜隧道內存在較多的可燃物，主要包括電纜護套層、絕緣層材料及電纜接頭中的環氧樹脂等可燃物，引起電纜隧道發生火災的原因可分為電纜自身故障引起著火和外界因素引發著火。據相關研究統計，約30%的電纜隧道火災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，發生火災。電纜受水浸漬或其他原因導致電纜發生接地和短路事故時，過電流將引起電纜過熱而自燃。2)電纜及其附件質量或施工工藝不達標。電纜本身質量不達標，或電纜接頭因制造、安裝工藝不良等，可能導致運行中電纜接頭氧化、局部發熱或爆炸引起火災。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，電氣焊接產生的火花飛濺，可能會引起電纜火災；外力導致的電纜機械性損傷，可能導致接地故障并引發火災。2)外部火災蔓延引燃。電纜隧道防火措施不完善，可能造成外部火災侵入，引燃電纜從而擴大火災事故。3)鼠害。電纜隧道內冬暖夏涼，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。這些建筑構造特點決定其火災事故主要呈現以下特點：

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

2)氣熱難以擴散，火災蔓延速度快。電纜隧道發生火災事故后，受到地形等自然因素限制，產生的氣熱難以快速擴散，煙氣積聚達到一定閾值后會出現爆燃的情況。由于電纜堆疊密集布置、可燃物連續排列、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，電纜火災傳播速度一般可達20 m/min，即使在電纜發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，發生火災時，隧道內迅速充滿有毒有害煙氣(一氧化碳和氯化氫等)，能見度低，嚴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)損失嚴重，恢復困難。電纜隧道著火，常常會造成嚴重的火災，不僅燒毀大量的電纜和電氣設備，還會引發大范圍的停電，嚴重影響人們的生產生活。電纜隧道發生火災，后期修復難度極大、時間長，也會造成巨大的經濟損失。

3 電纜隧道滅火系統比較分析

目前，比較成熟的滅火系統種類較多，主要有水噴霧滅火系統、高壓細水霧滅火系統、氣體滅火系統、氣溶膠滅火系統、超細干粉滅火系統等，其中在電纜隧道和綜合管廊電力艙中應用業績較為成熟的是高壓細水霧滅火系統和超細干粉滅火系統等[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的優劣，從而結合電纜隧道火災特點及投資選用合適的滅火系統。

3.1 水噴霧滅火系統

水噴霧滅火系統技術相對比較成熟，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，水噴霧滅火系統具有設備簡單、滅火速度快、不復燃、可靠性高、持續滅火能力強等特點，但存在系統用水量大、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，不適合鋪設大直徑水噴霧滅火系統，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。

3.2 高壓細水霧滅火系統

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(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滅火。與其他滅火系統相比，高壓細水霧具有用水量少、滅火效果好、可撲救電氣火災等優點，在電力設施滅火系統中有著廣泛的應用，但也存在前期安裝成本高、安裝工藝復雜、對水質和管材要求高等不足。

文獻[13]選取“霧滴粒徑”為研究對象，依據相關地下綜合管廊電力艙的設計參數，采用數值模擬方法，研究了“霧滴粒徑”對電纜橋架底層火場溫度、滅火時間和火災熱釋放速率的影響規律，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具有較好的滅火效果。文獻[14]則研究了霧滴粒徑對I型結構地下綜合管廊滅火效果的影響。通過火災數值模擬，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噴頭壓力對滅火效率的影響，實驗結果表明：適當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致最大熱釋放速率波動變大，不利于滅火；當噴頭壓力為17 MPa時，滅火效果最好。文獻[16]在自建的綜合管廊實體火災試驗平臺上，開展了不同工況下的高壓細水霧滅火系統局部應用與全淹沒應用的滅火試驗研究，結果表明：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；若采用局部滅火方式，需同時對著火分區與相鄰分區噴射細水霧，并保證一定的噴霧強度和滅火區間。文獻[7]則從技術性能、設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進行了對比分析，結果表明高壓細水霧滅火系統在設計使用合理性、滅火性能和全生命周期成本方面均具有優勢。

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

3.3 氣體滅火系統

氣體滅火系統是以氣體作為滅火介質，絕大部分為全淹沒應用滅火方式，在密閉空間內滅火效果好。盡管二氧化碳及六氟丙烷滅火系統可用于開放空間的局部應用滅火，但所需滅火劑濃度較高。目前，氣體滅火介質很多，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具有較高的性價比，市場占有份額高達47%，是中國目前應用最多的氣體滅火介質[20]。氣體滅火系統具有清潔無殘留、密閉空間滅火效率高等優點，但也存在儲瓶間占地面積大、全生命周期成本高、無法撲滅復燃火災等不足。

文獻[20]以全氟己酮滅火劑局部應用滅火技術為研究對象，對旋芯噴嘴的霧化特性進行了深入研究，結果表明：溫度升高、霧化半角變大、粒徑變小等均會導致滅火流量增大，其中霧化半角對滅火流量的影響最為顯著；根據實體滅火模型計算結果，局部應用高度在3.5～5.0 m區間內滅火流量較低，能夠實現可靠滅火。文獻[21]對比了備壓式和儲壓式兩種七氟丙烷滅火系統的特點和應用區別，結果表明備壓式七氟丙烷滅火系統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勢。文獻[7]從防火分區內氣體滅火系統配置、全生命周期成本等方面，詳細對比了氣體滅火系統和其他常見滅火系統在電力電纜艙室的應用特點，相關數據結果表明七氟丙烷等氣體滅火系統占地空間大、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，目前氣體滅火系統主要應用于短距離封閉空間內的全淹沒應用滅火，但不適用于保護長距離、大容積的電纜隧道和綜合管廊，幾乎無相關應用業績，不建議在電纜隧道中使用氣體滅火系統。

3.4 氣溶膠滅火系統

目前，氣溶膠滅火系統根據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物和噴射物吸水后會生成氫氧化鉀，對電纜隧道內的設備具有腐蝕作用，此外其噴射物中的金屬離子具有一定的導電性，可能導致線路短路，因此不適用于電纜隧道。S型氣溶膠以鍶鹽類物質為主氧化劑，其分解產物的吸濕性較小，不會產生腐蝕性物質，通常采用全淹沒應用滅火方式，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、設備故障率高、保護容積有限等不足，且不具備強制性產品認證制度(3C認證)，因此不推薦在長距離、大容積的電纜隧道內使用[9,12,19]。

3.5 超細干粉滅火系統

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、抗復燃性和電絕緣性，可撲救A、B、C 類火災及帶電電氣火災。滅火機理為化學和物理雙重滅火，以化學滅火為主。超細干粉與燃燒物火焰發生化學反應，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燃。相比其他滅火系統，超細干粉滅火系統具有滅火能力強、安裝方便、 初期成本低等優點，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的技術性能、參數配置、費用等進行了詳細對比，研究結果表明：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；長度大于2 km的綜合管廊宜采用高壓細水霧滅火系統。文獻[23]整理了目前綜合管廊消防保護相關標準規范，總結分析了干粉滅火裝置在綜合管廊的應用情況，從干粉滅火裝置特點出發，提出了其在管廊內應用的設計方法和應用優缺點；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，超細干粉滅火系統在短距離或電纜接頭等局部滅火應用上具有一定優勢，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

壓縮空氣泡沫滅火系統是近年來新發展的滅火系統，其基本原理是向泡沫混合液中通入一定比例的壓縮空氣，充分混合后產生滅火泡沫再經管路輸出。與傳統的吸氣式泡沫滅火技術相比，壓縮空氣泡沫滅火技術具有滅火效率高、環境污染小、防復燃能力強等優點，適用于撲救電纜接頭火災。但目前壓縮空氣泡沫系統還沒有相應的國家規范，應用受限，其產品設計、電氣火災應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的適用性進行了實驗研究，結果論證了液氮撲滅綜合管廊火災的有效性。但目前液氮滅火系統面臨費用昂貴、技術不成熟等不足，不適用于長距離、大容積電纜隧道的高效滅火，有待進一步發展。

3.7 各滅火系統技術比較

各滅火系統技術比較如表1 所示。

表1 各滅火系統技術比較

4 結 論

上面總結了電纜隧道火災事故的原因和特點，綜述并分析了目前應對電纜隧道火災的各種消防滅火系統及其適用性。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，所得主要結論如下：

1)高壓細水霧滅火系統在綜合滅火效果、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用業績較為成熟的滅火系統。

2)水噴霧系統盡管具有降溫除煙效果好、綠色環保、全生命周期成本低等優點，但其占地面積大、噴射后需排水等不足導致其在電纜隧道適用性較差；氣體滅火系統具有鋼瓶數量多、占地面積大、全生命周期成本高、無法撲滅復燃火災等不足；氣溶膠滅火系統雖然前期安裝方便，但存在后期維護成本高、設備故障率高、不具備強制性產品認證制度(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、氣體滅火系統和氣溶膠滅火系統。

3)超細干粉滅火系統在設計上具有可行性，可用于電纜接頭等故障多發區域的局部滅火應用，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。

總的來說，不同的滅火系統各有其優缺點，適用場景和范圍也各有不同，因此在實際工程中應根據電纜隧道的實際情況和特點綜合選用合適的滅火系統。近年來，隨著科學技術的快速發展，各種新型滅火系統不斷涌現，如壓縮空氣泡沫、液氮等滅火系統，為電纜隧道滅火應用提供了更多選擇，但這些新型滅火系統在滅火效能、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。