電纜中間接頭防滅火研究

摘要： 電纜中間接頭作為城市輸電系統的薄弱點，一旦發生火災或者爆炸，危害較大。通過防滅火研究，提出了一套高效、安全并且智能的解決方案，實現了電纜的中間接頭故障或火災快速定位、多級預警和自動滅火功能，降低其火災頻率，對保護槽盒進行防爆設計，保護了槽盒內的中間接頭、預警和自動滅火裝置等設備管線，為城市電力系統的平穩運行提供了有力保障。關鍵詞： 中間接頭; 防爆設計; 多級預警; 自動滅火

中圖分類號： TU855文獻標志碼： A文章編號： 1674-8417（2024）08-0059-07

DOI： 10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.08.012

0引言

我國經濟的高速發展助推電力需求量逐年增長，各類超、特高壓輸電工程相繼建設完成，保證了全國供需電的區域均衡，輸電線路技術日趨成熟，但配電線路技術水平相對較低。城市化進程的逐年推進，城市中新增電纜與存量電纜的數量逐漸增加，電纜火災發生的風險也在不斷累積。我國城市內管線原則上為地下敷設，隨著地下敷設長度的增加，中間接頭數量亦逐步增多。其作為輸配電系統的薄弱點，一旦發生火災或者爆炸，輕則損傷同溝電纜，造成大面積停電，重則引起周邊大范圍的火災，造成嚴重的經濟損失和人員傷亡。目前國內對于電纜火災的報警和滅火研究已有豐碩成果，但針對中間接頭一旦發生故障能快速定位、自動報警和自動滅火的研究成果較少，因此針對電纜的中間接頭研究一套自動報警和滅火系統，對于城市電網運維水平和電纜火災處理效率的提高具有較大意義，可節省大量人力和財力，保障城市供電平穩運行。

該項研究旨在實現中間接頭火災的多級預警（60 ℃、90 ℃、120 ℃）和火災初期電纜保護槽盒內自動滅火裝置中間接頭火災的自動滅火。設計的防爆保護槽盒，具有高強度和自動泄壓功能，可保護槽盒內的中間接頭、預警和自動滅火裝置等設備管線。

1中間接頭火災原因

電纜線路由電纜本體和附件組成，附件包含中間接頭和終端頭。現有電纜的鋪設長度在200～400 m以內，超過此長度就必須設置中間接頭，1根電纜有2個終端頭，但中間接頭的數量較多。

現場制作的中間接頭，其安裝質量受到與之接頭的質量、技術水平、天氣及環境等因素的影響。中間接頭的質量相對不穩定，故障率相對電纜本體較高，是電纜火災事故的多發環節。

分析中間接頭的結構發現，除核心導體外，絕緣保護層為可燃高分子結構，存在高溫環境中易燃、易熱降解或熱分解的缺點，一旦燃燒會導致周圍環境的迅速升溫，引燃成束電纜，造成嚴重的火災事故。

電纜的中間接頭火災發生原理為接頭故障導致出現電弧、過熱等情況引燃絕緣保護層，外部火源引燃也是重要原因之一。接頭故障根據電阻大小分為低阻和高阻兩種，直接表現為電弧或過熱。電弧產生原因有接頭位置爆炸、因懸浮電壓過高導致保護層被絕緣擊穿，還有就是重合閘操作。接頭爆炸產生原因有施工人員制作的接頭質量差和接頭長期過負荷運行兩種情況。造成護層的懸浮電壓過高的主要原因有接地系統錯誤和被破壞，導致被絕緣擊穿的原因是絕緣層的老化或者受損［1］。

重合閘操作導致火災是因為線路故障，重合閘無法起到保護作用，加劇短路導致電弧產生，線纜發生火災概率增大。

電纜接頭過熱主要是壓緊度不滿足要求、接頭氧化后電阻增大，運行中若長期存在過電流以及過負荷的情況，在接頭處就會出現過熱現象。

外部火源引燃主要有：外部燃燒物引燃電纜、溝內進行動火作業、戶外電纜附近有可燃物堆積引燃電纜等情況。火災原因分析圖如圖1所示。

2接頭火災的危害性

2.1長期積累的熱量

因電纜中的電流熱效應，中間接頭會產生累積熱量。相對電纜本體，接頭處電阻較大并且因構造特性絕緣層較厚，導致散熱性差，最終因接頭溫度高于電纜本體，加快了絕緣層的老化速度。隨著溫度的逐漸升高，絕緣層進一步老化，泄漏的電流也在逐漸增大，最終會發生絕緣擊穿故障。若遇到可燃物、火源和足夠的空氣，就會發生電纜接頭火災事故。

2.2接頭故障易發生爆炸

受限于中間接頭的現場制作，中間接頭的質量受到與之接頭的質量、技術水平、天氣和環境等因素的限制，若制作的質量達不到要求或中間接頭長期過負荷運行，易發生威力巨大的爆炸，造成電纜溝的破壞，爆炸的沖擊波容易損壞附近的電氣設備，引發火災，嚴重危害附近的居民生命以及財產安全。

2.3成束燃燒

供電線路的電纜一般為密集布置以提高電力輸送能力，電纜密集數量大，一根電纜接頭處一旦起火勢必引燃其他電纜，成束燃燒的電纜火災蔓延迅速。

2.4有毒煙氣聚集

絕緣層多為高分子材料（例如聚氯乙烯、聚乙烯、交聯聚乙烯等），燃燒會有大量煙氣產生，并且煙氣中的HCl、CO等有毒氣體較多。因電纜位于地下敷設環境，容易導致有毒煙氣的聚集且不易排出，給消防滅火工作帶來較大困難。

2.5火災損失程度大、范圍廣

因電纜的密集成束布置，密度較高，火災引燃的電纜會造成大量電纜的損毀，給供電用戶尤其是工業企業帶來較大的停產損失，對經濟和社會效益產生的負面影響較大。

3火災處置難點

3.1難以快速定位

目前城市內輸電線路的電纜原則上是地下敷設，導致了無線信號的傳輸受到地下的阻礙，傳輸距離較短，難以傳輸到控制終端。雖然可通過有線傳輸將故障探測和報警裝置的數據傳輸到控制終端，但有線傳輸面臨地下溫度、排水以及濕度等環境因素影響，信號傳輸穩定性相對不足。

地下電纜的巡查維護不方便，特別對于回填后的電纜溝、排管等敷設方式，不能直接觀察到有無火災情況的發生，加上故障探測和火災探測數據傳輸不穩定性的問題，導致一旦電纜接頭處發生火災，很難在火災初期發現并及時處理，引發更大的電纜火災。

3.2撲救難度大

電纜接頭的初期火災無法有效探測到，很難在火災初期控制住，即使救援力量趕到，此時火災的擴散相對較大，已無法在短時間內撲滅。因此，因火災產生的大量有毒高溫煙氣聚集到電纜溝等敷設空間，給消防撲救工作帶來很大的困難。

3.3修復困難

因接頭引起的電纜故障和火災，無法在初期快速定位，在火勢發展較大時才能被發現，進行應急處理，但此時火勢較大又很難在短時間內快速撲滅，加上電纜的成束敷設，勢必造成大量電纜的損失。而電纜的敷設作業是一項專業性較強的工作，需要專業的人員設備來修復，對于火災引燃的大量電纜，無法快速修復。

4預警和自動滅火設計

4.1預警和滅火原理

探測故障和火災：通過接頭故障或者火災后物理和化學變化，依據周圍環境的變化（如溫度上升、煙氣濃度升高等）規律，借助溫感、煙感探測器等設備達到檢測、識別火災的目的。

實現多級預警：根據接收到的溫度進行分級，達到多級預警的效果。共分為3級：Ⅰ級（黃色預警），Ⅱ級（橙色預警），Ⅲ級（紅色預警，有火情確認）。

功能設計：對溫度信號，由控制模塊識別為報警狀態后，可自動啟動保護槽盒內的滅火系統。

防爆功能設計：保護槽盒可用于承受中間接頭一旦爆炸時產生的沖擊，通過泄壓的方式，減緩爆炸壓力的釋放速度，同時防止保護槽盒內接頭火災的蔓延。

4.2預警方案設計

本系統針對中間接頭的故障以及初期火災，設計了具有多級預警以及自動滅火功能的方案，該方案主要分預警和滅火兩部分的內容。

預警系統由探測模塊、預警控制器、無線信號傳輸模塊［2］3部分組成。電纜的中間接頭火災預警系統圖如圖2所示。

探測模塊用于檢測接頭故障或者火災的溫度信號，通過變化規律進行識別判定有無故障或者火災的發生，借助無線傳輸的方式將數據輸送給控制模塊，由控制模塊分析當前是否需要啟動預警和報警，同時將數據傳輸到服務器啟動預警和報警程序。若控制模塊判定為報警狀態，可立即自動啟動電纜敷設空間內設置的消防滅火系統。系統流程圖如圖3所示。

4.3報警模塊的研究

4.3.1探測模塊

引起電纜的中間接頭火災原因有3項：電弧、過熱和外部火源加熱［2］。火災發生時，溫度升高是最明顯的特征，因此本系統選擇感溫式傳感器用來探測接頭處的故障和初期火災。

現有技術無法直接測量導體溫度，只能通過測得電纜表面溫度進行推算，其中數值法推算過程較為復雜，很少采用，常用解析法，又稱熱路法。

目前國內的相關研究中，測溫方法如下：① 借助紅外熱像儀測得表面溫度，反演計算線芯溫度，可達到非接觸式診斷。② 在環境溫度相對不變的情況下，線芯溫度與載流量的大小呈現出線性關系，隨載流量的變化，相對于表面溫度變化，線芯溫度變化更為明顯。③ 借助Ansys軟件分析電纜溝溫度場，證明電纜溝內有對流空氣現象，中部上層溫度最高，應重點監測電纜溝上層線纜的表面溫度。④ 針對10 kV的交聯聚乙烯電纜中間接頭的不同截面在不同電流值情況下導體的溫度，發現接頭線路截面尺寸越大，電流值越高，本體的溫度就越高，但仍低于90 ℃。電纜不同截面和電流線芯溫度值如表1所示。

電纜的中間接頭設置在保護槽盒內，受外界環境因素影響較小，表面溫度均勻，可選擇常開式溫控開關用作溫度探測器，實時檢測表面溫度。電纜的中間接頭的絕緣和保護層有隔熱作用，并且10 kV電纜的載流量通常在400 A以內，可以認為接頭的表面溫度小于60 ℃。

設置三級報警機制，溫控開關設置有3個型號，分別對應3種溫度：Ⅰ級，當溫度達到60 ℃，啟動黃色預警;Ⅱ級，當溫度達到90 ℃，啟動橙色預警;Ⅲ級，當溫度達到120 ℃，啟動紅色預警。

4.3.2預警控制器

預警控制器由處理模塊、無線傳輸和電源模塊3部分組成。具有報警、控制、供電和自檢功能。

（1） 報警功能。

① 通過采集到的溫度信息識別預警狀態，并傳輸到后臺。

② 針對預警狀態，處理模塊作出預警措施：報警聲音和光信號。

③ 當電池容量不足10%時，自動預警。

（2） 控制功能。

① 輸出啟動滅火系統信號;

② 采用自動方式控制。

（3） 電源功能。

電源模塊包含主電源和應急電源兩部分，主電源為一次性電池，容量1 000 mAh，電壓區間2.0～3.8 V。應急電源設計為溫差發電，當出現火災或大量熱量時，可發電供系統使用。

（4） 自檢功能。

在預警控制系統工作期間，系統自動檢查工作狀態，判斷有無故障。

4.4報警裝置

4.4.1滅火裝置性能

因中間接頭保護槽盒體積較小，而滅火裝置必須安裝在保護槽盒內，并且保護槽盒內中間接頭占用了一部分空間，這就要求滅火裝置越小越好，并且應安裝維護方便，工作可靠性高，降低檢修頻率。

電纜大多敷設在電纜溝等地下環境，保護槽盒存在進水的可能性，滅火裝置應具備在被水長期浸泡條件下仍能正常工作的性能。同時保護槽盒內的中間接頭一旦發生火災，槽盒內溫度必然升高，這就要求滅火裝置應具有耐高溫高濕的性能。

在浸水、高溫高濕等環境中發生火災能正常自動啟動的情況下，還需具備高效的滅火性能，縮短滅火的時間，防止初期火災和有毒煙霧的蔓延。

電纜大多多根敷設，為了降低損失，滅火裝置應具備在滅火期間不損傷相鄰電纜的特性，并且滅火完成無殘留，便于清理維護。

4.4.2滅火劑種類以及滅火機理

通過火災四面體總結滅火的4種方法：隔離、冷卻、窒息、化學抑制法。不同可燃物燃燒特性差別很大，應對應選擇滅火方法。

根據滅火機理，可分為物理和化學兩類滅火劑［3］，物理滅火劑無化學反應，其原理通過隔離、冷卻、室息3種方式實現滅火，化學滅火劑則通過燃燒過程切斷氫氧自由基的反應來抑制燃燒。

滅火劑分為固、液、氣體3種狀態，固體滅火劑包含干粉和熱氣溶膠兩類;液體滅火劑主要包括水、水系和泡沫;氣體滅火劑主要以二氧化碳、哈龍、潔凈和惰性氣體為代表。滅火劑分類如圖4所示。

4.4.3對比分析

因液體滅火劑含水量較高會損傷電纜的絕緣性，在設計時不予考慮。超細自動干粉滅火裝置可分為貯壓式和非貯壓式［4］，因貯壓式需要確保壓力，內部裝置復雜，本系統選擇非貯壓式滅火裝置，通過氣溶膠的燃燒氣體作為驅動的動力實施滅火（以下簡稱超細干粉）。

干粉滅火劑根據使用環境分為ABC、BC、D 3類;根據顆粒大小，分為普通型和超細兩類。超細滅火劑可達到全淹沒滅火的效果，滅火性能為普通型6～10倍［5］。

氣溶膠滅火劑根據藥劑分類有K型、S型和其他型三類，常用為K型和S型。K型因含有高量的硝酸鉀，容易吸濕導電損壞電氣設備，不適用電氣火災;所以電氣火災普遍采用S型氣溶膠。

（1） 滅火性能。

通過分析超細干粉、S 型氣溶膠、二氧化碳、七氟丙烷、IG541滅火裝置（以下簡稱五類滅火裝置）性能發現，化學抑制法相比物理滅火法具有滅火時間短和用量低的優勢，本系統的保護槽盒體積小，對滅火劑的體量有限制，優先選用超細干粉與S型氣溶滅火劑，超細干粉滅火劑的滅火時間相對S型氣溶更短［2］。

（2） 適宜溫度和儲存性。

通過對五類滅火裝置適宜溫度和儲存性對比，超細干粉與S型氣溶膠相比其他滅火裝置均具有易儲存，占用空間小和環境溫度適應強的優勢，可滿足保護槽盒空間小的限制和電纜地下敷設環境溫度的要求。

（3） 安全性能。

通過對五類滅火裝置安全性對比，除了超細干粉和S型氣溶膠以外，其他3類均是高壓氣體，儲藏的鋼瓶內部氣體壓力較大，噴射時需設置管網，安全性和實用性不佳，且體積較大不適用于電纜的保護槽盒內部設置。二氧化碳和七氟丙烷還有窒息和低毒的危害，可能對救援人員安全造成傷害。

（4） 經濟性。

通過對五類滅火裝置經濟性對比，超細干粉和S型氣溶膠所需用量均較小，價格低廉，可常壓儲存，無須鋼瓶和管網，維護簡單，經濟優勢顯著［2］。

超細干粉具有全淹沒或者局部滅火兩種功能，但S型氣溶膠只具備全淹沒滅火功能，保護槽盒內中間接頭火災一旦發生爆炸導致保護槽盒頂蓋被頂飛，此時變為局部滅火，顯然S型氣溶膠的滅火裝置無法滿足要求。

4.5防爆功能

4.5.1保護槽盒設計原理

電纜的中間接頭絕緣能力較弱，發生故障容易引發爆炸。本系統中預警和自動滅火裝置均設置在保護槽盒內，一旦爆炸容易損害相關裝置導致系統無法正常工作，為防止爆炸傷害，應對保護槽盒作防爆設計［6］。

首先保護槽盒的外殼要選用強度高、質量輕且不燃的材料，一旦發生火災，保證不燃，可抵抗爆炸的破壞;泄壓設計，若中間接頭發生爆炸，可釋放保護槽盒內的壓力，保護好中間接頭、預警和自動滅火設備設施。

通過大量對比發現，鋁合金具有質量輕、加工安裝方便，強度高、耐腐蝕的特點，便于維護，是理想的材料［7］。

4.5.2保護槽盒原型設計

保溫槽盒的防爆性能是其最大的創新點，連接用螺栓分為：螺紋段和光滑段，借助橡膠螺帽進行螺栓固定。一旦在保護槽盒內電纜中間接頭發生火災爆炸，保護槽盒蓋體受盒內的壓力影響，通過橡膠螺帽在螺栓光滑段滑動的方式，盒蓋得以打開，泄壓通道開啟，降低了槽盒遭受爆炸損害的程度。防爆螺栓構造如圖5所示。

一旦保護槽盒內電纜中間接頭發生火災、爆炸等事故，保護槽盒防爆功能啟動動作如圖6所示。

通過試驗，本文根據選取的10 kV交聯聚乙烯電纜中間接頭設計保護槽盒。保護槽盒實物圖如圖7所示。盒體材料為鋁合金材質，規格尺寸為：長1 500 mm、寬150 mm、高180 mm。保護槽盒設計模型如圖8所示。

5結語

通過本系統的研發設計，可實現電纜的中間接頭故障和初期火災的多級預警和自動滅火，保護槽盒的防爆設計有效保護了槽盒內的管線、預警和自動滅火設施，可用于指導電纜敷設時中間接頭的制作和防滅火工作。

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［5］吳軍，李志明，郭浩.220 kV大截面電纜的夾具與支架選擇［J］.河北水利電力學院學報，2018（1）：45-47.

［6］信連江，張秀梅.防爆電路的設計和安裝維護［J］.河北工程技術高等專科學校學報，2007（1）：23-25.

［7］霍北季，李嘉輝，吳健良.帶電更換直過式電能表計量接線盒的研發［J］.機電信息，2023（22）：7-10.

收稿日期： 20240322

Research on Fire Prevention and Extinguishing of Cable Intermediate Joints

ZHANG Lianwen，YANG Xinzhan

（Shandong Jining Holy Land Electric Power Group Co.， Ltd.， Jining 272000， China）

Abstract： As the weak point of the urban transmission system，the cable intermediate joint will do great harm in case of fire or explosion.Through research，rapid location，multi-stage early warning and automatic fire suppression functions of cable intermediate joints fault or fire are realized to reduce their fire frequency.It provides a set of efficient，safe and intelligent solutions for fire prevention research.Through the explosion-proof design of the protective tank box，the intermediate joint，early warning and automatic fire extinguishing device and other equipment pipelines in the tank box are protected，which provides a strong guarantee for the smooth operation of urban power system.

Key words： intermediate joint; explosion-proof design; multilevel early warning; automatic fire extinguishing