矿物绝缘电缆分支接线选择建议

胡 艳 强

(北京中厦建筑设计研究院有限公司, 北京 100042)

矿物绝缘电缆在国家现行设计规范GB 50016—2014(2018版)《建筑设计防火规范》、GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》中都有规定,即消防线路应(宜)采用矿物绝缘电缆[1-2]。矿物绝缘电缆不仅具有良好的导电性能、机械物理性能、耐火性能,还具有良好的不燃性,这种电缆在火灾条件下不仅能够保证火灾延续时间内的消防供电,还不会延燃,不产生烟雾。但现有市场所销售的矿物电缆型号众多,电缆结构各不相同,所使用的无机材料也有差别。在不同的火灾延续时间和火焰温度下,如何选择一个既能满足规范又能满足实际使用需求的产品在设计和使用中尤为重要。本文通过统计消防相关设备火灾时延续时间、对比矿物电缆结构差异及试验规范技术差别,给出了民用建筑配电用矿物电缆建议的火灾延续时间、火焰温度及电缆结构选型建议。对比刚性与柔性矿物电缆的材料和结构差别,给出各自优缺点及敷设建议。另外,从实际使用安全性着眼分析了常规矿物电缆分支箱的耐火问题,同时给出了矿物预分支电缆的使用建议。

1.1 消防设备火灾延续时间

按照应急管理部消防救援局公布的2020年火灾统计数据,全年共接报火灾25.2万起,较2019年下降1.4%,因电气安装使用不规范引发的火灾共8.5万起,占火灾总数的33.6%,尤其是各类家用电器、电动车、电气线路等引发的火灾越来越突出。家用电器、电动车火灾因素受产品自身质量和后期使用维护影响较大,而电气线路火灾与线缆选型是否正确直接相关。民用建筑中,常规电气线路线缆选型主要有含卤的聚氯乙烯线缆(代表型号YJV)、无卤低烟阻燃耐火线缆(代表型号WDZN-YJY)和矿物绝缘类不燃性电缆(代表型号BTTZ)。GB 50016—2014(2018年版)《建筑设计防火规范》中10.1.10指出,消防配电线路应满足火灾时连续供电的需求,其中第3条明确规定当消防线路与其他配电线路敷设在同一电缆井时,应采用矿物绝缘类不燃性电缆[2]。

火灾延续时间是在消防管理中为了确定消防设施以及消防灭火用水的计算而在总结多数火灾发生耗时的基础上假定的一个时间。火灾延续时间如表1所示[2-5]。

表1 火灾延续时间

通过表1对相关规范条文数据统计,规范要求的火灾延续时间:对于高层民用公共建筑不小于3 h,其他民用建筑不小于2 h。消防灭火系统的持续工作时间不小于火灾延续时间,消防灭火设备的持续供电时间不小于消防灭火系统的持续工作时间。

1.2 消防设备供电时间

火灾延续时间作为消火栓和喷淋等灭火系统持续工作时间的依据,为满足消防灭火系统持续供电时间,除了要保障有对应时间的电源外(市政电源或备用电源如柴油发电机),还需要在持续供电时间内保证供电线路完好。按GB 50016—2014(2018年版)《建筑设计防火规范》关于消防用电负荷分级规定,民用建筑消防用电负荷最高级别为一级负荷,消防配电线路与其他配电线路敷设在同一电缆井内时,消防配电线路应采用矿物绝缘类不燃性电缆[2](消防用电缆与普通电缆共井敷设时,普通线缆短路或过载引起火灾时,位于同竖井敷设的消防配电线缆需要在火灾环境下可靠运行)。规范规定分竖井敷设可不采用矿物类绝缘线缆,但分竖井占用建筑面积过大引起综合经济成本高,故在民用项目中大多选同一竖井敷设,消防配电采用矿物绝缘电缆。消防水系统设计中消火栓泵组与喷淋泵组大多设置在同一个房间内(消防水泵房),消防配电系统统一考虑。灭火系统的工作时间除满足自身设备要求外,保证可靠的电能供应尤为重要。因消火栓系统所需持续供电时间须高于喷淋系统持续供电时间,火灾持续供电时间按规范中较高要求(消火栓系统)执行,即:对于高层民用公共建筑不小于3 h,其他民用建筑不小于2 h。与 GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》第13.8条文说明中相关论述一致。

2.1 矿物绝缘电缆使用规范及原因

GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》13.8.4第2条,消防控制室、消防电梯……超过100 m民用建筑的疏散照明系统和防排烟系统的供电干线,其电能传输质量在火灾延续时间内应保证消防设备可靠运行。13.8.4第5条:为多台防火卷帘、疏散照明配电箱等消防负荷采用树干式供电时,宜选择预分支耐火电缆和分支矿物绝缘电缆[1]。GB 50016—2014《建筑设计防火规范》(2018年版)第10.1.10条规定:消防配电线路应满足火灾时连续供电的需求,第3条规定:消防配电线路宜与其他配电线路分开敷设在不同的电缆井……确有困难敷设在同一电缆井……应分别布置在电缆井、沟的两侧,且消防配电线路应采用矿物绝缘类不燃性电缆[2]。

从规范可以看出,电缆敷设路径除了要考虑外部火源影响设置防火门外,还需要考虑同一电缆井敷设的普通线缆故障着火对消防线路的影响。现有建筑对建筑得房率要求较高,为电气专业设置独立消防竖井的代价较大,同一电缆井敷设线缆在较多项目中被采用。建筑物在火灾发展过程中保障消防水泵、消防风机、疏散照明、防火卷帘等消防设备可靠运行是人员疏散和火灾防控的重要条件,消防设备供电用矿物绝缘电缆火灾环境中持续稳定运行是消防设备正常工作的重要环节。

2.2 矿物绝缘电缆类型

2.2.1 氧化镁粉作绝缘矿物电缆

依据国家标准GB/T 13033—2007《额定电压750 V及以下矿物绝缘电缆及终端》(等同于IEC 60702—2002),氧化镁粉作绝缘的传统矿物绝缘电缆[6](代表型号为BTTZ)适用于额定电压750 V及以下铜芯铜或铜合金护套矿物绝缘。此种电缆由导电铜芯无机绝缘材料(氧化镁)和铜护套经模具多次拉拔而成,受生产工艺限制,单根电缆无法过长,通常为100 m。如有防腐需要可在铜护套外挤包一层外套,外护套不作为金属护套的电气绝缘。GB/T 13033.2规定了电缆用终端的制造要求和特性,以及检测的试验方法。

2.2.2 云母带矿物绝缘波纹铜护套矿物电缆

玻璃纤维及云母复合材料作绝缘的无机矿物绝缘电缆[7](代表型号为RTTZ)又称柔性防火电缆,其导体由多股铜线绞合而成,以多层云母带做绝缘层,云母带采用玻璃纤维布作基料,外层采用铜带纵向包裹,连续焊接将其封闭构成外护套,再将光滑的外护套压制成螺旋形。国家标准GB/T 34926—2017《额定电压0.6/1 kV及以下云母带矿物绝缘波纹铜护套电缆及终端》适用于额定电压0.6/1 kV电力电缆、450/750 V控制电缆的云母带矿物绝缘波纹铜护套电力电缆及终端。RTTZ在没有国家标准之前按行业标准执行,编号为JG/T 313—2014《额定电压750 V及以下金属护套无机矿物绝缘电缆及终端》。

2.2.3 其他类柔性矿物绝缘电缆

其他类柔性矿物绝缘电缆各生产厂家型号不一,多由执行企业标注,如矿物绝缘铝护套保护隔离型柔性防火电缆BTLY(NG-A),其结构为绞合铜导体、无机防火材料、铝金属护套、耐火隔离层、阻燃绕包耐火层、外护套为基本结构组成。

2.3 矿物绝缘电缆耐火时间及温度相关规定

矿物绝缘电缆不同结构形式对应的生产和试验标准不一,矿物电缆耐火时间规范规定统计如表2所示[8-10],表2列举了试验时间、火焰温度、喷水和机械撞击等相关要求,作为矿物电缆选择依据。

表2统计的规范要求燃烧时间差别较大,有30,60,90,120,180 min,按前文所述“民用建筑火灾持续供电时间对于高层民用公共建筑不小于3 h,其他民用建筑不小于2 h”,因此根据不同项目类型建议选择120 min或180 min为宜。另外,考虑火灾时喷淋喷水及坠落物撞击的影响,按JG/T 313—2014《额定电压0.6～1 kV及以下金属护套无机矿物绝缘电缆及终端》规定,采用950～1 000 ℃燃烧180 min,试验标准采用GB/T 19216.21中规定的耐火试验步骤及温度,同时应符合BS 6387规定的单纯耐火、耐火加水、耐火加机械振动在同一根试样上按C、W、Z试验的要求。此规范规定在一根式样上完成耐火、耐火加水、耐火加机械振动,这样更接近实际火灾情况。

表2 矿物电缆耐火时间规范规定统计

前文所列出的矿物绝缘电缆耐火时间对应电缆本体。矿物电缆敷设规范JGJ 232—2011《矿物绝缘电缆敷设技术规程》中3.1.7条(强条)规定,有耐火要求的线路,矿物绝缘电缆中间连接附件的耐火等级不应低于电缆本体的耐火等级。条文的说明解释:为避免因火灾造成中间连接附件的损坏,导致线路停电[10]。敷设规范中明确表明:“中间连接附件的耐火等级不应低于电缆本体”。分支箱敷设时需对导体截断和去除端头绝缘及防火填充物,这大大增加了电缆故障率。

3.1 矿物电缆分支箱的耐火问题

矿物绝缘电缆在民用建筑中主要为消防负荷配电,消防负荷供电形式以放射式和树干式为主,电缆放射式敷设时需要使用中间连接器,树干式敷设时需要使用电缆分支接线箱。按图集《矿物绝缘电缆敷设》电缆分支敷设图示所述,电气设计及施工采购时矿物绝缘电缆树干式(分支)配电采用分支接线箱。按JGJ 232—2011《矿物绝缘电缆敷设技术规程》规定:矿物绝缘电缆分支接线箱耐火等级不小于电缆本体耐火等级。分支箱制造规范遵循GB 7251《低压成套开关设备和控制设备》系列(等同采用IEC 60439),但规范中并没有关于配电箱防火性能的规定,在工程实施中电缆分支箱多采用冷轧钢板喷塑外壳,普通冷轧钢板箱体基本不具备防火性能[11]。通过上述分析可知,如采用电缆分支箱作为矿物电缆树干式配电,无法满足JGJ 232规定的不小于电缆本体耐火等级的要求。

3.2 预分支矿物绝缘电缆优缺点分析

矿物绝缘预分支电缆与矿物电缆分支箱比较如表3所示。

表3 矿物绝缘预/分支电缆与电缆分支箱比较

矿物绝缘预分支电缆主要用于高层建筑消防负荷树干式配电,具有配电安全,防水性、耐腐蚀性、抗震良好、免维护、综合成本低等特点,与耐火母线槽相比,无论在制作工艺、材料性能、产品质量,还是生产成本和施工方法上,都体现了它的优势。但分支电缆也有其局限性,由于预分支电缆在工厂一次成型,因此用户必须提前提供完整而准确的资料,特别是配电系统图和电气竖井内配电系统数据(主要包括竖井的高度、层高、每层接头位置等楼层标高剖面图)。预分支电缆制作工艺要求较高,对电缆厂家生产加工工艺要求提出新高度。

3.3 应用建议

预分支矿物绝缘电缆分支节点处耐火试验、耐火加水试验、耐火加机械振动试验性能与矿物电缆直线段相同,电缆分支点处防火及机械性能远高于传统电缆分支接线箱。矿物预分支电缆可以满足JGJ 232—2011《矿物绝缘电缆敷设技术规程》的相关耐火要求。但矿物预分支电缆也有其局限性:预分支电缆综合成本(采购+施工)高于矿物电缆加分支箱、预分支电缆在工厂一次成型、订货生产时用户必须提供完整且准确的数据(楼层高度、配电箱安装高度、分支线长度、直线段长度等)、对施工人员综合能力有新的要求。综合考虑分支箱占用竖井面积及线缆整体耐火要求,采购成本虽略有增加,但在消防负荷树干式配电中优先使用预分支矿物绝缘电缆。

近些年国内规范对线缆耐火等级要求逐渐严格,长期以来矿物绝缘电缆设计及施工大多采用分支接线箱,此种敷设无法满足敷设规范要求的“中间连接附件的耐火等级不应低于电缆本体”,矿物预分支电缆能完美地解决分支处防火的问题,但由于矿物电缆在生产加工时有一定的材料和工艺门槛,需要在选择时重点关注分支电缆加工工艺及材料选用,必要时可截取分支进线,进行燃烧试验,以保障消防线路安全性。