城市电力电缆隧道消防安全评估研究

张佳庆，李文杰，范明豪，欧阳本红

(1.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，安徽 合肥 230601；2.国家电网公司输变电设施火灾防护实验室，安徽 合肥 230601;3.中国电力科学研究院有限公司，湖北 武汉 430074)

近年来，随着我国经济发展和城市化进程的不断加快，越来越多的输电线路采用电缆隧道的方式敷设于城市地下。电缆隧道不仅便于电力工人对输电线路进行维护与更换，还在一定程度上减小了对地面景观的破坏。然而电力电缆隧道的火灾事故却时有发生，严重威胁了城市的安全运行。2015年4月1日，位于英国伦敦Holborn地区的一处电缆隧道发生火灾，灭火行动共持续了36 h，火灾造成市中心5 000人紧急疏散，附近商场和剧院的电力供应受到了严重影响[1]。2016年8月，辽宁大连市大连海事大学附近66 kV电缆隧道起火，事故造成大连市区内大面积停电6 h以上，城市交通、自来水供应、医院、商业经营都受到影响[2]。住房城乡建设部在2016年《城市地下空间开发利用“十三五”规划》中明确指出要加强城市地下管线建设管理，保障城市安全运行。电力电缆隧道作为城市地下管线的重要组成部分，其安全问题不容忽视，且电缆隧道属于地下无人场所，火灾发生早期不易被发现，当人们发现时火灾已转入剧烈燃烧阶段，给火灾的预防和扑救造成了巨大的困难。因此，在城市电力线路的建设与管理中应当高度重视电缆隧道的消防安全问题，预防火灾事故的发生。

国内外关于城市建筑及地下空间的火灾风险评估的研究很多，如徐坚强等[3]利用层次分析法建立了建筑火灾风险评估指标体系；MENG等[4]认识到了隧道消防中存在的不确定性问题，提出使用Monte Carlo模拟和事故树相结合的方法构建公路隧道火灾事故的定量风险评估模型；WU等[5]使用贝叶斯网络和德尔菲法对地铁站火灾发展过程中的风险后果问题进行了研究。而关于城市地下电缆隧道火灾风险评估的研究则相对较少，研究也并不充分。如方鸿强等[6]采用模糊层次分析法和熵权法对电缆隧道火灾风险影响因素开展识别研究；HOSTIKKA等[7]针对核电站电缆隧道，采用数值模拟的方法对隧道内火灾风险进行了定量分析。因此，笔者从火灾风险评估的角度出发，建立电力电缆隧道消防安全评估指标体系，并利用模糊层次分析法对某电缆隧道开展消防安全评估实例研究。

1 电力电缆隧道消防安全评估指标体系构建

1.1 电缆燃烧属性

电缆是电缆隧道内最主要的可燃物，电缆的外护套和绝缘层在强烈的热辐射下都会发生分解并释放出可燃性挥发物质，从而引起火灾。因此，在对电缆隧道的消防安全进行评估时，应着重考虑隧道内电缆自身燃烧带来的火灾危险性。评价电缆燃烧危险性通常考虑电缆材料的引燃特性、热危害性、产烟特性和毒性4个方面[8]。引燃特性主要用来衡量电缆在隧道内被引燃并发生蔓延的可能性，热危害性用来衡量电缆燃烧产热带来的危害，产烟特性和毒性则用来评价烟气浓度与毒性对隧道内人员逃生及消防救援的影响。

1.2 电缆运行状态

电缆隧道，特别是在役期间的电缆隧道，其中敷设的电缆并不是简单的电缆本体，而是带电运行的电力线路，因此还需从电缆运行的角度评价电缆隧道的火灾危险性。电缆运行过程中表现出来的老化与故障通常包括电缆本体的老化、过负荷、电缆接头故障等[9]。这些老化与故障都有可能造成电缆绝缘性下降，从而引起短路并发生火灾。因此，在对电缆隧道进行消防安全评估时，应对电缆的一些基本运行参数和老化情况进行评价，例如与电缆故障密切相关的金属护层接地电流、电缆接头温度和电缆本体温度等[10]，评价电缆老化则主要考虑电缆的在役时间和电缆外表面的腐蚀情况等。

1.3 电缆隧道环境特征

电缆隧道作为一种对电缆进行保护的地下构筑物，因此其结构特征、自然条件和附属设施状态都会对隧道内火灾的发生发展造成影响。例如电缆隧道内通常会设置一定的防火分隔，防火分隔的设置间距直接关系着隧道内火灾的蔓延情况。此外，电缆隧道位于地下，因此通常伴着高温、高湿的自然条件，过高的温度和湿度会显著提高电缆火灾发生的概率。除了这些客观因素外，隧道内还布置有大量的附属设施，附属设施的状态也与电缆火灾的发生密切相关，例如接地箱能够有效限制电缆金属屏蔽层(金属护套)感应电压和设备故障过电压，该设备故障后电缆短路起火的机率会明显增大。

1.4 电缆隧道消防配置

电缆隧道的消防配置也是影响电缆隧道内消防安全的重要因素。电缆隧道的在线监测设备能实现对火灾的早期探测，电缆隧道的防火措施则能在电缆火灾初期起到抑制作用，灭火措施决定了电缆隧道对火灾的控制作用，而消防管理则从消防培训、人员巡查、消防预案制定等方面对应急响应水平进行了衡量。

通过对影响电力电缆隧道火灾风险的因素进行识别，构建各因素之间的层次结构关系，建立电力电缆隧道消防安全评估指标体系，如图1所示。

图1 电力电缆隧道消防安全评估指标体系

2 评估指标权重分析及参数量化

2.1 模糊层次分析法

层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)是一种针对多因素分析、多指标分级的评价方法。模糊层次分析法则是在层次分析法的基础上引入了模糊数学的思想，从而将专家的决策意见模糊化，减少专家判断主观性的影响。利用模糊层次分析法进行评价时，多采用三角模糊数对专家的意见进行模糊化，以构建模糊判断矩阵。模糊层次分析法中对不同因素间两两进行比较判断时，通常采用三角模糊集合的标度方式对因素之间的重要程度进行表示，如表1所示。

表1 判断术语对应的三角模糊集合

(1)

(2)

由于模糊判断矩阵得到的特征向量中各元素以模糊集的形式表示，因此还需对权向量进行去模糊化处理，去模糊化后的值即为因素的指标权重。去模糊化的过程如式(3)所示[12]。

(3)

2.2 指标权重计算结果

利用问卷调查的形式对电缆隧道消防安全各因素间的重要程度进行调研，共收集了15位行业内专家的意见。将专家意见转化为模糊判断矩阵后，利用模糊层次分析法计算各专家判断的模糊权重向量，得到电力电缆隧道消防安全评估体系中各级指标的权重，如表2所示。从表2可以看出，三级指标中临界热通量(A11)、电压等级(B11)、引燃时间(A12)、平均CO释放量(A41)和电缆腐蚀状态(B42)的指标权重相对较高。其中，临界热通量、引燃时间和平均CO释放量属于电缆自身的燃烧属性，电压等级和电缆腐蚀状态则属于电缆的运行状态。因此，可以看出电缆自身燃烧特性与其在运行过程中的故障是影响电缆隧道消防安全的重要因素。

表2 电力电缆隧道消防安全评估体系指标权重

2.3 指标量化标准

为便于评估操作者快速识别风险和量化风险，笔者针对各指标建立了相应的评价量化标准，量化总分值为10分，分数越高代表越危险，各指标的量化标准及参考依据如表3所示。

表3 电力电缆隧道消防安全评估各指标参数量化

指标量化的依据主要参考了与电缆隧道相关的国家及行业规范与规范，同时针对电缆火灾危险性的指标也参考了相应的实验数据及文献。在对数据进行处理时，由于各指标对应的基础数据可能包括定性的描述类数据或定量的连续型参数数据，因此对数据的处理方式也不同。对于描述类的数据，可以通过划分不同的类别来实现对数据的分类量化；对于连续型的数据，可采用归一化的方法在一定范围内根据数值的大小按比例进行量化，例如临界热通量(A11)，当测得电缆样品的临界热通量CHF，则指标量化得分S可通过式(4)计算得到。

(4)

3 电力电缆隧道火灾风险评估实例研究

3.1 评估基本参数收集

笔者以某处110 kV电缆隧道为实例，对其消防安全现状进行了评估。首先,对隧道内敷设电缆样品的燃烧特性进行测试。测试标准为《ASTM E2058-13a用火焰蔓延仪(FPA)测量合成聚合物材料易燃性的标准试验方法》[26]。测试的电缆样品型号为YJV22-8.7/15 kV-3 70交联聚乙烯绝缘铜芯电缆。电缆外护套、填充物和绝缘层进行燃烧特性测试的样品及燃烧产物如图2所示。其次，对该隧道的实际消防安全情况进行实地调研，隧道内电缆整体布局、防火分隔封堵及相应的消防设施的情况如图3所示。最后，通过对电缆燃烧性能的测试及对电缆隧道的实地调研可完成评价基础数据的收集，利用上述指标量化标准对各指标进行量化打分。

图2 电缆燃烧性能测试

图3 电缆隧道内部分设施的消防安全情况

3.2 评估结果分析与讨论

基于各指标的得分和权重，可计算出电力电缆隧道的火灾风险值为3.446。参照评价结果与风险等级的对应表(如表4所示)，可知该电缆隧道现处于较低火灾风险等级，总体消防安全水平良好。

表4 火灾风险等级界定

部分关键因素的基础数据及其排序如表5所示，结果显示对该隧道火灾风险影响较大的因素主要包括临界热通量(A11)、引燃时间(A12)、有效燃烧热(A22)、隧道类型(C11)和在役时间(B41)，普遍来自于一级指标电缆自身燃烧属性和电缆运行状态。电缆自身燃烧属性方面，由于该电缆隧道内普遍敷设的电缆型号为YJV22，且电缆采用非阻燃型，因此在临界热通量和引燃时间等参数上均表现出较大的火灾危险性。电缆运行状态方面，该隧道中电缆大多数为2010年敷设并投入使用，已使用超过8年，存在老化情况，电缆的运行可靠性逐渐开始下降，故火灾发生可能性大大增加。

表5 电力电缆隧道部分指标基础数据及指标排序结果

3.3 改进建议

针对该电缆隧道存在的部分问题，可以从以下几个方面改进电缆隧道的消防安全水平。

(1)对隧道内的电缆进行升级。建议今后对于该电缆隧道的关键部位应尽量采用阻燃型电缆，降低电缆火灾发生蔓延的可能。对于已敷设的电缆应在电缆接头等关键部位采用防火布或涂刷防火涂料进行保护。

(2)加强对电缆运行参数的监测。由于该电缆隧道中电缆运行时间较长，因此隧道运维人员应重点关注隧道内电缆的老化情况，加强对电缆绝缘性能、电缆接头温度的定期检测，及时发现存在老化问题的电缆。

(3)加强对电缆隧道内消防设施的检查和维护。该电缆隧道中配备的消防设施对控制电缆隧道火灾风险起到了明显的作用，但是随着使用时间的延长，这些设备的可靠性问题也同样值得关注。因此，建议隧道运维人员定期对电缆隧道内的消防设施进行巡逻和检测，发现无法正常工作的消防设备，应及时更换。

4 结论

随着社会经济的发展，城市生活越来越离不开电力，电缆隧道作为未来城市输电线路的重要组成，存在的火灾风险应得到高度重视。笔者从风险评估的角度出发，对城市电力电缆隧道的消防安全评估指标体系进行了研究，得到以下结论：

(1)城市电力电缆隧道的消防安全问题复杂，受多重因素的影响，仅从单一方面对问题进行分析缺乏系统性认识。火灾风险评估作为一种系统性方法，能为综合评价电缆隧道消防安全提供一种有效途径。

(2)不同于建筑消防安全评估指标体系，电缆隧道消防安全评估指标体系不仅要考虑可燃物自身和配备的消防设施，还要考虑电缆在役期间的运行状态和隧道内的环境特征。因此，从电缆燃烧属性、电缆运行状态、电缆隧道环境特征和电缆隧道消防配置4个方面构建指标体系，并对电缆隧道消防安全进行了评价。

(3)基于模糊层次分析法的城市电力电缆隧道消防安全评估方法，能客观反映电缆隧道的消防安全水平，找出影响电缆隧道火灾风险的关键因素，从而帮助决策者制定提高消防安全水平的方案，显示出了方法的科学性和工程应用价值。