核电厂地下综合管廊一般有以下设施:给排水管道、消防管道、蒸汽管道、压缩空气管道、除盐水管道、冷却水管道、电力电缆、通信电缆、测量电缆等。

　　 管道主要为碳钢管道、不锈钢管道、少量塑料管道(一般为难燃塑料)、玻璃钢管道。使用的电缆一般为B级阻燃电缆和C级阻燃电缆。

　　 综合管廊一般有2种布置形式:1管道与电缆共用一个仓室,一侧电缆,一侧管道;或者上方电缆,下方管道;或者中间管道,两侧电缆;2电缆和管道分别设置在2个仓室内,电缆和管道有隔墙分割。综合管廊一般围绕常规岛、核岛和BOP密集区域布置,正常来说单堆机型或双堆机型的管廊所在最小圆的半径不超过1 000m。

　　 国内核电厂一般采用自动喷水、室内外消火栓共用消防供水系统,管网压力最大可能达到1.2MPa,综合管廊区域消防压力一般不低于0.8 MPa。

　　 2012年之前批准的核电厂的地下综合管廊一般没有设置防火分区,所有管廊连为一体,逃生一般依靠爬梯爬出管廊。管廊一般不设置机械通风,利用人孔、吊装孔作为通风孔。海滨核电厂在部分月份或者雨后有较长时间的湿度在90%以上的情况,部分区域甚至有严重的凝结水问题。综合管廊的初始设计一般只设置了灭火器作为灭火措施,部分核电厂(例如大亚湾、岭澳)在保险组织的要求下改造增加固定灭火系统,主要为自动喷水灭火系统,也有部分核电厂考虑其他灭火设施。

　　 2012年之后建造的核电厂考虑到《核电厂常规岛防火设计规范》(GB 50745—2012)对电缆隧道的要求,部分核电厂在设计初期即考虑设置防火分区,逃生可进入相邻防火分区,也可通过爬梯爬出隧道。管廊一般设置有机械通风系统,并考虑设置固定灭火系统,但是在固定灭火系统选型和使用上遇到较多困扰。

　　 核电厂地下综合管廊内的电缆一般在10kV以下,使用的电缆多为3芯电缆、4芯电缆、5芯电缆等多芯电缆。电缆一般结构如图1所示,实际采用电缆结构的可能稍有差异,比如有无铠装。

　　 核电厂综合管廊中使用的电缆一般为B级低烟无卤阻燃电缆或者C级低烟无卤阻燃电缆。火灾特性如表1所示。

　　 综合管廊内的电缆桥架一般按照下列方式布置:即从上到下电压等级逐渐降低,上层一般为动力电缆,采用梯架,填充率一般不大于40%;下层为控制测量电缆,布置在封闭槽盒内。梯架填充率在设计中一般预留余量,但是部分核电厂有超容的情况。也有核电厂采用上方布置控制测量电缆,下方布置动力电缆的情况。

　　 (1)电缆本身故障导致。电缆接头制作不良导致电缆接头起火;长期运行导致绝缘老化击穿短路着火;受到外力破坏绝缘层导致起火;长时间过负荷运行导致绝缘过热损坏起火。

　　 (2)外部火源引燃电缆导致火灾。由非电缆可燃物、移动可燃物、施工切割等原因引起电缆火灾,根据我国统计大部分电缆火灾均由外部火源引起。

　　 综合管廊内的控制测量电缆电压低,电流小,由第一类原因导致火灾的概率远低于动力电缆,同时由于控制测量电缆布置在封闭槽盒内,对外来火源也有一定的保护性,着火的可能性也低于动力电缆,如采用耐火槽盒,外来火源更难以点燃,故综合管廊内的主要火灾风险点为动力电缆。

　　 采用阻燃电缆时,电缆火灾属于慢速火灾^[1] ,文献[2] 总结认为水平电缆桥架火灾蔓延速度一般沿点燃点约3.1m/h,垂直电缆大约是火灾蔓延速度水平的3~10倍。

　　 与核电厂地下管廊类似的设施主要有市政管廊和电缆隧道。差别与联系见表2。

　　 从表2的对比可以看出,市政管廊、电缆隧道的环境条件要好于核电地下管廊;核电综合管廊内的电压等级较低,且采用更好的低烟无卤阻燃电缆,电缆防火方面做得更好;防火分区设置等方面核电厂较差;但核电厂有更好的消防水源可以利用,水消防相对市政管廊和电缆隧道更有吸引力。

　　 当前直接针对综合管廊的规范只查到《城市综合管廊工程技术规范》(GB50838—2015)和《江苏市政管廊建设指南》(2010年9月试行),但针对电缆隧道的规范较多,相关规范规定摘录如表3所示。

　　 经过调查,部分国内(不限于核电厂)地下综合管廊的固定灭火设施设置情况如表4所示。

　　 从我国市政管廊的实践来看,主要采用了水喷雾、细水雾、气溶胶、超细干粉4种灭火措施。从类似设施的规范规定来看,自动喷水、水喷雾、洁净气体、二氧化碳、干粉等均在可选范围内。

　　 市政管廊设计中普遍认为水喷雾系统存在水量大、排水困难等问题,当前核电厂地下管廊中也存在类似问题。当防火分区设定为200 m,管廊内的电缆4层以上且双侧布置,综合管廊两侧电缆分别设置水喷雾进行保护时,则水喷雾水量会大于160L/s。如管廊不考虑充足的排水措施,则很容易导致内部水淹,甚至导致连接的厂房被淹没发生二次灾害;对于未设置防火分区的情况,需要考虑相邻系统同时动作,更需要通过减少单个水喷雾系统的保护面积来控制水量,对于十字交叉管廊设置起来尤其困难,雨淋阀组设置位置难找,且管廊阀组数量较多。对于新建管廊来说,设置防火分区并进行防水淹设计的情况下,设置水喷雾在排水和分区方面的问题得到一定程度的缓解,同时可通过设置温控雨淋阀或类似阀门降低控制阀组的设置难度。

　　 国外规范均考虑了自动喷水系统在电缆火灾中尤其是电缆隧道的适用性。《城市综合管廊工程技术规范》(GB50838—2012)也是允许采用自动喷水的,但是国内设计人员普遍认为电缆火灾采用自动喷水不合适,存在短路的风险等问题,实际设计中很少采用,规范升版时也不再推荐。自动喷水灭火系统具有系统简单,造价低,所需供水压力低等一系列优点,值得深入研究国外允许采用自动喷水扑灭电缆隧道火灾的原因、适用条件以及对电缆火灾适宜性方面是如何考虑的,下文做更深入的分析。

　　 对于气溶胶、洁净气体、二氧化碳来说,要求管廊在喷放时为密闭空间,已建管廊改造做成密闭空间的代价太大,新建管廊的设计也会导致吊装孔、人孔、通风孔的设置出现设计困难或设计复杂化,同时地下管廊属于逃生困难的区域,30s内离开着火的区域往往存在困难。另外地下管廊为狭长形构筑物,对于洁净气体和二氧化碳灭火系统来说难以通过组合分配系统的设计明显降低投资,导致投资巨大。气溶胶可采用悬挂式安装,但是对桥架有腐蚀,造价较高。

　　 超细干粉相对于气体系统来说,对保护对象的密闭性要求较低,悬挂式安装时对管廊安装条件要求较低,且可以通过划分虚拟分区来减少每次动作的干粉数量,干粉弥漫的区域也相对较小,对桥架无腐蚀,对排水设施无要求,对当前核电厂地下管廊改造和新建管廊均具有吸引力。

　　 对于细水雾来说,根据国内规范规定,保护电缆时建议设置开式全淹没系统,每套泵组可带3套开式系统^[3] ,对于厂区数千米地下管廊、200m一个防火分区来说,将需要多套泵组,总投资巨大。

　　 超细干粉灭火系统做全淹没保护时对空间的密闭性要求如下:防护区不能关闭的开口面积之和与该防护区的总内表面积之比不应大于5%^[4] 。电缆管廊为狭长形的管廊,一般管廊长度在30m左右即可满足该要求。在该长度范围内形成一个满足规范要求的灭火区域,并能保证系统喷放范围的最小化。

　　 可以考虑8~10具组网,保护一个可以满足全淹没条件的区域,干粉灭火装置可以通过火灾自动报警系统两路探测器联动启动。每具超细干粉灭火装置同时可自带温度启动装置,火灾时无需外界干预即能启动灭火装置。每组灭火装置也可以手动启动。

　　 对于未设置防火分区的管廊来说,干粉灭火装置具有安装便利,只需要火灾报警配合即可单独进行改造的优势,当前国内有温度启动器为双温度探头的干粉灭火装置产品,在不新增探测设备的条件下也可具有较高的可靠性,只需要将启停信号接入厂区火警系统即可。该系统不会新增水淹风险,对管廊分割、通风等的要求也比较低,本身无导致漏电的风险。由于为全淹没系统,对原来的电缆布置形态也无要求。

　　 对于新建管廊,采用超细干粉也有基本不增加管廊断面的优势。

　　 选用超细干粉系统需要关注的问题如下:

　　 (1)由于超细干粉需要联动,需要关注探测系统的问题,由于当前国内核电厂均为海滨核电厂,部分地下管廊没有设置机械通风,有湿度超过95%和出现凝结水的情况,会导致火警系统烟感探测器严重误报,可能会导致干粉系统误动。对于使用温度启动模块的产品来说,温度启动模块在高湿度和产生凝结水的情况下误报率和故障拒动率也会升高。

　　 (2)当前国内超细干粉灭火装置温度启动装置多为无源系统,检测温度启动器比较麻烦,需要手动按检测按钮或者拆开检查。

　　 (3)超细干粉灭火装置的使用寿命较短,一般5~10年需要更换,寿命期内的投资相对较高。

　　 (4)超细干粉喷放后会导致保护区域可见度降低,影响逃生,在管廊中宜减少喷放区域的长度。

　　 (5)超细干粉误动作或者火灾动作后需要对干粉进行清理。动作时可能导致临近区域的烟感探测器动作。

　　 针对阻燃电缆,各国进行了多个试验证明了自动喷水灭火系统的灭火的有效性,现介绍几个著名的试验。

　　 该试验为了解决3个问题,12m×2m×20m的电缆隧道,6层电缆桥架是否可以通过自动喷水灭火;2在火灾得到控制之前,火灾蔓延多远;3多少喷头会动作。

　　 试验主要采用PVC绝缘电缆,夹杂部分橡胶绝缘电缆和聚乙烯绝缘电缆,电缆有动力和通信2种,管廊两侧,一侧布置6层600mm桥架,另外一侧布置5层600mm的桥架,屋顶设置DN15的标准喷头,溅水盘在电缆上方450 mm,喷头位于管廊中间,喷头间距4m。

　　 结论如下:普通喷头足以扑灭火灾,2m宽的管廊可能只动作2个喷头即可控制火灾。未出现管廊一侧的电缆着火引燃另外一侧电缆的情况,火灾基本被控制在单个桥架。虽然火灾扑灭,但是点火源上方的桥架的电缆基本全部损坏。

　　 1978年,英国电力局针对12个桥架的情况进行了13组试验,其中2组仅仅使用闭式喷头,另外11组采用探测系统联动启动喷淋系统。给出的其中一个结论是使用自动喷水破裂前火灾发展的更加显著(相对于探测联动),但是火灾可在3 min内扑灭。试验显示水喷雾可以将火灾损坏的桥架数量控制在1~2个,自动喷水将火灾损坏的桥架控制在6~9个桥架。

　　 共进行了37组试验用于试验哈龙1301、二氧化碳、自动喷水和水喷雾的灭火效果,结论认为4种灭火系统均可有效扑灭电缆火灾,但是灭火所需时间的长短有差异,自动喷水对于垂直桥架具有良好的灭火效果,对于水平桥架来说由于上层桥架的阻挡作用,下层桥架的火灾扑灭时间相比水喷雾更长,水喷雾是最高效的扑灭电缆火灾的方式。

　　 受美国电力协会EPRI委托,FM公司在其实验室共做了17组试验用于研究混合布置电缆火灾特性,其中10组用了水灭火,结论如下:在无阻挡的情况下,自动喷水可以有效地扑灭混合布置的电缆火灾。对于有遮挡的情况,自动喷水控制火灾有困难。喷头动作的速度快,能有效降低电缆的损坏程度,喷淋强度加大能有助于降低电缆的损坏程度。

　　 上述4组试验充分证明了自动喷水灭火系统在无阻挡的情况下对于阻燃电缆火灾的有效性,美国、加拿大、英国、法国均以上述试验作为基础,规定允许采用自动喷水作为电缆火灾的应对措施,部分国家将试验所用的喷头布置———喷头溅水盘位于电缆桥架顶部450理论mm以上,明确写入规范作为必须执行的条款^[9] 。另外试验也说明自动水喷雾系统在扑灭电缆火灾方面具有速度快的优势,有利于控制火灾损坏的电缆范围。

　　 一般来说动力电缆的故障分为以下几类:对地短路、开路、相间短路(含多芯电缆内部短路和电缆与电缆之间的短路)。电缆故障同时可能带来电气故障,例如误动作、通讯中断等。

　　 根据图1所示电缆的结构可知,当电缆是被外部火源引燃的时候,先燃烧的是电缆外护套、其次是包带等,当绝缘层破坏后,会导致其他导体短路,当采用多芯电缆时,可能发生电缆内部的相间短路,对地短路等,多根电缆同时燃烧时,可能发生电缆与电缆间的短路和对地短路,但是在绝缘层破坏之前不会发生对外部导体的短路。当因为电缆长期过热等电缆自身起火时,一般会先破坏绝缘层,此时马上发生短路,接地或其他电气故障,对外部导体短路。

　　 如果是电缆本身短路导致的故障基本与自动喷水无关。外部火源引燃的火灾在燃烧导致绝缘层破坏,此时有可能导致对地短路、开路、相间短路,并引起电气故障。对于这种火灾,如果水灭火系统能尽早介入,能在绝缘层破坏之前扑灭火灾则不会导致电气故障。

　　 对于自动喷水与电缆外部火灾导致的电气故障的关联性,美国电力协会作了17组试验^[10] ,见表5。

　　 从试验数据表5可以看出,自动喷水灭火系统灭火时,火灾时的电气故障等与自动喷水关系较弱。

　　 当电缆填充率达40%时,由于电缆较多,喷在电缆上的水只能从电缆间的缝隙滴落到下一层桥架,从这个角度来看,自动喷水与水喷雾没有差别,如果电缆发生损坏或接头位置未进行防水处理时均可能导致电气故障。故采用水消防时应注意电缆接头的防水处理,并避免电缆损坏。当前电缆接头位置的电缆防护等级已经可以做到IP67,在电缆未发生其他损害的时候误喷不会带来电气故障。自动喷水灭火系统误喷风险也明显小于水喷雾系统,同样一个火灾喷水范围也明显小于水喷雾,对电缆损伤部位的喷洒概率降低。但是由于自动水喷雾更快速高效,对于外部火源导致的电缆火灾来说,在电缆绝缘破坏前扑灭电缆火灾的可能性要明显高于自动喷水灭火系统。

　　 采用自动喷水保护时,发生人身伤害的情况可能有以下几种:1因为自动喷水地面集水,电缆对地短路,人通过地面集水导致触电;2因为自动喷水水滴不够细,比较高的电压导致管道带电,因为某种原因接触喷淋管道导致触电;3喷水导致电缆损坏部位与桥架构成短路,桥架带电,人接触了桥架;4自动喷水管道布置距离电缆过近,电缆绝缘破坏后由于带电保护距离不够导致管道带电,人接触管道带来人身安全风险。

　　 我国《民用建筑电气设计规范》(JGJ 16—2008)要求火灾确认后,应在消防控制室自动切除相关区域的非消防电源。此要求已大大降低了带电消防导致危害的风险^[11] 。

　　 不论是自动喷水还是水喷雾系统均可能导致地面积水,由于水喷雾系统动作面积广,避免该问题只能加强排水。自动喷水系统动作范围较小,一般来说着火初期只会启动一个喷头,人员能很快离开该区域,故认为自动喷水系统在避免地面积水导致的短路问题上是有优势的。

　　 喷水可能导致的另外一个问题就是导致电缆对喷淋管线的短路,对地短路问题,美国电力协会统计了过往项目对喷水与短路关系的分析情况^[12] ,摘录如下:一般来说原水的导电性能好于生活饮用水,生活饮用水好于除盐水。相对于直流水枪来说,自动喷水的水为水滴状,水滴被空气包围,空气的导电性能较差。1947年美国芝加哥消防部门、1958年安大略湖水电公司分别进行雾化水枪的带电保护距离测试,测试结果均为雾化水枪的安全距离为4ft(1.2m),不对消防队员产生危害。另外FM等公司进行了一系列测试,证明了在11kV以下的电压等级下,28mm直流水枪使用原水时带电保护距离为20ft(6m)。经过试验和分析,认为水柱断裂会迅速导致漏电减少,漏电电压和电流因为水滴之间的空气间隙迅速衰减,即便是直流水枪,在距离足够的时候也是安全的。

　　 1982年天津消防所做了146kV电压等级、1m间距条件下的离心雾化喷头喷雾的漏电试验,显示漏电量在10μA级;1991年天津消防所开展的110kV的离心雾化喷头喷雾的漏电试验结论基本相同^[13] 。一般对人体产生伤害,电流值要达到10mA以上,安全电流值是上述测得漏电值的200倍或以上,具有较大的安全余度。当然测试时距离相对较大,会导致电阻值提升,但根据欧姆定律,即便是考虑距离缩短为一半,安全电流值仍然是测得漏电值的100倍或以上。

　　 高速水雾喷头工作压力一般为0.25~0.80MPa,水滴直径为0.3~0.4mm;中速水雾喷头工作压力一般为0.15~0.50 MPa,水滴直径为0.4~0.8mm;自动喷水水滴直径为0~6 mm^[14] 。高速水雾喷头和中速水雾喷头规范验收的直径指标是一致的,均为D_v0.90<1.000 mm^[15] ,实际上中速水雾喷头的雾化粒径会大于离心雾化,但是差距最多在2~3倍,在相同喷淋强度下预计漏电差异不是特别显著。自动喷水的水滴直径是高速水雾喷头的10倍以上,同等条件下漏电电流可能会变大,但是核电地下管廊中电缆的电压等级比较低,不到1982年天津消防所试验电压的1/10,同等条件下电压低漏电电流可能会减小;1982年天津消防所试验漏电电流远小于安全电流;综合考虑上述3方面因素,预计核电厂地下综合管廊中的电缆使用自动喷水的漏电量不会超过人身安全电流值,使用自动喷水是安全的。即便是有轻微漏电,考虑到可在自动喷水灭火系统进出地下综合管廊时进行接地处理,也会保证需要操作部位或人容易接触部位的安全。

　　 采用自动喷水时,平时管道的带电保护距离与水喷雾管道没有差别,水喷雾灭火设施与10kV以下的带电裸露部分的安全距离为200mm^[16] ,这个距离自动喷水灭火系统管道在电缆管廊内还是比较容易做到的,故电缆绝缘破坏导致的管道带电问题是可以避免的。

　　 根据上述分析可知,采用中速水雾喷头和自动喷水喷头保护核电厂地下管廊的电缆均不应会带来人身安全隐患。

　　 采用自动喷水系统时,由于喷头是逐步开放的,7.1节所给出的试验中扑灭火灾时开放的喷头数量均不超过5个,美国国内在考虑电缆管廊使用自动喷水保护时,保护距离为沿管廊长度方向30.5m,消防水量相对于水喷雾系统大幅度减少,加上管廊底部可以容纳部分水,一般来说不至于对管廊构成水淹,管廊本身的排水设施即可满足排水要求。但是考虑到核电厂厂区综合管廊四通八达,与众多厂房连接,建议管廊进行防水淹设计,避免管廊内的水进入厂房造成二次损失。

　　 针对管廊内部,一般内部主要是钢管、玻璃钢管、电缆等,电缆接头位置可以做到IP67的防护等级,在电缆没有其他损伤的情况下,设置水喷雾或自动喷水导致短时间淹没不会导致短路等损害。通过进行防水淹设计,可以有效降低排水压力和投资,而且其为非能动设计,可靠性高。

　　 相对于自动喷水灭火系统来说,水喷雾在对电缆定向喷射等方面具有优势,在快速扑灭火灾方面也有优势,对于漏电的防护方面也优于自动喷水灭火系统。

　　 闭式中速水雾喷头的动作原理与普通闭式喷头相同,使用闭式水雾喷头可以只开放着火点附近的喷头,减少水淹风险,降低排水压力。由于玻璃泡或易熔合金开放的速度要明显慢于火灾报警联动,故闭式中速水雾喷头用于扑灭综合管廊火灾时速度将明显慢于自动联锁控制的高速水喷雾系统。

　　 闭式水雾喷头开放后形成水雾后可对着火部位形成定向喷射,与高速水雾喷头类似,相对于普通闭式喷头能更快速的扑灭火灾;同时由于水雾喷头具有定向特性,用于扑灭上部为封闭槽盒的电缆桥架时在一定程度上可以避免被阻挡,而此时安装在天花板上的闭式喷头作用严重受限制。

　　 由于闭式水雾喷头的动作原理与普通闭式喷头相同,其安装的空间位置也应满足闭式喷头的要求,但是对于改造的管廊来说,如果管廊截面较小,闭式水雾喷头可以有效发挥其定向喷射的特点,对管廊天花板距离电缆桥架顶部的距离基本没有要求,有一定的优势。

　　 闭式水喷雾喷头的工作压力低于高速水喷雾,但是高于自动喷水系统的工作压力,总的来说,当考虑动作距离不超过30 m时,消防设计水量相对较小,对供水系统的压力要求也相对较低。

　　 建议国内开展闭式中速水雾喷头扑灭电缆火灾的试验研究,分析其灭火性能和带电防护性能,预计该系统可用于包括核电厂地下管廊和市政管廊的电缆桥架,能有效降低工程投资。

　　 (1)自动喷水灭火系统扑灭阻燃电缆火灾是有效的,其对电缆短路的影响较小,电缆对喷淋管道放电可能带来的人身安全事宜可通过接地处理解决。应用自动喷水灭火系统保护电缆火灾时,喷头溅水盘距离电缆桥架顶部不宜小于450 mm,同时应注意避免阻挡,宜上层布置梯架,下部布置封闭槽盒。

　　 (2)当喷水有阻挡,或者出于控制损害范围等原因需要快速灭火时,采用探测系统联动的高速水喷雾系统、超细干粉等系统更具有优势。

　　 (3)对于截面相对较小,但是湿度持续较高的场所、电缆上方空间不足的改造管廊、电缆桥架上部设置封闭或实底托盘等阻挡喷水的管廊,可研究采用闭式中速水喷雾系统的可能性,喷头安装空间范围参考普通闭式喷头。考虑到该系统的优点,宜对闭式水喷雾系统进行更深入的研究。

　　 (4)当采用水灭火时,电缆接头应考虑防水处理,保证其防水等级不低于IPX5,考虑水淹时宜考虑IPX7。管廊宜分析水淹影响,进行防水淹设计,避免淹没相邻构筑物,做防水淹设计后排水设施可不考虑喷淋的影响。

　　 (5)已建管廊改造时,当电缆桥架采用上部布置梯架,下部布置槽盒,且电缆桥架上方预留了足够空间时,可考虑采用自动喷水灭火系统。当空间较小时、或自动喷水灭火系统有阻挡时,可选用超细干粉灭火装置。改造管廊灭火系统采用探测系统联动时,如管廊湿度大、有凝结水时采用探测联动应注意探测系统的可靠性。

　　 (6)建议国内规范修编时考虑自动喷水和闭式水喷雾系统的适用性,以降低地下综合管廊的灭火系统投资。