国家体育场供配电线路整体防火理念
1 线路整体的防火理念
在国家体育场设计过程中，笔者有幸参加2008版的《民用建筑电气设计规范》的编制工作，及时掌握到相关信息，即JGJ16-2008中的第13.9.13条的要求，其内容如下：各类消防用电设备在火灾发生期间，最少持续供电时间应符合表1的规定：
表1 消防用电设备在火灾发生期间的最少持续供电时间
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消防用电设备名称 |
持续供电时间（min） |
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火灾自动报警装置 |
≥10 |
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人工报警器 |
≥10 |
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各种确认、通报手段 |
≥10 |
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消火栓、消防泵及水幕泵 |
>180 |
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自动喷水系统 |
>60 |
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水喷雾和泡沫灭火系统 |
>30 |
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CO2灭火和干粉灭火系统 |
>30 |
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防、排烟设备 |
>180 |
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火灾应急广播 |
≥20 |
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火灾疏散标志照明 |
≥30 |
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火灾暂时继续工作的备用照明 |
≥180 |
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避难层备用照明 |
>60 |
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消防电梯 |
>180 |
其中要求消火栓、消防泵、水幕泵、防排烟设备、消防电梯、火灾暂时继续工作的备用照明等设备在火灾发生期间最少持续供电时间不小于3小时。如何能满足如此高的要求？应该从电源开始直到这些设备为止整个系统在火灾期间是完好的，线路的可靠性是消防设备持续供电的重点。从电源到终端设备线路往往很长，从配变电所低压开关柜开始经过主干线路至二级配电间，再由分支干线线路到末端配电装置，最后由分支线路到用电设备，长线路对防火要求高，防火难度大。
线路整体防火的概念是从电源到消防用电设备整个线路满足火灾时最小持续供电时间要求所采取的防火措施，包括电缆电线、桥架或线槽及其附件的防火。
图1 国家体育场0层环路桥架
如图1所示，消防设备的主干线和分支主干线的线路要满足表1的要求，要求电缆电线、桥架及其吊杆或支架均能满足要求，有一项不满足要求就有可能在火灾时造成线路中断而影响对消防设备供电。
在线路防火中，往往忽视电缆桥架及其附件的防火性能要求，是否能满足防火要求，在鸟巢设计过程中，笔者对电缆桥架防火进行了分析研究，共考虑过三种方案，其特点见表2。
2 电缆桥架的防火技术
表2 桥架防火综述
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类型 |
特点 |
优点 |
缺点 |
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普通桥架刷防火涂料 |
普通桥架及吊杆、支架等均刷防火涂料、防火漆，鸟巢工程的桥架参考钢结构防火标准实施 |
1、经济实惠，安装较方便； 2、安装后刷防火涂料，包括支架、吊杆等均可刷防火涂料，最终成型 |
1、防火涂料易脱落； 2、耐火极限长的桥架较困难 |
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加内衬防火材料的桥架 |
普通桥架内衬防火材料，包括盖板内衬防火材料 |
防火性能好； |
1、桥架内有效截面减小； 2、散热性能差，电缆载流量打折扣； 3、支架、吊杆等无法保护 |
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无机材料桥架 |
采用不燃烧材料制成桥架 |
1、无卤； 2、安装方便 |
1、造价高； 2、只有少数厂家生产，不利招标 |
方案1是最常用的方案，参考《钢结构防火涂料应用技术规范》CECS 24:90，防火涂料的厚度与耐火极限的关系见表3。注意！该表是针对钢结构来说的，而电缆桥架所用材料只有几个毫米厚，厚涂型涂层厚度比电缆桥架要厚许多，显然不合适！
表3 防火涂料的厚度与耐火极限的关系
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薄涂型 |
涂层厚度（mm） |
3 |
5.5 |
7 |
||
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耐火极限（h） |
0.5 |
1.0 |
1.5 |
|||
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厚涂型 |
涂层厚度（mm） |
15 |
20 |
30 |
40 |
50 |
|
耐火极限（h） |
1.0 |
1.5 |
2.0 |
2.5 |
3.0 |
方案2是在普通电缆桥架基础上四面均敷设防火材料内衬，火灾时可以阻止或延缓火焰对电缆的破坏。图2所示为这类电缆桥架的结构示意图，很显然，防火材料占据了电缆桥架的内部空间，桥架的有效空间被大大压缩。为了防火，这类桥架还要牺牲电缆的载流量，由于密闭的防火材料内衬，这类桥架影响了电缆散热，更糟糕的是尚没有电缆载流量的打折系数。
图2 防火材料内衬电缆桥架结构示意图
方案3是采用不燃烧的无机材料制成电缆桥架，当时这种桥架厂家较少，不满招标的要求，同时有些参数不太适宜，价格也较高。
综上所述，初步选择方案1，以后会同有关部门进行电缆桥架的防火试验以验证其防火特性。
3 各类电缆的防火性能比较
公安部四川消防科研所会同有关单位针对几种常用的电缆短样进行了实验研究，电缆随炉温变化的耐火实验数据参见图3和表4。由图表中可知，VV系列电缆防火能力较差，即使在穿钢管的情况下，只能承受14分钟13秒的燃烧，此时炉火温度仅506℃。ZR-VV系列阻燃电缆的防火特性与VV电缆穿钢管的相当，燃烧近15分钟时电缆短路。当ZR-VV电缆穿钢管后防火性能得到提高，燃烧20分38秒后才发生短路现象，炉火温度可达近600℃。GZR-VV阻燃隔氧层电缆的防火性能略优于ZR-VV电缆，燃烧近16分钟后电缆短路。如果阻燃隔氧层电缆GZR-VV穿钢管，则防火性能将大幅提高，26.5分钟后才发生电缆短路，炉火温度可达670℃。NH-VV系列耐火电缆的防火性能优于阻燃类电缆，试验表明，它可承受25多分钟650℃的火焰燃烧。而耐火电缆穿钢管后防火性能又有提高，可达35分钟半，炉火温度达784℃。防火性能最佳的是矿物绝缘电缆，1037℃炉火燃烧2小时都完好。此实验详情还不知晓，矿物绝缘电缆的中间连接器、端头是否经受高炉温长时间的考验？
图3 电缆耐火特性试验
表4 电缆耐火特性试验数据
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电缆类型 |
敷设方式 |
燃烧时间（秒） |
炉温（℃） |
现象 |
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VV系列电缆 |
穿钢管SC |
853 |
506 |
短路 |
|
ZR-VV阻燃电缆 |
空气中明敷 |
895 |
559 |
短路 |
|
GZR-VV阻燃隔氧层电缆 |
空气中明敷 |
958 |
579 |
短路 |
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ZR-VV系列阻燃电缆 |
穿钢管SC |
1238 |
596 |
短路 |
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NH-VV系列耐火电缆 |
空气中明敷 |
1510 |
650 |
短路 |
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GZR-VV系列阻燃隔氧层电缆 |
穿钢管SC |
1596 |
670 |
短路 |
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NH-VV系列耐火电缆 |
穿钢管SC |
2134 |
784 |
短路 |
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矿物绝缘电缆 |
空气中明敷 |
7200 |
1037 |
完好 |
注1：阻燃电线电缆指难以着火并具有防止或延缓火焰蔓延能力的电线电缆，当年符合标准GB／T18380．3，等同于IEC60332-1999；
注2：耐火电线电缆指在规定温度和时间的火焰燃烧下，仍能保持线路完整性的电线电缆。当年符合标准GB／T12666．6，等效于IEC60331-21-1999；
注3：无卤低烟电线电缆分为阻燃型和阻燃耐火型两种。
阻燃型指材料不含卤素，燃烧时产生的烟尘较少并且具有阻止或延缓火焰蔓延的电线电缆。执行标准：GB／T17650．2，等同于IEC60754-2；GB／T17651．2，等同于IEC61034-2；GB／T18380．3，等同于EC60332-3。
阻燃耐火型在以上的基础上还需满足保持线路完整性的要求，同时增加GB／T12666．6，等效于IEC60331标准；
注4：矿物绝缘电缆在火焰中具有不燃和无烟无毒的性能，其本身不会因短路而引起火灾。执行标准：GB／T12666．6耐火试验，《额定电压750V及以下矿物绝缘电缆及终端》GB l3033-1991。可参照英国BS标准。
4 结论
从上面试验数据可得：
（1）就防火性能而言，防火性能由高到低的电缆为：矿物绝缘电缆、耐火电缆NH-VV、阻燃隔氧层电缆GZR-VV、阻燃电缆ZR-VV、普通VV电缆；
（2）电缆穿钢管可以提高线缆的防火性能。