張佳慶，李文杰，范明豪，歐陽(yáng)本紅

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601；2.國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電設(shè)施火災(zāi)防護(hù)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601;3.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢 430074)

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，越來(lái)越多的輸電線路采用電纜隧道的方式敷設(shè)于城市地下。電纜隧道不僅便于電力工人對(duì)輸電線路進(jìn)行維護(hù)與更換，還在一定程度上減小了對(duì)地面景觀的破壞。然而電力電纜隧道的火災(zāi)事故卻時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重威脅了城市的安全運(yùn)行。2015年4月1日，位于英國(guó)倫敦Holborn地區(qū)的一處電纜隧道發(fā)生火災(zāi)，滅火行動(dòng)共持續(xù)了36 h，火災(zāi)造成市中心5 000人緊急疏散，附近商場(chǎng)和劇院的電力供應(yīng)受到了嚴(yán)重影響[1]。2016年8月，遼寧大連市大連海事大學(xué)附近66 kV電纜隧道起火，事故造成大連市區(qū)內(nèi)大面積停電6 h以上，城市交通、自來(lái)水供應(yīng)、醫(yī)院、商業(yè)經(jīng)營(yíng)都受到影響[2]。住房城鄉(xiāng)建設(shè)部在2016年《城市地下空間開(kāi)發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》中明確指出要加強(qiáng)城市地下管線建設(shè)管理，保障城市安全運(yùn)行。電力電纜隧道作為城市地下管線的重要組成部分，其安全問(wèn)題不容忽視，且電纜隧道屬于地下無(wú)人場(chǎng)所，火災(zāi)發(fā)生早期不易被發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)時(shí)火災(zāi)已轉(zhuǎn)入劇烈燃燒階段，給火災(zāi)的預(yù)防和撲救造成了巨大的困難。因此，在城市電力線路的建設(shè)與管理中應(yīng)當(dāng)高度重視電纜隧道的消防安全問(wèn)題，預(yù)防火災(zāi)事故的發(fā)生。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于城市建筑及地下空間的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究很多，如徐堅(jiān)強(qiáng)等[3]利用層次分析法建立了建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系；MENG等[4]認(rèn)識(shí)到了隧道消防中存在的不確定性問(wèn)題，提出使用Monte Carlo模擬和事故樹(shù)相結(jié)合的方法構(gòu)建公路隧道火災(zāi)事故的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型；WU等[5]使用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和德?tīng)柗品▽?duì)地鐵站火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)后果問(wèn)題進(jìn)行了研究。而關(guān)于城市地下電纜隧道火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究則相對(duì)較少，研究也并不充分。如方鴻強(qiáng)等[6]采用模糊層次分析法和熵權(quán)法對(duì)電纜隧道火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)影響因素開(kāi)展識(shí)別研究；HOSTIKKA等[7]針對(duì)核電站電纜隧道，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)隧道內(nèi)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了定量分析。因此，筆者從火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的角度出發(fā)，建立電力電纜隧道消防安全評(píng)估指標(biāo)體系，并利用模糊層次分析法對(duì)某電纜隧道開(kāi)展消防安全評(píng)估實(shí)例研究。

1 電力電纜隧道消防安全評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 電纜燃燒屬性

電纜是電纜隧道內(nèi)最主要的可燃物，電纜的外護(hù)套和絕緣層在強(qiáng)烈的熱輻射下都會(huì)發(fā)生分解并釋放出可燃性揮發(fā)物質(zhì)，從而引起火災(zāi)。因此，在對(duì)電纜隧道的消防安全進(jìn)行評(píng)估時(shí)，應(yīng)著重考慮隧道內(nèi)電纜自身燃燒帶來(lái)的火災(zāi)危險(xiǎn)性。評(píng)價(jià)電纜燃燒危險(xiǎn)性通?？紤]電纜材料的引燃特性、熱危害性、產(chǎn)煙特性和毒性4個(gè)方面[8]。引燃特性主要用來(lái)衡量電纜在隧道內(nèi)被引燃并發(fā)生蔓延的可能性，熱危害性用來(lái)衡量電纜燃燒產(chǎn)熱帶來(lái)的危害，產(chǎn)煙特性和毒性則用來(lái)評(píng)價(jià)煙氣濃度與毒性對(duì)隧道內(nèi)人員逃生及消防救援的影響。

1.2 電纜運(yùn)行狀態(tài)

電纜隧道，特別是在役期間的電纜隧道，其中敷設(shè)的電纜并不是簡(jiǎn)單的電纜本體，而是帶電運(yùn)行的電力線路，因此還需從電纜運(yùn)行的角度評(píng)價(jià)電纜隧道的火災(zāi)危險(xiǎn)性。電纜運(yùn)行過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的老化與故障通常包括電纜本體的老化、過(guò)負(fù)荷、電纜接頭故障等[9]。這些老化與故障都有可能造成電纜絕緣性下降，從而引起短路并發(fā)生火災(zāi)。因此，在對(duì)電纜隧道進(jìn)行消防安全評(píng)估時(shí)，應(yīng)對(duì)電纜的一些基本運(yùn)行參數(shù)和老化情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，例如與電纜故障密切相關(guān)的金屬護(hù)層接地電流、電纜接頭溫度和電纜本體溫度等[10]，評(píng)價(jià)電纜老化則主要考慮電纜的在役時(shí)間和電纜外表面的腐蝕情況等。

1.3 電纜隧道環(huán)境特征

電纜隧道作為一種對(duì)電纜進(jìn)行保護(hù)的地下構(gòu)筑物，因此其結(jié)構(gòu)特征、自然條件和附屬設(shè)施狀態(tài)都會(huì)對(duì)隧道內(nèi)火災(zāi)的發(fā)生發(fā)展造成影響。例如電纜隧道內(nèi)通常會(huì)設(shè)置一定的防火分隔，防火分隔的設(shè)置間距直接關(guān)系著隧道內(nèi)火災(zāi)的蔓延情況。此外，電纜隧道位于地下，因此通常伴著高溫、高濕的自然條件，過(guò)高的溫度和濕度會(huì)顯著提高電纜火災(zāi)發(fā)生的概率。除了這些客觀因素外，隧道內(nèi)還布置有大量的附屬設(shè)施，附屬設(shè)施的狀態(tài)也與電纜火災(zāi)的發(fā)生密切相關(guān)，例如接地箱能夠有效限制電纜金屬屏蔽層(金屬護(hù)套)感應(yīng)電壓和設(shè)備故障過(guò)電壓，該設(shè)備故障后電纜短路起火的機(jī)率會(huì)明顯增大。

1.4 電纜隧道消防配置

電纜隧道的消防配置也是影響電纜隧道內(nèi)消防安全的重要因素。電纜隧道的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備能實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)的早期探測(cè)，電纜隧道的防火措施則能在電纜火災(zāi)初期起到抑制作用，滅火措施決定了電纜隧道對(duì)火災(zāi)的控制作用，而消防管理則從消防培訓(xùn)、人員巡查、消防預(yù)案制定等方面對(duì)應(yīng)急響應(yīng)水平進(jìn)行了衡量。

通過(guò)對(duì)影響電力電纜隧道火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的因素進(jìn)行識(shí)別，構(gòu)建各因素之間的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系，建立電力電纜隧道消防安全評(píng)估指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 電力電纜隧道消防安全評(píng)估指標(biāo)體系

2 評(píng)估指標(biāo)權(quán)重分析及參數(shù)量化

2.1 模糊層次分析法

層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)是一種針對(duì)多因素分析、多指標(biāo)分級(jí)的評(píng)價(jià)方法。模糊層次分析法則是在層次分析法的基礎(chǔ)上引入了模糊數(shù)學(xué)的思想，從而將專(zhuān)家的決策意見(jiàn)模糊化，減少專(zhuān)家判斷主觀性的影響。利用模糊層次分析法進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，多采用三角模糊數(shù)對(duì)專(zhuān)家的意見(jiàn)進(jìn)行模糊化，以構(gòu)建模糊判斷矩陣。模糊層次分析法中對(duì)不同因素間兩兩進(jìn)行比較判斷時(shí)，通常采用三角模糊集合的標(biāo)度方式對(duì)因素之間的重要程度進(jìn)行表示，如表1所示。

表1 判斷術(shù)語(yǔ)對(duì)應(yīng)的三角模糊集合

(1)

(2)

由于模糊判斷矩陣得到的特征向量中各元素以模糊集的形式表示，因此還需對(duì)權(quán)向量進(jìn)行去模糊化處理，去模糊化后的值即為因素的指標(biāo)權(quán)重。去模糊化的過(guò)程如式(3)所示[12]。

(3)

2.2 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

利用問(wèn)卷調(diào)查的形式對(duì)電纜隧道消防安全各因素間的重要程度進(jìn)行調(diào)研，共收集了15位行業(yè)內(nèi)專(zhuān)家的意見(jiàn)。將專(zhuān)家意見(jiàn)轉(zhuǎn)化為模糊判斷矩陣后，利用模糊層次分析法計(jì)算各專(zhuān)家判斷的模糊權(quán)重向量，得到電力電纜隧道消防安全評(píng)估體系中各級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，如表2所示。從表2可以看出，三級(jí)指標(biāo)中臨界熱通量(A11)、電壓等級(jí)(B11)、引燃時(shí)間(A12)、平均CO釋放量(A41)和電纜腐蝕狀態(tài)(B42)的指標(biāo)權(quán)重相對(duì)較高。其中，臨界熱通量、引燃時(shí)間和平均CO釋放量屬于電纜自身的燃燒屬性，電壓等級(jí)和電纜腐蝕狀態(tài)則屬于電纜的運(yùn)行狀態(tài)。因此，可以看出電纜自身燃燒特性與其在運(yùn)行過(guò)程中的故障是影響電纜隧道消防安全的重要因素。

表2 電力電纜隧道消防安全評(píng)估體系指標(biāo)權(quán)重

2.3 指標(biāo)量化標(biāo)準(zhǔn)

為便于評(píng)估操作者快速識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)和量化風(fēng)險(xiǎn)，筆者針對(duì)各指標(biāo)建立了相應(yīng)的評(píng)價(jià)量化標(biāo)準(zhǔn)，量化總分值為10分，分?jǐn)?shù)越高代表越危險(xiǎn)，各指標(biāo)的量化標(biāo)準(zhǔn)及參考依據(jù)如表3所示。

表3 電力電纜隧道消防安全評(píng)估各指標(biāo)參數(shù)量化

指標(biāo)量化的依據(jù)主要參考了與電纜隧道相關(guān)的國(guó)家及行業(yè)規(guī)范與規(guī)范，同時(shí)針對(duì)電纜火災(zāi)危險(xiǎn)性的指標(biāo)也參考了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及文獻(xiàn)。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，由于各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可能包括定性的描述類(lèi)數(shù)據(jù)或定量的連續(xù)型參數(shù)數(shù)據(jù)，因此對(duì)數(shù)據(jù)的處理方式也不同。對(duì)于描述類(lèi)的數(shù)據(jù)，可以通過(guò)劃分不同的類(lèi)別來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分類(lèi)量化；對(duì)于連續(xù)型的數(shù)據(jù)，可采用歸一化的方法在一定范圍內(nèi)根據(jù)數(shù)值的大小按比例進(jìn)行量化，例如臨界熱通量(A11)，當(dāng)測(cè)得電纜樣品的臨界熱通量CHF，則指標(biāo)量化得分S可通過(guò)式(4)計(jì)算得到。

(4)

3 電力電纜隧道火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)例研究

3.1 評(píng)估基本參數(shù)收集

筆者以某處110 kV電纜隧道為實(shí)例，對(duì)其消防安全現(xiàn)狀進(jìn)行了評(píng)估。首先,對(duì)隧道內(nèi)敷設(shè)電纜樣品的燃燒特性進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為《ASTM E2058-13a用火焰蔓延儀(FPA)測(cè)量合成聚合物材料易燃性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》[26]。測(cè)試的電纜樣品型號(hào)為YJV22-8.7/15 kV-3 70交聯(lián)聚乙烯絕緣銅芯電纜。電纜外護(hù)套、填充物和絕緣層進(jìn)行燃燒特性測(cè)試的樣品及燃燒產(chǎn)物如圖2所示。其次，對(duì)該隧道的實(shí)際消防安全情況進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，隧道內(nèi)電纜整體布局、防火分隔封堵及相應(yīng)的消防設(shè)施的情況如圖3所示。最后，通過(guò)對(duì)電纜燃燒性能的測(cè)試及對(duì)電纜隧道的實(shí)地調(diào)研可完成評(píng)價(jià)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集，利用上述指標(biāo)量化標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行量化打分。

圖2 電纜燃燒性能測(cè)試

圖3 電纜隧道內(nèi)部分設(shè)施的消防安全情況

3.2 評(píng)估結(jié)果分析與討論

基于各指標(biāo)的得分和權(quán)重，可計(jì)算出電力電纜隧道的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)值為3.446。參照評(píng)價(jià)結(jié)果與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的對(duì)應(yīng)表(如表4所示)，可知該電纜隧道現(xiàn)處于較低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，總體消防安全水平良好。

表4 火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)界定

部分關(guān)鍵因素的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及其排序如表5所示，結(jié)果顯示對(duì)該隧道火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)影響較大的因素主要包括臨界熱通量(A11)、引燃時(shí)間(A12)、有效燃燒熱(A22)、隧道類(lèi)型(C11)和在役時(shí)間(B41)，普遍來(lái)自于一級(jí)指標(biāo)電纜自身燃燒屬性和電纜運(yùn)行狀態(tài)。電纜自身燃燒屬性方面，由于該電纜隧道內(nèi)普遍敷設(shè)的電纜型號(hào)為YJV22，且電纜采用非阻燃型，因此在臨界熱通量和引燃時(shí)間等參數(shù)上均表現(xiàn)出較大的火災(zāi)危險(xiǎn)性。電纜運(yùn)行狀態(tài)方面，該隧道中電纜大多數(shù)為2010年敷設(shè)并投入使用，已使用超過(guò)8年，存在老化情況，電纜的運(yùn)行可靠性逐漸開(kāi)始下降，故火災(zāi)發(fā)生可能性大大增加。

表5 電力電纜隧道部分指標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及指標(biāo)排序結(jié)果

3.3 改進(jìn)建議

針對(duì)該電纜隧道存在的部分問(wèn)題，可以從以下幾個(gè)方面改進(jìn)電纜隧道的消防安全水平。

(1)對(duì)隧道內(nèi)的電纜進(jìn)行升級(jí)。建議今后對(duì)于該電纜隧道的關(guān)鍵部位應(yīng)盡量采用阻燃型電纜，降低電纜火災(zāi)發(fā)生蔓延的可能。對(duì)于已敷設(shè)的電纜應(yīng)在電纜接頭等關(guān)鍵部位采用防火布或涂刷防火涂料進(jìn)行保護(hù)。

(2)加強(qiáng)對(duì)電纜運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)。由于該電纜隧道中電纜運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，因此隧道運(yùn)維人員應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注隧道內(nèi)電纜的老化情況，加強(qiáng)對(duì)電纜絕緣性能、電纜接頭溫度的定期檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在老化問(wèn)題的電纜。

(3)加強(qiáng)對(duì)電纜隧道內(nèi)消防設(shè)施的檢查和維護(hù)。該電纜隧道中配備的消防設(shè)施對(duì)控制電纜隧道火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)起到了明顯的作用，但是隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，這些設(shè)備的可靠性問(wèn)題也同樣值得關(guān)注。因此，建議隧道運(yùn)維人員定期對(duì)電纜隧道內(nèi)的消防設(shè)施進(jìn)行巡邏和檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)無(wú)法正常工作的消防設(shè)備，應(yīng)及時(shí)更換。

4 結(jié)論

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市生活越來(lái)越離不開(kāi)電力，電纜隧道作為未來(lái)城市輸電線路的重要組成，存在的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)得到高度重視。筆者從風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的角度出發(fā)，對(duì)城市電力電纜隧道的消防安全評(píng)估指標(biāo)體系進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

(1)城市電力電纜隧道的消防安全問(wèn)題復(fù)雜，受多重因素的影響，僅從單一方面對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析缺乏系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)?；馂?zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估作為一種系統(tǒng)性方法，能為綜合評(píng)價(jià)電纜隧道消防安全提供一種有效途徑。

(2)不同于建筑消防安全評(píng)估指標(biāo)體系，電纜隧道消防安全評(píng)估指標(biāo)體系不僅要考慮可燃物自身和配備的消防設(shè)施，還要考慮電纜在役期間的運(yùn)行狀態(tài)和隧道內(nèi)的環(huán)境特征。因此，從電纜燃燒屬性、電纜運(yùn)行狀態(tài)、電纜隧道環(huán)境特征和電纜隧道消防配置4個(gè)方面構(gòu)建指標(biāo)體系，并對(duì)電纜隧道消防安全進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

(3)基于模糊層次分析法的城市電力電纜隧道消防安全評(píng)估方法，能客觀反映電纜隧道的消防安全水平，找出影響電纜隧道火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵因素，從而幫助決策者制定提高消防安全水平的方案，顯示出了方法的科學(xué)性和工程應(yīng)用價(jià)值。