超高層建筑豎向干線礦物絕緣電纜可靠性研究
1 概述
超高層建筑常因其獨特的建筑特點成為城市的標志，對供電可靠性和消防系統(tǒng)提出了越來越高的要求。在消防供電干線中大量應用的礦物絕緣電纜是否適用于超高層建筑？其供電可靠性是否滿足要求？筆者將在本文中通過試驗研究予以驗證和探討。
1.1 超高層建筑的特點
超高層建筑主要特點：
a. 最顯著的特點就是建筑高度高。1972年，在美國Pennsylvania（賓夕法尼亞州）的Bethlehem（伯利恒市）的國際高層建筑會議上，將40層以上，建筑高度在100m以上的建筑定義為超高層建筑。我國長期以來沒有“超高層建筑”的官方定義，直到《民用建筑設計通則》（GB 50352-2005）頒布執(zhí)行，才有超高層建筑的定義。“通則”第3.1.2條第2款指出，“建筑高度大于100m的民用建筑為超高層建筑”。《高層民用建筑設計防火規(guī)范》（GB 50045-95 ，2005年版）也對100m以上的高層建筑做出了更嚴格的要求和規(guī)定。
b. 建筑規(guī)模大，在建筑高度增加的同時，建筑面積也隨之增大。
c. 功能多，人員密度大。通常一棟超高層建筑中包含辦公、酒店、商業(yè)等功能，可同時容納數萬人。在緊急情況下疏散時間長，疏散難度大[1][2]。
d. 用電量大，配變電所數量較多。為了深入負荷中心，除了總配變電所外，往往在地下層、避難層或設備層、頂層設置分配變電所。
表1為國內部分超高層建筑電源及相關參數，最大的用電量高達55.5MVA[3]，最小的用電量也達28MVA。用電量如此之大，設置110kV變電站也不為過。
表1 部分超高層建筑主要電氣參數
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建筑物名稱 |
中鋼國際廣場 |
天津津塔 |
上海金茂大廈 |
深圳平安 國際金融中心 |
上海環(huán)球 金融中心 |
天津陸家嘴廣場 及商務大酒店 |
廣州珠江新城 |
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建筑面積（m2） |
395000 |
360000 |
290000 |
460000 |
381600 |
450000 |
210000 |
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建筑高度（m） |
358 |
336.9 |
360 （塔尖420.5） |
588 （塔尖646） |
492 |
200 |
309 |
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層數（層） |
83 |
75 |
88 |
116 |
101 |
42 |
71 |
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功能 |
五星級和超五星級酒店、酒店式公寓、辦公、商業(yè) |
辦公、酒店、公寓、商業(yè) |
酒店、辦公、商業(yè)等 |
辦公、商業(yè) |
超五星級賓館、寫字樓、會議室、商業(yè) |
兩棟辦公樓、一座高檔商務酒店和一座大型購物中心 |
辦公、會議 |
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電源 |
2路35kV電源，同時工作，互為備用 |
3路35kV電源，兩用一備 |
2路35kV電源，同時工作，互為備用 |
9路10kV電源， 6用3備 |
3路35kV電源，同時工作，互為備用 |
兩路35kV，獨立電源 |
3路10kV電源 |
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變壓器 |
總容量 |
40200kVA；1個主站，9個分站 |
35400kVA；除主站外，在地下、45層、60層、冷凍機房設分站 |
主變35/6.3kV，4×10000kVA |
55500kVA |
主站35/10kV，3×12500kVA =37.5MVA； 每個避難層（12層一個）均設分站 |
1個35kV總變電所，7個分變電所，總容量：41900kVA |
4個變電所，主－從關系，28000kVA，最小變壓器1600kVA |
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單位 容量 |
101.7VA/m2 |
122VA/m2 |
137.9 VA/m2 |
120.7VA/m2 |
98.27 VA/m2 |
93.1 VA/m2 |
133.3 VA/m2 |
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由此看來，超高層建筑中供配電系統(tǒng)的可靠性非常重要，而供配電系統(tǒng)干線電纜的可靠性是關鍵因素之一。
1. 2 超高層建筑豎向干線采用礦物絕緣電纜的依據
《民用建筑電氣設計規(guī)范》（JGJ 16-2008）第13.10.4條規(guī)定：“ 1 火災自動報警系統(tǒng)保護對象分級為特級的建筑物，其消防設備供電干線及分支干線，應采用礦物絕緣電纜。 2 火災自動報警系統(tǒng)保護對象分級為一級的建筑物，其消防設備供電干線及分支干線，宜采用礦物絕緣電纜；當線路的敷設保護措施符合防火要求時，可采用有機絕緣耐火類電纜......。”
根據《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》（GB50116-98）第3.1.1條規(guī)定，建筑高度超過100m的高層民用建筑為特級保護對象。
綜合上述兩本規(guī)范，超高層建筑中消防設備供電干線及分支干線應采用礦物絕緣電纜（以下簡稱MI電纜）。
1.3 超高層建筑鋼結構偏移
超高層建筑多為鋼結構，當受到風荷載時，建筑物做擺動運動。結構偏移量弧度極限值為1/800，即每米極限變形量1.25mm，如圖1所示，建筑物越高，其偏移量越大。表2為我們正在設計的部分超高層建筑極限偏移量。
圖1 建筑物偏移示意圖
圖中: H為建筑物高度，△L為偏移量。
表2 部分超高層建筑極限偏移量
注：偏移量指的是單向偏移值，位移量是雙向偏移量之和，位移量等于偏移量的2倍。
1. 4 礦物絕緣電纜的特點
礦物絕緣電纜（如圖2所示）的絕緣材料是氧化鎂，而氧化鎂的熔點高達2800℃，在這個溫度以下，氧化鎂不會產生任何有害氣體，其本身不會燃燒，也不會助燃，在火災情況下仍能保持良好的絕緣狀態(tài)。礦物絕緣電纜的外護套采用銅護套，銅也是無機材料，熔點為1083℃，同樣具有不燃燒或助燃的特點。礦物絕緣電纜可以在950℃高溫條件下持續(xù)運行3h。
圖2 礦物絕緣電纜的結構
由此可見，礦物絕緣電纜具有非常優(yōu)秀的耐火、耐高溫防火性能，這也是MI電纜在消防系統(tǒng)中使用的原因。
但是，我們應該清醒地認識到，氧化鎂很容易吸潮，吸潮后絕緣電阻急劇降低，MI電纜將失去其應有的作用。對于MI電纜來說，中間連接器和端頭是防潮的關鍵，這兩個關鍵點處理好了，使用MI電纜就無后顧之憂了。
由于超高層建筑具有隨風偏移的特性，其豎向干線采用MI電纜將使電纜連接器和端頭長期處于振動狀態(tài)，給MI電纜的防潮性能帶來一定的影響。
2 超高層建筑鋼結構偏移對礦物絕緣電纜的影響
2. 1 超高層建筑鋼結構偏移對MI電纜可靠性的影響
筆者最近正在設計的中鋼國際廣場項目，高358m，由表2可知，其極限位移量為895 mm，這么大的水平位移將對作為垂直干線使用的礦物絕緣電纜帶來新的問題和挑戰(zhàn)：
a. MI電纜的連接器由于擺動是否會造成連接部位的松動？如果連接器出現松動，氧化鎂必將受潮，絕緣電阻降低，甚至不絕緣。
b. 電纜端頭要與配電裝置或用電設備相連接，擺動是否會造成電纜端頭密封膠受損，進而造成氧化鎂受潮，絕緣電阻降低。
為此，我們進行了專項研究，結論將作為我們設計采用礦物絕緣電纜的依據，指導如何在超高層建筑中正確使用MI電纜。
2. 2 礦物絕緣電纜連接器的可靠性是提高供電可靠性的關鍵
MI電纜連接器在我國已經有標準做法，早在1999年，就出版了國家建筑標準設計圖集《礦物絕緣電纜敷設》（99D101-6），并于2009年進行了修訂，即09D101-6。圖3所示為標準圖上礦物絕緣電纜連接器的做法，電纜分別插入連接器左右兩側，擰緊壓裝螺母，將壓裝斜墊和斜墊彈簧圈（即缺口墊圈）壓緊，這樣兩側電纜在電氣性能上得以保證，接觸電阻較小。同時，連接器將MI電纜壓緊、密封，起到防水防潮的作用。該做法已使用十余年，得到眾多實際工程的驗證。只要精心施工，質量是有保證的。下面我們通過試驗驗證一下連接器和端頭的可靠性。
（a）連接器的標準做法 (b) 完成后的實例
圖3 連接器做法
3 礦物絕緣電纜連接器在超高層建筑中應用的模擬試驗
試驗是在國家電線電纜質量監(jiān)督檢驗中心進行的，按照筆者自定的標準進行試驗，試驗的目的是在模擬風荷載作用下M I電纜的防潮性能，尤其是電纜連接器和端頭的防潮性能。浙江久盛電氣股份有限公司為本次試驗提供了電纜及相關附件，國家電線電纜質量監(jiān)督檢驗中心的工作人員進行試驗，筆者全程見證了試驗過程。
3. 1 試驗器材
3. 1. 1 MI電纜試品
試驗用電纜的型號及規(guī)格為BTTZ-4×10mm2和BTTZ-1×95mm2各一根，電纜長度各均為2m ，中間有一個連接器，電纜兩端用密封膠密封，兩端外露芯線長度不小于20mm；電纜連接器、兩端密封材料采用廠家量產MI的材料。
（a）電纜試品要求 （b）實際試品照片
圖4 電纜樣試品示意圖
3. 1. 2 振動臺
本試驗采用了一臺振動臺（見圖5），振動頻率f=0.0185Hz，振幅A=50mm。
振動臺是國家電線電纜質量監(jiān)督檢驗中心專門為本次試驗定制的非標準振動臺，振動頻率和振幅能模擬風荷載下超高層建筑的偏移量，并嚴于實際情況。0.0185Hz的頻率相當于周期約為54s。
圖5 振動臺
3. 1. 3 高絕緣電阻測量儀
試驗采用ZC-90A系列高絕緣電阻測量儀一臺，定型產品。
3. 1. 4 電纜浸水裝置
試驗還采用了一臺電纜浸水裝置（見圖6），自制非標產品，要求電纜在振動后浸入不低于1m深的水中。
圖6 電纜浸水裝置
3. 2 試驗內容
3. 2. 1 測試絕緣電阻
在正常環(huán)境下測試電纜試品的絕緣電阻并記錄數據。
3. 2. 2 電纜振動試驗
將電纜試品一端固定，振動1h（頻率f=0.0185Hz，振幅A=50mm）后，放入水中浸泡10min（芯線不浸泡），測試其絕緣電阻并記錄數據。試驗電纜見圖7。
圖7 試驗電纜
圖8為MI電纜振動試驗的照片。從左上圖開始，飛輪帶動連桿，9點→10點半→12點→1點半→3點→4點半→6點→7點半，最后回到9點，完成一個周期的旋轉（飛輪旋轉一周約需54s），推動電纜振動一次。以此模擬超高層建筑在風荷載條件下的擺動，考驗電纜連接器的可靠性。這樣振動1h，完成振動試驗。
圖8 電纜振動試驗
緊接著進行浸水試驗，如圖9所示。浸水試驗要求電纜連接器浸入水深不小于1m的水中，將MI電纜裝入浸水裝置的水平管內，水平管兩端密封。打開排氣閥門，從注水口注入自來水，注滿水后關閉排氣閥門。這時連接器處于1m深的水壓之下，10min后取出電纜，測量MI電纜的絕緣電阻。
圖9 電纜浸水試驗
3. 2. 3 電纜芯線彎折試驗
此試驗的目的是模仿工人安裝設備、連接電纜與設備的操作，以此考驗電纜端頭密封是否可靠。
電纜試品外露芯線在1min內大于45°彎曲8次，然后電纜放入水中浸泡10min（芯線浸泡），測試其絕緣電阻并記錄數據。
由于條件所限，這項試驗最終將芯線也浸入水中，10min后取出電纜并將芯線擦干，然后測量絕緣電阻。
3. 3 試驗結果
經過一整天的試驗，試驗結果見表3。
表3 試驗結果
注：本試驗數據只對送檢的電纜試品有效。
由表3可見，電纜連接器經過1h振動試驗并浸水10min后，防水防潮性能依然完好，電纜試品絕緣電阻幾乎沒有變化；電纜芯線彎折試驗并浸水10min后，電纜試品絕緣電阻下降較大； 而電纜端頭浸水后絕緣電阻下降較大，電纜在這樣環(huán)境下工作非常危險，可靠性大大降低。
4 結論
通過以上分析，可以得出以下結論：
a. 該MI電纜連接器質量可靠，可以放心用于超高層建筑物中。但考慮到電纜要使用數十年，建議在超高層建筑中，分段使用MI電纜，盡量減少MI電纜長度，以減少偏移量。
b. 電纜端頭應防止芯線濺水，連接MI電纜的配電柜（箱）和用電設備接線盒的防護等級不宜低于IP55。
參考文獻
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3 杜光暉，黃劍鋒. 平安IFC變配電所布置方案初探. 智能建筑電氣技術，2009，3（3）：28－32.