超高层建筑竖向干线矿物绝缘电缆可靠性研究

1 概述

超高层建筑常因其独特的建筑特点成为城市的标志，对供电可靠性和消防系统提出了越来越高的要求。在消防供电干线中大量应用的矿物绝缘电缆是否适用于超高层建筑？其供电可靠性是否满足要求？笔者将在本文中通过试验研究予以验证和探讨。

1.1 超高层建筑的特点

超高层建筑主要特点：

a. 最显著的特点就是建筑高度高。1972年，在美国Pennsylvania（宾夕法尼亚州）的Bethlehem（伯利恒市）的国际高层建筑会议上，将40层以上，建筑高度在100m以上的建筑定义为超高层建筑。我国长期以来没有超高层建筑的官方定义，直到《民用建筑设计通则》（GB 50352-2005）颁布执行，才有超高层建筑的定义。通则第3.1.2条第2款指出，建筑高度大于100m的民用建筑为超高层建筑。《高层民用建筑设计防火规范》（GB 50045-95 ，2005年版）也对100m以上的高层建筑做出了更严格的要求和规定。

b. 建筑规模大，在建筑高度增加的同时，建筑面积也随之增大。

c. 功能多，人员密度大。通常一栋超高层建筑中包含办公、酒店、商业等功能，可同时容纳数万人。在紧急情况下疏散时间长，疏散难度大[1][2]。

d. 用电量大，配变电所数量较多。为了深入负荷中心，除了总配变电所外，往往在地下层、避难层或设备层、顶层设置分配变电所。

表1为国内部分超高层建筑电源及相关参数，最大的用电量高达55.5MVA[3]，最小的用电量也达28MVA。用电量如此之大，设置110kV变电站也不为过。

1.3 超高层建筑钢结构偏移

超高层建筑多为钢结构，当受到风荷载时，建筑物做摆动运动。结构偏移量弧度极限值为1/800，即每米极限变形量1.25mm，如图1所示，建筑物越高，其偏移量越大。表2为我们正在设计的部分超高层建筑极限偏移量。

注：偏移量指的是单向偏移值，位移量是双向偏移量之和，位移量等于偏移量的2倍。

1. 4 矿物绝缘电缆的特点

矿物绝缘电缆（如图2所示）的绝缘材料是氧化镁，而氧化镁的熔点高达2800℃，在这个温度以下，氧化镁不会产生任何有害气体，其本身不会燃烧，也不会助燃，在火灾情况下仍能保持良好的绝缘状态。矿物绝缘电缆的外护套采用铜护套，铜也是无机材料，熔点为1083℃，同样具有不燃烧或助燃的特点。矿物绝缘电缆可以在950℃高温条件下持续运行3h。

由此可见，矿物绝缘电缆具有非常优秀的耐火、耐高温防火性能，这也是MI电缆在消防系统中使用的原因。

但是，我们应该清醒地认识到，氧化镁很容易吸潮，吸潮后绝缘电阻急剧降低，MI电缆将失去其应有的作用。对于MI电缆来说，中间连接器和端头是防潮的关键，这两个关键点处理好了，使用MI电缆就无后顾之忧了。

由于超高层建筑具有随风偏移的特性，其竖向干线采用MI电缆将使电缆连接器和端头长期处于振动状态，给MI电缆的防潮性能带来一定的影响。

2 超高层建筑钢结构偏移对矿物绝缘电缆的影响

2. 1 超高层建筑钢结构偏移对MI电缆可靠性的影响

笔者最近正在设计的中钢国际广场项目，高358m，由表2可知，其极限位移量为895 mm，这么大的水平位移将对作为垂直干线使用的矿物绝缘电缆带来新的问题和挑战：

a. MI电缆的连接器由于摆动是否会造成连接部位的松动？如果连接器出现松动，氧化镁必将受潮，绝缘电阻降低，甚至不绝缘。

b. 电缆端头要与配电装置或用电设备相连接，摆动是否会造成电缆端头密封胶受损，进而造成氧化镁受潮，绝缘电阻降低。

为此，我们进行了专项研究，结论将作为我们设计采用矿物绝缘电缆的依据，指导如何在超高层建筑中正确使用MI电缆。

2. 2 矿物绝缘电缆连接器的可靠性是提高供电可靠性的关键

MI电缆连接器在我国已经有标准做法，早在1999年，就出版了国家建筑标准设计图集《矿物绝缘电缆敷设》（99D101-6），并于2009年进行了修订，即09D101-6。图3所示为标准图上矿物绝缘电缆连接器的做法，电缆分别插入连接器左右两侧，拧紧压装螺母，将压装斜垫和斜垫弹簧圈（即缺口垫圈）压紧，这样两侧电缆在电气性能上得以保证，接触电阻较小。同时，连接器将MI电缆压紧、密封，起到防水防潮的作用。该做法已使用十余年，得到众多实际工程的验证。只要精心施工，质量是有保证的。下面我们通过试验验证一下连接器和端头的可靠性。

（a）连接器的标准做法 (b) 完成后的实例

3 矿物绝缘电缆连接器在超高层建筑中应用的模拟试验

试验是在国家电线电缆质量监督检验中心进行的，按照笔者自定的标准进行试验，试验的目的是在模拟风荷载作用下M I电缆的防潮性能，尤其是电缆连接器和端头的防潮性能。浙江久盛电气股份有限公司为本次试验提供了电缆及相关附件，国家电线电缆质量监督检验中心的工作人员进行试验，笔者全程见证了试验过程。

3. 1 试验器材

3. 1. 1 MI电缆试品

试验用电缆的型号及规格为BTTZ-4-10mm2和BTTZ-1-95mm2各一根，电缆长度各均为2m ，中间有一个连接器，电缆两端用密封胶密封，两端外露芯线长度不小于20mm；电缆连接器、两端密封材料采用厂家量产MI的材料。

（a）电缆试品要求 （b）实际试品照片

3. 1. 2 振动台

本试验采用了一台振动台（见图5），振动频率f=0.0185Hz，振幅A=50mm。

振动台是国家电线电缆质量监督检验中心专门为本次试验定制的非标准振动台，振动频率和振幅能模拟风荷载下超高层建筑的偏移量，并严于实际情况。0.0185Hz的频率相当于周期约为54s。

3. 1. 3 高绝缘电阻测量仪

试验采用ZC-90A系列高绝缘电阻测量仪一台，定型产品。

3. 1. 4 电缆浸水装置

试验还采用了一台电缆浸水装置（见图6），自制非标产品，要求电缆在振动后浸入不低于1m深的水中。

3. 2 试验内容

3. 2. 1 测试绝缘电阻

在正常环境下测试电缆试品的绝缘电阻并记录数据。

3. 2. 2 电缆振动试验

将电缆试品一端固定，振动1h（频率f=0.0185Hz，振幅A=50mm）后，放入水中浸泡10min（芯线不浸泡），测试其绝缘电阻并记录数据。试验电缆见图7。

紧接着进行浸水试验，如图9所示。浸水试验要求电缆连接器浸入水深不小于1m的水中，将MI电缆装入浸水装置的水平管内，水平管两端密封。打开排气阀门，从注水口注入自来水，注满水后关闭排气阀门。这时连接器处于1m深的水压之下，10min后取出电缆，测量MI电缆的绝缘电阻。

3. 2. 3 电缆芯线弯折试验

此试验的目的是模仿工人安装设备、连接电缆与设备的操作，以此考验电缆端头密封是否可靠。

电缆试品外露芯线在1min内大于45°弯曲8次，然后电缆放入水中浸泡10min（芯线浸泡），测试其绝缘电阻并记录数据。

由于条件所限，这项试验最终将芯线也浸入水中，10min后取出电缆并将芯线擦干，然后测量绝缘电阻。

3. 3 试验结果

经过一整天的试验，试验结果见表3。

表3 试验结果

注：本试验数据只对送检的电缆试品有效。

由表3可见，电缆连接器经过1h振动试验并浸水10min后，防水防潮性能依然完好，电缆试品绝缘电阻几乎没有变化；电缆芯线弯折试验并浸水10min后，电缆试品绝缘电阻下降较大； 而电缆端头浸水后绝缘电阻下降较大，电缆在这样环境下工作非常危险，可靠性大大降低。

4 结论

通过以上分析，可以得出以下结论：

a. 该MI电缆连接器质量可靠，可以放心用于超高层建筑物中。但考虑到电缆要使用数十年，建议在超高层建筑中，分段使用MI电缆，尽量减少MI电缆长度，以减少偏移量。

b. 电缆端头应防止芯线溅水，连接MI电缆的配电柜（箱）和用电设备接线盒的防护等级不宜低于IP55。