HPC集群机房防火电缆综述

4.8.2.1　电缆的性能特征

目前，电缆行业习惯将低烟、无卤、阻燃、耐火等具有一定防火性能的电缆统称为防火电缆。

（1）低烟（Low Smoke）。

顾名思义就是较低的烟雾散发度，线缆在燃烧时散发较低烟雾，确保员工在足够光线下找到逃生出口。国际电工委员会IEC颁布的标准IEC 61034是针对烟密度（Smoke Generation）的规范。测试实验由一个3m3的透明立方体和一个带光源的光度测量系统组成，酒精作为燃烧源。一个鼓风机确保线缆燃烧产生的烟雾均匀分布在立方体内，酒精燃烧时，记录仪记下光减弱量。烟密度是以透光率量度，如果能达到60%透光率（Light Transmittance），该电缆材料就达到低烟标准。透光率越高，线缆外皮燃烧时所释放的烟雾越少。

（2）无卤（Halogen Free）。

就是不含卤素，线缆在燃烧时不会散发酸性气体，确保人员安全和有源设备不受腐蚀。国际标准IEC 60754是针对燃烧气体腐蚀性（Acidity）的规范。此测试是量度燃烧时线缆外皮物料所产生的卤酸气体酸度。它通过水溶液的pH值和电导率来测定。测试实验规定，燃烧炉预热到800℃，把一根内置样品的石英管推入炉内，同时开始计时。在样品燃烧的前5min，每隔1min测一次pH值和电导性能，在接下来的25min内，每隔5min测一次。一般无卤电缆材料的pH值会大于4.3，电导率小于10；pH值越少，表示物料的卤酸气体酸度越高。

（3）阻燃（Flame Propagation）。

低烟、无卤线缆在达到低烟、无卤索的要求的同时，也必须达到较好的阻燃等级。为了评定线缆的阻燃性能优劣，IEC分别制定了60332-1、60332-2和60332-3三个国际标准。IEC 60332-1和IEC 60332-2分别用来评定单根线缆按倾斜和垂直布放时的阻燃能力。IEC 60332-3用来评定成束线缆垂直燃烧时的阻燃能力。相比之下，成束线缆垂直燃烧时在阻燃能力的要求上要高得多。IEC 60332-3测试规定，成束3.5m长的电缆样品固定在梯形测试架上，试样数量视不同分类所要求的非金属物料而定。试样垂直挂在燃烧炉上，空气通过底板上的进气口引入燃烧炉。燃烧器以750℃的火焰与样品接触，样品在强制吹风（气流排放5m3/min，风速0.9m/s）的情况下，必须在垂直燃烧20min内燃烧不起来，电缆在火焰蔓延2.5m以内自行熄灭。IEC 60332-3有A类、B类、C类和D类之分，进一步评定阻燃性能优劣。IEC 60332-3A类的阻燃性能最好，在垂直燃烧40min内燃烧不起来。

（4）耐火（Fire Resistance）。

在规定的火源和时间内，燃烧时具有持续地在指定状态下运行的能力，即保持线路完整性的能力。

因此，HPC集群用户在选择低烟、无卤线缆时，一定要遵循国际电工委员会IEC颁布的标准（IEC 61034、IEC 60754和IEC 60332-3），要求线缆厂商提供符合以上标准的低烟，无卤线缆，以帮助用户实现理想防火阻燃级别的HPC集群机房。

4.8.2.2　关于阻燃和耐火标准的理解

（1）阻燃的要求分为两个层面。

①第一层：阻燃电缆首先要满足的是单根阻燃性能要求。

②第二层：阻燃电缆在满足单根阻燃性能要求下，还有一个多根电缆成束安装情况下的阻燃标准要求，这个标准就是阻燃A类、阻燃B类、阻燃C类、阻燃D类。

根据GB/T18380.3-2001，如果单根电缆仅满足了第一层阻燃的基本要求，其在成束的安装场合下未必有同样的表现，因为火焰沿着成束电缆的蔓延燃烧还受到多种因素的影响，如电缆的几何形状及其周围的媒质；从电缆释放出各种气体的引燃温度、安装电缆的空间体积、电缆的结构等。因此，阻燃电缆分A、B、C、D类主要是用来评价成束电缆在规定条件下抑制火焰蔓延的能力，它与电缆的用途（即电缆、通信等）无关。从标准能看，阻燃ZA的等级最高，因为排列的根束最多，非金属材料也最多，在普通机房的安装条件下很少能达到这个条件，但对于数据中心机房，电缆在桥架上层层叠放，同一桥架上安装的电缆根数极多，因此要求阻燃电缆的选型要满足阻燃A型，这是阻燃的最高等级要求。因此，在信息产业部的通信行业标准《通信电源用阻燃耐火软电缆》（TD/T 1173-2001）的5.9.3有如下规定：“阻燃型电缆应经受GB/T 18301.3中A类的成束燃烧试验。”表明通信机房内的电缆选型在一般情况下应选择阻燃ZA型号的电缆。同时，选择阻燃电缆虽能延缓火焰蔓延，但并不足以保证该电线电缆能在所有敷设条件下阻止火焰的蔓延，因此，在一些蔓延危险性高的场合，如成束大长度垂直敷设时，还应采用特殊的装置来预防，例如在线井馈孔安装阻火包或采用防火泥等材料进行楼层间的封堵，防止电缆燃烧时火焰顺着垂直走线架蔓延。

（2）耐火电缆性能指标。

阻燃电缆和耐火电缆遵循的是完全不同的指标体系，两者之间不能够简单地类比，因为电缆阻燃的标准关注点为电缆在燃烧条件下抑制火焰蔓延的能力；而电缆耐火的标准强调的是电缆在火焰条件下燃烧而要求保持线路完整性的试验步骤和性能要求，包括推荐的耐火时间，该标准强调的是电缆在火焰条件下保持负载正常工作。通俗地讲就是，万一失火，电缆不会马上燃烧，回路比较安全。因此，耐火电缆与阻燃电缆的主要区别是：耐火电缆在火灾发生时能维持一段时间的正常供电，而阻燃电缆不具备这个特性。耐火电缆试验合格标准的重要判据是：

①保持电压，即没有一个熔断器或断路器断开。

②导体不断，即灯泡一个也不熄灭。

普通耐火电缆分为A类和B类：B类电缆能够在750℃～800℃的火焰中和额定电压下耐受燃烧至少90min，而电缆不被击穿（即2A保险丝不熔断）。在改进耐火层制造工艺和增加耐火层等方法的基础上又研制了A类耐火电缆，它能够在950℃～1000℃的火焰中和额定电压下耐受燃烧至少90min，而电缆能够维持正常工作。A类耐火电缆的耐火性能优于B类。

（3）无（低）卤、低烟阻燃电缆。

普通的电线电缆护套料大多采用塑料和橡胶做材料，这些材料极易燃烧，电线电缆常因为自身在传输电能过程中发热或外部明火而燃烧，容易引起火灾蔓延。为了改善电线电缆的阻燃性能，一般在PVC材料或聚烯烃中添加含有卤素类的阻燃剂，它借助于氯乙烯聚合物受热到约194℃开始分解而逸出的氯化氢气体，覆盖在燃烧体系周围隔离空气，同时HCL能捕捉在聚合物燃烧过程中生成促进燃烧连锁氧化反应的自由基OH，减缓系统的燃烧。但是，此种电缆在发生火灾燃烧时释放出大量的剧毒、有腐蚀性的卤化氢气体和大量的烟雾，容易使人窒息而死；同时对仪器设备造成很大的腐蚀，即所谓的“二次污染”，并且给救援工作带来很大的困难。大量的火灾分析表明：毒烟雾致死的比例远高于高温灼烧致死的比例。

无卤、低烟电缆的机械性能比普通电缆稍差，这是由于加入一些特殊的添加剂所致，无卤、低烟电缆的绝缘层、护套、外护层以及辅助材料（包带及填充）全部或部分采用的是不含卤的交联聚乙烯（XLPE）阻燃材料，不仅具有更好的阻燃特性，而且在电缆燃烧时没有卤酸气体放出，电缆的发烟量也小，无卤、低烟电缆具有优良的环保特性，随着制造工艺的提高，必将取代低烟、低卤电缆，广泛应用于地铁、隧道、船舶、高层建筑、大型公共活动场等人员密集的重要场合及安全性要求高的设施。

低烟、低卤电缆的绝缘和保护材料，一般是使用聚氯乙烯PVC树脂作为基材，加入增塑剂、抗氧剂、阻燃剂、抑烟剂、HCL吸收剂、稳定剂等，经特殊工艺加工而成。因此，低烟、低卤电缆在火焰燃烧情况下大大降低了材料燃烧时的烟密度和氯化氢的释放，产生极少烟雾，释放的气体显现为少烟、低毒性。当火灾发生时，可大大减少对仪器、设备、人体的危害，因而被广泛用于高层建筑、医院、大型图书、体育馆、防灾指挥调度楼、车站和民用机场、旅客候车室、重点文物保护场以及地铁、地下商场或人工密集的公共场所。

对于低卤、低烟阻燃电缆，根据现有的国家标准，我国并没有相对应的具体国标或行标，缺乏参考依据，因此对于该类电缆更多的是各生产企业自行给出定义，因而各厂家的产品技术参数各不相同。随着人们环保要求的提高，该电缆将被无卤阻燃电缆所取代，低卤、低烟只能是目前一种经济型过渡产品。

4.8.2.3　电缆额定电压表示方法

电缆额定电压表示为U0/U（Um），如450/750V、0.6/1（1.2）kV和1.8/3（3.6）kV。一般来说，1kV以下属于低压电缆，1kV以上是高压电缆。

（1）U0。

电缆设计用的导体对地或金属屏蔽之间的额定工频电压。

（2）U。

电缆设计用的导体之间的额定工频电压。

（3）Um。

设备可承受的“最高系统电压”的最大值（见GB/T 156-2007标准电压），即设计时采用的电缆和附件的任何两个导体之间的运行最高电压，但不包括由于事故和突然用负荷所造成的暂态电压升高。

多数电缆Um为U0标称的2倍。

通信工程常用的单层护套RVZ阻燃电缆的标称电压为450/750V，双层绝缘护套的RVVZ阻燃电缆及部分YJV电缆标称的额定电压为0.6/1kV，这些电缆一般应用于低压配电系统的电力电源线中。

额定电压为300/300V、300/500V的电线通常用在单相220V及以下的检测、监控仪器仪表线路中。

4.8.2.4　直流供电回路电力线的选择与计算(www.xing528.com)

在直流供电系统的接线中，根据各段导线所起的作用不同，可分为充电线、放电线和供电线。这里，整流器经直流屏到蓄电池的导线称为充电线；蓄电池组经直流屏到通信设备的导线称为放电线；整流器经直流屏到通信设备的导线称为供电线。在通信电源直流供电系统中，一般不单设充电线，而是充电线与放电线合为一体。因此，供电线泛指直流供电系统中的全部电力线，在供电线中一般分系统单独布设。现将一般情况下的直流供电回路电力线的选择与计算做如下叙述：

（1）直流供电回路电力线的组成。

直流供电回路电力线包括除远供电源架出线以外的所有电力线，如从蓄电池组至直流配电设备，直流配电设备至变换器、通信设备、电源架、列柜、安装在交流群上的事故照明控制回路进线端子和高压控制或信号设备的接线端子，电源架、列柜和变换器到通信设备，事故照明控制回路出线端子至事故照明设备，列柜至信号设备，以及各种整流器至直流配电设备或蓄电池的导线等。

在上述各段导线中，直流配电设备至高压控制及信号设备的电力线，应按容许电流选择，并在必要时按容许电压降校验；直流屏内浮充刷整流器至尾电池的导线（在直流屏内部的部分），应按容许电流选择，并按机械强度校验；整流器至直流配电屏的导线，一般应按容许电流选择，但在该段导线使用母线时，可按机械强度选择，而按允许电流校验。其余部分的导线，均应按蓄电池至用电设备的容许电压降选择；或在使用变换器时，按变换器至通信设备的容许电压降选择。按导线的长期容许电流选择导线时，要根据导线可能承担的最大电流，对照导线容许载流量在敷设条件下的修正值，来确定导线截面，具体计算可参见电缆厂家给出的对应型号交流导线载流量表进行选择。按允许电压降计算选择直流电力线时，要根据导线可能承担的最大电流计算，计算中应以设备的可能发生的最大功耗的数据为计算依据。

（2）直流供电回路电力线的截面计算。

根据允许电压降计算选择直流供电回路电力线的截面，一般有三种方法，即电流矩法、固定分配压降法和最小金属用量法，最常用的方法为电流矩法。

电流矩法：采用电流矩法计算导体截面，是按容许电压降来选择导线的方法。它以欧姆定律为依据。

4.8.2.5　交流供电回路电力线的选择与计算

选择交流电缆截面，应符合下列要求。

（1）线路电压损失应满足用电设备正常工作及启动时端电压的要求。

（2）按敷设方式及环境条件确定的导体载流量，不应小于计算电流。

（3）导体应满足动稳定与热稳定的要求。

（4）在三相四线制配电系统中，中性线（以下简称N线）的允许载流量不应小于线路中最大不平衡负荷电流，并且应计入谐波电流的影响，一般N线≥1.5倍相线。

（5）采用单芯导线作为保护中性线（以下简称PFN线）干线，当截面为铜材时，不应小于10mm2；采用多芯电缆的芯线作为PEN线干线，其截面不应小于4mm2。

常用电缆截面选择方法是按长期允许电流（按发热情况）选择电缆，其他方法只在必要时用于校验，下面介绍常用的几种方法：

（1）按发热情况选择电缆截面。

各类电缆通过电流时，由于导线电阻功率损耗发热，温度升高。导线温度过高，将会促使绝缘加速老化，造成绝缘破坏、起火；同时，也会使导体变软，机械强度降低，接头处氧化加剧，接触电阻增大。因此，各制造厂商对各种导线连续发热的容许温升都做出了明确规定，并且根据散热条件制定了各类导线的持续容许电流及在各种敷设条件下的修正系数。

（2）按电压损失选择电缆截面。

由于线路具有一定的阻抗，在电流流经线路时必然产生电压降，若不考虑相位变化，线路始端与终端电压矢量的代数差，称为电压损失，常以其对于额定电压的百分数来表示。

线路电压降应该首先保证用电设备的正常工作，即使用电设备的端电压偏移值在其允许的范围内；其次，线路电压降应满足电力部颁布的《全国供电用电规则》中的规定：“10kV及以下高压供电和低压电力用户为额定电压的±5%；低压照明用户为额定电压的+5%、-10%”。

（3）按机械强度选择电缆截面。

电缆由于本身的重量、故障情况下电流之间的作用力以及外部的冰雪风雨等机械力作用，容易断裂，所以为了保证电缆的机械强度，在敷设与安装电缆时，选择电缆必须满足一定机械强度的要求。

4.8.2.4　HPC集群机房UPS电缆的配置要点

HPC集群机房UPS电缆配置既涉及直流电缆的配置，又涉及交流电缆的配置；既与其余的低压供配电设备的电缆配置有相同之处，又有其特殊之处。

（1）UPS主路输入和旁路输入电缆计算。

①UPS主路输入电缆电流计算：I in=（Q×CosΦ×1.25）/（1.732×V×μ）。

②UPS旁路输入电缆电流计算：I bypass=I out=Q/（1.732×V）。

其中，Q为容量，CosΦ为功率因数，1.25为整流器容量倍数（含25%电池容量），V为标称电压，μ为整机效率，I in为UPS主路输入电流，I bypass为UPS旁路输入电缆电流。

直流电流为标称电压对应的满载计算值。

I=（Q×CosΦ）/（U×μ）

其中，Q为容量，CosΦ为功率因数，U为标称电池电压，μ为逆变器效率。

注：当用户的使用工况不采用此边界条件（例如电压下限极限值测试等）时，需要重新计算电流值。

（2）UPS电力电缆的注意事项。

①交流输入/输出电缆、电池电缆。对于一般中型以上的UPS来说，为便于接线，建议用户尽量选用软电缆（如BVR铜芯多股电缆）。

②对于大电流场合，如果选用将几条小电缆以并联形式连接的方法，应进行降额，防止分流不均或其中一条故障导致其他电缆过流。对于中、小型UPS可按3～5A/mm2进行配置。对于大型UPS，可按1.5～2.5A/mm2配置。超大型选用母排为宜。

③UPS的中线有旁路电源输入中线、UPS输出中线等。UPS的中线截面积应为相线截面积的1.2～1.5倍。