曲文波， 陳佶民， 曾紀(jì)剛

(1.特種電纜技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200093;2.上海電纜研究所，上海200093)

0 引言

上世紀(jì)80年代無鹵阻燃電纜首先在艦船中使用，以后又推廣至軌道交通、核電等場合，成為電纜產(chǎn)品中最為重要的品種之一。目前其主要絕緣材料是無鹵阻燃聚烯烴類材料，基本采用乙烯－醋酸乙烯共聚物類聚合物與無機(jī)物(氫氧化鎂、氫氧化鋁等)等復(fù)合的高填充體系。但這類材料的吸水性能與非阻燃的絕緣材料，如交聯(lián)聚乙烯(XLPE)和乙丙橡皮(EPR)相比有較大差距，長期使用會持續(xù)吸水，導(dǎo)致絕緣性能下降。因此，吸水性能不僅是電纜在長期運(yùn)行中安全可靠的一個重要特性，也是無鹵阻燃電纜產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中的重要考核技術(shù)指標(biāo)之一。

根據(jù)測試原理的不同，電纜吸水性能的測試方法分為重量法、擊穿法、電氣參量法、機(jī)械物理法等4種。本文將分別討論這4種測試方法的測試原理及其技術(shù)要求。

1 重量法

重量法是依據(jù)電纜絕緣或護(hù)套在吸水后單位表面積的質(zhì)量增量來判定材料的吸水特性的。該方法是無鹵阻燃電纜產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中測試電纜吸水性能最基礎(chǔ)的方法，主要針對電力電纜和機(jī)車車輛用電纜等產(chǎn)品。

無鹵阻燃電纜中常用材料的技術(shù)指標(biāo)及典型測試值見表1。從表1可知，基本無填充的XLPE吸水量數(shù)值小于有一定無機(jī)填充的EPR，且這兩類材料吸水量數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于低煙無鹵聚烯烴類材料。

表1 重量法主要技術(shù)指標(biāo)與典型測試值

需要指出的是，IEC 60502-1:2005在IEC 60502系列標(biāo)準(zhǔn)中首次規(guī)定了熱塑性低煙無鹵聚烯烴護(hù)套材料(ST8)的技術(shù)指標(biāo)，在該標(biāo)準(zhǔn)體系中引入了額定電壓1～3kV無鹵阻燃電纜產(chǎn)品，使得該類產(chǎn)品在市場上得到了極大的推廣。但截至目前，除額定電壓1～3kV無鹵阻燃電纜產(chǎn)品外，IEC 60502系列標(biāo)準(zhǔn)草案及相關(guān)技術(shù)文件中沒有將更高電壓等級的低煙無鹵阻燃電纜產(chǎn)品列入討論范圍。

2 擊穿法

在潮濕的環(huán)境和電應(yīng)力作用下，無鹵阻燃材料會持續(xù)吸水，直到完全失去絕緣特性。在這一過程中，采用無鹵阻燃材料的電氣絕緣結(jié)構(gòu)，泄漏電纜會持續(xù)增大，甚至?xí)l(fā)生擊穿。擊穿法是基于上述原理，通過檢測樣品在規(guī)定電壓下?lián)舸┣闆r或泄漏電流的變化值來反映產(chǎn)品吸水性能的測試方法。它也是機(jī)車車輛電纜產(chǎn)品采用的考核方法之一。

采用擊穿法作為測試方法的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)有EN 50264-3、EN50306-3 和 GB/T 12528—2008［4］，具體的技術(shù)指標(biāo)見表2。歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50264-3中試品為標(biāo)準(zhǔn)壁絕緣有護(hù)套多芯電纜，該類產(chǎn)品較易通過考核，這里就不再贅述。歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50306-3中試品為多芯薄壁絕緣薄壁護(hù)套電纜，主要檢測在試驗(yàn)環(huán)境條件下電纜絕緣層泄漏電流的變化情況，推薦的技術(shù)指標(biāo)為每24h內(nèi)泄漏電流增值不超過10%。這是由于薄壁絕緣絕緣強(qiáng)度較大，很難采用 EN 50264-3的試驗(yàn)方法通過擊穿來考核無鹵阻燃護(hù)套的質(zhì)量，所以通過檢測泄漏電流的變化更能有效表征護(hù)套的吸水特性。與前兩個標(biāo)準(zhǔn)不同的是，GB/T 12528—2008考核的是單芯電纜，其吸水性能試驗(yàn)是一個較難通過的試驗(yàn)項目。在實(shí)際的制造過程中，廠家往往通過在電纜絕緣層與導(dǎo)體之間增加一層較薄的非阻燃隔離層來解決這個問題。但因加入了一層非阻燃材料，故在提高耐吸水性的同時，降低了產(chǎn)品整體的阻燃性能，因此制造時須嚴(yán)格控制其厚度。

表2 擊穿法主要技術(shù)要求

表3 不同標(biāo)準(zhǔn)中電氣參量法的測試結(jié)果比較

3 電氣參數(shù)法

一般電纜材料的介電常數(shù)在2.1～5.0之間，而水的介電常數(shù)為81左右，一旦材料吸水，整體產(chǎn)品的電容測試數(shù)值等電氣參數(shù)將劇烈增加。電氣參數(shù)法是基于上述原理通過檢測試品吸水前后的電氣參數(shù)(介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角正切值等)的變化來反映吸水特性的。由于電氣參數(shù)法的靈敏度較高，適用于耐受潮濕環(huán)境的能力要求較高的產(chǎn)品，因此船用電纜產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)多采用該方法來檢測吸水性能。此外ICEA、UL等北美體系的電纜產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)也常用此方法。

IEC 60092［5］、IEEE 1580［6］、ICEA S-73-532［7］是采用電氣參數(shù)法典型的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。IEC 60092標(biāo)準(zhǔn)體系為國際電工委員會船用電纜系列標(biāo)準(zhǔn)，IEEE 1580—2010為美國艦船和石油平臺用電纜的技術(shù)規(guī)范，ICEA S-73-532是美國儀表控制電纜的技術(shù)規(guī)范，主要技術(shù)指標(biāo)見表3。上述三個標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了兩大類無鹵族阻燃電纜:一類是絕緣線芯不要求具備阻燃特性的無鹵阻燃電纜;另一類則是要求絕緣線芯通過相關(guān)的燃燒試驗(yàn)的無鹵阻燃電纜。對于絕緣線芯不要求具備阻燃特性的產(chǎn)品，絕緣材料選用市售的XLPE或配方設(shè)計上考慮吸水性能的EPR，電纜產(chǎn)品基本可通過電氣參數(shù)法的考核。當(dāng)絕緣線芯要求具備阻燃特性時，即要求絕緣線芯同時具備較高的電氣絕緣特性和良好的阻燃特性，故產(chǎn)品研制有一定的技術(shù)難度。

筆者使用自配的低煙無鹵阻燃材料進(jìn)行了電氣參數(shù)法吸水性能驗(yàn)證:采用兩種方案，方案A為阻燃EPR配方材料，方案B為XLPE/XLPO復(fù)合絕緣體系，分別制成電纜絕緣線芯后做電氣法吸水性能測試，測試結(jié)果見表3。從表3可知，方案A試制的絕緣線芯可滿足IEEE 1580—2010與ICEA S-73-532規(guī)定的技術(shù)要求;而方案B試制的絕緣線芯雖可通過IEC 60332規(guī)定的單根垂直燃燒試驗(yàn)，但不能通過VW-1垂直燃燒試驗(yàn)。

4 機(jī)械物理法

機(jī)械物理法主要是考核電纜護(hù)套在潮濕的環(huán)境或浸水的環(huán)境下機(jī)械物理性能(抗張強(qiáng)度和斷裂伸長率)的變化值，即要求電纜護(hù)層材料具備相當(dāng)?shù)姆俏匦裕錂C(jī)械物理性能不得出現(xiàn)明顯降解。這種試驗(yàn)方法僅考核電纜的外護(hù)套，一般用于要求長時間浸水或潮濕環(huán)境用的電纜，如HD 22中規(guī)定的EPR絕緣氯丁橡皮護(hù)套電纜產(chǎn)品。

對于無鹵阻燃電纜來講，較早使用該方法的是HD 21.14:2003［8］規(guī)定的低壓軟電線類產(chǎn)品。HD 21.14是歐洲電工委員會于2003年發(fā)布的熱塑性無鹵絕緣和護(hù)套軟電纜的規(guī)范，其中電纜的護(hù)套為熱塑性聚烯烴(TM7)，需進(jìn)行機(jī)械物理法的吸水性能試驗(yàn)考核。在該文件的基礎(chǔ)上，IEC TC/20成立了熱塑性低煙無鹵電線工作組，并于2012年發(fā)布了項目組文件為 IEC TC 20/1368/NP［9］，該文件即將轉(zhuǎn)入CD文件階段。在該文件中無鹵阻燃電纜的絕緣材料為熱塑性聚烯烴(LSHF/D)，護(hù)套材料為熱塑性聚烯烴(LSHF/ST1)。對比 HD 21.14與 IEC TC 20/1368/NP可知，LSHF/ST1與TM7技術(shù)指標(biāo)基本一致，具體見表4。我國相應(yīng)的低煙無鹵熱塑性護(hù)套材料標(biāo)準(zhǔn)是 JB/T 10707—2007［10］，具體指標(biāo)見表4。對比可知，HD 21.14以及IEC TC 20/1368/NP主要考慮用熱塑性阻燃聚烯烴材料替代聚氯乙烯護(hù)套料，尤為關(guān)注熱塑性無鹵阻燃聚烯烴在吸水環(huán)境下機(jī)械物理性能的變化，而我國的 JB/T 10707—2007目前還沒有考慮到該問題。對于此項技術(shù)差異，在進(jìn)行JB/T 10707—2007行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)修訂時應(yīng)予以考慮。

筆者按照J(rèn)B/T 10707—2007選取了四家電纜料廠生產(chǎn)的電纜護(hù)套料壓片、制樣，并按IEC 20/1368/NP規(guī)定的機(jī)械物理法對吸水性能進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表4，其中抗張強(qiáng)度變化率一家不合格，斷裂伸長率變化率三家不合格，完全符合要求的產(chǎn)品僅一家。這表明在吸水性能的技術(shù)考核上，國內(nèi)現(xiàn)在按照J(rèn)B/T 10707—2007生產(chǎn)的無鹵阻燃聚烯烴料與HD 21.14以及IEC TC 20/1368/NP要求的護(hù)套層材料存在明顯技術(shù)差異。半導(dǎo)電橡皮混合使用，不但可用作屏蔽型橡套軟電纜的填充，而且還有效地降低了成本。下面就介紹幾種適用于屏蔽型橡套軟電纜的填充材料。

表4 機(jī)械物理法的測試結(jié)果比較

(1)半導(dǎo)電橡皮條。采用半導(dǎo)電橡皮條填充對屏蔽型橡套電纜來說是最好的方式，它既不影響電纜的絕緣性能，又可達(dá)到填充的目的，還能對線芯間屏蔽層相互作良好的導(dǎo)電性連接，但有些生產(chǎn)廠家提出半導(dǎo)電橡皮條在擠橡機(jī)上難以大長度擠出成型，經(jīng)常未進(jìn)入水冷卻系統(tǒng)就斷成數(shù)條小段。這主要是因?yàn)榘雽?dǎo)電橡皮條在硫化管內(nèi)還未充分硫化，抗張強(qiáng)度較小，由于牽引的拉力和自身重力，導(dǎo)致在擠出過程中易斷，若在擠半導(dǎo)電橡皮條時加一根加強(qiáng)繩，就可解決半導(dǎo)電橡皮條擠出易斷問題。此外，半導(dǎo)電橡皮比橡皮填充料貴很多，若填充條全部采用半導(dǎo)電橡皮材料，則成本增加較多?？刹捎孟鹌ぬ畛淞霞影雽?dǎo)電橡皮，即填充條內(nèi)層采用橡皮填充材料，外層采用一定厚度的半導(dǎo)電橡皮，雙層共擠方式擠出。使用此填充條，既能滿足屏蔽型橡套軟電纜的性能要求，屏蔽層表面接觸仍導(dǎo)通，材料成本又大大降低。

(2)半導(dǎo)電橡皮條包覆棉、麻繩。棉、麻繩柔軟，成纜時隨形性好，填充充實(shí)，可以保持成纜圓整。屏蔽型橡套軟電纜可采用棉、麻繩擠包半導(dǎo)電橡皮，但弊端是棉、麻繩在硫化過程中易進(jìn)水或吸潮氣，影響電纜的電氣絕緣性能。

(3)半導(dǎo)電橡皮條包覆聚丙烯彈性索。聚丙烯彈性索柔軟、體輕，成纜的圓整度好，填充緊實(shí)。屏蔽型橡套軟電纜可采用聚丙烯彈性索擠包半導(dǎo)電橡皮，但聚丙烯彈性索耐高溫性不佳，在擠包半導(dǎo)電橡皮時易融化、斷裂，造成加工困難，影響生產(chǎn)效率。

各生產(chǎn)廠家可以結(jié)合自身的工藝水平和生產(chǎn)狀況，來選取最適合本公司屏蔽型橡套軟電纜的填充方式和材料。

4 結(jié)束語

通過對屏蔽型橡套軟電纜填充材料的改進(jìn)，不僅可以把纜芯所有屏蔽層相互作良好的導(dǎo)電性連接，與接地系統(tǒng)連通，起均衡電位的作用，還能使纜芯結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，保持電纜的圓整性，同時，幾種材料的混合使用，在保證電纜品質(zhì)的情況下，有效地降低了成本。