張才福，衛(wèi)建良，趙 云，管永生

(湖北龍騰紅旗電纜(集團(tuán))有限公司，湖北 宜昌443004)

0 引言

耐火電線電纜，包括阻燃、無(wú)鹵、低煙等產(chǎn)品，在我國(guó)從研究、開發(fā)到生產(chǎn)、使用已經(jīng)有二十多年了，被廣泛應(yīng)用在高層建筑、地鐵、發(fā)電廠、核電站、隧道等重要場(chǎng)所。雖然目前耐火電纜的電壓等級(jí)都在1 kV及以下，但使用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)展。機(jī)場(chǎng)航管樓使用的中壓電力電纜也要求具備耐火性能，為此，我公司研制出額定電壓8.7/10 kV交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣耐火電力電纜。

1 耐火電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 耐火電纜的定義及試驗(yàn)方法

耐火電纜是指在規(guī)定的火源和時(shí)間下燃燒時(shí)能持續(xù)地在指定狀態(tài)下運(yùn)行的電纜。

耐火電纜的試驗(yàn)方法按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19216—2003(等效IEC 60331—1999)進(jìn)行:(1)用噴燈加熱;(2)試驗(yàn)溫度為750～800℃，在試樣上施加額定電壓(導(dǎo)體之間的試驗(yàn)電壓應(yīng)等于導(dǎo)體之間的額定電壓，導(dǎo)體對(duì)地之間的試驗(yàn)電壓應(yīng)等于導(dǎo)體對(duì)地的額定電壓;如果是單芯電纜，電壓應(yīng)施加在導(dǎo)體和金屬護(hù)層之間)持續(xù)90 min，電纜不擊穿，2A熔斷器不熔斷。

1.2 中壓電纜耐火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選用

(1)電纜的結(jié)構(gòu)。0.6/1 kV及以下的電壓等級(jí)耐火電力電纜一般采用在導(dǎo)體上繞包耐火云母帶，云母帶由云母紙、無(wú)堿玻璃纖維布和硅酸鹽類粘合劑制造而成，遇火后生成不溶不熔的堅(jiān)硬殼體，從而達(dá)到耐火的目的。中壓XLPE絕緣耐火電力電纜的結(jié)構(gòu)是由其在額定電壓下運(yùn)行的電氣參數(shù)所決定的，絕緣線芯由導(dǎo)體、導(dǎo)體屏蔽、絕緣和絕緣屏蔽等組成。中壓耐火電力電纜，不能采用在導(dǎo)體上繞包耐火云母帶的傳統(tǒng)方法制造，否則導(dǎo)體與絕緣層之間易形成氣隙，導(dǎo)體表面電場(chǎng)也會(huì)集中，造成電纜在運(yùn)行時(shí)擊穿，另外也達(dá)不到耐火效果。

經(jīng)過(guò)資料查閱，反復(fù)論證、試驗(yàn)，決定電纜護(hù)層采用將阻燃、隔氧、擋火以及材料在燃燒時(shí)吸收大量熱量等相結(jié)合的原理，以達(dá)到電纜耐火性能要求。耐火結(jié)構(gòu)包括阻燃降溫材料填充、阻燃降溫層內(nèi)護(hù)套、隔熱繞包層、擋火層和阻燃層，電纜由外至內(nèi)形成了阻燃層、擋火層、隔熱層和阻燃降溫層。

由于加上了多層阻隔，使空氣中的氧氣不能滲入電纜絕緣層，從而保證絕緣線芯的絕緣層不軟化，確保火災(zāi)時(shí)電纜能在規(guī)定的90 min內(nèi)正常工作。通過(guò)阻燃層、擋火層、隔熱層、降溫層的協(xié)同作用，最終實(shí)現(xiàn)耐火的目的。

(2)阻燃降溫層材料。降溫絕熱層以丁基橡膠為基體捏合了大量氫氧化鎂或氫氧化鋁加硼酸鋅，其阻燃降溫原理:一是氫氧化物燃燒時(shí)吸收周圍空氣中的大量熱量，因該反應(yīng)為吸熱反應(yīng);二是生成的水分子，蒸發(fā)過(guò)程中也需要吸收大量熱量，這就降低了燃燒現(xiàn)場(chǎng)的溫度;三是生成了不溶不熔的金屬氧化物殼體，阻止了氧氣與有機(jī)物的接觸。硼酸鋅在較高溫度下融化，形成玻璃體覆蓋層，封閉聚合物表面，隔絕空氣。因此，阻燃降溫層是采用吸熱與隔氧的方法進(jìn)行阻燃降溫的。

(3)隔熱層的選用。隔熱層以丁腈橡膠為基體材料，采用絕熱性能優(yōu)良的石棉材料及酚醛，按一定比例進(jìn)行混合，所制成的酚醛/石棉丁腈帶在燒燭時(shí)形成穩(wěn)定致密的碳化層。經(jīng)多次配比試驗(yàn)，燒燭率最低達(dá)到0.112 mm/s，保證外部的熱量不易傳導(dǎo)到電纜的內(nèi)部，從而保護(hù)了電纜的絕緣線芯。

(4)擋火層的選用。擋火層由金屬套構(gòu)成，為改善電纜的彎曲性能，采用皺紋銅護(hù)套形式，銅護(hù)套可以擋住炙熱的火焰，使電纜結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。

(5)阻燃層選用。外護(hù)套選用氧指數(shù)大于32的低煙無(wú)鹵阻燃聚烯烴，低煙無(wú)鹵聚烯烴在燃燒時(shí)，透光率高、阻燃性能好，且電纜燃燒時(shí)釋放的氣體不含鹵素，不會(huì)對(duì)人及設(shè)備造成二次傷害。

(6)其它結(jié)構(gòu)及材料。為保證電纜的電氣絕緣性能和其它性能滿足要求，其它結(jié)構(gòu)及材料應(yīng)符合GB/T 12706.2—2008的規(guī)定。

(7)電纜結(jié)構(gòu)見圖1所示，結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

圖1 耐火電力電纜結(jié)構(gòu)圖

2 電纜關(guān)鍵制造工藝

2.1 工藝流程

導(dǎo)體絞合緊壓→三層共擠絕緣→銅帶屏蔽→成纜→擠包阻燃降溫護(hù)套→繞包隔熱帶→氬弧焊皺紋銅套→擠包低煙無(wú)鹵外護(hù)套→成品檢驗(yàn)。

2.2 絕緣三層共擠

絕緣三層共擠的質(zhì)量直接影響電纜的電氣性能。在生產(chǎn)過(guò)程中，采用重力落料及千級(jí)凈化，屏蔽層與絕緣應(yīng)擠包緊密，控制絕緣偏心度，確保絕緣外徑均勻一致，這樣可減少界面效應(yīng)，提高電纜的電氣性能。交聯(lián)溫度(包括擠塑溫度和交聯(lián)硫化溫度)、擠出速度是交聯(lián)質(zhì)量好壞的關(guān)鍵，通過(guò)諾基亞交聯(lián)度曲線計(jì)算和實(shí)際生產(chǎn)的調(diào)試、總結(jié)，記錄絕緣厚度和生產(chǎn)速度與交聯(lián)硫化溫度的合理關(guān)系，繪制準(zhǔn)確的交聯(lián)曲線關(guān)系圖，確定合理的交聯(lián)工藝，指導(dǎo)交聯(lián)生產(chǎn)。

表1 耐火電力電纜結(jié)構(gòu)尺寸(單位:mm)

2.3 降溫層材料的擠出

降溫層材料以前在地鐵電纜使用過(guò)，其特點(diǎn)是填充量大，擠出過(guò)程中溫升較大，但擠出溫度又不能過(guò)高，否則擠出不能定型;溫度又不能過(guò)低，否則擠出機(jī)負(fù)荷太大，設(shè)備可能會(huì)損壞。為此我們選用150擠橡機(jī)，經(jīng)多次擠出試驗(yàn)，不斷摸索擠出工藝，從擠出溫度、模具及牽引速度三方面進(jìn)行調(diào)整，確定了可行的擠出工藝。

2.4 隔熱帶繞包

酚醛/石棉丁腈帶和一般的繞包帶不同，抗拉強(qiáng)度低，易斷裂，經(jīng)對(duì)酚醛/石棉丁腈帶進(jìn)行配比改進(jìn)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到15.6 MPa，滿足使用要求，同時(shí)設(shè)備上增加了兩個(gè)繞包頭。經(jīng)過(guò)不斷調(diào)整繞包張力、繞包角度，最終滿足工藝要求。纜芯上重疊繞包四層石棉布帶，重疊率控制在35%～45%。

2.5 氬弧焊皺紋銅套

我公司采用氬弧焊皺紋銅套擋火層，其結(jié)構(gòu)和工藝先進(jìn)，可形成全封閉擋火層，只要銅套厚度恰當(dāng)，可起到優(yōu)良的擋火效果，隔絕火焰向內(nèi)的輻射。

氬弧焊皺紋銅套工藝是采用厚度為1.0 mm的銅帶，經(jīng)縱包、焊接、在線探傷檢測(cè)、軋紋來(lái)實(shí)現(xiàn)的;該工藝是在氬氣和氦氣保護(hù)下，銅帶為負(fù)極，鎢極為正極，通過(guò)低電壓、大電流來(lái)完成;鎢極焊頭直徑控制在2 mm，焊接時(shí)電流控制在85A左右為佳，焊接后由保護(hù)氣體連續(xù)吹向焊點(diǎn)，迅速帶走熱量，使焊接部位均勻快速冷卻，電纜線芯不會(huì)受到任何不良影響，同時(shí)也避免銅套的高溫氧化。為確保焊接的密封性，將整盤電纜進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。

為保證銅帶縱包成型，設(shè)置三道成型輪，焊接前喇叭模的角度按6°設(shè)計(jì)，焊接?？讖奖茹~護(hù)套標(biāo)稱外徑放大0.5 mm，定徑?？讖桨淬~護(hù)套標(biāo)稱外徑配置，軋紋刀孔徑比銅護(hù)套標(biāo)稱外徑放大3.0 mm為合適。軋紋深度控制在4.2～4.3 mm，間距為21.4 mm。

2.6 低煙無(wú)鹵阻燃聚烯烴護(hù)套擠出

同聚氯乙烯、聚乙烯電纜護(hù)套料相比，低煙無(wú)鹵阻燃聚烯烴護(hù)套料中含有較高的填充料及無(wú)鹵阻燃劑，其流動(dòng)性能較差，塑性低、熱敏性強(qiáng)、容易摩擦生熱，在機(jī)身內(nèi)滯留時(shí)間長(zhǎng)易發(fā)生分解，產(chǎn)生大量低分子揮發(fā)物，并析出于護(hù)套的表面，導(dǎo)致有焦燒顆粒，護(hù)套斷面出現(xiàn)氣孔。根據(jù)以上特點(diǎn)，定做一枚長(zhǎng)徑比為25∶1，壓縮比為1∶28的 150擠塑機(jī)螺桿。經(jīng)多次試車調(diào)整工藝，各區(qū)溫度按表2中設(shè)定為最合適。同時(shí)對(duì)原材料進(jìn)行預(yù)熱，將主機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行了調(diào)整，使得物料能順利擠出，護(hù)套外觀光滑、斷面無(wú)氣孔。

表2 低煙無(wú)鹵阻燃聚烯烴擠出溫度 (單位:℃)

3 電纜的試驗(yàn)

3.1 電纜電氣性能試驗(yàn)

電纜電氣性能試驗(yàn)按照GB/T 12706—2008規(guī)定，測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 電氣性能

3.2 電纜耐火及無(wú)鹵性能試驗(yàn)

(1)耐火特性。根據(jù)目前現(xiàn)有電線電纜耐火等級(jí)，GA306.2—2001《中華人民共和國(guó)公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)阻燃及耐火電纜:塑料絕緣阻燃及耐火電纜分級(jí)和要求第2部分:耐火電纜》標(biāo)準(zhǔn)中受火溫度為950～1 000℃及750～800℃。為了檢驗(yàn)電纜具備的耐火水平等級(jí)，按GB/T 19216.11—2003的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，電纜耐火性能測(cè)試結(jié)果見表4。

(2)低煙無(wú)鹵特性。按GB/T 19666—2005規(guī)定，低煙無(wú)鹵性能測(cè)試結(jié)果見表5。

表4 電纜耐火性能檢測(cè)結(jié)果

表5 電纜低煙無(wú)鹵性能檢測(cè)結(jié)果 、

4 結(jié)束語(yǔ)

我公司開發(fā)的機(jī)場(chǎng)航管樓用中壓耐火電纜，經(jīng)相關(guān)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)測(cè)試，各項(xiàng)性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，完全滿足在防火安全要求條件下的電力輸送。產(chǎn)品可以擴(kuò)展到石油、化工、發(fā)電、電力、高層建筑和重要的公共場(chǎng)所使用，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

經(jīng)過(guò)探索和創(chuàng)新，我們?cè)谥袎航宦?lián)耐火電纜設(shè)計(jì)和試制過(guò)程中積累了一些經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品已獲實(shí)用新型專利。

［1］徐應(yīng)麟.耐火電纜的現(xiàn)狀及問(wèn)題［J］.電線電纜，1998(4):2-11.

［2］劉 群，劉艷芬，李德玲，等.耐火電力電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)工藝的探討［J］.電線電纜，2001(5):24-25.