李孟華 范鈺瑋 冉龍姣

摘要：研制了一種新型充電用柔性絕緣阻燃耐火電纜。該電纜在現有防火柔性電纜的結構上進行了優(yōu)化調整，其耐火防火層由傳統(tǒng)的只包覆六層云母帶優(yōu)化成由兩層纏繞方向不同的橫向云母帶、一層縱向包覆云母帶、參加了硫化劑的陶瓷硅橡膠組成。在電纜加工過程中引進硫化工藝，將陶瓷化硅橡膠與硫化劑通過連續(xù)硫化過程實現交聯，硫化后的陶瓷化硅橡膠在常溫下具備普通硅橡膠的彈性和柔軟性，在高溫火焰的燒蝕后形成堅硬的殼體， 保護被燒的物體不受損壞，提高柔性防火電纜的耐火功能。

關鍵詞：電纜;耐火材料;結構優(yōu)化;硫化工藝

0? 引言

引起全球變暖的最大原因就是人類大量使用化石能源，而近幾年城市汽車數量不斷地增多更加加劇了溫室氣體的排放，很多國家著力研制環(huán)保的新能源汽車。目前卓有成效的就是新能源電動汽車的研發(fā)和生產，尤其我國給與購買電動汽車優(yōu)惠免稅政策，促使電動汽車漸漸進入市場并被大眾使用。相比傳統(tǒng)汽車，電動汽車受到充電時間及安全性的制約，因此充電電纜的開發(fā)研制在某種程度上極大的影響了電動汽車的運行效率。由于充電電纜一般都是被安置在停車場、公路服務區(qū)等容易被日曬風化或者油污腐蝕的戶外場合，而且還要經常承受拖地拉扯，所以該種電纜必須具備良好的柔韌性和耐磨損抗腐蝕能力。另外考慮到充電安全性和防火性，它還必須能夠耐熱阻燃，具有良好的絕緣性能?；谝陨险撌觯疚囊M硫化工藝，對現有的電纜結構進行優(yōu)化設計，研制出了一種新型的充電用絕緣阻燃耐火電纜。

1? 絕緣阻燃耐火電纜的結構優(yōu)化

柔性防火型耐火電纜的結構在行業(yè)中并沒有一個固定的單元劃分，不同廠家生產的電纜結構差別也比較大。大多廠家生產的電纜結構由內向外依次為外護套、礦物隔氧層、絕緣隔離層、塑料絕緣層、云母帶和絞合銅導體，如圖1所示。

此種類型電纜的耐火層是利用云母帶在常溫及高溫條件下均具有一定的電氣絕緣性能來進行設計的，常見結構多為云母帶直接繞包在導體上，然后擠包有機聚合物形成絕緣線芯，成纜后擠包有機聚合物護套[2]，典型結構如圖2所示。

為了提高電動汽車充電電纜的各項機械性能及耐火功能，首先我們仔細研究了傳統(tǒng)電纜的結構特征，然后在其原有的基礎上進行優(yōu)化設計，對各主體層進行細分，將耐火防火層由傳統(tǒng)的只包覆六層云母帶優(yōu)化成由兩層纏繞方向不同的橫向云母帶、一層縱向包覆云母帶及參加了硫化劑的陶瓷硅橡膠絕緣層組成，極大的提高了充電電纜抗擊高溫燒蝕的性能，具體單元結構組成如圖3所示。

2? 充電電纜各層材料的選擇

設計電纜的性能還與電纜材料選擇是否合理有關，本文項目柔性防火型耐火電纜結構主要包含了以下四層，各層的詳細用材及功能如下：

①導體：光亮的電解銅桿拉制的單線。

②絕緣層：云母帶、陶瓷化防火耐火復合帶。

耐火云母帶：云母帶按照GB/T 5019.10-2009《以云母帶為基的絕緣材料第10部分：耐火安全電纜用云母帶》可以分為合成云母、金云母和白云母等幾類。本設計采用四川雷得云母有限公司生產的白云母帶，其性能如表1所示。

陶瓷化防火耐火復合帶：本設計采用上?？铺匦虏牧瞎煞萦邢薰旧a的KT-TC2055產品，尺寸0.2mm×50mm，密度1.40～1.45g/cm3，抗拉強度≥3.5MPa，撕裂強度≥20kN/m，體積電阻率≥1013Ω·cm，擊穿強度≥25kV/mm，產品毒性分級為ZA1。

③礦物質填充層。

在發(fā)生燃燒時，電纜的礦物填充層能夠保護內層結構塑料絕緣層免受火焰侵蝕，起到隔絕熱量、火焰以及防止絕緣層熔化的作用[2]，采用陶瓷化防火耐火硅橡膠與硫化劑按一定比例混合的均勻混合物。陶瓷化防火耐火硅橡膠采用陶瓷膠KT-TC8710，其物理機械性能如表2所示。

硫化劑采用南京鑫聯化工有限公司生產DC-1，用作擠出硅橡膠的硫化劑，制品的強度高，透明性好，不會產生氣孔，其硫化溫度≥90℃，q1.2～1.8%左右（視不同膠種及制品要求而異）。

④補強包帶層。

包帶層采用FLSL33*7型石英/高硅氧玻璃纖維紗（1000）編織，編織單向覆蓋率不小于45%[3]。

⑤護套層。

采用高阻燃的低煙無鹵阻燃聚烯烴材料，此材料是以聚烯烴為基材，加入無鹵無毒阻燃劑、防老劑、潤滑劑等經混合、塑化、造粒而成，在電纜正常運行時能夠保護電纜，不受外界機械力損傷[4]。低煙無鹵阻燃聚烯烴材料在電纜著火時能夠很快發(fā)生膨脹反應，形成致密的多孔碳層，其中的阻燃物質能夠吸收燃燒物質表面的熱量進行化學分解，進而降低燃燒的進程;并且分解反應會生成氧化鎂和水，其中氧化鎂能夠附著在燃燒物質表面，水則能夠稀釋當中的氧氣，兩者共同作用又更進一步的阻止了燃燒的速度。該類材料不含鹵素，符合歐盟ROHS指令和REACH法規(guī)的相關要求，適用于電力電纜、通訊光纜、控制電纜等。

3? 電纜關鍵工藝步驟及各工藝參數

3.1 拉拔線工藝

導體選用光亮的電解銅桿拉制的單線，導體表面光潔、無油污、毛刺和銳邊，無凸起或斷裂的單線，填充系數大于等于0.9。本項目將拉拔工藝與退火工藝集成在同一臺設備，拉拔過程中銅絲穿過一加熱筒，從加熱筒里面出來再在淬火池里面淬火，采用連拉連退的方式，提升了生產效率。拉拔后銅線由原始直徑3mm縮小為2.74mm，壓縮率δ為8.67%。為了保證單線銅導體的質量，我們嚴格把控拉拔工藝流程，20℃條件下，銅導體的單絲體積電阻率實際測量值均在0.017Ω·mm2/m以下。導體外徑及直流電阻符合GB/T3956標準。

3.2 云母帶繞包工藝

本項目的繞包工藝是采用兩層云母帶進行重疊繞包，且兩層云母帶是反方向進行繞包，繞包的角度選擇45°，重疊率設定為帶寬的（50±5）%，云母帶是雙面合成的，其厚度尺寸為0.17mm;雖然絕緣層云母帶的繞包有兩層，但是我們通過改進工藝，使兩層反方向的繞包在管絞機上同時進行，達到一次性完工。

3.3 硫化工藝

陶瓷化硅橡膠帶因其良好的性能常被應用于電線電纜上的耐火繞包材料，硫化工藝能使橡膠大分子與交聯劑硫磺發(fā)生反應，交聯成為立體網狀結構，使其更能滿足電纜的各種使用要求。所以在本次設計生產中，我們在柔性防火電纜的制備中引進了連續(xù)硫化生產工藝。

采用每25kg陶瓷化硅橡膠與250g硫化劑在開煉機里面充分混合，晾干后切成長條形狀待用。第三層云母帶縱包電纜由工人在機頭的位置送入硫化管道，包覆住電纜。陶瓷化硅橡膠與硫化劑混合物包覆電纜厚度通過調整機頭里面的模具進行控制，其包覆厚度根據電纜使用場合和客戶要求而選定，通常有0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.4mm、1.6mm、1.8mm、2.0mm、2.2mm、2.4mm等包覆厚度。硫化前工藝準備如圖4所示。

陶瓷化硅橡膠的硫化是一個復雜的化學過程，硫化后的陶瓷化硅橡膠由原先的塑性變成了高彈性高硬度的交聯陶瓷化硅橡膠，其物理性能和化學性能都得到了大幅度的提升。電纜在火災中發(fā)生燃燒時，陶瓷化硅橡膠會隨著火焰溫度的升高而瓷化結殼，且溫度越高，燃燒時間越長，結殼速度越快，殼體硬度越強。強硬完整的瓷化殼體能夠保護其內部線路免于火焰的燒蝕，進而確保了線路的暢通。

3.4 成纜工藝

本文設計的充電電纜的成纜是在具有自動退扭功能的搖籃式成纜機上進行的，成纜節(jié)距比控制在33以下，另外為了后續(xù)電纜安裝敷設的方便，成纜方向統(tǒng)一為右向。

成纜材料必須與絕緣層具有相同的耐熱等級，不易吸潮，且不會引起絕緣層材料的化學性能改變。所以，本文設計的充電電纜成纜時采用耐高溫、抗腐蝕能力好的玻璃纖維繩進行填充，線芯外的繞包帶采用聚氯乙烯塑料帶進行隔離扎緊。電纜的耐火防護層由帶兩層纏繞方向不同的橫向云母帶、一層縱向包覆云母帶及陶瓷化防火耐火復合帶組成，三者繞包的重疊率均為50%，繞包必須緊實平整、無折迭、打綹、起兜的現象。

3.5 護套擠塑工藝

護套材料采用的是熱塑性低煙無鹵阻燃護套料，外護套厚度參考GB/T9331-2008，其最薄處的標稱厚度不得小于85%-0.1mm。護套材料應緊密的擠包在隔離層上，擠塑后的表面應無疙瘩、氣孔、坑眼、劃痕及機械損傷，并且平整光潔。其橫截面厚度要均勻、節(jié)距紋對稱，無氣孔。另外在擠塑的過程中要嚴防進水。

4? 電纜耐火試驗檢測

目前對電纜耐火性能的檢驗均是以耐火試驗標準為依據，規(guī)范的耐火試驗標準保證了耐火電纜的使用安全性。本項目采用英標BS8491-2008耐火條件的標準做耐火試驗，考慮到電動汽車充電電纜惡劣的使用條件（油污、酸堿及水）以及其在著火時要承受的狀態(tài)（拉扯撞擊、噴淋等），耐火試驗包括單因子耐火試驗、耐火-噴水、耐火-振動條件下的試驗。

4.1 單因子耐火試驗

其試驗條件為：為了驗證該新型充電電纜能否在規(guī)定的燃燒條件下進行正常工作，我們首先水平固定充電電纜，然后在距其75mm的正下方用管狀噴燈進行高溫燒蝕，與此同時施加工作電壓于線芯間，燃燒條件為950℃/180min。

試驗結果：燃燒前后對比如圖5所示，試樣未擊穿，線路保持完整。

試樣解剖分析：低煙無鹵高阻燃聚烯烴護套在經過高溫燒蝕后存在明顯的膨脹結殼，部分護套層燒蝕后出現開裂脫落，但在某一時間內它還是延緩了熱量的傳遞;由硫化陶瓷化硅橡膠和云母帶組成的耐火防護層瓷化結殼的現象非常明顯，并且沒有開裂和脫落，結殼表面敲擊呈現很強的硬度，瓷化后的斷面是致密的微孔狀結構，有效的隔離了火焰的高溫，電纜最里面包裹的云母層完整。

4.2 耐火-噴水試驗

試驗條件：650℃溫度下直接供火15min后，噴水和繼續(xù)受火15min，總計時間30min，試驗結果：如圖6所示耐火噴水試驗，線路保持完整。

試樣解剖分析如下：低煙無鹵高阻燃聚烯烴護套在經過高溫燒蝕后存在明顯的膨脹結殼，部分護套層在接下來的噴水試驗后存在輕微脫落;絕緣、耐火、礦物填充層僅受火面瓷化，其余部位仍保持良好的物理和化學性能，瓷化后的表面沒有出現開裂，表面剝開后的內里也沒有肉眼可見的水分，電纜的纜芯內部仍然保持著干燥。

4.3 耐火-振動試驗

試驗條件：950℃的高溫下直接供火，受火的過程中，每間隔15min給其施加機械振動一次，總計時間90min。

試驗結果：如圖7耐火振動試驗所示，試樣未擊穿，線路保持完整。

試樣解剖分析：低煙無鹵高阻燃聚烯烴護套在經過高溫燒蝕后存在明顯的膨脹結殼，部分護套層在受到外力沖擊后存在輕微脫落;而耐火絕緣的礦物填充層僅在受火面呈現了瓷化結殼，其余部位仍保持著良好的橡膠特性。

5? 結束語

本項目所研制的電動汽車充電電纜是在傳統(tǒng)充電電纜的基礎上進行結構優(yōu)化的一種新型耐火絕緣電纜，對其防火云母帶層繞包做了改進，而且還采用了無鹵阻燃等先進的技術，不僅提升了電纜防火耐火的性能，還減少了火災產生的有毒有害煙霧對人身體健康的影響。另外他具有很好的柔韌性和耐磨損抗腐蝕能力，絕緣層也不容易受潮，能夠很好的適應各類電動汽車的充電環(huán)境，這將能夠有效的解決電動汽車充電的很多問題，直接提升電動汽車的市場競爭力，使大眾更能接受電動汽車替代傳統(tǒng)石化能源汽車，進而減緩溫室效應。

參考文獻：

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