李楷東，周 建，李楷純，戴彥雍，楊 滔，周 優(yōu)，姚洪清，鄧偉杰

（廣州南洋電纜集團(tuán)有限公司，廣州 511356）

0 引言

BTLY自面世以來，與幾乎同期出現(xiàn)的YTTW［1-2］礦物絕緣電纜，因?yàn)槟軌驅(qū)崿F(xiàn)定長(zhǎng)生產(chǎn)的因素，在高性能耐火電纜市場(chǎng)中得以迅速拓展，成功擠占了歷史較久的BTTZ［3］氧化鎂礦物絕緣電纜的市場(chǎng)份額，并最終形成了當(dāng)下“三足鼎立”的市場(chǎng)格局。

BTLY高性能防火電纜，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、耐火性能要求上講，基本是結(jié)合了GB／T12706.1電力電纜標(biāo)準(zhǔn)［4］、GB／T 13033和GB／T 34926［5］礦物絕緣電纜標(biāo)準(zhǔn)、BS 6387［6］以及BS 8491［7］防火標(biāo)準(zhǔn)等性能要求。但是正是基于BTLY電纜產(chǎn)品工藝結(jié)構(gòu)的多樣化和多維度選擇的寬泛，電纜各組件的“相容性”已經(jīng)成了BTLY礦物絕緣電纜的“阿喀琉斯之踵”，成為詬病的主要弱點(diǎn)。

BTLY型高性能礦物絕緣電纜到目前為止，尚沒有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。近幾年來在河南、浙江、河北、廣東省形成地方標(biāo)準(zhǔn)和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)［8-11］，這之前則都是以企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的形式存在。通過查閱了部分代表性地方標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品專利、數(shù)十家知名的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，分析各地區(qū)、各企業(yè)關(guān)于BTLY電纜產(chǎn)品的工藝結(jié)構(gòu)、材料選型以及性能指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)每個(gè)廠家的型號(hào)命名內(nèi)涵各不相同，工藝結(jié)構(gòu)形式各不相同，地方標(biāo)準(zhǔn)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中性能指標(biāo)和工藝結(jié)構(gòu)百花齊放、百家爭(zhēng)鳴，深受地區(qū)行業(yè)和企業(yè)研發(fā)水平和工藝工裝的特點(diǎn)限制，千差萬別，體現(xiàn)著濃厚的地方特色，同時(shí)也反映出礦物質(zhì)絕緣電纜的新產(chǎn)品、新技術(shù)創(chuàng)新的“內(nèi)卷化”行為十分嚴(yán)重。

本文將從高溫絕緣層材料選型、高溫絕緣電阻檢驗(yàn)、金屬鋁護(hù)套氣密性試驗(yàn)以及有效防范防火隔熱層性能的劣化老化，探討如何基于BTLY型高性能耐火電纜工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造的相容性改善，來實(shí)現(xiàn)BTLY型電纜的高性能耐火特性合格率的提高。

1 典型結(jié)構(gòu)形式

為更清晰地闡述BTLY高性能耐火電纜的“相容性”，有必要先簡(jiǎn)要介紹BTLY最為典型的兩大基本結(jié)構(gòu)類型：隔離型金屬護(hù)套結(jié)構(gòu)型式和統(tǒng)包型金屬護(hù)套結(jié)構(gòu)型式。分別簡(jiǎn)單描述如下。

1.1 隔離型BTLY高性能耐火電纜

隔離型BTLY高性能耐火電纜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 隔離型BTLY高性能耐火電纜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

（1）導(dǎo)體

隔離型BTLY防火電纜的導(dǎo)體采用緊壓或非緊壓圓形結(jié)構(gòu)。基于電纜的柔軟性，截面一般適宜120 mm2以下。

（2）絕緣

絕緣材料應(yīng)由云母包帶或者云母包帶和相適應(yīng)的材料組成。通用類產(chǎn)品采用合成云母包帶、煅燒云母包帶，或者其他與之相適應(yīng)的材料。

（3）分相鋁護(hù)套

所謂分相鋁護(hù)套，是指包覆于絕緣導(dǎo)體外層的金屬鋁護(hù)套層。一般采用擠壓拉拔或者焊接工藝生產(chǎn)的平滑金屬鋁管。標(biāo)稱截面大于16 mm2的絕緣線芯外的保護(hù)。

（4）分色隔離層

分色隔離層主要采用交聯(lián)聚乙烯材料或者聚乙烯材料。主要作用有兩點(diǎn)，一是起線芯分色作用，二是在鋁金屬隔離套與礦物質(zhì)防火材料之間起到防腐蝕的作用。

（5）成纜

多芯電纜的線芯應(yīng)絞合成纜，成纜絞合方向?yàn)橛蚁颉?/p>

（6）防火層

防火層，主要是采用礦物質(zhì)（氫氧化鎂、氫氧化鋁）和硅酸鈉膠體溶液攪拌混合物擠包而成。防火層材料具有不燃、難燃、高溫結(jié)殼、高溫?zé)嶙璧确阑鹛匦?，并和金屬護(hù)套層或者非金屬防腐層相容，同時(shí)具備滿足低煙、無鹵、無毒等適應(yīng)環(huán)保電纜的特性。

（7）外護(hù)套

外護(hù)套，主要是采用氧指數(shù)較高、結(jié)殼性能較好的低煙無鹵高阻燃的聚烯烴材料擠包而成，顏色一般采用橙紅色。

1.2 統(tǒng)包型BTLY高性能耐火電纜

統(tǒng)包型BTLY高性能耐火電纜的電纜組件和材料選型與隔離型高性能耐火電纜基本一致。其主要區(qū)別在用金屬鋁護(hù)套的位置有較大不同，由此帶來其他一些元件的形狀變化和生產(chǎn)工藝流程上的區(qū)別。

統(tǒng)包型BTLY高性能耐火電纜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 統(tǒng)包型BTLY高性能耐火電纜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

（1）導(dǎo)體

與隔離型BTLY防火電纜的導(dǎo)體選型單純采用圓形結(jié)構(gòu)相比，統(tǒng)包型BTLY的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形狀選型幾乎沒有限制。統(tǒng)包型BTLY防火電纜的導(dǎo)體的選型完全可以涵蓋GB／T12706.1的所有截面系列，既可以采用非緊壓圓形、緊壓圓形，也可以采用異形等導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形式?；诩夹g(shù)經(jīng)濟(jì)性考慮，35 mm2以下選擇圓形導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；50～95 mm2選擇非預(yù)扭的扇形絞合導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；120 mm2以上，可以選擇預(yù)扭的扇形絞合導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

（2）絕緣

絕緣材料選型，與隔離型一樣，同樣由通用類產(chǎn)品采用合成云母包帶、煅燒云母包帶，或者其他與之相適應(yīng)的材料組成。

（3）分色隔離層（可選項(xiàng)）

統(tǒng)包型BTLY的分色隔離層，是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組件選擇用的可選項(xiàng)。材料選用與隔離型BTLY的分色隔離層的材料一致，主要也是采用交聯(lián)聚乙烯材料或者聚乙烯材料。

（4）成纜

多芯電纜的線芯應(yīng)絞合成纜，成纜絞合方向?yàn)橛蚁颉?/p>

（5）統(tǒng)包鋁護(hù)套

所謂統(tǒng)包鋁護(hù)套，是指包覆于多芯纜芯外層的金屬層護(hù)套層，用于多芯絕緣成纜外的保護(hù)。統(tǒng)包鋁護(hù)套采用同心式擠壓拉拔或者焊接鋁護(hù)套，可以是軋紋或光面。軋紋時(shí)深度應(yīng)不損傷絕緣，節(jié)距均勻。表面應(yīng)光滑、圓整，不應(yīng)有沙眼、漏氣、進(jìn)水等任何不良缺陷。金屬隔離套平均厚度應(yīng)滿足一定的標(biāo)稱要求，最薄點(diǎn)不應(yīng)小于標(biāo)稱厚度的80%，軋紋不能影響其平均厚度和最薄點(diǎn)的厚度。

（6）防腐隔離層（可選項(xiàng)）

為防止鋁金屬隔離套與絕緣層或防火層的腐蝕和吸濕，可擠包一層非金屬防腐層，材料可選用交聯(lián)聚乙烯材料或者聚乙烯材料。

（7）防火層

防火層的材料選型，與隔離型一樣。防火層主要也是采用礦物質(zhì)（氫氧化鎂、氫氧化鋁）和硅酸鈉膠體溶液攪拌混合物擠包而成。防火層材料具有不燃、難燃、高溫結(jié)殼、高溫?zé)嶙璧确阑鹛匦裕⒑徒饘僮o(hù)套層或者非金屬防腐層相容，同時(shí)具備滿足低煙、無鹵、無毒等適應(yīng)環(huán)保電纜的特性。

（8）外護(hù)套

外護(hù)套與隔離型一樣，主要是采用氧指數(shù)較高、結(jié)殼性能較好的低煙無鹵高阻燃的聚烯烴材料擠包而成，顏色一般采用橙紅色。

2 兩種典型產(chǎn)品的工藝路線

按BTLY常見的金屬保護(hù)層，可分為分相型和統(tǒng)包型，兩種工藝的生產(chǎn)工藝流程分別如圖3和圖4所示。

圖3 BTLY型隔離型鋁護(hù)套電纜生產(chǎn)工藝流程

圖4 BTLY型統(tǒng)包鋁護(hù)套電纜生產(chǎn)工藝流程

3 關(guān)于BTLY電纜工藝結(jié)構(gòu)相容性的幾點(diǎn)思考

3.1 性能耐火的定義

無論是隔離型BTLY還是統(tǒng)包型BTLY的高性能耐火電纜，其耐火性能要滿足圖5所示的要求。

圖5 耐火試驗(yàn)及要求

（1）當(dāng)外徑不大于20 mm時(shí)，成品電纜按照BS 6387：2013標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)所求的耐火性能試驗(yàn)條件，對(duì)試樣進(jìn)行CWZ（即單純耐火、耐火加噴淋、耐火加機(jī)械沖擊）試驗(yàn)后，線路應(yīng)保持完整性。

（2）當(dāng)外徑大于20 mm時(shí)，成品電纜按照BS 8491：2008標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)所求的耐火性能試驗(yàn)條件，對(duì)試樣進(jìn)行耐火、機(jī)械沖擊和噴淋試驗(yàn)后，線路應(yīng)保持完整性。

3.2 絕緣材料的選型

針對(duì)高性能耐火的指標(biāo)，無論是隔離型，還是統(tǒng)包型，絕緣層材料的選型都必須具備兩個(gè)條件，一是高溫性能，二是絕緣性型。

3.2.1 絕緣材料的選型

無論是隔離型還是統(tǒng)包型BTLY電纜，絕緣層的選型，可根據(jù)GB／T 34926《額定電壓0.6／1 kV及以下云母帶礦物絕緣波紋銅護(hù)套電纜及終端》進(jìn)行統(tǒng)一。根據(jù)高性能耐火試驗(yàn)方法的耐火試驗(yàn)方法的950～1 000℃的溫度條件，絕緣材料應(yīng)采用溫度等級(jí)符合950～1 000℃的合成云母包帶、煅燒云母包帶，或者其他與之相適應(yīng)的材料。

聚酯帶、陶瓷化硅膠帶、高阻燃帶等溫度等級(jí)的材料，在電纜使用只能定義為一個(gè)保護(hù)性材料，而不能定義為高溫絕緣性材料。這類材料絕緣性也許滿足要求但絕緣耐溫等級(jí)難以足耐火試驗(yàn)條件（950～1 000℃）方面的要求。聚酯帶的最大作用在于隔離導(dǎo)體毛刺對(duì)高溫耐火絕緣的刺破，其熔點(diǎn)200℃左右，在常溫下絕緣一定的絕緣性，但在950～1 000℃的火焰條件下，將熔融炭化成為灰燼；陶瓷化硅膠帶在常溫下和徹底燃燒陶瓷化后具備一定的絕緣性能，但在高溫條件下發(fā)生陶瓷化過程存在低熔點(diǎn)鹽熔融導(dǎo)電的階段；高阻燃帶則在高溫條件，發(fā)生高阻燃填料受熱分解水分的過程。

明確高性能耐火絕緣層材料的選型這方面的定義，有助于在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范層面直接避免以次充好，以假亂真的漏洞，在常溫下的耐壓試驗(yàn)高合格率，具有一定的高溫耐火性能方面的誤導(dǎo)。

3.2.2 高溫絕緣電阻的檢測(cè)

在云母包帶帶材的原材料檢驗(yàn)方面，有幾項(xiàng)重點(diǎn)的性能試驗(yàn)項(xiàng)目需要進(jìn)行：云母帶的高溫絕緣電阻、體積電阻率以及高溫絕緣層的高溫絕緣電阻。

（1）云母帶原材料的高溫絕緣性能

在絕緣材料選型過程中，耐火絕緣材料在高溫下及以下的絕緣電阻和體積電阻率的性能測(cè)定，在GB／T 5019.2《以云母為基的絕緣材料第2部分：試驗(yàn)方法》［12］第26條款“高溫絕緣電阻”，目前還沒有提供具體的試驗(yàn)方法。這一塊的缺失，應(yīng)該采按照GB／T 10581《絕緣材料在高溫條件下電阻和電阻率的試驗(yàn)方法》［13］進(jìn)行，溫度條件按照GB／T10580《固體絕緣材料在試驗(yàn)前和試驗(yàn)時(shí)采用的標(biāo)準(zhǔn)條件》［14］，只需明確具體的1 000℃試驗(yàn)溫度條件。試驗(yàn)方法的示意圖如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)方法

（2）絕緣層的高溫絕緣電阻性能

參照GB／T 34926-2017《額定條件0.6／1 kV及以下云母帶礦物絕緣礦物絕緣波紋銅護(hù)套電纜及終端》，高溫絕緣層在90℃的工作溫度條件下，按GB／T 3048.5的試驗(yàn)方法，最小絕緣電阻要求應(yīng)不小于表1的規(guī)定。絕緣電阻應(yīng)在相鄰芯線之間、線芯和鋁護(hù)套之間分別進(jìn)行。

表1 工作溫度（90℃）條件下的最小絕緣電阻要求

常溫或者正常工作溫度條件下的絕緣電阻試驗(yàn)，并不能代表高溫條件下的絕緣電阻性能良好。目前的所有耐火試驗(yàn)方法，都基本是基于試驗(yàn)溫度條件，而不是基于整體環(huán)境處于高熱容的試驗(yàn)環(huán)境。制定和建立一套適用于950～1 000℃條件下模擬實(shí)體火災(zāi)條件下的實(shí)驗(yàn)室具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。在模擬實(shí)體火災(zāi)環(huán)境，在規(guī)定的耐火試驗(yàn)溫度下，對(duì)絕緣線芯之間、絕緣線芯和金屬護(hù)套之間分別施加1 kV，1 min的工頻電壓，測(cè)量絕緣層的高溫絕緣電阻性能，同時(shí)再進(jìn)行工頻電壓基礎(chǔ)上的耐壓試驗(yàn)，以考核電纜的高耐火性能。

3.3 鋁護(hù)套的選型

BTLY電纜鋁護(hù)套的設(shè)計(jì)，無論是分相型鋁護(hù)套，還是統(tǒng)包型鋁護(hù)套，都是基于保護(hù)無機(jī)物繞包結(jié)構(gòu)的絕緣或纜芯的“無水化”工藝設(shè)計(jì)，其最大的作用是防水功能。完全密封的鋁管，是為了阻斷外部水分的侵入，為繞包式礦物質(zhì)絕緣層提供防水、防潮的作用。所有金屬護(hù)套的鎧裝作用、屏蔽作用以及所謂可以用作接地導(dǎo)體的作用，基本都是延伸出來的功能，并不是電纜本來設(shè)計(jì)的初衷。

（1）鋁護(hù)套型式的選擇

BTLY無論是隔離型還是統(tǒng)包型，均應(yīng)采用密閉型的管狀鋁護(hù)套，工藝可采用擠鋁拉拔或氬弧焊焊接，并根據(jù)截面大小，適配平滑鋁管或者軋紋鋁管。目前行業(yè)里，并未完全理解金屬鋁護(hù)套的實(shí)際作用，產(chǎn)品工藝仍充斥著“聯(lián)鎖鎧裝”工藝，其實(shí)質(zhì)是一種彎曲半徑較小的柔性鎧裝方式，并不具備嚴(yán)格意義的防水功能，在高壓沖淋下，聯(lián)鎖鎧裝并不具備防水性。

（2）鋁護(hù)套的氣密性試驗(yàn)

鋁護(hù)套主要作用是防水，保證高溫絕緣層不被水侵害。鋁護(hù)套應(yīng)無沙眼、漏氣等缺陷。鋁護(hù)套管的完整性試驗(yàn)應(yīng)在擠包非金屬護(hù)套前實(shí)施氣密性檢查。檢查合格后，方可進(jìn)入后道工序。氣密性試驗(yàn)參照GB／T 34926-2017《額定條件0.6／1 kV及以下云母帶礦物絕緣礦物絕緣波紋銅護(hù)套電纜及終端》進(jìn)行。在每根成品電纜兩端施加帶壓力表的密封套，在任一端充入0.25～0.35 MPa的干燥空氣或氮?dú)猓跉鈮壕夂? h，觀察兩端壓力表的狀況，電纜任一端氣壓應(yīng)不下降。

3.4 防火隔離層的實(shí)際作用

鑒于鋁的熔點(diǎn)是630℃，在火焰和高溫環(huán)境條件下，當(dāng)金屬鋁的本體溫度高于熔點(diǎn)時(shí)，將發(fā)生熔融、燒穿，導(dǎo)致鋁護(hù)套管喪失防潮、防濕、防水噴淋的作用，電纜線路的完整性將遭到破壞。BTLY采用熔點(diǎn)較低的金屬鋁管作為護(hù)套，是BTLY型電纜工藝結(jié)構(gòu)相容性最大的短板，防火隔離層的設(shè)計(jì)的最大目的就是給鋁護(hù)套提高高溫隔離保護(hù)。

防火隔離層的最大作用是隔火、隔熱和降溫。防火隔離層的不燃、難燃以及熱阻高的特性，是保證鋁護(hù)套不熔融的關(guān)鍵。防火隔離層通過氫氧化鎂水合物高溫受熱釋放水分實(shí)現(xiàn)降溫，通過膠體結(jié)殼的高熱阻性能減緩?fù)獠繜崃康膫鲗?dǎo)，從而避免鋁護(hù)套層本體溫度高于熔點(diǎn)溫度。防火隔離層一般由氫氧化鎂和硅酸鈉膠體溶液按一定比例混合攪拌而成。在相容性上有3項(xiàng)指標(biāo)需要關(guān)注：硬化劣化性能、對(duì)金屬鋁的腐蝕性以及降溫隔熱的熱阻效果。

（1）硬化劣化性能

隔氧層硬化劣化主要是其粘合劑劣化和失效的過程，主要是要考察硅酸鈉膠體對(duì)在密封條件下硬化劣化以及長(zhǎng)期條件下對(duì)金屬鋁是否具有腐蝕性。硅酸鈉（化學(xué)式：Na2SiO3），俗稱泡花堿、玻璃膠，是無色、透明的粘稠狀固體，在隔離層中起著無機(jī)物黏合劑的作用。硅酸鈉膠體在空氣中的凝結(jié)固化與石灰的凝固非常相似，主要通過碳化和脫水凝固兩個(gè)過程來實(shí)現(xiàn)。

碳化過程（粘合性劣化失效的過程）：硅酸鈉水溶液和空氣中的二氧化碳，發(fā)生反應(yīng)生成碳酸鹽，俗稱“碳化”。隨著碳化反應(yīng)的進(jìn)行，混合物變干、變硬，逐步失去粘性，易受外力碎裂：

Na2SiO3+CO2+H2O＝H2SiO3↓+Na2CO3

脫水過程（凝固硬化過程）：因水溶液的自由水分蒸發(fā)、硅膠的脫水凝固硬化，體積收縮，強(qiáng)度低。其中硅酸（膠）脫水反應(yīng)如下，受熱過程將加速脫水過程的速度：

H2SiO3＝SiO2+H2O

自2018年10月至2020年5月，制備了3根80 mm長(zhǎng)的BTLY電纜試樣，將每個(gè)樣品的兩端頭完全密封并置于室內(nèi)環(huán)境中，歷時(shí)17個(gè)月實(shí)驗(yàn)表明：在密封條件下，隔離層尚未凝固硬化干結(jié)，仍具有一定的軟度。因此，在制造和存儲(chǔ)過程中及時(shí)密封，快速隔斷空氣接觸，是防止隔熱層硬化劣化的有效措施。

（2）腐蝕性驗(yàn)證

金屬鋁是兩性金屬，硅酸鈉水溶液對(duì)兩性金屬鋁護(hù)套是否具有腐蝕性需要長(zhǎng)期驗(yàn)證。在上述實(shí)驗(yàn)期間，鋁（合金）金屬護(hù)套未見明顯腐蝕現(xiàn)象，在17個(gè)月的時(shí)間內(nèi)氫氧化鎂+硅酸鈉水溶液的混合物，對(duì)兩性金屬鋁質(zhì)護(hù)套腐蝕的不明顯。

（3）隔熱層的熱阻效果

作為隔火層的主要組分氫氧化鎂（Mg（OH）2），在950～1 000℃的高溫條件下，最終主要轉(zhuǎn)化為氧化鎂（MgO）。隔火層的熱阻系數(shù)與密度密切相關(guān)，密度越大，熱阻系數(shù)越小。氧化鎂的密度在1.900～2.0 g／cm3時(shí)，熱阻系數(shù)為0.61～0.64℃·m／W。

根據(jù)鋁護(hù)套的熔點(diǎn)，隔熱層的隔熱和降溫的效果的目標(biāo)值，是保證隔熱層內(nèi)側(cè)的目標(biāo)溫度是不能高于金屬鋁護(hù)套的熔點(diǎn)，這是設(shè)計(jì)防火隔熱層配方和厚度前提，也是生產(chǎn)工藝控制的關(guān)鍵。在電纜金屬鋁護(hù)套層兩側(cè)埋設(shè)熱電偶，在耐火試驗(yàn)溫度條件下，測(cè)定金屬鋁護(hù)層兩側(cè)的溫升曲線，以確定隔火層的厚度。

在此意義上，如果隔離層的隔熱效果能夠控制在650℃以下，高溫絕緣層采用金云母也是適宜的，只是安全裕度小于合成云母，在經(jīng)濟(jì)效益上，具有較大優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語

綜上所述，當(dāng)前BTLY型電纜存在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)百花齊放、產(chǎn)品工藝紛繁復(fù)雜以及產(chǎn)品品質(zhì)參差不齊的問題，需要線纜行業(yè)進(jìn)一步實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)該類產(chǎn)品的長(zhǎng)期健康發(fā)展，促進(jìn)建筑電氣及消防設(shè)備安全得到切實(shí)保障。工藝相容性研究是BTLY型高性能耐火電纜所面臨的重大課題，本文通過研究分析，完善高溫絕緣層材料選型，實(shí)施高溫絕緣電阻檢驗(yàn)測(cè)試，施加防水層的金屬鋁護(hù)套的氣密性試驗(yàn)，特別是有效防范防火隔熱層性能的劣化老化，是提高BTLY型電纜的高性能耐火特性的最有效措施。