无卤低烟高阻燃中压耐火电缆结构设计与关键工艺控制

Journal of Henan Mechanical and Electrical Engineering College Vol.26 No.1 Jan. 2018

无卤低烟高阻燃中压耐火电缆结构设计与关键工艺控制

倪艳荣1，王卫东1，赵 源2

（1.河南工学院 电气工程系，河南 新乡 453003；2.陶铠高分子材料（上海）科技中心，上海 200000）

摘要：优化中压耐火电缆结构设计，通过内阻燃层、降温隔氧层、耐火层、铠装层与外护套的合理选材，提出更为合理的耐火型无卤低烟阻燃电缆的解决方案。进行了产品耐火性能检测，结果表明该电缆具有耐火等级高、耐喷淋、高阻燃、无卤低烟、无毒等特点。

关键词：无卤低烟高阻燃；中压耐火电缆；结构设计；陶瓷化；工艺控制

中图分类号：TM248 文献标识码：A 文章编号：1008–2093(2018)01–0009–03

我国目前的实际城镇化率距离目标仍存在较大的差距，“十三五”期间，房地产行业仍将是我国经济发展结构中重要支撑之一，各类城市公共建筑、地下空间公共交通设施等人口密集的大型公共场所对耐火电缆的需求越来越多。据估算，“十三五”期间城市工程配电电缆需求量为90亿－100亿元左右，重点需求为新型环保无卤低烟耐火电缆。随着GB50016－2014《建筑设计防火规范》国家强制性标准的出台，建筑物中的消防应急设备必须配备相应规格的耐火电缆，这就给耐火电缆的发展带来了前所未有的机遇。

目前的无卤低烟耐火电缆生产工艺复杂，成本较高，柔软性差，高温下耐火性能不佳，耐火时间短，可陶瓷化材料形成的耐火层高温下抗震性能差，淋水易粉化。本文通过合理选用耐火层材料，优化电缆结构设计，为设计与生产无卤低烟耐火电缆提供一定的参考。

以及从内至外依次包裹在绝缘线芯外侧面的内阻燃层、高氧指数隔氧层、陶瓷化耐火聚烯烃隔氧层、玻璃纤维包带层、钢带铠装层及外护套，内阻燃层与绝缘线芯之间空隙处填充有无碱玻璃纤维。绝缘线芯由内至外依次为导电线芯、导体屏蔽层、交联聚乙烯绝缘层、绝缘屏蔽层及铜带屏蔽层。

2 电缆材料选取

2.1 绝缘线芯

导体选用符合GB /T 3956 的2类铜芯圆形导体，并经正规绞合后紧压。圆形紧压导体具有结构稳定可靠、抗拉强度高、不易松散、圆整度好等优点。线芯经紧压后，单线变形，减小了单线之间的间隙和导线外径，进一步提高了导线表面的圆整度，使其表面电场更加均匀，能够增强电缆绝缘的电气特性，同时节约绝缘、填充、耐火材料和护层材料等用量，降低了生产成本。

为满足中高压电缆电气性能要求，导体外通常采用导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽的形式，利用三层共挤机头一次挤出成型。导体屏蔽和绝缘屏蔽层材料为半导电材料，绝缘层为XLPE。

金属屏蔽层采用铜带重叠绕包而成，能屏蔽电场干扰，均衡电场，作为接地线保障接地故障电流通过；同时保证与其接触的绝缘半导电屏蔽层为零电位。

1 电缆结构

依据城市公共建筑、地下空间公共交通设施等人口密集的大型公共场所对所用电缆的耐火、环保的要求，根据国家标准GB/T12706.2－2008、GB/T12706.3－2008及GB/T19666－2005对电缆进行了结构设计，电缆结构如图1所示，该电缆结构可用于6－35KV电力电缆。电缆元件包括绝缘线芯

收稿日期：2017-11-24

基金项目：河南省教育厅科学技术研究重点项目（18B470003）

作者简介：倪艳荣（1981―），女，河南濮阳人，讲师，硕士，主要从事电线电缆及光缆技术研究。

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河南机电高等专科学校学报 2018年1期

1.导体；2.导体屏蔽；3.绝缘层；4.绝缘屏蔽；5.铜带屏蔽；6.无碱玻璃纤维填充；7.内阻燃层；8.高氧指数隔氧层 9.陶瓷化耐火聚烯烃隔氧层；10.玻璃纤维包带；11.钢带铠装层；12.外护套

图1 电缆结构示意图

2.2 缆芯填充

绝缘线芯成缆时填充无碱玻璃纤维，无碱玻璃纤维成分是SiO2，化学性能非常稳定，无毒无害，耐热温度可达660℃以上，受热后不会产生有害烟气。填充成缆后每根玻璃纤维之间有空隙通道，这个通道能起到很好的散热作用，电缆正常运行时产生的热量可以通过玻璃纤维之间的空隙通道进行散热，遇到火灾时外部传导进来的热量也可以通过这些通道传导出去。 2.3 内阻燃层

阻燃层采用玻璃纤维，玻璃纤维环保无毒，具有良好的耐高温和防火性能，阻燃效果好，并且能形成三维立体网状结构，可提高电缆的韧性和抗张性，使电缆具有较高的耐冲击强度。 2.4 高氧指数隔氧层

高氧指数隔氧层采用陶瓷化硅橡胶复合带，厚度一般为2－4mm。陶瓷化硅橡胶层本身电气绝缘性能优异，常温下正常使用时，具有普通硅橡胶的机械性能、电性能和弹性等；在火灾情况下，会被烧成坚硬的无机物支撑壳体，形成一层坚硬的保护层，该保护层为疏松多孔结壳物，能有效阻止热传递，起到隔氧、隔热和挡火的作用，对线芯具有良好的保护作用。

2.5 陶瓷化耐火聚烯烃隔氧层

耐火层采用陶瓷化无卤低烟聚烯烃阻燃耐火隔氧料，厚度一般为3.8－6.5mm。该隔氧层在火灾情

况下，烧蚀后形成坚硬的铠体，断面会生成致密的均匀微孔陶瓷，结壳速度快，壳体坚硬、密实，能起到非常好的隔氧、隔热、挡火效果。在350－1600℃有焰、无焰情况下，壳体不熔融、不滴落、不脱落，不会造成二次火灾，烧蚀后的铠体弯曲断裂强度可达5MPa左右，耐喷淋。燃烧后发烟量少，烟气毒性小，和普通电缆相比，大大减小了对人体的二次伤害。 2.6 铠装层

铠装层采用双钢带间隙绕包，能明显阻挡、隔断火焰，有效杜绝火焰直接接触绝缘层，且利于增强电缆的整体结构强度。 2.7 外护套

外护套采用陶瓷化无卤低烟聚烯烃阻燃耐火护套料，在烧蚀后坚硬的壳体断面会生成均匀的陶瓷微孔，陶瓷化铠体的介电强度大于40KV/mm以上，体积电阻率大于2×10Ω•cm以上，既可以做护套层，又可以做防火耐火层。

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3 关键工艺控制

电缆的关键工艺包括单线绞合、三层共挤、绕包金属屏蔽层、成缆及缆芯填充、内阻燃层及耐火隔氧层绕包、耐火层挤出、铠装层绕包、外护层挤出。

3.1 单线绞合

为保证绞线外形圆整和结构稳定，要求相邻绞

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倪艳荣，等：无卤低烟高阻燃中压耐火电缆结构设计与关键工艺控制

层绞向相反，外层节径比不大于相邻内层，合导体表面应光洁，无油污和灰尘，无毛刺、划伤、跳线、边翅等有损绝缘层的缺陷存在，以防在该处引起游离放电。紧压后填充系数在0.87－0.90之间。 3.2 三层共挤

内外屏蔽采用挤压式模具,要求厚度均匀，挤包紧密，表面圆整、光滑、无明显绞线凸纹，无尖角、颗粒、烧焦、擦伤痕迹。绝缘层要求无气泡、杂质等。绝缘标称厚度应符合GB/T12706.2－2008规定，最薄点不小于标称值的90%－0.1mm，绝缘偏心度不大于15%。 3.3 耐火隔氧层绕包

耐火隔氧层采用的陶瓷化硅橡胶耐火复合带具有强度低、易受损的特点，且绕包不易粘贴。经过多次试验，通过对绕包角度、绕包张力等参数的不断调整，同时调整所用绕包设备，避免了断带和漏包等现象发生，符合工艺要求，提高了成品质量。 3.4 耐火层与外护套挤出

耐火层与外护套均采用热塑型陶瓷化无卤低烟聚烯烃料，因该材料填充剂用量大，故物理性能差、粘度大，挤出时流动性较差，宜选用低压缩比螺杆进行生产；挤出前对电缆料进行烘干、预热；挤出过程中要求各区温度稳定，最高温度不超过165℃；挤出后定型区采用梯度冷却，温水冷却水槽温度在55℃左右，冷水冷却水槽温度在20℃左右，以减小挤塑过程中产生的内应力，防止护套开裂。

4 阻燃耐火性能检测

4.1 耐火性能检测

参考TICW8－2012《额定电压6kV(Um=7.2kV)到35kV(Um=40.5kV)挤包绝缘耐火电力电缆》技术规范与BS 6387:2013《在火焰条件下电缆保持线路完整性的耐火试验方法》，对采用该结构的电缆进行了耐火性能试验。结果表明，在950℃的火焰中和额定电压下，耐受燃烧时间大于90min而电缆不被击穿（即3A保险丝不熔断）。烧蚀后陶瓷化铠体介电强度≥40.5KV/mm，体积电阻率≥2.1×1018

Ω•cm；高温陶瓷化后强度高，抗震动性好，喷淋后不掉落。 4.2 阻燃性能检测

阻燃性能按照GB/T 18380.33―2008《电缆和光

缆在火焰条件下的燃烧试验第33部分：垂直安装的成束电线电缆火焰垂直蔓延试验》方法进行试验，性能满足GB/T19666-2005《阻燃和耐火电线电缆通则》A级阻燃要求。 4.3 无卤指标检测

电缆的无卤指标按照GB/T 17650.2―1998《取自电缆或光缆的材料燃烧时释出气体的试验方法 第2部分：用测量pH值和电导率来测定气体的酸度》进行，测得燃烧分解物溶解后的pH值小于4.3，电导率低于10μS/mm，符合国家标准要求。 4.4 低烟指标检测

电缆的低烟指标按照GB/T 17651.2―1998《电缆或光缆在特定条件下燃烧的烟密度测定 第2部分：试验步骤和要求》进行，燃烧时透光率达到81%，超过国家标准透光率不低于60%的要求。

5 结语

该结构的无卤低烟阻燃耐火电缆的生产工艺简单，生产效率高，环保经济，高温下的耐火性能好，耐火时间长，抗震性能强，能保证在火灾时的完整和畅通，保障人员在火灾发生时有更多的逃生时间，也为其他耐火电缆的结构设计提供了一定的参考。

（责任编辑 吕春红）

参考文献：

[1] BS 6387－2013,Test method for resistance to fire of

cables required to maintain circuit integrity under fire conditions [S].

[2] GB/T 12706.2―2008,额定电压1kV(Um=1.2kV)到35kV

(Um=40.5kV)挤包绝缘电力电缆及附件 第2部分：额定电压6kV(Um=7.2kV)到30kV(Um=36kV)电缆[S].

[3] GB/T 12706.3―2008,额定电压1kV(Um=1.2kV)到35kV

(Um=40.5kV)挤包绝缘电力电缆及附件 第3部分：35kV(Um=40.5kV)电缆[S].

[4] GB/T 19666―2005,阻燃和耐火电线电缆通则[S].

[5] TICW 8―2012,额定电压6kV(Um=7.2kV)到35kV(Um=36kV)电缆

[S].

[6] GB/T 18380.33―2008,电缆和光缆在火焰条件下的燃烧试验第

33部分：垂直安装的成束电线电缆火焰垂直蔓延试验 A类[S] .

[7] 王卫东.电缆工艺技术原理及应用[M].北京：机械工业出版社,

2011.

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