城市軌道交通用電纜外護套開裂原因淺析

李漢卿

0 引言

近年來，隨著國內(nèi)經(jīng)濟的不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)化建設(shè)的加速，作為解決城市出行便利的一種基礎(chǔ)性公益設(shè)施，城市軌道交通因其快捷、安全、舒適、便利、節(jié)能環(huán)保的特點，在許多城市得到了大規(guī)模建設(shè)，其中電力電纜也隨之得到了大量應(yīng)用。但是隨著應(yīng)用數(shù)量的擴大，出現(xiàn)了與之有關(guān)的一系列問題，如電纜和電纜附件安裝制作問題，電纜附件擊穿問題，電纜絕緣和外護套回縮問題等，尤其是敷設(shè)于高架橋或地面區(qū)段上的電纜外護套開裂問題比較突出，給城市軌道交通的運營帶來了很大的壓力，嚴(yán)重者可能會出現(xiàn)事故導(dǎo)致地鐵停運，造成一定的社會負面影響。

1 城市軌道交通用電纜的性能要求

作為城市的一個重要性基礎(chǔ)交通設(shè)施，軌道交通通常是居民出行的首選交通工具。由于軌道交通涉及到公共安全，國內(nèi)許多城市的地鐵對電纜的選型比較嚴(yán)格，要求電纜必須環(huán)保，具有低煙無鹵A類阻燃的性能，GB/T 19666-2005 中有如下規(guī)定。

（1）低煙的指標(biāo)要求：電纜燃燒時的低煙性能應(yīng)能滿足在GB/T17651 規(guī)定的試驗條件下，燃燒時產(chǎn)生的煙濃度其最小透光率不小于60%。

（2）無鹵的指標(biāo)要求：電纜燃燒時逸出氣體的pH 值和導(dǎo)電率測試按GB/T17650 的規(guī)定，pH值不小于4.3，導(dǎo)電率不大于10 μs/mm。

（3）阻燃的指標(biāo)要求：電纜燃燒時的阻燃性能應(yīng)能滿足GB/T 18380 規(guī)定的A 類成束電纜垂直燃燒試驗。

2 電纜外護套開裂原因分析

2.1 護套料材質(zhì)

由于要求城市軌道交通用電纜具有低煙無鹵A 類阻燃性能，就必須采用低煙無鹵阻燃護套料，目前電纜采用的護套混合料主要有聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、聚烯烴等。

PVC 護套材料阻燃性能好，但其燃燒時會放出大量的鹵化氫氣體和濃煙，造成火災(zāi)的“二次危害”，對人體健康及環(huán)境損害較大，滿足不了低煙無鹵的要求。

聚烯烴或聚乙烯是一種易燃高分子無鹵材料，其分子結(jié)構(gòu)為線形，氧指數(shù)一般不超過20，其本身是可燃的，燃燒時會分解出水和二氧化碳。為達到規(guī)定的阻燃效果，需添加大量的阻燃劑（如Al(OH)3或Mg(OH)2）。該氧化物受熱后，會釋放一定的結(jié)晶水，吸收大量熱量，從而抑制其溫度上升。此外，分解過程中所產(chǎn)生的水氣，可以稀釋可燃性的氣體，以達到阻燃的效果。由于在聚烯烴中添加了大量的無機阻燃料，如果阻燃添加劑配比不合適，弱化了護套物理機械性能，造成其拉伸強度和斷裂伸長率下降。按GB/T 19666-2005“阻燃和耐火電線電纜通則”的規(guī)定，低煙無鹵阻燃聚烯烴護套的機械物理性能抗張強度9 N/mm2，斷裂伸長率最小為125%；而GB 12706.3-2002 中普通PE 護套的機械物理性能抗張強度為12.5 N/mm2，斷裂伸長率最小為300%；因此，低煙無鹵阻燃護套的機械物理性能與普通PE 護套相比大幅下降，材料先天不足，這是造成電纜外護套開裂的根本原因。

為保證電纜產(chǎn)品的質(zhì)量和護套性能的穩(wěn)定，電纜生產(chǎn)廠家應(yīng)具備一定的技術(shù)實力，對護套料配比進行充分試驗，對于不同配比的護套其性能與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范比照后，校正調(diào)整，驗定性能后，才能最終確定電纜添加劑的配比，從而確保護套性能的可靠和穩(wěn)定。

2.2 生產(chǎn)工藝

由于無鹵阻燃護套料中含有較多的Al(OH)3或Mg(OH)2填充劑，導(dǎo)致材料硬度較高，擠塑時產(chǎn)生的熱量較大，擠制護套比較困難。當(dāng)采用高壓縮比螺桿時，可導(dǎo)致擠出速度過快，擠出工藝控制不當(dāng)或模具選配不匹配時會導(dǎo)致線纜存在氣孔，從而影響護套的機械物理性能。

另外，護套擠出冷卻時應(yīng)逐步降溫，不要采用低溫水冷卻，這樣在一定程度上可以減小和釋放護套在擠塑過程中的內(nèi)應(yīng)力，減少發(fā)生開裂現(xiàn)象。

2.3 護套料炭黑添加比

當(dāng)電纜敷設(shè)在高架橋或路基區(qū)段時，可能會長時間暴露在強烈的陽光下，所以在敷設(shè)時要求電纜外護套應(yīng)具有防護紫外線性能，而電纜外護套的防護紫外線性能通過碳黑含量、炭黑分散度、炭黑系數(shù)等指標(biāo)來考核。如果炭黑添加比不合適，護套材料仍會由于紫外線的殺傷而造成老化開裂。

2.4 敷設(shè)方式問題

電纜安裝在高架橋或路基區(qū)段時，沒有采取遮陽措施，直接大范圍裸露在強烈的陽光照射下。

3 采取的應(yīng)對措施

在軌道交通這種安全及環(huán)保要求較高的場合，低煙無鹵阻燃的要求是非常必要的。但限于目前的材料水平，在聚烯烴中添加了大量的無機阻燃填充劑，使材料的機械性能大大降低，因此需要開發(fā)出新型的低煙無鹵阻燃材料，采取適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)控制工藝、合適的添加劑配比，以大幅度提高其機械物理性能。

目前，為防止低煙無鹵阻燃護套料的開裂，軌道交通工程中通常采用以下做法。

（1）采取遮陽罩方式或敷設(shè)在專用水泥槽中，以防止太陽光的直接照射。根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》第14.4.8 節(jié)規(guī)定，電纜在高架橋上或地面線路采用支架明敷時，宜有罩、蓋等遮陽措施。該規(guī)定是解決電纜防紫外線性能的一個重要措施。

（2）降低電纜的性能要求，采用具有低煙低鹵B 類阻燃外護套的電纜，降低其部分技術(shù)指標(biāo)，電纜燃燒時的低煙性能應(yīng)能滿足在GB/T 17651 規(guī)定的試驗條件下，產(chǎn)生的煙濃度最小透光率不小于30%。逸出氣體的pH 值和導(dǎo)電率測試按GB/T 17650 的規(guī)定，pH 值不小于2.5，導(dǎo)電率不大于30 μS/mm，低鹵電纜的性能應(yīng)滿足在GB/T 17650.1規(guī)定的試驗條件下，燃燒時產(chǎn)生的鹵酸氣體逸出量不大于100 mg/g。由于其外護套采用PVC，其分子鏈結(jié)構(gòu)上含氯原子，分子鍵強度相對較大，其物理性能相對比較穩(wěn)定，加入的阻燃添加劑相對較少，其機械物理性能比較高，護套的抗張強度可達15 N/mm2以上，斷裂伸長率可大于300%。因此建議城市軌道交通戶內(nèi)地下車站和隧道內(nèi)采用低煙無鹵阻燃電纜，戶外高架橋或路基區(qū)段采用低煙低鹵阻燃電纜。這樣，電纜即使發(fā)生燃燒，也不至于對環(huán)境或人員產(chǎn)生大的危害。

電纜在生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生各種各樣的內(nèi)應(yīng)力，因此敷設(shè)前應(yīng)消除一定的應(yīng)力。

在試驗中除進行熱老化試驗外，還應(yīng)增加光老化試驗（目前可參考采用GB 14049-93 中的人工氣候老化實驗方法），以及耐環(huán)境應(yīng)力開裂試驗，以考核電纜護套的開裂性能（依據(jù)GB/T 2952《電纜外護層》的規(guī)定）。

4 建議

雖然電纜外護套開裂現(xiàn)象在城市軌道交通中并不多見，但電纜的可靠性直接關(guān)系著地鐵環(huán)境、運營人員和旅客的安全，以及正常的運營安全，為此應(yīng)采取充分有效的措施，經(jīng)過仔細地論證、分析，找出原因，提出對策，以避免或防止電纜外護套的開裂。