交聯(lián)聚烯烴絕緣A類阻燃電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

柯宗海

(福建南平太陽(yáng)電纜股份有限公司，福建南平353000)

0 引言

隨著人類文明的不斷進(jìn)步，誘發(fā)火災(zāi)的因素大量增多，火災(zāi)發(fā)生的頻率正在加大，嚴(yán)重威脅著人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全，火災(zāi)已成為現(xiàn)代社會(huì)的“恐怖殺手”。

據(jù)2009年全國(guó)火災(zāi)原因的統(tǒng)計(jì)，28%為電氣線路的電器設(shè)備故障引起，占比最高。電氣線路的阻燃性越來(lái)越受到政府、設(shè)計(jì)部門和廣大用戶的重視。對(duì)電線電纜的阻燃性提出了更高要求，很多重要場(chǎng)所要求電纜的阻燃等級(jí)達(dá)到A類。

交聯(lián)聚烯烴材料由于其優(yōu)異的電氣性能、機(jī)械物理性能且屬于無(wú)鹵材料，正逐步取代聚氯乙烯廣泛地用于各類電纜中。但是，交聯(lián)聚烯烴大多屬于易燃材料，要生產(chǎn)A類阻燃電纜難度較大，需要根據(jù)不同類型的電纜從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料選用等方面綜合考慮才能使電纜達(dá)到A類阻燃要求。

1 阻燃試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)電纜A類阻燃試驗(yàn)采用GB/T 18380.33—2008(等同采用IEC 60332-3-22:2000)，要求電纜安裝在試驗(yàn)鋼梯上，試樣含非金屬材料的總體積為7 L/m，供火時(shí)間為40 min。至少有一根導(dǎo)體截面超過(guò)35 mm2的電纜間隔安裝在標(biāo)準(zhǔn)鋼梯(試樣最大寬度300 mm)或?qū)捫弯撎萆?試樣最大寬度600 mm)。導(dǎo)體截面均不超過(guò)35 mm2的電纜接觸安裝在標(biāo)準(zhǔn)鋼梯上，可以多層排列。合格判斷標(biāo)準(zhǔn)為:無(wú)論是在鋼梯的前面還是后面，測(cè)得的試樣最大碳化高度從噴火位置起不超過(guò)2.5 m。

2 影響電纜阻燃性能的因素

2.1 電纜結(jié)構(gòu)

不同電纜產(chǎn)品有不同的結(jié)構(gòu)，電纜的結(jié)構(gòu)包括:導(dǎo)體、導(dǎo)體包帶、絕緣層、屏蔽層、填充、纜芯包帶、內(nèi)護(hù)層、鎧裝層、外護(hù)套。通常電纜的品種決定了電纜的主要結(jié)構(gòu)，不同的電纜結(jié)構(gòu)阻燃性能不同。在其他結(jié)構(gòu)和材料相同的情況下鎧裝電纜阻燃性比非鎧裝好;屏蔽電纜的阻燃性比非屏蔽好;分屏蔽加總屏蔽的阻燃性能比單層屏蔽好等等。相同的電纜品種有些結(jié)構(gòu)是可以選擇的，如導(dǎo)體采用圓形還是異形;絕緣采用單層擠出還是雙層擠出;非鎧裝電纜是否增加內(nèi)護(hù)層;纜芯采用填充繩、填充條填充還是擠壓填充;導(dǎo)體包帶和纜芯包帶采用單層還是多層等。圖1為阻燃電纜結(jié)構(gòu)圖。

電纜中非金屬體積占比較大的結(jié)構(gòu)為絕緣層、填充層、內(nèi)護(hù)層和外護(hù)層。絕緣層和外護(hù)層材料不僅要考慮阻燃性能，更重要的是要滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中電氣性能和物理機(jī)械性能要求。因此，應(yīng)主要從填充層和內(nèi)護(hù)層來(lái)提高電纜的阻燃性能。

圖1 阻燃電纜結(jié)構(gòu)圖

2.2 非金屬材料綜合氧指數(shù)

氧指數(shù)(OI)是指在規(guī)定的條件下，材料在氧氮混合氣流中進(jìn)行有焰燃燒所需的最低氧濃度，以氧所占的體積百分?jǐn)?shù)的數(shù)值來(lái)表示。氧指數(shù)高表示材料不易燃燒，一般認(rèn)為氧指數(shù)＜22屬于易燃材料，氧指數(shù)在22～27之間屬可燃材料，氧指數(shù)＞27屬難燃材料。電纜中通常還有多種非金屬材料，其氧指數(shù)的大小、單位長(zhǎng)度所占的比例及在電纜中的位置都對(duì)電纜的阻燃性能有影響，可以用綜合氧指數(shù)來(lái)衡量。

2.3 外護(hù)層阻燃材料的附著性

低煙無(wú)鹵阻燃材料為了提高氧指數(shù)通常加入大量的氫氧化鋁或氫氧化鎂等無(wú)機(jī)填料，這些填料受熱分解，結(jié)合力大大降低，燃燒時(shí)很容易掉落，測(cè)出的氧指數(shù)存在“虛高”。與阻燃聚氯乙烯相比，相同的氧指數(shù)，在電纜上的阻燃性能相差較大。GB/T 18380.33—2008規(guī)定35 mm2及以上電纜成束燃燒要間隙排列，在燃燒過(guò)程中低煙無(wú)鹵阻燃外護(hù)套很容易掉落，因此，存在著相同結(jié)構(gòu)相同材料生產(chǎn)的低煙無(wú)鹵阻燃電纜35 mm2以下A類燃燒合格，而35 mm2及以上不合格的情況。

2.1 不同惡性腫瘤疾病組血漿Hsp90α表達(dá)水平比較 各惡性腫瘤疾病組血漿Hsp90α表達(dá)水平均明顯高于健康對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，見(jiàn)圖1。

2.4 發(fā)熱值及熱效率

垂直安裝的成束電纜在燃燒開(kāi)始的幾分鐘，爐體溫度提高主要是靠供火燃料燃燒產(chǎn)生的熱量。電纜燃燒后，非金屬材料燃燒產(chǎn)生大量燃燒熱，使?fàn)t體內(nèi)部溫度上升。熱量有一部分被電纜吸收，一部分通過(guò)輻射、煙、粉塵排走。非金屬材料的發(fā)熱值及燃燒的熱效率使?fàn)t體內(nèi)溫度升高。隨著電纜往上燃燒，爐體溫度的上升主要靠電纜本身的延燃產(chǎn)生的熱量，當(dāng)電纜吸收的熱量大于電纜中易燃材料的燃點(diǎn)時(shí)，電纜就會(huì)繼續(xù)延燃。

噴燈停止供火后，爐體測(cè)溫點(diǎn)溫度如果繼續(xù)上升，或下降幾分鐘后又上升，說(shuō)明電纜在繼續(xù)燃燒，通常試驗(yàn)結(jié)果不合格。如果噴燈停止供火后爐體測(cè)溫點(diǎn)溫度開(kāi)始下降，或爐體最高溫度在150℃以下，通常燃燒結(jié)果為合格。爐體溫度變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2，A、B樣品燃燒合格:C、D樣品燃燒不合格。

圖2 爐體溫度變化趨勢(shì)

2.5 易燃材料與難燃材料比例

絕緣材料可采用硅烷交聯(lián)聚乙烯、過(guò)氧化物交聯(lián)聚乙烯和輻照交聯(lián)聚烯烴。通常硅烷交聯(lián)和過(guò)氧化物交聯(lián)用聚乙烯都為易燃材料，輻照交聯(lián)可生產(chǎn)阻燃型交聯(lián)聚烯烴。阻燃型輻照交聯(lián)聚烯烴材料對(duì)提高電纜阻燃性很有幫助，但絕緣電阻較低且受設(shè)備限制，影響其廣泛使用。在低壓電纜中用量較多的是硅烷交聯(lián)聚乙烯。

電纜中易燃材料與難燃材料的比例影響電纜的阻燃性能，不同類型、不同規(guī)格的A類阻燃電纜要求的難燃材料與易燃材料的體積比有所不同。

3 材料燃燒特性指標(biāo)

電纜常用的非金屬材料主要有:交聯(lián)聚乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、低煙無(wú)鹵阻燃聚烯烴、巖棉繩、玻璃纖維繩、聚丙烯繩、隔氧帶、玻璃纖維帶、無(wú)紡布、聚酯帶等。衡量材料燃燒特性的指標(biāo)有:氧指數(shù)、燃點(diǎn)、比熱容、燃燒熱、分解溫度等。

燃點(diǎn)是指將物質(zhì)在空氣中加熱時(shí)，開(kāi)始并繼續(xù)燃燒的最低溫度。比熱容是指1 g物質(zhì)溫度升高1℃時(shí)，所吸引的熱量。燃燒熱是指在101 kPa時(shí)，1 mol可燃物完全燃燒生成穩(wěn)定的氧化物時(shí)所放出的熱量，燃燒熱是維持物質(zhì)燃燒的重要因素。分解溫度是指聚合物隨著溫度升高，分子鏈明顯降解時(shí)的溫度。

4 A類阻燃電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)導(dǎo)體。為了減小電纜外徑，提高電纜的圓整度，多芯低壓電力電纜的導(dǎo)體通常采用異形結(jié)構(gòu)(扇形、瓦形、半圓形等)。異形結(jié)構(gòu)與圓形結(jié)構(gòu)相比，阻燃填充材料用量大大減少，通過(guò)填充來(lái)提高電纜的阻燃性受到限制。

(2)導(dǎo)體包帶。導(dǎo)體包帶在電纜中占比很少，通常不會(huì)對(duì)電纜的阻燃性能產(chǎn)生影響，除單芯電纜外，可以不考慮導(dǎo)體包帶的阻燃性。

(3)絕緣。絕緣材料有交聯(lián)聚乙烯(硅烷交聯(lián)、過(guò)氧化物交聯(lián)、輻照交聯(lián))和阻燃交聯(lián)聚烯烴(輻照交聯(lián))。低壓電力電纜用量最大的是硅烷交聯(lián)聚乙烯，中壓交聯(lián)電纜采用過(guò)氧化物交聯(lián)聚乙烯，這兩種都屬于易燃材料。輻照交聯(lián)阻燃聚烯烴料氧指數(shù)可以做到40以上，但20℃絕緣電阻常數(shù)很難達(dá)到1013Ω·m，用在電力電纜上通常要采用雙層擠出，內(nèi)層用非阻燃交聯(lián)聚乙烯，這樣可兼顧絕緣的電氣性能和阻燃性能。如果絕緣有阻燃，電纜通過(guò)A類燃燒比較容易。若絕緣為非阻燃的硅烷交聯(lián)聚乙烯或過(guò)氧化物交聯(lián)聚乙烯，要達(dá)到A類阻燃需增加高氧指數(shù)的低煙無(wú)鹵阻燃內(nèi)護(hù)套，同時(shí)導(dǎo)體采用圓形結(jié)構(gòu)等措施。

(4)填充。常用的填充材料有玻璃纖維繩、巖棉繩、聚丙烯繩、發(fā)泡填充條、隔氧層、棉紗、麻繩、麻膠等。生產(chǎn)A類阻燃電纜要求使用玻璃纖維繩、巖棉繩或隔氧層填充。

(5)屏蔽。金屬屏蔽結(jié)構(gòu)有分屏蔽和總屏蔽，使用的材料有銅絲、銅帶、鋁塑復(fù)合帶、銅合金絲、銅合金帶等。電纜中含金屬屏蔽會(huì)較大程度提高電纜的阻燃性，雙屏蔽計(jì)算機(jī)電纜、控制電纜阻燃性達(dá)到A類可適當(dāng)簡(jiǎn)化護(hù)套結(jié)構(gòu)。

(6)鎧裝。鎧裝材料主要有鍍鋅鋼絲、鍍鋅鋼帶、非磁性金屬材料等。鎧裝層可起到隔火和導(dǎo)熱作用，通常有鎧裝電纜更容易通過(guò)阻燃試驗(yàn)。低煙無(wú)鹵阻燃電纜鎧裝層外需加包一層隔氧帶，一方面可以提高電纜的阻燃性，另一方面可減少護(hù)套開(kāi)裂的幾率。

(7)內(nèi)護(hù)套。內(nèi)護(hù)套常用材料有聚乙烯、聚氯乙烯、阻燃聚氯乙烯、低煙無(wú)鹵阻燃聚烯烴等。A類阻燃電纜要求采用氧指數(shù)達(dá)到45的低煙無(wú)鹵高阻燃聚烯烴。對(duì)非鎧裝電纜也要加內(nèi)護(hù)套，并在內(nèi)護(hù)套外重疊繞包多層隔氧帶。

(8)外護(hù)套。外護(hù)套材料的阻燃性對(duì)整根電纜的阻燃最重要，但是電纜外護(hù)套不僅要阻燃性能好，還要滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的物理機(jī)械性能和電氣性能。

5 A類阻燃電纜材料選用

(1)阻燃低壓電力電纜

A類阻燃低壓電力電纜非金屬材料選用見(jiàn)表1。

(2)阻燃控制電纜和阻燃計(jì)算機(jī)電纜

A類阻燃控制電纜、阻燃計(jì)算機(jī)電纜非金屬材料選用見(jiàn)表2。

表1 低壓電力電纜非金屬材料選用

表2 阻燃控制電纜、阻燃計(jì)算機(jī)電纜非金屬材料選用

6 結(jié)束語(yǔ)

影響阻燃性能的因素很多，如材料、結(jié)構(gòu)、規(guī)格、試驗(yàn)條件等，電纜工藝應(yīng)根據(jù)具體情況制定。

(1)阻燃絕緣、阻燃填充繞包、阻燃護(hù)套電纜，容易通過(guò)A類成束燃燒試驗(yàn)。

(2)若絕緣為易燃的XLPE，要達(dá)到A類阻燃推薦采用圓形導(dǎo)體、阻燃填充繞包、雙阻燃護(hù)套結(jié)構(gòu)。

(3)PVC護(hù)套A類阻燃電纜，可以采用圓形或異形導(dǎo)體、阻燃填充繞包、低煙無(wú)鹵高阻燃內(nèi)護(hù)套、阻燃PVC外護(hù)套結(jié)構(gòu)。

(4)雙屏蔽計(jì)算機(jī)電纜，一層阻燃護(hù)套即可通過(guò)A類成束燃燒試驗(yàn)。無(wú)屏蔽(鎧裝)或只有一層屏蔽(鎧裝)推薦采用雙層阻燃護(hù)套。

(5)間隙排列的電纜，其低煙無(wú)鹵阻燃聚烯烴護(hù)套在燃燒過(guò)程中易脫落，會(huì)影響電纜通過(guò)A類阻燃試驗(yàn)。

(6)采用阻燃交聯(lián)聚烯烴絕緣的電纜，應(yīng)驗(yàn)證絕緣電阻常數(shù)和體積電阻率是否能達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

［1］GB/T 18380.33—2008電纜和光纜在火焰條件下的燃燒試驗(yàn)第33部分:垂直安裝的成束電線電纜火焰垂直蔓延試驗(yàn)A類［S］.