無鹵阻燃電纜吸水性能測試方法的探討

曲文波， 陳佶民， 曾紀剛

(1.特種電纜技術國家重點實驗室，上海200093;2.上海電纜研究所，上海200093)

0 引言

上世紀80年代無鹵阻燃電纜首先在艦船中使用，以后又推廣至軌道交通、核電等場合，成為電纜產(chǎn)品中最為重要的品種之一。目前其主要絕緣材料是無鹵阻燃聚烯烴類材料，基本采用乙烯－醋酸乙烯共聚物類聚合物與無機物(氫氧化鎂、氫氧化鋁等)等復合的高填充體系。但這類材料的吸水性能與非阻燃的絕緣材料，如交聯(lián)聚乙烯(XLPE)和乙丙橡皮(EPR)相比有較大差距，長期使用會持續(xù)吸水，導致絕緣性能下降。因此，吸水性能不僅是電纜在長期運行中安全可靠的一個重要特性，也是無鹵阻燃電纜產(chǎn)品標準中的重要考核技術指標之一。

根據(jù)測試原理的不同，電纜吸水性能的測試方法分為重量法、擊穿法、電氣參量法、機械物理法等4種。本文將分別討論這4種測試方法的測試原理及其技術要求。

1 重量法

重量法是依據(jù)電纜絕緣或護套在吸水后單位表面積的質(zhì)量增量來判定材料的吸水特性的。該方法是無鹵阻燃電纜產(chǎn)品標準中測試電纜吸水性能最基礎的方法，主要針對電力電纜和機車車輛用電纜等產(chǎn)品。

無鹵阻燃電纜中常用材料的技術指標及典型測試值見表1。從表1可知，基本無填充的XLPE吸水量數(shù)值小于有一定無機填充的EPR，且這兩類材料吸水量數(shù)值遠遠低于低煙無鹵聚烯烴類材料。

表1 重量法主要技術指標與典型測試值

需要指出的是，IEC 60502-1:2005在IEC 60502系列標準中首次規(guī)定了熱塑性低煙無鹵聚烯烴護套材料(ST8)的技術指標，在該標準體系中引入了額定電壓1～3kV無鹵阻燃電纜產(chǎn)品，使得該類產(chǎn)品在市場上得到了極大的推廣。但截至目前，除額定電壓1～3kV無鹵阻燃電纜產(chǎn)品外，IEC 60502系列標準草案及相關技術文件中沒有將更高電壓等級的低煙無鹵阻燃電纜產(chǎn)品列入討論范圍。

2 擊穿法

在潮濕的環(huán)境和電應力作用下，無鹵阻燃材料會持續(xù)吸水，直到完全失去絕緣特性。在這一過程中，采用無鹵阻燃材料的電氣絕緣結構，泄漏電纜會持續(xù)增大，甚至會發(fā)生擊穿。擊穿法是基于上述原理，通過檢測樣品在規(guī)定電壓下?lián)舸┣闆r或泄漏電流的變化值來反映產(chǎn)品吸水性能的測試方法。它也是機車車輛電纜產(chǎn)品采用的考核方法之一。

采用擊穿法作為測試方法的產(chǎn)品標準有EN 50264-3、EN50306-3 和 GB/T 12528—2008［4］，具體的技術指標見表2。歐洲標準EN 50264-3中試品為標準壁絕緣有護套多芯電纜，該類產(chǎn)品較易通過考核，這里就不再贅述。歐洲標準EN50306-3中試品為多芯薄壁絕緣薄壁護套電纜，主要檢測在試驗環(huán)境條件下電纜絕緣層泄漏電流的變化情況，推薦的技術指標為每24h內(nèi)泄漏電流增值不超過10%。這是由于薄壁絕緣絕緣強度較大，很難采用 EN 50264-3的試驗方法通過擊穿來考核無鹵阻燃護套的質(zhì)量，所以通過檢測泄漏電流的變化更能有效表征護套的吸水特性。與前兩個標準不同的是，GB/T 12528—2008考核的是單芯電纜，其吸水性能試驗是一個較難通過的試驗項目。在實際的制造過程中，廠家往往通過在電纜絕緣層與導體之間增加一層較薄的非阻燃隔離層來解決這個問題。但因加入了一層非阻燃材料，故在提高耐吸水性的同時，降低了產(chǎn)品整體的阻燃性能，因此制造時須嚴格控制其厚度。

表2 擊穿法主要技術要求

表3 不同標準中電氣參量法的測試結果比較

3 電氣參數(shù)法

一般電纜材料的介電常數(shù)在2.1～5.0之間，而水的介電常數(shù)為81左右，一旦材料吸水，整體產(chǎn)品的電容測試數(shù)值等電氣參數(shù)將劇烈增加。電氣參數(shù)法是基于上述原理通過檢測試品吸水前后的電氣參數(shù)(介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角正切值等)的變化來反映吸水特性的。由于電氣參數(shù)法的靈敏度較高，適用于耐受潮濕環(huán)境的能力要求較高的產(chǎn)品，因此船用電纜產(chǎn)品標準多采用該方法來檢測吸水性能。此外ICEA、UL等北美體系的電纜產(chǎn)品標準也常用此方法。

IEC 60092［5］、IEEE 1580［6］、ICEA S-73-532［7］是采用電氣參數(shù)法典型的產(chǎn)品標準。IEC 60092標準體系為國際電工委員會船用電纜系列標準，IEEE 1580—2010為美國艦船和石油平臺用電纜的技術規(guī)范，ICEA S-73-532是美國儀表控制電纜的技術規(guī)范，主要技術指標見表3。上述三個標準涵蓋了兩大類無鹵族阻燃電纜:一類是絕緣線芯不要求具備阻燃特性的無鹵阻燃電纜;另一類則是要求絕緣線芯通過相關的燃燒試驗的無鹵阻燃電纜。對于絕緣線芯不要求具備阻燃特性的產(chǎn)品，絕緣材料選用市售的XLPE或配方設計上考慮吸水性能的EPR，電纜產(chǎn)品基本可通過電氣參數(shù)法的考核。當絕緣線芯要求具備阻燃特性時，即要求絕緣線芯同時具備較高的電氣絕緣特性和良好的阻燃特性，故產(chǎn)品研制有一定的技術難度。

筆者使用自配的低煙無鹵阻燃材料進行了電氣參數(shù)法吸水性能驗證:采用兩種方案，方案A為阻燃EPR配方材料，方案B為XLPE/XLPO復合絕緣體系，分別制成電纜絕緣線芯后做電氣法吸水性能測試，測試結果見表3。從表3可知，方案A試制的絕緣線芯可滿足IEEE 1580—2010與ICEA S-73-532規(guī)定的技術要求;而方案B試制的絕緣線芯雖可通過IEC 60332規(guī)定的單根垂直燃燒試驗，但不能通過VW-1垂直燃燒試驗。

4 機械物理法

機械物理法主要是考核電纜護套在潮濕的環(huán)境或浸水的環(huán)境下機械物理性能(抗張強度和斷裂伸長率)的變化值，即要求電纜護層材料具備相當?shù)姆俏匦?，其機械物理性能不得出現(xiàn)明顯降解。這種試驗方法僅考核電纜的外護套，一般用于要求長時間浸水或潮濕環(huán)境用的電纜，如HD 22中規(guī)定的EPR絕緣氯丁橡皮護套電纜產(chǎn)品。

對于無鹵阻燃電纜來講，較早使用該方法的是HD 21.14:2003［8］規(guī)定的低壓軟電線類產(chǎn)品。HD 21.14是歐洲電工委員會于2003年發(fā)布的熱塑性無鹵絕緣和護套軟電纜的規(guī)范，其中電纜的護套為熱塑性聚烯烴(TM7)，需進行機械物理法的吸水性能試驗考核。在該文件的基礎上，IEC TC/20成立了熱塑性低煙無鹵電線工作組，并于2012年發(fā)布了項目組文件為 IEC TC 20/1368/NP［9］，該文件即將轉(zhuǎn)入CD文件階段。在該文件中無鹵阻燃電纜的絕緣材料為熱塑性聚烯烴(LSHF/D)，護套材料為熱塑性聚烯烴(LSHF/ST1)。對比 HD 21.14與 IEC TC 20/1368/NP可知，LSHF/ST1與TM7技術指標基本一致，具體見表4。我國相應的低煙無鹵熱塑性護套材料標準是 JB/T 10707—2007［10］，具體指標見表4。對比可知，HD 21.14以及IEC TC 20/1368/NP主要考慮用熱塑性阻燃聚烯烴材料替代聚氯乙烯護套料，尤為關注熱塑性無鹵阻燃聚烯烴在吸水環(huán)境下機械物理性能的變化，而我國的 JB/T 10707—2007目前還沒有考慮到該問題。對于此項技術差異，在進行JB/T 10707—2007行業(yè)標準修訂時應予以考慮。

筆者按照JB/T 10707—2007選取了四家電纜料廠生產(chǎn)的電纜護套料壓片、制樣，并按IEC 20/1368/NP規(guī)定的機械物理法對吸水性能進行試驗。試驗結果見表4，其中抗張強度變化率一家不合格，斷裂伸長率變化率三家不合格，完全符合要求的產(chǎn)品僅一家。這表明在吸水性能的技術考核上，國內(nèi)現(xiàn)在按照JB/T 10707—2007生產(chǎn)的無鹵阻燃聚烯烴料與HD 21.14以及IEC TC 20/1368/NP要求的護套層材料存在明顯技術差異。半導電橡皮混合使用，不但可用作屏蔽型橡套軟電纜的填充，而且還有效地降低了成本。下面就介紹幾種適用于屏蔽型橡套軟電纜的填充材料。

表4 機械物理法的測試結果比較

(1)半導電橡皮條。采用半導電橡皮條填充對屏蔽型橡套電纜來說是最好的方式，它既不影響電纜的絕緣性能，又可達到填充的目的，還能對線芯間屏蔽層相互作良好的導電性連接，但有些生產(chǎn)廠家提出半導電橡皮條在擠橡機上難以大長度擠出成型，經(jīng)常未進入水冷卻系統(tǒng)就斷成數(shù)條小段。這主要是因為半導電橡皮條在硫化管內(nèi)還未充分硫化，抗張強度較小，由于牽引的拉力和自身重力，導致在擠出過程中易斷，若在擠半導電橡皮條時加一根加強繩，就可解決半導電橡皮條擠出易斷問題。此外，半導電橡皮比橡皮填充料貴很多，若填充條全部采用半導電橡皮材料，則成本增加較多?？刹捎孟鹌ぬ畛淞霞影雽щ娤鹌ぃ刺畛錀l內(nèi)層采用橡皮填充材料，外層采用一定厚度的半導電橡皮，雙層共擠方式擠出。使用此填充條，既能滿足屏蔽型橡套軟電纜的性能要求，屏蔽層表面接觸仍導通，材料成本又大大降低。

(2)半導電橡皮條包覆棉、麻繩。棉、麻繩柔軟，成纜時隨形性好，填充充實，可以保持成纜圓整。屏蔽型橡套軟電纜可采用棉、麻繩擠包半導電橡皮，但弊端是棉、麻繩在硫化過程中易進水或吸潮氣，影響電纜的電氣絕緣性能。

(3)半導電橡皮條包覆聚丙烯彈性索。聚丙烯彈性索柔軟、體輕，成纜的圓整度好，填充緊實。屏蔽型橡套軟電纜可采用聚丙烯彈性索擠包半導電橡皮，但聚丙烯彈性索耐高溫性不佳，在擠包半導電橡皮時易融化、斷裂，造成加工困難，影響生產(chǎn)效率。

各生產(chǎn)廠家可以結合自身的工藝水平和生產(chǎn)狀況，來選取最適合本公司屏蔽型橡套軟電纜的填充方式和材料。

4 結束語

通過對屏蔽型橡套軟電纜填充材料的改進，不僅可以把纜芯所有屏蔽層相互作良好的導電性連接，與接地系統(tǒng)連通，起均衡電位的作用，還能使纜芯結構穩(wěn)定，保持電纜的圓整性，同時，幾種材料的混合使用，在保證電纜品質(zhì)的情況下，有效地降低了成本。