軌道交通35kV低煙無鹵A類阻燃特種電纜的研制

陳善求

(金杯電工衡陽電纜有限公司，湖南衡陽421007)

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市軌道交通發(fā)展駛?cè)肓丝燔嚨?。城市軌道交通需要大量各種用途的電線電纜，為線纜企業(yè)提供了巨大的商機(jī)。由于城市軌道交通大都采用地鐵，地鐵空間相對封閉，對消防安全提出了較高要求，同時(shí)南方陰雨潮濕，老鼠和白蟻等有害生物給電線電纜等電氣設(shè)施的安全運(yùn)行帶來較大的隱患，因此城市軌道交通用電纜除了具備普通電纜的要求以外，還必須具備環(huán)保、低煙無鹵、高阻燃、防水、防紫外線、防鼠蟻等特性。

針對城市軌道交通用電纜的上述特征，公司積極組織研發(fā)人員，對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選型和關(guān)鍵制造工序等方面進(jìn)行系統(tǒng)研發(fā)，成功研制了35 kV交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣防水、防鼠、防蟻、低煙無鹵A類阻燃電力電纜，并順利通過了權(quán)威機(jī)構(gòu)的全性能檢測，成功中標(biāo)了長沙市軌道交通二號線一期工程中交流35 kV級環(huán)網(wǎng)供電電纜，較好地滿足了客戶要求。

1 產(chǎn)品主要性能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 主要性能

根據(jù)地鐵使用的特殊環(huán)境，長沙軌道交通用交流35kV級環(huán)網(wǎng)供電電纜，除應(yīng)滿足GB/T 12706.3—2008要求以外，還對產(chǎn)品的防鼠、防蟻、防水以及低煙無鹵等方面均提出了特殊要求。具體性能指標(biāo)與GB/T 12706.3—2008的對照見表1。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖(見圖1)

1.2.2 導(dǎo)體設(shè)計(jì)

(1)導(dǎo)體最小允許截面Smin

式中:ρ為銅導(dǎo)體的電阻率(20℃時(shí))，(Ω·mm2/m);k1為導(dǎo)體絞入系數(shù)，取1.02;k2為導(dǎo)體硬化系數(shù)，取1.02;k3為電阻裕度，取 1.01;R為導(dǎo)體電阻(Ω/km)。因是單芯電纜，故無成纜系數(shù)。

表1 主要性能指標(biāo)與國標(biāo)對照表

圖1 軌道交通用35 kV級防鼠、防蟻、防水、低煙無鹵A類阻燃電力電纜

(2)導(dǎo)體輪廓面積S輪廓

式中:η為緊壓系數(shù)，取0.9。

(3)導(dǎo)體緊壓外徑D

式中:μ為導(dǎo)體延伸系數(shù)，一般取1.08;n為導(dǎo)體根數(shù)。

1.2.3 絕緣設(shè)計(jì)

(1)絕緣厚度的確定

按工頻電壓計(jì)算絕緣厚度:

(4)單線直徑d

式中:Δi為按工頻耐壓計(jì)算的絕緣厚度;Uom為最大工頻電壓，取40.5 kV;K1為工頻電壓下的老化系數(shù)，取4.0;K2為工頻電壓下的絕緣層溫度系數(shù)，取1.1;K3為工頻電壓下產(chǎn)品試驗(yàn)等不確定裕度系數(shù)，取1.1;EAC為工頻擊穿場強(qiáng)，取15 kV/mm。

按雷電沖擊電壓計(jì)算絕緣厚度:

式中:Δ'i為按沖擊耐壓計(jì)算的絕緣厚度;UBIL為最大沖擊電壓，取250 kV;K'1為沖擊電壓下的老化系數(shù)，取1.1;K'2為沖擊電壓下的絕緣層溫度系數(shù)，取1.1;K'3為沖擊電壓下產(chǎn)品試驗(yàn)等不確定裕度系數(shù)，取1.25;Elimp為沖擊擊穿強(qiáng)度，取40 kV/mm。

綜合式(5)和式(6)，絕緣厚度應(yīng)取兩者最大值，即9.45 mm。由于此次長沙地鐵要求的沖擊電壓試驗(yàn)為250 kV正負(fù)極性各10次，沖擊電壓已經(jīng)超過了 GB/T 12706.3—2008規(guī)定的沖擊電壓200 kV，因此綜合考慮，我們?nèi)鴺?biāo)的標(biāo)稱厚度10.5 mm。

(2)絕緣的壽命驗(yàn)算

假設(shè)電纜使用壽命為40年，取V-t曲線的壽命指數(shù)n為9，則40年老化系數(shù)K1為4。35 kV級XLPE材料擊穿場強(qiáng)E0為30 kV/mm，電纜絕緣40年老化后能耐受的工頻擊穿場強(qiáng)為:

式中的K2、K3值為1.2.3節(jié)(1)中規(guī)定的值。經(jīng)計(jì)算，35 kV 95 mm2電力電纜導(dǎo)體屏蔽的最大場強(qiáng)為4.8 kV/mm，小于電纜絕緣40年老化后能耐受的工頻擊穿場強(qiáng)E40，故電纜的使用壽命可達(dá)40年。

1.2.4 金屬屏蔽設(shè)計(jì)

采用銅絲和銅帶組合式金屬屏蔽結(jié)構(gòu)，金屬屏蔽截面的大小基于以下兩點(diǎn):

(1)金屬屏蔽截面應(yīng)滿足短路電流容量的要求;

(2)根據(jù)IEC 60949標(biāo)準(zhǔn)推薦的短路電流計(jì)算方法

式中:θi和θf分別為金屬屏蔽短路前后溫度，分別取90℃和250℃;I、S和t分別為短路電流(kA)、金屬屏蔽截面(mm2)和短路時(shí)間(s)。

如某地鐵交流35 kV電纜的系統(tǒng)要求是短路電流1000 A和短路時(shí)間3 s，代入式(8)中計(jì)算得金屬屏蔽截面是12.1 mm2?？紤]到安全裕度，一般取金屬屏蔽截面不小于16 mm2，安全裕度為1.32。

1.2.5 鋁塑綜合護(hù)層設(shè)計(jì)

采用0.3 mm的鋁塑復(fù)合帶，基帶為0.2 mm鋁帶，兩面涂塑塑料復(fù)合層，每層厚度0.05 mm，便于密封，同時(shí)鋁帶重疊搭接寬度不小于6 mm，搭接處剝離力不小于1.4 N/mm。

1.2.6 隔氧層設(shè)計(jì)

采用高阻燃低煙無鹵材料，氧指數(shù)不小于45，通過計(jì)算整個(gè)電纜綜合氧指數(shù)來調(diào)節(jié)隔氧層厚度，使之達(dá)到整個(gè)電纜綜合氧指數(shù)OI綜不小于30。

式中:Si為電纜結(jié)構(gòu)中各非金屬元件的面積(mm2);OIi為電纜結(jié)構(gòu)中各非金屬元件的氧指數(shù)。

1.2.7 低煙無鹵防鼠防蟻外護(hù)套設(shè)計(jì)

采用環(huán)保型的防鼠防蟻材料，并具有低煙無鹵阻燃性能，氧指數(shù)不小于36。護(hù)套厚度按照GB/T 12706.3—2008規(guī)定和1.2.6條計(jì)算的綜合氧指數(shù)來綜合確定。

2 過程工藝控制

2.1 產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程圖(見圖2)

圖2 產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程圖

2.2 重要工序工藝

導(dǎo)體絞合工序:采用優(yōu)質(zhì)光亮電解銅材，導(dǎo)體緊壓系數(shù)不小于0.9。導(dǎo)體外觀光滑、無毛刺。

三層共擠工序:采用進(jìn)口絕緣和屏蔽材料、三層共擠工藝，具有良好可靠的絕緣性能。絕緣偏心度控制在5%以內(nèi)，注意潔凈度、加工溫度和交聯(lián)度的控制。

金屬屏蔽:采用銅絲和銅帶組合屏蔽，滿足地鐵的短路電流要求。

鋁塑綜合護(hù)層工序:采用0.3 mm鋁塑復(fù)合帶，并保證重疊寬度6 mm以上。注意縱包平整度和剝離強(qiáng)度的控制。

隔氧層:采用較高氧指數(shù)材料，并具有一定的成殼性，可有效防止外部火焰向內(nèi)部蔓延。

防鼠防火鎧裝層:采用銅帶防鼠和高阻燃包帶防火結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高電纜整體的阻燃性能。

低煙無鹵防鼠防蟻?zhàn)o(hù)套層:采用環(huán)保型防鼠防蟻新材料，在滿足低煙無鹵阻燃性能的同時(shí)，具有較高的無鹵低煙阻燃性能，滿足地鐵阻燃A類的要求。

2.3 重要工序工藝措施

2.3.1 絕緣局部放電量控制

(1)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上，導(dǎo)體絞合采用高緊壓系數(shù)，提高導(dǎo)體表面的圓整度來均化電場;通過適當(dāng)增加內(nèi)屏蔽層厚度來進(jìn)一步改善電場分布。

(2)在電纜材料上，采用進(jìn)口絕緣和屏蔽材料。

(3)在工藝上，采用三層共擠工藝提高界面的潔凈度和減少氣隙。通過加強(qiáng)凈化處理，嚴(yán)格控制加工溫度、擠出過濾系統(tǒng)、交聯(lián)溫度及壓力控制、冷卻應(yīng)力松弛等方面提高局放水平。

2.3.2 改善鋁塑綜合護(hù)層外觀平整度

由于電纜纜芯外徑較大，鋁帶縱包成型時(shí)因變形受力不均勻容易造成鋁帶縱包后不平整，出現(xiàn)俗稱“荷葉邊”現(xiàn)象。我們通過合理選擇鋁帶寬度、設(shè)計(jì)合適的縱包成型角度、合理選配縱包定型模具以及采用熱風(fēng)搭接密封技術(shù)等工藝手段，較好地解決了這一工藝難題，實(shí)現(xiàn)了鋁帶搭接外觀平整，剝離強(qiáng)度滿足工藝要求。

2.3.3 防止低煙無鹵護(hù)套應(yīng)力開裂

由于低煙無鹵阻燃料中添加了氫氧化鋁、氫氧化鎂等高填充量無機(jī)材料，導(dǎo)致聚合物體變硬且強(qiáng)度增加，伸長率和柔軟性降低，抗撕裂性及抗開裂性下降。改進(jìn)措施:在生產(chǎn)中降低擠出速度，嚴(yán)格控制擠出溫度，防止金屬氫氧化物的降解，同時(shí)采用專用低壓縮比螺桿，擠管式模具擠出，拉伸比控制在2.0以內(nèi)，防止脫膠和減少應(yīng)力。

3 產(chǎn)品全性能檢測

通過上述產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝控制，我們成功試制了WDZA-FSY-YJY63 35kV 1×95mm2和WDZAFSY-YJY63 35kV 1×300mm2兩種規(guī)格的樣品線，并送權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測，產(chǎn)品性能完全滿足長沙地鐵軌道交通用戶規(guī)格書要求。表2為WDZA-FSY-YJY63 35kV 1×95mm2產(chǎn)品主要性能檢測結(jié)果。

表2 主要性能檢測結(jié)果

檢驗(yàn)項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo) 檢驗(yàn)結(jié)果2.4 熱延伸試驗(yàn)(200℃，15min，20 N·cm－2)—載荷下伸長率/%15 0 2.5收縮試驗(yàn)(130℃，1 h)≤175 73—冷卻后永久伸長率/% ≤—收縮率/%≤41 2.6吸水試驗(yàn)(85℃，336 h)0.04 3—重量增量/(mg·cm－2)≤1護(hù)套物理機(jī)械性能3.1原始性能老化前抗張強(qiáng)度/(N·mm－2)≥9.0 9.5老化前斷裂伸長率/% ≥125 140 3.2空氣烘箱老化試驗(yàn)(100℃，168 h)老化后抗張強(qiáng)度/(N·mm－2)≥7.0 10.1老化后斷裂伸長率/% ≥110 150老化前后抗張強(qiáng)度變化率/% ≤±30 +6老化前后斷裂伸長率變化率/% ≤±30 +7 3.3成品電纜段老化試驗(yàn)后(100℃，168 h)老化后抗張強(qiáng)度/(N·mm－2)≥7.0 9.8老化后斷裂伸長率/% ≥110 150老化前后抗張強(qiáng)度變化率/% ≤±30 +7 3.4高溫壓力試驗(yàn)(80℃)±30 +3老化前后斷裂伸長率變化率/% ≤≤50 7 3.5抗開裂試驗(yàn)(130℃)—壓痕深度/%無裂紋 無裂紋3.6低溫沖擊試驗(yàn)(－15℃)無裂紋 無裂紋3.7護(hù)套腐蝕性試驗(yàn)(無鹵)—pH值10 0.38 4≥4.3 5.2—電導(dǎo)率值/(μS·mm－1) ≤燃燒試驗(yàn)4.1電纜單根垂直燃燒試驗(yàn)—上支架下緣與碳化起點(diǎn)間距離/mm 540 510 4.2成束電纜燃燒試驗(yàn)(A類)＞50 395—燃燒向下延伸至上支架下緣距離/mm ≤≤2.5 0.53 4.3—碳化部分所達(dá)高度/m≥60 81 5成品電纜煙密度試驗(yàn)—最小透光率/%外護(hù)套刮磨試驗(yàn)施加作用力:155N 刮磨次數(shù):25—直流電壓試驗(yàn)(－20 kV，1 min)不擊穿 未擊穿6透水試驗(yàn)(在金屬屏蔽附近具有縱向阻水屏障) 整個(gè)試驗(yàn)期間，試樣兩端應(yīng)無水分滲出不擊穿 未擊穿—沖擊電壓試驗(yàn)(±20 kV/各10次)通過7白蟻試驗(yàn)(群體法)通過8—蛀蝕等級(電纜表面描述)1級(電纜表面未見白蟻蛀蝕痕跡)大鼠啃咬試驗(yàn)—防護(hù)等級(電纜表面描述)顯著(護(hù)層表面無齒痕或有輕齒痕)通過

4 結(jié)論

(1)試制的35 kV軌道交通電纜，經(jīng)過驗(yàn)算可以滿足地鐵40年使用壽命的要求。

(2)采用鋁塑綜合護(hù)層結(jié)構(gòu)完全可以滿足產(chǎn)品防水、防潮要求。

(3)采用銅帶鎧裝和防鼠防蟻外護(hù)套材料，可以雙重保護(hù)電纜免受老鼠和白蟻的侵害。

(4)采用綜合氧指數(shù)法來指導(dǎo)材料選型以及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，產(chǎn)品的阻燃性能可達(dá)到成束燃燒A類要求。

［1］GB/T 19666—2005 阻燃和耐火電纜通則［S］.

［2］GB/T 12706.3—2008 額定電壓1 kV(Um=1.2 kV)到35 kV(Um=40.5 kV)擠包絕緣電力電纜及附件第3部分額定電壓35 kV(Um=40.5kV)電纜［S］.

［3］IEC 60949—1988 考慮非絕熱效應(yīng)的短路電流計(jì)算［S］.