城市軌道交通車輛用薄壁絕緣電纜的應(yīng)用

孫正華

(上海南洋電材有限公司,201615,上海∥高級工程師)

1 我國城市軌道交通薄壁電纜的興起

高性能薄壁絕緣電纜引起了我國軌道交通車輛設(shè)計、制造部門的關(guān)注。本世紀(jì)初,當(dāng)時上海、廣州等地率先開始進(jìn)行了城市軌道交通項目的技術(shù)引進(jìn)、消化吸收、逐步國產(chǎn)化的一攬子計劃活動。由于地鐵車輛在空間、自重等方面有嚴(yán)格的限制,加之車輛電氣控制線路較普通鐵路車輛要多得多,尤其是門系統(tǒng),為減輕成束電線的重量和敷設(shè)所占空間這一問題,國際上普遍采用高性能薄壁絕緣車輛電纜。

國外一般采用高性能聚稀烴類絕緣材料用于薄壁絕緣電纜的絕緣層,絕緣層厚度一般只有同電壓等級標(biāo)準(zhǔn)壁厚絕緣電纜的一半左右。如通常情況下普通壁厚電纜絕緣厚度為0.6 mm,那么薄壁電纜的壁厚至多只有0.25 mm,超薄壁的壁厚最薄只有0.18 mm。薄壁電纜只適用于較低電壓等級、較小尺寸規(guī)格的電纜,如電壓級一般在AC 300 V以下,規(guī)格一般在2.5 mm2及以下。這類電纜往往成束敷設(shè),在同一空間用量較大。從本世紀(jì)開始,薄壁絕緣車輛電纜就被廣泛應(yīng)用于城市軌道交通各類車輛的電控部位。

2 薄壁絕緣電纜采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范

除上述薄壁絕緣電纜的結(jié)構(gòu)特征外,薄壁絕緣電纜的性能也與同等電壓級的標(biāo)準(zhǔn)壁厚電纜不盡相同。國際上現(xiàn)行的薄壁絕緣電纜的地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)大致有以下幾種:

1)歐洲共同體標(biāo)準(zhǔn),一般稱為歐洲標(biāo)準(zhǔn),有EN 50264—3(2008)系列標(biāo)準(zhǔn)(為較小尺寸的交聯(lián)彈性絕緣電纜),以及EN 50306第一至第三部分(具有特殊防火性能的軌道車輛薄壁電纜)。

2)法國國家鐵路車輛電線電纜標(biāo)準(zhǔn),NFF 63—808(1992)《薄壁絕緣和護(hù)套無鹵電線電纜》。

3)我國國家標(biāo)準(zhǔn),GB/T 12528—2008《交流額定電壓3 kV及以下軌道交通車輛用電纜》中的薄壁絕緣電纜部分。

我國鐵道部標(biāo)準(zhǔn)中暫無薄壁電纜部分。

3 薄壁電纜的性能特征

軌道車輛用薄壁電纜主要是指以歐洲共同體相關(guān)電纜標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)而設(shè)計、制造的軌道車輛電纜。較著名的生產(chǎn)廠商有:耐克森(NEXANS);灝訊(HUBER+SUHNER);普睿司曼(PRYSMIAN)等。其依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)則是歐盟區(qū)域性標(biāo)準(zhǔn),如EN50264及EN50306等,而法國標(biāo)準(zhǔn)一般較少采用。其性能特征主要可以概括為絕緣材料的機械強度和較小尺寸電纜的阻燃性。

首先需要關(guān)注的是薄壁電纜絕緣材料的機械強度。就普通壁厚電纜而言,其絕緣層抗張強度在7～9 MPa左右,斷裂伸長率一般為125%;而薄壁絕緣電纜的抗張強度須達(dá)到30 MPa,斷裂伸長率降低到100%。之所以有如此不同,主要是因為以聚合物為基料的絕緣材料的單位機械強度會隨材料厚度的減小而不同程度地呈非線性降低。為保證只有較薄絕緣層的小尺寸電纜有足夠的機械強度,而不得不大幅提高材料的單位機械強度。

此外,較小尺寸電纜的阻燃性也是對材料綜合性能的挑戰(zhàn)和考驗。不同于絕緣的機械強度,普通壁厚電纜和薄壁絕緣電纜要求的阻燃性是一致的。通常來說,較小尺寸電纜通過燃燒試驗的難度要大于較大規(guī)格電纜,尤其是當(dāng)有成束電纜燃燒試驗要求時,差異十分明顯。

綜上所述,車輛薄壁絕緣電纜的技術(shù)難點,主要集中在材料的特性上;其次是電纜加工的結(jié)構(gòu)精度,比如電纜的圓整性和同心度等。由于電纜的絕緣層較薄,稍有偏差,就有可能造成絕緣厚度的不合格。

4 城市軌道交通車輛薄壁絕緣電纜的研發(fā)

薄壁絕緣電纜開發(fā)、應(yīng)用的歷史不長,近年來有較快發(fā)展是得益于新型絕緣材料的研發(fā)成功。歐洲主要軌道車輛電纜制造商在這方面投入了較大精力。有些制造商獨立研制薄壁絕緣材料,兼顧了機械性、絕緣性和無鹵阻燃性,故在這一領(lǐng)域保持著領(lǐng)先地位。與此同時,采用各種聚稀烴混合物作為薄壁絕緣材料也正在不斷進(jìn)行著有益嘗試。由于薄壁絕緣電纜對機械強度和無鹵阻燃性有著非?？量痰囊?國產(chǎn)化的電纜甚至選用高端的工程塑料作為薄壁絕緣層。此類材料的長期耐熱溫度高,且機械強度和阻燃性都十分優(yōu)秀,比較適合于薄壁絕緣;而問題在于加工工藝較難控制,材料價格昂貴,給推廣應(yīng)用帶來困難。

5 合理選用薄壁絕緣電纜

對于城市軌道交通車輛的設(shè)計者來說,合理選用所需電纜是很重要的。根據(jù)上述的薄壁絕緣電纜最大的優(yōu)越性,即同等截面電纜的體積小、質(zhì)量輕,似乎很有大規(guī)模推廣應(yīng)用的必要。然而,由于薄壁絕緣電纜技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的某些性能指標(biāo)要求偏高(如電纜絕緣層的抗張強度是普通電纜的3倍,且有無鹵阻燃的要求),使得材料的選用范圍大大縮小,從而導(dǎo)致成品電纜的價格極其昂貴。除非未來某種較廉價的材料在高機械強度、高阻燃性方面有所突破,那么有選擇地采用這類電纜是符合設(shè)計經(jīng)濟性的。其實,為解決敷設(shè)空間的問題,還可以采取提高電纜長期使用溫度的方法來實現(xiàn)。如選用高一擋耐溫等級的電纜,就可以相應(yīng)減小導(dǎo)體的截面積,達(dá)到減小電纜直徑的目的。上述不同的選用方法需要設(shè)計人員根據(jù)具體敷設(shè)條件加以計算和分析對比,以制定出最經(jīng)濟的選用方案。

6 結(jié)語

軌道車輛薄壁絕緣電纜作為近年來軌道車輛電纜的一個新開發(fā)的電纜品種而受到車輛設(shè)計人員的關(guān)注。軌道車輛薄壁絕緣電纜的問世至少可以表明,薄壁絕緣技術(shù)已經(jīng)被成功應(yīng)用于城市軌道交通車輛電線的敷設(shè)、運行領(lǐng)域,為各種電氣線路的敷設(shè)節(jié)省了空間,減輕了車輛的自重。然而,較昂貴的應(yīng)用成本是制約薄壁絕緣電纜推廣應(yīng)用的重要因素。在這種情況下,廣大的車輛電氣設(shè)計者可以把它看作是一種可接受的選擇,在必要的場合下可加以采用。這樣既符合設(shè)計的先進(jìn)性,又可以避免產(chǎn)品成本的不必要增加。

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