110 kV阻燃聚乙烯高壓電纜阻燃性能研究

李 影， 張宗軍， 劉召見， 王洪祥， 常 軍， 馬 龍， 胡細平

（特變電工山東魯能泰山電纜有限公司，山東 新泰271200）

0 引 言

阻燃性能是高壓電纜的一種特殊性能，尤其在電纜進行隧道敷設(shè)時，高壓電纜的阻燃性能尤為重要。由于阻燃聚乙烯護套高壓電纜的基料聚乙烯樹脂具有易燃性，導致高壓電纜的阻燃性能只能通過聚乙烯護套中添加各種不同的阻燃材料來實現(xiàn)。高壓電纜的結(jié)構(gòu)比較單一，大多由交聯(lián)線芯、阻水緩沖層、金屬護套、瀝青防腐層、外護套層、半導電層組成。因此，為確保阻燃聚乙烯護套高壓電纜的阻燃性能合格，主要從護套材料的阻燃體系、瀝青涂覆量、電纜規(guī)格、半導電層阻燃性能等幾個方面進行考慮。

目前，阻燃聚乙烯護套材料的阻燃體系主要有兩種，一種為有鹵體系（銻-鹵體系），另一種為無鹵體系（磷化物和氮化物）［1］。瀝青涂覆量主要根據(jù)瀝青層厚度來衡量。半導電層主要有非阻燃半導電層和阻燃半導電層兩種。

鑒于高壓電纜阻燃性能與護套可燃物的體積有關(guān)，通過高壓電纜護套可燃物體積計算，得出護套可燃物體積等級劃分，如表1所示。

表1 110 kV電纜護套可燃物體積等級劃分

根據(jù)護套可燃物體積等級劃分，試驗選取常用110 kV 1×400 mm2和110 kV 1×1 600 mm2電纜樣品為例，通過不同外護套的阻燃體系、瀝青涂覆量、電纜規(guī)格、非阻燃和阻燃半導電層的高壓電纜進行成束燃燒試驗，探討高壓電纜阻燃性能影響因素。

1 試驗部分

1.1 試樣的制備

110 kV 1×400 mm2和110 kV 1×1 600 mm2交聯(lián)電纜，結(jié)構(gòu)如圖1所示。1×400 mm2規(guī)格鋁護套外徑為82.0 mm，外護套厚度為4.0 mm，半導電層厚度為0.5 mm，成品外徑為91.5 mm；1×1 600 mm2規(guī)格鋁護套外徑為109.0 mm，外護套厚度為5.0 mm，半導電層厚度為0.5 mm，成品外徑120.5 mm。

圖1 電纜樣品截面圖

截取110 kV 1×400 mm2不同外護套、瀝青層厚度、半導電層樣品12根，110 kV 1×1 600 mm2不同外護套樣品2根，每根長度3.5 m，每兩根樣品為一組試驗。具體樣品見表2。

表2 樣品明細表

1.2 試驗方法

按照GB／T 18380.33—2008試驗方法［2］，完成上述4組對比試驗，并分析相應(yīng)試驗的成束燃燒試驗結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

通過對外護套阻燃體系、瀝青涂覆量、非阻燃與阻燃半導電層、電纜規(guī)格4組對比試驗，得出以下結(jié)論。

2.1 外護套阻燃體系對電纜阻燃性能影響

本試驗樣品規(guī)格110 kV 1×400 mm2，瀝青層厚度為1.35 mm，半導電層采用非阻燃半導電護套材料，相同護套厚度的外護套阻燃體系樣品1采用有鹵阻燃體系（銻-鹵），見圖2；樣品2采用無鹵阻燃體系（磷化物和氮化物），見圖3。

圖2 樣品1-有鹵阻燃體系（銻-鹵）

圖3 樣品2-無鹵阻燃體系（磷化物和氮化物）

結(jié)果表明：有鹵阻燃聚乙烯護套材料，由于使用的是銻-鹵體系，鹵化銻能長時間停留在燃燒區(qū)內(nèi)稀釋護套燃燒過程中產(chǎn)生的可燃性氣體，隔絕空氣，起到阻燃的作用；它還能捕獲燃燒性的游離的自由基，起到抑制火焰的作用，同時抑制了箱內(nèi)熱量產(chǎn)生和箱體溫度迅速升高，確保了高壓電纜的成束燃燒試驗合格。對于磷化物和氮化物的無鹵阻燃體系阻燃聚乙烯護套材料，阻燃劑是依靠高溫燃燒時表面形成膨脹性焦炭層，它具有隔熱阻氧保護層的作用，含氮化合物起著發(fā)泡劑和焦炭增強劑的作用。但是在護套材料燃燒過程中，產(chǎn)生大量的熱量，箱體和煙道溫度逐步升高（供火時間為15 min，箱體內(nèi)溫度達到123℃），護套還未來得及形成膨脹性焦炭層，瀝青已經(jīng)受熱開始變軟，達到軟化點時溫度為110℃，瀝青軟化加劇，黏稠度下降，導致外護套與金屬護套的粘附力下降，使外護套整體下滑，甚至脫落，脫落的護套會繼續(xù)燃燒，箱體內(nèi)溫度繼續(xù)升高，導致高壓電纜的成束燃燒試驗不合格。由此可見，在瀝青層厚度為1.35 mm時，有鹵阻燃體系聚乙烯護套高壓電纜阻燃性能優(yōu)于無鹵阻燃體系聚乙烯護套高壓電纜。

2.2 瀝青涂覆量對電纜阻燃性能影響

本試驗樣品規(guī)格110 kV 1×400 mm2，樣品3、樣品4的瀝青層厚度分別為1.35，0.55 mm，半導電層采用非阻燃半導電護套材料，外護套阻燃體系均采用無鹵阻燃體系（磷化物和氮化物）。樣品3、樣品4的碳化高度分別為3.5，1.8 m。

由圖4可知：在箱體內(nèi)溫度相同的情況下，瀝青層的厚度越厚，吸熱越多，傳遞給外護套的熱量也就越多，對護套起到了助燃效果，碳化高度增加，成束燃燒試驗不合格。反之，瀝青涂覆的越薄，吸收熱量越少，傳遞給外護套的熱量就越少，瀝青軟化后對護套與鋁護套的粘附力影響小，可以避免出現(xiàn)護套脫落現(xiàn)象，碳化高度降低。

圖4 箱體內(nèi)的樣品

2.3 半導電層結(jié)構(gòu)對電纜阻燃性能影響

本試驗樣品規(guī)格110 kV 1×400 mm2，瀝青層厚度1.35 mm，外護套阻燃體系采用有鹵阻燃體系（銻-鹵），樣品5半導電層采用非阻燃半導電護套材料，樣品6半導電層采用阻燃半導電護套材料（氧指數(shù)≥26），按試驗方法對樣品5、樣品6進行測定，結(jié)果見表3。

表3 半導電層結(jié)構(gòu)對高壓電纜阻燃性能的影響（單位：m）

由表3結(jié)果可知：相同的電纜規(guī)格，使用阻燃半導電層高壓電纜成束燃燒試驗的碳化高度低于使用非阻燃半導電層高壓電纜。由此可見，阻燃半導電層護套材料可降低高壓電纜成束燃燒的碳化高度。

2.4 電纜規(guī)格對電纜阻燃性能影響

本試驗樣品7和樣品8外護套阻燃體系采用有鹵阻燃體系（銻-鹵），瀝青層的厚度為1.35 mm，半導電層采用非阻燃半導電護套材料，樣品7、樣品8的試驗結(jié)果見表4。

表4 電纜規(guī)格對電纜阻燃性能影響 （單位：m）

110 kV 1×400 mm2的護套可燃物體積為1.0 L／m；110 kV 1×1 600 mm2的護套可燃物體積為2.0 L／m。護套可燃物體積大，釋放的熱量多，燃燒時箱體內(nèi)溫度升高較快，不利于成束燃燒試驗進行。由此可見，相同的生產(chǎn)工藝條件下，相對于1×400 mm2規(guī)格來說，1×1 600 mm2規(guī)格的成束燃燒試驗不易通過，碳化高度有所增加。

3 結(jié)束語

本工作通過對不同的外護套阻燃體系、瀝青涂覆量、電纜規(guī)格、非阻燃和阻燃半導電層高壓電纜進行了阻燃性能測試，得出以下結(jié)論：

（1）對于高壓電纜，目前市場上的外護套有鹵 體系（銻-鹵）成束燃燒試驗比無鹵體系（磷化物和氮化物）效果要好。但是阻燃聚乙烯材料，滿足無鹵化、抑煙、氣體無毒化和適應(yīng)環(huán)保要求，是目前國際上阻燃高分子材料的發(fā)展趨勢，這就需要材料廠家和電纜廠共同努力，做進一步的材料研究，在滿足環(huán)保要求的同時，確保高壓電纜阻燃試驗合格。

（2）高壓電纜的瀝青涂覆量對電纜的阻燃性能有一定的影響。在確保防腐性能合格的情況下，瀝青層的厚度建議控制在0.55 mm以下，避免瀝青層太厚影響高壓電纜的阻燃性能。

（3）高壓電纜阻燃半導電層可降低成束燃燒的碳化高度，提升阻燃聚乙烯護套高壓電纜的阻燃性能。

（4）對于110 kV 1×400 mm2和1×1 600 mm2的高壓電纜，1×1 600 mm2規(guī)格電纜的護套可燃物體積大，燃燒過程中，產(chǎn)生的熱量大，要比1×400 mm2規(guī)格阻燃性能差。

（5）其他電壓等級的高壓電纜阻燃性能研究需要后期繼續(xù)驗證。