6～35 kV XLPE絕緣耐火電纜的研制

肖云濤， 高江濤， 劉書全， 武艷紅

（西部電纜有限公司，陜西西安710018）

6～35 kV XLPE絕緣耐火電纜的研制

肖云濤， 高江濤， 劉書全， 武艷紅

（西部電纜有限公司，陜西西安710018）

介紹了額定電壓6～35 kV XLPE絕緣耐火電纜的結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計(jì)隔熱耐火層、內(nèi)襯層、鎧裝、外護(hù)套組成復(fù)合耐火層，實(shí)現(xiàn)電纜的耐火性能。

6～35 kV交聯(lián)電纜；耐火電纜；結(jié)構(gòu)

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，地鐵、發(fā)電廠、核電站、隧道等重要工程設(shè)施和高層建筑、智能小區(qū)、大型超市、公共場(chǎng)所等人員密集場(chǎng)合越來越多，這些場(chǎng)所的用電負(fù)荷很大，對(duì)電纜的供電可靠性也提出了更高的要求。由于1 kV電纜的供電范圍只有500 m，對(duì)大型高層建筑物而言，如果按照慣例采用1 kV低壓配電，電纜用量及敷設(shè)安裝工作量則較普通建筑物成數(shù)十倍增長(zhǎng)，電纜敷設(shè)空間成幾倍增長(zhǎng)，既耗材又耗能。因此，大型建筑物開始使用6～35 kV交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣電纜供電，變壓器設(shè)置在建筑物樓層的中間或頂部，電纜敷設(shè)在豎井內(nèi)連接變壓器，經(jīng)過變壓器降壓后，向相關(guān)的設(shè)備供電。為了保證火災(zāi)條件下的供電可靠性，用戶對(duì)額定電壓6 ～35 kV XLPE電纜也提出了耐火的要求，但該電纜目前還沒有國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，我們結(jié)合用戶提出的性能要求，設(shè)計(jì)了6～35 kV耐火電纜。

1 電纜設(shè)計(jì)

1.1結(jié)構(gòu)分析

6～35 kV XLPE絕緣電纜的結(jié)構(gòu)是由其在高壓下運(yùn)行的電氣參數(shù)所決定的，絕緣線芯由導(dǎo)體、導(dǎo)體屏蔽、XLPE絕緣和絕緣屏蔽等組成（見圖1）。

圖1　6～35 kV耐火電纜結(jié)構(gòu)圖1—導(dǎo)體 2—導(dǎo)體屏蔽 3—XLPE絕緣 4—絕緣屏蔽5—金屬屏蔽 6—填充 7—包帶 8—隔熱耐火層9—內(nèi)襯層 10—鎧裝 11—外護(hù)套

交聯(lián)電纜的導(dǎo)體采用圓形絞合緊壓結(jié)構(gòu)，受制于生產(chǎn)工藝，導(dǎo)體表面不可避免地存在一些影響絕緣的缺陷，例如毛刺、銳邊等，這些缺陷會(huì)在電纜內(nèi)部形成電場(chǎng)集中或局部放電點(diǎn)，在試驗(yàn)或運(yùn)行過程中會(huì)導(dǎo)致絕緣被擊穿。而在導(dǎo)體表面擠包半導(dǎo)電屏蔽層后，導(dǎo)體與半導(dǎo)電屏蔽層形成等電位，均化電場(chǎng)，消除缺陷。因此，低壓耐火電纜在導(dǎo)體表面繞包云母帶的結(jié)構(gòu)對(duì)6～35 kV耐火電纜而言是不可行的，否則會(huì)破壞絕緣線芯的結(jié)構(gòu)，使導(dǎo)體屏蔽失去均化電場(chǎng)的作用，而且云母帶邊緣的纖維和層間間隙還可能形成局部放電點(diǎn)，增大電纜的局部放電量，成為電纜長(zhǎng)期運(yùn)行中的隱患。

由此可見，6～35 kV耐火電纜的結(jié)構(gòu)，不能采取在導(dǎo)體上繞包耐火云母帶的方式，也不能采取銅芯銅護(hù)套氧化鎂絕緣的方式，只能通過在電纜的纜芯外增設(shè)耐火層和其它保護(hù)層，通過各結(jié)構(gòu)層之間的共同作用，實(shí)現(xiàn)耐火性能。

1.2材料組成

在6～35 kV耐火電纜的結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)體、導(dǎo)體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽和金屬屏蔽的材料并無特殊之處，與普通的交聯(lián)電纜相同。填充和包帶建議采用阻燃材料。以下主要介紹隔熱耐火層、內(nèi)襯層、鎧裝層和外護(hù)套組成的復(fù)合耐火層。

（1）隔熱耐火層。采用陶瓷化硅橡膠耐火復(fù)合帶。陶瓷化硅橡膠材料是近年出現(xiàn)的一種新型材料，具有無鹵、低煙、低毒、自熄、環(huán)保等特點(diǎn)。因其被燒蝕生成的最終產(chǎn)物如同陶瓷，故形象地稱之為陶瓷化硅橡膠。

陶瓷化硅橡膠材料，是以硅橡膠為基料及載體，加入無機(jī)納米硅粉狀耐火填充劑、陶瓷化添加劑以及各種助劑復(fù)合而成，經(jīng)過捏合、混煉，制成可供模壓或擠出成型的膠料。其中，硅橡膠基體主要提供復(fù)合材料的力學(xué)性能及工藝性能，其燃燒后的灰燼作為隔熱耐火層；耐火填充劑是復(fù)合材料的主要隔熱耐火層；陶瓷化添加劑保證硅橡膠基體燃燒灰燼和耐火填料在燃燒過程中不脫落，仍然具有一定的力學(xué)強(qiáng)度，并促進(jìn)陶瓷層的形成，提高陶瓷層的力學(xué)強(qiáng)度和電氣絕緣性能；各種助劑主要包括結(jié)構(gòu)控制劑、催化劑、偶聯(lián)劑等。

陶瓷化硅橡膠是利用火災(zāi)發(fā)生時(shí)的高溫使硅橡膠燃燒后形成的殘余灰燼形成一層具有一定力學(xué)強(qiáng)度的絕緣耐火陶瓷層，利用形成的這層陶瓷層有效地保護(hù)陶瓷層內(nèi)部的絕緣線芯的電氣性能，從而保證耐火電纜在火災(zāi)中的正常工作。陶瓷化耐火硅橡膠的分解過程如下：

陶瓷化耐火復(fù)合帶是由陶瓷化硅橡膠和耐高溫玻纖布?jí)貉訌?fù)合而成，在350℃及以上火焰或無焰條件下開始變硬，最高可達(dá)3 000℃。隨著溫度升高，迅速被燒成完整的陶瓷狀堅(jiān)硬殼體，燒蝕時(shí)間越長(zhǎng)，溫度越高，殼體越堅(jiān)硬牢固。燃燒后生成的堅(jiān)硬殼體包覆在纜芯上，隔絕火焰和熱量向電纜內(nèi)部傳遞和蔓延，對(duì)絕緣線芯形成很好的保護(hù)作用，保障線路在火災(zāi)條件下的暢通。

（2）內(nèi)襯層。內(nèi)襯層為擠出型，為可選結(jié)構(gòu)元件。內(nèi)襯層材料應(yīng)有隔熱、降溫，受熱分解后結(jié)殼的效果，最好與外護(hù)套材料相同。選用填充有大量水合氧化物的無鹵阻燃材料。水合氧化物被燃燒時(shí)吸收周圍空氣中大量的熱量，降低電纜表面的溫度；釋放出的水分子蒸發(fā)，也可以吸收大量的熱量；形成的水蒸氣可以沖淡電纜周圍氧氣的濃度；燃燒生成的產(chǎn)物應(yīng)具有結(jié)殼性，降低向電纜內(nèi)部傳遞的熱量。

（3）鎧裝。鎧裝層亦為可選結(jié)構(gòu)元件。鎧裝層采用鍍鋅鋼帶，雙層間隙繞包。鎧裝層可以起到阻擋火焰向電纜內(nèi)部蔓延的作用，但不能完全地阻隔熱量向內(nèi)部傳遞，因此需要內(nèi)襯層和隔熱耐火層的協(xié)同作用來抵擋熱量，防止火焰熱量的傳遞使絕緣軟化。

（4）外護(hù)套。選用填充有水合氧化物的無鹵阻燃材料，應(yīng)有隔熱、降溫，受熱分解后結(jié)殼的效果，并有較高的氧指數(shù)。電纜若無內(nèi)襯層和鎧裝結(jié)構(gòu)，外護(hù)套材料的氧指數(shù)則應(yīng)不低于36。

通過隔熱耐火層、內(nèi)襯層、鎧裝和外護(hù)套的共同作用，使氧氣和火焰、熱量不能傳遞到絕緣層，從而實(shí)現(xiàn)電纜在火焰條件下一定時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定持續(xù)地供電的目的。

2 制造工藝及試驗(yàn)

2.1重要工序

該產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)和工藝上與普通的交聯(lián)電纜相比，增加了隔熱耐火層，其他結(jié)構(gòu)和工藝并無顯著差別，其加工生產(chǎn)過程也不復(fù)雜。

（1）導(dǎo)體工藝。應(yīng)選用光亮的電解銅桿拉制的單線。導(dǎo)體表面應(yīng)光潔、無油污、毛刺和銳邊，無凸起或斷裂的單線。填充系數(shù)不小于0.9。

（2）三層共擠。采用優(yōu)質(zhì)的XLPE絕緣材料和屏蔽材料，三層共擠工藝。生產(chǎn)中應(yīng)注意控制絕緣偏心率。

（3）隔熱耐火層繞包。選用陶瓷化硅橡膠耐火復(fù)合帶，繞包厚度5～8 mm，繞包表面應(yīng)平整，無褶皺。為了避免繞包后外徑不均勻，采用雙層間隙繞包形式，應(yīng)控制好繞包張力、角度和間隙，防止耐火帶被過度拉伸變薄起褶皺。

（4）內(nèi)襯層、外護(hù)套擠出。無鹵阻燃材料的粘

度大，流動(dòng)性差，應(yīng)選用低壓縮比的螺桿，擠出溫度和螺桿轉(zhuǎn)速應(yīng)穩(wěn)定，擠出機(jī)要有良好的溫控和冷卻系統(tǒng)。

2.2耐火試驗(yàn)

2012年，國(guó)家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心發(fā)布了TICW/08—2012《額定電壓6 kV（Um=7.2kV）到35 kV（Um=40.5 kV）擠包絕緣耐火電力電纜》技術(shù)規(guī)范，對(duì)6～35 kV耐火電纜的發(fā)展起到了積極的引導(dǎo)作用。此規(guī)范規(guī)定了6～35 kV耐火電纜的耐火試驗(yàn)，具體過程參見技術(shù)規(guī)范。

3 結(jié)束語

6～35 kV耐火電纜通過設(shè)計(jì)隔熱耐火層、內(nèi)襯層、鎧裝、外護(hù)套組成的復(fù)合耐火層實(shí)現(xiàn)了耐火性能，產(chǎn)品具有阻燃、耐火等特性，同時(shí)又有良好的電氣和機(jī)械性能，但在使用過程中也出現(xiàn)了電纜載流量降低、外徑偏大給敷設(shè)帶來不便等問題，這是今后改進(jìn)的方向，需要通過對(duì)電纜結(jié)構(gòu)和材料的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)。

［1］ GB/T 19666—2005 阻燃和耐火電纜通則［S］.

［2］ GB/T 12706—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［S］.

［3］ 龐玉春.無鹵低煙阻燃耐火控制電纜性能與設(shè)計(jì)［J］.電線電纜，2005（4）：15-17.

［4］ 深圳市沃爾核材股份有限公司.陶瓷化防火耐火復(fù)合帶產(chǎn)品樣本［Z］.

Development of XLPE Insulation Fire-Resistant cables for Rated Voltage 6～35 kV

XIAO Yun-tao，GAO Jiang-tao，LIU Shu-quan，WU Yan-hong
（Western Cable Co.，Ltd.，Xi’an 710018，China）

This paper introduced the structure of the XLPE insulated fire-resistant cable with the rated voltage from 6kV to 35kV.The fire-resistant performance can be realized by the usage of composite refractory layer which ismade up of heat insulation refractory，inner covering，armor and outer sheath.

6～35 kV XLPE insulation cables；fire-resistant cables；construction

TM247.1

A

1672-6901（2015）01-0016-03

2014-06-10

肖云濤（1983-），男，工程師.

作者地址：陜西西安經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)草灘生態(tài)產(chǎn)業(yè)園尚苑路4699號(hào)［710018］.