6kV到15kV交聯聚乙烯絕緣耐火電力電纜的研發

張仲韜，牛方輝，吳衛峰，曹永剛

(江蘇亨通電力電纜有限公司，江蘇 吳江215234)

0 引言

隨著我國社會經濟的快速發展，地鐵、發電廠、核電站、隧道等重要工程設施和智能小區、大型超市、公共場所等人員密集場合越來越多，尤其是高層建筑，更是遍地開花。由于1 kV電力電纜的供電范圍只有500 m，對特大型高層建筑物而言，如果按照慣例采用0.6/1 kV低電壓配電，其電纜用量及敷設安裝工作量，較普通建筑物成數十倍增長。電纜敷設空間成幾倍增長，既耗材，又耗能，而且建筑物中電纜敷設過多，也會給安全使用帶來不利影響。

因此，特大型高層建筑物，開始使用6～35 kV中壓交聯聚乙烯(XLPE)絕緣電纜供電，變壓器設置在建筑物樓層的中間或頂部，中壓電纜敷設在豎井內連接變壓器，經過變壓器降壓后，向相關的設備供電。為了保證火災條件下的供電可靠性，用戶對額定電壓6～35 kV的XLPE絕緣電纜提出了耐火的要求，要求XLPE電纜在火焰條件下仍能在一段時間內持續地供電，以利于火災的救援和人員的逃離和疏散。

1 結構設計

1.1 結構分析

目前，市面上使用的低壓耐火電纜仍以傳統的兩層或多層云母帶重疊繞包在導體上的工藝為主。發生火災時，在絕緣和護層被燒蝕后，繞包在導體上的云母帶遇火后生成不溶不熔的SiO2，有良好的電絕緣性能，確保電纜繼續通電，從而在著火時保持一定時間的正常運行。

導體上繞包云母帶的耐火電纜只能滿足0.6/1 kV及以下電壓的耐火性能要求，3.6/6 kV到8.7/15 kV XLPE絕緣耐火電力電纜需采用其它結構才能滿足耐火性能要求。

GB/T 12706.2規定，3.6/6 kV到8.7/15 kV XLPE絕緣電力電纜導體外須擠包導體屏蔽層，導體屏蔽層外擠包XLPE絕緣層，再在外擠包絕緣屏蔽層加繞包金屬屏蔽。

電纜結構上的屏蔽是一種改善電場分布的措施。電纜導體由多根導線絞合而成，它與絕緣層之間易形成氣隙，導體表面不光滑，會造成電場集中。在導體表面加一層半導電材料的屏蔽層，它與被屏蔽的導體等電位并與絕緣層良好接觸，從而避免在導體與絕緣層之間發生局部放電，這一層屏蔽為導體屏蔽層;同樣在絕緣表面和金屬屏蔽接觸處也可能存在間隙，是引起局部放電的因素，故在絕緣層表面加一層半導電材料的屏蔽層，它與被屏蔽的絕緣層有良好接觸，與金屬屏蔽等電位，從而避免在絕緣層與金屬屏蔽之間發生局部放電，這一層屏蔽為絕緣屏蔽層。

假如在3.6/6 kV到8.7/15 kV XLPE絕緣耐火電力電纜導體上繞包云母帶，導體與絕緣層之間易形成氣隙，導體表面電場也會集中，造成電纜在運行時擊穿，也不會通過出廠試驗。

因此，6 kV到15 kV XLPE絕緣耐火電力電纜只能在金屬屏蔽以外采用特殊的結構、選用特定材料，達到耐火功效。

1.2 電纜結構設計

參照GB/T 12706.2—2008的標準規定設計6 kV到15 kV XLPE絕緣耐火電力電纜。

銅導體選用符合GB/T 3956—2008的第2種退火銅導體;內外屏蔽為半導電材料，應符合GB/T 12706.2—2008規定;絕緣材料為XLPE，應符合GB/T 12706.2—2008規定;金屬屏蔽應符合GB/T 12706.2—2008規定;填充材料為玻璃絲繩，包帶為玻璃絲纖維帶，具有耐高溫和高阻燃性能;纜芯上擠包耐火硅橡膠耐火層，耐火硅橡膠具有良好的電性能和一定的物理機械性能;耐火硅橡膠外擠包耐火隔熱層，耐火隔熱層材料為低煙無鹵隔氧層料，材料氧指數不小于45，具有很好的結殼性能，在高溫和火焰燒蝕下，結成堅硬的外殼，包覆在耐火硅橡膠外，隔氧層厚度應符合GB/T 12706.1—2008規定;鎧裝(若有)材料為鍍鋅鋼帶，雙層間隙繞包;外護套為低煙無鹵阻燃護套料，具有低煙無鹵阻燃性能，護套厚度應符合GB/T 12706.2—2008規定。電纜結構如圖1所示。

圖1 6 kV到15 kV XLPE絕緣耐火電力電纜結構圖

2 耐火原理

2.1 耐火硅橡膠

耐火層選用具有優異耐火性能的耐火硅橡膠，耐火硅橡膠主要材料是硅橡膠(HTV)，在常溫下無毒、無味、耐高低溫、耐臭氧老化、耐候老化、優良的電絕緣性能，具有良好的加工性能。耐火硅橡膠耐火機理如下:

正如參考文獻［1］所述，耐火硅橡膠在火焰的燒蝕下，首先由配方中的結構控制劑起作用，溢出有機物質，燃燒2～4 min后開始燒結，生成陶瓷狀殼體，這種陶瓷狀殼體的隔絕層可以非常有效地阻擋火焰的繼續燃燒。在接下來的燒蝕過程中(陶瓷狀殼體在700～900℃高溫火焰的煅燒催化下)，陶瓷狀殼體生成SiO2陶瓷，即為經得起700～1 300℃高溫火焰燒蝕;陶瓷狀殼體堅硬，具有一定的絕緣性能并且具備一定的機械性能，能夠抵御火災現場水澆和間接的機械震動。耐火硅橡膠的分解過程如下。

耐火硅橡膠就是利用其有機硅鏈組合氧化鎂家族，在火焰溫度500℃即開始發生催化燃燒結殼，“瓷化”成比熱容很小的降溫擋火固體，這個固體可以完成耐火要求。

2.2 耐火隔熱層

耐火隔熱層的材料為低煙無鹵隔氧料，其應有隔熱、降溫，受熱分解后結殼的效果，材料中應填充有大量的水合氧化物。在受熱時，水分子蒸發，可以吸收大量的熱量，降低電纜的溫度;形成的水蒸氣可以沖淡電纜周圍氧氣的濃度;燃燒的金屬氧化物產物形成硬殼，包覆在纜芯外，阻止火焰和熱量向電纜內部蔓延和傳遞。

包覆在纜芯的低煙無鹵隔氧料燃燒后產生的硬殼，可以有效地抵御火災現場水澆，在一定時間內，阻止水向絕緣層滲透，在火災情況下對保持電路完好的電性能起到一定作用;耐火硅橡膠燃燒后產生的堅硬瓷狀殼體，直接包覆在纜芯上，火災現場受到水澆后，更表現出優異的絕緣性能，在一定的時間內，可以保持一定的絕緣性能。

同樣，包覆在纜芯的低煙無鹵隔氧料燃燒后產生的硬殼，在電纜受到機械振動時，硬殼能起到保護絕緣層的作用，在一定時間內，可避免絕緣層受到機械振動而破壞;耐火硅橡膠燃燒后產生的堅硬陶瓷狀殼體，在電纜受到機械振動時，由堅硬的陶瓷狀殼體性能決定，其在一定時間內可以保持一定的絕緣性能。

3 耐火試驗

在耐火硅橡膠耐火層和低煙無鹵耐火隔熱層雙重作用下，電纜具有優異的耐火性能。按照GB/T 19216.21方法，電纜在火焰時間90 min、冷卻時間15 min后進行交流電壓試驗;按照BS 8367試驗方法，電纜進行火燒附加噴淋試驗后進行交流電壓試驗。產品通過國家電線電纜質量監督檢驗中心檢驗。

4 結束語

我公司設計開發的性能優異的6 kV到15 kV XLPE絕緣耐火電力電纜，為消防、防火又提供了一個新型的、安全的、性能更加優異的材料，是中壓耐火電纜領域的創新。它的誕生使得中壓電纜也可以具有耐火功能，具有廣闊的市場前景。

［1］彭小第，夏亞芳，劉 軍.一種新型陶瓷化高分子復合耐火硅橡膠耐火電纜的研制［J］.電線電纜，2007(4):28-29.