交聯聚烯烴絕緣A類阻燃電纜結構設計

2012-09-28 11:02:46柯宗海

電線電纜 2012年2期

柯宗海

(福建南平太陽電纜股份有限公司，福建南平353000)

0 引言

隨著人類文明的不斷進步，誘發火災的因素大量增多，火災發生的頻率正在加大，嚴重威脅著人們的生命和財產安全，火災已成為現代社會的“恐怖殺手”。

據2009年全國火災原因的統計，28%為電氣線路的電器設備故障引起，占比最高。電氣線路的阻燃性越來越受到政府、設計部門和廣大用戶的重視。對電線電纜的阻燃性提出了更高要求，很多重要場所要求電纜的阻燃等級達到A類。

交聯聚烯烴材料由于其優異的電氣性能、機械物理性能且屬于無鹵材料，正逐步取代聚氯乙烯廣泛地用于各類電纜中。但是，交聯聚烯烴大多屬于易燃材料，要生產A類阻燃電纜難度較大，需要根據不同類型的電纜從產品結構、材料選用等方面綜合考慮才能使電纜達到A類阻燃要求。

1 阻燃試驗標準

我國電纜A類阻燃試驗采用GB/T 18380.33—2008(等同采用IEC 60332-3-22:2000)，要求電纜安裝在試驗鋼梯上，試樣含非金屬材料的總體積為7 L/m，供火時間為40 min。至少有一根導體截面超過35 mm2的電纜間隔安裝在標準鋼梯(試樣最大寬度300 mm)或寬型鋼梯上(試樣最大寬度600 mm)。導體截面均不超過35 mm2的電纜接觸安裝在標準鋼梯上，可以多層排列。合格判斷標準為:無論是在鋼梯的前面還是后面，測得的試樣最大碳化高度從噴火位置起不超過2.5 m。

2 影響電纜阻燃性能的因素

2.1 電纜結構

不同電纜產品有不同的結構，電纜的結構包括:導體、導體包帶、絕緣層、屏蔽層、填充、纜芯包帶、內護層、鎧裝層、外護套。通常電纜的品種決定了電纜的主要結構，不同的電纜結構阻燃性能不同。在其他結構和材料相同的情況下鎧裝電纜阻燃性比非鎧裝好;屏蔽電纜的阻燃性比非屏蔽好;分屏蔽加總屏蔽的阻燃性能比單層屏蔽好等等。相同的電纜品種有些結構是可以選擇的，如導體采用圓形還是異形;絕緣采用單層擠出還是雙層擠出;非鎧裝電纜是否增加內護層;纜芯采用填充繩、填充條填充還是擠壓填充;導體包帶和纜芯包帶采用單層還是多層等。圖1為阻燃電纜結構圖。

電纜中非金屬體積占比較大的結構為絕緣層、填充層、內護層和外護層。絕緣層和外護層材料不僅要考慮阻燃性能，更重要的是要滿足有關標準中電氣性能和物理機械性能要求。因此，應主要從填充層和內護層來提高電纜的阻燃性能。

圖1 阻燃電纜結構圖

2.2 非金屬材料綜合氧指數

氧指數(OI)是指在規定的條件下，材料在氧氮混合氣流中進行有焰燃燒所需的最低氧濃度，以氧所占的體積百分數的數值來表示。氧指數高表示材料不易燃燒，一般認為氧指數＜22屬于易燃材料，氧指數在22～27之間屬可燃材料，氧指數＞27屬難燃材料。電纜中通常還有多種非金屬材料，其氧指數的大小、單位長度所占的比例及在電纜中的位置都對電纜的阻燃性能有影響，可以用綜合氧指數來衡量。

2.3 外護層阻燃材料的附著性

低煙無鹵阻燃材料為了提高氧指數通常加入大量的氫氧化鋁或氫氧化鎂等無機填料，這些填料受熱分解，結合力大大降低，燃燒時很容易掉落，測出的氧指數存在“虛高”。與阻燃聚氯乙烯相比，相同的氧指數，在電纜上的阻燃性能相差較大。GB/T 18380.33—2008規定35 mm2及以上電纜成束燃燒要間隙排列，在燃燒過程中低煙無鹵阻燃外護套很容易掉落，因此，存在著相同結構相同材料生產的低煙無鹵阻燃電纜35 mm2以下A類燃燒合格，而35 mm2及以上不合格的情況。

2.1 不同惡性腫瘤疾病組血漿Hsp90α表達水平比較各惡性腫瘤疾病組血漿Hsp90α表達水平均明顯高于健康對照組，差異有統計學意義(P<0.05)，見圖1。

2.4 發熱值及熱效率

垂直安裝的成束電纜在燃燒開始的幾分鐘，爐體溫度提高主要是靠供火燃料燃燒產生的熱量。電纜燃燒后，非金屬材料燃燒產生大量燃燒熱，使爐體內部溫度上升。熱量有一部分被電纜吸收，一部分通過輻射、煙、粉塵排走。非金屬材料的發熱值及燃燒的熱效率使爐體內溫度升高。隨著電纜往上燃燒，爐體溫度的上升主要靠電纜本身的延燃產生的熱量，當電纜吸收的熱量大于電纜中易燃材料的燃點時，電纜就會繼續延燃。

噴燈停止供火后，爐體測溫點溫度如果繼續上升，或下降幾分鐘后又上升，說明電纜在繼續燃燒，通常試驗結果不合格。如果噴燈停止供火后爐體測溫點溫度開始下降，或爐體最高溫度在150℃以下，通常燃燒結果為合格。爐體溫度變化趨勢見圖2，A、B樣品燃燒合格:C、D樣品燃燒不合格。

圖2 爐體溫度變化趨勢

2.5 易燃材料與難燃材料比例

絕緣材料可采用硅烷交聯聚乙烯、過氧化物交聯聚乙烯和輻照交聯聚烯烴。通常硅烷交聯和過氧化物交聯用聚乙烯都為易燃材料，輻照交聯可生產阻燃型交聯聚烯烴。阻燃型輻照交聯聚烯烴材料對提高電纜阻燃性很有幫助，但絕緣電阻較低且受設備限制，影響其廣泛使用。在低壓電纜中用量較多的是硅烷交聯聚乙烯。

電纜中易燃材料與難燃材料的比例影響電纜的阻燃性能，不同類型、不同規格的A類阻燃電纜要求的難燃材料與易燃材料的體積比有所不同。

3 材料燃燒特性指標

電纜常用的非金屬材料主要有:交聯聚乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、低煙無鹵阻燃聚烯烴、巖棉繩、玻璃纖維繩、聚丙烯繩、隔氧帶、玻璃纖維帶、無紡布、聚酯帶等。衡量材料燃燒特性的指標有:氧指數、燃點、比熱容、燃燒熱、分解溫度等。

燃點是指將物質在空氣中加熱時，開始并繼續燃燒的最低溫度。比熱容是指1 g物質溫度升高1℃時，所吸引的熱量。燃燒熱是指在101 kPa時，1 mol可燃物完全燃燒生成穩定的氧化物時所放出的熱量，燃燒熱是維持物質燃燒的重要因素。分解溫度是指聚合物隨著溫度升高，分子鏈明顯降解時的溫度。

4 A類阻燃電纜結構設計

(1)導體。為了減小電纜外徑，提高電纜的圓整度，多芯低壓電力電纜的導體通常采用異形結構(扇形、瓦形、半圓形等)。異形結構與圓形結構相比，阻燃填充材料用量大大減少，通過填充來提高電纜的阻燃性受到限制。

(2)導體包帶。導體包帶在電纜中占比很少，通常不會對電纜的阻燃性能產生影響，除單芯電纜外，可以不考慮導體包帶的阻燃性。

(3)絕緣。絕緣材料有交聯聚乙烯(硅烷交聯、過氧化物交聯、輻照交聯)和阻燃交聯聚烯烴(輻照交聯)。低壓電力電纜用量最大的是硅烷交聯聚乙烯，中壓交聯電纜采用過氧化物交聯聚乙烯，這兩種都屬于易燃材料。輻照交聯阻燃聚烯烴料氧指數可以做到40以上，但20℃絕緣電阻常數很難達到1013Ω·m，用在電力電纜上通常要采用雙層擠出，內層用非阻燃交聯聚乙烯，這樣可兼顧絕緣的電氣性能和阻燃性能。如果絕緣有阻燃，電纜通過A類燃燒比較容易。若絕緣為非阻燃的硅烷交聯聚乙烯或過氧化物交聯聚乙烯，要達到A類阻燃需增加高氧指數的低煙無鹵阻燃內護套，同時導體采用圓形結構等措施。

(4)填充。常用的填充材料有玻璃纖維繩、巖棉繩、聚丙烯繩、發泡填充條、隔氧層、棉紗、麻繩、麻膠等。生產A類阻燃電纜要求使用玻璃纖維繩、巖棉繩或隔氧層填充。

(5)屏蔽。金屬屏蔽結構有分屏蔽和總屏蔽，使用的材料有銅絲、銅帶、鋁塑復合帶、銅合金絲、銅合金帶等。電纜中含金屬屏蔽會較大程度提高電纜的阻燃性，雙屏蔽計算機電纜、控制電纜阻燃性達到A類可適當簡化護套結構。

(6)鎧裝。鎧裝材料主要有鍍鋅鋼絲、鍍鋅鋼帶、非磁性金屬材料等。鎧裝層可起到隔火和導熱作用，通常有鎧裝電纜更容易通過阻燃試驗。低煙無鹵阻燃電纜鎧裝層外需加包一層隔氧帶，一方面可以提高電纜的阻燃性，另一方面可減少護套開裂的幾率。

(7)內護套。內護套常用材料有聚乙烯、聚氯乙烯、阻燃聚氯乙烯、低煙無鹵阻燃聚烯烴等。A類阻燃電纜要求采用氧指數達到45的低煙無鹵高阻燃聚烯烴。對非鎧裝電纜也要加內護套，并在內護套外重疊繞包多層隔氧帶。

(8)外護套。外護套材料的阻燃性對整根電纜的阻燃最重要，但是電纜外護套不僅要阻燃性能好，還要滿足標準要求的物理機械性能和電氣性能。