軌道交通35kV低煙無鹵A類阻燃特種電纜的研制

陳善求

(金杯電工衡陽電纜有限公司，湖南衡陽421007)

0 引言

隨著我國城市化進程的加快，城市軌道交通發展駛入了快車道。城市軌道交通需要大量各種用途的電線電纜，為線纜企業提供了巨大的商機。由于城市軌道交通大都采用地鐵，地鐵空間相對封閉，對消防安全提出了較高要求，同時南方陰雨潮濕，老鼠和白蟻等有害生物給電線電纜等電氣設施的安全運行帶來較大的隱患，因此城市軌道交通用電纜除了具備普通電纜的要求以外，還必須具備環保、低煙無鹵、高阻燃、防水、防紫外線、防鼠蟻等特性。

針對城市軌道交通用電纜的上述特征，公司積極組織研發人員，對產品的結構設計、材料選型和關鍵制造工序等方面進行系統研發，成功研制了35 kV交聯聚乙烯(XLPE)絕緣防水、防鼠、防蟻、低煙無鹵A類阻燃電力電纜，并順利通過了權威機構的全性能檢測，成功中標了長沙市軌道交通二號線一期工程中交流35 kV級環網供電電纜，較好地滿足了客戶要求。

1 產品主要性能及結構設計

1.1 主要性能

根據地鐵使用的特殊環境，長沙軌道交通用交流35kV級環網供電電纜，除應滿足GB/T 12706.3—2008要求以外，還對產品的防鼠、防蟻、防水以及低煙無鹵等方面均提出了特殊要求。具體性能指標與GB/T 12706.3—2008的對照見表1。

1.2 結構設計

1.2.1 產品結構圖(見圖1)

1.2.2 導體設計

(1)導體最小允許截面Smin

式中:ρ為銅導體的電阻率(20℃時)，(Ω·mm2/m);k1為導體絞入系數，取1.02;k2為導體硬化系數，取1.02;k3為電阻裕度，取 1.01;R為導體電阻(Ω/km)。因是單芯電纜，故無成纜系數。

表1 主要性能指標與國標對照表

圖1 軌道交通用35 kV級防鼠、防蟻、防水、低煙無鹵A類阻燃電力電纜

(2)導體輪廓面積S輪廓

式中:η為緊壓系數，取0.9。

(3)導體緊壓外徑D

式中:μ為導體延伸系數，一般取1.08;n為導體根數。

1.2.3 絕緣設計

(1)絕緣厚度的確定

按工頻電壓計算絕緣厚度:

(4)單線直徑d

式中:Δi為按工頻耐壓計算的絕緣厚度;Uom為最大工頻電壓，取40.5 kV;K1為工頻電壓下的老化系數，取4.0;K2為工頻電壓下的絕緣層溫度系數，取1.1;K3為工頻電壓下產品試驗等不確定裕度系數，取1.1;EAC為工頻擊穿場強，取15 kV/mm。

按雷電沖擊電壓計算絕緣厚度:

式中:Δ'i為按沖擊耐壓計算的絕緣厚度;UBIL為最大沖擊電壓，取250 kV;K'1為沖擊電壓下的老化系數，取1.1;K'2為沖擊電壓下的絕緣層溫度系數，取1.1;K'3為沖擊電壓下產品試驗等不確定裕度系數，取1.25;Elimp為沖擊擊穿強度，取40 kV/mm。

綜合式(5)和式(6)，絕緣厚度應取兩者最大值，即9.45 mm。由于此次長沙地鐵要求的沖擊電壓試驗為250 kV正負極性各10次，沖擊電壓已經超過了 GB/T 12706.3—2008規定的沖擊電壓200 kV，因此綜合考慮，我們取國標的標稱厚度10.5 mm。

(2)絕緣的壽命驗算

假設電纜使用壽命為40年，取V-t曲線的壽命指數n為9，則40年老化系數K1為4。35 kV級XLPE材料擊穿場強E0為30 kV/mm，電纜絕緣40年老化后能耐受的工頻擊穿場強為:

式中的K2、K3值為1.2.3節(1)中規定的值。經計算，35 kV 95 mm2電力電纜導體屏蔽的最大場強為4.8 kV/mm，小于電纜絕緣40年老化后能耐受的工頻擊穿場強E40，故電纜的使用壽命可達40年。

1.2.4 金屬屏蔽設計

采用銅絲和銅帶組合式金屬屏蔽結構，金屬屏蔽截面的大小基于以下兩點:

(1)金屬屏蔽截面應滿足短路電流容量的要求;

(2)根據IEC 60949標準推薦的短路電流計算方法

式中:θi和θf分別為金屬屏蔽短路前后溫度，分別取90℃和250℃;I、S和t分別為短路電流(kA)、金屬屏蔽截面(mm2)和短路時間(s)。

如某地鐵交流35 kV電纜的系統要求是短路電流1000 A和短路時間3 s，代入式(8)中計算得金屬屏蔽截面是12.1 mm2。考慮到安全裕度，一般取金屬屏蔽截面不小于16 mm2，安全裕度為1.32。

1.2.5 鋁塑綜合護層設計

采用0.3 mm的鋁塑復合帶，基帶為0.2 mm鋁帶，兩面涂塑塑料復合層，每層厚度0.05 mm，便于密封，同時鋁帶重疊搭接寬度不小于6 mm，搭接處剝離力不小于1.4 N/mm。

1.2.6 隔氧層設計

采用高阻燃低煙無鹵材料，氧指數不小于45，通過計算整個電纜綜合氧指數來調節隔氧層厚度，使之達到整個電纜綜合氧指數OI綜不小于30。

式中:Si為電纜結構中各非金屬元件的面積(mm2);OIi為電纜結構中各非金屬元件的氧指數。

1.2.7 低煙無鹵防鼠防蟻外護套設計

采用環保型的防鼠防蟻材料，并具有低煙無鹵阻燃性能，氧指數不小于36。護套厚度按照GB/T 12706.3—2008規定和1.2.6條計算的綜合氧指數來綜合確定。

2 過程工藝控制

2.1 產品生產工藝流程圖(見圖2)

圖2 產品生產工藝流程圖

2.2 重要工序工藝

導體絞合工序:采用優質光亮電解銅材，導體緊壓系數不小于0.9。導體外觀光滑、無毛刺。

三層共擠工序:采用進口絕緣和屏蔽材料、三層共擠工藝，具有良好可靠的絕緣性能。絕緣偏心度控制在5%以內，注意潔凈度、加工溫度和交聯度的控制。

金屬屏蔽:采用銅絲和銅帶組合屏蔽，滿足地鐵的短路電流要求。

鋁塑綜合護層工序:采用0.3 mm鋁塑復合帶，并保證重疊寬度6 mm以上。注意縱包平整度和剝離強度的控制。

隔氧層:采用較高氧指數材料，并具有一定的成殼性，可有效防止外部火焰向內部蔓延。

防鼠防火鎧裝層:采用銅帶防鼠和高阻燃包帶防火結構，進一步提高電纜整體的阻燃性能。

低煙無鹵防鼠防蟻護套層:采用環保型防鼠防蟻新材料，在滿足低煙無鹵阻燃性能的同時，具有較高的無鹵低煙阻燃性能，滿足地鐵阻燃A類的要求。

2.3 重要工序工藝措施

2.3.1 絕緣局部放電量控制

(1)在產品結構上，導體絞合采用高緊壓系數，提高導體表面的圓整度來均化電場;通過適當增加內屏蔽層厚度來進一步改善電場分布。

(2)在電纜材料上，采用進口絕緣和屏蔽材料。

(3)在工藝上，采用三層共擠工藝提高界面的潔凈度和減少氣隙。通過加強凈化處理，嚴格控制加工溫度、擠出過濾系統、交聯溫度及壓力控制、冷卻應力松弛等方面提高局放水平。

2.3.2 改善鋁塑綜合護層外觀平整度

由于電纜纜芯外徑較大，鋁帶縱包成型時因變形受力不均勻容易造成鋁帶縱包后不平整，出現俗稱“荷葉邊”現象。我們通過合理選擇鋁帶寬度、設計合適的縱包成型角度、合理選配縱包定型模具以及采用熱風搭接密封技術等工藝手段，較好地解決了這一工藝難題，實現了鋁帶搭接外觀平整，剝離強度滿足工藝要求。

2.3.3 防止低煙無鹵護套應力開裂

由于低煙無鹵阻燃料中添加了氫氧化鋁、氫氧化鎂等高填充量無機材料，導致聚合物體變硬且強度增加，伸長率和柔軟性降低，抗撕裂性及抗開裂性下降。改進措施:在生產中降低擠出速度，嚴格控制擠出溫度，防止金屬氫氧化物的降解，同時采用專用低壓縮比螺桿，擠管式模具擠出，拉伸比控制在2.0以內，防止脫膠和減少應力。

3 產品全性能檢測

通過上述產品設計和工藝控制，我們成功試制了WDZA-FSY-YJY63 35kV 1×95mm2和WDZAFSY-YJY63 35kV 1×300mm2兩種規格的樣品線，并送權威機構檢測，產品性能完全滿足長沙地鐵軌道交通用戶規格書要求。表2為WDZA-FSY-YJY63 35kV 1×95mm2產品主要性能檢測結果。

表2 主要性能檢測結果

檢驗項目技術指標 檢驗結果2.4 熱延伸試驗(200℃，15min，20 N·cm－2)—載荷下伸長率/%15 0 2.5收縮試驗(130℃，1 h)≤175 73—冷卻后永久伸長率/% ≤—收縮率/%≤41 2.6吸水試驗(85℃，336 h)0.04 3—重量增量/(mg·cm－2)≤1護套物理機械性能3.1原始性能老化前抗張強度/(N·mm－2)≥9.0 9.5老化前斷裂伸長率/% ≥125 140 3.2空氣烘箱老化試驗(100℃，168 h)老化后抗張強度/(N·mm－2)≥7.0 10.1老化后斷裂伸長率/% ≥110 150老化前后抗張強度變化率/% ≤±30 +6老化前后斷裂伸長率變化率/% ≤±30 +7 3.3成品電纜段老化試驗后(100℃，168 h)老化后抗張強度/(N·mm－2)≥7.0 9.8老化后斷裂伸長率/% ≥110 150老化前后抗張強度變化率/% ≤±30 +7 3.4高溫壓力試驗(80℃)±30 +3老化前后斷裂伸長率變化率/% ≤≤50 7 3.5抗開裂試驗(130℃)—壓痕深度/%無裂紋 無裂紋3.6低溫沖擊試驗(－15℃)無裂紋 無裂紋3.7護套腐蝕性試驗(無鹵)—pH值10 0.38 4≥4.3 5.2—電導率值/(μS·mm－1) ≤燃燒試驗4.1電纜單根垂直燃燒試驗—上支架下緣與碳化起點間距離/mm 540 510 4.2成束電纜燃燒試驗(A類)＞50 395—燃燒向下延伸至上支架下緣距離/mm ≤≤2.5 0.53 4.3—碳化部分所達高度/m≥60 81 5成品電纜煙密度試驗—最小透光率/%外護套刮磨試驗施加作用力:155N 刮磨次數:25—直流電壓試驗(－20 kV，1 min)不擊穿 未擊穿6透水試驗(在金屬屏蔽附近具有縱向阻水屏障) 整個試驗期間，試樣兩端應無水分滲出不擊穿 未擊穿—沖擊電壓試驗(±20 kV/各10次)通過7白蟻試驗(群體法)通過8—蛀蝕等級(電纜表面描述)1級(電纜表面未見白蟻蛀蝕痕跡)大鼠啃咬試驗—防護等級(電纜表面描述)顯著(護層表面無齒痕或有輕齒痕)通過

4 結論

(1)試制的35 kV軌道交通電纜，經過驗算可以滿足地鐵40年使用壽命的要求。

(2)采用鋁塑綜合護層結構完全可以滿足產品防水、防潮要求。

(3)采用銅帶鎧裝和防鼠防蟻外護套材料，可以雙重保護電纜免受老鼠和白蟻的侵害。

(4)采用綜合氧指數法來指導材料選型以及結構的優化設計，產品的阻燃性能可達到成束燃燒A類要求。

［1］GB/T 19666—2005 阻燃和耐火電纜通則［S］.

［2］GB/T 12706.3—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第3部分額定電壓35 kV(Um=40.5kV)電纜［S］.

［3］IEC 60949—1988 考慮非絕熱效應的短路電流計算［S］.