機場航管樓用中壓耐火電力電纜結構設計及制造工藝特點

張才福，衛建良，趙 云，管永生

(湖北龍騰紅旗電纜(集團)有限公司，湖北 宜昌443004)

0 引言

耐火電線電纜，包括阻燃、無鹵、低煙等產品，在我國從研究、開發到生產、使用已經有二十多年了，被廣泛應用在高層建筑、地鐵、發電廠、核電站、隧道等重要場所。雖然目前耐火電纜的電壓等級都在1 kV及以下，但使用領域在不斷擴展。機場航管樓使用的中壓電力電纜也要求具備耐火性能，為此，我公司研制出額定電壓8.7/10 kV交聯聚乙烯(XLPE)絕緣耐火電力電纜。

1 耐火電纜的結構設計

1.1 耐火電纜的定義及試驗方法

耐火電纜是指在規定的火源和時間下燃燒時能持續地在指定狀態下運行的電纜。

耐火電纜的試驗方法按照國家標準GB/T 19216—2003(等效IEC 60331—1999)進行:(1)用噴燈加熱;(2)試驗溫度為750～800℃，在試樣上施加額定電壓(導體之間的試驗電壓應等于導體之間的額定電壓，導體對地之間的試驗電壓應等于導體對地的額定電壓;如果是單芯電纜，電壓應施加在導體和金屬護層之間)持續90 min，電纜不擊穿，2A熔斷器不熔斷。

1.2 中壓電纜耐火結構設計及材料選用

(1)電纜的結構。0.6/1 kV及以下的電壓等級耐火電力電纜一般采用在導體上繞包耐火云母帶，云母帶由云母紙、無堿玻璃纖維布和硅酸鹽類粘合劑制造而成，遇火后生成不溶不熔的堅硬殼體，從而達到耐火的目的。中壓XLPE絕緣耐火電力電纜的結構是由其在額定電壓下運行的電氣參數所決定的，絕緣線芯由導體、導體屏蔽、絕緣和絕緣屏蔽等組成。中壓耐火電力電纜，不能采用在導體上繞包耐火云母帶的傳統方法制造，否則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，另外也達不到耐火效果。

經過資料查閱，反復論證、試驗，決定電纜護層采用將阻燃、隔氧、擋火以及材料在燃燒時吸收大量熱量等相結合的原理，以達到電纜耐火性能要求。耐火結構包括阻燃降溫材料填充、阻燃降溫層內護套、隔熱繞包層、擋火層和阻燃層，電纜由外至內形成了阻燃層、擋火層、隔熱層和阻燃降溫層。

由于加上了多層阻隔，使空氣中的氧氣不能滲入電纜絕緣層，從而保證絕緣線芯的絕緣層不軟化，確保火災時電纜能在規定的90 min內正常工作。通過阻燃層、擋火層、隔熱層、降溫層的協同作用，最終實現耐火的目的。

(2)阻燃降溫層材料。降溫絕熱層以丁基橡膠為基體捏合了大量氫氧化鎂或氫氧化鋁加硼酸鋅，其阻燃降溫原理:一是氫氧化物燃燒時吸收周圍空氣中的大量熱量，因該反應為吸熱反應;二是生成的水分子，蒸發過程中也需要吸收大量熱量，這就降低了燃燒現場的溫度;三是生成了不溶不熔的金屬氧化物殼體，阻止了氧氣與有機物的接觸。硼酸鋅在較高溫度下融化，形成玻璃體覆蓋層，封閉聚合物表面，隔絕空氣。因此，阻燃降溫層是采用吸熱與隔氧的方法進行阻燃降溫的。

(3)隔熱層的選用。隔熱層以丁腈橡膠為基體材料，采用絕熱性能優良的石棉材料及酚醛，按一定比例進行混合，所制成的酚醛/石棉丁腈帶在燒燭時形成穩定致密的碳化層。經多次配比試驗，燒燭率最低達到0.112 mm/s，保證外部的熱量不易傳導到電纜的內部，從而保護了電纜的絕緣線芯。

(4)擋火層的選用。擋火層由金屬套構成，為改善電纜的彎曲性能，采用皺紋銅護套形式，銅護套可以擋住炙熱的火焰，使電纜結構更穩定。

(5)阻燃層選用。外護套選用氧指數大于32的低煙無鹵阻燃聚烯烴，低煙無鹵聚烯烴在燃燒時，透光率高、阻燃性能好，且電纜燃燒時釋放的氣體不含鹵素，不會對人及設備造成二次傷害。

(6)其它結構及材料。為保證電纜的電氣絕緣性能和其它性能滿足要求，其它結構及材料應符合GB/T 12706.2—2008的規定。

(7)電纜結構見圖1所示，結構尺寸見表1。

圖1 耐火電力電纜結構圖

2 電纜關鍵制造工藝

2.1 工藝流程

導體絞合緊壓→三層共擠絕緣→銅帶屏蔽→成纜→擠包阻燃降溫護套→繞包隔熱帶→氬弧焊皺紋銅套→擠包低煙無鹵外護套→成品檢驗。

2.2 絕緣三層共擠

絕緣三層共擠的質量直接影響電纜的電氣性能。在生產過程中，采用重力落料及千級凈化，屏蔽層與絕緣應擠包緊密，控制絕緣偏心度，確保絕緣外徑均勻一致，這樣可減少界面效應，提高電纜的電氣性能。交聯溫度(包括擠塑溫度和交聯硫化溫度)、擠出速度是交聯質量好壞的關鍵，通過諾基亞交聯度曲線計算和實際生產的調試、總結，記錄絕緣厚度和生產速度與交聯硫化溫度的合理關系，繪制準確的交聯曲線關系圖，確定合理的交聯工藝，指導交聯生產。

表1 耐火電力電纜結構尺寸(單位:mm)

2.3 降溫層材料的擠出

降溫層材料以前在地鐵電纜使用過，其特點是填充量大，擠出過程中溫升較大，但擠出溫度又不能過高，否則擠出不能定型;溫度又不能過低，否則擠出機負荷太大，設備可能會損壞。為此我們選用150擠橡機，經多次擠出試驗，不斷摸索擠出工藝，從擠出溫度、模具及牽引速度三方面進行調整，確定了可行的擠出工藝。

2.4 隔熱帶繞包

酚醛/石棉丁腈帶和一般的繞包帶不同，抗拉強度低，易斷裂，經對酚醛/石棉丁腈帶進行配比改進，抗拉強度達到15.6 MPa，滿足使用要求，同時設備上增加了兩個繞包頭。經過不斷調整繞包張力、繞包角度，最終滿足工藝要求。纜芯上重疊繞包四層石棉布帶，重疊率控制在35%～45%。

2.5 氬弧焊皺紋銅套

我公司采用氬弧焊皺紋銅套擋火層，其結構和工藝先進，可形成全封閉擋火層，只要銅套厚度恰當，可起到優良的擋火效果，隔絕火焰向內的輻射。

氬弧焊皺紋銅套工藝是采用厚度為1.0 mm的銅帶，經縱包、焊接、在線探傷檢測、軋紋來實現的;該工藝是在氬氣和氦氣保護下，銅帶為負極，鎢極為正極，通過低電壓、大電流來完成;鎢極焊頭直徑控制在2 mm，焊接時電流控制在85A左右為佳，焊接后由保護氣體連續吹向焊點，迅速帶走熱量，使焊接部位均勻快速冷卻，電纜線芯不會受到任何不良影響，同時也避免銅套的高溫氧化。為確保焊接的密封性，將整盤電纜進行氣密性試驗。

為保證銅帶縱包成型，設置三道成型輪，焊接前喇叭模的角度按6°設計，焊接模孔徑比銅護套標稱外徑放大0.5 mm，定徑模孔徑按銅護套標稱外徑配置，軋紋刀孔徑比銅護套標稱外徑放大3.0 mm為合適。軋紋深度控制在4.2～4.3 mm，間距為21.4 mm。

2.6 低煙無鹵阻燃聚烯烴護套擠出

同聚氯乙烯、聚乙烯電纜護套料相比，低煙無鹵阻燃聚烯烴護套料中含有較高的填充料及無鹵阻燃劑，其流動性能較差，塑性低、熱敏性強、容易摩擦生熱，在機身內滯留時間長易發生分解，產生大量低分子揮發物，并析出于護套的表面，導致有焦燒顆粒，護套斷面出現氣孔。根據以上特點，定做一枚長徑比為25∶1，壓縮比為1∶28的 150擠塑機螺桿。經多次試車調整工藝，各區溫度按表2中設定為最合適。同時對原材料進行預熱，將主機轉速進行了調整，使得物料能順利擠出，護套外觀光滑、斷面無氣孔。

表2 低煙無鹵阻燃聚烯烴擠出溫度 (單位:℃)

3 電纜的試驗

3.1 電纜電氣性能試驗

電纜電氣性能試驗按照GB/T 12706—2008規定，測試結果見表3。

表3 電氣性能

3.2 電纜耐火及無鹵性能試驗

(1)耐火特性。根據目前現有電線電纜耐火等級，GA306.2—2001《中華人民共和國公共安全行業標準阻燃及耐火電纜:塑料絕緣阻燃及耐火電纜分級和要求第2部分:耐火電纜》標準中受火溫度為950～1 000℃及750～800℃。為了檢驗電纜具備的耐火水平等級，按GB/T 19216.11—2003的規定進行試驗，電纜耐火性能測試結果見表4。

(2)低煙無鹵特性。按GB/T 19666—2005規定，低煙無鹵性能測試結果見表5。

表4 電纜耐火性能檢測結果

表5 電纜低煙無鹵性能檢測結果 、

4 結束語

我公司開發的機場航管樓用中壓耐火電纜，經相關檢驗機構測試，各項性能指標符合設計要求，完全滿足在防火安全要求條件下的電力輸送。產品可以擴展到石油、化工、發電、電力、高層建筑和重要的公共場所使用，具有廣闊的市場前景。

經過探索和創新，我們在中壓交聯耐火電纜設計和試制過程中積累了一些經驗，產品已獲實用新型專利。

［1］徐應麟.耐火電纜的現狀及問題［J］.電線電纜，1998(4):2-11.

［2］劉 群，劉艷芬，李德玲，等.耐火電力電纜結構設計及生產工藝的探討［J］.電線電纜，2001(5):24-25.