基于BTLY型高性能耐火電纜工藝結構相容性的研究

李楷東，周 建，李楷純，戴彥雍，楊 滔，周 優，姚洪清，鄧偉杰

（廣州南洋電纜集團有限公司，廣州 511356）

0 引言

BTLY自面世以來，與幾乎同期出現的YTTW［1-2］礦物絕緣電纜，因為能夠實現定長生產的因素，在高性能耐火電纜市場中得以迅速拓展，成功擠占了歷史較久的BTTZ［3］氧化鎂礦物絕緣電纜的市場份額，并最終形成了當下“三足鼎立”的市場格局。

BTLY高性能防火電纜，從產品結構、耐火性能要求上講，基本是結合了GB／T12706.1電力電纜標準［4］、GB／T 13033和GB／T 34926［5］礦物絕緣電纜標準、BS 6387［6］以及BS 8491［7］防火標準等性能要求。但是正是基于BTLY電纜產品工藝結構的多樣化和多維度選擇的寬泛，電纜各組件的“相容性”已經成了BTLY礦物絕緣電纜的“阿喀琉斯之踵”，成為詬病的主要弱點。

BTLY型高性能礦物絕緣電纜到目前為止，尚沒有國家標準和行業標準。近幾年來在河南、浙江、河北、廣東省形成地方標準和團體標準出臺［8-11］，這之前則都是以企業標準的形式存在。通過查閱了部分代表性地方標準、產品專利、數十家知名的企業標準，分析各地區、各企業關于BTLY電纜產品的工藝結構、材料選型以及性能指標，發現每個廠家的型號命名內涵各不相同，工藝結構形式各不相同，地方標準、團體標準、企業標準中性能指標和工藝結構百花齊放、百家爭鳴，深受地區行業和企業研發水平和工藝工裝的特點限制，千差萬別，體現著濃厚的地方特色，同時也反映出礦物質絕緣電纜的新產品、新技術創新的“內卷化”行為十分嚴重。

本文將從高溫絕緣層材料選型、高溫絕緣電阻檢驗、金屬鋁護套氣密性試驗以及有效防范防火隔熱層性能的劣化老化，探討如何基于BTLY型高性能耐火電纜工藝結構設計制造的相容性改善，來實現BTLY型電纜的高性能耐火特性合格率的提高。

1 典型結構形式

為更清晰地闡述BTLY高性能耐火電纜的“相容性”，有必要先簡要介紹BTLY最為典型的兩大基本結構類型：隔離型金屬護套結構型式和統包型金屬護套結構型式。分別簡單描述如下。

1.1 隔離型BTLY高性能耐火電纜

隔離型BTLY高性能耐火電纜的產品結構示意圖如圖1所示。

圖1 隔離型BTLY高性能耐火電纜的產品結構

（1）導體

隔離型BTLY防火電纜的導體采用緊壓或非緊壓圓形結構。基于電纜的柔軟性，截面一般適宜120 mm2以下。

（2）絕緣

絕緣材料應由云母包帶或者云母包帶和相適應的材料組成。通用類產品采用合成云母包帶、煅燒云母包帶，或者其他與之相適應的材料。

（3）分相鋁護套

所謂分相鋁護套，是指包覆于絕緣導體外層的金屬鋁護套層。一般采用擠壓拉拔或者焊接工藝生產的平滑金屬鋁管。標稱截面大于16 mm2的絕緣線芯外的保護。

（4）分色隔離層

分色隔離層主要采用交聯聚乙烯材料或者聚乙烯材料。主要作用有兩點，一是起線芯分色作用，二是在鋁金屬隔離套與礦物質防火材料之間起到防腐蝕的作用。

（5）成纜

多芯電纜的線芯應絞合成纜，成纜絞合方向為右向。

（6）防火層

防火層，主要是采用礦物質（氫氧化鎂、氫氧化鋁）和硅酸鈉膠體溶液攪拌混合物擠包而成。防火層材料具有不燃、難燃、高溫結殼、高溫熱阻等防火特性，并和金屬護套層或者非金屬防腐層相容，同時具備滿足低煙、無鹵、無毒等適應環保電纜的特性。

（7）外護套

外護套，主要是采用氧指數較高、結殼性能較好的低煙無鹵高阻燃的聚烯烴材料擠包而成，顏色一般采用橙紅色。

1.2 統包型BTLY高性能耐火電纜

統包型BTLY高性能耐火電纜的電纜組件和材料選型與隔離型高性能耐火電纜基本一致。其主要區別在用金屬鋁護套的位置有較大不同，由此帶來其他一些元件的形狀變化和生產工藝流程上的區別。

統包型BTLY高性能耐火電纜產品結構示意圖如圖2所示。

圖2 統包型BTLY高性能耐火電纜產品結構

（1）導體

與隔離型BTLY防火電纜的導體選型單純采用圓形結構相比，統包型BTLY的導體結構形狀選型幾乎沒有限制。統包型BTLY防火電纜的導體的選型完全可以涵蓋GB／T12706.1的所有截面系列，既可以采用非緊壓圓形、緊壓圓形，也可以采用異形等導體結構形式?；诩夹g經濟性考慮，35 mm2以下選擇圓形導體結構；50～95 mm2選擇非預扭的扇形絞合導體結構；120 mm2以上，可以選擇預扭的扇形絞合導體結構。

（2）絕緣

絕緣材料選型，與隔離型一樣，同樣由通用類產品采用合成云母包帶、煅燒云母包帶，或者其他與之相適應的材料組成。

（3）分色隔離層（可選項）

統包型BTLY的分色隔離層，是產品結構組件選擇用的可選項。材料選用與隔離型BTLY的分色隔離層的材料一致，主要也是采用交聯聚乙烯材料或者聚乙烯材料。

（4）成纜

多芯電纜的線芯應絞合成纜，成纜絞合方向為右向。

（5）統包鋁護套

所謂統包鋁護套，是指包覆于多芯纜芯外層的金屬層護套層，用于多芯絕緣成纜外的保護。統包鋁護套采用同心式擠壓拉拔或者焊接鋁護套，可以是軋紋或光面。軋紋時深度應不損傷絕緣，節距均勻。表面應光滑、圓整，不應有沙眼、漏氣、進水等任何不良缺陷。金屬隔離套平均厚度應滿足一定的標稱要求，最薄點不應小于標稱厚度的80%，軋紋不能影響其平均厚度和最薄點的厚度。

（6）防腐隔離層（可選項）

為防止鋁金屬隔離套與絕緣層或防火層的腐蝕和吸濕，可擠包一層非金屬防腐層，材料可選用交聯聚乙烯材料或者聚乙烯材料。

（7）防火層

防火層的材料選型，與隔離型一樣。防火層主要也是采用礦物質（氫氧化鎂、氫氧化鋁）和硅酸鈉膠體溶液攪拌混合物擠包而成。防火層材料具有不燃、難燃、高溫結殼、高溫熱阻等防火特性，并和金屬護套層或者非金屬防腐層相容，同時具備滿足低煙、無鹵、無毒等適應環保電纜的特性。

（8）外護套

外護套與隔離型一樣，主要是采用氧指數較高、結殼性能較好的低煙無鹵高阻燃的聚烯烴材料擠包而成，顏色一般采用橙紅色。

2 兩種典型產品的工藝路線

按BTLY常見的金屬保護層，可分為分相型和統包型，兩種工藝的生產工藝流程分別如圖3和圖4所示。

圖3 BTLY型隔離型鋁護套電纜生產工藝流程

圖4 BTLY型統包鋁護套電纜生產工藝流程

3 關于BTLY電纜工藝結構相容性的幾點思考

3.1 性能耐火的定義

無論是隔離型BTLY還是統包型BTLY的高性能耐火電纜，其耐火性能要滿足圖5所示的要求。

圖5 耐火試驗及要求

（1）當外徑不大于20 mm時，成品電纜按照BS 6387：2013標準，根據所求的耐火性能試驗條件，對試樣進行CWZ（即單純耐火、耐火加噴淋、耐火加機械沖擊）試驗后，線路應保持完整性。

（2）當外徑大于20 mm時，成品電纜按照BS 8491：2008標準，根據所求的耐火性能試驗條件，對試樣進行耐火、機械沖擊和噴淋試驗后，線路應保持完整性。

3.2 絕緣材料的選型

針對高性能耐火的指標，無論是隔離型，還是統包型，絕緣層材料的選型都必須具備兩個條件，一是高溫性能，二是絕緣性型。

3.2.1 絕緣材料的選型

無論是隔離型還是統包型BTLY電纜，絕緣層的選型，可根據GB／T 34926《額定電壓0.6／1 kV及以下云母帶礦物絕緣波紋銅護套電纜及終端》進行統一。根據高性能耐火試驗方法的耐火試驗方法的950～1 000℃的溫度條件，絕緣材料應采用溫度等級符合950～1 000℃的合成云母包帶、煅燒云母包帶，或者其他與之相適應的材料。

聚酯帶、陶瓷化硅膠帶、高阻燃帶等溫度等級的材料，在電纜使用只能定義為一個保護性材料，而不能定義為高溫絕緣性材料。這類材料絕緣性也許滿足要求但絕緣耐溫等級難以足耐火試驗條件（950～1 000℃）方面的要求。聚酯帶的最大作用在于隔離導體毛刺對高溫耐火絕緣的刺破，其熔點200℃左右，在常溫下絕緣一定的絕緣性，但在950～1 000℃的火焰條件下，將熔融炭化成為灰燼；陶瓷化硅膠帶在常溫下和徹底燃燒陶瓷化后具備一定的絕緣性能，但在高溫條件下發生陶瓷化過程存在低熔點鹽熔融導電的階段；高阻燃帶則在高溫條件，發生高阻燃填料受熱分解水分的過程。

明確高性能耐火絕緣層材料的選型這方面的定義，有助于在標準規范層面直接避免以次充好，以假亂真的漏洞，在常溫下的耐壓試驗高合格率，具有一定的高溫耐火性能方面的誤導。

3.2.2 高溫絕緣電阻的檢測

在云母包帶帶材的原材料檢驗方面，有幾項重點的性能試驗項目需要進行：云母帶的高溫絕緣電阻、體積電阻率以及高溫絕緣層的高溫絕緣電阻。

（1）云母帶原材料的高溫絕緣性能

在絕緣材料選型過程中，耐火絕緣材料在高溫下及以下的絕緣電阻和體積電阻率的性能測定，在GB／T 5019.2《以云母為基的絕緣材料第2部分：試驗方法》［12］第26條款“高溫絕緣電阻”，目前還沒有提供具體的試驗方法。這一塊的缺失，應該采按照GB／T 10581《絕緣材料在高溫條件下電阻和電阻率的試驗方法》［13］進行，溫度條件按照GB／T10580《固體絕緣材料在試驗前和試驗時采用的標準條件》［14］，只需明確具體的1 000℃試驗溫度條件。試驗方法的示意圖如圖6所示。

圖6 試驗方法

（2）絕緣層的高溫絕緣電阻性能

參照GB／T 34926-2017《額定條件0.6／1 kV及以下云母帶礦物絕緣礦物絕緣波紋銅護套電纜及終端》，高溫絕緣層在90℃的工作溫度條件下，按GB／T 3048.5的試驗方法，最小絕緣電阻要求應不小于表1的規定。絕緣電阻應在相鄰芯線之間、線芯和鋁護套之間分別進行。

表1 工作溫度（90℃）條件下的最小絕緣電阻要求

常溫或者正常工作溫度條件下的絕緣電阻試驗，并不能代表高溫條件下的絕緣電阻性能良好。目前的所有耐火試驗方法，都基本是基于試驗溫度條件，而不是基于整體環境處于高熱容的試驗環境。制定和建立一套適用于950～1 000℃條件下模擬實體火災條件下的實驗室具有很大的現實意義。在模擬實體火災環境，在規定的耐火試驗溫度下，對絕緣線芯之間、絕緣線芯和金屬護套之間分別施加1 kV，1 min的工頻電壓，測量絕緣層的高溫絕緣電阻性能，同時再進行工頻電壓基礎上的耐壓試驗，以考核電纜的高耐火性能。

3.3 鋁護套的選型

BTLY電纜鋁護套的設計，無論是分相型鋁護套，還是統包型鋁護套，都是基于保護無機物繞包結構的絕緣或纜芯的“無水化”工藝設計，其最大的作用是防水功能。完全密封的鋁管，是為了阻斷外部水分的侵入，為繞包式礦物質絕緣層提供防水、防潮的作用。所有金屬護套的鎧裝作用、屏蔽作用以及所謂可以用作接地導體的作用，基本都是延伸出來的功能，并不是電纜本來設計的初衷。

（1）鋁護套型式的選擇

BTLY無論是隔離型還是統包型，均應采用密閉型的管狀鋁護套，工藝可采用擠鋁拉拔或氬弧焊焊接，并根據截面大小，適配平滑鋁管或者軋紋鋁管。目前行業里，并未完全理解金屬鋁護套的實際作用，產品工藝仍充斥著“聯鎖鎧裝”工藝，其實質是一種彎曲半徑較小的柔性鎧裝方式，并不具備嚴格意義的防水功能，在高壓沖淋下，聯鎖鎧裝并不具備防水性。

（2）鋁護套的氣密性試驗

鋁護套主要作用是防水，保證高溫絕緣層不被水侵害。鋁護套應無沙眼、漏氣等缺陷。鋁護套管的完整性試驗應在擠包非金屬護套前實施氣密性檢查。檢查合格后，方可進入后道工序。氣密性試驗參照GB／T 34926-2017《額定條件0.6／1 kV及以下云母帶礦物絕緣礦物絕緣波紋銅護套電纜及終端》進行。在每根成品電纜兩端施加帶壓力表的密封套，在任一端充入0.25～0.35 MPa的干燥空氣或氮氣，在氣壓均衡后2 h，觀察兩端壓力表的狀況，電纜任一端氣壓應不下降。

3.4 防火隔離層的實際作用

鑒于鋁的熔點是630℃，在火焰和高溫環境條件下，當金屬鋁的本體溫度高于熔點時，將發生熔融、燒穿，導致鋁護套管喪失防潮、防濕、防水噴淋的作用，電纜線路的完整性將遭到破壞。BTLY采用熔點較低的金屬鋁管作為護套，是BTLY型電纜工藝結構相容性最大的短板，防火隔離層的設計的最大目的就是給鋁護套提高高溫隔離保護。

防火隔離層的最大作用是隔火、隔熱和降溫。防火隔離層的不燃、難燃以及熱阻高的特性，是保證鋁護套不熔融的關鍵。防火隔離層通過氫氧化鎂水合物高溫受熱釋放水分實現降溫，通過膠體結殼的高熱阻性能減緩外部熱量的傳導，從而避免鋁護套層本體溫度高于熔點溫度。防火隔離層一般由氫氧化鎂和硅酸鈉膠體溶液按一定比例混合攪拌而成。在相容性上有3項指標需要關注：硬化劣化性能、對金屬鋁的腐蝕性以及降溫隔熱的熱阻效果。

（1）硬化劣化性能

隔氧層硬化劣化主要是其粘合劑劣化和失效的過程，主要是要考察硅酸鈉膠體對在密封條件下硬化劣化以及長期條件下對金屬鋁是否具有腐蝕性。硅酸鈉（化學式：Na2SiO3），俗稱泡花堿、玻璃膠，是無色、透明的粘稠狀固體，在隔離層中起著無機物黏合劑的作用。硅酸鈉膠體在空氣中的凝結固化與石灰的凝固非常相似，主要通過碳化和脫水凝固兩個過程來實現。

碳化過程（粘合性劣化失效的過程）：硅酸鈉水溶液和空氣中的二氧化碳，發生反應生成碳酸鹽，俗稱“碳化”。隨著碳化反應的進行，混合物變干、變硬，逐步失去粘性，易受外力碎裂：

Na2SiO3+CO2+H2O＝H2SiO3↓+Na2CO3

脫水過程（凝固硬化過程）：因水溶液的自由水分蒸發、硅膠的脫水凝固硬化，體積收縮，強度低。其中硅酸（膠）脫水反應如下，受熱過程將加速脫水過程的速度：

H2SiO3＝SiO2+H2O

自2018年10月至2020年5月，制備了3根80 mm長的BTLY電纜試樣，將每個樣品的兩端頭完全密封并置于室內環境中，歷時17個月實驗表明：在密封條件下，隔離層尚未凝固硬化干結，仍具有一定的軟度。因此，在制造和存儲過程中及時密封，快速隔斷空氣接觸，是防止隔熱層硬化劣化的有效措施。

（2）腐蝕性驗證

金屬鋁是兩性金屬，硅酸鈉水溶液對兩性金屬鋁護套是否具有腐蝕性需要長期驗證。在上述實驗期間，鋁（合金）金屬護套未見明顯腐蝕現象，在17個月的時間內氫氧化鎂+硅酸鈉水溶液的混合物，對兩性金屬鋁質護套腐蝕的不明顯。

（3）隔熱層的熱阻效果

作為隔火層的主要組分氫氧化鎂（Mg（OH）2），在950～1 000℃的高溫條件下，最終主要轉化為氧化鎂（MgO）。隔火層的熱阻系數與密度密切相關，密度越大，熱阻系數越小。氧化鎂的密度在1.900～2.0 g／cm3時，熱阻系數為0.61～0.64℃·m／W。

根據鋁護套的熔點，隔熱層的隔熱和降溫的效果的目標值，是保證隔熱層內側的目標溫度是不能高于金屬鋁護套的熔點，這是設計防火隔熱層配方和厚度前提，也是生產工藝控制的關鍵。在電纜金屬鋁護套層兩側埋設熱電偶，在耐火試驗溫度條件下，測定金屬鋁護層兩側的溫升曲線，以確定隔火層的厚度。

在此意義上，如果隔離層的隔熱效果能夠控制在650℃以下，高溫絕緣層采用金云母也是適宜的，只是安全裕度小于合成云母，在經濟效益上，具有較大優勢。

4 結束語

綜上所述，當前BTLY型電纜存在產品標準百花齊放、產品工藝紛繁復雜以及產品品質參差不齊的問題，需要線纜行業進一步實施標準化，實現該類產品的長期健康發展，促進建筑電氣及消防設備安全得到切實保障。工藝相容性研究是BTLY型高性能耐火電纜所面臨的重大課題，本文通過研究分析，完善高溫絕緣層材料選型，實施高溫絕緣電阻檢驗測試，施加防水層的金屬鋁護套的氣密性試驗，特別是有效防范防火隔熱層性能的劣化老化，是提高BTLY型電纜的高性能耐火特性的最有效措施。