6kV到15kV交聯(lián)聚乙烯絕緣耐火電力電纜的研發(fā)

張仲韜，牛方輝，吳衛(wèi)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(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地鐵、發(fā)電廠、核電站、隧道等重要工程設(shè)施和智能小區(qū)、大型超市、公共場(chǎng)所等人員密集場(chǎng)合越來(lái)越多，尤其是高層建筑，更是遍地開(kāi)花。由于1 kV電力電纜的供電范圍只有500 m，對(duì)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(shè)安裝工作量，較普通建筑物成數(shù)十倍增長(zhǎng)。電纜敷設(shè)空間成幾倍增長(zhǎng)，既耗材，又耗能，而且建筑物中電纜敷設(shè)過(guò)多，也會(huì)給安全使用帶來(lái)不利影響。

因此，特大型高層建筑物，開(kāi)始使用6～35 kV中壓交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣電纜供電，變壓器設(shè)置在建筑物樓層的中間或頂部，中壓電纜敷設(shè)在豎井內(nèi)連接變壓器，經(jīng)過(guò)變壓器降壓后，向相關(guān)的設(shè)備供電。為了保證火災(zāi)條件下的供電可靠性，用戶對(duì)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(shí)間內(nèi)持續(xù)地供電，以利于火災(zāi)的救援和人員的逃離和疏散。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)分析

目前，市面上使用的低壓耐火電纜仍以傳統(tǒng)的兩層或多層云母帶重疊繞包在導(dǎo)體上的工藝為主。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，在絕緣和護(hù)層被燒蝕后，繞包在導(dǎo)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(xù)通電，從而在著火時(shí)保持一定時(shí)間的正常運(yùn)行。

導(dǎo)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(jié)構(gòu)才能滿足耐火性能要求。

GB/T 12706.2規(guī)定，3.6/6 kV到8.7/15 kV XLPE絕緣電力電纜導(dǎo)體外須擠包導(dǎo)體屏蔽層，導(dǎo)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(jié)構(gòu)上的屏蔽是一種改善電場(chǎng)分布的措施。電纜導(dǎo)體由多根導(dǎo)線絞合而成，它與絕緣層之間易形成氣隙，導(dǎo)體表面不光滑，會(huì)造成電場(chǎng)集中。在導(dǎo)體表面加一層半導(dǎo)電材料的屏蔽層，它與被屏蔽的導(dǎo)體等電位并與絕緣層良好接觸，從而避免在導(dǎo)體與絕緣層之間發(fā)生局部放電，這一層屏蔽為導(dǎo)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(dǎo)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(fā)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(dǎo)體上繞包云母帶，導(dǎo)體與絕緣層之間易形成氣隙，導(dǎo)體表面電場(chǎng)也會(huì)集中，造成電纜在運(yùn)行時(shí)擊穿，也不會(huì)通過(guò)出廠試驗(yàn)。

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(jié)構(gòu)、選用特定材料，達(dá)到耐火功效。

1.2 電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

參照GB/T 12706.2—2008的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定設(shè)計(jì)6 kV到15 kV XLPE絕緣耐火電力電纜。

銅導(dǎo)體選用符合GB/T 3956—2008的第2種退火銅導(dǎo)體;內(nèi)外屏蔽為半導(dǎo)電材料，應(yīng)符合GB/T 12706.2—2008規(guī)定;絕緣材料為XLPE，應(yīng)符合GB/T 12706.2—2008規(guī)定;金屬屏蔽應(yīng)符合GB/T 12706.2—2008規(guī)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(jī)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(wú)鹵隔氧層料，材料氧指數(shù)不小于45，具有很好的結(jié)殼性能，在高溫和火焰燒蝕下，結(jié)成堅(jiān)硬的外殼，包覆在耐火硅橡膠外，隔氧層厚度應(yīng)符合GB/T 12706.1—2008規(guī)定;鎧裝(若有)材料為鍍鋅鋼帶，雙層間隙繞包;外護(hù)套為低煙無(wú)鹵阻燃護(hù)套料，具有低煙無(wú)鹵阻燃性能，護(hù)套厚度應(yīng)符合GB/T 12706.2—2008規(guī)定。電纜結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 6 kV到15 kV XLPE絕緣耐火電力電纜結(jié)構(gòu)圖

2 耐火原理

2.1 耐火硅橡膠

耐火層選用具有優(yōu)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(wú)毒、無(wú)味、耐高低溫、耐臭氧老化、耐候老化、優(yōu)良的電絕緣性能，具有良好的加工性能。耐火硅橡膠耐火機(jī)理如下:

正如參考文獻(xiàn)［1］所述，耐火硅橡膠在火焰的燒蝕下，首先由配方中的結(jié)構(gòu)控制劑起作用，溢出有機(jī)物質(zhì)，燃燒2～4 min后開(kāi)始燒結(jié)，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(xù)燃燒。在接下來(lái)的燒蝕過(guò)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(jīng)得起700～1 300℃高溫火焰燒蝕;陶瓷狀殼體堅(jiān)硬，具有一定的絕緣性能并且具備一定的機(jī)械性能，能夠抵御火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)水澆和間接的機(jī)械震動(dòng)。耐火硅橡膠的分解過(guò)程如下。

耐火硅橡膠就是利用其有機(jī)硅鏈組合氧化鎂家族，在火焰溫度500℃即開(kāi)始發(fā)生催化燃燒結(jié)殼，“瓷化”成比熱容很小的降溫?fù)趸鸸腆w，這個(gè)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(wú)鹵隔氧料，其應(yīng)有隔熱、降溫，受熱分解后結(jié)殼的效果，材料中應(yīng)填充有大量的水合氧化物。在受熱時(shí)，水分子蒸發(fā)，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(chǎn)物形成硬殼，包覆在纜芯外，阻止火焰和熱量向電纜內(nèi)部蔓延和傳遞。

包覆在纜芯的低煙無(wú)鹵隔氧料燃燒后產(chǎn)生的硬殼，可以有效地抵御火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)水澆，在一定時(shí)間內(nèi)，阻止水向絕緣層滲透，在火災(zāi)情況下對(duì)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(chǎn)生的堅(jiān)硬瓷狀殼體，直接包覆在纜芯上，火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)受到水澆后，更表現(xiàn)出優(yōu)異的絕緣性能，在一定的時(shí)間內(nèi)，可以保持一定的絕緣性能。

同樣，包覆在纜芯的低煙無(wú)鹵隔氧料燃燒后產(chǎn)生的硬殼，在電纜受到機(jī)械振動(dòng)時(shí)，硬殼能起到保護(hù)絕緣層的作用，在一定時(shí)間內(nèi)，可避免絕緣層受到機(jī)械振動(dòng)而破壞;耐火硅橡膠燃燒后產(chǎn)生的堅(jiān)硬陶瓷狀殼體，在電纜受到機(jī)械振動(dòng)時(shí)，由堅(jiān)硬的陶瓷狀殼體性能決定，其在一定時(shí)間內(nèi)可以保持一定的絕緣性能。

3 耐火試驗(yàn)

在耐火硅橡膠耐火層和低煙無(wú)鹵耐火隔熱層雙重作用下，電纜具有優(yōu)異的耐火性能。按照GB/T 19216.21方法，電纜在火焰時(shí)間90 min、冷卻時(shí)間15 min后進(jìn)行交流電壓試驗(yàn);按照BS 8367試驗(yàn)方法，電纜進(jìn)行火燒附加噴淋試驗(yàn)后進(jìn)行交流電壓試驗(yàn)。產(chǎn)品通過(guò)國(guó)家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

我公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的性能優(yōu)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(gè)新型的、安全的、性能更加優(yōu)異的材料，是中壓耐火電纜領(lǐng)域的創(chuàng)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(chǎng)前景。

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