額定電壓1500V及以下軌道交通用直流電纜的設(shè)計(jì)與加工

歐迪恒

(金杯電工股份有限公司，湖南長(zhǎng)沙410205)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程明顯加快，建設(shè)快速的地下軌道交通網(wǎng)絡(luò)已刻不容緩。截至2010年3月，國(guó)家發(fā)改委已審批28個(gè)城市建設(shè)地鐵，并在復(fù)核其它5個(gè)城市地鐵項(xiàng)目，全國(guó)將有33個(gè)城市擁有地鐵;到2020年，在已建的480 km地鐵線路基礎(chǔ)上，再造6100 km城市地鐵，投資金額將達(dá)到11568億元。這就需要大量的軌道交通用電纜。

眾所周知，傳統(tǒng)的軌道交通用電纜含有鹵素，一旦發(fā)生火災(zāi)，電纜燃燒時(shí)釋放的鹵化氫氣體，使人窒息，人們幾乎沒(méi)有逃生的機(jī)會(huì)。為此，德國(guó)、法國(guó)在21世紀(jì)初率先提出無(wú)鹵、低煙、阻燃、無(wú)毒、環(huán)保軌道交通電纜的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。隨后，歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(CENELEC)制定了軌道交通電纜EN系列標(biāo)準(zhǔn)。我們根據(jù)歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(CENELEC)、國(guó)際電工標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(IEC)、國(guó)家電線電纜標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)、鐵道部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及電纜的敷設(shè)條件，并參考國(guó)內(nèi)先進(jìn)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，制定了《額定電壓1500 V軌道交通用直流電纜》企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。為滿足該電纜具有無(wú)鹵、低煙、阻燃 A類、阻水、防水、防鼠、防白蟻、無(wú)毒、耐紫外線等性能，本文對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選型、材料配合以及關(guān)鍵生產(chǎn)工藝進(jìn)行了研究。

1 電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

該電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)因素:(1)電纜敷設(shè)或彎曲安裝使用時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力，會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，故要求盡可能柔軟;(2)電纜運(yùn)行時(shí)有可能長(zhǎng)期浸泡在水里面，必須具有優(yōu)異的阻水、防水性能;(3)電纜若僅采用氧指數(shù)較高的無(wú)鹵低煙阻燃護(hù)套料，則無(wú)法通過(guò)成束燃燒A類試驗(yàn)，故還需覆蓋或擠包其它高阻燃材料。

圖1 為過(guò)去行業(yè)內(nèi)該電纜普遍采用的結(jié)構(gòu)。據(jù)地鐵公司專家介紹，采用該結(jié)構(gòu)的電纜，敷設(shè)在轉(zhuǎn)角處，使用一段時(shí)間后，彎曲部位所產(chǎn)生的應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致開(kāi)裂現(xiàn)象出現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)影響電網(wǎng)正常運(yùn)行，故不得不更換。究其原因，一是防水層采用鋁－塑粘接層，它是由涂塑鋁帶與聚乙烯護(hù)套粘接組合而成，使電纜變硬;二是無(wú)鹵、低煙、高阻燃隔氧料和無(wú)鹵、低煙、高阻燃護(hù)套料其邵氏硬度大(通常在HSA 90以上)，影響電纜的柔軟性。因此，導(dǎo)致電纜彎曲部位在使用過(guò)程出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象的根本原因是鋁－塑粘接防水層、隔氧層和護(hù)套層等三種材料硬度過(guò)大。顯然，要滿足電纜防鼠、防白蟻、抗紫外線等使用特性，取消或取代護(hù)套層是不可行的。如何取消或取代鋁－塑粘接防水層和隔氧層，又能滿足電纜的徑向防水性能，并通過(guò)成束燃燒A類試驗(yàn)是該電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，我們采用耐水性能優(yōu)良的乙丙膠作絕緣層，并適當(dāng)增加其厚度，以提高電纜的防水性能;增加高阻燃玻璃纖維帶厚度和繞包層數(shù)，從而達(dá)到取消擠包隔氧層的目的。圖2為本文推薦的軌道交通用直流電纜的結(jié)構(gòu)。

圖1 原軌道交通用直流電纜結(jié)構(gòu)圖

圖2 推薦的軌道交通用直流電纜結(jié)構(gòu)圖

1.2 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

無(wú)鹵、低煙、高阻燃護(hù)套材料其邵氏硬度大，影響電纜的柔軟性。為杜絕電纜使用時(shí)開(kāi)裂，應(yīng)盡可能減小電纜的彎曲半徑(標(biāo)準(zhǔn)值6D)，同時(shí)一改傳統(tǒng)采用5類導(dǎo)體的做法，選用了GB/T 3956—2008中最柔軟的第6類導(dǎo)體。

1.3 絕緣層

選用三元乙丙橡膠作絕緣基料，其絕緣厚度在TB/T 1484.1—2010絕緣厚度的基礎(chǔ)上加厚2.5 mm，以提高電纜的徑向防水性能(見(jiàn)表1)。

1.4 阻水層

阻水層包覆在絕緣上，其作用是阻止水通過(guò)絕緣和阻燃層之間的間隙沿著電纜縱向遷移。選用遇水膨脹型復(fù)合阻水帶，采用雙層繞包，每層搭蓋率不小于30%，保證電纜每處阻水帶不小于2層。

1.5 阻燃層

電纜采用氧指數(shù)大于50、厚度為0.25 mm的無(wú)鹵玻璃纖維帶繞包，它不但具有高阻燃特性而且具有防鼠作用。采用雙層繞包，每層搭蓋率不小于60%，使得電纜每處無(wú)鹵玻璃纖維帶不小于4層，確保電纜阻燃性能達(dá)到A類要求。

1.6 護(hù)套層

護(hù)套以乙烯－醋酸乙烯(EVA)、聚烯烴彈性體(POE)作基料，氧指數(shù)大于35。依照IEC 60245-1:2003規(guī)定的護(hù)套厚度幾種計(jì)算方法，并對(duì)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較。由于絕緣厚度加厚的因素，護(hù)套厚度最適合下面計(jì)算公式:

式中，t為護(hù)套厚度(mm);D為絕緣線芯假定直徑(mm)。

表1為常用的1×95 mm2、1×150 mm2，1×240 mm2三個(gè)規(guī)格直流電纜的結(jié)構(gòu)尺寸。

表1 額定電壓1500 V及以下軌道交通用直流電纜結(jié)構(gòu)尺寸

2 材料選用及配合

所有選用的材料應(yīng)不含鹵素，燃燒時(shí)發(fā)煙量低、無(wú)毒，能滿足ROHS指令，限制使用六類有害物質(zhì):鉛(Pb)、汞(Hg)、鎘(Cd)、六價(jià)鉻(Cr+6)、多溴聯(lián)苯(PBB)、多溴二苯醚(PBDE)。

2.1 絕緣膠材料選用和配方

(1)生膠。為滿足絕緣耐熱、耐水、耐臭氧、耐紫外線等性能，選用了美國(guó)陶氏(DOW)生產(chǎn)的三元乙丙橡膠NORDEL IP 4725P作基料，其乙烯含量高(70%)、門尼粘度低(ML 1+4，125℃ 25)，相應(yīng)其絕緣電阻率高(20℃，不小于1014Ω·m)、加工性能好。

(2)交聯(lián)劑。采用過(guò)氧化二異丙苯(DCP)作交聯(lián)劑，三烯丙基異氰脲酸酯(TAIC)作助交聯(lián)劑。

(3)防老劑。為滿足空氣彈老化試驗(yàn)要求，兼顧對(duì)銅導(dǎo)體的保護(hù)作用，采用防老劑MB與防老劑RD并用。

(4)填充劑。選用難溶于水的微細(xì)滑石粉。

(5)絕緣膠基本配方。三元乙丙膠(NORDEL IP 4725P)100;過(guò)氧化二異丙苯(DCP)3.8;三烯丙基異氰脲酸酯(TAIC)2.9;氧化鋅 5;防老劑MB2.5;防老劑 RD1.2，;微細(xì)滑石粉(10 μm)120;其它61.6;合計(jì)297;含膠率33.7%。

2.2 護(hù)套膠材料選擇

以EVA、POE作基料，配合抗氧劑1010、防鼠劑、防白蟻劑、抗紫外線劑、消煙劑、軟化劑、氫氧化鋁等無(wú)鹵阻燃劑。護(hù)套防鼠性能:LD50大于2000 mg/kg;咬傷面積為0;實(shí)驗(yàn)期間，SD大鼠無(wú)中毒、致畸、致突變、致癌現(xiàn)象。護(hù)套防白蟻性能依據(jù) GB 2951.38—86規(guī)定:白蟻擊倒時(shí)間KT50不大于350 min。

3 現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵工序控制

3.1 絕緣

3.1.1 絕緣膠加工

(1)膠料和配合劑。采用電子稱稱量。膠料:三元乙丙橡膠;配合劑:超細(xì)滑石粉、氧化鋅、促進(jìn)劑、防老劑、交聯(lián)劑等。

(2)混煉。稱量好的膠料和配合劑采用密煉機(jī)混煉。

(3)濾橡?；鞜捄玫幕旌夏z在開(kāi)煉機(jī)上壓片，片狀膠料由皮帶輸機(jī)運(yùn)送到濾橡機(jī)對(duì)膠料的雜質(zhì)進(jìn)行過(guò)濾。

(4)加交聯(lián)劑。過(guò)濾后的膠料冷卻存放8～24 h后，再次投入密煉機(jī)混煉，并加入交聯(lián)劑。排料后由皮帶運(yùn)輸機(jī)輸送到開(kāi)煉機(jī)上壓片，供壓延機(jī)輾頁(yè)。

(5)輾頁(yè)。采用壓延機(jī)壓片，膠片經(jīng)冷卻裝置冷卻后，存放8～96 h后，供電纜擠出用。

(6)絕緣煉膠工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

3.1.2 絕緣連硫

導(dǎo)體擠包乙丙橡膠絕緣料，采用擠橡連續(xù)硫化機(jī)組，嚴(yán)格控制擠出溫度、牽引速度、硫化汽壓，以保證電纜的電性能和絕緣層的物理機(jī)械性能;絕緣連硫工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 絕緣膠煉膠工藝參數(shù)

表3 絕緣連硫工藝參數(shù)

3.2 護(hù)套

護(hù)套擠出采用專用螺桿，其壓縮比小，出膠量大，螺桿轉(zhuǎn)速不宜太快，分段加熱，擠出時(shí)采用擠壓式，使電纜結(jié)構(gòu)緊密，有利于電纜的阻燃和防水效果;護(hù)套擠出工藝參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 護(hù)套擠出工藝參數(shù)

4 成品電纜性能

把地鐵常用的額定電壓1500 V及以下軌道交通用直流電纜:1×95 mm2、1×150 mm2，1×400 mm 三個(gè)規(guī)格電纜，送有關(guān)權(quán)威檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，各項(xiàng)性能指標(biāo)完全達(dá)到國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。表5為其中的1×150 mm2各項(xiàng)性能指標(biāo)。

表5 DC 1500 V 1×150 mm2軌道交通用直流電纜試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)項(xiàng)目 技術(shù)要求 試驗(yàn)結(jié)果電性能20℃時(shí)直流電阻/(Ω/km)環(huán)境溫度40℃電纜載流量/A成品電纜耐壓試驗(yàn)(6.5 kV，5 min)20℃時(shí)絕緣電阻/(MΩ·km)≤0.132≥490不擊穿≥1500.128567不擊穿1750縱向透水試驗(yàn)(100℃，透水10次) 二端不應(yīng)有水滲出 符合要求電纜燃燒試驗(yàn)電纜成束燃燒試驗(yàn)(A類)炭化部分所達(dá)高度/m煙密度試驗(yàn)透光率/%≤2.5≥600.575燃燒氣體腐蝕性試驗(yàn)絕緣pH值電導(dǎo)率/(μs/mm)阻水層pH值電導(dǎo)率/(μs/mm)阻燃層(玻璃纖維帶)pH值電導(dǎo)率/(μs/mm)護(hù)套pH值電導(dǎo)率/(μs/mm)≥4.3≤10≥4.3≤10≥4.3≤10≥4.3≤105.50.345.20.515.20.365.20.38

5 結(jié)束語(yǔ)

我們研制的額定電壓1500 V及以下軌道交通用直流電纜經(jīng)掛網(wǎng)運(yùn)行，防水性能優(yōu)良，在敷設(shè)、彎曲使用時(shí)未出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，完全滿足使用要求。

［1］TB/T 1484.1—2010機(jī)車車輛電纜 第1部分:額定電壓3 kV及以下標(biāo)準(zhǔn)壁厚絕緣電纜［S］.

［2］歐迪恒.電纜用三元乙丙膠的配合與混煉［J］.特種橡膠制品，1991(4):13-16.

［3］歐迪恒.滿足VDE規(guī)范橡套軟電纜實(shí)用配合技術(shù)與加工［J］.電線電纜，2008(5):19-24.