一種B₁級(jí)阻燃耐火中壓電纜的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

摘要：隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，為響應(yīng)市場(chǎng)需求，阻燃耐火電纜已在越來(lái)越多的場(chǎng)合開(kāi)始使用。隨著用量逐年增大，電纜在運(yùn)行時(shí)的安全性能也備受關(guān)注，尤其是在電纜密集敷設(shè)的場(chǎng)所，極易發(fā)生火災(zāi)，這些場(chǎng)所都對(duì)電纜的無(wú)鹵低煙阻燃耐火性能提出了較高要求。鑒于此，在分析國(guó)內(nèi)外阻燃耐火電纜現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種B1級(jí)阻燃耐火中壓電纜，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：中壓電纜;阻燃;耐火;燃燒性能;B1級(jí)

0 ? ?引言

隨著電線電纜在生產(chǎn)生活中的廣泛應(yīng)用，其安全可靠性越來(lái)越受到人們的關(guān)注。根據(jù)相關(guān)部門(mén)的統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)各地發(fā)生的重大火災(zāi)中，電氣火災(zāi)在全國(guó)總火災(zāi)數(shù)中占比接近30%，電線電纜引起的火災(zāi)占總電氣火災(zāi)的60%以上。電線電纜在火災(zāi)中常常扮演火源和導(dǎo)火線的角色，使火災(zāi)起火迅速，火勢(shì)迅猛，極易蔓延;并且電線電纜受火燃燒時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量煙氣和有毒氣體，嚴(yán)重影響消防救援和人員疏散，同時(shí)還會(huì)損壞電子儀器和控制設(shè)備，甚至導(dǎo)致事故發(fā)生地消防控制系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，造成人身傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

普通電纜由于在阻燃和耐火特性上要求較低，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，供電系統(tǒng)不能保證正常供電，從而導(dǎo)致消防系統(tǒng)、電梯、救災(zāi)系統(tǒng)等無(wú)法正常工作，給救援疏散人群增加了難度。人們安全意識(shí)的提高，對(duì)在火災(zāi)環(huán)境中確保電路暢通提出了更高的要求。尤其是在火災(zāi)情況下，需在一定時(shí)間內(nèi)保證電力和通信線路暢通，以便給救援和人員的逃離及疏散爭(zhēng)取更多的寶貴時(shí)間，同時(shí)把人員的傷亡和生命財(cái)產(chǎn)的損失降到最低。因此，電線電纜的阻燃耐火性能非常重要。

1 ? ?國(guó)內(nèi)外阻燃耐火電纜現(xiàn)狀

人們從20世紀(jì)70年代開(kāi)始對(duì)阻燃耐火電線電纜進(jìn)行研究，其中絕大多數(shù)是含鹵的阻燃耐火電線電纜，燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生煙霧、毒性和腐蝕性氣體，造成“二次災(zāi)害”。一旦發(fā)生火災(zāi)，就會(huì)使救援工作難以進(jìn)行，人員往往不是被燒死，而是被煙熏倒窒息，或在煙霧中找不到出路而喪生。為了評(píng)定阻燃耐火電纜質(zhì)量的優(yōu)劣，引導(dǎo)阻燃耐火電纜向無(wú)鹵低煙方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)外先后組織制訂了一些阻燃耐火電纜試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（表1）。

序號(hào)1～8的標(biāo)準(zhǔn)所考核的阻燃耐火電纜燃燒性能，未完全覆蓋消防在實(shí)際火災(zāi)中對(duì)線纜產(chǎn)品所關(guān)注的要求，如熱釋放特性。而且這些標(biāo)準(zhǔn)是相互獨(dú)立的，相互間沒(méi)有關(guān)聯(lián)，這給電纜燃燒性能的評(píng)價(jià)和電纜質(zhì)量的管理帶來(lái)了困難，不利于對(duì)電纜及光纜燃燒性能的優(yōu)劣進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。國(guó)家的相關(guān)部門(mén)也認(rèn)識(shí)到這個(gè)問(wèn)題，2014年公安部四川消防研究所負(fù)責(zé)起草了《電纜及光纜燃燒性能分級(jí)》（GB 31247—2014）標(biāo)準(zhǔn)并已實(shí)施，它是我國(guó)第一部國(guó)家強(qiáng)制性電纜及光纜燃燒性能分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將使我國(guó)阻燃電纜及光纜的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際最新的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)接軌，有利于國(guó)際貿(mào)易和經(jīng)濟(jì)技術(shù)交流。

2 ? ?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于中壓耐火電纜使用的場(chǎng)所一般為超高層建筑、隧道等較為密閉的場(chǎng)所，且作為主供電線路，一旦火災(zāi)時(shí)不能保證正常供電，將導(dǎo)致消防控制系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為750～800 ℃耐火，但現(xiàn)實(shí)火災(zāi)溫度不止如此。2019年修訂的《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51348—2019）新增13.9節(jié)對(duì)電纜燃燒性能的設(shè)計(jì)選擇提出以下明確要求：超高層公共建筑應(yīng)選用燃燒性能不低于B1級(jí)、燃燒滴落物/微粒等級(jí)為d0級(jí)、產(chǎn)煙毒性為t0級(jí)的電線、電纜，避難層（間）應(yīng)選用燃燒性能不低于B1級(jí)、燃燒滴落物/微粒等級(jí)為d0級(jí)、產(chǎn)煙毒性為t0級(jí)的電纜。這就需要一種既能滿足更高耐火溫度等級(jí)又符合新的電纜燃燒性能分級(jí)的中壓電纜。

通過(guò)對(duì)中壓電纜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次設(shè)計(jì)優(yōu)化，我公司研制了一種B1級(jí)阻燃耐火中壓電纜，具體為研制了一種隔熱隔氧耐火技術(shù)，設(shè)計(jì)了絕緣線芯外采用半導(dǎo)電緩沖層、無(wú)鹵低煙阻燃聚烯烴隔氧層、陶瓷化聚烯烴隔熱層、陶瓷化硅橡膠耐火層組合結(jié)構(gòu)，構(gòu)成隔氧隔熱耐火層，燃燒時(shí)，陶瓷化硅橡膠形成致密的陶瓷化結(jié)構(gòu)，高溫燃燒后可形成堅(jiān)硬的陶瓷化殼體隔熱耐火層，保護(hù)線路通暢，燒蝕時(shí)間越長(zhǎng)，陶瓷化殼體越硬，具有優(yōu)異的隔火隔熱效果。隔氧隔熱層阻止火焰蔓延，燃燒時(shí)不膨脹，不會(huì)引起外徑的增加，從而避免影響陶瓷化結(jié)殼效果，能有效減緩?fù)獠繜崃肯螂娎|內(nèi)部傳輸，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可保證中壓電纜在外部火焰溫度達(dá)950～1 000 ℃時(shí)，絕緣線芯內(nèi)部溫度低于300 ℃，仍然能在一定時(shí)間內(nèi)保持良好的絕緣性能。該結(jié)構(gòu)還能延緩?fù)獠扛邷貙?duì)絕緣線芯的影響，具有優(yōu)異的隔火隔熱降溫效果。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖1）：主絕緣采用三層共擠技術(shù)，采用化學(xué)交聯(lián)聚乙烯及化學(xué)交聯(lián)半導(dǎo)電材料作為絕緣層及內(nèi)外半導(dǎo)電層，絕緣外屏蔽層與金屬屏蔽層之間設(shè)有半導(dǎo)電緩沖層，纜芯外依次設(shè)置有隔氧隔熱耐火層及外護(hù)套。

隔熱隔氧耐火層：在發(fā)生火災(zāi)時(shí)降低絕緣線芯溫度，在一定時(shí)間內(nèi)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)可以防止水分進(jìn)入內(nèi)層，并承受一定的機(jī)械振動(dòng)。

填充結(jié)構(gòu)：采用無(wú)機(jī)物，不僅阻燃，且有較優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，利于電纜的散熱，能夠避免電纜載流量的降低。

此外，所有材料均為無(wú)鹵、低煙環(huán)保型材料，燃燒后無(wú)毒性，無(wú)腐蝕性氣味。

3 ? ?試驗(yàn)驗(yàn)證分析

3.1 ? ?試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

本文選取具有代表性的樣品送往國(guó)家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心和國(guó)家防火建筑材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行檢測(cè)，耐火性能完全符合《額定電壓6 kV（Um=7.2 kV）到35 kV（Um=40.5 kV）擠包絕緣耐火電力電纜》（TICW 8—2012）技術(shù)規(guī)范要求，且耐火溫度等級(jí)由750～800 ℃提高到950～1 000 ℃，提高了一個(gè)等級(jí)。燃燒性能等級(jí)符合《電纜及光纜燃燒性能分級(jí)》（GB 31247—2014）中關(guān)于B1級(jí)的規(guī)定，附加分級(jí)符合d0、t0、a1的規(guī)定。具體檢測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示，試驗(yàn)前后圖片如圖2所示。

《電纜及光纜燃燒性能分級(jí)》（GB 31247—2014）是我國(guó)第一部國(guó)家強(qiáng)制性電纜及光纜燃燒性能分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，分析其檢測(cè)方法可知，該標(biāo)準(zhǔn)綜合考慮了電纜燃燒熱釋放速率、燃燒熱釋放總量（熱釋放總量高則易引燃周邊物體）、產(chǎn)煙速率、產(chǎn)煙總量、產(chǎn)煙毒性、燃燒滴落物（燃燒滴落物過(guò)多則火災(zāi)范圍容易擴(kuò)大）和火焰蔓延程度等燃燒特性參數(shù)，考核更加全面，更貼合實(shí)際火災(zāi)情況，不僅考核電纜的燃燒情況，而且相關(guān)指標(biāo)可用于對(duì)燃燒時(shí)周?chē)h(huán)境影響進(jìn)行評(píng)估，可以更為真實(shí)地反映電纜在實(shí)際火災(zāi)條件下的燃燒情況。

3.2 ? ?對(duì)試驗(yàn)后的樣品進(jìn)行解剖分析

3.2.1 ? ?外護(hù)套

該試樣外護(hù)套部分已開(kāi)裂脫落，但仍在一定時(shí)間內(nèi)減緩了熱量的傳遞，外護(hù)套的材料對(duì)耐火性能試驗(yàn)影響不大，但對(duì)燃燒性能等級(jí)和附加分級(jí)試驗(yàn)影響較大。

3.2.2 ? ?隔氧隔熱耐火層

采用無(wú)鹵低煙阻燃聚烯烴隔氧層、陶瓷化聚烯烴隔熱層、陶瓷化硅橡膠耐火層組合結(jié)構(gòu)，可見(jiàn)明顯的結(jié)殼現(xiàn)象，且無(wú)脫落，進(jìn)一步降低了火焰到達(dá)絕緣線芯的溫度，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行輕微沖擊和震動(dòng)，無(wú)脫落現(xiàn)象。

3.2.3 ? ?絕緣線芯

未出現(xiàn)碳化及變色現(xiàn)象，仍能保持較好的絕緣性能，試驗(yàn)過(guò)程中把溫度傳感器導(dǎo)入絕緣外側(cè)，絕緣線芯溫度一直保持在300 ℃以內(nèi)，保證了正常供電。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

綜上所述，此電纜耐火性能完全符合TICW 8—2012技術(shù)規(guī)范要求，且耐火溫度等級(jí)為950～1 000 ℃，耐火溫度提高了一個(gè)等級(jí)。燃燒性能等級(jí)符合GB 31247—2014中關(guān)于B1級(jí)的規(guī)定，附加分級(jí)符合d0、t0、a1的規(guī)定。同時(shí)還能承受一定的沖擊和震動(dòng)，進(jìn)一步提高了電纜的阻燃耐火安全性能。

該產(chǎn)品共獲得發(fā)明專利1項(xiàng)，實(shí)用新型專利3項(xiàng)，四川省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，成都科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，成都市專利銀獎(jiǎng)1項(xiàng)，經(jīng)四川省科技廳鑒定其總體技術(shù)水平處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，經(jīng)用戶使用，反應(yīng)良好，具有較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。此電纜是在高溫度耐火等級(jí)和燃燒性能等級(jí)分級(jí)方面的一項(xiàng)突破和創(chuàng)新，具有極大的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 額定電壓6 kV（Um=7.2 kV）到35 kV（Um=40.5 kV）擠包絕緣耐火電力電纜：TICW 8—2012[S].

[2] 電纜及光纜燃燒性能分級(jí)：GB 31247—2014[S].

[3] 包光宏，程道彬.GB 31247—2014《電纜及光纜燃燒性能分級(jí)》解讀[J].建筑電氣，2015，34（7）：18-21.

[4] 曹曉瓏，邱昌榮.電力電纜設(shè)計(jì)原理[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2006.

[5] 梁?jiǎn)?，彭小弟，趙源.新型陶瓷化耐火硅橡膠的探索性研究[J].世界橡膠工業(yè)，2008，35（1）：19-21.

收稿日期：2020-08-03

作者簡(jiǎn)介：李準(zhǔn)（1986—），男，河南泌陽(yáng)人，高級(jí)工程師，研究方向：電線電纜產(chǎn)品研發(fā)與檢測(cè)。