高阻燃中压耐火电缆的结构设计及工艺方案
1、前言
随着现代城市化建设的逐步完善，越来越多的城市采用双环网供电和市区地下供电。随着电缆使用的大幅增加，人们对电缆产品的关注度也相应的提升。由于电缆产品的结构中很大一部分是各种塑料或橡胶材质，所以在电缆敷设的地方极易引起火灾，特别是电缆用量较大的场所。电线电缆密集敷设主要集中在人员密集的地方如高层建筑、地铁、大型娱乐场所等和国家大型重点工程如核电站、石油化工、隧道、机场、邮电通信系统、大型工矿企业、地下工程等。这些电缆的敷设场合都对电缆的阻燃耐火性能提出了较高要求。
阻燃电缆是把燃烧限制在一定范围内，在发生火灾时不能保证电缆线路的畅通，但人口密集的公共场所一旦发生火灾，其人员疏散、火警报警装置、消防救助等都需要电缆线路保持畅通才能进行，因此，电缆的耐火特性显得尤为重要。
随着日渐增多的高层建筑和大型工程的出现，在消防回路系统中，低压电缆已无法满足线路电压降的要求，需要一种无卤低烟阻燃A类中压耐火电缆采用二次变压的方案，在解决整个消防回路供电问题的基础上，还能同时满足相应的消防需求，在发生火灾时能在一定时间内维持电力系统的正常运行，为人员疏散和消防救援赢得更多宝贵时间。
2、产品检测指标
在现行国家标准中，规定耐火电力电缆电压等级为0.6/1kV及以下，而中压电缆的要求对绝缘的要求远高于低压电力电缆，依靠云母的电气绝缘性能无法满足中压电缆的耐火要求。没有中压耐火电缆，中压输配电场所的安全得不到保障。为规范市场，促进中压耐火电缆产品的健康发展和质量提升，国家电线电缆质量监督检验中心在2012年主持编制并发布了相关技术规范《额定电压6kV（Um=7.2kV）到35kV（Um=40.5kV）挤包绝缘耐火电力电缆》。
我公司根据此规范和相关国家标准要求，组织设计并生产出一种无卤低烟阻燃A类中压耐火电力电缆，经国家电线电缆质量监督检验中心检测，所有技术指标均满足相关标准要求，表1示出了一些重要检测指标和检测结果。
表1 无卤低烟阻燃A类中压耐火电缆检测指标
3、产品结构设计及工艺方案
3.1 设计原理
3.1.1 阻燃和耐火定义
GB/T19666-2005《阻燃和耐火电线电缆通则》中规定，阻燃指在规定试验条件下，试样被燃烧，在撤去火源后，火焰在试样上蔓延仅在限定范围内并且自行熄灭的特性，即具有阻止或延缓火焰发生或蔓延的能力。耐火指在规定的火源和时间下燃烧时能持续地在指定状态下运行的能力，即保持线路完整性的能力。
3.1.2 低压电缆耐火机理
低压电缆指额定电压在1.8/3kV及以下的电力电缆，但GB/T19666-2005《阻燃和耐火电线电缆通则》中规定耐火特性适用于额定电压0.6/1kV及以下的电缆，所以在此低压耐火电缆指的是额定电压在0.6/1kV及以下的电力电缆。
低压电缆的耐火结构主要有两种形式：第一种是在导体外直接绕包耐火云母带，当护套、铠装、内衬层及绝缘被烧光后，绕包在导体上的耐火云母带遇火焰燃烧后变成坚硬的二氧化硅壳体，二氧化硅壳体具有良好的电气绝缘性能，在着火时可在一定时间内保持线路的正常运行；第二种为采用铜护套保护的矿物质绝缘电缆，绝缘材料一般为氧化镁，铜护套和氧化镁绝缘可以保证电缆在着火时一定时间内不会被烧毁。
3.1.3 中压电缆耐火机理
低压电缆的两种耐火结构设计均为在导体外加无机耐火层，此种结构可以用于电压等级比较低的电缆，但中压电缆由于其电压等级较高，依靠云母的电气绝缘性能无法满足中压电缆绝缘要求，无法在导体外直接设置耐火层，所以考虑在成缆缆芯（单芯电缆金属屏蔽）外设置耐火层。耐火层为陶瓷化防火耐火复合带、高氧指数低烟无卤聚烯烃隔氧层料和陶瓷化低烟无卤聚烯烃耐火料组成的复合结构，外护套选择高氧指数的无卤低烟阻燃聚烯烃材料。
陶瓷化防火耐火复合带是由陶瓷化防火耐火硅橡胶和耐高温无碱玻璃纤维布压延复合而成的特种硅橡胶绕包型耐火材料。在火灾环境下（600℃～3000℃），迅速被烧成陶瓷状坚硬的完整壳体，燃烧时间越长，温度越高，壳体越坚硬，坚硬的壳体铠装对线路起到很好的保护作用，保障线路在火灾情况下的畅通。
高氧指数低烟无卤聚烯烃隔氧层料中填充大量的氢氧化铝及氢氧化镁，发生火灾时遇高温开始分解，释放出水分蒸发吸收热量，降低温度，生成的氧化物和燃烧形成的炭化物结合形成坚硬的壳体，不仅保护电缆线路不受外力伤害，还切断了氧气和热量的侵入，起到了隔离的作用。
陶瓷化低烟无卤聚烯烃耐火料是在陶瓷化防火耐火硅橡胶的基础上开发的一款高性能耐火材料，加工低烟无卤材料的普通挤出机即可使用，在火焰灼烧或者高温条件下可生成坚硬的陶瓷状硬壳，硬壳不熔融、不滴落，可抗水喷淋和机械震动，且具有非常好的隔热隔火效果，可以保证火灾情况下电力和信息控制的畅通，为人员逃生和消防救援争取宝贵的时间。
护套选用高氧指数的无卤低烟阻燃聚烯烃材料，不仅拥有良好的阻燃耐火特性，火灾条件下也不会产生有毒气体，且pH值、重金属含量、烟密度及透光率等技术指标均符合相关国家标准要求。
其余结构及材料均符合GB/T12706-2008《额定电压1kV（Um=1.2kV）到35kV（Um=40.5kV）挤包绝缘电力电缆及附件》第2部分和第3部分的要求。
3.2 工艺方案要点
3.2.1 陶瓷化防火耐火复合带绕包
陶瓷化防火耐火复合带在常态下具有良好的柔性和弹性，性能好，不易拉断，在成缆设备上绕包时应注意材料材质的特点，适当调整包带张力和绕包角度，使包带平整且服帖的包覆在缆芯上。
3.2.2 高氧指数低烟无卤聚烯烃隔氧层料的挤出
高氧指数低烟无卤聚烯烃隔氧层料中含有大量的无机添加剂，造成其工艺加工性能较差。温度过低塑料不能完全塑化，挤出压力大，材料表面粗糙有颗粒。温度过高易造成材料发泡，产生大量气孔。而且材料中的无机添加剂挤出过程中摩擦生热影响挤出温度的控制。综上所述，控制材料加工温度是重中之重。
3.2.3 陶瓷化低烟无卤聚烯烃耐火料的挤出
陶瓷化低烟无卤聚烯烃耐火料是在陶瓷化防火耐火硅橡胶的基础上研发而来，材料的加工性能和低烟无卤聚烯烃护套料比较接近，虽然可以用一般加工低烟无卤材料的挤出机进行生产，但材料中毕竟添加了大量的助剂进行改性，加工性能会稍差，所以对螺杆的结构尺寸、挤出方式和温度控制等都有较高要求。
3.2.4 挤出螺杆和模具的选配
由于以上几种阻燃耐火材料都添加了各种大量的助剂，所以挤出工艺性能比较差，建议选用低压缩比螺杆进行加工，建议压缩比为1.15～1.30:1。模具建议选用挤管式模具，若拉伸比过大，会导致护套表面质量下降，严重时甚至会造成护套脱胶，但拉伸比也不应太小，太小会影响生产效率，综合考虑建议拉伸比为2.5～3。
4、结束语
虽然现在出台了中压耐火电缆相关技术规范，很多公司也能生产出合格产品，但不同公司设计产品结构及工艺参数还是有一定差别。为达到耐火要求，耐火层设计较厚，产品外径偏大，不利于敷设安装，且电缆热量不易散发，即影响电缆载流量。下一步的研究方向是在满足相关标准要求的基础上尽量减小电缆外径，合理设计隔氧层和耐火隔离层厚度，降低电缆结构对载流量的影响。
（作者：湖北航天电缆有限公司 谢大冬 许志辉 本文刊发于《电线电缆报》2019年第47期第3版）
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