环保型矿物绝缘耐火电缆的研制
摘要
介绍了环保型矿物绝缘耐火电缆的材料、结构，通过设计矿物防火绝缘层、热固性高分子保护层、无机纤维填充料、低烟无鹵硅瓷胶隔热层、金属铠装防火层、低烟无卤环保外护层组成的复合型耐火结构，实现电缆耐火及低毒的环保性能关键词环保;低毒;耐火电缆;
一 引言
随着我国三大都市圈的形成及国家层面的调结构，去产能政策的推进，经济较活跃地区的地铁，发电厂，核电站，道等重要工程设施和高层建筑，智能小区，大型超市，公共场所等人员密集场合越来越多，这些场所要求的耐火电缆不仅仅具有一般的耐火功能，因为在公共场所火灾中，80％的人员伤亡是因为吸入了燃烧时产生大量的烟雾或有毒气体造成的，而烟雾也不利于人员的疏散，因此，对于该场合的电缆还要求具有低烟无卤，高透光率及低毒的特性。鉴于以上现场要求及GB50217-2007《电力工程电缆设计规范》中第7款:电缆防火与阻止延燃的规定，环保型矿物绝缘耐火电缆应运而生。本文将介绍环保型矿物绝缘耐火电缆的结构分析，材料组成，制造工艺及相关试验，重点介绍了低烟无卤硅瓷胶隔热层及金属铠装防火层的生产工艺。
二 电缆设计
1结构分析
环保型矿物绝缘耐火电缆的结构是由其在耐火环境中所要求的电气性能、耐火性能、低烟无卤性能及低毒性所决定的，该电缆的结构由铜导体、矿物绝缘防火层、热固性高分子保护层、无机纤维填充料、低烟无硅瓷胶隔热层、金属铠装防火层、低烟无环保外护层等组成(见图1)\
图1环保型矿物绝缘耐火电缆结构图 1-导体 2-矿物绝缘防火层 3-热固性高分子保护层 4-无机纤维填充 5-低烟无卤硅瓷胶隔热层 6-金属铠装防火层 7低烟无环保外护层
环保型矿物绝缘耐火电缆的导体采用紧压型圆形导体，表面光滑，有利于矿物绝缘防火层紧密绕包，可减少燃烧时的氧气含量，能有效的抑制火焰的穿透，保证电路的完整性。因矿物绝缘防火层易于吸潮，在潮湿的环境中电性能大打折扣，为了适应潮湿的环境，在矿物绝缘防火层上挤包一层高分子保护层，极大的增强了该环保型电缆的电气性能及适应能力。
电缆线芯成缆时，中心填充无机纤维填充绳及后续的挤压低烟无卤硅瓷胶隔热层，有利于减少电缆整体的空气含量，可显著的提升电缆的阻燃、耐火性能。
外层采用连锁铠装防火层及低烟无卤环保型外护套，在增加电缆整体柔软性的同时，提高了该环保型矿物绝缘耐火电缆的低毒性能。
2材料组成
环保型矿物绝缘耐火电缆的结构主要是由铜导体、矿物绝缘防火层、热固性高分子保护层、无机纤维填充料、低烟无卤硅瓷胶隔热层、金属铠装防火层、低烟无卤环保外护层等组成，其中矿物绝缘防火层、无机纤维填充料、低烟无卤硅瓷胶隔热层、金属铠装防火层、低烟无卤环保外护层构成环保电缆的复合防火层，以下主要介绍该复合防火层的材料构成。
(1)矿物绝缘防火层:无机矿物绝缘层采用合成云母带(氟金云母带)该云母带是以氟离子代替烃基，不含结晶水，熔点1375℃，安全裕度大，具有天然云母带的特性:即膨胀系数小、介电强度大、电阻率高和介电常数均匀以外，还具有耐热等级高的特性，完全满足(950C-1000℃)的要求，厚度范围为0.08-0.20mm，最大供应宽度为920mm，可达到日常普通设备工艺要求。
(2)无机纤维填充料:该填充料具有耐高温、超柔软、比重轻、强度大等特点，不含卤素，石棉、玻纤等有害物质，燃烧时发烟量少，符合环保阻燃的要求
(3)低烟无硅瓷胶隔热层:低烟无鹵硅瓷胶材料是以硅瓷胶为基料及载体加入无机纳米硅粉状耐火填充剂，陶瓷化添加剂以及各种助剂复合而成，经过捏合、混炼，制成可供模压或挤出成型的胶料。其中，硅瓷胶基体主要提供复合材料的力学性能及工艺性能，其燃烧后的灰烬作为隔热耐火层，耐火填充剂是复合材料的主要隔热耐火层;陶瓷化添加剂保证硅瓷胶基体燃烧灰烬和耐火填料在燃烧过程中不脱落，仍然具有一定的力学强度，并促进 陶瓷层的形成，提高陶瓷层的力学强度和电气绝缘性能;各种助剂主要包括结构控制剂，催化剂，偶联剂等。
陶瓷化硅瓷胶是利用火灾发生时的高温使硅瓷胶燃烧后形成的残余灰烬形成一层具有一定力学强度的绝缘耐火陶瓷层，利用形成的这层陶瓷层有效地保护陶瓷层内部的绝缘线芯的电气性能，从而保证耐火电缆在火灾中的正常工作。陶瓷化耐火硅瓷胶的分解过程如下：
低烟无鹵硅瓷胶隔热层采用挤压式模具将材料填充到线芯缝隙中，选用填充有大量水合氧化物的无卤阻燃材料，水合氧化物被燃烧时吸收周围空气中大量的热量，降低电缆表面的温度;释放出的水分子蒸发也可以吸收大量的热量，形成的水蒸气可以冲淡电缆周围氧气的浓度，在350℃及以上火焰或无焰条件下开始变硬， 最高可达3000℃。随着温升高，迅速被烧成完整的陶瓷状坚硬壳体，烧蚀时间越长，温度越高，壳体越坚硬牢固。
因该材料具有隔热、降温，受热后结壳的效果，燃烧后生成的坚硬壳体包覆在缆芯上，隔绝火焰和热量向电缆内部传递和蔓延，对绝缘线芯形成很好的保护作用，保障线路在火灾条件下的畅通。
4)铠装:铠装层采用镀锌钢带，双层连锁绕包，该形式的铠装方式，可提高电缆的整体柔软性，有利于工程现场的敷设安装。
铠装层可以起到阻挡火焰向电缆内部蔓延的作用，但不能完全地阻隔热量向内部传递，因此需要低烟无卤硅瓷胶隔热层和矿物绝缘防火层的协同作用来抵挡热量，以达到防火的目的。
5)外护套:选用填充有水合氧化物的无卤阻燃材料，应有隔热、降温，发烟量少及低毒的效果，并有较高的氧指数。
通过矿物绝缘防火层，无机纤维填充料，低烟无硅瓷胶隔热层，铠裝和外护套的共同作用，实现电缆在火焰条件下一定时间内稳定持续地供电的目的。
制造工艺及试验
1重要工序
该产品的耐火环保性能是由它的复合防火结构决定的，以下主要介绍防火复合结构的重要工序。
(1)导体工艺:导体是保证电性能的主要载体，为保证产品电性能的要求，应采用无氧铜拉制的铜丝进行绞合，绞合后稍有紧压，紧压系数控制在0.85-0.88之间，表面光洁，无毛刺、锐边，有利于后工序合成云母带的绕包。
(2)合成云母带绕包:不同规格的电缆绕包时应选择合适宽度的云母带，现场绕包时应控制好绕包张力，角度及重叠率，保证绕包后表面平整，贴合紧密，无褶皱、翻边及云母粉脱落现象。
(3)低烟无卤硅瓷胶隔热层及外护套的挤包:
该材料粘度大，流动性差，生产时须用低圧缩比的专用螺杆，为了达到外观圆整的效果，低烟无卤硅瓷胶隔热层生产时可使用挤压式模具一次成型，使胶料填充到线芯间隙中，保证线芯与隔热层紧密结合。实际生产时应控制螺杆转速及挤出温度，防止因挤出过快产生局部燥热，影响隔热层及护套的防火性能
(4)连锁铠装防火层:金属铠装防火层采用螺旋连锁铠裝的形式生产，实际生产时要合理控制导板的角度及模具位置，导板角度一般控制在6°-8°之间，不宜超过15°，角度过大会使连锁铠裝带重叠率宽度减小，现场施工弯曲时，会出现金属连锁铠带分离，弯曲恢复后连锁铠装无法复原的情况发生，影响电缆的柔性功能;安装模具时，须将模具中心孔与电缆的中心位置对齐，并且与连锁铠装金属带保持水平一致，否则，铠装带在高速运行时，因螺旋的连锁铠裝带受力不均而产生断带现象，使连锁铠装失去防护作用。采用该螺旋连锁铠裝的结构，实际工程安装时，电缆的最小弯曲半径可达到7D(D为电缆外径)。
结语
环保型矿物绝缘耐火电缆通过矿物绝缘防火层、无机纤维填充料、低烟无卤硅瓷胶隔热层、金属铠装防火层、低烟无卤环保外护层构成环保电缆的复合耐火
层不仅能通过BS7846:2009的耐火试验，亦能满足GA306.2-2007中烟气毒
性、耐腐蚀性(PH值、电导率)及烟密度的要求，做到了安全、环保的要求。