低烟无卤阻燃耐火高压电力电缆的研制.pdf

第 4 0 卷 ， 第 2 期 2 0 1 4年 4月 安 徽 化 工 ANHU I C HEMI C AL ! DUS T R Y V o 1 4 0 N o 2 AD r 2 0 l 4 低烟无卤阻燃耐火高压电力电缆的研制 居 盛文 ( 安徽江淮电缆集团有限公 司， 安徽 无为 2 3 8 3 7 1 ) 摘要： 根据高压电力电缆应具备低烟、 无卤、 阻燃 、 耐火等性能要求 ， 介绍了低烟无卤阻燃耐火高压电力电缆的结构设计 、 材料选择及关 键生产工艺控制等主要内容。 关键词： 低烟； 无卤； 阻燃； 耐火； 高压电力电缆 d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 8 - 5 5 3 X 2 0 1 4 0 2 0 1 4 中图分类号： T M2 4 6 9 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 8 5 5 3 X( 2 0 1 4 ) 0 2 0 0 3 6 0 4 低压耐火电力电缆的应用越来越广泛， 但通常由于 种种原 因， 造成 电缆运行时短路击穿而引起火灾 ， 火势 沿电缆线路蔓延， 加大了火灾的危害性。且我国目 前大 多数低压耐火电力电缆绝缘和护套均采用阻燃聚氯乙 烯材料 ， 其在造粒加工过程中， 必需加入铅盐等重金属 化合物作为稳定剂， 使用大量含氯、 溴等卤元素作为阻 燃剂。电缆在使用过程中万一发生火灾， 其燃烧时会产 生大量的烟雾、 一氧化碳、 氯化氢等有毒气体， 严重影响 人员疏散并给火场抢 险救灾带来很大 困难 ，对人员生 命、 财产设备构成严重伤害， 且这些材料的大量使用， 在 周期报废后 ， 仍然对环境造成严重污染。 另外 ， 由于国民 经济建设的高速发展， 用电、 用能设施的大量使用， 导致 用电负荷成倍增加。如果按照惯例采用 1 K V及以下低 压耐火电缆进行配电， 其电缆用量及敷设安装工作量较 通常成数十倍增长， 电缆敷设空间也成几倍增大， 既耗 材又耗能 ， 且建筑物中电缆敷设过多过密 ， 也会带来火 灾隐患。 鉴于此， 用 6 - 3 5 K V高压耐火电力电缆作为线路供 电或作为应急输电线路被提出， 同时要求高压耐火电力 电缆还应具有低烟无卤阻燃等特性。例如： 原煤炭部明 文规定在矿中必须使用阻燃耐火电缆； 地铁、 核电站、 化 工等特殊部门或场合要使用低烟无卤阻燃耐火电缆； 原 国家建设部也发布了 电力工程设计规范 ， 其中明确规 定电缆多根密集敷设时应选用阻燃耐火电缆或低烟无 卤阻燃耐火电缆。 1电缆结构设计 1 1总体结构 电缆的总体结构设计主要考虑： 为了使电缆的耐压 等级达到 6 - 3 5 k V， 必须采用内屏蔽、 绝缘、 外屏蔽三层 一 体的结构和三层共挤技术； 电缆还应具有低烟、 低毒 、 无 卤、 阻燃等特性 ； 为了保证电缆在着火的情况下仍 能 持续供电， 电缆应具有耐火、 防火特性。 针对以上几点考虑 ，公司研发人员经反复研究 、 试 验 ，最后确定研制低烟无 卤阻燃耐火高压 电力 电缆 ， 通 过在经绞合成缆的高压交联线芯外设置绝热层 、 阻燃降 温隔氧层、 挡火层和外护套层的组合结构， 来实现电力 电缆的低烟无卤阻燃耐火耐电压特性。 陶瓷化硅橡胶的 内绝热层与结壳型聚烯烃的外隔氧层及挡火层构成的 组合耐火层， 有效地解决了高压耐火电缆在燃烧环境即 有氧 、 高温条件下对 电缆 内部保护不足 ， 而导致 高压耐 火电力 电缆线芯短路的技术难题。 电缆结构层次为导体屏蔽、 交联聚乙烯绝缘和绝缘 屏蔽层三层共挤于导体上； 绝缘屏蔽层外重叠绕包一层 铜带屏蔽层 ； 三根绝缘线芯绞合成缆， 缆芯间填充玻璃 纤维绳； 成缆外为绝热层， 由重叠绕包二层的陶瓷复合 带和挤包的陶瓷化硅橡胶耐火层构成 ； 绝热层外是阻燃 降温隔氧层 ， 由挤包低烟无卤阻燃隔氧料构成； 阻燃降 温隔氧层外 的挡火层 由重叠绕包二层 的陶瓷复合带 和 间隙绕包二层的钢带铠装构成 ； 铠装外挤包低烟无 卤阻 燃聚烯烃护套料。 收稿 日期 ： 2 0 1 3 1 2 2 0 作者简介： 居盛文( 1 9 7 8 一 ) ， 男， 电线电缆检验技师， 质量工程师， 从事电线电缆的研发工作， 1 3 8 6 5 4 1 8 5 4 1 ， j s w - j h 1 6 3 c o m 。 居盛文： 低烟无卤阻燃耐火高压电力电缆的研制 3 7 1 。 2 导体结构 导体采用无氧铜丝紧压绞合而成 ，表面应光滑 、 无 毛刺 ， 各绞层绞 向应相反 ， 最外层绞线节距应不 大于绞 合外径 的 1 4倍 。 1 3 绝缘结构 绝缘结构采用中高压 电缆常用的内屏蔽 、绝缘 、 外 屏蔽三层共挤技术 ，其绝缘层厚度按 G B T 1 2 7 0 6 2 0 0 8 标准中相对应的电压等级要求确定。 1 4 屏蔽结构 屏蔽结构采用厚度为 0 1 0 0 1 5 mm软铜带 ， 分相重 叠绕包在绝缘外半导电屏蔽层上 ，搭盖率应不小于 1 5 。 1 5 绝热层结构 绝热层选用性能优 良的 陶瓷复合带 和陶瓷化硅橡 胶组合形式， 此种材料制成的耐火保护层在常温下具备 了硅橡胶弹性好的特性 ， 且具有无毒 、 无味、 耐高低温、 耐臭氧老化 、 耐候老化及优 良的电绝缘性能 ， 同时具备 良好的加工性能 ， 在 一 4 0 C 一 2 0 0 C 左右能保持软 电缆状 态 ， 在火焰侵袭 温度达 3 0 0 o C以上时 ， 可 由原来 的柔软 状态变为硬性的海绵陶瓷体， 变硬后耐火保护层内部产 生空穴， 有利于保温， 这种海绵陶瓷体具有显著的耐火 和阻隔高温的作用 ，从而有效地保护电缆的 内部结构 ， 使之不发生机械变化和电性能变化。 1 6 阻燃降温隔氧层结构 阻燃降温隔氧层是以聚烯烃为基体捏合了大量的 氢氧化镁或氢氧化铝阻燃剂，其阻燃降温隔氧原理如 下 ： 一是氢氧化物被燃烧时会吸收周围空气 中的大量热 量 ； 二是燃烧产生的水分子在蒸发过程 中也需要吸收大 量热量，吸收热量的过程中就可降低燃烧时的温度； 三 是经燃烧后产生 了不溶不熔 的金属氧化物硬壳 ， 可有效 阻止氧气与有机物的接触 ， 达到阻燃 隔氧的 目的。 1 7 挡火层结构 挡火层由陶瓷化复合带和金属钢带组合构成， 二层 陶瓷复合带重叠绕包外加二层金属钢带紧密绕包于阻 燃 降温隔氧层上 ， 金属钢带可以挡住炙热的火焰进一步 损 害电缆 ， 紧密重叠绕包 的陶瓷复合带可使 电缆内部结 构稳定。 1 8 低烟无 卤阻燃护套层结构 外护套层为低烟无卤阻燃聚烯烃材料， 在阻燃聚烯 烃材料加人无卤阻燃剂金属水合物 M g ( O H ) ： 和 A I ( O H) ， ， 此金属水合物具有填充、阻燃及发烟抑制三重功能 ， 它 受热分解放 出结 晶水 ， 可吸收大量 的热量 ， 并 可以形成 一 个不熔不燃的硬壳 ， 从而隔绝 可燃物和氧气的充分结 合 ， 阻止火焰进一步燃烧 ， 减弱燃烧时的传热 ， 从 而起 到 阻燃作用。又因聚烯烃是无卤材料 ， 燃烧时不产生明显 的烟雾和有害气体，且此种材料一般以无机阻燃剂为 主 ， 并添加其它消烟剂如八钼酸铵 ， 抑烟及协同阻燃效 果明显。 通过上述材料组合 ， 达到了低烟无卤阻燃的效果 。 2关键生产工艺的控制 2 1绝热层与阻燃降温隔氧层厚度设计工艺 高压耐火电力 电缆 的耐火特性 主要与各耐火层厚 度有着密切关系，但厚度太厚既会使产品的外径增大， 也会造成材料浪费 。 考虑到此产品属电力电缆产品范畴， 开始我们按电 力电缆产 品外护层标准 G B T 2 9 5 2 3 2 0 0 8进行设计 。因 绝 热 层 前 的成 缆 外 径 近 6 8 mm，按 标 准 G B T 2 9 5 2 3 - 2 0 0 8选取 内衬层厚度应是 2 0 m m，考虑到绝热层应 具有绝热耐火作用 ， 设计绝热层厚度为 3 0 m m 。阻燃降 温 隔 氧 层 挤 出 前 直 径 近 7 5 mm，按 标 准 G B F F 2 9 5 2 3 - 2 0 0 8选取 内衬层厚度应是 2 3 m m，考虑到阻燃降温 隔氧层应具有隔氧降温作用，设计该层厚度为 3 5 ra m。 产品试制后便委托上海电缆研究所 国家 电线电缆质量 监督检验 中心检测 ， 其它性能均合格 ， 但耐火性能未通 过用户要求的火焰温度 7 5 0 8 0 0 ， 单喷灯， 耐火 3 小 时的要求， 检测的实际耐火时间只有 2 小时。 我公司也用剩余的样品针对电缆的耐火特性进行 了试验： 第一根样品： 按 3 小时耐火试验， 结果到 1 6 5 分 钟是黄色线芯出现短路击穿 ， 经对电缆解剖后发现三根 绝缘线芯均熔化变形 ； 考虑到时间过长( 通常标准要求 最低 9 0 mi n ) ；第二根样品 ：按 9 0 m i n耐火试验 ，结果 9 0 ra i n 耐火通过， 未出现击穿现象， 但对电缆解剖后发 现三根绝缘线芯还是出现了不同程度的熔化； 第三根样 品 ： 考虑到第一根样 品 3小时内出现击穿 ， 决定再按 3 小 时耐火试验一根样 品， 结果试样虽通过了 3小时耐火 试验 ， 但对 电缆解剖后发现i根绝缘线芯也出现熔化变 形现象 。 针对上缆所检验结果 和我公司三次检验情况综合 分析原 因认 为 ： 绝热层 和阻燃降温隔氧层的厚度设计不 合理 ， 导致其未起到应有 的作用 ， 造成电缆的耐火时间 未满足用户要求。最后经综合参考比较， 确定将绝热层 和阻燃降温隔氧层的厚度按外护层厚度进行设计，即： 绝热层 和阻燃 降温隔氧层的厚 度 8= 0 0 3 5 D + 1 0 ( mm ) ， 如前所述绝热层前的成缆外径近 6 8 ra m， 按此公式计算， 其厚度应是 3 4 m m，考虑到绝热层应具有绝热耐火作 用， 设计绝热层厚度为4 5 m m。阻燃降温隔氧层挤出前 直径近 7 8 m m， 按此公式计算 ， 其厚度应是 3 8 m m， 考虑 3 8 总第 1 8 8期 2 0 1 4年第 2 期( 第 4 0卷) 安 徽 化 工 到阻燃降温隔氧层应具有隔氧降温作用， 设计该层厚度 为 5 0 m m。产品试制后 ， 首先我公司按 3小时耐火进行 了试验， 结果未出现击穿现象， 并对电缆解剖后发现阻 燃降温隔氧层形成坚硬的壳，紧紧地包裹于绝热层外。 打开阻燃降温隔氧层发现： 绝热层刚受到火焰温度的烘 烤 ， 对着火焰 的部分开始变软 ， 但还没被燃烧 ， 依然紧紧 地包裹在绝缘线芯外。打开绝热层发现 ： 三根绝缘线芯 均未受到热量的烘烤， 外形和原始状态一样。同时将试 制好的样 品委托上海 电缆研究所 国家电线电缆质量监 督检验中心检测 ， 各项性能优越 ， 特别是耐火性能通过 用户要求的火焰 温度 7 5 0 8 0 0 o C， 单 喷灯 ， 耐火 3小时 的要求， 且电缆经 1 5 m i n 冷却后， 通电 3 5 U 。 ， 1 5 m i n 耐压 试验 ， 电缆也未出现击穿。 2 2 陶瓷化硅橡胶挤出工艺 考虑到此产品的特殊性 ，线芯应尽量避免与水接 触， 因此， 选用电加热烘箱式硅橡胶挤出生产线， 将电加 热烘箱第一段温度设定在 1 7 0 C 左右， 第二段温度设定 在 1 7 5 左右， 第三段温度设定在 1 7 5 oC 左右， 第四段温 度设定在 1 8 0 左右 ，最后段设定在 2 6 0 C 左右开始加 热， 确保挤制的产品断面无微孔， 纵向没有气泡产生。 但 若有气泡产生， 首先应将第一、 二段的温度降低 5 1 0 后 ， 再逐段降温 5 1 O ， 直至无气泡产生为止 。 陶瓷化硅橡胶挤出时要求采取冷挤， 因此对挤出机 的螺杆 、 机头、 机身的冷却装置进行了调整， 确保各温度 低于 3 0 ， 以免出现 自硫而堵塞机头。对出现的挤出表 面粗糙不光滑情况， 采取调整挤出模套与模芯之间的距 离 ， 同时挤出的胶料要略微大于成品线的直径， 模套要 较普通硅橡胶 电缆略微小一些 。 对模套的定径区的长度 进行调整 ， 小截面电线定径区长度为 1 53 ram， 大截面 电缆定径区长度为 25 mm。 同时， 加大收放线牵引的张 力， 确保收放线匀速平稳。 它硅橡胶进行清理， 以免电缆在经高温燃烧后 ， 其它硅 橡胶被烧成粉末而造成击穿。 2 3 阻燃降温隔氧料挤出工艺 低烟无 卤阻燃隔氧料是以聚烯烃为基材 ， 因只是作 为填料出现不考虑其机械性能 ， 所 以加入特种无卤阻燃 材料及各种助剂份数相对较多。 挤出时可采用低压缩比 螺杆加工 ， 其挤 出速度与一般 P V C塑料相 比低一些 ， 但 挤出机的加热和冷却系统必须正常稳定， 温度可以自动 控制 ， 以避免融体温度超过容许限度， 挤出机各区温度 设定不宜超过 l 6 0 。温度设定可由机身一区 1 2 0 C向 机头 5 左右缓慢升高 ， 确保挤 出的阻燃降温隔氧层塑 化良好 ， 外观圆整光滑。 2 4低烟无卤外护层挤 出工艺 在护套挤 出中 ，我们在普通挤出机上进行试制 ， 挤 出过程中出现挤出表面毛糙 ， 护套 中出现 了大量微孑 L 的 现象， 我们对其进行了分析， 选择了长径比L D为 1 4的 混合螺杆挤出机 ， 并采用进 口温控装置进行加热和恒温 测定 。另外 ， 挤 出机的冷却装置因低烟无 卤阻燃聚烯烃 材料含有一定的填充物，在挤出过程中会磨擦生热， 产 生分解现象 ， 这就要求挤 出机要有较好的冷却装置才能 保证稳定地控制工艺温度。因此， 我们对挤出机的冷却 装置也进行了调整。低烟无卤阻燃聚烯烃材料在直径 1 5 0挤 出机上 ， 当螺杆转速超过 2 0 r mi n时 ， 即使在较低 的挤出温度下也会造成无卤阻燃剂分解 ， 导致挤出表面 毛糙 ， 而且在这种情况下 ， 对于只有风冷 的挤 出设备来 说， 其工艺温度难以控制， 温度会一直往上升。 我们通过 多次生产实践，最终对挤出机的冷却设备进行了改进， 把风冷系统改为水冷系统 ， 顺利解决了工艺温度难 以控 制的弊端。 3产品主要性能指标 我们研制的低烟无卤阻燃耐火高压电力电缆， 经上 另外， 鉴于此种硅橡胶与其它硅橡胶不相容 ， 混炼 海电缆研究所国家电线电缆质量监督检验中心检测， 各 胶时和挤出时均要对炼胶机 、 喂料口、 螺杆及机头的其 项性能符合或超过国内外相关产品的规定， 同时符合使 表 1 耐火 电缆产品 比较 ( 下转第 4 2页) 4 2 总第 1 8 8期 2 0 1 4年第 2 期( 第4 0卷) 安 徽 化丁 抽出位置。本装置在第 8 块理论板处抽出， 接近塔内氨 峰最高点。 3 1 c j 。 ： 一H 2 s ： - ： - 5 I 1 ： ： f ： ，矿 一 一 i L0 - k 一 打简 鬲 盘 昔 符 菇 商 。妇 舢 图 2汽提塔内硫化氢分布图 1 _ J r -一一 t ； ： ；： 一 ! j j 一一 I 上 上 j -一 ” ” 图 3汽提塔内氨分布图 2结束语 ( 1 ) A s p e n P l u s 流程模拟软件可以对酸性水汽提塔 进行模拟分析， 为汽提塔的设计提供指导。 ( 2 ) 通过模拟分析可知， 影响汽提塔能耗的关键是 冷热进料 比例及汽提塔侧线抽出量 。 要选择适宜的冷热 进料比例及侧线抽出量， 既保证净化水质量， 又降低汽 提塔能耗。一般情况下 ， 汽提塔冷进料约占其总进料 的 2 0 左右 ； 侧线抽 出量约为总进料量的 1 0 左右 。但随 着净化水中氨氮含量指标的降低 ( 由8 0 m g k g 降低到 4 0 m g k g ) ， 侧线抽出量有所增加 。本例 中侧线抽出量约 占汽提塔总进料 的 1 1 5 。 ( 3 ) 汽提塔侧线抽出位置应在塔内氨峰附近， 偏离 氨峰越远， 侧线抽出的氨浓度越低， 使得进入塔底净化 水的氨含量增加 ， 导致净化水不达标。 一般情况下 ， 侧线 抽出位置约在第 9 1 2 块理论板 ( 总理论板为 3 0 块) 。 随着原料水中氨及硫化氢浓度的增大 ， 侧线抽出位置有 所降低。 参 考 文 献 徐义明， 王佳兵 A s p e n P l u s 软件模拟及优化酸性水汽提塔眦 广东化工， 2 0 1 2 ( 1 ) ： 1 2 5 1 2 6 ， 1 3 4 【 2 李爱仙8 0 t h酸l生水汽提装置工艺设计剖析 f J J 硫磷设计及 粉体工程， 2 0 0 4 ( 2 ) ： 3 0 3 3 3 孙兰义主编化工流程模拟实训一A s p e n P l u s 教程 M 北京 ： 化 学工业出版社 ， 2 0 1 3 4 任龙， 刘忠生 炼厂酸胜水汽提装置常出现问题及解决方案 当代化工， 2 0 0 6 ( 4 ) ： 2 7 6 2 7 9 口 ( 上接第 3 8页) 用要求。电缆既具备优良的电气性能， 同时又具有优越 的低烟无卤阻燃耐火特性， 其与同类耐火电缆产品比较 见表 l 。 产品主要性能指标如下 ： A 、 绝缘耐温等级达 9 0 c【= ， 短路温度达 2 5 0 0 12 ， 提高 了电缆载流量和抗热击穿能力 ； B、 通过 G B T 1 8 3 8 0标 准 A类成束燃烧试验 ， 烧损 长度只有 0 5 6 m； C、 阻燃性能好 ， 外护套材料氧指数达 4 0 ； D 、 电缆毒性指数低( N E C 7 1 3 ) 为 0 5 ； E 、 电缆燃烧产生的烟雾少， 透光率高， 基本无腐蚀 性气体。透光率达 8 8 ， 烟气腐蚀性： p H值为 8 2 ； 电导 率： 0 3 8 s m m； F 、 电缆经 1 7 3 U 。 进行局部放电试验， 放电量不大 于 5 p C； G、 电缆按 G B T 1 9 2 1 6进行耐火特性试验 ， 电缆在 额定 电压下 ，经 7 5 0 8 0 0 c 【 = 燃烧 1 8 0 rai n和经 1 5 mi n的 冷却，试验期间熔动器未断，也未发生电缆短路现象， 1 5 mi n冷却后 ， 施加 3 5 U 。 、 1 5 mi n耐电压试验 ， 电缆也未 出现击穿。 4结束语 低烟无 卤阻燃耐火高压电力 电缆主要应用于发 电 站、 热电厂 、 核电站、 隧道、 高层建筑的供 电系统 ， 以及地 铁 、 医院、 商场 、 剧院、 城市广场等人员密集场所的应急 供电系统中， 具有优良的低烟、 无卤、 阻燃 、 耐火、 高电压 等特性， 是一种安全可靠的动力线路和应急线路用电缆 产品， 符合国家环保要求及产业政策和发展方向， 属新 型的环保类 电缆新产品和国内外急需的高新技术产 品。 该产品已获国家实用新型专利证书 ( 专利号 ： Z L 2 0 1 2 2 0 3 2 4 0 7 6 6) 口