通信电源用软电缆交联、无卤、阻燃化趋势分析.doc

通信电源用软电缆交联、无卤低烟、阻燃化趋势

摘 要： 本文主要针对通信电源用软电缆市场需求及其技术发展状况进行了简要的介绍，并着重阐述了通信电源用电缆随着高分子材料技术的发展应用，电缆的安全使用寿命和耐环境性能得到较大提升，以及电缆的绝缘层电子辐照交联和绝缘、护套材料无卤低烟、阻燃化技术发展趋势。
关键词： 通信电源 软电缆 交联 无卤低烟 阻燃化趋势

0 引言
根据国家信息产业的发展规划，以及通信运营商4G牌照的取得和铁塔公司的组建成立，4G通信网络的建设对通信电源用软电缆的需求将有一个跳跃式地增长。原有的通信基站(或机房)中使用的阻燃耐火软电缆因为产品性能落后、绝缘护套材料不环保、使用寿命短等原因，将面临着产品更新。2014年10月14日，随着《YD/T 2761-2014 通信电源用交联聚烯烃绝缘电缆》标准的颁布实施，预计有着更多优越性能的交联聚烯烃绝缘电缆将逐步替代通信电源用阻燃耐火软电缆。

1 通信电源用软电缆的市场前景
据中国移动发布的产品集中采购公告显示，2014年通信用电力电缆需求72180公里，预计采购金额为23.8亿元，对比2009年发布的公告需求电力电缆20719公里，年平均增长率为36.6%；中国电信2014年8月20日发布的产品集中采购公告显示，2014～2015年度通信用电力电缆需求为15691公里，对比2013年需求的12780公里，年增长率为22.8%；据中国联通相关信息，2014年采购通信用电力电缆约为25000公里。2014年通信运营商电力电缆采购金额约为40亿元，市场需求年增长率超过20%，市场前景值得期待。
从市场的实际情况来看，因通信电源用软电缆具有的特殊性能，现此产品在通讯领域已广泛使用，不仅应用在移动、联通、电信等通信运行商，同样在华为、中兴、阿朗、诺西、大唐、普天等公司制造地通信设备中广泛使用，随着4G网络的发展，通信容量扩增，带动上述通信设备制造商快速发展。TD-LTE和FDD-LTE两种模式的普遍实施，4G通信网络的建设将大力发展，建设4G网络需要大量的基站和IDC数据处理机房。同样，需要大量的高品质通信电源用电缆，市场需求可观。

2 通信电源用软电缆技术发展状况
1993年，江苏常熟电线厂受上海电信局委托进行阻燃软电缆产品研制。经过近一年研究，电缆用特种阻燃聚氯乙烯绝缘料和护套料开发应用，通信电源用阻燃软电缆研制成功，并在上海电信局云南路分局试用合格，逐步替代了日本进口的同类产品。
1996年，热塑性无卤低烟聚烯烃电缆料的研制成功，江苏常熟电线厂的通信电源用耐火软电缆产品面世，并在全国电信系统推广应用。同年12月，申请了通信电源用阻燃软电缆和通信电源用耐火软电缆发明专利。通信电源用耐火软电缆产品图片见图1：

图1 通信电源用耐火软电缆产品图片
2001年12月11日，中华人民共和国信息产业部批准并实施了《 通信电源用阻燃耐火软电缆 》通信行业标准，标准号为YD/T 1173-2001，规定了电缆的应用规范、分类与命名、要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输及储存。
2010年12月29日中华人民共和国工业和信息化部发布修订了《 通信电源用阻燃耐火软电缆 》标准，新标准号为YD/T 1173-2010，2011年1月1日实施。
2011年以来，中国电信研究所对通信电源用电力电缆提出更高的要求，迫切需要电缆绝缘层交联技术应用在通信基站的电源系统中，工业和信息化部相继发布实施了一系列通信电源用电缆新标准，具体情况见表1通信电源用电缆标准发布和实施情况：
表1、通信电源用电缆标准发布和实施情况
标准名称项目内容
通信电源用
阻燃耐火软电缆
通信用
铜包铝电源线
通信电源用
光伏电缆
通信电源用交联
聚烯烃绝缘电缆
标准编号
YD/T 1173-2001
YD/T 2320-2011
YD/T 2337-2011
YD/T 2761-2014
实施时间
2001-12-11
2011-06-01
2012-02-01
2014-10-14
发布单位
信息产业部
工业和信息化部
工业和信息化部
工业和信息化部
标准更新状况
YD/T 1173-2010
暂未更新
暂未更新
暂未更新
由于采用导体材料和绝缘护套材料对电缆的成本、产品特性、使用环境影响较大，表2列出了工业和信息化部相继发布实施了一些通信电源用电缆标准原材料要求、产品特性、应用环境等对比情况：
表2、通信电源用电缆标准原材料要求、产品特性、应用环境等对比情况
标准名称
项目内容
通信电源用
耐火软电缆
通信电源用
耐火软电缆
通信用
铜包铝电源线
通信电源用
光伏电缆
通信电源用交联
聚烯烃绝缘电缆
导体材料
裸铜线或
镀锡铜线
裸铜线或
镀锡铜线
铜包铝线
镀锡铜线
裸铜线或
镀锡铜线
绝缘材料
阻燃聚氯乙烯
无卤低烟
阻燃聚烯烃
聚氯乙烯
或聚烯烃
无卤低烟阻燃
可交联聚烯烃
可交联聚烯烃
护套材料
阻燃聚氯乙烯
无卤低烟
阻燃聚烯烃
聚氯乙烯
或聚烯烃
无卤低烟阻燃
可交联聚烯烃
可交联聚烯烃
或聚烯烃
最高电压等级
DC 1500V
AC 600/1000V
DC 1500V
AC 600/1000V
DC 1500V
AC 600/1000V
DC 1800V
AC 600/1000V
DC 1800V
AC 600/1000V
常见规格mm2
1芯1.5～500
多芯1.5～300
1芯1.5～500
多芯1.5～300
1芯1.5～500
多芯10～400
1芯1.5～35
1芯0.5～400
多芯0.5～300
最高工作温度
70℃
70℃
70℃
90℃
125℃
最小弯曲半径
≥6D(外径)
≥12D(外径)
≥6D(外径)
≥15D(外径)
≥15D(外径)
使用年限
≥20年
≥20年
≥20年
≥40年
≥40年
RoHS 要求
未作要求
未作要求
明确要求
明确要求
明确要求
3 通信电源用交联聚烯烃绝缘电缆交联技术成熟性和产品可靠性
电缆交联技术自上世纪五十年代在美国诞生以来，已得到普遍应用。聚烯烃经过交联可大大提高其拉伸性能、耐热性、耐环境性能、尺寸稳定性、耐磨性及耐化学稳定性等。聚烯烃交联常见的有三种方式：辐照交联、(干式)化学交联、温水化学(硅烷)交联。交联度不同，其力学性能也不同，低度交联的聚烯烃仍可具有热塑性，受热变形不利于电缆在高温中使用，所以绝缘层的交联度是交联聚烯烃绝缘电缆的一个关键指标，当聚烯烃的交联度达到一定数值时就形成三维网络结构，成为热固性材料。聚烯烃的交联度通过添加交联剂的剂量或辐照剂量来控制。聚烯烃分子链经交联三维网络结构示意图见图2：

图2 聚烯烃分子链经交联三维网络结构示意图
由于聚烯烃材料交联后相对比较硬，生产出来的交联电缆弯曲性能较差，材料制造商在聚烯烃树脂中掺入EVA (乙烯-醋酸乙烯共聚物)热熔胶等改性材料，材料的柔软性明显提高，但绝缘材料介电常数ε值明显变大，所以此类材料只适用于10kV以下中低压电缆绝缘制造，而且电缆绝缘交联方式只能采用电子辐照方式生产，现已广泛的应用于核电领域中。
中高压电缆交联一般采用化学交联(干式加压)方式，化学交联设备占用空间较大，具有能量消耗较高、工序流程长、交联速度缓慢等特点。低压交联电缆一般采用温水化学(硅烷)交联方式。近年来，随着高分子绝缘材料配方技术的发展，出现了聚烯烃自然化学交联的方法。但阻燃型电缆交联因温水或蒸汽长时间高温浸泡破坏了阻燃剂性能结构，必须采用电子辐照交联方式生产。辐射交联设备占用空间小、能量消耗低、交联速度高、生产更为方便。交联技术应用根据电缆的性能要求、电压等级、绝缘材料、生产设备采取的工艺方式各异，电缆的交联方式、交联剂、交联媒介、关键设备等基本情况汇总见表3：
表3、电缆的交联方式、交联剂、交联媒介、关键设备等基本情况汇总
项目内容
电缆等级
交联方式
交联剂
交联媒介
关键设备
冷却方法
超高压电缆
干法化学交联
过氧化合物
惰性气体
立塔
硅油
高压电缆
干法化学交联
过氧化合物
惰性气体
立塔/悬链式
硅油
中压电缆
干法化学交联
过氧化合物
惰性气体
悬链式
水
低压电缆
温水化学交联
硅烷
蒸气/热水
保温水池
水
自然化学交联
过氧化合物
自然(春夏秋)
--
自然冷却
蒸气(冬季)
保温套
辐照交联
敏化剂
电子束
电子加速器
水
敏化剂
紫外光
紫外光辐照箱
水
二十年前邮电部成都电缆厂还需要从法国VIVIRAD公司进口电子加速器，但近年来我国电子加速器制造技术及束下装置已较为成熟，完全能够满足国内线缆行业的需要。目前虽有三种 (辐照、化学、温水) 主流技术生产交联电缆，但对于现有的无卤低烟阻燃聚烯烃电缆绝缘材料来说，采用电子加速器辐照交联技术最为科学、经济、适用。
目前，国内辐照交联绝缘料有规模厂家可供应，如国内辐照材料技术先进企业吴江达胜、宁海亚东、上海凯波等生产的辐照用可交联阻燃聚烯烃电缆料，换用低压缩比的挤塑机螺杆，在现有的通信电源用阻燃软电缆挤出生产线中完成电缆的挤包过程，再委外电子辐照生产线进行辐照交联加工，多芯电缆再成缆和护套。在工艺技术方面，生产技术人员稍作培训，根据材料特性调整挤出机螺杆、模具，调整挤出机控温温度，制定对应的操作规程，即可完成开发生产，在国内属于技术应用成熟产品。
辐照交联用电缆料颜色识别可配以专用色母料，用量（重量比）约为1～2%，不影响材料性能。辐照交联工艺可采用多次叠加辐照方式，只要保证材料辐照剂量稳定，一般控制在8～25Mrad，根据产品结构和规格应适当调整，生产中可先行试验后再最终确定辐照剂量。需要特别说明的是对于交联度达不到要求的电缆可调整剂量和束下装置卷绕圈数重新辐照（行话说补剂量）,一旦辐照剂量过量产生过度交联，电缆护层的断裂伸长率则达不到要求，目前尚无技术可修复过度交联，则严重影响产品的使用性能和寿命。通信电源用交联聚烯烃绝缘电缆生产工艺流程图见图3：
成缆填充
辐照交联
挤包绝缘
导体绞合
裸铜线 检验 检验 检验合格

或镀锡铜线
检验不合格欠交联可再辐照交联 检验

铠装
包装入库
挤包外护
内衬层
检验 检验 检验
图3 通信电源用交联聚烯烃绝缘电缆生产工艺流程图
4 通信电源用交联聚烯烃绝缘电缆产品的无卤低烟、阻燃化特性要求
阻燃聚氯乙烯绝缘料经电子束辐照交联后，也具有抗拉强度大、耐温等级高、耐溶剂、耐老化、热变形小、耐磨损、耐电击穿性及机械强度高等优点，但该材料卤元素含量较高，不符合通信电源用交联聚烯烃绝缘电缆绿色环保要求，下文中还会重点介绍。
温水硅烷可交联聚烯烃绝缘料经温水浸泡交联后其机械性能、耐热性能、耐化学性能、耐应力开裂性能都得到较大程度的提高，也可以满足通信电源用交联聚烯烃绝缘电缆机械物理性能、交联度要求、耐温性能、无卤低烟环保等要求，且不需要投入价值较高的生产设备，经济效益良好，但目前绝缘料的极限氧指数只有29，产品的阻燃性能显然达不到标准要求,且阻燃剂中含有卤元素，尤其在火焰中绝缘层燃烧熔融滴落物可引燃下层可燃物，扩大火灾的范围，如无特别防护措施，有阻燃要求场所使用应不可忽视。
另外，紫外光辐照交联技术则不能满足电缆绝缘层厚度较厚和绝缘标识颜色黑色的辐照交联要求，产品的阻燃性能和辐照均匀性也需提高。通信电源用软电缆绝缘材料常见的聚氯乙烯、无卤低烟聚烯烃、可交联聚烯烃绝缘材料的性能综合比较见表4：
表4 常见的聚氯乙烯、无卤低烟聚烯烃、可交联聚烯烃绝缘材料的性能综合比较
材料名称
项目内容
阻燃聚氯乙烯绝缘料
无卤低烟
阻燃聚烯烃绝缘料
可交联无卤低烟
阻燃聚烯烃绝缘料
材料参照标准
GB/T 8815-2008
JB/T 10707-2007
JB/T 10436-2004
材料主要成份
聚氯乙烯树脂
聚乙烯树脂和聚丙烯树脂
聚乙烯树脂
阻燃剂
三氧化二锑
水合金属氢氧化物
水合金属氢氧化物
工作温度等级
70℃、80℃、90℃
70℃
90℃、105℃、125℃、150℃
介电常数ε值
8.0
2.3
2.3
线芯过载温度
75～110℃
75～110℃
95～130℃
线芯最大短路温度
160℃/5S
160℃/5S
250℃/5S
拉伸强度
≥15.0 MPa
≥9.0 MPa
≥10.0 MPa
断裂伸长率
≥180%
≥150%
≥150%
最低老化温度
100±2℃
100±2℃
121±2℃
冲击脆化温度
-20℃
-25℃
-25℃
体积电阻率(20℃)
≥1.0×1011Ω.m
≥5.0×1011Ω.m
≥1.0×1012Ω.m
介电强度
≥20 MV/m
≥20 MV/m
≥20 MV/m
氧指数
≥30
≥30
≥30
卤酸气体含量
--
≤5 mg/g
≤5 mg/g
烟密度
--
无焰Dwy ≤250
有焰Dmy ≤100
无焰Dwy ≤200
有焰Dmy ≤100
pH值
--
≥4.3
≥4.3
电导率
--
≤10 μS/mm
≤10 μS/mm
毒性指数
--
≤5
≤5
由于聚氯乙烯材料燃烧时毒性较强，电缆在火焰中释放出来的HCl气体毒性是非常可怕的。假设在30分钟可致人死亡的气体浓度的毒性指数设定为1，那么聚氯乙烯的毒性指数则为15.01，无卤低烟聚烯烃材料的毒性指数为0.79。据科学测算，人在HCl浓密的烟雾中只能存活2分钟。一旦发生火灾，电缆在燃烧过程中产生大量的有毒气体和烟尘，对人员的逃生和救护产生极大的影响，甚至成为人员密集场所的安全隐患，故此类电缆不敷设在易发生火灾的人口集中场合，因而在欧盟市场上已少有应用。换句话说，在无卤低烟阻燃聚烯烃绝缘护套材料燃烧的环境中，人在烟雾中存活时间则可延长至40分钟，大大增加了火灾时人们的逃生机会。

5 通信电源用交联聚烯烃绝缘电缆产品技术的优越性
无卤低烟阻燃聚烯烃电缆料采用吸热和金属氧化物隔氧的方法来阻燃的。其阻燃机理共有三种：一是电缆燃烧时，表面氢氧化物发生分解反应，该反应是吸热反应，吸收周围空气中的大量热量，降低了电缆表面的温度；二是生成的水分子，也吸收了电缆表面的大量热量，同时水蒸气也隔绝了氧气；三是产生的金属氧化物结壳，阻止了氧气与有机物的再一次接触。无卤低烟阻燃聚烯烃绝缘电缆经研制生产以来，在欧洲已得到了大力的推广使用，逐步取代有毒的聚氯乙烯绝缘电缆。
以通信电源用无卤低烟阻燃交联聚烯烃绝缘电缆为例，其优势如下：
首先，交联聚烯烃化学结构极其稳定、机械物理性能优良、耐环境性能广阔，而且其绝缘电阻高和介质损耗低，电性能优异，采用交联聚烯烃绝缘材料制造的电缆耐热温度明显高于聚烯烃和聚氯乙烯绝缘电缆（热塑性聚烯烃和聚氯乙烯绝缘电缆长期工作时导体最高温度为90℃，普通的只有70℃），长期工作时导体最高温度可达150℃，短路时导体最高温度可达250℃，有利于提高电缆载流量。即在相同载流量要求的情况下，可以选取导体小一规格截面的电缆，绝缘厚度可以更薄，这将节约大量的铜材和绝缘材料。且电缆外径减小、重量减轻后，更便于安装敷设在通信枢纽、数据中心和通信基站内等空间狭窄的场所。
其次，无卤低烟阻燃交联聚烯烃燃烧时不会出现熔融滴落现象，而这种现象对于温水(硅烷)交联的聚烯烃，包括热塑性无卤低烟聚烯烃和聚氯乙烯材料都极易发生。燃烧滴落物将引起其它可燃物的燃烧，加剧火灾的蔓延。另外，聚氯乙烯燃烧时释放大量的HCL等有毒的腐蚀性气体，不仅会对火灾中逃生的人群和救援人员造成致命的伤害，还将腐蚀通信设备。
再次，无卤低烟阻燃交联聚烯烃绝缘的电缆具有环保优势，电缆中导体、绝缘、护套、填充、绕包等原材料不含欧盟禁止的重金属和卤素等有毒有害物质。
最后，无卤低烟阻燃聚烯烃材料经交联后，机械物理性能及老化性能显著提高，尤其是电缆的使用寿命由热塑性聚烯烃或聚氯乙烯绝缘电缆20年左右提高到交联聚烯烃绝缘电缆的40年以上。
随着用户需求地不断变化，对电缆性能要求会越来越高，通信电源用软电缆将以用户需求为导向，技术创新为发展动力，新材料、新工艺、新设备将不断涌现，高性能、高附加值特种电缆会不断出现。目前电缆用绝缘护套材料是决定特种电缆性能的主要因素，电缆用的绝缘料须有较高的绝缘电阻、耐电压强度或低介电损耗，还须固有的物理机械性能，改变电缆用的绝缘材料性能，可满足不同环境温度下耐高温、耐老化、耐磨损、耐腐蚀、抗拉、耐火性能，以及满足日、美、欧市场和环保要求等特点。在增加软电缆护层材料性能情况下，可满足耐老化、耐辐照、耐低温、耐酸碱、抗拉抗压、防鼠防蚁、抗弯曲、防水等性能要求。在这些性能要求相互叠加的前提下，材料的合理选择与配合是电缆能否满足客户要求的决定性因素，相应的提高了电缆产品的附加值。

6 结束语
2014年10月，《YD/T 1173通信电源用阻燃耐火软电缆》标准修订研讨会在常熟召开，2015年4月，发布了修订后标准征求意见稿，在绝缘材料中添加了交联聚烯烃材料。 2015年5月，标准审查委员会在西宁召开会议，审查了《YD/T 1173-201X通信电源用阻燃耐火软电缆》，预计在2016年实施。交联聚烯烃绝缘电缆将逐渐替代原来使用的阻燃耐火普通软电缆。因此，具有优越性能的交联聚烯烃绝缘电缆将得到大量应用。
近年来，我国电子加速器制造技术和聚烯烃高分子材料配方技术成熟应用，交联聚烯烃绝缘电缆已从高电压等级的输电线路逐步走进低电压的通信电源配电线路，从面向高端技术的“核电领域产品”延伸为普通行业都能广泛使用的高质量“通用产品”。

参考文献：
1、YD/T 2761-2014《通信电源用交联聚烯烃绝缘电缆》通信行业标准 2014-10-14实施
2、YD/T 1173-2016《通信电源用阻燃耐火软电缆》通信行业标准 2016-10-01实施