轨道交通用交直流电力电缆的研制和生产.pdf

2 0 0 7 年第 6期 No 6 2 o 0 7 电 线 电 缆 El e c t r i c Wi r e& Ca b l e 2 o 0 7年 1 2月 De c， 2 0 07 轨道交通用交直流电力 电缆的研制和生产 朱欣娣 ( 上海电缆厂有限公司 ， 上海 2 0 0 0 9 3 ) 摘要 ： 本 文从轨道 交通电缆的发展 背景及 最新技 术要 求入手 ， 从产品 标准、 结构设计 、 原材料 筛选及 关键 工艺 攻关等方面 阐述 了研发和生产环保型 阻燃防水轨道 交通交 直流 电缆 的过程 。 关键词 ： 轨道 交通交直流电力电缆 ； 清洁环保 ； 阻燃 A类 ； 综合 防水层 ； 技 术创新 ； 工艺攻关 中图分 类号 ： T M 2 4 7 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 6 9 0 1 ( 2 0 0 7 ) 0 6 0 0 2 6 0 3 R & D a n d P r o d u c t i o n o f AC， DC P0 we t Ca b l e s f o r Ra i l Tr a n s p o r t a tio n ZHU Xi nd i ( S h a n g h a i C a b l e Wo r k s C o ， L t d ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3，C h i n a ) Ab s t r a c t ：T hi s p a p e r pr e s e n t s R D a n d p r o d u c t i o n o f e c ot y p e AC DC p o we r c a b e s f o r r a i l t r a n s p o r t a t i o n i n t e r ms o f p r o d u c t s t a nd a r d， c o n s t r u c t i o n d e s i g n， s e l e c t i o n o f r a w ma t e r i a l s a n d t a c k l i n g o f k e y pr o c e s s pr o b l e ms ，b e g i n n i ng f r o m t h e b a c k g r o u n d o f t h e d e v e l o pme n t o f c ab l e s f o r r a i l t r a n s p o r t a t i o n a nd the l a t e s t t e c h n i c a l r e q ui r e me n t s Ke y wo r d s： r a i l t r a n s p o r t a t i o n；AC DC p o we r c ab l e；c l e a n a n d e n v i r o n me n t c o mp a t i b l e； fl ame r e t a r d a n c e c a t e g o r y A； c o mp o s i t e wa t e r b l o c k i n g lay e r ； t e c h n i c al i n n o v a t i o n； t a c k l i n g k e y p r o c e s s pr o b l e ms 0 引 言 随着 我 国城 市 轨 道交 通 事业 的高 速发 展 ， 轨 道 交通用电缆的需求量也不断增加 。据资料显示 ， 未 来几年内 ， 我国将有 2 0多个城市计划修建地铁与轻 轨 ， 总里 程达 8 5 O k m； 到 2 0 2 0年 ， 我 国 的轨道交 通 线 路 总长将 达 到 2 2 0 0 k m左右 。这 对 电线 电缆 行业 来 说 既是 机遇 ， 又是挑 战 。 我公司是国内最早参与试制和生产轨道交通电 缆的专业电缆制造厂之一， 从 上世纪 9 0年代起 ， 我 们相继为国内几大城市及亚洲国家提供 了大批量的 轨道交 通 电 力 电缆 。产 品 从 一 开 始 的 低 烟低 卤 C 类 阻燃 发展 到现 在 的低 烟 无 卤 A类 阻燃 ， 并 具 备 防 水、 防鼠蚁 、 抗紫外线等附加特性 ； 电缆的使用系统 有交流和直流 ， 电压等级最高至 2 6 3 5 k V 。 1 产 品标准 由于 种种 原 因 ， 轨 道交 通 用 交直 流 电力 电缆 至 今没有相应的国际、 国家或行业标准 ， 其主导标准为 G B T 1 2 7 0 6 ( 等 同于 I E C 6 0 5 0 2 ) 。 但是 ， 目前的轨道交通电缆 ， 一般都有阻燃 、 低 烟 、 无 卤、 防水 、 防鼠蚁 、 抗紫外线等特殊要求 ， 不 同 用户， 要求也有所不 同。 收稿 日期 ： 2 0 0 7 0 5 一 l 1 作者简介 ： 朱欣娣 ( 1 9 6 7 一) ， 女 ， 上海市人 ， 高级工程师 作者地 址 ： 上海市军工路 1 0 7 6号 2 0 0 0 9 3 我们 综合 了近 十年来 大 量轨道 交通 工程 项 目电 缆招标文件的技术要求 ， 产品 主要结构 和性能参照 G B T 1 2 7 0 6 ， 特殊性能及指标对照现行 国际和国家 标 准 的试验 方法 ， 并 结 合 自身 对产 品和 原 材 料 的认 知经验 和数 据积 累 ， 编制 了 轨 道交 通用交 流 和直 流 电力电缆企业标准 ， 并经上海市质量技术监督局和 上 海 电气集 团科 技情 报研 究所 标准 化委 员会 办公 室 审核备案。标准涵盖 了电缆的使用范围、 电压等级 、 产品结构、 试验项 目、 性能要求 和试验方法等内容 ， 很好地满足 了不 同用户对产品的各种特殊需求 。 2 低烟无 卤阻燃护套材料 的选择 2 1 综 合 考 虑清 洁 环 保 、 阻 燃 、 机械 物 理 及 加 工等 性 能 由于轨道交通电缆使用场合的特殊性 ， 电缆必 须具备阻燃 、 低 烟、 无卤、 无毒等特性 。无庸讳言 ， 其 决定性因素便是无 卤阻燃护套料。所 以， 选用护套 料时 ， 必须综合考虑其环保性 、 阻燃性 、 机械物理性 能 、 加工工艺性及燃烧结壳性等多重特性 。 对于护套材料的清洁环保性 ， 我们除 了检测其 燃烧时逸出气体的 卤酸气体含量 、 p H值及电导率 ， 还要求厂方提供国家权威机构出具的该原材料“ 铅 、 汞、 六价铬 、 镉 、 多溴联苯和多溴二苯醚” 六种有害物 质含量检测报告， 并要求其测试结果符合欧盟 R o ll S 指 令要 求 。 氧指数 ( O I ) 是护套料 阻燃性能 的主要衡 量指 维普资讯 http:/ 2 0 0 7年第 6期 No 6 2 0 0 7 电 线 电 缆 El e c t r i c Wi r e Ca b l e 2 0 0 7年 l 2月 De c 2 0 0 7 标 ， 但这决不是材料选择的唯一依据 ， 还必须充分考 虑其机械物理性能， 特别是老化前后 的抗拉强度和 断裂伸长率。 但是， 阻燃性能和机械物理性能的确是相互矛 盾的， 0 I太高的无 卤料 ， 其抗 张强度和断裂伸长率 是不会理想的， 而这一性能直接影响到 电缆的抗开 裂 性 ； 而 当材 料 的 0 I 小 于 3 4时 ， 那 么要 想使 无金 属 屏蔽 或铠 装 的交 联 聚 乙烯 绝 缘 电缆 通 过 A类 成 束 燃烧试验 ， 则是非常 困难 的。那么如何平衡这对矛 盾 呢? 我们采用 了无 卤内护套和无卤外护套并用的结 构 ， 而且对 这两种 护 套材料 要“ 因料制 宜 ， 各取 所 长” ， 合理地选用。例如： 对无卤内护套料 ， 我们更强 调其阻燃性 能， 而抗张强度和断裂伸长率 的要求可 适当降低 ； 对无卤外护套料 ， 我们非常注重其老化前 后的机械物理性能， 并且除了护套料通用试验项 目， 还 特别增 加 了“ 耐 热应 力 开裂” 和“ 耐 环境 应力 开裂 ” 等专项指标 ， 而对氧指数则不要求太高 ， 将其控制在 适 当 值 即可 。 无论是内护套还是外护套 ， 我们都要求其有 良 好 的燃 烧结 壳性 和工 艺加 工性 。 为此 ， 针对内、 外 护套的不 同特性要求 ， 分别 制 订了相应的“ 原材料技术条件” ， 对各 自的技术指标 作出了明确合理的规定。 我们选择了不同厂家的内、 外无 卤护套料， 首先 审核了其 R o ll S指令规定 的六种有害物质的检测报 告 ， 然后分别进行严格 的原材料全性能试验 ； 对符合 要求的原材料， 再分别进行工艺试验 和成束燃烧试 验 。 以下以 A、 B两厂的外护套料和 C、 D两厂的内 护套料进行组合 ， 制成 了要求最为苛刻的 1 5 0 0 V无 屏蔽、 无铠装 防水型低 烟无 卤阻燃 A类 直流 电缆 ( 型号 规格 为 WD Z AY J YZ 1 1 5 0 m m 2 ) 为试 样 ， 按 G B T 1 8 3 8 0 ( 相当于 I E C 6 0 3 3 2 3 ) A类的规定进 行成束燃烧试验 。试验结果见表 1 。 表 1不同厂商生产的 内外 无卤护套料组合的电缆阻燃性能 比较 经过充分 的试 验 ， 我们最终选择 B厂外护 套 料 、 C厂 内护套料 ， 制成的电缆其全性能试验完全符 合我公司制订的“ 轨道 交通用直流和交流 电力电缆 企业 标准 ” 。 2 2 特 殊场 合使 用 时需 考虑 防鼠蚁 、 抗 紫外 线 辐 射 等 性能 若用户对电缆有防鼠、 蚁的要求 ， 则采用添加了 相应助剂的具有 防鼠蚁功能的无卤外护套料 ， 且 添 加剂应不对人和环境产生有害影响。若要求电缆有 抗紫外线特性 ， 则通过 在外护套 中添加紫外光吸收 剂 、 光屏蔽剂等助剂来实现。 3 结构 设计的要点 3 1 无 卤内护套和无 卤外护套结构设计 我们采用 了无卤内护套和无卤外护套并用的结 构。无卤内护套直接挤包在铝塑纵包带之上 ； 无 卤 外 护套根据 实际情 况 ， 或挤包 在金 属铠 装层 上 ， 或直 接挤包在无卤内护套上 ， 也可在挤 包之前绕包无 卤 阻燃包 带 。 一 般 ， 内外护 层 的标 称厚 度 可 按 G B T 1 2 7 0 6规 定设计 ， 但其最薄点厚度我们都 以标称值的 8 5 一 0 1 m m控制 ； 对于无金属屏蔽和铠装层的 A类阻燃 直流电缆 ， 我们会适当增加 内外护层的标称厚度， 确 保 其 阻燃性 能 和机械 性能 。 3 2 无 卤阻燃 包带 的层 数和 位置 的选择 要 通过 A类 成 束燃 烧 试 验 ， 无 卤 阻燃 包 带是 不 可或 缺 的材料 。包 带 层 数 对 阻燃 性 能 当然 是 “ 多 多 益善 ” ， 但 对 电线 电缆 这 个 微 利 行 业 来说 ， 无谓 地 增 加 包带 层数 ， 不仅 多用 了包 带材 料 ， 还 因外 径 的增 加 多耗用了包带之外的各种原材料。反之 ， 若 为了降 低 成本 ， 少用 包带 而影 响 到电缆 的阻燃 性 能 ， 则 是缺 乏职业道德的行为， 绝对不足取 。所以， 合理的层数 的选择至关重要， 这要建立在大量的燃烧试验数据 积 累的基 础 上 。 阻燃包带的位置同样非常关键 ， 这对结构相对 简单的直流电缆尤为如此。同样的包带层数和绕包 工艺 ， 包在不同的线芯位置， 其阻燃效果是不同的。 例如 ， 我们 同样以阻燃要求最为苛刻的 1 5 0 0 V型号 2 7 维普资讯 http:/ 2 0 0 7年第 6期 No 6 2 o o 7 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e C a b l e 2 0 0 7年 l 2月 De c 2 0 0 7 规格为 WD Z A Y J Y Z 1 1 5 0 m m 2无屏蔽 、 无铠装 防 水型低烟无 卤阻燃 A类直流 电缆为例 ， 发现 以同样 层数的无卤阻燃 包带绕包在铝塑综合护层外 ， A类 成束燃烧试验不合格； 但是绕包在绝缘层外即通过 ( 合格) ， 说明包带绕包位置选择是非常重要 的。 4关键工艺的控制 4 1 铝塑 带纵 包 +无 卤聚烯烃 综合 护层 铝塑带纵包 +无卤聚烯 烃综合护层 ， 是 电缆兼 备 防水和 阻燃 特性 最 关 键 的 结构 ， 也是 整 个 产 品 制 造 过程 的工艺 控制难 点 。 以往 ， 铝塑带纵包 +聚乙烯综合护层被广泛应 用于通信电缆 ， 近年来， 越来越多的轨道交通交联电 力电缆也要求使用该结构 ， 以更好地起到防潮阻水 的作用， 而且 ， 因电缆都要求阻燃 A类 ， 因此 ， 聚乙 烯护 层必须 改 为无 卤阻燃 聚烯烃 护层 。 因通 信电缆缆芯结 构较 松软 ， 铝 塑带 在纵 包过程 中可调节 的余地较 大 ， 即纵包接缝 很容 易控 制。但交 联电缆则不然 ， 由于缆芯坚硬， 毫无压缩余地 ， 缆芯外 径 1 m m的波动或偏差， 便会使铝塑带的重叠部分至 少相 差 3 1 4 n l m。铝 塑带选 得太 窄 ， 会引起 搭接 不牢 或脱节 ， 这样就不能很好地起到甚至失去“ 防水” 作 用 ； 若选得太宽， 很容易造成“ 荷叶边” ， 其间隙不仅影 响到防水性 ， 还会造成内护套挤包不平整。 经过深入细致 的工艺摸索和改进 ， 终于找到了 解决这一工艺难点的几大关键因素： ( 1 )准确选定带宽 。对第一次生产 的产品 ， 中 压电缆必须等三层共挤的缆芯牵引 出冷却水管后 ， 而直 流电缆 在挤 包 完绝 缘后 ， 即可 进 行 多 点线 芯 外 径的测量 ， 然后再确定相应的铝塑带宽度。 ( 2 )合理设计“ 喇叭模” 。纵包成型模 ， 俗称“ 喇 叭模” ， 其长度 、 宽度 、 成型角度及模 口搭垫度等是模 具设计的要点 ； 另外 ， 我们还在模具的尾部设计了铝 塑带固定装置 ， 使带子进入模具后不再随意滑移。 ( 3 )合理使用热风枪 。我们 在铝塑带进“ 喇叭 模” 搭垫 口前及刚 出模 口处 ， 分别安装 了热风枪 ， 并 调整好吹风角度。第一把枪起 到预热作用， 第二把 枪 基本把 搭 间层粘 住 。 ( 4 )胶木定径模 +压 紧滑轮。铝塑带 出“ 喇叭 模” 后基本搭接粘合 ， 紧接着进入胶木定径模进一步 压紧， 所以， 定径模的尺寸也是非常关键的。缆芯一 出定径模 ， 由于搭接处位于模 口上方 ， 我们在定径模 口处 安装 了一个 压 紧滑轮 ， 搭接 处经 滑轮 的碾压 ， 更 牢 固服贴 。 现在， 我们的铝塑纵包工艺已相 当完善。轨道 2 8 交通电缆的定长要求很高， 单根长度一般在 1 k m以 上， 我们可以确保每根定长产 品的铝塑纵包 +无卤 聚烯烃综合护层制造工序顺利完成。铝塑纵包搭接 均匀牢固， 无卤护层塑化 良好， 两层结合紧密。 4 2 绞线 的光 洁度 及其 它 对 于 1 5 0 0 V直 流电缆 ， 一般 轨 道交 通用 户 的 招 标文件将其绝缘标称厚度规定为 2 0 m m， 而例行耐 压试验 ， 却要打交流 6 5 k V 5 m i n ； 而且直流电缆一 般为单芯， 耐压是芯对地打 ， 即 6 5 k V的工频电压 全 部“ 压 ” 在 2 0 m m 的绝 缘上 。这是 极为 苛刻 的 ， 绝 缘稍有损伤或瑕疵 ， 便会遭受“ 击穿” 的“ 灭顶之灾” 。 为此 ， 在整个制造 流程 中我们务必做到 以下几 点 t ( 1 )铜绞线要求绝对光滑清洁， 无任何毛刺 、 铜 屑。我们用钻石涂覆膜作为绞线的紧压模 ， 拉制 的 绞线不仅线径均匀 ， 且光洁 ， 无毛刺； 在最后一道紧 压模后 ， 安装 了除屑装置 ， 确保绞线清洁， 无灰屑。 ( 2 )要保证绝缘的洁净度 ， 必须定期清理机头、 螺杆 、 料斗甚至吸料管 ， 严防将外包装及外 界的灰 尘 、 垃圾 带进 加料 装置 。 ( 3 )要 避免 整个 制造 流转 过程 中的“ 磕 、 碰 、 伤 ” ， 绝缘 收线 盘 的 盘边 和 盘 底 都 要 包 裹 薄 膜 缓 冲 层 ， 头尾线 切 忌在 地面 拖擦 。 只要做到以上几点， 1 5 0 0 V无铠装直流电缆便 不再“ 高不可攀” ， 产品可完全满足用户或标准的“ 苛 刻 ” 要求 。 5 结束语 我 国的城市轨道交通正进入前所未有 的高速发 展时期 ， 由此必将给相关行业带来 发展 的契机。从 低烟低卤阻燃 c类轨道交通电缆 ， 到低烟无卤阻燃 A类清洁环保型防水 、 防紫外线及虫咬交直 流轨道 交通电缆 ， 十多年来 ， 我们一步一个脚印 ， 不断摸索 、 不断创新 ， 工艺 13趋成熟 ， 产品 13臻完善。 自“ 清洁 环保 型 阻 燃 防水 轨 道 交 通 交直 流 电力 电缆” 项 目立项起 ， 我们历时 6个月 ， 完成了产 品设 计策划 、 原材料筛选 、 产品标准及工艺文件编制、 关 键工艺技术攻关 、 样 品试制 、 型式试验及用户现场验 收等产品研发过程。到 目前为止， 我们 已形成 了规 模性批量生产 ， 为国内大型轨道交通线提供 了不 同 规格和电压等级 的该系列产品 ， 创造产值过亿元 。 参考文献 ： c 1 徐应麟 电线 电缆手 册( 第 2册 ) 【 M 北 京 ： 机 械工业 出版 社 ， 2 0 01 维普资讯 http:/