林 珊, 鄧 樹, 柯志欣, 劉麗萍, 趙美君, 賀超武

(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司, 廣州 510010; 2.廣東南纜電纜有限公司, 廣州 510545)

0 引 言

2019年,中國(除港澳臺地區(qū)外)已有37個城市建成并投運(yùn)150條地鐵線路,總里程達(dá)5 180 km。至2021年9月,廣州地鐵運(yùn)營里程已達(dá)590 km,位列中國(除港澳臺地區(qū)外)第三名。預(yù)計(jì)至2023年,廣州將建成18條地鐵線路,總長度達(dá)800 km。為打造 “軌道上的大灣區(qū)”,廣東省制定了七大城市地鐵建設(shè)規(guī)劃,總長度超過1 000 km。

為適應(yīng)地鐵建設(shè)迅速發(fā)展的大好市場形勢,為地鐵工程提供安全、可靠的防火電纜,迫切需要對電纜材料和電纜結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究和創(chuàng)新改進(jìn)。本工作對地鐵用阻燃B1級柔性控制電纜的材料制備、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝及產(chǎn)品性能等做了全面的論述,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了電纜的性能,對研發(fā)相關(guān)地鐵阻燃防火電纜有一定的參考。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

本工作研制了屏蔽型和非屏蔽型兩種結(jié)構(gòu)的阻燃B1級柔性控制電纜,結(jié)構(gòu)示意圖分別見圖1、圖2。

圖1 阻燃B1級柔性屏蔽型控制電纜結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 阻燃B1級柔性非屏蔽型控制電纜結(jié)構(gòu)示意圖

屏蔽型控制電纜適用于地鐵軌道和機(jī)車車輛數(shù)據(jù)信號傳輸控制,具有防電磁干擾性好、固有衰減低和傳輸數(shù)據(jù)信號準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn),被用于地鐵設(shè)施中需要防電磁干擾的場合;非屏蔽控制電纜用于地鐵設(shè)施中不要求防干擾的普通控制線路。兩者都被要求具有阻燃低煙無鹵特性。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案

2.1 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

按照IEC標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)體選用含銅量為99.95%及以上的電工無氧銅制作的5類或6類軟結(jié)構(gòu)導(dǎo)體[1]。拉制銅線時(shí),嚴(yán)格按照工藝規(guī)定配模和監(jiān)測拉絲液的濃度,保證銅線表面光滑、圓整、均勻一致和無油污。導(dǎo)體束絞時(shí),注意調(diào)整每根單線的張力,按照一定的根數(shù)及排序穿過分線板,確保束絞導(dǎo)體圓整、無斷股、跳線和劃傷等不良現(xiàn)象。由于銅線很細(xì),為克服單線外徑波動影響和束絞過程中銅單線被拉細(xì)的問題,本工作采用硬銅單線束絞以后,再對束絞導(dǎo)體進(jìn)行罐式退火的工藝。

2.2 絕緣材料

按照GB/T 9330—2020《塑料絕緣控制電纜》的規(guī)定,控制電纜一般采用聚氯乙烯或交聯(lián)聚乙烯絕緣。聚氯乙烯在燃燒過程會釋放有毒、有害氣體,所以制造阻燃B1級控制電纜只能使用交聯(lián)聚乙烯,但交聯(lián)聚乙烯絕緣材料自身為易燃物質(zhì),且在著火后可燃性的滴落物會引燃下方其他可燃物,進(jìn)而擴(kuò)大火災(zāi)范圍,須在接頭處進(jìn)行特殊保護(hù)處理。同時(shí),B1級控制電纜對燃燒時(shí)釋放氣體的毒性和腐蝕性以及滴落物均有嚴(yán)格的規(guī)定[2],因此上述絕緣材料均不夠完善。

從更全面的阻燃效果考慮,須重新選擇絕緣材料。雖然低煙無鹵阻燃聚烯烴有很好的阻燃效果,但容易吸潮進(jìn)而引起絕緣電阻急劇下降,也不適用于地鐵工程常見的潮濕環(huán)境。硅橡膠具有優(yōu)良的耐高溫、耐低溫性能,以及優(yōu)異的防潮和防腐蝕性能。國內(nèi)外研究人員已經(jīng)對硅橡膠做了廣泛的研究[3-6],其中包括陶瓷化硅橡膠,普遍認(rèn)為:硅橡膠的熱釋放速率(HRR)相對較低,一氧化碳釋放量也較低,對外部熱流的敏感性最低,并且大多數(shù)硅橡膠的HRR范圍為60~150 kW·m-2。

在本產(chǎn)品方案中,采用了自主研發(fā)的絕緣材料和雙層共擠結(jié)構(gòu),即:內(nèi)層絕緣為陶瓷化硅橡膠,外層絕緣為高強(qiáng)度、高阻燃硅橡膠。其中,內(nèi)層的陶瓷化硅橡膠提供耐火性及絕緣性,外層的高強(qiáng)度阻燃硅膠提供機(jī)械強(qiáng)度,同時(shí)也具有絕緣性。為保證硅橡膠絕緣達(dá)到優(yōu)異的硫化效果,采用了鉑金硫化劑[7-8],該硫化劑不像雙二四、雙二五,發(fā)生硫化反應(yīng)時(shí)會釋放出有刺激性的氣體,達(dá)不到B1級電纜要求毒性達(dá)到t0的要求,只能達(dá)到t1級。采用鉑金硫化劑時(shí),混煉加工溫度控制宜低不宜高。A、B劑的添加順序、分散性及翻包次數(shù)等均會影響混合效果。加硫化劑后的混煉膠須低溫存放或在0 ℃下短期儲存。膠料混煉過程中,溫度嚴(yán)格控制在80 ℃以下,加硫混煉過程中控制在60 ℃以下、時(shí)間控制在3 min以內(nèi)。擠出絕緣線芯時(shí),絕緣層的硫化溫度控制在200~300 ℃之間。

內(nèi)、外絕緣層的基本組分分別見表1、表2。

表1 內(nèi)絕緣陶瓷化硅橡膠組分

由表1、表2可知,內(nèi)、外硅橡膠絕緣層的材料組分有較大差異。內(nèi)層組分主要考慮成瓷耐火性能,而外層則主要考慮機(jī)械強(qiáng)度及阻燃性,兩者配合后具有良好的綜合性能。

表2 外絕緣高強(qiáng)度高阻燃硅橡膠組分

絕緣擠出的溫度控制很重要,本工作采用了低溫?cái)D出工藝。擠出機(jī)上有關(guān)部件的溫度均控制在40 ℃以下。螺桿、機(jī)筒、機(jī)頭、法蘭部分全部采用水冷,降低擠出過程中膠料因摩擦和擠壓所產(chǎn)生的熱量。如果外絕緣層材料采用高強(qiáng)度硅膠,并且加入少量的陶瓷化粉,在高溫下也能形成一定的陶瓷化現(xiàn)象,燃燒后不會直接粉化脫落。

根據(jù)上述的材料和工藝制造的絕緣線芯,不但達(dá)到了B1級燃燒性能要求,并通過了BS 6387—2013的CZ級試驗(yàn)[7]。

2.3 成纜結(jié)構(gòu)

絕緣材料的種類對成纜結(jié)構(gòu)和成纜后阻燃防護(hù)層的結(jié)構(gòu)有很大影響。常規(guī)交聯(lián)聚乙烯絕緣類控制電纜在無金屬屏蔽層或者鎧裝的情況下,要達(dá)到B1級燃燒等級要求,必須在成纜線芯外增設(shè)附加的阻燃防護(hù)層。該阻燃防護(hù)層有多種結(jié)構(gòu),例如:采用多層阻燃繞包帶、阻燃隔離套、阻燃隔離層+阻燃包帶復(fù)合結(jié)構(gòu)等,但是采用這些結(jié)構(gòu)形式會增加制造工序和原材料投入,進(jìn)而導(dǎo)致電纜外徑增大和產(chǎn)品成本增加。電纜外徑增大還會直接影響電纜的安裝敷設(shè),特別是空間范圍有限的場合。不同型號和制造工序的B1級阻燃電纜外徑和彎曲半徑的對比見表3,其中電纜的規(guī)格均為6×1.5 mm2。

表3 B1級阻燃電纜制造工序、外徑和彎曲半徑的對比

由表3可知,采用不同形式的阻燃防護(hù)層均會使電纜外徑增大20%~30%。

本工作新研制的地鐵用阻燃控制電纜采用自主研發(fā)的硅橡膠內(nèi)、外層絕緣材料,既保證了電纜的絕緣性能,也保證了整個絕緣層的機(jī)械強(qiáng)度,不必采用過多的附加防護(hù)層,也能達(dá)到B1級阻燃要求。

2.4 護(hù) 套

不同的安裝敷設(shè)場合,應(yīng)使用不同護(hù)套類型的電纜。地鐵用阻燃B1級柔性控制電纜采用拖拽敷設(shè)方式時(shí),對電纜護(hù)套材料的硬度、抗拉強(qiáng)度和耐刮性有嚴(yán)格要求,可選用阻燃低煙無鹵聚烯烴護(hù)套;當(dāng)安裝空間小、要求電纜的柔軟度高時(shí),可選用高強(qiáng)度阻燃硅橡膠護(hù)套。

所用的阻燃低煙無鹵聚烯烴護(hù)套料和阻燃高強(qiáng)度硅橡膠護(hù)套料的基礎(chǔ)配方,見表4和表5。

表4 阻燃低煙無鹵聚烯烴護(hù)套料的基本組分

表5 阻燃高強(qiáng)度硅橡膠護(hù)套料的基本組分

經(jīng)試驗(yàn)證明,本工作中自主研發(fā)的阻燃低煙無鹵聚烯烴護(hù)套料和阻燃高強(qiáng)度硅橡膠護(hù)套料,已達(dá)到國內(nèi)外領(lǐng)先水平,其中低煙無鹵聚烯烴料阻燃滿足B1級燃燒特性要求、燃燒滴落物達(dá)到d0級、燃燒氣體毒性達(dá)到t0級指標(biāo);硅橡膠能滿足B1級燃燒特性經(jīng)第三方測試合格。

另外,在擠出護(hù)套時(shí),注意盡量加大擠出壓力,以增大護(hù)套與纜芯之間的附著力,有利于提升阻燃效果及抗燃燒滴落能力。

3 產(chǎn)品試驗(yàn)

對地鐵用阻燃B1級柔性控制電纜進(jìn)行性能驗(yàn)證,測試產(chǎn)品的絕緣、護(hù)套機(jī)械性能,絕緣電性能,并進(jìn)行絕緣線芯短路完整性試驗(yàn),成品電纜耐火試驗(yàn)、燃燒試驗(yàn)。

3.1 機(jī)械性能

強(qiáng)度低的硅橡膠需要另外增加防護(hù)層,如GB/T 5013.3—2008中60245 IEC 03(YG)對于硅橡膠電線電纜產(chǎn)品絕緣抗張強(qiáng)度的要求為不小于5.0 MPa,為了改善該問題,本工作研發(fā)的內(nèi)層絕緣抗張強(qiáng)度不小于6.0 MPa,外層絕緣強(qiáng)度不小于8.5 MPa,采用雙層共擠工藝,內(nèi)外層絕緣不可分離,總體絕緣強(qiáng)度要求不小于6.5 MPa,產(chǎn)品實(shí)測為7.3 MPa。國家標(biāo)準(zhǔn)要求阻燃低煙無鹵聚烯烴護(hù)套的抗張強(qiáng)度不小于 9.0 MPa,產(chǎn)品實(shí)測為12.0 MPa;阻燃硅橡膠企標(biāo)制定為8.0 MPa,產(chǎn)品實(shí)測為9.5 MPa滿足使用要求。其他性能指標(biāo)如斷裂生產(chǎn)率、熱空氣老化、熱延伸等均按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測,測試結(jié)果合格。

3.2 絕緣電性能

本工作對幾種控制電纜進(jìn)行3 000 V×5 min耐電壓試驗(yàn),絕緣線芯進(jìn)行2 500 V×5 min浸水耐電壓試驗(yàn),以及168 h浸水絕緣電阻保留率試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。

表6 控制電纜絕緣性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表6可知,硅橡膠和交聯(lián)聚乙烯的浸水絕緣電阻保留率非常接近,說明硅橡膠怕抗潮濕能力較強(qiáng);而低煙無鹵聚烯烴絕緣電阻保留率下降接近一半,說明該材料的抗潮能力很差。

3.3 絕緣短路完整性試驗(yàn)

通過試驗(yàn)設(shè)備模擬試驗(yàn)電纜短路時(shí)所需的穩(wěn)定大電流,使得導(dǎo)體在通電后3 s內(nèi)熔斷。試驗(yàn)在(25±5)℃下進(jìn)行。樣品在試驗(yàn)環(huán)境中至少放置24 h。截取長度為(200±5)mm絕緣線芯,并將其兩端剝除絕緣30~35 mm,將兩端分別固定在試驗(yàn)裝置的電流端子上。接通試驗(yàn)設(shè)備電源開關(guān),觀察被測試絕緣線芯導(dǎo)體熔斷或絕緣高溫著火的情況。發(fā)生以上情況時(shí),應(yīng)迅速切斷電源開關(guān),保證試驗(yàn)裝置的安全。

試驗(yàn)結(jié)果表明,本工作的絕緣線芯試樣在導(dǎo)體短路熔斷時(shí),絕緣層仍然完整無損,未出現(xiàn)開裂或著火現(xiàn)象。

3.4 BS 6387標(biāo)準(zhǔn)燃燒試驗(yàn)

按照BS 6387—2013進(jìn)行CZ級耐火試驗(yàn)。試驗(yàn)方法如2.2節(jié)所述,C級為單純?nèi)紵囼?yàn),試驗(yàn)溫度(950±40)℃,連續(xù)供火時(shí)間180 min,未發(fā)生短路或斷路,試驗(yàn)合格;Z級為燃燒+機(jī)械沖擊試驗(yàn),試驗(yàn)溫度(950±40)℃,連續(xù)供火時(shí)間30 min,后半段15 min內(nèi),以(30±2)s的時(shí)間間隔進(jìn)行機(jī)械沖擊試驗(yàn),未發(fā)生短路或斷路,試驗(yàn)合格。本工作的絕緣線芯CZ兩項(xiàng)試驗(yàn)均合格。

3.5 燃燒性能等級B1級試驗(yàn)

絕緣線芯及成品電纜均按照GB 31247—2014的B1級阻燃特性要求,對兩種材料和用這些材料制造的電纜產(chǎn)品,進(jìn)行了全面的燃燒性能試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表7。

由表7可知,地鐵用阻燃B1級柔性控制電纜的性能符合GB 51298—2018《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》對防火場合電力控制線路的要求[8]。

表7 絕緣線芯及成品電纜燃燒性能測試結(jié)果

4 結(jié)束語

地鐵用阻燃B1級柔性控制電纜應(yīng)用量大、應(yīng)用面廣,需在絕緣和護(hù)套材料以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面不斷創(chuàng)新改進(jìn),以適應(yīng)地鐵工程中復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境。

本工作研制的地鐵用阻燃B1級屏蔽型和非屏蔽型柔性控制電纜,具有獨(dú)特的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢,主要體現(xiàn)在以下3個方面:

(1)電纜絕緣和護(hù)套材料均為自主研發(fā)的新材料,電纜的阻燃性能達(dá)到了B1級、燃燒滴落物達(dá)d0級、燃燒氣體毒性達(dá)t0級、燃燒氣體酸鹵性達(dá)a1級,并通過了 BS 6387規(guī)定的CZ燃燒試驗(yàn)。

(2)電纜絕緣為自主研發(fā)的新材料,絕緣線芯成纜后不必采用過多的附加阻燃防護(hù)層,使電纜外徑減小了20%~30%,也相應(yīng)的減輕了電纜的單位質(zhì)量。

(3)電纜結(jié)構(gòu)簡單,便于安裝敷設(shè),節(jié)省施工費(fèi)用。