城市輕軌地鐵用直流電纜的特性要求和設(shè)計(jì)

城市輕軌地鐵用直流電纜的特性要求和設(shè)計(jì)城市輕軌地鐵用直流電纜的主要技術(shù)問(wèn)題及要由于城市輕軌地鐵用直流電纜的使用環(huán)境多為人口密集的地下,對(duì)阻燃性能要求較高,我們接觸到的招標(biāo)文件都要求符合GB/T18380.3中A級(jí),B級(jí)或C級(jí)的要求,并且隨著設(shè)計(jì)過(guò)程中與使用部門的溝通,阻燃性能的要求提高到了A級(jí),也就是阻燃要求為GB/T18380.3中的A級(jí)

此外,過(guò)去PVC為絕緣或護(hù)套的電纜燃燒時(shí)釋放大量煙霧和有毒氣體,妨礙消防工作的進(jìn)行,并且酸性氣體對(duì)人和設(shè)備都會(huì)造成傷害,所以在人口密集,通風(fēng)條件差的地下,設(shè)計(jì)單位一般都選用低煙無(wú)鹵或低煙低鹵型的電纜,因此電纜的發(fā)煙量,鹵酸氣體釋放量必然有較高的要求,我們結(jié)合用戶提出的技術(shù)條件,制訂了我公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),關(guān)于阻燃及低煙無(wú)(低)鹵特性的具體參數(shù)見表1

表1低煙無(wú)(低)鹵性能的具體參數(shù)項(xiàng)目

標(biāo)準(zhǔn)要求

執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)及

試驗(yàn)方法

低煙低鹵阻燃電纜

低煙無(wú)鹵阻燃電纜

成束燃燒試驗(yàn)(A級(jí))

炭化部分高度最大/m

2.5

2.5

GB/T18380.3

電纜煙密度試驗(yàn)

透光率最小/%

35

60

GB/T17651

取自電纜的材料燃燒時(shí)的鹵酸氣體釋放量最大(mg/g)

100

5

GB/T17650.1

取自電纜的材料燃燒時(shí)釋出氣體的

水溶液PH值最小

水溶液的電導(dǎo)率最大(μs/mm)

/

/

4.3

10

GB/T17650.2

GB/T17650.2用戶提出電纜需要具備防白鼠,防白蟻性能.

1.3用戶提出電纜要具有防水性能.

1.4由于電纜有可能敷設(shè)在戶外,所以,電纜要耐紫外線,適應(yīng)各種氣候條件電纜設(shè)計(jì)及研制

在輕軌地鐵用直流電纜的設(shè)計(jì)和研制中,重點(diǎn)在于阻燃結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及一些特殊性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),如防水,防鼠,防白蟻等,銅導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)可以參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電纜的導(dǎo)體》中第2類或第5類設(shè)計(jì),絕緣(用戶要求為交聯(lián)聚乙烯)可以參照GB/T12706.1《額定電壓1kV到35kV擠包絕緣電力電纜及附件》進(jìn)行設(shè)計(jì),這里不再進(jìn)行說(shuō)明。阻燃結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研制

城市軌道交通用直流電纜的使用環(huán)境多為人口密集的地下場(chǎng)所,一旦發(fā)生火災(zāi),地下封閉的環(huán)境給人員逃生和消防工作帶來(lái)很大困難,這些因素決定了地鐵輕軌用的直流電纜必須有很好的阻燃性能和低煙低毒的性能.

一般來(lái)說(shuō),低煙無(wú)(低)鹵阻燃電纜的材料和結(jié)構(gòu)可以有兩種選擇,一種是低煙無(wú)(低)鹵阻燃絕緣材料+低煙無(wú)(低)鹵阻燃護(hù)套材料,另一種為非阻燃絕緣材料+低煙無(wú)(低)鹵阻燃護(hù)套材料.如果要求低煙無(wú)(低)鹵電纜的阻燃性能達(dá)到A級(jí),顯而易見,最好采用第一種結(jié)構(gòu),這樣能保證整體電纜的阻燃性能.但是具體到城市軌道交通用直流電纜,我們最終選擇了后一種結(jié)構(gòu),即交聯(lián)聚乙烯絕緣(交聯(lián)聚乙烯是不阻燃材料)+低煙無(wú)(低)鹵阻燃護(hù)套材料,原因如下:1.用戶要求絕緣材料采用交聯(lián)聚乙烯絕緣2.如果采用低煙無(wú)(低)鹵阻燃交聯(lián)聚烯烴絕緣,那么,電纜的絕緣電阻常數(shù)和體積電阻率等電氣性能指標(biāo)會(huì)降低,不能達(dá)到相應(yīng)的交聯(lián)聚乙烯絕緣的水平.這種情況下,我們必須在電纜的護(hù)層材料和結(jié)構(gòu)上采取措施,才能保證電纜的阻燃性能.

我們這次試驗(yàn)樣品選擇的截面是400mm2,為提高阻燃性能,我們?cè)诮^緣和護(hù)套間增加內(nèi)護(hù)層,一種選擇是擠出普通低煙無(wú)鹵阻燃內(nèi)護(hù)層,另一種選擇是繞包低煙無(wú)鹵阻燃玻璃布帶,結(jié)果兩種結(jié)構(gòu)均沒(méi)有通過(guò)A級(jí)試驗(yàn).這時(shí),我們考慮采用高阻燃隔氧層結(jié)構(gòu),即在絕緣和護(hù)套間擠包一層填充了大量無(wú)機(jī)阻燃劑的低煙無(wú)鹵阻燃內(nèi)護(hù)層,它的阻燃機(jī)理如下:電纜的引燃是一個(gè)先吸熱后放熱的過(guò)程,電纜在引燃前需要吸收大量的熱量使電纜內(nèi)的材料達(dá)到閃點(diǎn),才能燃燒.高阻燃隔氧層材料由于填充了大量不可燃的無(wú)機(jī)氫氧化鋁,氫氧化鎂等,使電纜的熱容量增加和傳導(dǎo)熱阻降低,延滯了火焰下外護(hù)套溫升的提高,另外,當(dāng)氫氧化鋁溫度升高至250℃時(shí),出現(xiàn)下列反應(yīng):2AL(OH)3→AL2O3+3H2O↑,這個(gè)過(guò)程需要吸收大量熱量同時(shí)釋放大量水蒸氣,而水蒸氣能夠稀釋可燃性氣體,有效抑制材料閃點(diǎn)的出現(xiàn),有助于阻止電纜的燃燒.對(duì)樣品進(jìn)行阻燃試驗(yàn)后,我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)高阻燃內(nèi)護(hù)套的結(jié)殼性很好,經(jīng)過(guò)火焰燃燒后,析出水分已經(jīng)轉(zhuǎn)化成不熔不燃的氧化鋁硬殼包裹在絕緣外阻止火焰進(jìn)入絕緣內(nèi),也隔絕了絕緣與外界氧氣的接觸,使火勢(shì)得到控制.通過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行試驗(yàn),證明了這種結(jié)構(gòu)的效果很好,能夠使電纜達(dá)到A級(jí)阻燃的要求.這種高阻燃隔氧層材料是由國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)的,氧指數(shù)55左右,發(fā)煙量,鹵酸氣體釋放量,PH值和電導(dǎo)率均達(dá)到低煙無(wú)鹵的要求,按照這種結(jié)構(gòu),我們又試制其它幾種低煙無(wú)(低)鹵料,也都達(dá)到了A級(jí)阻燃的要求.對(duì)于幾種低煙無(wú)(低)鹵城市軌道交通用直流電纜的試驗(yàn)結(jié)果見表2

表2低煙無(wú)(低)鹵城市軌道交通用直流電纜的試驗(yàn)結(jié)果

序號(hào)

內(nèi)護(hù)層材料

外護(hù)層材料

阻燃A級(jí)試驗(yàn)

透光率/%

鹵酸氣體釋放量(mg/g)

PH值

電導(dǎo)率(μs/mm)

1

擠出普通低煙無(wú)鹵料

低煙低鹵材料2

不合格

30.7

96

2

低煙無(wú)鹵材料2

不合格

98

0

6.96

0.85

3

繞包低煙無(wú)鹵阻燃帶

低煙低鹵材料2

不合格

32.5

86

4

低煙無(wú)鹵材料2

不合格

99

0

7.0

0.8

5

擠出高阻燃低煙無(wú)鹵隔氧層

低煙低鹵材料1

合格(炭化高度1.4米)

31.8

86

6

低煙低鹵材料2

合格(炭化高度0.9米)

30.5

95

7

低煙無(wú)鹵材料1

合格(炭化高度0.8米)

74

0

6.74

1.05

8

低煙無(wú)鹵材料2

合格(炭化高度0.5米)

99

0

7.0

0.79

注:其中低煙無(wú)鹵材料1,低煙無(wú)鹵材料2,低煙低鹵材料1,低煙低鹵材料2分別代表不同的材料.

通過(guò)表2可見,帶有擠出高阻燃隔氧層結(jié)構(gòu)的電纜能通過(guò)阻燃A級(jí)試驗(yàn),不帶有擠出高阻燃隔氧層結(jié)構(gòu)的電纜沒(méi)有通過(guò)阻燃A級(jí)試驗(yàn).城市地鐵輕軌用低煙無(wú)(低)鹵直流電纜的透光率,鹵酸氣體釋放量,PH值,電導(dǎo)率均符合標(biāo)準(zhǔn)要求并且有很大的余量,而城市地鐵輕軌用低煙低鹵直流電纜的透光率與標(biāo)準(zhǔn)相比還有微小的差距。電纜的防鼠防蟻層設(shè)計(jì)

由于電纜長(zhǎng)期敷設(shè)在地下,容易受到小動(dòng)物(如鼠類,蟻類)的攻擊,影響電纜的性能,使用方提出電纜應(yīng)具有防鼠防蟻功能.黃銅是非磁性材料,是含銅60-70%,含鋅30-40%的合金,相對(duì)紫銅硬度較大.根據(jù)其中鋅的不同含量,可以得到不同的機(jī)械性能.根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),既要考慮到有足夠的硬度經(jīng)受鼠蟻的攻擊,又要有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和伸率滿足生產(chǎn)上加工的要求,我們選擇了符合GB2060中H62或H65的黃銅帶作為防鼠防蟻層.黃銅帶最薄厚度為0.12mm,即可采取雙層間隙繞包的結(jié)構(gòu),也可以采用單層重疊繞包的形式,兩種結(jié)構(gòu)的樣品經(jīng)過(guò)驗(yàn)證均收到了滿意的效果。2.3電纜的防水性能設(shè)計(jì)

由于環(huán)境和氣象因素的作用,電纜有可能較長(zhǎng)時(shí)間敷設(shè)在潮濕的環(huán)境下,水分子有可能徑向透過(guò)護(hù)層,侵入到電纜內(nèi)部,被絕緣吸附吸收,引起電氣性能的下降,所以用戶要求電纜要有徑向防水功能.

對(duì)于防水要求,有兩種結(jié)構(gòu)可供選擇:其一為擠出一層吸濕性和透水性低的材料,將水分阻擋在絕緣外,如擠出一層線性低密度聚乙烯;另一種為采用鋁/塑粘結(jié)綜合護(hù)套.一般來(lái)說(shuō),對(duì)防潮性能要求高的電纜多采用綜合護(hù)層結(jié)構(gòu).考慮到該電纜的阻燃要求為A級(jí),盡量不在電纜結(jié)構(gòu)中添加易燃物(聚乙烯不阻燃),以及鋁/塑粘結(jié)綜合護(hù)層有更好的防水性,所以我們選擇了鋁/塑粘結(jié)綜合護(hù)層這種防水結(jié)構(gòu).我們還在交聯(lián)聚乙烯絕緣與鋁/塑粘結(jié)綜合護(hù)層間繞包了一層膨脹型阻水帶,提高了防水的可靠性.

2.4電纜的耐紫外線性能

如果電纜不是在地鐵中使用,而是敷設(shè)在高架輕軌上,這樣就可能長(zhǎng)期經(jīng)受日光照射和各種氣象條件的考驗(yàn),電纜的護(hù)層長(zhǎng)期被日光照射,容易出現(xiàn)顏色褪色,機(jī)械物理性能下降甚至開裂等現(xiàn)象,所以,這種情況下,電纜的護(hù)套應(yīng)該具有耐紫外線特性.我們?cè)谶x擇護(hù)套材料時(shí),尤其對(duì)于不是黑色的護(hù)層,都選擇了帶有防紫外線性能的材料或者在護(hù)套材料中添加耐紫外線吸收劑等助劑以改善材料的性能.

2.5電纜的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1

圖1結(jié)構(gòu)示意圖

1—導(dǎo)體;2—絕緣;3—阻水帶;4—綜合護(hù)層;5—高阻燃隔氧層;6—防鼠蟻層;7—護(hù)套

3主要特殊試驗(yàn)的要求及試驗(yàn)方法

3.1電纜的阻燃性能,發(fā)煙量,鹵酸氣體釋放量,PH值和電導(dǎo)率要求見1.1.

3.2電纜的防鼠蟻性能要求:

該項(xiàng)試驗(yàn)是根據(jù)GB2951.38中"實(shí)驗(yàn)群體法"的要求進(jìn)行的,該電纜達(dá)到蛀蝕一級(jí)要求.

3.3