6kV到15kV交联聚乙烯绝缘耐火电力电缆的研发.pdf

2012 年第 4 期 No． 42012 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2012 年 8 月 Aug．， 2012 6 kV 到 15 kV 交联聚乙烯绝缘耐火电力电缆的研发 张仲韬， 牛方辉， 吴卫峰， 曹永刚 ( 江苏亨通电力电缆有限公司， 江苏 吴江 215234) 摘要: 随着国民经济快速发展， 市场对 6 kV 到 15 kV 交联聚乙烯绝缘耐火电力电缆有较大的需求。主要对 6 kV 到 15 kV 交联聚乙烯绝缘耐火电力电缆结构、 耐火机理、 耐火性能进行阐述。 关键词: 耐火电力电缆; 耐火电缆结构; 耐火机理; 耐火性能; 交联聚乙烯 中图分类号: TM247. 9文献标识码: A 文章编号: 1672- 6901( 2012) 04- 0020- 03 Development of XLPE Insulated Fire- Resistance Power Cable of Rated Voltage 6 kV to 15 kV ZHANG Zhong- tao，NIU Fang- hui，WU Wei- feng，CAO Yong- gang ( Jiangsu Hengtong Power Cable Co．，Ltd．，Wujing 215234，China) Abstract:As the rapid development of the national economy，the market has a larger demands for cross- linked poly- ethylene insulated fire- resistance power cables of rated voltage 6 kV to 15 kV． This paper focuses on the construction， fire- resistance mechanism，fire- resistance performance of XLPE insulated fire- resistance power cable． Key words:fire- resistance power cables; construction of fire- resistance cable; fire- resistance mechanism; fire- resist- ance performance;XLPE 收稿日期: 2012- 01- 06 作者简介: 张仲韬( 1964 － ) ， 男， 工程师． 作者地址: 江苏吴江市七都工业区［ 215234］ ． 0引言 随着我国社会经济的快速发展， 地铁、 发电厂、 核电站、 隧道等重要工程设施和智能小区、 大型超 市、 公共场所等人员密集场合越来越多， 尤其是高层 建筑， 更是遍地开花。由于 1 kV 电力电缆的供电范 围只有 500 m， 对特大型高层建筑物而言， 如果按照 惯例采用 0. 6/1 kV 低电压配电， 其电缆用量及敷设 安装工作量， 较普通建筑物成数十倍增长。电缆敷 设空间成几倍增长， 既耗材， 又耗能， 而且建筑物中 电缆敷设过多， 也会给安全使用带来不利影响。 因此， 特大型高层建筑物， 开始使用 6 ～ 35 kV 中压交联聚乙烯( XLPE) 绝缘电缆供电， 变压器设 置在建筑物楼层的中间或顶部， 中压电缆敷设在竖 井内连接变压器， 经过变压器降压后， 向相关的设备 供电。为了保证火灾条件下的供电可靠性， 用户对 额定电压 6 ～ 35 kV 的 XLPE 绝缘电缆提出了耐火 的要求， 要求 XLPE 电缆在火焰条件下仍能在一段 时间内持续地供电， 以利于火灾的救援和人员的逃 离和疏散。 1结构设计 1． 1结构分析 目前， 市面上使用的低压耐火电缆仍以传统的 两层或多层云母带重叠绕包在导体上的工艺为主。 发生火灾时， 在绝缘和护层被烧蚀后， 绕包在导体上 的云母带遇火后生成不溶不熔的 SiO2， 有良好的电 绝缘性能， 确保电缆继续通电， 从而在着火时保持一 定时间的正常运行。 导体上绕包云母带的耐火电缆只能满足 0. 6/1 kV 及以下电压的耐火性能要求， 3. 6/6 kV 到 8. 7/ 15 kV XLPE 绝缘耐火电力电缆需采用其它结构才 能满足耐火性能要求。 GB/T 12706. 2 规定， 3. 6/6 kV 到 8. 7/15 kV XLPE绝缘电力电缆导体外须挤包导体屏蔽层， 导体 屏蔽层外挤包 XLPE 绝缘层， 再在外挤包绝缘屏蔽 层加绕包金属屏蔽。 电缆结构上的屏蔽是一种改善电场分布的措 施。电缆导体由多根导线绞合而成， 它与绝缘层之 间易形成气隙， 导体表面不光滑， 会造成电场集中。 在导体表面加一层半导电材料的屏蔽层， 它与被屏 蔽的导体等电位并与绝缘层良好接触， 从而避免在 导体与绝缘层之间发生局部放电， 这一层屏蔽为导 体屏蔽层; 同样在绝缘表面和金属屏蔽接触处也可 能存在间隙， 是引起局部放电的因素， 故在绝缘层表 面加一层半导电材料的屏蔽层， 它与被屏蔽的绝缘 层有良好接触， 与金属屏蔽等电位， 从而避免在绝缘 层与金属屏蔽之间发生局部放电， 这一层屏蔽为绝 缘屏蔽层。 假如在 3. 6/6 kV 到8. 7/15 kV XLPE 绝缘耐火 电力电缆导体上绕包云母带， 导体与绝缘层之间易 形成气隙， 导体表面电场也会集中， 造成电缆在运行 时击穿， 也不会通过出厂试验。 因此， 6 kV 到 15 kV XLPE 绝缘耐火电力电缆 只能在金属屏蔽以外采用特殊的结构、 选用特定材 料， 达到耐火功效。 1． 2电缆结构设计 参照 GB/T 12706. 2—2008 的标准规定设计 6 kV 到 15 kV XLPE 绝缘耐火电力电缆。 铜导体选用符合 GB/T 3956—2008 的第2 种退 火铜导体; 内外屏蔽为半导电材料， 应符合 GB/T 12706. 2—2008 规定; 绝缘材料为 XLPE， 应符合 GB/T 12706. 2—2008 规定; 金属屏蔽应符合 GB/T 12706. 2—2008 规定; 填充材料为玻璃丝绳， 包带为 玻璃丝纤维带， 具有耐高温和高阻燃性能; 缆芯上挤 包耐火硅橡胶耐火层， 耐火硅橡胶具有良好的电性 能和一定的物理机械性能; 耐火硅橡胶外挤包耐火 隔热层， 耐火隔热层材料为低烟无卤隔氧层料， 材料 氧指数不小于 45， 具有很好的结壳性能， 在高温和 火焰烧蚀下， 结成坚硬的外壳， 包覆在耐火硅橡胶 外， 隔氧层厚度应符合 GB/T 12706. 1—2008 规定; 铠装( 若有) 材料为镀锌钢带， 双层间隙绕包; 外护 套为低烟无卤阻燃护套料， 具有低烟无卤阻燃性能， 护套厚度应符合 GB/T 12706. 2—2008 规定。电缆 结构如图 1 所示。 图 16 kV 到 15 kV XLPE 绝缘耐火电力电缆结构图 2耐火原理 2． 1耐火硅橡胶 耐火层选用具有优异耐火性能的耐火硅橡胶， 耐火硅橡胶主要材料是硅橡胶( HTV) ， 在常温下无 毒、 无味、 耐高低温、 耐臭氧老化、 耐候老化、 优良的 电绝缘性能， 具有良好的加工性能。耐火硅橡胶耐 火机理如下: 正如参考文献［ 1］所述， 耐火硅橡胶在火焰的 烧蚀下， 首先由配方中的结构控制剂起作用， 溢出有 机物质， 燃烧 2 ～ 4 min 后开始烧结， 生成陶瓷状壳 体， 这种陶瓷状壳体的隔绝层可以非常有效地阻挡 火焰的继续燃烧。在接下来的烧蚀过程中( 陶瓷状 壳体在 700 ～ 900℃ 高温火焰的煅烧催化下) ， 陶瓷 状壳体生成 SiO2陶瓷， 即为经得起 700 ～ 1 300 ℃ 高温火焰烧蚀; 陶瓷状壳体坚硬， 具有一定的绝缘性 能并且具备一定的机械性能， 能够抵御火灾现场水 浇和间接的机械震动。耐火硅橡胶的分解过程 如下。 耐火硅橡胶就是利用其有机硅链组合氧化镁家 族， 在火焰温度 500 ℃ 即开始发生催化燃烧结壳， “瓷化” 成比热容很小的降温挡火固体， 这个固体可 以完成耐火要求。 2. 2耐火隔热层 耐火隔热层的材料为低烟无卤隔氧料， 其应有 隔热、 降温， 受热分解后结壳的效果， 材料中应填充 有大量的水合氧化物。在受热时， 水分子蒸发， 可以 吸收大量的热量， 降低电缆的温度; 形成的水蒸气可 以冲淡电缆周围氧气的浓度; 燃烧的金属氧化物产 物形成硬壳， 包覆在缆芯外， 阻止火焰和热量向电缆 内部蔓延和传递。 包覆在缆芯的低烟无卤隔氧料燃烧后产生的硬 壳， 可以有效地抵御火灾现场水浇， 在一定时间内， 阻止水向绝缘层渗透， 在火灾情况下对保持电路完 好的电性能起到一定作用; 耐火硅橡胶燃烧后产生 的坚硬瓷状壳体， 直接包覆在缆芯上， 火灾现场受到 水浇后， 更表现出优异的绝缘性能， 在一定的时间 内， 可以保持一定的绝缘性能。 同样， 包覆在缆芯的低烟无卤隔氧料燃烧后产 生的硬壳， 在电缆受到机械振动时， 硬壳能起到保护 绝缘层的作用， 在一定时间内， 可避免绝缘层受到机 械振动而破坏; 耐火硅橡胶燃烧后产生的坚硬陶瓷 状壳体， 在电缆受到机械振动时， 由坚硬的陶瓷状壳 体性能决定， 其在一定时间内可以保持一定的绝缘 性能。 ( 下转第 31 页) 12 2012 年第 4 期 No． 42012 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2012 年 8 月 Aug．， 2012 与 DLTP 复配给予材料较好的耐热老化性能， 保证 材料的耐温等级达到 125℃。硅酮助剂不仅使材料 的表面得到改善， 而且有效降低生产过程中的扭矩， 改善物料的流动性， 提高生产效率。 表 6耐温 125℃紫外光交联低烟无卤阻燃 绝缘材料的性能指标 测试项目 JB/T 10436—2004 YJZDF- 125 要求 实测 结果 拉伸强度/MPa ≥10． 013．2 断裂伸长率/% ≥150234 老化性能( 158 2℃， 168 h) 抗拉强度变化率/% ≤ 208 断裂伸长率变化率/%≤ 20－10 热延伸( 200℃， 0. 2 MPa， 15 min) 负荷下伸长率/% ≤17545 冷却后永久变形/% ≤15 5 冲击脆化(－25℃) 冲击脆化性能/失效数≤15/300 氧指数≥3037 体积电阻率( 20℃) /( Ωm) ≥1 10123. 1 1013 介电强度/( MV/m) ≥20 26．5 pH 值 ≥4．35．8 电导率/( μS/mm) ≤10 0．8 参考文献: ［1］Zhenzhong Li，Baojun Qu． Effects of gamma irradiation on the properties of flame- retardant EVM/magnesium hydroxide blends ［J］ ． Radiation Physics and Chemistry， 2004， 69( 2) : 137- 141． ［2］Siqin Dalai， Chen Wenxiu． Radiation effects on poly( propylene) ( PP) /ethylene- vinyl acetate copolymer ( EVA)blends ［J］． Journal of Applied Polymer Science，2002，86 ( 13) :3420- 3424． ［3］Radhakrishnan C． K，Sujith A，Unnikrishnan G，et al． Effects of the blend ratio and crosslinking systems on the curing behav- ior，morphology，and mechanical properties of styrene- butadiene rubber/poly ( ethylene- co- vinyl acetate)blends ［J］ ． Journal of Applied Polymer Science， 2004， 94( 2) : 827- 837． ［4］Zhengzhou Wang，Yuan Hu，Zhou Gui，et al．Halogen- free flame retardation and silane crosslinking of polyethylenes ［J］． Polymer Testing， 2003， 22( 5) : 533- 538． ［5］瞿保钧， 吴强华． 聚乙烯光引发交联及其工业应用研究的新 进展［J］． 高等学校化学学报， 2000， 21( 8) : 1318- 1324． ［6］QU Bao Jun，WU Qiang Hua． New development in the photoini- tiated cross linking of polyethylene and industrial applications ［J］． Trends in Photochemistry ＆ Photobiology，2001，7:107- 129． ［7］瞿保钧， 吴强华， 梁任又， 等． 紫外光交联聚烯烃绝缘电线电 缆的生产方法及其紫外光辐照交联设备: 中国， 20061026X ［P］ ． 2006- 09- 06． ［8］Bene M，Milanov N，Matuschek G，et al． Thermal degradation of PVC cable insulation studied by simultaneous TG- FTIR and TG-EGA methods［J］． Journal of Thermal Analysis and Calorim- etry， 2004， 78( 2) : 621- 630． ［9］鲍文波， 马树军， 贾振山等． 10 kV 紫外光辐照交联聚乙烯电 力电缆新技术［J］． 电线电缆， 2008( 4) : 1- 4． ［ 10］应启广． 交联无卤阻燃 LLDPE/EVA 电缆料的研制［J］ ． 现 代塑料加工应用， 2006， 18( 3) : 26- 28． ［ 11］夏英， 胡林燕， 刘长胜等． 无卤阻燃 EVA 电缆专用料的配 方优化［ J］ ． 塑料工业， 2009， 37( 11) : 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 55- 60． ( 上接第 21 页) 3耐火试验 在耐火硅橡胶耐火层和低烟无卤耐火隔热层双 重作用下， 电缆具有优异的耐火性能。按照 GB/T 19216. 21 方法， 电缆在火焰时间 90 min、 冷却时间 15 min 后进行交流电压试验; 按照 BS 8367 试验方 法， 电缆进行火烧附加喷淋试验后进行交流电压试 验。产品通过国家电线电缆质量监督检验中心 检验。 4结束语 我公司设计开发的性能优异的 6 kV 到 15 kV XLPE 绝缘耐火电力电缆， 为消防、 防火又提供了一 个新型的、 安全的、 性能更加优异的材料， 是中压耐 火电缆领域的创新。它的诞生使得中压电缆也可以 具有耐火功能， 具有广阔的市场前景。 参考文献: ［ 1］彭小第， 夏亚芳， 刘军． 一种新型陶瓷化高分子复合耐火硅 橡胶耐火电缆的研制［J］． 电线电缆， 2007( 4) : 28- 29． 13 2012 年第 4 期 No． 42012 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2012 年 8 月 Aug．， 2012