额定电压1500V及以下轨道交通用直流电缆的设计与加工

1、2013年第1期No12013电线电缆Electric Wire Cable 2013年2月Feb,2013额定电压1500V 及以下轨道交通用直流电缆的设计与加工欧迪恒(金杯电工股份有限公司,湖南长沙410205摘要:针对城市地铁用“额定电压1500V 及以下轨道交通用直流电缆”应具备的无卤、低烟、阻燃A 类、阻水、防水、防鼠、防白蚁、无毒、耐紫外线等性能,以及电缆敷设的复杂环境,介绍了电缆结构设计、材料选型、配合和加工技术要点。关键词:轨道交通用直流电缆;三元乙丙胶;阻水带;高阻燃无卤玻璃纤维带;聚烯烃中图分类号:TM2469文献标识码:A文章编号:1672-6901(201301-000

2、8-04Design and Processing for Rail Transit Cable up to DC 1500VOU Di-heng(Goldcup Electric Apparatus Co,Ltd,Changsha 410205,China Abstract :Rail transit cable of up to DC 1500V should be of characteristics such as halogen-free ,smoking-low ,class A flame-retardant ,water-blocking ,water-resistance ,

3、rat-resistance ,termite-resistance ,non-toxic ,UV-resist-ance ,and the complex environment for cable laying ,we have introduced the cable structural design ,material selec-tion ,matching and processing technologyKey words :rail transit cable ;EPDM ;water resistance tape ;high level halogen-free and

4、flame-retardant glass fiber ;polyolefin收稿日期:2012-05-17作者简介:欧迪恒(1965,男,高级工程师作者地址:湖南长沙国家高新技术开发区东方红中路580号4102050引言随着城市化进程明显加快,建设快速的地下轨道交通网络已刻不容缓。截至2010年3月,国家发改委已审批28个城市建设地铁,并在复核其它5个城市地铁项目,全国将有33个城市拥有地铁;到2020年,在已建的480km 地铁线路基础上,再造6100km 城市地铁,投资金额将达到11568亿元。这就需要大量的轨道交通用电缆。众所周知,传统的轨道交通用电缆含有卤素,一旦发生火灾,电缆燃烧时

5、释放的卤化氢气体,使人窒息,人们几乎没有逃生的机会。为此,德国、法国在21世纪初率先提出无卤、低烟、阻燃、无毒、环保轨道交通电缆的技术标准。随后,欧洲电工标准委员会(CENELEC 制定了轨道交通电缆EN 系列标准。我们根据欧洲电工标准委员会(CENELEC 、国际电工标准委员会(IEC 、国家电线电缆标准委员会、铁道部行业标准以及电缆的敷设条件,并参考国内先进企业标准,制定了额定电压1500V 轨道交通用直流电缆企业标准。为满足该电缆具有无卤、低烟、阻燃A 类、阻水、防水、防鼠、防白蚁、无毒、耐紫外线等性能,本文对其结构设计、材料选型、材料配合以及关键生产工艺进行了研究。1电缆结构设计11总

6、体结构该电缆结构设计主要考虑以下几个因素:(1电缆敷设或弯曲安装使用时产生应力,会出现开裂现象,故要求尽可能柔软;(2电缆运行时有可能长期浸泡在水里面,必须具有优异的阻水、防水性能;(3电缆若仅采用氧指数较高的无卤低烟阻燃护套料,则无法通过成束燃烧A 类试验,故还需覆盖或挤包其它高阻燃材料。图1为过去行业内该电缆普遍采用的结构。据地铁公司专家介绍,采用该结构的电缆,敷设在转角处,使用一段时间后,弯曲部位所产生的应力,会导致开裂现象出现,严重时影响电网正常运行,故不得不更换。究其原因,一是防水层采用铝塑粘接层,它是由涂塑铝带与聚乙烯护套粘接组合而成,使电缆变硬;二是无卤、低烟、高阻燃隔氧料和无卤

7、、低烟、高阻燃护套料其邵氏硬度大(通常在HSA90以上,影响电缆的柔软性。因此,导致电缆弯曲部位在使用过程出现开裂现象的根本原因是铝塑粘接防水层、隔氧层和护套层等三种材料硬度过大。显然,要满足电缆防鼠、防白蚁、抗紫外线等使用特性,取消或取代护套层是不可行的。如何取消或取代铝塑粘接防水层和隔氧层,又能满足电缆的径向防水性能,并通过成束燃烧A类试验是该电缆结构设计的关键。经过多次试验,我们采用耐水性能优良的乙丙胶作绝缘层,并适当增加其厚度,以提高电缆的防水性能;增加高阻燃玻璃纤维带厚度和绕包层数,从而达到取消挤包隔氧层的目的。图2为本文推荐的轨道交通用直流电缆的结构 。图1 原轨道交通用直流电缆结

8、构图图2推荐的轨道交通用直流电缆结构图12导体结构无卤、低烟、高阻燃护套材料其邵氏硬度大,影响电缆的柔软性。为杜绝电缆使用时开裂,应尽可能减小电缆的弯曲半径(标准值6D,同时一改传统采用5类导体的做法,选用了GB/T39562008中最柔软的第6类导体。13绝缘层选用三元乙丙橡胶作绝缘基料,其绝缘厚度在TB/T148412010绝缘厚度的基础上加厚25 mm,以提高电缆的径向防水性能(见表1。14阻水层阻水层包覆在绝缘上,其作用是阻止水通过绝缘和阻燃层之间的间隙沿着电缆纵向迁移。选用遇水膨胀型复合阻水带,采用双层绕包,每层搭盖率不小于30%,保证电缆每处阻水带不小于2层。15阻燃层电缆采用氧指

9、数大于50、厚度为025mm的无卤玻璃纤维带绕包,它不但具有高阻燃特性而且具有防鼠作用。采用双层绕包,每层搭盖率不小于60%,使得电缆每处无卤玻璃纤维带不小于4层,确保电缆阻燃性能达到A类要求。16护套层护套以乙烯醋酸乙烯(EVA、聚烯烃弹性体(POE作基料,氧指数大于35。依照IEC60245-1: 2003规定的护套厚度几种计算方法,并对计算的结果进行比较。由于绝缘厚度加厚的因素,护套厚度最适合下面计算公式:t=0085D+045式中,t为护套厚度(mm;D为绝缘线芯假定直径(mm。表1为常用的195mm2、1150mm2,1240 mm2三个规格直流电缆的结构尺寸。表1额定电压1500V

10、及以下轨道交通用直流电缆结构尺寸项目规格导体标称截面/mm295150400电缆芯数111导体最大单线直径/mm031031041绝缘标称厚度/mm454951护套标称厚度/mm222528电缆平均外径上限/mm343850电缆最小弯曲半径6D6D6D2材料选用及配合所有选用的材料应不含卤素,燃烧时发烟量低、无毒,能满足ROHS指令,限制使用六类有害物质:铅(Pb、汞(Hg、镉(Cd、六价铬(Cr+6、多溴联苯(PBB、多溴二苯醚(PBDE。21绝缘胶材料选用和配方(1生胶。为满足绝缘耐热、耐水、耐臭氧、耐紫外线等性能,选用了美国陶氏(DOW生产的三·9·元乙丙橡胶NORD

11、EL IP4725P作基料,其乙烯含量高(70%、门尼粘度低(ML1+4,12525,相应其绝缘电阻率高(20,不小于1014·m、加工性能好。(2交联剂。采用过氧化二异丙苯(DCP作交联剂,三烯丙基异氰脲酸酯(TAIC作助交联剂。(3防老剂。为满足空气弹老化试验要求,兼顾对铜导体的保护作用,采用防老剂MB与防老剂RD并用。(4填充剂。选用难溶于水的微细滑石粉。(5绝缘胶基本配方。三元乙丙胶(NORDEL IP4725P100;过氧化二异丙苯(DCP38;三烯丙基异氰脲酸酯(TAIC29;氧化锌5;防老剂MB2.5;防老剂RD1.2,;微细滑石粉(10m120;其它61.6;合计29

12、7;含胶率33.7%。2.2护套胶材料选择以EVA、POE作基料,配合抗氧剂1010、防鼠剂、防白蚁剂、抗紫外线剂、消烟剂、软化剂、氢氧化铝等无卤阻燃剂。护套防鼠性能:LD50大于2000 mg/kg;咬伤面积为0;实验期间,SD大鼠无中毒、致畸、致突变、致癌现象。护套防白蚁性能依据GB 2951.3886规定:白蚁击倒时间KT50不大于350 min。3现场关键工序控制3.1绝缘3.1.1绝缘胶加工(1胶料和配合剂。采用电子称称量。胶料:三元乙丙橡胶;配合剂:超细滑石粉、氧化锌、促进剂、防老剂、交联剂等。(2混炼。称量好的胶料和配合剂采用密炼机混炼。(3滤橡。混炼好的混合胶在开炼机上压片,片

13、状胶料由皮带输机运送到滤橡机对胶料的杂质进行过滤。(4加交联剂。过滤后的胶料冷却存放8 24 h后,再次投入密炼机混炼,并加入交联剂。排料后由皮带运输机输送到开炼机上压片,供压延机辗页。(5辗页。采用压延机压片,胶片经冷却装置冷却后,存放8 96h后,供电缆挤出用。(6绝缘炼胶工艺参数见表2。3.1.2绝缘连硫导体挤包乙丙橡胶绝缘料,采用挤橡连续硫化机组,严格控制挤出温度、牵引速度、硫化汽压,以保证电缆的电性能和绝缘层的物理机械性能;绝缘连硫工艺参数见表3。表2绝缘胶炼胶工艺参数工序名称使用设备工艺参数项目控制范围混炼压片过滤加硫压片辗页密炼机开炼机滤胶机密炼机开炼机压延机后转子转速/(r/m

14、in上顶栓压力/MPa冷却水压力/MPa混炼时间/min排胶温度/辊温/机身温度/机头温度/螺杆温度/混炼时间/s排胶温度/辊温/辊温/401101030160510556059029829025010952555605表3绝缘连硫工艺参数项目控制范围机身温度/:机头温度/:模套温度/螺杆温度/牵引速度/(m/min硫化汽压/MPa硫化管道有效长度/m9029529829829529829521511018032护套护套挤出采用专用螺杆,其压缩比小,出胶量大,螺杆转速不宜太快,分段加热,挤出时采用挤压式,使电缆结构紧密,有利于电缆的阻燃和防水效果;护套挤出工艺参数见表4。表4护套挤出工艺参数项

15、目控制范围机身温度/:机头温度/模套温度/牵引速度/(m/min1202138215221602162216225 84成品电缆性能把地铁常用的额定电压1500V及以下轨道交通用直流电缆:195mm2、1150mm2,1400·01·mm2三个规格电缆,送有关权威检验机构进行检测,各项性能指标完全达到国内外同类产品的先进水平。表5为其中的1150mm2各项性能指标。表5DC1500V1150mm2轨道交通用直流电缆试验结果试验项目技术要求试验结果绝缘物理机械性能老化前抗张强度/MPa 老化前断裂伸长率/%5020078400空气烘箱老化(135,168h抗张强度变化率/%断

16、裂伸长率变化率/%3030+25带导体老化(100,168h抗张强度变化率/%断裂伸长率变化率/%303043空气弹老化(127,40h抗张强度变化率/%断裂伸长率变化率/%30302113热延伸试验(200,02MPa载荷下伸长率/%冷却后永久变形/%175155耐臭氧试验(25,24h,臭氧浓度0025% 0030%无裂纹无裂纹护套物理机械性能老化前抗张强度/MPa 老化前断裂伸长率/%9150102170空气烘箱老化(100,168h抗张强度变化率/%断裂伸长率变化率/%3030+10+8低温拉伸试验(25,16h伸长率/%2056耐气候老化(11008h老化抗张强度最大变化率/%伸长率

17、最大变化率/%3030+1(21008h老化后与504h老化后对比抗张强度最大变化率/%伸长率最大变化率/%151538试验项目技术要求试验结果电性能20时直流电阻/(/km环境温度40电缆载流量/A成品电缆耐压试验(65kV,5min20时绝缘电阻/(M·km0132490不击穿1500128567不击穿1750纵向透水试验(100,透水10次二端不应有水渗出符合要求电缆燃烧试验电缆成束燃烧试验(A类炭化部分所达高度/m烟密度试验透光率/%25600575燃烧气体腐蚀性试验绝缘pH值电导率/(s/mm阻水层pH值电导率/(s/mm阻燃层(玻璃纤维带pH值电导率/(s/mm护套pH值

18、电导率/(s/mm4310431043104310550345205152036520385结束语我们研制的额定电压1500V及以下轨道交通用直流电缆经挂网运行,防水性能优良,在敷设、弯曲使用时未出现开裂现象,完全满足使用要求。参考文献:1TB/T148412010机车车辆电缆第1部分:额定电压3kV及以下标准壁厚绝缘电缆S2欧迪恒电缆用三元乙丙胶的配合与混炼J特种橡胶制品,1991(4:13-163欧迪恒满足VDE规范橡套软电缆实用配合技术与加工J电线电缆,2008(5: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19-24(上接第7页重度取值需慎重。180级的聚氨酯漆包线样品,拟合活化能以及耐热等级的评估受分解失重度取值的影响较大。由于长期烘箱老化实验还在进行中,单独借助TGA曲线拟合、评估耐热等级的可靠性还有待继续跟踪。参考文献:1Toop D JTheory of life testing and use of thermogra