城市轻轨地铁用直流电缆的特性要求和设计

城市轻轨地铁用直流电缆的特性要求和设计城市轻轨地铁用直流电缆的主要技术问题及要由于城市轻轨地铁用直流电缆的使用环境多为人口密集的地下,对阻燃性能要求较高,我们接触到的招标文件都要求符合GB/T18380.3中A级,B级或C级的要求,并且随着设计过程中与使用部门的沟通,阻燃性能的要求提高到了A级,也就是阻燃要求为GB/T18380.3中的A级

此外,过去PVC为绝缘或护套的电缆燃烧时释放大量烟雾和有毒气体,妨碍消防工作的进行,并且酸性气体对人和设备都会造成伤害,所以在人口密集,通风条件差的地下,设计单位一般都选用低烟无卤或低烟低卤型的电缆,因此电缆的发烟量,卤酸气体释放量必然有较高的要求,我们结合用户提出的技术条件,制订了我公司的企业标准,关于阻燃及低烟无(低)卤特性的具体参数见表1

表1低烟无(低)卤性能的具体参数项目

标准要求

执行标准及

试验方法

低烟低卤阻燃电缆

低烟无卤阻燃电缆

成束燃烧试验(A级)

炭化部分高度最大/m

2.5

2.5

GB/T18380.3

电缆烟密度试验

透光率最小/%

35

60

GB/T17651

取自电缆的材料燃烧时的卤酸气体释放量最大(mg/g)

100

5

GB/T17650.1

取自电缆的材料燃烧时释出气体的

水溶液PH值最小

水溶液的电导率最大(μs/mm)

/

/

4.3

10

GB/T17650.2

GB/T17650.2用户提出电缆需要具备防白鼠,防白蚁性能.

1.3用户提出电缆要具有防水性能.

1.4由于电缆有可能敷设在户外,所以,电缆要耐紫外线,适应各种气候条件电缆设计及研制

在轻轨地铁用直流电缆的设计和研制中,重点在于阻燃结构的设计以及一些特殊性能的结构设计,如防水,防鼠,防白蚁等,铜导体的结构可以参照国家标准《电缆的导体》中第2类或第5类设计,绝缘(用户要求为交联聚乙烯)可以参照GB/T12706.1《额定电压1kV到35kV挤包绝缘电力电缆及附件》进行设计,这里不再进行说明。阻燃结构的设计和研制

城市轨道交通用直流电缆的使用环境多为人口密集的地下场所,一旦发生火灾,地下封闭的环境给人员逃生和消防工作带来很大困难,这些因素决定了地铁轻轨用的直流电缆必须有很好的阻燃性能和低烟低毒的性能.

一般来说,低烟无(低)卤阻燃电缆的材料和结构可以有两种选择,一种是低烟无(低)卤阻燃绝缘材料+低烟无(低)卤阻燃护套材料,另一种为非阻燃绝缘材料+低烟无(低)卤阻燃护套材料.如果要求低烟无(低)卤电缆的阻燃性能达到A级,显而易见,最好采用第一种结构,这样能保证整体电缆的阻燃性能.但是具体到城市轨道交通用直流电缆,我们最终选择了后一种结构,即交联聚乙烯绝缘(交联聚乙烯是不阻燃材料)+低烟无(低)卤阻燃护套材料,原因如下:1.用户要求绝缘材料采用交联聚乙烯绝缘2.如果采用低烟无(低)卤阻燃交联聚烯烃绝缘,那么,电缆的绝缘电阻常数和体积电阻率等电气性能指标会降低,不能达到相应的交联聚乙烯绝缘的水平.这种情况下,我们必须在电缆的护层材料和结构上采取措施,才能保证电缆的阻燃性能.

我们这次试验样品选择的截面是400mm2,为提高阻燃性能,我们在绝缘和护套间增加内护层,一种选择是挤出普通低烟无卤阻燃内护层,另一种选择是绕包低烟无卤阻燃玻璃布带,结果两种结构均没有通过A级试验.这时,我们考虑采用高阻燃隔氧层结构,即在绝缘和护套间挤包一层填充了大量无机阻燃剂的低烟无卤阻燃内护层,它的阻燃机理如下:电缆的引燃是一个先吸热后放热的过程,电缆在引燃前需要吸收大量的热量使电缆内的材料达到闪点,才能燃烧.高阻燃隔氧层材料由于填充了大量不可燃的无机氢氧化铝,氢氧化镁等,使电缆的热容量增加和传导热阻降低,延滞了火焰下外护套温升的提高,另外,当氢氧化铝温度升高至250℃时,出现下列反应:2AL(OH)3→AL2O3+3H2O↑,这个过程需要吸收大量热量同时释放大量水蒸气,而水蒸气能够稀释可燃性气体,有效抑制材料闪点的出现,有助于阻止电缆的燃烧.对样品进行阻燃试验后,我们发现这个高阻燃内护套的结壳性很好,经过火焰燃烧后,析出水分已经转化成不熔不燃的氧化铝硬壳包裹在绝缘外阻止火焰进入绝缘内,也隔绝了绝缘与外界氧气的接触,使火势得到控制.通过对样品进行试验,证明了这种结构的效果很好,能够使电缆达到A级阻燃的要求.这种高阻燃隔氧层材料是由国内厂家生产的,氧指数55左右,发烟量,卤酸气体释放量,PH值和电导率均达到低烟无卤的要求,按照这种结构,我们又试制其它几种低烟无(低)卤料,也都达到了A级阻燃的要求.对于几种低烟无(低)卤城市轨道交通用直流电缆的试验结果见表2

表2低烟无(低)卤城市轨道交通用直流电缆的试验结果

序号

内护层材料

外护层材料

阻燃A级试验

透光率/%

卤酸气体释放量(mg/g)

PH值

电导率(μs/mm)

1

挤出普通低烟无卤料

低烟低卤材料2

不合格

30.7

96

2

低烟无卤材料2

不合格

98

0

6.96

0.85

3

绕包低烟无卤阻燃带

低烟低卤材料2

不合格

32.5

86

4

低烟无卤材料2

不合格

99

0

7.0

0.8

5

挤出高阻燃低烟无卤隔氧层

低烟低卤材料1

合格(炭化高度1.4米)

31.8

86

6

低烟低卤材料2

合格(炭化高度0.9米)

30.5

95

7

低烟无卤材料1

合格(炭化高度0.8米)

74

0

6.74

1.05

8

低烟无卤材料2

合格(炭化高度0.5米)

99

0

7.0

0.79

注:其中低烟无卤材料1,低烟无卤材料2,低烟低卤材料1,低烟低卤材料2分别代表不同的材料.

通过表2可见,带有挤出高阻燃隔氧层结构的电缆能通过阻燃A级试验,不带有挤出高阻燃隔氧层结构的电缆没有通过阻燃A级试验.城市地铁轻轨用低烟无(低)卤直流电缆的透光率,卤酸气体释放量,PH值,电导率均符合标准要求并且有很大的余量,而城市地铁轻轨用低烟低卤直流电缆的透光率与标准相比还有微小的差距。电缆的防鼠防蚁层设计

由于电缆长期敷设在地下,容易受到小动物(如鼠类,蚁类)的攻击,影响电缆的性能,使用方提出电缆应具有防鼠防蚁功能.黄铜是非磁性材料,是含铜60-70%,含锌30-40%的合金,相对紫铜硬度较大.根据其中锌的不同含量,可以得到不同的机械性能.根据以往经验,既要考虑到有足够的硬度经受鼠蚁的攻击,又要有适当的强度和伸率满足生产上加工的要求,我们选择了符合GB2060中H62或H65的黄铜带作为防鼠防蚁层.黄铜带最薄厚度为0.12mm,即可采取双层间隙绕包的结构,也可以采用单层重叠绕包的形式,两种结构的样品经过验证均收到了满意的效果。2.3电缆的防水性能设计

由于环境和气象因素的作用,电缆有可能较长时间敷设在潮湿的环境下,水分子有可能径向透过护层,侵入到电缆内部,被绝缘吸附吸收,引起电气性能的下降,所以用户要求电缆要有径向防水功能.

对于防水要求,有两种结构可供选择:其一为挤出一层吸湿性和透水性低的材料,将水分阻挡在绝缘外,如挤出一层线性低密度聚乙烯;另一种为采用铝/塑粘结综合护套.一般来说,对防潮性能要求高的电缆多采用综合护层结构.考虑到该电缆的阻燃要求为A级,尽量不在电缆结构中添加易燃物(聚乙烯不阻燃),以及铝/塑粘结综合护层有更好的防水性,所以我们选择了铝/塑粘结综合护层这种防水结构.我们还在交联聚乙烯绝缘与铝/塑粘结综合护层间绕包了一层膨胀型阻水带,提高了防水的可靠性.

2.4电缆的耐紫外线性能

如果电缆不是在地铁中使用,而是敷设在高架轻轨上,这样就可能长期经受日光照射和各种气象条件的考验,电缆的护层长期被日光照射,容易出现颜色褪色,机械物理性能下降甚至开裂等现象,所以,这种情况下,电缆的护套应该具有耐紫外线特性.我们在选择护套材料时,尤其对于不是黑色的护层,都选择了带有防紫外线性能的材料或者在护套材料中添加耐紫外线吸收剂等助剂以改善材料的性能.

2.5电缆的结构示意图见图1

图1结构示意图

1—导体;2—绝缘;3—阻水带;4—综合护层;5—高阻燃隔氧层;6—防鼠蚁层;7—护套

3主要特殊试验的要求及试验方法

3.1电缆的阻燃性能,发烟量,卤酸气体释放量,PH值和电导率要求见1.1.

3.2电缆的防鼠蚁性能要求:

该项试验是根据GB2951.38中"实验群体法"的要求进行的,该电缆达到蛀蚀一级要求.

3.3