地铁用阻燃B1级柔性控制电缆的研制

林 珊, 邓 树, 柯志欣, 刘丽萍, 赵美君, 贺超武

(1.广州地铁设计研究院股份有限公司, 广州 510010; 2.广东南缆电缆有限公司, 广州 510545)

0 引 言

2019年,中国(除港澳台地区外)已有37个城市建成并投运150条地铁线路,总里程达5 180 km。至2021年9月,广州地铁运营里程已达590 km,位列中国(除港澳台地区外)第三名。预计至2023年,广州将建成18条地铁线路,总长度达800 km。为打造 “轨道上的大湾区”,广东省制定了七大城市地铁建设规划,总长度超过1 000 km。

为适应地铁建设迅速发展的大好市场形势,为地铁工程提供安全、可靠的防火电缆,迫切需要对电缆材料和电缆结构进行深入研究和创新改进。本工作对地铁用阻燃B1级柔性控制电缆的材料制备、结构设计、制造工艺及产品性能等做了全面的论述,并通过试验验证了电缆的性能,对研发相关地铁阻燃防火电缆有一定的参考。

1 产品结构

本工作研制了屏蔽型和非屏蔽型两种结构的阻燃B1级柔性控制电缆,结构示意图分别见图1、图2。

图1 阻燃B1级柔性屏蔽型控制电缆结构示意图

图2 阻燃B1级柔性非屏蔽型控制电缆结构示意图

屏蔽型控制电缆适用于地铁轨道和机车车辆数据信号传输控制,具有防电磁干扰性好、固有衰减低和传输数据信号准确等优点,被用于地铁设施中需要防电磁干扰的场合;非屏蔽控制电缆用于地铁设施中不要求防干扰的普通控制线路。两者都被要求具有阻燃低烟无卤特性。

2 产品设计方案

2.1 导体结构

按照IEC标准和国家标准,导体选用含铜量为99.95%及以上的电工无氧铜制作的5类或6类软结构导体[1]。拉制铜线时,严格按照工艺规定配模和监测拉丝液的浓度,保证铜线表面光滑、圆整、均匀一致和无油污。导体束绞时,注意调整每根单线的张力,按照一定的根数及排序穿过分线板,确保束绞导体圆整、无断股、跳线和划伤等不良现象。由于铜线很细,为克服单线外径波动影响和束绞过程中铜单线被拉细的问题,本工作采用硬铜单线束绞以后,再对束绞导体进行罐式退火的工艺。

2.2 绝缘材料

按照GB/T 9330—2020《塑料绝缘控制电缆》的规定,控制电缆一般采用聚氯乙烯或交联聚乙烯绝缘。聚氯乙烯在燃烧过程会释放有毒、有害气体,所以制造阻燃B1级控制电缆只能使用交联聚乙烯,但交联聚乙烯绝缘材料自身为易燃物质,且在着火后可燃性的滴落物会引燃下方其他可燃物,进而扩大火灾范围,须在接头处进行特殊保护处理。同时,B1级控制电缆对燃烧时释放气体的毒性和腐蚀性以及滴落物均有严格的规定[2],因此上述绝缘材料均不够完善。

从更全面的阻燃效果考虑,须重新选择绝缘材料。虽然低烟无卤阻燃聚烯烃有很好的阻燃效果,但容易吸潮进而引起绝缘电阻急剧下降,也不适用于地铁工程常见的潮湿环境。硅橡胶具有优良的耐高温、耐低温性能,以及优异的防潮和防腐蚀性能。国内外研究人员已经对硅橡胶做了广泛的研究[3-6],其中包括陶瓷化硅橡胶,普遍认为:硅橡胶的热释放速率(HRR)相对较低,一氧化碳释放量也较低,对外部热流的敏感性最低,并且大多数硅橡胶的HRR范围为60~150 kW·m-2。

在本产品方案中,采用了自主研发的绝缘材料和双层共挤结构,即:内层绝缘为陶瓷化硅橡胶,外层绝缘为高强度、高阻燃硅橡胶。其中,内层的陶瓷化硅橡胶提供耐火性及绝缘性,外层的高强度阻燃硅胶提供机械强度,同时也具有绝缘性。为保证硅橡胶绝缘达到优异的硫化效果,采用了铂金硫化剂[7-8],该硫化剂不像双二四、双二五,发生硫化反应时会释放出有刺激性的气体,达不到B1级电缆要求毒性达到t0的要求,只能达到t1级。采用铂金硫化剂时,混炼加工温度控制宜低不宜高。A、B剂的添加顺序、分散性及翻包次数等均会影响混合效果。加硫化剂后的混炼胶须低温存放或在0 ℃下短期储存。胶料混炼过程中,温度严格控制在80 ℃以下,加硫混炼过程中控制在60 ℃以下、时间控制在3 min以内。挤出绝缘线芯时,绝缘层的硫化温度控制在200~300 ℃之间。

内、外绝缘层的基本组分分别见表1、表2。

表1 内绝缘陶瓷化硅橡胶组分

由表1、表2可知,内、外硅橡胶绝缘层的材料组分有较大差异。内层组分主要考虑成瓷耐火性能,而外层则主要考虑机械强度及阻燃性,两者配合后具有良好的综合性能。

表2 外绝缘高强度高阻燃硅橡胶组分

绝缘挤出的温度控制很重要,本工作采用了低温挤出工艺。挤出机上有关部件的温度均控制在40 ℃以下。螺杆、机筒、机头、法兰部分全部采用水冷,降低挤出过程中胶料因摩擦和挤压所产生的热量。如果外绝缘层材料采用高强度硅胶,并且加入少量的陶瓷化粉,在高温下也能形成一定的陶瓷化现象,燃烧后不会直接粉化脱落。

根据上述的材料和工艺制造的绝缘线芯,不但达到了B1级燃烧性能要求,并通过了BS 6387—2013的CZ级试验[7]。

2.3 成缆结构

绝缘材料的种类对成缆结构和成缆后阻燃防护层的结构有很大影响。常规交联聚乙烯绝缘类控制电缆在无金属屏蔽层或者铠装的情况下,要达到B1级燃烧等级要求,必须在成缆线芯外增设附加的阻燃防护层。该阻燃防护层有多种结构,例如:采用多层阻燃绕包带、阻燃隔离套、阻燃隔离层+阻燃包带复合结构等,但是采用这些结构形式会增加制造工序和原材料投入,进而导致电缆外径增大和产品成本增加。电缆外径增大还会直接影响电缆的安装敷设,特别是空间范围有限的场合。不同型号和制造工序的B1级阻燃电缆外径和弯曲半径的对比见表3,其中电缆的规格均为6×1.5 mm2。

表3 B1级阻燃电缆制造工序、外径和弯曲半径的对比

由表3可知,采用不同形式的阻燃防护层均会使电缆外径增大20%~30%。

本工作新研制的地铁用阻燃控制电缆采用自主研发的硅橡胶内、外层绝缘材料,既保证了电缆的绝缘性能,也保证了整个绝缘层的机械强度,不必采用过多的附加防护层,也能达到B1级阻燃要求。

2.4 护 套

不同的安装敷设场合,应使用不同护套类型的电缆。地铁用阻燃B1级柔性控制电缆采用拖拽敷设方式时,对电缆护套材料的硬度、抗拉强度和耐刮性有严格要求,可选用阻燃低烟无卤聚烯烃护套;当安装空间小、要求电缆的柔软度高时,可选用高强度阻燃硅橡胶护套。

所用的阻燃低烟无卤聚烯烃护套料和阻燃高强度硅橡胶护套料的基础配方,见表4和表5。

表4 阻燃低烟无卤聚烯烃护套料的基本组分

表5 阻燃高强度硅橡胶护套料的基本组分

经试验证明,本工作中自主研发的阻燃低烟无卤聚烯烃护套料和阻燃高强度硅橡胶护套料,已达到国内外领先水平,其中低烟无卤聚烯烃料阻燃满足B1级燃烧特性要求、燃烧滴落物达到d0级、燃烧气体毒性达到t0级指标;硅橡胶能满足B1级燃烧特性经第三方测试合格。

另外,在挤出护套时,注意尽量加大挤出压力,以增大护套与缆芯之间的附着力,有利于提升阻燃效果及抗燃烧滴落能力。

3 产品试验

对地铁用阻燃B1级柔性控制电缆进行性能验证,测试产品的绝缘、护套机械性能,绝缘电性能,并进行绝缘线芯短路完整性试验,成品电缆耐火试验、燃烧试验。

3.1 机械性能

强度低的硅橡胶需要另外增加防护层,如GB/T 5013.3—2008中60245 IEC 03(YG)对于硅橡胶电线电缆产品绝缘抗张强度的要求为不小于5.0 MPa,为了改善该问题,本工作研发的内层绝缘抗张强度不小于6.0 MPa,外层绝缘强度不小于8.5 MPa,采用双层共挤工艺,内外层绝缘不可分离,总体绝缘强度要求不小于6.5 MPa,产品实测为7.3 MPa。国家标准要求阻燃低烟无卤聚烯烃护套的抗张强度不小于 9.0 MPa,产品实测为12.0 MPa;阻燃硅橡胶企标制定为8.0 MPa,产品实测为9.5 MPa满足使用要求。其他性能指标如断裂生产率、热空气老化、热延伸等均按照国家标准进行检测,测试结果合格。

3.2 绝缘电性能

本工作对几种控制电缆进行3 000 V×5 min耐电压试验,绝缘线芯进行2 500 V×5 min浸水耐电压试验,以及168 h浸水绝缘电阻保留率试验,试验数据见表6。

表6 控制电缆绝缘性能试验数据

由表6可知,硅橡胶和交联聚乙烯的浸水绝缘电阻保留率非常接近,说明硅橡胶怕抗潮湿能力较强;而低烟无卤聚烯烃绝缘电阻保留率下降接近一半,说明该材料的抗潮能力很差。

3.3 绝缘短路完整性试验

通过试验设备模拟试验电缆短路时所需的稳定大电流,使得导体在通电后3 s内熔断。试验在(25±5)℃下进行。样品在试验环境中至少放置24 h。截取长度为(200±5)mm绝缘线芯,并将其两端剥除绝缘30~35 mm,将两端分别固定在试验装置的电流端子上。接通试验设备电源开关,观察被测试绝缘线芯导体熔断或绝缘高温着火的情况。发生以上情况时,应迅速切断电源开关,保证试验装置的安全。

试验结果表明,本工作的绝缘线芯试样在导体短路熔断时,绝缘层仍然完整无损,未出现开裂或着火现象。

3.4 BS 6387标准燃烧试验

按照BS 6387—2013进行CZ级耐火试验。试验方法如2.2节所述,C级为单纯燃烧试验,试验温度(950±40)℃,连续供火时间180 min,未发生短路或断路,试验合格;Z级为燃烧+机械冲击试验,试验温度(950±40)℃,连续供火时间30 min,后半段15 min内,以(30±2)s的时间间隔进行机械冲击试验,未发生短路或断路,试验合格。本工作的绝缘线芯CZ两项试验均合格。

3.5 燃烧性能等级B1级试验

绝缘线芯及成品电缆均按照GB 31247—2014的B1级阻燃特性要求,对两种材料和用这些材料制造的电缆产品,进行了全面的燃烧性能试验,试验结果见表7。

由表7可知,地铁用阻燃B1级柔性控制电缆的性能符合GB 51298—2018《地铁设计防火标准》对防火场合电力控制线路的要求[8]。

表7 绝缘线芯及成品电缆燃烧性能测试结果

4 结束语

地铁用阻燃B1级柔性控制电缆应用量大、应用面广,需在绝缘和护套材料以及产品结构方面不断创新改进,以适应地铁工程中复杂的应用环境。

本工作研制的地铁用阻燃B1级屏蔽型和非屏蔽型柔性控制电缆,具有独特的技术和经济优势,主要体现在以下3个方面:

(1)电缆绝缘和护套材料均为自主研发的新材料,电缆的阻燃性能达到了B1级、燃烧滴落物达d0级、燃烧气体毒性达t0级、燃烧气体酸卤性达a1级,并通过了 BS 6387规定的CZ燃烧试验。

(2)电缆绝缘为自主研发的新材料,绝缘线芯成缆后不必采用过多的附加阻燃防护层,使电缆外径减小了20%~30%,也相应的减轻了电缆的单位质量。

(3)电缆结构简单,便于安装敷设,节省施工费用。