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高柔性防火电缆及其预制分支的研制

1、前言

随着社会的发展城市规模不断扩大高楼大厦不断涌现重要建筑物不断增多由电气线路而引起的火灾特别是大火灾事故触目惊心,危及生命财产安全,而一些伤亡惨重、影响巨大的火灾,往往引发系列社会问题进而问责追究。一旦火灾发生,救援极其重要,消防水泵、消防排烟、应急照明、消防电梯等救援设备都成了人员逃生的保障,而这些保障的“生命线”就是——防火电缆。由于火灾的频繁发生和严重后果,各国越来越重视防火电缆的性能和试验,表1例举了部分国家和地区的防火电缆结构和试验标准条件,从表1中可以看出GB、IEC、BS、AS等标准对防火电缆的试验性能的不同要求,其中BS和AS两种试验条件较为苛刻。我国防火电缆主要执行国家标准,防火性要求通过BS 6387或BS8491的耐火+振动+喷淋的耐火试验。

目前市场上的防火电缆,从绝缘材料上主要分为两大类,即氧化镁绝缘防火电缆和云母矿物质复合绝缘防火电缆,通俗习惯分别称为刚性防火电缆和柔性防火电缆。由于结构设计、材料工艺的不同,两类电缆在满足防火性能要求的前题下各有特色,也各自存在一些需改善的方面。作为刚性防火电缆,其耐火耐高温、耐辐照、寿命长、接地好等优点无可挑剔,但在实际安装中,也会表现出实芯导体结构相对硬、工期较长等情形。而另一大类是采用绞合导体+矿物复合绝缘+金属套或防火泥复合护层的柔性防火电缆,理论上讲管状金属或经过轧纹机械形变后的金属套防火电缆,称其柔性主要是相对实芯导体而言的;而采用防火泥隔离结构的防火电缆,其柔性也会受到防火泥成型后硬的限定。与常规电缆相比,这些防火电缆在接头方面需要专门的附件和技术,实现预分支方面更存在难度;它们的分支接头往往采用分支箱进行连接,除了安装复杂困难,施工强度大外,防火性能、接头性能和密封防潮性能也参差不齐。

我们从结构和材料上对防火电缆进行了深入的研究,将电缆的柔软性、防火安全性和施工方便快捷性为研究方向,研制开发一种柔性防火电缆,全面通过了GBIECBSAS试验,是一种真正柔性的防火电缆。在此基础上,我们立项研发了预制分支型环保防火电缆,此预制分支防火电缆制造成本较低,不仅保留了传统防火电缆的优点,还克服了一般防火电缆防火层吸潮、电缆柔软性差等问题,安装敷设方便快捷,可根据用户需求整根整盘交货,无需中间接头,具有较好的市场前景。

 

表1  部分国家和地区的防火电缆结构和试验标准条件

国家地区

防火电缆结构

标准代号

试验条件(耐火最高等级)

主要执行标准

澳大利亚

(北美)

氧化镁+铜套

云母+绝缘+护套

AS/NZS 3013AS 1530

AS 3187

密封炉中试验,120min、最高1050℃,含喷淋、冲击、切削试验

ASIECBS

英国

(欧盟)

氧化镁+铜套

云母+绝缘+护套

BS 8491BS 6387EN 60702

EN 50200BS 8434 BS6207

喷灯试验,180min、最高990℃,含喷淋、冲击试验

BSVDEEN

中国

氧化镁+铜套

金属套(铜、铝、钢)、硅橡胶类、云母+绝缘+护套

GB 12666GB 19216GB/T13033

喷灯试验,90min、最高1000℃,含冲击试验(目前与IEC60331接轨)

BSGB

德国

云母类和硅橡胶类、耐高温电缆达1565

VDE 0472.814

喷灯试验,180min、最高850

VDEENBS

美国

数据防火电缆占优、军方耐温等级达3500

MIL C  915EIEEE 383

UL 1581UL 2196

喷灯试验,180min、最高900

ULASBS

日本

云母+绝缘+护套

JIS A 1304

炉中试验、30min、最高840℃,燃烧最后1min测绝缘电阻、燃烧后耐电压试验

JISIEC

法国

云母类和硅橡胶类

NFC 32-070

炉中试验、15min、最高940℃,冲击30

NFCIECBS

新加坡

云母+绝缘+护套

SS 299.1

BS6387一致

BSVDE

IEC

氧化镁+铜套

云母+绝缘+护套

IEC60331IEC60720

喷灯试验,120min、最高870℃,含喷淋、冲击试验(已与BS8491接轨)

IECBS

2、高柔性防火电缆及其预制分支的结构设计

高柔性防火电缆及预制分支防火电缆的设计,是依据GB/T 12706.1-2008额定电压1kV挤包绝缘电力电缆和JB/T 10636-2006额定电压0.6/1kV铜芯塑料绝缘预制分支电缆的基本要求,并实现防火和预制分支防火的功能。

2.1 主要性能指标

1)导体直流电阻符合GB/T 3956的规定。

2)成品电缆应经受3.5kV5min交流耐压试验,不击穿。

3)绝缘物理机械性能:绝缘老化前抗张强度≥12.5MPa;绝缘老化前断裂伸长率≥200%;老化条件:温度135℃,时间168h;绝缘老化后抗张强度变化率不超过±25%;绝缘老化后断裂伸长率变化率不超过±30%。

4)护套物理机械性能:护套老化前抗张强度≥9.0MPa;护套老化前断裂伸长率≥125%;老化条件:温度100℃,时间168h;护套老化后抗张强度≥9.0MPa;护套老化后抗张强度变化率不超过±40%;护套老化后断裂伸长率100%;护套老化后断裂伸长率变化率不超过±40%。

5)分支连接体浸水后应经受3.5kV5min交流耐压试验,不击穿。

6)分支连接体浸水1h后绝缘电阻应不于小200MΩ。

7)分支连接金具热循环试验应符合JB/T 10636中的规定,即第25次热循环温升不大于75℃;第26~125次热循环温升不大于第25次热循环实际测定值加8℃。

8)无卤低烟环保特性:成品电缆燃烧烟密度试验,透光率大于60%;电缆燃烧释放气体pH值大于4.3,电导率小于10μS/mm。

9)阻燃性能:电缆的阻燃性能应符合GB/T 19666中的规定。

10)耐火性能:耐火等级可根据GB/T 19216.21-2003《在火焰条件下电缆或光缆线路完整性试验》的试验方法,耐火温度由原标准中750±40℃提高到950~1000℃,供火时间由原标准中提供90min提升到5h2A熔断器不断,指示灯不熄。

防火性能:防火性能满足英国BS6387BS8491CWZ最高级别,即:C-950℃±40℃火焰中燃烧3h2A熔断器不断,指示灯不熄;W-650℃±40℃火焰中燃烧15min,另加水喷淋15min2A熔断器不断,指示灯不熄;Z-950℃±40℃火焰中燃烧15min,另在15min内每隔30s震动一次,2A熔断器不断,指示灯不熄。

2.2根据产品性能,对各组成元件的设计要求

1)导体

为提高电缆柔软性能,导体采用若干根圆单线通过可退扭型绞线机按适当的节距绞制而成,定径位置采用纳米钻石模拉拔,增加表面光洁度,不会发生因导体不光洁而损坏耐火隔离层的现象,该导体使电缆能适用于弯曲半径更小的敷设环境。

2)防火复合绝缘

根据不同耐火材料的耐火及电性能,选用以煅烧云母纸、玻璃纤维布、有机硅树脂为基材制成的煅烧氟金云母带作为耐火层。此种云母带与传统云母带相比,耐温等级、柔软性能更优,且不含结晶水,熔点高。

为进一步提高电缆防火性能,保证耐火性能基础上,提高电缆的柔软性,采用隔温、隔热、强度优异的陶瓷化防火型复合带作为防火层。

选用加入功能型材料瓷化粉和炭黑、助剂等材料经过混炼制成的陶瓷化硅橡胶挤绝缘,提高抗开裂、高阻燃性能,在保证柔软性、耐火性能基础上,增加电缆防水抗震性能,确保通过英国BS6387振动和喷淋燃烧试验。

3)防火护层

外护套材料采用以硅橡胶(或聚烯烃)为基材,加入功能型材料瓷化粉和炭黑、助剂等材料经过混炼制成的抗开裂高阻燃陶瓷化弹性体材料。

抗开裂高阻燃陶瓷化弹性体材料在常温下无毒、无味,具有很好的柔软性和弹性,以及优异的防潮性和抗吸水性。在火焰的烧蚀下,燃烧2-4min后即开始烧结成坚硬的陶瓷状铠装壳体,此壳体可以非常有效的阻挡火焰的继续燃烧,具有优良的隔热性、隔火耐火性,同时可承受一定的冲击和振动,防止水的渗入。成品电缆无毒、环保,不含重金属及有毒有害物质,电缆仅导体材料为金属,与其他防火电缆相比,除具有优异的防火性能外,还具有较好的柔软性能。

高柔性防火电缆的结构设计见图1

 

 

 

 

 

 

 

 

1、圆单线,2、股线,3、高柔性或软结构导体,4软结构保护层(可选),5、耐火云母层,6、防火层,7、高温绝缘层(可选),8、柔性矿物质填充,9、抗开裂陶瓷化弹性体(可选)。

1  高柔性防火电缆的结构示意图

 

4)分支防火连接体

分支防火连接体是预制分支防火电缆中的关键部位,分支连接的质量直接影响到分支防火电缆的使用性能、防火特性和使用寿命。导体连接采用专用金具,专用金具铜材执行GB/T 5231中二号铜(T2)的规定,连接时应防止导体受损或断芯,连接后电缆导体的抗张强度不低于原值的80%

与高柔性防火电缆一样,防火型预制分支连接导体外也采取多层防火复合结构。通常内层采用与主干线一致的云母带绕包,允许连接导体外包裹软结构保护层,防止在包裹过程中云母受损;次层采用陶瓷化防火复合带搭盖缠绕,缠绕厚度以稍稍超出电缆绝缘外径为宜;最外层采用陶瓷化低烟无卤阻燃硅橡胶(或聚烯烃)注塑,成型后外观应光滑平整。注塑后与干线防火电缆成为一体,增强了分支防火电缆的气密性,预制分支防火连接体的各项性能都应符合标准要求,产品外观光滑美观,机械电气和防火性能优良。

防火型预制分支体的典型结构示意图见图2

 

 

 

 

 

 

 

 

1、柔性结构导体,2、软结构保护层(可选),3、耐火云母层,4、防火层,5、高温绝缘层(可选),6、抗开裂陶瓷化弹性体(可选),7、分支导体连接器,8、干线防火电缆,9、分支防火连接护层,10、支线防火电缆,11、分支防火连接体。

2  预制分支防火电缆的结构示意图

3、高柔性防火电缆及其预制分支的工艺实现

3.1 工艺流程

高柔性防火电缆及其预制分支的制造工艺与普通电缆一致,在材料选型合适和掌握关键技术的前提下,采用常规电缆设备即可进行产品制造。相应的工艺流程如图3所示。

3  预制分支火电缆的工艺流程图

3.2  生产过程中的注意事项

在试制和批量生产过程中,为提高产品的阻燃、柔软、耐火、抗震、防潮、环保等性能,须从各个工序入手,全面监控过程中的各个环节和要素,以稳定和提高产品的性能指标,应注意以下几点:

1)应保证导体绞合结构圆整稳定,表面光洁、无毛刺,其绞合节距符合应用时的弯曲半径和柔软性要求。

2)采用合成云母带绕包时,应保持外表平整服贴,没有起皱卷曲现象,通常外层包覆一层耐高温防火带,确保耐火稳定性。在实际生产中,采用张力在线跟踪自动可调式卧式绕包机,实现耐火带和高温防火带一次性绕包,合理调控绕包张力和角度,使得绕包平整、无皱折。

3)在挤制陶瓷化低烟无卤弹性体时,挤出机各区的加热温度比普通低烟无卤料要高些,具体温度设置可根据实际挤出高温状态的柔软程度和冷却成型后的机械性能而确定。注塑预制分支时,每次成型后要及时清理注塑孔的注塑料,防止成型冷却后堵塞通道。

4、高柔性防火电缆及其分支的特点

高柔性防火电缆及分支防火电缆在2014年试制后,经国家电线电缆质量监督检验中心和国家防火建筑材料质量监督检验中心的测试,产品均符合标准规定,并经过相关单位的多年使用,效果良好,达到了设计要求,产品具有以下特点:

1)产品与常规电缆外径相近,具有高柔性。

2)除了高阻燃(A)、低烟无卤,高防火特性外,绝缘电阻和弯曲性能均有大幅提高。

3)导体截面大,单芯可达630mm2,多芯可达300mm2

4)预制分支产品的干线、支线电缆均满足BS6387/BS8491防火性能要求;分支连接体也满足BS标准防火性能要求。

5)分支连接体的分支压接导体抗拉强度、浸水电压试验、分支连接体浸水绝缘电阻试验均符合行业标准规定;通过JB/T 10636规定的分支连接金具热循环试验。

6)敷设安装回归到传统电缆安装工艺上,施工与维护简便,可靠性高。

7)由于在生产中预制分支,安装简便,节省了现场的施工时间和劳动强度,防火和密封性能好。可广泛应用于建筑工程中垂直和水平输配电线路,具有经济、施工周期短、高质量、气密、防水、防火、免维护等特点。

5、结束语

高柔性防火电缆及分支防火电缆主要应用于高层建筑、冶金、医院、名胜古迹、博物馆等领域,适用于主干线路、消防线路、逃生救援系统,如应急照明、火灾监测、报警系统、电梯系统、排烟系统,以及控制线路等。产品具备较好的电性能、耐高低温、防火性、抗冲击性,还可用于特殊行业或其他对环境要求严苛的领域,具有广阔的市场前景。

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