城市轨道交通用电缆外护套开裂原因浅析

2011-08-15李汉卿

电气化铁道 2011年3期

李汉卿

0 引言

近年来，随着国内经济的不断发展，城镇化建设的加速，作为解决城市出行便利的一种基础性公益设施，城市轨道交通因其快捷、安全、舒适、便利、节能环保的特点，在许多城市得到了大规模建设，其中电力电缆也随之得到了大量应用。但是随着应用数量的扩大，出现了与之有关的一系列问题，如电缆和电缆附件安装制作问题，电缆附件击穿问题，电缆绝缘和外护套回缩问题等，尤其是敷设于高架桥或地面区段上的电缆外护套开裂问题比较突出，给城市轨道交通的运营带来了很大的压力，严重者可能会出现事故导致地铁停运，造成一定的社会负面影响。

1 城市轨道交通用电缆的性能要求

作为城市的一个重要性基础交通设施，轨道交通通常是居民出行的首选交通工具。由于轨道交通涉及到公共安全，国内许多城市的地铁对电缆的选型比较严格，要求电缆必须环保，具有低烟无卤A类阻燃的性能，GB/T 19666-2005 中有如下规定。

（1）低烟的指标要求：电缆燃烧时的低烟性能应能满足在GB/T17651 规定的试验条件下，燃烧时产生的烟浓度其最小透光率不小于60%。

（2）无卤的指标要求：电缆燃烧时逸出气体的pH 值和导电率测试按GB/T17650 的规定，pH值不小于4.3，导电率不大于10 µs/mm。

（3）阻燃的指标要求：电缆燃烧时的阻燃性能应能满足GB/T 18380 规定的A 类成束电缆垂直燃烧试验。

2 电缆外护套开裂原因分析

2.1 护套料材质

由于要求城市轨道交通用电缆具有低烟无卤A 类阻燃性能，就必须采用低烟无卤阻燃护套料，目前电缆采用的护套混合料主要有聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、聚烯烃等。

PVC 护套材料阻燃性能好，但其燃烧时会放出大量的卤化氢气体和浓烟，造成火灾的“二次危害”，对人体健康及环境损害较大，满足不了低烟无卤的要求。

聚烯烃或聚乙烯是一种易燃高分子无卤材料，其分子结构为线形，氧指数一般不超过20，其本身是可燃的，燃烧时会分解出水和二氧化碳。为达到规定的阻燃效果，需添加大量的阻燃剂（如Al(OH)3或Mg(OH)2）。该氧化物受热后，会释放一定的结晶水，吸收大量热量，从而抑制其温度上升。此外，分解过程中所产生的水气，可以稀释可燃性的气体，以达到阻燃的效果。由于在聚烯烃中添加了大量的无机阻燃料，如果阻燃添加剂配比不合适，弱化了护套物理机械性能，造成其拉伸强度和断裂伸长率下降。按GB/T 19666-2005“阻燃和耐火电线电缆通则”的规定，低烟无卤阻燃聚烯烃护套的机械物理性能抗张强度9 N/mm2，断裂伸长率最小为125%；而GB 12706.3-2002 中普通PE 护套的机械物理性能抗张强度为12.5 N/mm2，断裂伸长率最小为300%；因此，低烟无卤阻燃护套的机械物理性能与普通PE 护套相比大幅下降，材料先天不足，这是造成电缆外护套开裂的根本原因。

为保证电缆产品的质量和护套性能的稳定，电缆生产厂家应具备一定的技术实力，对护套料配比进行充分试验，对于不同配比的护套其性能与标准规范比照后，校正调整，验定性能后，才能最终确定电缆添加剂的配比，从而确保护套性能的可靠和稳定。

2.2 生产工艺

由于无卤阻燃护套料中含有较多的Al(OH)3或Mg(OH)2填充剂，导致材料硬度较高，挤塑时产生的热量较大，挤制护套比较困难。当采用高压缩比螺杆时，可导致挤出速度过快，挤出工艺控制不当或模具选配不匹配时会导致线缆存在气孔，从而影响护套的机械物理性能。

另外，护套挤出冷却时应逐步降温，不要采用低温水冷却，这样在一定程度上可以减小和释放护套在挤塑过程中的内应力，减少发生开裂现象。

2.3 护套料炭黑添加比

当电缆敷设在高架桥或路基区段时，可能会长时间暴露在强烈的阳光下，所以在敷设时要求电缆外护套应具有防护紫外线性能，而电缆外护套的防护紫外线性能通过碳黑含量、炭黑分散度、炭黑系数等指标来考核。如果炭黑添加比不合适，护套材料仍会由于紫外线的杀伤而造成老化开裂。

2.4 敷设方式问题

电缆安装在高架桥或路基区段时，没有采取遮阳措施，直接大范围裸露在强烈的阳光照射下。

3 采取的应对措施

在轨道交通这种安全及环保要求较高的场合，低烟无卤阻燃的要求是非常必要的。但限于目前的材料水平，在聚烯烃中添加了大量的无机阻燃填充剂，使材料的机械性能大大降低，因此需要开发出新型的低烟无卤阻燃材料，采取适当的生产控制工艺、合适的添加剂配比，以大幅度提高其机械物理性能。

目前，为防止低烟无卤阻燃护套料的开裂，轨道交通工程中通常采用以下做法。

（1）采取遮阳罩方式或敷设在专用水泥槽中，以防止太阳光的直接照射。根据《地铁设计规范》第14.4.8 节规定，电缆在高架桥上或地面线路采用支架明敷时，宜有罩、盖等遮阳措施。该规定是解决电缆防紫外线性能的一个重要措施。

（2）降低电缆的性能要求，采用具有低烟低卤B 类阻燃外护套的电缆，降低其部分技术指标，电缆燃烧时的低烟性能应能满足在GB/T 17651 规定的试验条件下，产生的烟浓度最小透光率不小于30%。逸出气体的pH 值和导电率测试按GB/T 17650 的规定，pH 值不小于2.5，导电率不大于30 µS/mm，低卤电缆的性能应满足在GB/T 17650.1规定的试验条件下，燃烧时产生的卤酸气体逸出量不大于100 mg/g。由于其外护套采用PVC，其分子链结构上含氯原子，分子键强度相对较大，其物理性能相对比较稳定，加入的阻燃添加剂相对较少，其机械物理性能比较高，护套的抗张强度可达15 N/mm2以上，断裂伸长率可大于300%。因此建议城市轨道交通户内地下车站和隧道内采用低烟无卤阻燃电缆，户外高架桥或路基区段采用低烟低卤阻燃电缆。这样，电缆即使发生燃烧，也不至于对环境或人员产生大的危害。

电缆在生产过程中，会产生各种各样的内应力，因此敷设前应消除一定的应力。

在试验中除进行热老化试验外，还应增加光老化试验（目前可参考采用GB 14049-93 中的人工气候老化实验方法），以及耐环境应力开裂试验，以考核电缆护套的开裂性能（依据GB/T 2952《电缆外护层》的规定）。