轨道交通35kV低烟无卤A类阻燃特种电缆的研制

陈善求

(金杯电工衡阳电缆有限公司，湖南衡阳421007)

0 引言

随着我国城市化进程的加快，城市轨道交通发展驶入了快车道。城市轨道交通需要大量各种用途的电线电缆，为线缆企业提供了巨大的商机。由于城市轨道交通大都采用地铁，地铁空间相对封闭，对消防安全提出了较高要求，同时南方阴雨潮湿，老鼠和白蚁等有害生物给电线电缆等电气设施的安全运行带来较大的隐患，因此城市轨道交通用电缆除了具备普通电缆的要求以外，还必须具备环保、低烟无卤、高阻燃、防水、防紫外线、防鼠蚁等特性。

针对城市轨道交通用电缆的上述特征，公司积极组织研发人员，对产品的结构设计、材料选型和关键制造工序等方面进行系统研发，成功研制了35 kV交联聚乙烯(XLPE)绝缘防水、防鼠、防蚁、低烟无卤A类阻燃电力电缆，并顺利通过了权威机构的全性能检测，成功中标了长沙市轨道交通二号线一期工程中交流35 kV级环网供电电缆，较好地满足了客户要求。

1 产品主要性能及结构设计

1.1 主要性能

根据地铁使用的特殊环境，长沙轨道交通用交流35kV级环网供电电缆，除应满足GB/T 12706.3—2008要求以外，还对产品的防鼠、防蚁、防水以及低烟无卤等方面均提出了特殊要求。具体性能指标与GB/T 12706.3—2008的对照见表1。

1.2 结构设计

1.2.1 产品结构图(见图1)

1.2.2 导体设计

(1)导体最小允许截面Smin

式中:ρ为铜导体的电阻率(20℃时)，(Ω·mm2/m);k1为导体绞入系数，取1.02;k2为导体硬化系数，取1.02;k3为电阻裕度，取 1.01;R为导体电阻(Ω/km)。因是单芯电缆，故无成缆系数。

表1 主要性能指标与国标对照表

图1 轨道交通用35 kV级防鼠、防蚁、防水、低烟无卤A类阻燃电力电缆

(2)导体轮廓面积S轮廓

式中:η为紧压系数，取0.9。

(3)导体紧压外径D

式中:μ为导体延伸系数，一般取1.08;n为导体根数。

1.2.3 绝缘设计

(1)绝缘厚度的确定

按工频电压计算绝缘厚度:

(4)单线直径d

式中:Δi为按工频耐压计算的绝缘厚度;Uom为最大工频电压，取40.5 kV;K1为工频电压下的老化系数，取4.0;K2为工频电压下的绝缘层温度系数，取1.1;K3为工频电压下产品试验等不确定裕度系数，取1.1;EAC为工频击穿场强，取15 kV/mm。

按雷电冲击电压计算绝缘厚度:

式中:Δ'i为按冲击耐压计算的绝缘厚度;UBIL为最大冲击电压，取250 kV;K'1为冲击电压下的老化系数，取1.1;K'2为冲击电压下的绝缘层温度系数，取1.1;K'3为冲击电压下产品试验等不确定裕度系数，取1.25;Elimp为冲击击穿强度，取40 kV/mm。

综合式(5)和式(6)，绝缘厚度应取两者最大值，即9.45 mm。由于此次长沙地铁要求的冲击电压试验为250 kV正负极性各10次，冲击电压已经超过了 GB/T 12706.3—2008规定的冲击电压200 kV，因此综合考虑，我们取国标的标称厚度10.5 mm。

(2)绝缘的寿命验算

假设电缆使用寿命为40年，取V-t曲线的寿命指数n为9，则40年老化系数K1为4。35 kV级XLPE材料击穿场强E0为30 kV/mm，电缆绝缘40年老化后能耐受的工频击穿场强为:

式中的K2、K3值为1.2.3节(1)中规定的值。经计算，35 kV 95 mm2电力电缆导体屏蔽的最大场强为4.8 kV/mm，小于电缆绝缘40年老化后能耐受的工频击穿场强E40，故电缆的使用寿命可达40年。

1.2.4 金属屏蔽设计

采用铜丝和铜带组合式金属屏蔽结构，金属屏蔽截面的大小基于以下两点:

(1)金属屏蔽截面应满足短路电流容量的要求;

(2)根据IEC 60949标准推荐的短路电流计算方法

式中:θi和θf分别为金属屏蔽短路前后温度，分别取90℃和250℃;I、S和t分别为短路电流(kA)、金属屏蔽截面(mm2)和短路时间(s)。

如某地铁交流35 kV电缆的系统要求是短路电流1000 A和短路时间3 s，代入式(8)中计算得金属屏蔽截面是12.1 mm2。考虑到安全裕度，一般取金属屏蔽截面不小于16 mm2，安全裕度为1.32。

1.2.5 铝塑综合护层设计

采用0.3 mm的铝塑复合带，基带为0.2 mm铝带，两面涂塑塑料复合层，每层厚度0.05 mm，便于密封，同时铝带重叠搭接宽度不小于6 mm，搭接处剥离力不小于1.4 N/mm。

1.2.6 隔氧层设计

采用高阻燃低烟无卤材料，氧指数不小于45，通过计算整个电缆综合氧指数来调节隔氧层厚度，使之达到整个电缆综合氧指数OI综不小于30。

式中:Si为电缆结构中各非金属元件的面积(mm2);OIi为电缆结构中各非金属元件的氧指数。

1.2.7 低烟无卤防鼠防蚁外护套设计

采用环保型的防鼠防蚁材料，并具有低烟无卤阻燃性能，氧指数不小于36。护套厚度按照GB/T 12706.3—2008规定和1.2.6条计算的综合氧指数来综合确定。

2 过程工艺控制

2.1 产品生产工艺流程图(见图2)

图2 产品生产工艺流程图

2.2 重要工序工艺

导体绞合工序:采用优质光亮电解铜材，导体紧压系数不小于0.9。导体外观光滑、无毛刺。

三层共挤工序:采用进口绝缘和屏蔽材料、三层共挤工艺，具有良好可靠的绝缘性能。绝缘偏心度控制在5%以内，注意洁净度、加工温度和交联度的控制。

金属屏蔽:采用铜丝和铜带组合屏蔽，满足地铁的短路电流要求。

铝塑综合护层工序:采用0.3 mm铝塑复合带，并保证重叠宽度6 mm以上。注意纵包平整度和剥离强度的控制。

隔氧层:采用较高氧指数材料，并具有一定的成壳性，可有效防止外部火焰向内部蔓延。

防鼠防火铠装层:采用铜带防鼠和高阻燃包带防火结构，进一步提高电缆整体的阻燃性能。

低烟无卤防鼠防蚁护套层:采用环保型防鼠防蚁新材料，在满足低烟无卤阻燃性能的同时，具有较高的无卤低烟阻燃性能，满足地铁阻燃A类的要求。

2.3 重要工序工艺措施

2.3.1 绝缘局部放电量控制

(1)在产品结构上，导体绞合采用高紧压系数，提高导体表面的圆整度来均化电场;通过适当增加内屏蔽层厚度来进一步改善电场分布。

(2)在电缆材料上，采用进口绝缘和屏蔽材料。

(3)在工艺上，采用三层共挤工艺提高界面的洁净度和减少气隙。通过加强净化处理，严格控制加工温度、挤出过滤系统、交联温度及压力控制、冷却应力松弛等方面提高局放水平。

2.3.2 改善铝塑综合护层外观平整度

由于电缆缆芯外径较大，铝带纵包成型时因变形受力不均匀容易造成铝带纵包后不平整，出现俗称“荷叶边”现象。我们通过合理选择铝带宽度、设计合适的纵包成型角度、合理选配纵包定型模具以及采用热风搭接密封技术等工艺手段，较好地解决了这一工艺难题，实现了铝带搭接外观平整，剥离强度满足工艺要求。

2.3.3 防止低烟无卤护套应力开裂

由于低烟无卤阻燃料中添加了氢氧化铝、氢氧化镁等高填充量无机材料，导致聚合物体变硬且强度增加，伸长率和柔软性降低，抗撕裂性及抗开裂性下降。改进措施:在生产中降低挤出速度，严格控制挤出温度，防止金属氢氧化物的降解，同时采用专用低压缩比螺杆，挤管式模具挤出，拉伸比控制在2.0以内，防止脱胶和减少应力。

3 产品全性能检测

通过上述产品设计和工艺控制，我们成功试制了WDZA-FSY-YJY63 35kV 1×95mm2和WDZAFSY-YJY63 35kV 1×300mm2两种规格的样品线，并送权威机构检测，产品性能完全满足长沙地铁轨道交通用户规格书要求。表2为WDZA-FSY-YJY63 35kV 1×95mm2产品主要性能检测结果。

表2 主要性能检测结果

检验项目技术指标 检验结果2.4 热延伸试验(200℃，15min，20 N·cm－2)—载荷下伸长率/%15 0 2.5收缩试验(130℃，1 h)≤175 73—冷却后永久伸长率/% ≤—收缩率/%≤41 2.6吸水试验(85℃，336 h)0.04 3—重量增量/(mg·cm－2)≤1护套物理机械性能3.1原始性能老化前抗张强度/(N·mm－2)≥9.0 9.5老化前断裂伸长率/% ≥125 140 3.2空气烘箱老化试验(100℃，168 h)老化后抗张强度/(N·mm－2)≥7.0 10.1老化后断裂伸长率/% ≥110 150老化前后抗张强度变化率/% ≤±30 +6老化前后断裂伸长率变化率/% ≤±30 +7 3.3成品电缆段老化试验后(100℃，168 h)老化后抗张强度/(N·mm－2)≥7.0 9.8老化后断裂伸长率/% ≥110 150老化前后抗张强度变化率/% ≤±30 +7 3.4高温压力试验(80℃)±30 +3老化前后断裂伸长率变化率/% ≤≤50 7 3.5抗开裂试验(130℃)—压痕深度/%无裂纹 无裂纹3.6低温冲击试验(－15℃)无裂纹 无裂纹3.7护套腐蚀性试验(无卤)—pH值10 0.38 4≥4.3 5.2—电导率值/(μS·mm－1) ≤燃烧试验4.1电缆单根垂直燃烧试验—上支架下缘与碳化起点间距离/mm 540 510 4.2成束电缆燃烧试验(A类)＞50 395—燃烧向下延伸至上支架下缘距离/mm ≤≤2.5 0.53 4.3—碳化部分所达高度/m≥60 81 5成品电缆烟密度试验—最小透光率/%外护套刮磨试验施加作用力:155N 刮磨次数:25—直流电压试验(－20 kV，1 min)不击穿 未击穿6透水试验(在金属屏蔽附近具有纵向阻水屏障) 整个试验期间，试样两端应无水分渗出不击穿 未击穿—冲击电压试验(±20 kV/各10次)通过7白蚁试验(群体法)通过8—蛀蚀等级(电缆表面描述)1级(电缆表面未见白蚁蛀蚀痕迹)大鼠啃咬试验—防护等级(电缆表面描述)显著(护层表面无齿痕或有轻齿痕)通过

4 结论

(1)试制的35 kV轨道交通电缆，经过验算可以满足地铁40年使用寿命的要求。

(2)采用铝塑综合护层结构完全可以满足产品防水、防潮要求。

(3)采用铜带铠装和防鼠防蚁外护套材料，可以双重保护电缆免受老鼠和白蚁的侵害。

(4)采用综合氧指数法来指导材料选型以及结构的优化设计，产品的阻燃性能可达到成束燃烧A类要求。

［1］GB/T 19666—2005 阻燃和耐火电缆通则［S］.

［2］GB/T 12706.3—2008 额定电压1 kV(Um=1.2 kV)到35 kV(Um=40.5 kV)挤包绝缘电力电缆及附件第3部分额定电压35 kV(Um=40.5kV)电缆［S］.

［3］IEC 60949—1988 考虑非绝热效应的短路电流计算［S］.