阻燃B1级城市轨道交通信号电缆的研制

居盛文 黄少成

（安徽华上电缆科技有限公司，安徽 芜湖 238339）

传统无卤低烟阻燃电缆及试验方法标准仅考虑电缆本体的不燃性、烟气腐蚀性和烟气透光性，忽略了电缆燃烧时的热释放过程、烟气释放过程、燃烧增长速率、燃烧滴落物以及烟气毒性等特性。根据地铁本身的独有特点，一旦起火，容易造成火势蔓延扩大和有毒浓烟的产生，不仅会威胁乘客的生命安全，还会给疏散和救援工作造成较大困难。目前，公众对消防安全越来越重视，我国公安部引进借鉴欧盟CPR 建筑指令并制定了GB 31247—2014《电缆及光缆燃烧性能分级》[1]国家标准，其中非矿物质绝缘电缆的最高等级为B1 级。目前阻燃B1级城市轨道交通信号电缆没有统一的行标或国家标准，各生产商之间的技术标准又不尽相同，主要以符合GB/T 19666—2019《阻燃和耐火电线电缆或光缆通则》[2]的A 类为主。随着《电缆及光缆燃烧性能分级》GB 31247—2014 的推出，阻燃B1级城市轨道交通信号电缆的研发势在必行。

1 性能要求

根据GB 31247—2014《电缆及光缆燃烧性能分级》标准要求，研发的阻燃B1级城市轨道交通信号电缆的燃烧性能、燃烧滴落物、烟气毒性、腐蚀性能及电气性能等指标应满足的要求见表1 和表2。

表1 阻燃B1级城市轨道交通信号电缆电气性能指标

表2 阻燃B1级城市轨道交通信号电缆燃烧特性指标

2 阻燃基本原理

燃烧是一个复杂的过程，但归纳一下必须符合3 个要素，即可燃物、助燃物（空气）和温度（着火点），缺一不可。缺失任何一个要素，燃烧现象即会终止。如果持续发生，必须有产生火焰的自由基物反应。因此持续燃烧的要素为可燃物+阻燃物+温度+自由基物反应（3+1 模式）。

自由基物的反应也是材料在燃烧过程中的气相反应，即聚合物受热分解并释放热量。在材料持续燃烧中，如果能切断自由基物的反应，则无热释放量反馈给基材，燃烧即会中断。反馈给可燃性基材热量大小将直接表现为燃烧过程的剧烈程度。阻燃的理念就是阻碍和减少可燃性基材在燃烧过程中热释放量，使其达到最小化。

3 设计方案

根据使用场景的不同，阻燃B1级城市轨道交通信号电缆分为综合护套和铝护套2 种结构。其中，铝护套结构电缆由于内护层存在无机物金属护层，因此只要内护层满足要求，电缆也就能符合相应标准要求。目前，主要难度在于综合护套结构的阻燃B1级城市轨道交通信号电缆的研发。由于综合护套结构的阻燃B1级城市轨道交通信号电缆的内护套采用双面铝塑带纵包，厚度较薄，外护层在燃烧过程中容易向内部缆芯传递热量而提升温度，并且铝塑带纵包合缝处属于开放窗口，一旦内护层在燃烧过程中结壳性不良，会导致向缆芯内部流入助燃物空气。因此研发重点在于如何满足综合护套结构的阻燃B1级城市轨道交通信号电缆的燃烧特性要求。

3.1 阻燃材料的选择

从燃烧的三要素来看，除了为满足阻燃B1级城市轨道交通信号电缆的传输性能而无法更改的绝缘材料外，填充材料、包带材料和护套材料宜优先选用低热释放量、结壳性好的无卤低烟阻燃材料，可有效降低热释放总量和发烟总量，防止燃烧物滴落，同时防止热量向内部传递。下面重点介绍填充材料、包带材料和护套材料的选择。

首先，填充材料填充材料可以是隔氧泥、玻璃纤维绳、无机纸绳以及低烟无卤阻燃PP 绳等材料中的一种。在产品试制过程中，虽然隔氧泥固然有良好的阻燃特性，但用在电缆填充后电缆的弯曲半径会受一定的影响，外径也会增加，对电缆的绝缘也有一定影响。玻璃纤维绳阻燃性很好，但在生产加工和安装敷设过程中易对生产和施工人员的皮肤造成过敏反应。无机纸绳在生产过程中易断裂，同时含有石棉，给人带来一定危害。低烟无卤阻燃PP 绳不仅易于加工，而且其低烟无卤阻燃特性经检测可完全达到标准使用要求。经过以上材料的对比和分析，该文选用低烟无卤阻燃PP 绳作为填充材料，完全满足阻燃B1级城市轨道交通信号电缆燃烧特性要求。

其次，包带材料可以选用阻燃无纺布、玻璃纤维带和低烟无卤阻燃带等材料。在产品试制过程中，考虑阻燃无纺布虽然具有一定的阻燃特性，但因含有一定的卤素，不能满足产品的使用要求。玻璃纤维带阻燃性能固然很好，但易对生产和施工人员的皮肤造成过敏反应。低烟无卤阻燃带克服了阻燃无纺布和玻璃纤维带的性能不足，具有更高的低烟无卤阻燃特性，并且易于加工生产，同时对人体无影响。通过对比以上材料，该文选用低烟无卤阻燃带为缆芯绕包层。

最后，护套材料的选择至关重要。内护层主要是保护电缆内部不被燃烧，在燃烧过程中，电缆内护层经燃烧后形成坚硬的陶瓷化壳体，不熔且不滴落，阻止火焰向里蔓延，同时不含卤素发烟量且热释放量小。外护套主要是保证电缆的机械物理性能和抗开裂性能，更要考虑材料的低烟无卤阻燃性能。电缆被燃烧时能阻止火焰沿电缆表面的蔓延且无卤素产生，发烟量小。通过选择不同材料厂家的材料试制，最终选择内护层为氧指数40%的高阻燃低烟无卤隔氧料，外护层为氧指数36%的低烟无卤阻燃聚烯烃材料，经试验各项性能指标符合标准要求。

在选材过程中，该文结合电缆自身特点、制造成本和产品质量等方面进行了综合考量，最终确定填充选用低烟无卤阻燃PP 绳，绕包选用低烟无卤阻燃带，内外护层选用高阻燃低烟无卤聚烯烃护套料。

3.2 电缆结构设计

铝护套结构的阻燃B1级城市轨道交通信号电缆采用厚度为1.2mm 的无机金属物铝板焊接形成的金属套为屏蔽层，同时采用双钢带铠装，因此只要内护层的结壳性良好，就可阻止外部燃烧时产生的热量向内部传递。铝护套电缆需要考虑的是如何隔绝助燃物空气进入缆芯，并要求结壳性良好，防止绝缘层的聚乙烯材料产生滴落。

综合护套结构的阻燃B1级城市轨道交通信号电缆缆芯成缆时采用低烟无卤阻燃PP 绳填充，并在缆芯外绕包聚酯带和低烟无卤阻燃带，再经双面铝塑带纵包后挤包氧指数40%的高阻燃低烟无卤隔氧层以阻断空气进入。内护层外绕包低烟无卤阻燃带后进行钢带铠装，并在铠装层外再绕包低烟无卤阻燃带，最后挤包氧指数36%的低烟无卤阻燃聚烯烃护套层（电缆具体结构如图1所示，工艺路线如图2所示）。

图1 阻燃B1级城市轨道交通信号电缆结构图

图2 阻燃B1级城市轨道交通信号电缆工艺流程

4 创新方法的确定

内、外护套采用防滴落热释放量小的高阻燃低烟无卤护套料；缆芯经成缆后绕包聚酯带和结壳性较好的低烟无卤阻燃带，防止火焰渗入缆芯内部，并防止缆芯在燃烧时滴落；内护层内采用双面铝塑带纵包，内护层外采用绕包低烟无卤阻燃带，防止内护层在燃烧过程中产生滴落，同时可以填充铠装钢带和内护层间的间隙，减少助燃剂空气渗入；钢带铠装后再绕包低烟无卤阻燃带，可以填充铠装钢带和外护层间的间隙，减少助燃剂空气渗入；必要时可以适当增加绝缘外径，避免因缠绕阻燃包带引起电容增大，从而影响传输质量。

5 实施方案

阻燃B1级城市轨道交通信号电缆主要通过填充低烟无卤阻燃PP 绳，绕包结壳性较好的低烟无卤阻燃带以及挤包防滴落高阻燃低烟无卤内、外护层等方式实施。通过以上措施可有效避免助燃剂空气在燃烧过程中渗入电缆内部，同时由于内、外护层结壳性较好，因此可有效避免在燃烧过程中产生滴落，另外上述材料均属于低热释放量材料，可降低热释放总量并减少热量向缆芯内部的传递。

具体的创新优化如下。

5.1 成缆工序

成缆工序的主要作用是将对线组、三线组或四线组等绞合成缆芯，并通过填充低烟无卤阻燃PP 绳、非吸湿性聚酯带及低烟无卤阻燃包带在缆芯外绕包固定。该工序的创新在于在非吸湿性绝缘带外绕包低烟无卤阻燃包带，充分填充了金属屏蔽层与缆芯间的缝隙，可在燃烧过程中避免助燃剂空气渗入缆芯内部而加速燃烧，同时通过玻璃纤维带结壳性较好的优势来避免在燃烧过程中产生滴落。

5.2 综合护套工序

综合护套是在绕包聚酯带和低烟无卤阻燃包带的缆芯外纵包双面铝塑带，并挤包低烟无卤阻燃隔氧层。该工序的创新在于采用结壳性较好的高阻燃低烟无卤聚烯烃隔氧层为综合护套的内护层，可有效避免助燃剂空气渗入电缆内部，减少热量向内部传递。

5.3 在铠装工序前、后增加绕包工序

阻燃B1级城市轨道交通信号电缆采用双钢带间隙绕包铠装，因此铠装层间存在大量缝隙空间，可大量渗入助燃剂空气，有利于助燃。铠装前、后增加2 道绕包工序，并采用结壳性较好的低烟无卤阻燃包带，可充分填充铠装间的缝隙，同时能有效避免内护层在燃烧过程中产生滴落。

5.4 外护套工序

外护套的作用是铠装层外的塑料保护层直接裸露在电缆外表面，如果遇火则会在燃烧过程中直接与火源接触。该工序的创新在于外护套采用挤包结壳性好、热释放量小的高阻燃低烟无卤聚烯烃护套料，可有效达到不延燃或不燃的目的，并且燃烧过程中不易产生滴落。

6 测试结果

该文试制的阻燃B1级城市轨道交通信号电缆系列中制造难度较高、结构较复杂的WDZB1-PTYA23 3×2×1.0mm2的综合护套结构电缆，具体测试结果见表3 和表4。

表3 阻燃B1级城市轨道交通信号电缆电气性能测试结果

表4 阻燃B1级城市轨道交通信号电缆燃烧性能测试结果

7 结语

随着各大中型城市地铁、轻轨、有轨电车及磁悬浮等城市轨道交通如火如荼的建设，阻燃B1级城市轨道交通信号电缆市场需求相对较大，但制造工艺较复杂，生产技术难度较高。因此，生产企业要想有效地控制产品质量，必须建立长效的、切实可行的质量控制与管理机制，确保产品质量，降低产品在使用过程中存在的安全隐患及风险，才能为企业的可持续发展奠定基础，为市场持续提供更优质的产品。