浅析护套材料的氧指数对电缆阻燃性能的影响

2023-11-15高红阳高天磊丁志英秦冬利

中国设备工程 2023年21期

高红阳，高天磊，丁志英，秦冬利

（无锡江南电缆有限公司，江苏宜兴 214251）

目前，根据国家相关标准设计要求，对电缆可能着火蔓延导致严重事故的回路、易受外部影响波及火灾的电缆密集场所，可选用阻燃电缆，故现在越来越多的阻燃电缆被选用，对于电缆的阻燃性能，有相关的标准可以进行检测，但对于电缆制造企业来说，如何选择相应的电缆材料，来生产符合阻燃性能的电缆，一直都是难题。在相应的电缆护套材料标准中，对材料的阻燃性能一般采用测定氧指数的方式来判定。对于材料的氧指数和电缆成品的阻燃性能是否必然相关，行业内一直都存在2 种不同的看法，本文针对该课题进行了相关的比对试验，并做出了研究分析。

1 电缆护套材料选择

对于护套材料的各项性能检验项目，与燃烧性能相关性最近的就是氧指数，它代表着在通入23℃±2℃的氧、氮混合气体的条件下，刚好维持材料燃烧的最小氧浓度，即材料开始燃烧所需的最小氧浓度。所以，材料的氧指数代表着该材料本身的阻燃性能。因此，本次试验选用的两款不同牌号的电缆护套料，A 款材料氧指数34%，远远大于B 款材料的氧指数30%，其余性能近乎一致，可以作为材料氧指数对电缆阻燃性的影响的试验样本。

2 电缆试样选择

试验电缆考虑到每种电缆结构的阻燃试验通过难度不一致，选用3 种差异较大的电缆结构，其中10kV 电缆选择单芯和三芯电缆各一种，同时选择绝缘厚度更厚的35kV 电缆单芯电缆一种。确定型号分别为WDZC-YJY 8.7/15 3×120、WDZC-YJY 8.7/15 1×185 和WDZC-YJY 26/35 1×95，A 款材料和B 款材料分别生产3 种电缆结构，每种材料每种电缆生产25m。本次电缆的燃烧特性选用阻燃C 类，其试样非金属材料体积为1.5L/m，供火时间为20min，试验方法未GB/T 18380.35，合格指标为是试样上的炭化范围不应超过喷灯底边以上2.5m，本次比对试验对电缆阻燃性的优劣，以炭化距离衡量，炭化距离约小，则电缆的阻燃性能越好。

3 电缆结构设计

针对本次比对试验，电缆结构按较为常规的结构设计，与行业内实际生产的电缆结构差异不大。三芯电缆采用紧压圆形铜导体，内屏蔽挤包半导电屏蔽料，绝缘挤包交联聚乙烯绝缘料，外屏蔽挤包半导电屏蔽料，铜带屏蔽采用一层标称厚度为0.10mm 的铜带以平均搭盖率15%重叠绕包，成缆填充采用聚丙烯撕裂网状填充绳，以平均搭盖率15%重叠绕包两层无碱玻纤带，挤包无卤低烟阻燃聚烯烃护套料的结构；单芯电缆采用紧压圆形铜导体，内屏蔽挤包半导电屏蔽料，绝缘挤包交联聚乙烯绝缘料，外屏蔽挤包半导电屏蔽料，铜带屏蔽采用一层标称厚度为0.12mm 的铜带以平均搭盖率15%重叠绕包，以平均搭盖率15%重叠绕包两层无碱玻纤带，挤包无卤低烟阻燃聚烯烃护套料的结构见图1。

图1 电缆结构图

可见，根据该电缆结构设计，护套材料为保证成品电缆阻燃性能的主要材料，且仅有电缆护套材料为差异项。电缆的结构尺寸见表1。

表1 电缆结构尺寸（单位：mm）

4 生产跟踪

因主要为护套差异，本次生产跟踪主要以护套挤出机为主，为消除不同设备工艺的差异性，选择在同一台150 挤出机进行，设备数据及生产数据见表2 和表3。

表2 挤出机温度

表3 设备参数

根据实际生产数据可以看出，A 料和B 料的料温控制基本一致，但如需挤出相同厚度的护套，B 料需要更大的螺杆转速，即挤出性能B 料较A 料略差，应为配方不同导致。

5 检验结果

针对本次试制电缆，我公司的测试中心对电缆的结构尺寸、成束燃烧C 类和烟密度进行测试。对阻燃性能有直接相关的测试数据见表4。

表4 成品测试数据

6 成束燃烧试验分析

根据燃烧试验结果和过程，可以得到以下结论：

（1）在WDZC-YJY 8.7/15 3×120 的燃烧试验结果中，A 料和B 料护套厚度基本一致，但炭化高度A 料为1.0m，B 料为0.8m；外屏炭化距离上，B 料比A 料更小，但透光率B 料相对A 料有所不如。

（2）在WDZC-YJY 8.7/15 1×185 的燃烧试验结果中，A 料和B 料护套厚度基本一致，炭化高度均为0.7m，透光率A 料比B 料略好。

（3）在WDZC-YJY 26/35 1×95 的燃烧试验结果中，A 料的护套厚度略高于B 料的护套厚度，而炭化距离上B 料反而低于A 料；然而，燃烧后A 料的电缆外屏和绝缘完好，B 料的电缆却有10cm 绝缘线芯烧光。

对于现象发生的原因，分析如下。

（1）电缆燃烧过程比较复杂，一般是由火焰温度传递至外护套，外护套经过熔融、热分解、着火、燃烧和火焰传播，将热量传递至无碱玻纤带，无碱玻纤带吸收部分热量，将其余热量传递至填充和铜带屏蔽线芯，铜带吸收大量热量，并传递至绝缘线芯，绝缘材料受热膨胀，外屏由软化、炭化转化为完全燃烧，传递至绝缘，绝缘燃烧易滴落、易燃烧，若绝缘在试验时间内未燃或少量燃烧，则试验通过；若大量燃烧，则试验无法通过。所以结构设计的重点是在将热量挡在绝缘之前，不让绝缘接受大量热量。

（2）材料的氧指数仅能反映该材料的起始燃烧所需氧浓度，可能不算反馈到成品电缆阻燃性能的最主要因素。通过WDZC-YJY 26/35 1×95 中，B 料的电缆有10cm 绝缘线芯烧光，A 料外屏和绝缘保持完好，但炭化距离反而B 料更优可以看出，B 料在表现护套阻止火焰蔓延上可能没有A 料优秀，结壳性略差，但可能因为其本身燃烧过程中释放的热量更小，所以传递进电缆内部结构的热量更小，从而导致了成品电缆的成束燃烧炭化距离更低的结果发生。