6kV到15kV交联聚乙烯绝缘耐火电力电缆的研发

张仲韬，牛方辉，吴卫峰，曹永刚

(江苏亨通电力电缆有限公司，江苏 吴江215234)

0 引言

随着我国社会经济的快速发展，地铁、发电厂、核电站、隧道等重要工程设施和智能小区、大型超市、公共场所等人员密集场合越来越多，尤其是高层建筑，更是遍地开花。由于1 kV电力电缆的供电范围只有500 m，对特大型高层建筑物而言，如果按照惯例采用0.6/1 kV低电压配电，其电缆用量及敷设安装工作量，较普通建筑物成数十倍增长。电缆敷设空间成几倍增长，既耗材，又耗能，而且建筑物中电缆敷设过多，也会给安全使用带来不利影响。

因此，特大型高层建筑物，开始使用6～35 kV中压交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆供电，变压器设置在建筑物楼层的中间或顶部，中压电缆敷设在竖井内连接变压器，经过变压器降压后，向相关的设备供电。为了保证火灾条件下的供电可靠性，用户对额定电压6～35 kV的XLPE绝缘电缆提出了耐火的要求，要求XLPE电缆在火焰条件下仍能在一段时间内持续地供电，以利于火灾的救援和人员的逃离和疏散。

1 结构设计

1.1 结构分析

目前，市面上使用的低压耐火电缆仍以传统的两层或多层云母带重叠绕包在导体上的工艺为主。发生火灾时，在绝缘和护层被烧蚀后，绕包在导体上的云母带遇火后生成不溶不熔的SiO2，有良好的电绝缘性能，确保电缆继续通电，从而在着火时保持一定时间的正常运行。

导体上绕包云母带的耐火电缆只能满足0.6/1 kV及以下电压的耐火性能要求，3.6/6 kV到8.7/15 kV XLPE绝缘耐火电力电缆需采用其它结构才能满足耐火性能要求。

GB/T 12706.2规定，3.6/6 kV到8.7/15 kV XLPE绝缘电力电缆导体外须挤包导体屏蔽层，导体屏蔽层外挤包XLPE绝缘层，再在外挤包绝缘屏蔽层加绕包金属屏蔽。

电缆结构上的屏蔽是一种改善电场分布的措施。电缆导体由多根导线绞合而成，它与绝缘层之间易形成气隙，导体表面不光滑，会造成电场集中。在导体表面加一层半导电材料的屏蔽层，它与被屏蔽的导体等电位并与绝缘层良好接触，从而避免在导体与绝缘层之间发生局部放电，这一层屏蔽为导体屏蔽层;同样在绝缘表面和金属屏蔽接触处也可能存在间隙，是引起局部放电的因素，故在绝缘层表面加一层半导电材料的屏蔽层，它与被屏蔽的绝缘层有良好接触，与金属屏蔽等电位，从而避免在绝缘层与金属屏蔽之间发生局部放电，这一层屏蔽为绝缘屏蔽层。

假如在3.6/6 kV到8.7/15 kV XLPE绝缘耐火电力电缆导体上绕包云母带，导体与绝缘层之间易形成气隙，导体表面电场也会集中，造成电缆在运行时击穿，也不会通过出厂试验。

因此，6 kV到15 kV XLPE绝缘耐火电力电缆只能在金属屏蔽以外采用特殊的结构、选用特定材料，达到耐火功效。

1.2 电缆结构设计

参照GB/T 12706.2—2008的标准规定设计6 kV到15 kV XLPE绝缘耐火电力电缆。

铜导体选用符合GB/T 3956—2008的第2种退火铜导体;内外屏蔽为半导电材料，应符合GB/T 12706.2—2008规定;绝缘材料为XLPE，应符合GB/T 12706.2—2008规定;金属屏蔽应符合GB/T 12706.2—2008规定;填充材料为玻璃丝绳，包带为玻璃丝纤维带，具有耐高温和高阻燃性能;缆芯上挤包耐火硅橡胶耐火层，耐火硅橡胶具有良好的电性能和一定的物理机械性能;耐火硅橡胶外挤包耐火隔热层，耐火隔热层材料为低烟无卤隔氧层料，材料氧指数不小于45，具有很好的结壳性能，在高温和火焰烧蚀下，结成坚硬的外壳，包覆在耐火硅橡胶外，隔氧层厚度应符合GB/T 12706.1—2008规定;铠装(若有)材料为镀锌钢带，双层间隙绕包;外护套为低烟无卤阻燃护套料，具有低烟无卤阻燃性能，护套厚度应符合GB/T 12706.2—2008规定。电缆结构如图1所示。

图1 6 kV到15 kV XLPE绝缘耐火电力电缆结构图

2 耐火原理

2.1 耐火硅橡胶

耐火层选用具有优异耐火性能的耐火硅橡胶，耐火硅橡胶主要材料是硅橡胶(HTV)，在常温下无毒、无味、耐高低温、耐臭氧老化、耐候老化、优良的电绝缘性能，具有良好的加工性能。耐火硅橡胶耐火机理如下:

正如参考文献［1］所述，耐火硅橡胶在火焰的烧蚀下，首先由配方中的结构控制剂起作用，溢出有机物质，燃烧2～4 min后开始烧结，生成陶瓷状壳体，这种陶瓷状壳体的隔绝层可以非常有效地阻挡火焰的继续燃烧。在接下来的烧蚀过程中(陶瓷状壳体在700～900℃高温火焰的煅烧催化下)，陶瓷状壳体生成SiO2陶瓷，即为经得起700～1 300℃高温火焰烧蚀;陶瓷状壳体坚硬，具有一定的绝缘性能并且具备一定的机械性能，能够抵御火灾现场水浇和间接的机械震动。耐火硅橡胶的分解过程如下。

耐火硅橡胶就是利用其有机硅链组合氧化镁家族，在火焰温度500℃即开始发生催化燃烧结壳，“瓷化”成比热容很小的降温挡火固体，这个固体可以完成耐火要求。

2.2 耐火隔热层

耐火隔热层的材料为低烟无卤隔氧料，其应有隔热、降温，受热分解后结壳的效果，材料中应填充有大量的水合氧化物。在受热时，水分子蒸发，可以吸收大量的热量，降低电缆的温度;形成的水蒸气可以冲淡电缆周围氧气的浓度;燃烧的金属氧化物产物形成硬壳，包覆在缆芯外，阻止火焰和热量向电缆内部蔓延和传递。

包覆在缆芯的低烟无卤隔氧料燃烧后产生的硬壳，可以有效地抵御火灾现场水浇，在一定时间内，阻止水向绝缘层渗透，在火灾情况下对保持电路完好的电性能起到一定作用;耐火硅橡胶燃烧后产生的坚硬瓷状壳体，直接包覆在缆芯上，火灾现场受到水浇后，更表现出优异的绝缘性能，在一定的时间内，可以保持一定的绝缘性能。

同样，包覆在缆芯的低烟无卤隔氧料燃烧后产生的硬壳，在电缆受到机械振动时，硬壳能起到保护绝缘层的作用，在一定时间内，可避免绝缘层受到机械振动而破坏;耐火硅橡胶燃烧后产生的坚硬陶瓷状壳体，在电缆受到机械振动时，由坚硬的陶瓷状壳体性能决定，其在一定时间内可以保持一定的绝缘性能。

3 耐火试验

在耐火硅橡胶耐火层和低烟无卤耐火隔热层双重作用下，电缆具有优异的耐火性能。按照GB/T 19216.21方法，电缆在火焰时间90 min、冷却时间15 min后进行交流电压试验;按照BS 8367试验方法，电缆进行火烧附加喷淋试验后进行交流电压试验。产品通过国家电线电缆质量监督检验中心检验。

4 结束语

我公司设计开发的性能优异的6 kV到15 kV XLPE绝缘耐火电力电缆，为消防、防火又提供了一个新型的、安全的、性能更加优异的材料，是中压耐火电缆领域的创新。它的诞生使得中压电缆也可以具有耐火功能，具有广阔的市场前景。

［1］彭小第，夏亚芳，刘 军.一种新型陶瓷化高分子复合耐火硅橡胶耐火电缆的研制［J］.电线电缆，2007(4):28-29.