防火电缆的设计研究

林殿夫，李海峰，于慧敏，夏赫蓬，赵 猛，刘玺伟

(1．沈阳兴华航空电器有限责任公司，辽宁沈阳，110144；2．空军装备部驻沈阳地区第三军事代表室，辽宁沈阳，110144)

1 引言

据消防局统计，火灾有70%是由电缆电线短路或老化引起的。2019年12月沈阳市某处居民楼外墙保温材料被引燃发生火灾，火情从5层短时间蔓延至25层，楼体被烧焦。经查起火原因为居民使用的电线发生故障而引发，该建筑于2002年被建造，按当时的工程建设消防技术标准，外墙保温的内容并未包含于阻燃耐火设计审核的范畴中。因此防火工作必须要从源头开始，对阻燃耐火电缆的材料、结构加以精细设计，研究相关标准并强制推行。

2 防火电缆的概念

2.1 应用背景

伴随着电缆使用时间的增长，护套和导体外皮的绝缘性降低，甚至有些电缆的使用环境本身就有燃烧物、高温等不利条件，那么更会加剧电缆的老化，在绝缘失效后，尤其是在湿热环境下，极易发生线路短路，最终漏电而引发电缆燃烧，甚至火灾。因此，电缆设计时必须充分考虑防火的能力，同时因地制宜，避免过度设计。

2.2 定义

防火电缆包括阻燃电缆、耐火电缆。依据学术上普遍认同的观点，阻燃电缆是指规定试验条件下被燃烧，在撤去火源后，火焰在电缆上的蔓延仅在限定范围内并自行熄灭，即具有阻止或延缓火焰发生或蔓延能力的电缆。耐火电缆是指在规定的火源和时间内燃烧时能够持续地在指定状态下工作，即具有保持线路完整性能力的电缆。

2.3 阻燃电缆与耐火电缆的区别

一部分电缆设计者对二者存在混淆和误解的认知。阻燃电缆在燃烧时有可能被烧坏而不能运行，不过能够把燃烧限制在一定范围内，火源一旦被消除就能自熄而不再延燃，适合用于普通线路。耐火电缆则是在引燃后可继续导电一定时间，一般适用于烟温感、火情报警、消防设备等[1]。

3 特性

3.1 阻燃电缆

参照阻燃电缆所选用的导线绝缘材料不同，可将其分为两个类别，即有卤阻燃电缆、无卤阻燃电缆。

有卤阻燃电缆的导线绝缘护套为含卤聚合物、含卤阻燃剂或二者组合而成的阻燃混合物，卤素即元素周期表中的卤族元素，包括氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)、砹(At)、钿(Ts)，通常为前三者。有卤阻燃电缆工艺简单、性价比高，具有比较好的阻燃特性，但经试验验证，有卤阻燃电缆一旦燃烧，则会释放大量烟雾以及腐蚀性卤化氢气体，可能造成二次伤害。

无卤阻燃电缆的导线绝缘护套不含有卤素，一般采用辐照交联技术，利用射线辐照高分子轰击，将原材料分子键打散，再使生成的自由基重组成新的交联键，改线性结构为网状立体结构。试验表明，无卤阻燃电缆不仅比有卤阻燃电缆的阻燃效果更好，而且还清洁环保，在燃烧时不产生浓烟和有毒气体。此外其绝缘电阻在高温、高湿环境中也极其稳定，将其放入沸水中，绝缘电阻无明显下降，耐磨次数大幅度提升，具有良好的物理稳定性。

3.2 耐火电缆

参照耐火电缆所选用导线的材料、结构不同，可以分为两个类别，即有机耐火电缆、无极耐火电缆。

有机耐火电缆是在导体与绝缘之间添加一层阻燃层，多芯之间的填充物以及外护层也应是有机耐火材料。阻燃层常见的材料有云母带、陶瓷化耐火复合带，而云母带又分为白云母带、金云母带、合成云母带等三种，分别可以承受600℃、800℃、1375℃的高温，陶瓷化耐火复合带是由玻璃纤维和陶瓷化硅橡胶压延、硫化而成，最高可承受3000℃高温，设计时应按使用场景设计选材和安全裕度。多芯之间填充物和外护层可选择聚烯烃、辐照聚乙烯等。有机耐火电缆的耐火特性完全依赖于云母层的保护，它的优点是价格相对低廉，是市面上最常见的耐火电缆[2]。

无机耐火电缆在有机耐火电缆的基础上，新增铠装层、改有机填充物为氧化镁、改有机外护层为金属。铠装层选用满足YB/T 024-2008的镀锌钢带、涂锡钢带等，最好采用双层间隙绕包，填充物选用熔点为2800℃的氧化镁，外护层根据用户对刚性、柔性的不同需求，可分别选用铜管或304不锈钢，熔点可达1083℃和1400℃。由于整体基本采用无机材料，无机耐火电缆更耐老化，铜管还使电缆具有高强度的防爆优势，但该类电缆造价昂贵，弯折半径大，对端接处的密封要求极高。

4 国内外标准

4.1 国外标准

英国在对阻燃耐火电缆标准的摸索中走在了前列，在BS 8491：2008中将耐火与喷水、冲击试验相结合，后针对直径小于2cm的电缆又颁布了BS 6387：2013。欧盟标准中普遍被国际认可的EN13501-6：2004则是将电缆燃烧特性分为Aca、B1ca、B2ca、Cca、Dca、Eca、Fca等7个等级，主要关注火焰蔓延、热释放、烟、腐蚀等特性。

4.2 国内标准

国内从上世纪九十年代才开始普及使用阻燃耐火电缆， 2005年颁布了GB/T 19666-2005《阻燃和耐火电线电缆通则》，首次规范了电缆型号，明确了阻燃耐火特性的分级标准，并对烟雾、卤素等标准予以定量，直接改善了业内对性能等级、标识管理混乱的状况，但有关毒性气体浓度的标准悬而未决。直到GB/T 5023-2008《额定电压450V/750V及以下聚氯乙烯绝缘电阻》的颁布，才首次从定量角度细化了毒性要求。

2014年我国参考欧盟EN13501-6：2014颁布了GB/T 31247-2014《电缆及光缆燃烧性能分级》，将电缆分为不燃等级A和三个阻燃等级B1、B2、B3，须进行GB/T 31248-2014燃烧试验、GB/T 17651.2-2008烟密度试验、GB/T 18380.12-2008单根燃烧试验、GB/T 17650-1998气体酸度试验等进行评定，跟欧标要求的测试项目相同[3]，遂与国际接轨。

5 主要参数

5.1 阻燃电缆参数

依据电缆的阻燃特性，自高向低，依次可分为CMR级(干线级)、CM级(商用级)、CMG级(通用级)、CMX级(家居级)。

阻燃电缆在建筑方面应用最为广泛，在该领域可将其自高向低分为以下5个等级：A1级为不燃烧，不起明火；A2级为不燃烧，低烟；B1为难燃；B2为可燃；B3为易燃，无任何阻燃效果。

5.2 耐火电缆参数

耐火电缆型号分为主分级、附加分级两部分。主分级为燃烧性能等级，附加分级为燃烧滴落物/微粒、烟气毒性、腐蚀性等级。通常标记为“GB 31247 M (X , Y , Z )”，M为燃烧性能等级，按热值、烟密度等指标分为A、B1、B2、B3；X为燃烧滴落物/微粒等级，按规定时间内产生滴落物/微粒持续时间分为d0、d1、d2; Y为烟气毒性等级，按烟气浓度分为t0、t1、t2; Z为腐蚀性等级，按酸腐蚀后的导电率分为a1、a2、a3。

5.3 氧指数

阻燃耐火性能的评价方式有许多种，目前国际普遍通用的是极限氧指数，简称为氧指数，它是指物质在O2、N2混合物中能够燃烧所需的最低O2浓度。氧指数越高，材料燃烧的属性越差，绝大多数电缆材料的氧指数随着温度上升而下降。在常温下，常被作为电缆绝缘护套的聚四氟乙烯氧指数可达95，属难燃材料；聚乙烯17.4，聚丙烯18，属易燃材料。电缆设计者须通过具体情况进行选材。如图1所示。

图 以氧指数界定易燃、可燃、难燃材料

6 辅助材料

6.1 防火涂料

防火涂料一般涂抹于电缆的表面，在电缆遇火时防护涂层会发生膨胀，形成致密的蜂窝状隔热层，具有一定的阻燃和隔热作用，能够延缓火焰的传播速度，阻止燃烧。可选用无卤材料制取。

6.2 阻火包带

阻火包带一般外套在电缆外护套上，可形成密封套，具有一定的阻燃和隔热作用，对防止电缆初期火灾和减缓火势蔓延扩大可以起到效果。具有良好的伸缩性能，适用于频繁移动的电缆。

6.3 其它辅助材料

阻燃耐火电缆还可配合防火隔板、防火泥、阻火网等产品配合使用。

7 结束语

设计阻燃耐火电缆需要深刻理解物质燃烧的条件，掌握常见导线、护套等材料的标准、结构和燃烧特性，对燃烧环境因地制宜，选取最优化属性的阻燃耐火电缆，这样才能保障易燃环境中电缆的正常工作，将火灾隐患降至最低。