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高柔性防火電纜及其預制分支的研制

1、前言

隨著社會的發展城市規模不斷擴大高樓大廈不斷涌現重要建筑物不斷增多由電氣線路而引起的火災特別是大火災事故觸目驚心,危及生命財產安全,而一些傷亡慘重、影響巨大的火災,往往引發系列社會問題進而問責追究。一旦火災發生,救援極其重要,消防水泵、消防排煙、應急照明、消防電梯等救援設備都成了人員逃生的保障,而這些保障的“生命線”就是——防火電纜。由于火災的頻繁發生和嚴重后果,各國越來越重視防火電纜的性能和試驗,表1例舉了部分國家和地區的防火電纜結構和試驗標準條件,從表1中可以看出GB、IEC、BS、AS等標準對防火電纜的試驗性能的不同要求,其中BS和AS兩種試驗條件較為苛刻。我國防火電纜主要執行國家標準,防火性要求通過BS 6387或BS8491的耐火+振動+噴淋的耐火試驗。

目前市場上的防火電纜,從絕緣材料上主要分為兩大類,即氧化鎂絕緣防火電纜和云母礦物質復合絕緣防火電纜,通俗習慣分別稱為剛性防火電纜和柔性防火電纜。由于結構設計、材料工藝的不同,兩類電纜在滿足防火性能要求的前題下各有特色,也各自存在一些需改善的方面。作為剛性防火電纜,其耐火耐高溫、耐輻照、壽命長、接地好等優點無可挑剔,但在實際安裝中,也會表現出實芯導體結構相對硬、工期較長等情形。而另一大類是采用絞合導體+礦物復合絕緣+金屬套或防火泥復合護層的柔性防火電纜,理論上講管狀金屬或經過軋紋機械形變后的金屬套防火電纜,稱其柔性主要是相對實芯導體而言的;而采用防火泥隔離結構的防火電纜,其柔性也會受到防火泥成型后硬的限定。與常規電纜相比,這些防火電纜在接頭方面需要專門的附件和技術,實現預分支方面更存在難度;它們的分支接頭往往采用分支箱進行連接,除了安裝復雜困難,施工強度大外,防火性能、接頭性能和密封防潮性能也參差不齊。

我們從結構和材料上對防火電纜進行了深入的研究,將電纜的柔軟性、防火安全性和施工方便快捷性為研究方向,研制開發一種柔性防火電纜,全面通過了GBIECBSAS試驗,是一種真正柔性的防火電纜。在此基礎上,我們立項研發了預制分支型環保防火電纜,此預制分支防火電纜制造成本較低,不僅保留了傳統防火電纜的優點,還克服了一般防火電纜防火層吸潮、電纜柔軟性差等問題,安裝敷設方便快捷,可根據用戶需求整根整盤交貨,無需中間接頭,具有較好的市場前景。

 

表1  部分國家和地區的防火電纜結構和試驗標準條件

國家地區

防火電纜結構

標準代號

試驗條件(耐火最高等級)

主要執行標準

澳大利亞

(北美)

氧化鎂+銅套

云母+絕緣+護套

AS/NZS 3013AS 1530

AS 3187

密封爐中試驗,120min、最高1050℃,含噴淋、沖擊、切削試驗

ASIECBS

英國

(歐盟)

氧化鎂+銅套

云母+絕緣+護套

BS 8491BS 6387EN 60702

EN 50200BS 8434 BS6207

噴燈試驗,180min、最高990℃,含噴淋、沖擊試驗

BSVDEEN

中國

氧化鎂+銅套

金屬套(銅、鋁、鋼)、硅橡膠類、云母+絕緣+護套

GB 12666GB 19216GB/T13033

噴燈試驗,90min、最高1000℃,含沖擊試驗(目前與IEC60331接軌)

BSGB

德國

云母類和硅橡膠類、耐高溫電纜達1565

VDE 0472.814

噴燈試驗,180min、最高850

VDEENBS

美國

數據防火電纜占優、軍方耐溫等級達3500

MIL C  915EIEEE 383

UL 1581UL 2196

噴燈試驗,180min、最高900

ULASBS

日本

云母+絕緣+護套

JIS A 1304

爐中試驗、30min、最高840℃,燃燒最后1min測絕緣電阻、燃燒后耐電壓試驗

JISIEC

法國

云母類和硅橡膠類

NFC 32-070

爐中試驗、15min、最高940℃,沖擊30

NFCIECBS

新加坡

云母+絕緣+護套

SS 299.1

BS6387一致

BSVDE

IEC

氧化鎂+銅套

云母+絕緣+護套

IEC60331IEC60720

噴燈試驗,120min、最高870℃,含噴淋、沖擊試驗(已與BS8491接軌)

IECBS

2、高柔性防火電纜及其預制分支的結構設計

高柔性防火電纜及預制分支防火電纜的設計,是依據GB/T 12706.1-2008額定電壓1kV擠包絕緣電力電纜和JB/T 10636-2006額定電壓0.6/1kV銅芯塑料絕緣預制分支電纜的基本要求,并實現防火和預制分支防火的功能。

2.1 主要性能指標

1)導體直流電阻符合GB/T 3956的規定。

2)成品電纜應經受3.5kV5min交流耐壓試驗,不擊穿。

3)絕緣物理機械性能:絕緣老化前抗張強度≥12.5MPa;絕緣老化前斷裂伸長率≥200%;老化條件:溫度135℃,時間168h;絕緣老化后抗張強度變化率不超過±25%;絕緣老化后斷裂伸長率變化率不超過±30%。

4)護套物理機械性能:護套老化前抗張強度≥9.0MPa;護套老化前斷裂伸長率≥125%;老化條件:溫度100℃,時間168h;護套老化后抗張強度≥9.0MPa;護套老化后抗張強度變化率不超過±40%;護套老化后斷裂伸長率100%;護套老化后斷裂伸長率變化率不超過±40%。

5)分支連接體浸水后應經受3.5kV5min交流耐壓試驗,不擊穿。

6)分支連接體浸水1h后絕緣電阻應不于小200MΩ。

7)分支連接金具熱循環試驗應符合JB/T 10636中的規定,即第25次熱循環溫升不大于75℃;第26~125次熱循環溫升不大于第25次熱循環實際測定值加8℃。

8)無鹵低煙環保特性:成品電纜燃燒煙密度試驗,透光率大于60%;電纜燃燒釋放氣體pH值大于4.3,電導率小于10μS/mm。

9)阻燃性能:電纜的阻燃性能應符合GB/T 19666中的規定。

10)耐火性能:耐火等級可根據GB/T 19216.21-2003《在火焰條件下電纜或光纜線路完整性試驗》的試驗方法,耐火溫度由原標準中750±40℃提高到950~1000℃,供火時間由原標準中提供90min提升到5h2A熔斷器不斷,指示燈不熄。

防火性能:防火性能滿足英國BS6387BS8491CWZ最高級別,即:C-950℃±40℃火焰中燃燒3h2A熔斷器不斷,指示燈不熄;W-650℃±40℃火焰中燃燒15min,另加水噴淋15min2A熔斷器不斷,指示燈不熄;Z-950℃±40℃火焰中燃燒15min,另在15min內每隔30s震動一次,2A熔斷器不斷,指示燈不熄。

2.2根據產品性能,對各組成元件的設計要求

1)導體

為提高電纜柔軟性能,導體采用若干根圓單線通過可退扭型絞線機按適當的節距絞制而成,定徑位置采用納米鉆石模拉拔,增加表面光潔度,不會發生因導體不光潔而損壞耐火隔離層的現象,該導體使電纜能適用于彎曲半徑更小的敷設環境。

2)防火復合絕緣

根據不同耐火材料的耐火及電性能,選用以煅燒云母紙、玻璃纖維布、有機硅樹脂為基材制成的煅燒氟金云母帶作為耐火層。此種云母帶與傳統云母帶相比,耐溫等級、柔軟性能更優,且不含結晶水,熔點高。

為進一步提高電纜防火性能,保證耐火性能基礎上,提高電纜的柔軟性,采用隔溫、隔熱、強度優異的陶瓷化防火型復合帶作為防火層。

選用加入功能型材料瓷化粉和炭黑、助劑等材料經過混煉制成的陶瓷化硅橡膠擠絕緣,提高抗開裂、高阻燃性能,在保證柔軟性、耐火性能基礎上,增加電纜防水抗震性能,確保通過英國BS6387振動和噴淋燃燒試驗。

3)防火護層

外護套材料采用以硅橡膠(或聚烯烴)為基材,加入功能型材料瓷化粉和炭黑、助劑等材料經過混煉制成的抗開裂高阻燃陶瓷化彈性體材料。

抗開裂高阻燃陶瓷化彈性體材料在常溫下無毒、無味,具有很好的柔軟性和彈性,以及優異的防潮性和抗吸水性。在火焰的燒蝕下,燃燒2-4min后即開始燒結成堅硬的陶瓷狀鎧裝殼體,此殼體可以非常有效的阻擋火焰的繼續燃燒,具有優良的隔熱性、隔火耐火性,同時可承受一定的沖擊和振動,防止水的滲入。成品電纜無毒、環保,不含重金屬及有毒有害物質,電纜僅導體材料為金屬,與其他防火電纜相比,除具有優異的防火性能外,還具有較好的柔軟性能。

高柔性防火電纜的結構設計見圖1

 

 

 

 

 

 

 

 

1、圓單線,2、股線,3、高柔性或軟結構導體,4軟結構保護層(可選),5、耐火云母層,6、防火層,7、高溫絕緣層(可選),8、柔性礦物質填充,9、抗開裂陶瓷化彈性體(可選)。

1  高柔性防火電纜的結構示意圖

 

4)分支防火連接體

分支防火連接體是預制分支防火電纜中的關鍵部位,分支連接的質量直接影響到分支防火電纜的使用性能、防火特性和使用壽命。導體連接采用專用金具,專用金具銅材執行GB/T 5231中二號銅(T2)的規定,連接時應防止導體受損或斷芯,連接后電纜導體的抗張強度不低于原值的80%

與高柔性防火電纜一樣,防火型預制分支連接導體外也采取多層防火復合結構。通常內層采用與主干線一致的云母帶繞包,允許連接導體外包裹軟結構保護層,防止在包裹過程中云母受損;次層采用陶瓷化防火復合帶搭蓋纏繞,纏繞厚度以稍稍超出電纜絕緣外徑為宜;最外層采用陶瓷化低煙無鹵阻燃硅橡膠(或聚烯烴)注塑,成型后外觀應光滑平整。注塑后與干線防火電纜成為一體,增強了分支防火電纜的氣密性,預制分支防火連接體的各項性能都應符合標準要求,產品外觀光滑美觀,機械電氣和防火性能優良。

防火型預制分支體的典型結構示意圖見圖2

 

 

 

 

 

 

 

 

1、柔性結構導體,2、軟結構保護層(可選),3、耐火云母層,4、防火層,5、高溫絕緣層(可選),6、抗開裂陶瓷化彈性體(可選),7、分支導體連接器,8、干線防火電纜,9、分支防火連接護層,10、支線防火電纜,11、分支防火連接體。

2  預制分支防火電纜的結構示意圖

3、高柔性防火電纜及其預制分支的工藝實現

3.1 工藝流程

高柔性防火電纜及其預制分支的制造工藝與普通電纜一致,在材料選型合適和掌握關鍵技術的前提下,采用常規電纜設備即可進行產品制造。相應的工藝流程如圖3所示。

3  預制分支火電纜的工藝流程圖

3.2  生產過程中的注意事項

在試制和批量生產過程中,為提高產品的阻燃、柔軟、耐火、抗震、防潮、環保等性能,須從各個工序入手,全面監控過程中的各個環節和要素,以穩定和提高產品的性能指標,應注意以下幾點:

1)應保證導體絞合結構圓整穩定,表面光潔、無毛刺,其絞合節距符合應用時的彎曲半徑和柔軟性要求。

2)采用合成云母帶繞包時,應保持外表平整服貼,沒有起皺卷曲現象,通常外層包覆一層耐高溫防火帶,確保耐火穩定性。在實際生產中,采用張力在線跟蹤自動可調式臥式繞包機,實現耐火帶和高溫防火帶一次性繞包,合理調控繞包張力和角度,使得繞包平整、無皺折。

3)在擠制陶瓷化低煙無鹵彈性體時,擠出機各區的加熱溫度比普通低煙無鹵料要高些,具體溫度設置可根據實際擠出高溫狀態的柔軟程度和冷卻成型后的機械性能而確定。注塑預制分支時,每次成型后要及時清理注塑孔的注塑料,防止成型冷卻后堵塞通道。

4、高柔性防火電纜及其分支的特點

高柔性防火電纜及分支防火電纜在2014年試制后,經國家電線電纜質量監督檢驗中心和國家防火建筑材料質量監督檢驗中心的測試,產品均符合標準規定,并經過相關單位的多年使用,效果良好,達到了設計要求,產品具有以下特點:

1)產品與常規電纜外徑相近,具有高柔性。

2)除了高阻燃(A)、低煙無鹵,高防火特性外,絕緣電阻和彎曲性能均有大幅提高。

3)導體截面大,單芯可達630mm2,多芯可達300mm2

4)預制分支產品的干線、支線電纜均滿足BS6387/BS8491防火性能要求;分支連接體也滿足BS標準防火性能要求。

5)分支連接體的分支壓接導體抗拉強度、浸水電壓試驗、分支連接體浸水絕緣電阻試驗均符合行業標準規定;通過JB/T 10636規定的分支連接金具熱循環試驗。

6)敷設安裝回歸到傳統電纜安裝工藝上,施工與維護簡便,可靠性高。

7)由于在生產中預制分支,安裝簡便,節省了現場的施工時間和勞動強度,防火和密封性能好。可廣泛應用于建筑工程中垂直和水平輸配電線路,具有經濟、施工周期短、高質量、氣密、防水、防火、免維護等特點。

5、結束語

高柔性防火電纜及分支防火電纜主要應用于高層建筑、冶金、醫院、名勝古跡、博物館等領域,適用于主干線路、消防線路、逃生救援系統,如應急照明、火災監測、報警系統、電梯系統、排煙系統,以及控制線路等。產品具備較好的電性能、耐高低溫、防火性、抗沖擊性,還可用于特殊行業或其他對環境要求嚴苛的領域,具有廣闊的市場前景。

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