城市軌道交通用電纜外護套開裂原因淺析

李漢卿

0 引言

近年來，隨著國內經濟的不斷發展，城鎮化建設的加速，作為解決城市出行便利的一種基礎性公益設施，城市軌道交通因其快捷、安全、舒適、便利、節能環保的特點，在許多城市得到了大規模建設，其中電力電纜也隨之得到了大量應用。但是隨著應用數量的擴大，出現了與之有關的一系列問題，如電纜和電纜附件安裝制作問題，電纜附件擊穿問題，電纜絕緣和外護套回縮問題等，尤其是敷設于高架橋或地面區段上的電纜外護套開裂問題比較突出，給城市軌道交通的運營帶來了很大的壓力，嚴重者可能會出現事故導致地鐵停運，造成一定的社會負面影響。

1 城市軌道交通用電纜的性能要求

作為城市的一個重要性基礎交通設施，軌道交通通常是居民出行的首選交通工具。由于軌道交通涉及到公共安全，國內許多城市的地鐵對電纜的選型比較嚴格，要求電纜必須環保，具有低煙無鹵A類阻燃的性能，GB/T 19666-2005 中有如下規定。

（1）低煙的指標要求：電纜燃燒時的低煙性能應能滿足在GB/T17651 規定的試驗條件下，燃燒時產生的煙濃度其最小透光率不小于60%。

（2）無鹵的指標要求：電纜燃燒時逸出氣體的pH 值和導電率測試按GB/T17650 的規定，pH值不小于4.3，導電率不大于10 μs/mm。

（3）阻燃的指標要求：電纜燃燒時的阻燃性能應能滿足GB/T 18380 規定的A 類成束電纜垂直燃燒試驗。

2 電纜外護套開裂原因分析

2.1 護套料材質

由于要求城市軌道交通用電纜具有低煙無鹵A 類阻燃性能，就必須采用低煙無鹵阻燃護套料，目前電纜采用的護套混合料主要有聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、聚烯烴等。

PVC 護套材料阻燃性能好，但其燃燒時會放出大量的鹵化氫氣體和濃煙，造成火災的“二次危害”，對人體健康及環境損害較大，滿足不了低煙無鹵的要求。

聚烯烴或聚乙烯是一種易燃高分子無鹵材料，其分子結構為線形，氧指數一般不超過20，其本身是可燃的，燃燒時會分解出水和二氧化碳。為達到規定的阻燃效果，需添加大量的阻燃劑（如Al(OH)3或Mg(OH)2）。該氧化物受熱后，會釋放一定的結晶水，吸收大量熱量，從而抑制其溫度上升。此外，分解過程中所產生的水氣，可以稀釋可燃性的氣體，以達到阻燃的效果。由于在聚烯烴中添加了大量的無機阻燃料，如果阻燃添加劑配比不合適，弱化了護套物理機械性能，造成其拉伸強度和斷裂伸長率下降。按GB/T 19666-2005“阻燃和耐火電線電纜通則”的規定，低煙無鹵阻燃聚烯烴護套的機械物理性能抗張強度9 N/mm2，斷裂伸長率最小為125%；而GB 12706.3-2002 中普通PE 護套的機械物理性能抗張強度為12.5 N/mm2，斷裂伸長率最小為300%；因此，低煙無鹵阻燃護套的機械物理性能與普通PE 護套相比大幅下降，材料先天不足，這是造成電纜外護套開裂的根本原因。

為保證電纜產品的質量和護套性能的穩定，電纜生產廠家應具備一定的技術實力，對護套料配比進行充分試驗，對于不同配比的護套其性能與標準規范比照后，校正調整，驗定性能后，才能最終確定電纜添加劑的配比，從而確保護套性能的可靠和穩定。

2.2 生產工藝

由于無鹵阻燃護套料中含有較多的Al(OH)3或Mg(OH)2填充劑，導致材料硬度較高，擠塑時產生的熱量較大，擠制護套比較困難。當采用高壓縮比螺桿時，可導致擠出速度過快，擠出工藝控制不當或模具選配不匹配時會導致線纜存在氣孔，從而影響護套的機械物理性能。

另外，護套擠出冷卻時應逐步降溫，不要采用低溫水冷卻，這樣在一定程度上可以減小和釋放護套在擠塑過程中的內應力，減少發生開裂現象。

2.3 護套料炭黑添加比

當電纜敷設在高架橋或路基區段時，可能會長時間暴露在強烈的陽光下，所以在敷設時要求電纜外護套應具有防護紫外線性能，而電纜外護套的防護紫外線性能通過碳黑含量、炭黑分散度、炭黑系數等指標來考核。如果炭黑添加比不合適，護套材料仍會由于紫外線的殺傷而造成老化開裂。

2.4 敷設方式問題

電纜安裝在高架橋或路基區段時，沒有采取遮陽措施，直接大范圍裸露在強烈的陽光照射下。

3 采取的應對措施

在軌道交通這種安全及環保要求較高的場合，低煙無鹵阻燃的要求是非常必要的。但限于目前的材料水平，在聚烯烴中添加了大量的無機阻燃填充劑，使材料的機械性能大大降低，因此需要開發出新型的低煙無鹵阻燃材料，采取適當的生產控制工藝、合適的添加劑配比，以大幅度提高其機械物理性能。

目前，為防止低煙無鹵阻燃護套料的開裂，軌道交通工程中通常采用以下做法。

（1）采取遮陽罩方式或敷設在專用水泥槽中，以防止太陽光的直接照射。根據《地鐵設計規范》第14.4.8 節規定，電纜在高架橋上或地面線路采用支架明敷時，宜有罩、蓋等遮陽措施。該規定是解決電纜防紫外線性能的一個重要措施。

（2）降低電纜的性能要求，采用具有低煙低鹵B 類阻燃外護套的電纜，降低其部分技術指標，電纜燃燒時的低煙性能應能滿足在GB/T 17651 規定的試驗條件下，產生的煙濃度最小透光率不小于30%。逸出氣體的pH 值和導電率測試按GB/T 17650 的規定，pH 值不小于2.5，導電率不大于30 μS/mm，低鹵電纜的性能應滿足在GB/T 17650.1規定的試驗條件下，燃燒時產生的鹵酸氣體逸出量不大于100 mg/g。由于其外護套采用PVC，其分子鏈結構上含氯原子，分子鍵強度相對較大，其物理性能相對比較穩定，加入的阻燃添加劑相對較少，其機械物理性能比較高，護套的抗張強度可達15 N/mm2以上，斷裂伸長率可大于300%。因此建議城市軌道交通戶內地下車站和隧道內采用低煙無鹵阻燃電纜，戶外高架橋或路基區段采用低煙低鹵阻燃電纜。這樣，電纜即使發生燃燒，也不至于對環境或人員產生大的危害。

電纜在生產過程中，會產生各種各樣的內應力，因此敷設前應消除一定的應力。

在試驗中除進行熱老化試驗外，還應增加光老化試驗（目前可參考采用GB 14049-93 中的人工氣候老化實驗方法），以及耐環境應力開裂試驗，以考核電纜護套的開裂性能（依據GB/T 2952《電纜外護層》的規定）。

4 建議

雖然電纜外護套開裂現象在城市軌道交通中并不多見，但電纜的可靠性直接關系著地鐵環境、運營人員和旅客的安全，以及正常的運營安全，為此應采取充分有效的措施，經過仔細地論證、分析，找出原因，提出對策，以避免或防止電纜外護套的開裂。