中壓耐火電纜的優化設計

遲先吉，韓 盼

(興樂集團有限公司，浙江溫州325604)

0 引言

隨著我國經濟建設步伐的加快，高層建筑、地鐵、發電廠、核電站、隧道等重要場所的中壓配電系統，對電纜在火災條件下的安全性提出了更高的要求，于是中壓耐火電纜應運而生。但是由于中壓電纜特殊的電氣性能要求，不能采用低壓耐火電纜的通用生產方式，需要采用一種特殊的生產方式。這導致中壓耐火電纜結構尺寸偏大，給敷設安裝帶來不便。針對這種情況，我們有必要根據中壓耐火電纜的特點，對現有結構設計進行優化。

1 中壓耐火電纜優化思路

1.1 中壓耐火電纜結構

由于中壓交聯聚乙烯(XLPE)絕緣電力電纜在較高電壓下運行，其特殊的電氣性能要求絕緣線芯必須由導電線芯、導體屏蔽、XLPE絕緣和絕緣屏蔽、金屬屏蔽等組成。因此，制造中壓耐火電力電纜，不能采取在導體上繞包耐火云母帶的方式，也不能采取銅芯銅護套氧化鎂絕緣方式。絕緣線芯不能設置耐火層，只能在纜芯外設置，采用隔熱層、降溫層和擋火層組合的耐火結構。

電纜由外至內的結構為外護套、擋火層、降溫層、隔熱層、外屏蔽層、絕緣層、導體屏蔽層和導體。外護套起阻燃作用;擋火層由金屬材料構成，起到阻止火焰向內蔓延及抗沖擊保護作用;降溫層采用專門研制的隔氧層材料，該材料在高溫時會形成一個不熔不燃的氧化鋁硬殼，阻止火焰、氧氣向電纜內部蔓延，同時會放出大量水分，水分蒸發吸收大量熱量對電纜起到降溫作用，從而在一定時間內從電纜表面到內部形成溫度梯度;隔熱層采用具有良好絕熱性能的石棉纖維帶，阻止高溫傳遞到絕緣層。通過以上各層的綜合作用，最終實現耐火的目的。隔熱層厚度通常選取15～20mm，降溫層為2～3mm。

1.2 存在的問題

中壓耐火電纜采用在纜芯外設置組合耐火層，在使用過程中出現兩個問題:一是電纜載流量偏低，電纜出現發熱現象;二是電纜外徑較大給敷設安裝帶來不便。其原因主要與組合耐火層有關，組合耐火層可實現電纜耐火，但是它的存在對電纜的載流量起到了一定的限制作用。其工作原理是通過隔絕外界溫度來實現的，同時也限制了電纜本身熱量的散發。為了滿足電纜耐火要求，組合耐火層的結構尺寸比較厚，導體溫度不能及時散發到空氣中，導致電纜載流量降低。隔熱層采用石棉纖維帶繞包，石棉層較厚，導致電纜外徑偏大給敷設安裝帶來不便。

1.3 優化設計方案

1.3.1 隔熱材料的選取

隔熱材料的選取主要考慮三方面因素:一是隔熱效果;二是便于連續生產;三是材料成本。隔熱效果主要以材料的導熱系數為判斷依據，導熱系數是指在穩定傳熱條件下，1 m厚的材料，兩側表面的溫差為1℃(K)時，在1 s內通過1 m2面積傳遞的熱量。目前常采用的隔熱材料性能見表1:玻璃纖維和玄武巖纖維材料隔熱效果是最好的，但是由于其較脆會給生產帶來不便;石棉材料雖然加工性能較好，但是材料導熱系數相對來說較高，需要隔熱層厚度較厚;陶瓷纖維材料是一種集傳統絕熱材料、耐火材料優良性能于一體的纖維狀輕質耐火材料，導熱系數較小，同時還可以通過添加加強材料制成一定強度的帶材，這就為產品批量生產提供了可能。石棉纖維帶參考價格一般為20元/kg，陶瓷纖維帶價格在28元/kg，但是陶瓷纖維帶比石棉纖維帶密度低10%左右，而且隔熱性能好、用量少、產品外徑小，綜合以上考慮決定采用陶瓷纖維材料代替石棉帶作為隔熱層。

表1 常用隔熱材料性能

1.3.2 組合耐火層結構尺寸的優化設計

在滿足耐火要求的同時對電纜載流量影響又最小，找到這個平衡點是本次優化設計的關鍵。電纜在較高電壓下運行，必須考慮溫度對絕緣電阻的影響。絕緣電阻與絕緣電阻系數成正比，絕緣電阻系數隨溫度上升而迅速下降。

從相關資料可查得，XLPE絕緣電纜在短時間內可以在300℃下安全運行。基于以上考慮，本次優化設計采用不同的隔熱層、降溫層厚度(見表2)，在成纜過程中加入熱電偶來對樣品在火焰條件下的溫度情況進行監測，得到組合耐火層厚度與火焰條件下電纜內部溫度曲線(見圖1)。從表2和圖1可知，隔熱層厚度為9mm、降溫層厚度為2.5mm的樣品B，在火焰條件下90 min后電纜內部溫度在300℃左右。在此溫度下電纜既能滿足耐火需要又能保證對電纜載流量的影響最小，同時電纜外徑減小20～30mm。

表2 組合耐火層厚度 (單位:mm)

圖1 組合耐火層厚度與電纜內部溫度曲線

2 電纜的耐火試驗

目前，國內外對中壓耐火電纜的試驗還沒有出臺相關標準。針對此情況，我們參照IEC 60331及GB/T 19666—2005標準相關規定，制定了中壓耐火電纜技術要求及試驗方法。具體規定如下:電纜在額定工作電壓下，火焰溫度不低于750℃，在供火時間90 min內熔斷器不斷，則判為合格，反之不合格。經過優化設計試制的樣品B，經國家電線電纜監督檢驗中心檢測其性能完全符合標準要求。

3 結束語

中壓耐火電纜的設計不能只考慮電纜的耐火性能，應綜合考慮材料的選擇、結構尺寸和電氣性能等，通過試驗驗證得出最佳設計方案。隨著科技的發展，我們應多關注其它新材料，以便對中壓耐火電纜不斷進行設計優化。

目前國內中壓耐火電纜還沒有統一的標準，各生產企業的生產工藝、結構設計及檢驗標準各不相同，急需出臺相關的技術標準，以規范中壓耐火電纜的生產及檢驗。

［1］GB/T 19666—2005 阻燃耐火電纜通則［S］.

［2］GB/T 19216—2003 在火焰條件下電纜或光纜的線路完整性試驗［S］.

［3］卓金玉.電力電纜設計原理［M］.北京:機械工業出版社，1999.