防火電纜的設計研究

林殿夫，李海峰，于慧敏，夏赫蓬，趙 猛，劉璽偉

(1．沈陽興華航空電器有限責任公司，遼寧沈陽，110144；2．空軍裝備部駐沈陽地區第三軍事代表室，遼寧沈陽，110144)

1 引言

據消防局統計，火災有70%是由電纜電線短路或老化引起的。2019年12月沈陽市某處居民樓外墻保溫材料被引燃發生火災，火情從5層短時間蔓延至25層，樓體被燒焦。經查起火原因為居民使用的電線發生故障而引發，該建筑于2002年被建造，按當時的工程建設消防技術標準，外墻保溫的內容并未包含于阻燃耐火設計審核的范疇中。因此防火工作必須要從源頭開始，對阻燃耐火電纜的材料、結構加以精細設計，研究相關標準并強制推行。

2 防火電纜的概念

2.1 應用背景

伴隨著電纜使用時間的增長，護套和導體外皮的絕緣性降低，甚至有些電纜的使用環境本身就有燃燒物、高溫等不利條件，那么更會加劇電纜的老化，在絕緣失效后，尤其是在濕熱環境下，極易發生線路短路，最終漏電而引發電纜燃燒，甚至火災。因此，電纜設計時必須充分考慮防火的能力，同時因地制宜，避免過度設計。

2.2 定義

防火電纜包括阻燃電纜、耐火電纜。依據學術上普遍認同的觀點，阻燃電纜是指規定試驗條件下被燃燒，在撤去火源后，火焰在電纜上的蔓延僅在限定范圍內并自行熄滅，即具有阻止或延緩火焰發生或蔓延能力的電纜。耐火電纜是指在規定的火源和時間內燃燒時能夠持續地在指定狀態下工作，即具有保持線路完整性能力的電纜。

2.3 阻燃電纜與耐火電纜的區別

一部分電纜設計者對二者存在混淆和誤解的認知。阻燃電纜在燃燒時有可能被燒壞而不能運行，不過能夠把燃燒限制在一定范圍內，火源一旦被消除就能自熄而不再延燃，適合用于普通線路。耐火電纜則是在引燃后可繼續導電一定時間，一般適用于煙溫感、火情報警、消防設備等[1]。

3 特性

3.1 阻燃電纜

參照阻燃電纜所選用的導線絕緣材料不同，可將其分為兩個類別，即有鹵阻燃電纜、無鹵阻燃電纜。

有鹵阻燃電纜的導線絕緣護套為含鹵聚合物、含鹵阻燃劑或二者組合而成的阻燃混合物，鹵素即元素周期表中的鹵族元素，包括氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)、砹(At)、鈿(Ts)，通常為前三者。有鹵阻燃電纜工藝簡單、性價比高，具有比較好的阻燃特性，但經試驗驗證，有鹵阻燃電纜一旦燃燒，則會釋放大量煙霧以及腐蝕性鹵化氫氣體，可能造成二次傷害。

無鹵阻燃電纜的導線絕緣護套不含有鹵素，一般采用輻照交聯技術，利用射線輻照高分子轟擊，將原材料分子鍵打散，再使生成的自由基重組成新的交聯鍵，改線性結構為網狀立體結構。試驗表明，無鹵阻燃電纜不僅比有鹵阻燃電纜的阻燃效果更好，而且還清潔環保，在燃燒時不產生濃煙和有毒氣體。此外其絕緣電阻在高溫、高濕環境中也極其穩定，將其放入沸水中，絕緣電阻無明顯下降，耐磨次數大幅度提升，具有良好的物理穩定性。

3.2 耐火電纜

參照耐火電纜所選用導線的材料、結構不同，可以分為兩個類別，即有機耐火電纜、無極耐火電纜。

有機耐火電纜是在導體與絕緣之間添加一層阻燃層，多芯之間的填充物以及外護層也應是有機耐火材料。阻燃層常見的材料有云母帶、陶瓷化耐火復合帶，而云母帶又分為白云母帶、金云母帶、合成云母帶等三種，分別可以承受600℃、800℃、1375℃的高溫，陶瓷化耐火復合帶是由玻璃纖維和陶瓷化硅橡膠壓延、硫化而成，最高可承受3000℃高溫，設計時應按使用場景設計選材和安全裕度。多芯之間填充物和外護層可選擇聚烯烴、輻照聚乙烯等。有機耐火電纜的耐火特性完全依賴于云母層的保護，它的優點是價格相對低廉，是市面上最常見的耐火電纜[2]。

無機耐火電纜在有機耐火電纜的基礎上，新增鎧裝層、改有機填充物為氧化鎂、改有機外護層為金屬。鎧裝層選用滿足YB/T 024-2008的鍍鋅鋼帶、涂錫鋼帶等，最好采用雙層間隙繞包，填充物選用熔點為2800℃的氧化鎂，外護層根據用戶對剛性、柔性的不同需求，可分別選用銅管或304不銹鋼，熔點可達1083℃和1400℃。由于整體基本采用無機材料，無機耐火電纜更耐老化，銅管還使電纜具有高強度的防爆優勢，但該類電纜造價昂貴，彎折半徑大，對端接處的密封要求極高。

4 國內外標準

4.1 國外標準

英國在對阻燃耐火電纜標準的摸索中走在了前列，在BS 8491：2008中將耐火與噴水、沖擊試驗相結合，后針對直徑小于2cm的電纜又頒布了BS 6387：2013。歐盟標準中普遍被國際認可的EN13501-6：2004則是將電纜燃燒特性分為Aca、B1ca、B2ca、Cca、Dca、Eca、Fca等7個等級，主要關注火焰蔓延、熱釋放、煙、腐蝕等特性。

4.2 國內標準

國內從上世紀九十年代才開始普及使用阻燃耐火電纜， 2005年頒布了GB/T 19666-2005《阻燃和耐火電線電纜通則》，首次規范了電纜型號，明確了阻燃耐火特性的分級標準，并對煙霧、鹵素等標準予以定量，直接改善了業內對性能等級、標識管理混亂的狀況，但有關毒性氣體濃度的標準懸而未決。直到GB/T 5023-2008《額定電壓450V/750V及以下聚氯乙烯絕緣電阻》的頒布，才首次從定量角度細化了毒性要求。

2014年我國參考歐盟EN13501-6：2014頒布了GB/T 31247-2014《電纜及光纜燃燒性能分級》，將電纜分為不燃等級A和三個阻燃等級B1、B2、B3，須進行GB/T 31248-2014燃燒試驗、GB/T 17651.2-2008煙密度試驗、GB/T 18380.12-2008單根燃燒試驗、GB/T 17650-1998氣體酸度試驗等進行評定，跟歐標要求的測試項目相同[3]，遂與國際接軌。

5 主要參數

5.1 阻燃電纜參數

依據電纜的阻燃特性，自高向低，依次可分為CMR級(干線級)、CM級(商用級)、CMG級(通用級)、CMX級(家居級)。

阻燃電纜在建筑方面應用最為廣泛，在該領域可將其自高向低分為以下5個等級：A1級為不燃燒，不起明火；A2級為不燃燒，低煙；B1為難燃；B2為可燃；B3為易燃，無任何阻燃效果。

5.2 耐火電纜參數

耐火電纜型號分為主分級、附加分級兩部分。主分級為燃燒性能等級，附加分級為燃燒滴落物/微粒、煙氣毒性、腐蝕性等級。通常標記為“GB 31247 M (X , Y , Z )”，M為燃燒性能等級，按熱值、煙密度等指標分為A、B1、B2、B3；X為燃燒滴落物/微粒等級，按規定時間內產生滴落物/微粒持續時間分為d0、d1、d2; Y為煙氣毒性等級，按煙氣濃度分為t0、t1、t2; Z為腐蝕性等級，按酸腐蝕后的導電率分為a1、a2、a3。

5.3 氧指數

阻燃耐火性能的評價方式有許多種，目前國際普遍通用的是極限氧指數，簡稱為氧指數，它是指物質在O2、N2混合物中能夠燃燒所需的最低O2濃度。氧指數越高，材料燃燒的屬性越差，絕大多數電纜材料的氧指數隨著溫度上升而下降。在常溫下，常被作為電纜絕緣護套的聚四氟乙烯氧指數可達95，屬難燃材料；聚乙烯17.4，聚丙烯18，屬易燃材料。電纜設計者須通過具體情況進行選材。如圖1所示。

圖 以氧指數界定易燃、可燃、難燃材料

6 輔助材料

6.1 防火涂料

防火涂料一般涂抹于電纜的表面，在電纜遇火時防護涂層會發生膨脹，形成致密的蜂窩狀隔熱層，具有一定的阻燃和隔熱作用，能夠延緩火焰的傳播速度，阻止燃燒。可選用無鹵材料制取。

6.2 阻火包帶

阻火包帶一般外套在電纜外護套上，可形成密封套，具有一定的阻燃和隔熱作用，對防止電纜初期火災和減緩火勢蔓延擴大可以起到效果。具有良好的伸縮性能，適用于頻繁移動的電纜。

6.3 其它輔助材料

阻燃耐火電纜還可配合防火隔板、防火泥、阻火網等產品配合使用。

7 結束語

設計阻燃耐火電纜需要深刻理解物質燃燒的條件，掌握常見導線、護套等材料的標準、結構和燃燒特性，對燃燒環境因地制宜，選取最優化屬性的阻燃耐火電纜，這樣才能保障易燃環境中電纜的正常工作，將火災隱患降至最低。