阻燃B1級城市軌道交通信號電纜的研制

居盛文 黃少成

（安徽華上電纜科技有限公司，安徽 蕪湖 238339）

傳統無鹵低煙阻燃電纜及試驗方法標準僅考慮電纜本體的不燃性、煙氣腐蝕性和煙氣透光性，忽略了電纜燃燒時的熱釋放過程、煙氣釋放過程、燃燒增長速率、燃燒滴落物以及煙氣毒性等特性。根據地鐵本身的獨有特點，一旦起火，容易造成火勢蔓延擴大和有毒濃煙的產生，不僅會威脅乘客的生命安全，還會給疏散和救援工作造成較大困難。目前，公眾對消防安全越來越重視，我國公安部引進借鑒歐盟CPR 建筑指令并制定了GB 31247—2014《電纜及光纜燃燒性能分級》[1]國家標準，其中非礦物質絕緣電纜的最高等級為B1 級。目前阻燃B1級城市軌道交通信號電纜沒有統一的行標或國家標準，各生產商之間的技術標準又不盡相同，主要以符合GB/T 19666—2019《阻燃和耐火電線電纜或光纜通則》[2]的A 類為主。隨著《電纜及光纜燃燒性能分級》GB 31247—2014 的推出，阻燃B1級城市軌道交通信號電纜的研發勢在必行。

1 性能要求

根據GB 31247—2014《電纜及光纜燃燒性能分級》標準要求，研發的阻燃B1級城市軌道交通信號電纜的燃燒性能、燃燒滴落物、煙氣毒性、腐蝕性能及電氣性能等指標應滿足的要求見表1 和表2。

表1 阻燃B1級城市軌道交通信號電纜電氣性能指標

表2 阻燃B1級城市軌道交通信號電纜燃燒特性指標

2 阻燃基本原理

燃燒是一個復雜的過程，但歸納一下必須符合3 個要素，即可燃物、助燃物（空氣）和溫度（著火點），缺一不可。缺失任何一個要素，燃燒現象即會終止。如果持續發生，必須有產生火焰的自由基物反應。因此持續燃燒的要素為可燃物+阻燃物+溫度+自由基物反應（3+1 模式）。

自由基物的反應也是材料在燃燒過程中的氣相反應，即聚合物受熱分解并釋放熱量。在材料持續燃燒中，如果能切斷自由基物的反應，則無熱釋放量反饋給基材，燃燒即會中斷。反饋給可燃性基材熱量大小將直接表現為燃燒過程的劇烈程度。阻燃的理念就是阻礙和減少可燃性基材在燃燒過程中熱釋放量，使其達到最小化。

3 設計方案

根據使用場景的不同，阻燃B1級城市軌道交通信號電纜分為綜合護套和鋁護套2 種結構。其中，鋁護套結構電纜由于內護層存在無機物金屬護層，因此只要內護層滿足要求，電纜也就能符合相應標準要求。目前，主要難度在于綜合護套結構的阻燃B1級城市軌道交通信號電纜的研發。由于綜合護套結構的阻燃B1級城市軌道交通信號電纜的內護套采用雙面鋁塑帶縱包，厚度較薄，外護層在燃燒過程中容易向內部纜芯傳遞熱量而提升溫度，并且鋁塑帶縱包合縫處屬于開放窗口，一旦內護層在燃燒過程中結殼性不良，會導致向纜芯內部流入助燃物空氣。因此研發重點在于如何滿足綜合護套結構的阻燃B1級城市軌道交通信號電纜的燃燒特性要求。

3.1 阻燃材料的選擇

從燃燒的三要素來看，除了為滿足阻燃B1級城市軌道交通信號電纜的傳輸性能而無法更改的絕緣材料外，填充材料、包帶材料和護套材料宜優先選用低熱釋放量、結殼性好的無鹵低煙阻燃材料，可有效降低熱釋放總量和發煙總量，防止燃燒物滴落，同時防止熱量向內部傳遞。下面重點介紹填充材料、包帶材料和護套材料的選擇。

首先，填充材料填充材料可以是隔氧泥、玻璃纖維繩、無機紙繩以及低煙無鹵阻燃PP 繩等材料中的一種。在產品試制過程中，雖然隔氧泥固然有良好的阻燃特性，但用在電纜填充后電纜的彎曲半徑會受一定的影響，外徑也會增加，對電纜的絕緣也有一定影響。玻璃纖維繩阻燃性很好，但在生產加工和安裝敷設過程中易對生產和施工人員的皮膚造成過敏反應。無機紙繩在生產過程中易斷裂，同時含有石棉，給人帶來一定危害。低煙無鹵阻燃PP 繩不僅易于加工，而且其低煙無鹵阻燃特性經檢測可完全達到標準使用要求。經過以上材料的對比和分析，該文選用低煙無鹵阻燃PP 繩作為填充材料，完全滿足阻燃B1級城市軌道交通信號電纜燃燒特性要求。

其次，包帶材料可以選用阻燃無紡布、玻璃纖維帶和低煙無鹵阻燃帶等材料。在產品試制過程中，考慮阻燃無紡布雖然具有一定的阻燃特性，但因含有一定的鹵素，不能滿足產品的使用要求。玻璃纖維帶阻燃性能固然很好，但易對生產和施工人員的皮膚造成過敏反應。低煙無鹵阻燃帶克服了阻燃無紡布和玻璃纖維帶的性能不足，具有更高的低煙無鹵阻燃特性，并且易于加工生產，同時對人體無影響。通過對比以上材料，該文選用低煙無鹵阻燃帶為纜芯繞包層。

最后，護套材料的選擇至關重要。內護層主要是保護電纜內部不被燃燒，在燃燒過程中，電纜內護層經燃燒后形成堅硬的陶瓷化殼體，不熔且不滴落，阻止火焰向里蔓延，同時不含鹵素發煙量且熱釋放量小。外護套主要是保證電纜的機械物理性能和抗開裂性能，更要考慮材料的低煙無鹵阻燃性能。電纜被燃燒時能阻止火焰沿電纜表面的蔓延且無鹵素產生，發煙量小。通過選擇不同材料廠家的材料試制，最終選擇內護層為氧指數40%的高阻燃低煙無鹵隔氧料，外護層為氧指數36%的低煙無鹵阻燃聚烯烴材料，經試驗各項性能指標符合標準要求。

在選材過程中，該文結合電纜自身特點、制造成本和產品質量等方面進行了綜合考量，最終確定填充選用低煙無鹵阻燃PP 繩，繞包選用低煙無鹵阻燃帶，內外護層選用高阻燃低煙無鹵聚烯烴護套料。

3.2 電纜結構設計

鋁護套結構的阻燃B1級城市軌道交通信號電纜采用厚度為1.2mm 的無機金屬物鋁板焊接形成的金屬套為屏蔽層，同時采用雙鋼帶鎧裝，因此只要內護層的結殼性良好，就可阻止外部燃燒時產生的熱量向內部傳遞。鋁護套電纜需要考慮的是如何隔絕助燃物空氣進入纜芯，并要求結殼性良好，防止絕緣層的聚乙烯材料產生滴落。

綜合護套結構的阻燃B1級城市軌道交通信號電纜纜芯成纜時采用低煙無鹵阻燃PP 繩填充，并在纜芯外繞包聚酯帶和低煙無鹵阻燃帶，再經雙面鋁塑帶縱包后擠包氧指數40%的高阻燃低煙無鹵隔氧層以阻斷空氣進入。內護層外繞包低煙無鹵阻燃帶后進行鋼帶鎧裝，并在鎧裝層外再繞包低煙無鹵阻燃帶，最后擠包氧指數36%的低煙無鹵阻燃聚烯烴護套層（電纜具體結構如圖1所示，工藝路線如圖2所示）。

圖1 阻燃B1級城市軌道交通信號電纜結構圖

圖2 阻燃B1級城市軌道交通信號電纜工藝流程

4 創新方法的確定

內、外護套采用防滴落熱釋放量小的高阻燃低煙無鹵護套料；纜芯經成纜后繞包聚酯帶和結殼性較好的低煙無鹵阻燃帶，防止火焰滲入纜芯內部，并防止纜芯在燃燒時滴落；內護層內采用雙面鋁塑帶縱包，內護層外采用繞包低煙無鹵阻燃帶，防止內護層在燃燒過程中產生滴落，同時可以填充鎧裝鋼帶和內護層間的間隙，減少助燃劑空氣滲入；鋼帶鎧裝后再繞包低煙無鹵阻燃帶，可以填充鎧裝鋼帶和外護層間的間隙，減少助燃劑空氣滲入；必要時可以適當增加絕緣外徑，避免因纏繞阻燃包帶引起電容增大，從而影響傳輸質量。

5 實施方案

阻燃B1級城市軌道交通信號電纜主要通過填充低煙無鹵阻燃PP 繩，繞包結殼性較好的低煙無鹵阻燃帶以及擠包防滴落高阻燃低煙無鹵內、外護層等方式實施。通過以上措施可有效避免助燃劑空氣在燃燒過程中滲入電纜內部，同時由于內、外護層結殼性較好，因此可有效避免在燃燒過程中產生滴落，另外上述材料均屬于低熱釋放量材料，可降低熱釋放總量并減少熱量向纜芯內部的傳遞。

具體的創新優化如下。

5.1 成纜工序

成纜工序的主要作用是將對線組、三線組或四線組等絞合成纜芯，并通過填充低煙無鹵阻燃PP 繩、非吸濕性聚酯帶及低煙無鹵阻燃包帶在纜芯外繞包固定。該工序的創新在于在非吸濕性絕緣帶外繞包低煙無鹵阻燃包帶，充分填充了金屬屏蔽層與纜芯間的縫隙，可在燃燒過程中避免助燃劑空氣滲入纜芯內部而加速燃燒，同時通過玻璃纖維帶結殼性較好的優勢來避免在燃燒過程中產生滴落。

5.2 綜合護套工序

綜合護套是在繞包聚酯帶和低煙無鹵阻燃包帶的纜芯外縱包雙面鋁塑帶，并擠包低煙無鹵阻燃隔氧層。該工序的創新在于采用結殼性較好的高阻燃低煙無鹵聚烯烴隔氧層為綜合護套的內護層，可有效避免助燃劑空氣滲入電纜內部，減少熱量向內部傳遞。

5.3 在鎧裝工序前、后增加繞包工序

阻燃B1級城市軌道交通信號電纜采用雙鋼帶間隙繞包鎧裝，因此鎧裝層間存在大量縫隙空間，可大量滲入助燃劑空氣，有利于助燃。鎧裝前、后增加2 道繞包工序，并采用結殼性較好的低煙無鹵阻燃包帶，可充分填充鎧裝間的縫隙，同時能有效避免內護層在燃燒過程中產生滴落。

5.4 外護套工序

外護套的作用是鎧裝層外的塑料保護層直接裸露在電纜外表面，如果遇火則會在燃燒過程中直接與火源接觸。該工序的創新在于外護套采用擠包結殼性好、熱釋放量小的高阻燃低煙無鹵聚烯烴護套料，可有效達到不延燃或不燃的目的，并且燃燒過程中不易產生滴落。

6 測試結果

該文試制的阻燃B1級城市軌道交通信號電纜系列中制造難度較高、結構較復雜的WDZB1-PTYA23 3×2×1.0mm2的綜合護套結構電纜，具體測試結果見表3 和表4。

表3 阻燃B1級城市軌道交通信號電纜電氣性能測試結果

表4 阻燃B1級城市軌道交通信號電纜燃燒性能測試結果

7 結語

隨著各大中型城市地鐵、輕軌、有軌電車及磁懸浮等城市軌道交通如火如荼的建設，阻燃B1級城市軌道交通信號電纜市場需求相對較大，但制造工藝較復雜，生產技術難度較高。因此，生產企業要想有效地控制產品質量，必須建立長效的、切實可行的質量控制與管理機制，確保產品質量，降低產品在使用過程中存在的安全隱患及風險，才能為企業的可持續發展奠定基礎，為市場持續提供更優質的產品。