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1、城市轻轨地铁用直流电缆的特性要求和设计冬宁 天津安琪尔普睿司曼电缆有限公司 邮编 300384摘要：本文介绍了地铁轻轨用直流电力电缆由于特定使用环境而衍生的一系列特性要求以及相应的试验方法，对为满足电缆的这些特性要求而在设计研制过程中采取的措施进行了讨论，重点说明了电缆的阻燃结构，原理及低毒特性。电缆样品通过了全面的型式试验并且合格。最后提出了有关建议。关键词：地铁轻轨；阻燃A级；低烟无卤；透光率 随着我国经济的迅速发展，城市现代化建设和人们的生活节奏不断加快，对目前的交通条件提出了更高的要求，城市的交通要满足目前人们的日常出行和正常生活工作的需要，就要提供四通八达，方便迅捷的服务，城市轨道交
2、通是目前国际大城市改善交通环境的主要措施，我国各大中城市借鉴国外的经验，建设快速轨道交通已呈方兴未艾之势。目前，北京、上海、天津、重庆、大连和广州等很多城市都在建或续建地铁轻轨轨道交通，我们天津已经建成的津滨轻轨和地铁轻轨1号线给大家的生活和工作提供了很多方便，也提高了效率，接下来建设的2号线，3号线将构成城市的立体交通网络，满足人们高效迅捷的工作生活节奏的需要。 城市轨道交通的发展也为电缆行业提供了商机，轻轨地铁用直流牵引电缆就是适用于城市轨道交通的直流传输电力电缆，而直流牵引电力传输用电缆除部分从国外引进外，大多可采用交流电缆代替。由于工作中接触到一些地铁工程的招标技术文件，本文就轻轨地铁
3、用直流电力电缆独特的使用环境和相应特性要求,结合我们对它的设计和研制进行总结，与大家交流探讨。1 城市轻轨地铁用直流电缆的主要技术问题及要求1.1 由于城市轻轨地铁用直流电缆的使用环境多为人口密集的地下,对阻燃性能要求较高,我们接触到的招标文件都要求符合GB/T18380.3中A级,B级或C级的要求,并且随着设计过程中与使用部门的沟通,阻燃性能的要求提高到了A级,也就是阻燃要求为GB/T18380.3中的A级 此外，过去PVC为绝缘或护套的电缆燃烧时释放大量烟雾和有毒气体，妨碍消防工作的进行，并且酸性气体对人和设备都会造成伤害，所以在人口密集，通风条件差的地下，设计单位一般都选用低烟无卤或低烟
4、低卤型的电缆,因此电缆的发烟量,卤酸气体释放量必然有较高的要求,我们结合用户提出的技术条件,制订了我公司的企业标准,关于阻燃及低烟无(低)卤特性的具体参数见表1表 1 低烟无(低)卤性能的具体参数项目标准要求执行标准及试验方法低烟低卤阻燃电缆低烟无卤阻燃电缆成束燃烧试验(A级)炭化部分高度 最大/m2.52.5GB/T18380.3电缆烟密度试验 透光率 最小/%3560GB/T17651取自电缆的材料燃烧时的卤酸气体释放量 最大(mg/g)1005GB/T17650.1取自电缆的材料燃烧时释出气体的水溶液PH值 最小水溶液的电导率 最大(s/mm)/4.310GB/T17650.2GB/T1
5、7650.21.2 用户提出电缆需要具备防白鼠、防白蚁性能。1.3 用户提出电缆要具有防水性能。1.4 由于电缆有可能敷设在户外,所以,电缆要耐紫外线,适应各种气候条件。2 电缆设计及研制 在轻轨地铁用直流电缆的设计和研制中,重点在于阻燃结构的设计以及一些特殊性能的结构设计,如防水、防鼠、防白蚁等, 铜导体的结构可以参照国家标准电缆的导体中第2类或第5类设计, 绝缘(用户要求为交联聚乙烯)可以参照GB/T12706.1额定电压1kV到35kV挤包绝缘电力电缆及附件进行设计，这里不再进行说明。2.1 阻燃结构的设计和研制 城市轨道交通用直流电缆的使用环境多为人口密集的地下场所,一旦发生火灾,地下
6、封闭的环境给人员逃生和消防工作带来很大困难,这些因素决定了地铁轻轨用的直流电缆必须有很好的阻燃性能和低烟低毒的性能。一般来说, 低烟无（低）卤阻燃电缆的材料和结构可以有两种选择，一种是低烟无（低）卤阻燃绝缘材料+低烟无（低）卤阻燃护套材料，另一种为非阻燃绝缘材料+低烟无（低）卤阻燃护套材料。如果要求低烟无（低）卤电缆的阻燃性能达到A级，显而易见，最好采用第一种结构，这样能保证整体电缆的阻燃性能。但是具体到城市轨道交通用直流电缆，我们最终选择了后一种结构，即交联聚乙烯绝缘（交联聚乙烯是不阻燃材料）+低烟无（低）卤阻燃护套材料，原因如下：1. 用户要求绝缘材料采用交联聚乙烯绝缘2. 如果采用低烟无
7、（低）卤阻燃交联聚烯烃绝缘,那么,电缆的绝缘电阻常数和体积电阻率等电气性能指标会降低，不能达到相应的交联聚乙烯绝缘的水平.这种情况下，我们必须在电缆的护层材料和结构上采取措施，才能保证电缆的阻燃性能。我们这次试验样品选择的截面是400mm2, 为提高阻燃性能，我们在绝缘和护套间增加内护层，一种选择是挤出普通低烟无卤阻燃内护层，另一种选择是绕包低烟无卤阻燃玻璃布带，结果两种结构均没有通过A级试验。这时，我们考虑采用高阻燃隔氧层结构，即在绝缘和护套间挤包一层填充了大量无机阻燃剂的低烟无卤阻燃内护层，它的阻燃机理如下：电缆的引燃是一个先吸热后放热的过程，电缆在引燃前需要吸收大量的热量使电缆内的材料达
8、到闪点，才能燃烧。高阻燃隔氧层材料由于填充了大量不可燃的无机氢氧化铝，氢氧化镁等，使电缆的热容量增加和传导热阻降低，延滞了火焰下外护套温升的提高，另外，当氢氧化铝温度升高至250时，出现下列反应：2AL（OH）3AL2O3+3H2O,这个过程需要吸收大量热量同时释放大量水蒸气,而水蒸气能够稀释可燃性气体,有效抑制材料闪点的出现,有助于阻止电缆的燃烧。对样品进行阻燃试验后，我们发现这个高阻燃内护套的结壳性很好，经过火焰燃烧后，析出水分已经转化成不熔不燃的氧化铝硬壳包裹在绝缘外阻止火焰进入绝缘内，也隔绝了绝缘与外界氧气的接触，使火势得到控制。通过对样品进行试验，证明了这种结构的效果很好，能够使电缆
9、达到A级阻燃的要求。这种高阻燃隔氧层材料是由国内厂家生产的，氧指数55左右，发烟量、卤酸气体释放量、PH值和电导率均达到低烟无卤的要求，按照这种结构，我们又试制其它几种低烟无（低）卤料，也都达到了A级阻燃的要求。对于几种低烟无（低）卤城市轨道交通用直流电缆的试验结果见表2表 2 低烟无（低）卤城市轨道交通用直流电缆的试验结果序号内护层材料外护层材料阻燃A级试验透光率/%卤酸气体释放量（mg/g）PH值电导率 (s/mm)1挤出普通低烟无卤料低烟低卤材料2不合格30.7962低烟无卤材料2不合格9806.960.853绕包低烟无卤阻燃带低烟低卤材料2不合格32.5864低烟无卤材料2不合格990
10、7.00.85挤出高阻燃低烟无卤隔氧层低烟低卤材料1合格（炭化高度1.4米）31.8866低烟低卤材料2合格（炭化高度0.9米）30.5957低烟无卤材料1合格（炭化高度0.8米）7406.741.058低烟无卤材料2合格（炭化高度0.5米）9907.00.79注：其中低烟无卤材料1，低烟无卤材料2，低烟低卤材料1，低烟低卤材料2分别代表不同的材料。通过表2可见,带有挤出高阻燃隔氧层结构的电缆能通过阻燃A级试验, 不带有挤出高阻燃隔氧层结构的电缆没有通过阻燃A级试验。城市地铁轻轨用低烟无（低）卤直流电缆的透光率、卤酸气体释放量、PH值、电导率均符合标准要求并且有很大的余量，而城市地铁轻轨用低烟
11、低卤直流电缆的透光率与标准相比还有微小的差距。2.2 电缆的防鼠防蚁层设计 由于电缆长期敷设在地下,容易受到小动物(如鼠类、蚁类)的攻击,影响电缆的性能,使用方提出电缆应具有防鼠防蚁功能。黄铜是非磁性材料，是含铜60-70%，含锌30-40%的合金，相对紫铜硬度较大。根据其中锌的不同含量，可以得到不同的机械性能。根据以往经验，既要考虑到有足够的硬度经受鼠蚁的攻击,又要有适当的强度和伸率满足生产上加工的要求, 我们选择了符合GB2060中H62或H65的黄铜带作为防鼠防蚁层。黄铜带最薄厚度为0.12mm, 即可采取双层间隙绕包的结构,也可以采用单层重叠绕包的形式，两种结构的样品经过验证均收到了满
12、意的效果。2.3 电缆的防水性能设计 由于环境和气象因素的作用,电缆有可能较长时间敷设在潮湿的环境下,水分子有可能径向透过护层,侵入到电缆内部,被绝缘吸附吸收,引起电气性能的下降, 所以用户要求电缆要有径向防水功能。 对于防水要求，有两种结构可供选择：其一为挤出一层吸湿性和透水性低的材料，将水分阻挡在绝缘外，如挤出一层线性低密度聚乙烯；另一种为采用铝/塑粘结综合护套。一般来说，对防潮性能要求高的电缆多采用综合护层结构。考虑到该电缆的阻燃要求为A级，尽量不在电缆结构中添加易燃物（聚乙烯不阻燃），以及铝/塑粘结综合护层有更好的防水性，所以我们选择了铝/塑粘结综合护层这种防水结构。我们还在交联聚乙烯
13、绝缘与铝/塑粘结综合护层间绕包了一层膨胀型阻水带，提高了防水的可靠性。2.4 电缆的耐紫外线性能 如果电缆不是在地铁中使用，而是敷设在高架轻轨上，这样就可能长期经受日光照射和各种气象条件的考验，电缆的护层长期被日光照射，容易出现颜色褪色，机械物理性能下降甚至开裂等现象，所以，这种情况下，电缆的护套应该具有耐紫外线特性。我们在选择护套材料时，尤其对于不是黑色的护层，都选择了带有防紫外线性能的材料或者在护套材料中添加耐紫外线吸收剂等助剂以改善材料的性能。2.5 电缆的结构示意图见图11234567图 1 结构示意图1导体；2绝缘；3阻水带；4综合护层；5高阻燃隔氧层；6防鼠蚁层；7护套3 主要特殊
14、试验的要求及试验方法3.1 电缆的阻燃性能、发烟量、卤酸气体释放量、PH值和电导率要求见1.1.3.2电缆的防鼠蚁性能要求: 该项试验是根据GB2951.38中“实验群体法”的要求进行的,该电缆达到蛀蚀一级要求.3.3 防水性能要求 电缆在水中浸泡72小时后,去除绝缘层外面的复合层后,用肉眼观察,绝缘外表面是干燥的。3.4 防紫外线性能试验: 根据GB14049架空绝缘电缆的人工耐气候老化试验进行: 在大气和光老化作用下,试样经42天老化后,护套的抗张强度和伸长率变化率应不超过30%,经21天老化后,试样与经过42天老化后试样对比,抗张强度和伸长率的变化率应不超过15%.4 结束语4.1 我公
15、司设计的直流1500V高架轻轨用防水防鼠型耐紫外线低烟无卤阻燃A级电力电缆通过了国家电线电缆质量监督检验中心的全面型式试验。4.2 建议地铁中使用的电缆，最好采用低烟无卤型,因为低烟低卤型的电缆护套基材为聚氯乙烯,很难保证它的低毒性能。高架轻轨上使用的电缆由于通风性好,人员稀少,从减少成本着想,可以考虑低烟低卤型,但要注意需要耐紫外线和防水性能.总之,对低烟低卤电缆的使用应持慎重态度.参考文献：深圳地铁一期工程用户需求书 1500V直流电力电缆作者：冬宁，女，天津安琪尔普睿司曼电缆有限公司，工程师，电话：23078512（办公室），81849122（小灵通），电子邮箱：ning.dong4Zf
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