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摘要：随着城市化进程的快速发展，城市各类建筑的防火材料尤其是防火电缆已成为人们重点关注对象。为了保障火灾发生时消防供电系统正常工作，本文设计了一种克服传统防火电缆不足的新型无机防火电缆。首先，对传统防火电缆的结构与不足进行了阐述。其次，完成了新型防火电缆结构的设计。然后，对新型防护电缆采用的材料进行了高温试验，结果表明新型防火电缆具有优异的耐高温性能。最后，对新型防火电缆进行了相关性能试验，试验结果表明其各项工作性能满足使用标准。
关键词：防火电缆；无机；结构设计；性能试验
1.引言
随着国民经济的飞速发展，城市化进程的快速推进，城市建筑的火灾事故发生几率大大提升，造成的经济损失巨大。发生火灾时，由于传统电缆采用非防火材料导致供电系统电路异常，进而导致电梯、应急系统等无法正常工作，给后续救援疏散带来巨大的困难[1-3]。因此，采用防火电缆是保证火灾环境中供电系统保持正常供电的关键，在供配电线路中必须根据不同用途选用相应的耐火与防火电缆[4-5]。本文将介绍一种新型无机绝缘防火电缆，对其结构设计、材料以及防火性能进行详细介绍。
2.传统防火电缆
由于人们对火灾时电路的安全越来越重视，已有一些技术成熟的防火电缆即传统防火材料在广泛应用。目前，典型的结构主要有以下两种：
（1）耐火包带与塑料绝缘组合结构。
相对于其他防火电缆，该电缆具有结构简单、生产容易、成本低廉等优点。由于该种电缆具有一定的柔软性，可应用于大部分移动场合。由于塑料绝缘的耐热温度的限制，使这种电缆的工作温度范围较窄。塑料绝缘燃点较低，在明火环境下极易燃烧。因燃烧时产生的热量，易导致温度急剧上升使耐火包带碳化。其耐机械振动、冲击、水淋等性能较差。综合上述特点，该电缆在火灾环境下达不到使用要求。
（2）铜芯矿物绝缘铜管护套结构。
这种电缆是一种非燃电缆，结构主要由氧化镁无机物绝缘与铜管护套组成。由于采用氧化镁无机物作为绝缘，使其工作温度能高达300℃。而铜管护套能够保证电缆在径向具有防水、防潮的功能。
虽然该电缆具有一定的防火以及径向防水、防潮功能，但也存在如下不足：
a.由于氧化镁的亲水性较强，导致绝缘易潮，使其纵向防潮以及接头处的密封尤为重要。目前，纵向防潮（接头与终端）大多都采用密封胶进行密封，故使其使用寿命收到一定的限制，若电缆损伤、遇水，其在火灾环境将丧失防火功能。
b.由于其制造工艺复杂，生产周期较长，硬而不易弯曲，安装不便等缺点，限制了电缆制造长度以及产量。若电缆长度过短，会导致接头增多，使其纵向防水难度过大。
3.新型防火电缆设计
针对防火电缆在各种场合的消防要求以及传统防火电缆存在的不足，本文对明火环境下电缆的工作性能进行分析，结合防火电缆的结构和材料的试验研究，设计了一种新型绝缘防火电缆。
新型防火电缆结构设计的主要内容：
（1）绞合导体具有良好柔软性，且连续生产性好，故电缆导体采用紧压绞合导体代替实心导体。由于绞合导体采用连续生产工艺，使电缆导体制造长度较长，进而可减少接头数量。并且可制成大截面积导体，单芯防火电缆导体截面积可达630 mm2，多芯电缆导体截面积可达４×240 mm2。
（2）防火电缆需在火灾条件下的满足消防与供电要求，故其绕包的耐火绝缘层的击穿场强应大于35kV/mm。由于玄武岩与玻璃纤维具有良好的耐火特性，故本文所设计的新型防火电缆采用玄武岩与玻璃纤维作为的无机绝缘层。为了使电缆即具备耐火作用，又可以保护内绝缘层，其绝缘采用多层绕包结构。
（3）为了使所开发的新型防火电缆在火灾条件下对其绝缘线芯具有隔热的性能，且绝缘结构更加牢固，能承受一定的振动、冲击等外力的作用以及潮湿，故防火电缆的填充采用无机硅膨胀材料。无机硅膨胀材料能够随着温度的升高而膨胀，进而充实金属护层内部空间，固定绝缘线芯的位置。并且还可在高温具有良好的隔热性能，从而使绝缘线芯在高温条件下结构更加稳定，保证电缆电气性能可靠。
（4）为了避免电缆绝缘线芯直接燃烧，采用非磁性金属带纵包焊接轧纹工艺制造缆芯，轧纹使电缆具有良好的弯曲性能。电缆焊缝处机械强度不低于母材的75％。完成焊接后进行浸水试验，对电缆的绝缘性能进行检测。应选用熔点高于1000℃的金属材料作为金属保护层，当需要金属护层作为地线或屏蔽时，由于铜护层屏蔽性能优异，不会对共同敷设的信号、控制电缆传输的信息产生干扰，故金属护层采用铜护层。
（5）因高聚物在燃烧时会产生大量的烟和有毒气体，不仅造成可见度的降低，影响人们的疏散和火灾扑救，而且有毒气体直接威胁着火场人们的生命安全。相关实验表明，2 m电缆约含2kg PVC，燃烧 3 min 后可产生约200 m3的产生的烟。PVC在燃烧时会产生HCL等有毒气体，同时这些气体还能腐蚀事故现场的电气等设备，使电气设备故障率增高以及使用寿命缩短。故降低烟和有毒气体的产生，以及使电缆金属护层的保护功能正常，故烟无卤外护套将被应用于新型防火电缆的结构。
该新型绝缘防火电缆采用多股铜紧绞制导体、绝缘耐火云母带和玄武岩与玻璃纤维组成的耐火绝缘层，纵包氩弧焊接轧纹非磁性金属护层、低烟无卤外护套作为整体结构，并使用无机硅膨胀材料对绝缘线芯间隙进行填充。其结构如图１所示。
4.新型防火电缆材料的高温性能试验
发生火灾时，防火电缆的工作环境为高温环境，为了保证其在高温环境下具有良好的工作性能，需对其无机耐火绝缘材料和无机硅膨胀材料进行相应的温度性能试验。本文所设计的防火电缆采用一种组合绝缘层即无机耐高温绝缘层。为了保证电缆的绝缘性能与耐火性，该组合绝缘层应具有低损耗、优质的电气绝缘与耐电压等优点。下面对脱水处理后的无机耐高温绝缘材料进行高温绝缘性能试验，试验结果如图２所示。由图可知，在温度高达950℃时，无机耐火绝缘带具有较好的绝缘性能，防火电缆高温绝缘性能满足工作要求。
为了使所设计防火电缆的绝缘线芯在燃烧时结构更加稳定，其应采用优异耐高温性能与耐燃烧性能的电气绝缘性能良好的加工方便的无机硅膨胀填充材料。且该填充材料在温度达到某一特定之后具有良好的膨胀性能。其在满足挤包工艺要求的情况下，在线缆燃烧后应具有隔热降温作用。
为满足上述性能要求，本文采用以无机硅材料为基材，具有严格添加量的有机物组成无机硅膨胀填充材料，其随温度与膨胀率的关系如图３所示。由图可知，在高温下该无机硅膨胀填充材料具有较好的膨胀性能，能够满足高温隔热和填充的要求。
5.新型防火电缆的性能试验
为了保证所设计的新型防火电缆的工作性能远远满足目前的使用要求，本文在进行该新型防火电缆的的防火性能试验、载流能力与温升等性能试验时采用的试验条件远远超过了相关标准的燃烧要求（英国标准BS6387-2013）。在完成标准规定的防火燃烧试验基础上试验电缆还须进行水淋与机械撞击试验，以验证防火电缆满足正常使用要求。
因所设计的防火电缆采用的无机绝缘结构，导体的工作温度不会受到限制。因此电缆敷设环境、敷设位置和金属护层温度是影响电缆的载流能力关键性因素。电缆应在其额定载流下，电缆金属护层运行环境所允许的温度应满足设计指标。根据电缆敷设要求，通常电缆表面温度不应超过70℃，若电缆免于触摸，也不应与可燃建筑物相接触，电缆金属护层温度可达105℃。了解新型无机绝缘防火电缆各层结构的热传递是验证其载流能力与耐高温性能的具体体现，在环境温度30℃时RTTYZ３×50新型防火电缆的载流与温升试验结果如图4所示。试验结果表明，当载流量超过了普通电缆和传统防火电缆的载流能力时（250Ａ），电缆表面外护套的温度未超过60℃，铜护层的温度低于85℃，导体的工作温度低于120℃。由相关试验结果可知，新型防火电缆的工作性能能够满足工作要求。
通过相关性能试验的得出新型防火电缆具有以下特点：
（1）防火性能优越。
在高于相关试验标准的情况下进行防火燃烧试验，结果表明新型防火电缆具有优异的防火性能。电缆在长时间高温火焰、水淋与机械撞击的恶劣环境下，能保持正常连续供电。
（2）电缆长度长。
无论是单芯，还是多芯电缆，其长度可与普通电缆相当，可以满足供电敷设长度需要，使电缆中间接头出现几率与制造成本大大降低。
（3）电缆柔软性好。
新型防火电缆采用绞合导体、无机绝缘材料绝缘以及非磁性金属护层轧纹组成结构，使其具有良好的柔软性，能与普通电缆一样可采用电缆盘进行收纳。
（4）具有安全环保特性。
电缆除了具备火灾时可正常供电，保证消防设备正常工作，减少火灾损失等优点，还因其铜护层具有接地线，大大提高了接地保护灵敏度和可靠性，保证了人生安全。该电缆内部由全无机和金属材料组成，故其还具有低烟无卤低毒等特性。
（5）耐腐蚀性好。
电缆采用非磁性金属护层具有较好耐腐蚀性。
（6）电磁干扰小。
由于电缆在铜护层内，在电缆与信号、控制等电线电缆同时敷设时，不会对信号线、控制电缆传输的信号产生干扰。
6.结语
传统防火电缆生产与应用已有近百年历史，历史证明其具有一定的防火性能，但在应用过程中，传统防火电缆存在许多缺点与不足，如长度短、接头多、易吸潮、安装不便等。正是由于这些不足阻碍了其进一步地推广应用。本文所研制的新型无机绝缘防火电缆能够很好的克服传统防火电缆所表现的不足，其优异的工作性能与低廉的成本已得到众多重要工程和场所的关注，未来将会得到广泛应用。
参考文献
[1] 蒋仁章, 范涛, 田鸣. B1级柔性矿物绝缘防火电缆的设计[J]. 光纤与电缆及其应用技术, 2018, 271(06):21-25.
[2] 田庚. 建筑电气防火设计中电线电缆的应用分析[J]. 科技风, 2018(18).
[3] 姬康源, 贾紫蕊. 电力电缆的防火技术措施探究[J]. 通信电源技术, 2018.
[4] 马休. 阻燃型电线电缆燃烧性能检测方法分析[J]. 建筑与装饰, 2017(3).
论文作者:叶小军,周光亚
论文发表刊物:《城镇建设》2019年第15期
论文发表时间:2019/9/17
标签：电缆论文; 性能论文; 无机论文; 结构论文; 护套论文; 材料论文; 导体论文; 《城镇建设》2019年第15期论文;